装备制造业是一个国家工业的基石，其能够为新技术、新产品的开发及现代工业的生产提供重要的手段，是不可或缺的战略性产业。数控工具磨床，尤其是多轴数控、多轴联动的数控工具磨床，是实现高效、高质量磨削，制造精密、复杂形状刀具的高、精、尖的关键设备，也是各类数控机床中结构较为复杂、自动化程度较高、精度与可靠性要求较高的机电一体化高技术产品，其研究开发具有相当大的技术难度，较大的市场需求量。采用数控工具磨床对刀具进行磨削加工，必须依靠刀具磨削加工技术及编程技术，而目前各种复杂形状刀具的磨削加工技术与编程软件，在国外也属于专利技术或者保密技术，价格非常昂贵。鉴于此，现今世界上也只有极少数的厂商可以生产高性能的数控工具磨床。
1 五轴联动数控工具磨床工作台设计的基本要求
五轴联动数控工具磨床作为一种高精密的数控装备，结构复杂，精度可靠性要求高，通常是由机床的主运动部件、进给运动部件、辅助部件与机座等组成。机床应选用多少个坐标轴，采用哪几个轴进行联动，这位机床运动学所考虑的主要问题。通过加工对象及加工方法分析，五轴联动数控工具磨床的运动原理可满足任意刀具的磨削运动要求。其结构形式多种多样，有转台式、立式、卧式、带刀库等布局形式，机座形式也分为有底座式、龙门式、立柱式等。为了实现刀具与工件的相对运动，工具磨床可有多种结构的布局形式，对应的工作台形式也是各不相同。
一般情况下，工作台的结构设计需满足以下要求：（1）刀具磨削通常要求一次装夹来完成对工件所有切削面的粗精加工，此时，工作台应能够满足进行多片砂轮加工的操作要求，以及自动换刀机构的工作要求；（2）刀具主要是由各种复杂的曲面构成，所以对于多轴联动加工的要求工作台的结构应能满足，从而保证在工作的范围内各个运动轴不会出现运动干涉的现象；（3）工作台既要能承受在粗磨时所产生的大磨削力，又要能保证在精加工时的高精度，所以要求其刚度大、运动精度高、稳定性好，此外，要具有较小的热变形。
2 五轴联动数控磨床工作台结构设计
2.1 工作台进给系统
在刀具磨削加工的过程中，工作台进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性都会对工件的尺寸精度及轮廓的精度产生影响。因此，对于摩擦阻力小、系统稳定、动精度高、运动部件惯量小等要求，机床的进给系统应需满足，从而要求其传动元件必须具备摩擦阻力小、刚度大、传动间隙小、灵敏度高等特点。
轴联动数控工具磨床工作台的进给、旋转运动都可以采用单独的伺服电机来直接驱动丝杠螺母的传动，把旋转运动转变成为为直线运动。然后，通过数控系统来协调控制各轴之间的联动，省去皮带或者齿轮传动副的使用，来最大限度的减少传动误差，提高传动的精度。此外，机床导轨必须具有小摩擦力，高耐磨性的要求。综上分析，其可采用如图1所示的滚动导轨结构。
图2为磨床工作台的传动系统，滚珠丝杠螺母被固定在进给工作台拖板的上面，X、Y、Z伺服驱动电机通过波纹管式联轴器直接与滚珠丝杠进行连接。滚珠丝杠在伺服电机的驱动下进行转动，从而对各个方向的拖板沿导轨的运动进行驱动。数控工具磨床集粗、精加工于一体，位于三坐标的工作台既要能承受在粗加工时大吃刀、大走刀的最大切削力，又要能保证在精加工时的高精度。所以，对于零件要求具有刚度大、强度高、抗振性强、热变形小、内应力低等特点。工作台机体零件材料可以选用高强度的优质灰铸铁，采用半封闭截面的铸件，对内部隔板和肋条进行合理布置，并加宽其导轨面，从而提高整体的刚度。
3 典型数控工具磨床分析
澳大利亚ANCA公司开发的生产型产品ANCA TX7+CNC型五轴联动数控工具磨床，采用了可变的用户程序，可实现对复杂工件进行磨削，由于采用人机对话方式，能够对异形刀具进行直接编程。该产品的五根数控轴分别为工件回转A轴、工作台移动X、Y、Z三轴及主轴体的回转C轴。根据三维CAD来设计的机床具有宽大的空间，主轴前端接近旋转C轴的机械中心位置。由于机床立柱采用整体浇注的封闭龙门框架结构，具有刚度大、强度高等特点，从而保证了机床在高速强力切削时的稳定性。自动砂轮转换器能够在4S内同时转换冷却管与砂轮，一次最多可以完成对8个砂轮的装夹设置，从而实现对复杂刀具一次装夹完成的全部加工。此外，由于砂轮夹紧系统采用锥面和端面面接触，从而保证了高精度、高刚度的要求。
该机床电主轴的冷却采用通用的外壳循环油冷却，此外，其带有在线动平衡测试软件模块，在安装好砂轮杆后运行该模块，屏幕上会提示砂轮杆的动不平衡量及其相位角，通过人工添加配重螺钉就能完成对动平衡的修正。ANCA TX7+CNC型五轴联动数控工具磨床的各数控轴具有微米级的分辨率，两个旋转轴分辨率高达0.00010°，三个直线轴分辨率达到0.0001mm。这样，可以有效的完成对各种类型的立铣刀、扁钻、钻头，阶梯和成形的刀具，带有子刃的阶梯钻，标准的和切铝的旋转挫，锁眼孔冲头，整形移植件，杉树形铣刀及其他特殊的刀具的设置、磨削。
4 结语
本文根据五轴联动数控工具磨床的加工特点，对磨床工作台结构设计进行了一定的研究，总结出了五轴联动数控工具磨床工作台设计时所遵循的要求，提出了数控工具磨床合理的工作台结构、进给系统设计方案，最后对大利亚ANCA公司的TX7+CNC型工具磨床进行了分析，对数控工具磨床及其他数控机床的结构设计具有一定的参考价值。
(审核编辑: 智汇小新)
