高端装备制造业是一个国家发展与壮大的基础，工业母机水平是一个国家制造业装备水平的体现，而代表工业母机制造业高端境界的五轴联动数控机床，反映了一个国家的工业发展水平。五轴数控机床具有高效率、高精度等特点，工件一次装夹就可完成五面体的加工。其不仅可以对复杂的空间曲面进行高精度加工，而且能适应如汽车零件、飞机结构件等复杂精密零件的加工。鉴于此，加强五轴数控机床研发与生产，不断提升机床品质，具有重要的现实与战略意义。

1.五轴数控机床摇篮式转台分类

摇篮式转台是五轴数控机床转台中的一种，是五轴数控机床的核心部件之一。在摇篮式转台中，通常把绕X轴旋转的轴定义为A轴，绕Z轴旋转的轴定义为C 轴。工作台（转台）在 C轴上、通过 A轴和C 轴的紧密组合将工件装夹在工作台上,带动工件绕A 轴与 C 轴旋转。通常，把在360°内做旋转运动的轴称为旋转轴，如C轴：把只能在一定的角度范围内（士130°以内等)做正反回转运动的轴称为摇摆轴，如A轴。

五轴数控机床摇篮式转台主要有以下 5种分类方法：第一，按驱动的运动副形式分，有齿轮副驱动、蜗轮蜗杆副驱动及力矩电机直接驱动：第二，按摇摆轴的支撑结构形式分，有悬臂型摇摆轴和两端双支撑摇摆轴：第三，按摇摆轴驱动个数分，有双驱型摇摆轴和单驱型摇摆轴：第四，按旋转轴转速分，有低速型摇篮式转台、高速摇篮式转台及车铣复合型摇篮式转台等：第五，按转台参与进给方式分，有分度型摇篮式转台和联动型摇篮式转台，其中分度型摇篮式转台的两个进给轴只有分度功能而没有联动功能，而联动型摇篮式转台两个进给轴既有联动功能也有分度功能。

2.五轴数控机床摇篮式转台使用中存在的问题

以蜗轮蜗杆副驱动摇篮式转台为例，根据多年的工程实践及应用反馈，摇篮式转台存在如下问题。第一，摇篮式转台部件刚度不足。一方面，因摇篮箱体结构原因，刚度不足，导致摇篮式转台稳定性与响应性存在一些问题，响应速度慢,不能用大的切削用量，明显影响机床的加工效率与加工质量，包括加工精度和表面质量：另一方面，摇篮箱体与转台之间配合件的接触精度不高，影响接触刚度和配合质量，对响应速度、稳定性与加工质量同样产生不利影响。

第二，摇篮式转台中 C 轴的垂直度 （竖直度）保持性较差。C 轴的垂直度直接影响机床的加工精度。影响 C 轴垂直度的因素有多个，有设计、制造方面的因素，也有工作过程中零件变形与磨损的因素。A轴在工作时有较大摆转角度，承重大，并且持续时间较长、由于翻转力矩作用，零件会发生变形与磨损：C 轴的垂直度精度保持性较差，且不能调整，直接影响五轴数控机床的加工精度。

第三，A 轴的摆角精度受到蜗轮蜗杆副间隙的影响。带动A 轴摆动的蜗轮蜗杆传动副，因两者配合有间隙，且间隙处于哪一边具有不确定性，即间隙会出现窜动。因此，蜗轮蜗杆副间隙影响 A轴的摆角精度。

3.五轴数控机床摇篮式转台部件结构优化

3.1提高摇篮式转台部件刚度

有多种因索会影响摇篮式转台部件的刚度，其中敏感因素有摇篮箱体的刚度、摇篮箱体与转

台各配合件的接触精度。

3.1.1摇篮箱体结构优化

摇篮箱体是摇篮式转台部件中承重的基础件，是影响摇篮式转台部件刚度的敏感因素之一。摇篮箱体结构优化的主要思路是在不改变其主要结构的前提下，对局部薄弱环节进行优化。一方面，在两个支臂的内侧根部增设圆弧环加强筋板,能明显提高摇篮箱体的刚度。图1是摇篮箱体原来的结构，两个支臂与摇篮箱体相交连接，没有充分利用摇篮箱体的空间位置设置圆弧环加强筋板，摇篮箱体刚度较低。影响伺服电机增益参数，也影响机床实施重切，导致机床的加工精度与生产效率受到较大影响。

图1 改进前摇篮箱体结构   （无圆弧环加强筋板）

图2改进后摇篮箱体结构   （设置圆弧环加强筋板）

摇篮箱体优化后的结构见图2。充分利用摇篮的空间位置，在支臂与摇篮箱体相交连接处设置圆弧环加强筋板结构，能有效提高摇篮箱体的刚度，产生的效果明显。一是可提高伺服电机的增益参数，进而提升机床的生产效率与加工精度；二是可实施重切，进一步提高机床工作效率。

另外，优化摇篮箱体支臂的结构，尽量降低支臂的高度。支臂的高度影响摇篮式转台的重心位置，支臂高度越小，重心离A轴中心线越近，摇篮摆转所需的翻转力矩就越小，摇篮摆转的响应速度就越快。

3.1.2提高摇篮式转台配合表面之间的接触精度

影响摇篮式转台部件刚度的另一个敏感因素是接触精度。接触精度是指配合表面、接触表面和连接表面达到规定的接触面积大小和接触点的分布情况。接触精度影响接触刚度与配合质量。为此，适当提高摇篮式转台各配合件接触表面的加工质量和配合精度，如零件加工精度提高1个等级，从IT6级提升到IT5级，表面粗糙度也相应降低，摇篮式转台部件整体刚度能明显提升。

3.1.3根据需要增设尾顶尖结构

当加工的工件高度较大且直径较小时，切削时在切削力的作用下工件会产生明显变形，不仅增大加工误差，而且影响响应速度。对此，摇篮式转台增设尾顶尖结构，用尾顶支承工件另一端，实现工件双支承，从而有效提升摇篮式转台的整体刚度，提高加工的响应速度与加工精度。尾顶尖结构不需要时，可卸下。增设尾顶尖结构的结构图如图3 所示。

3.2设计C轴垂直度可调整结构

在机床使用过程中，常常出现C轴垂直度超差。为了长期保证C轴的垂直度，改变摇篮式转台C轴垂直度不能调整的结构，创新地采用C轴垂直度可调整的结构。把摇篮与A轴配合的其中一边的孔（图4右边的孔）设计为长形孔[上下尺寸伸长，前后尺寸不变，见图4（c）中序号3]。右边摇篮孔与A轴配合时，上下可出现间隙，为调整提供空间，前后保持原来的配合性质。增设内六角螺柱[调节螺柱，上下各1个，见图4（b）中序号2]，调节内六角螺柱的位置，实现右边摇篮的高低调整，从而带动C轴位置调整，直至C轴的垂直度指标符合要求。这样可长期保持C轴的垂直度，从而保证五轴数控机床的加工精度。

1.转台(C轴)；2.摇篮(A轴)；

3.尾顶尖；4.尾顶尖支架。

图3摇篮式转台增设尾顶尖结构

1.摇篮箱体；5.C轴

(a)主视图

2.调节螺柱；4.A轴

3.长形孔

(b).E局部放大图

(c）B-B剖面图

图4摇篮式转台部件

3.3摇篮箱体采用偏重结构

摇篮箱体采用偏重结构，即摇篮箱体壁厚设计为前后不等、前薄后厚，使摇篮式转台的重心与旋转中心不重合，有偏心距e[见图5（b）]。在图5（b）中，因摇篮与转台部件存在偏重，摇篮式转台部件有绕A轴逆时针旋转的趋势，致使蜗轮同样有逆时针旋转的趋势，使蜗轮与蜗杆的接触面始终保持在蜗杆左侧面上接触（摇篮工作时，一般是顺时针摆转，两者方向相反），间隙始终保持在蜗杆的右侧面上[见图5（c）]，可有效避免蜗轮与蜗杆啮合传动时间隙发生窜动，提高摇篮即A轴的旋转精度，使加工精度提高。

4.结语

通过对摇篮式转台部件结构进行优化，其性能得到了提升。第一，提高摇篮式转台部件刚度。优化摇篮箱体的结构，提升摇篮式转台部件各配合表面之间的接触精度，并根据需要对摇篮式转台增设尾顶尖结构，使工件实现双支承。第二，设计C轴垂直度可调整结构，长期保持C轴的垂直度，从而保证五轴数控机床的加工精度。第三，摇篮箱体采用偏重结构，可有效避免蜗轮与蜗杆啮合传动时间隙发生窜动，提高摇篮即A轴的旋转精度。

工程应用实践表明，摇篮式转台部件结构优化后，实际效果明显。一方面，可提高摇篮式转台响应速度与伺服电机的增益参数；另一方面，可实施重切，有效提升机床的加工精度与生产效率。优化方案已应用于多种型号的五轴数控机床，提升五轴数控机床产品的整体质量与稳定性。