（机械制造及其自动化专业论文）双摆铣头的精度保持性分析与结构改进.pdf

摘要 摘要 高速五轴联动机床是数控机床的高技术产品，五轴机床增加了旋转运动使 机床结构复杂，精度、刚度和速度要求高。双摆铣头是铣头式五轴联动数控铣 床的核心部件，也是设计制造的难点，其结构及性能直接影响到整个机床的性 能。 目前的铣头产品主要有两类：以蜗轮蜗杆传动为主的机械摆头结构和采用 力矩电机直接驱动的铣头结构。针对铣头的精度保持性，对比分析了这两类铣 头的结构特点和性能，并在此分析的基础上又设计了一种可提高精度保持性和 传动刚度的齿轮传动铣头结构。 在完成新结构的设计、建模和装配的基础上，对蜗轮蜗杆传动铣头结构和 齿轮传动铣头结构建立了动力学模型，通过静力分析、模态分析和谐响应分析， 获得了这两种铣头在不同工况下的静动态性能，并通过对比分析，对新结构中 的薄弱环节进行了结构改进，明显改善了铣头的动态性能。 双摆铣头的旋转进给系统的静动态特性直接影响加工精度也限制机床生产 效率。针对铣头内a 轴摆动进给传动链长、传动件尺寸小、刚度低的特点，采 用传递矩阵法对其建立了扭转振动刚度模型，分析计算了a 轴传动链的基本动 态特性，并与蜗轮蜗杆传动方案中a 轴传动链的基本动态特性进行对比分析， 为传动系统动态性能的研究提供了参考。 关键词：五轴联动；双摆铣头；模态分析；动态特性 a b s t r a c t a b s t r a c t h i g h - s p e e d f i v e a x i sn cm a c h i n et o o l sa r eh i g ht e c hp r o d u c t i o n , f i v e a x i s m a c h i n et o o l sh a v et w or e v o l v i n gc o o r d i n a t e sw h i c hm a k et h ec o n f i g u r a t i o nc o m p l e x a n dt h er e q u e s to fp r e c i s i o n ，r i g i d n e s sa n ds p e e di ss t r i c t m i l l i n gh e a di st h e i m p o r t a n tp a r t , t h ec o n f i g u r a t i o na n db e h a v i o ro fm i l l i n gh e a da l ed i r e c t l yr e l a t e dt o t h eb e h a v i o ro fw h o l em a c h i n et 0 0 1 t o d a y , t h e r ea r et w ok i n d so fm i l l i n gh e a d ：m e c h a n i c a lm i l l i n gh e a dd r i v e nb y w o r m - a n d - - w h e e lp r i m a r i l ya n dm i l l i n gh e a dd r i v e nb yt o r q u em o t o rd i r e c t l y t h e c o n f i g u r a t i o na n dp r o p e r t yo ft h et w ok i n do fm i l l i n gh e a d sa r ea n a l y s e da n d c o n t r a s t e da i m e da tt h ep r e c i s i o nr e t e n t i v i t yo fm i l l i n gh e a d ，a n db a s e do nt h e a n a l y s i san e wm i l l i n gh e a dd r i v e nb yg e a ri sd e s i g n e dw h i c hi m p r o v e dt h ep r e c i s i o n r e t e n t i v i t ya n dt h ed r i v er i g i d i t y a f t e ra c h i e v i n gt h ed e s i g no fn e ws t r u c t u r ea n di t st h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l b u i l d i n ga n da s s e m b l i n g , t h e nb u i l d i n gt h ed y n a m i c sm o d e l so ft h em i l l i n gh e a d d r i v e nb yw o r m - a n d - w h e e la n dt h em i l l i n gh e a dd r i v e nb yg e 码b yt h es t a t i ca n a l y s i s ， m o d a la n a l y s i sa n dh a r m o n i cr e s p o n s e sa n a l y s i s ，k n o wa b o u tt h es t a t i ca n dd y n a m i c b e h a v i o r so ft h et w om i l l i n gh e a d si nd i f f e r e n ts i t u a t i o n s ，a n db yc o n t r a s t i n ga n d a n a l y z i n g , i m p r o v e do nt h ew e a k n e s so fn e ws t r u c t u r e t oo p t i m i z ei t s d y n a m i c p r o p e r t y t h es t a t i ca n dd y n a m i cp r o p e r t yo fr e v o l v ed r i v ec h a i no fm i l l i n gh e a da r e i m p o r t a n t t o m a c h i n i n gp r e c i s i o na n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y a i m e da tt h e c h a r a c t e r i s t i c st h a tt h ed r i v ec h a i no f a - a x i si sl o n ga n dt h er i g i d n e s si sl o w , t r a n s f e r m a t r i xm e t h o di sa d o p t e dt ob u i l di t st o r s i o n a lv i b r a t i o nr i g i d i t ym a t r i x ，t h eb a s i c d y n a m i cp r o p e r t yo ft h ed r i v ec h 豳o fa - a x i si sc o m p u t e d ，a n dc o n t r a s tw i t hi to f w o r m a n d - w h e e l i tw i l lg i v es o m er e f e r e n c ei nd y n a m i ca n a l y s i so fd r i v e ns y s t e m k e yw o r d s ：f i v ea x i ss i m u l t a n e o u s ；m u l t i p l ea x e sr o t a r ym i l l i n gh e a d ；m o d a l a n a l y s i s ；d y n a m i cp r o p e r t y 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文 的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：匆团日 。力呻8 年f 月狮 ( 注：非保密论文无需签字) 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月 日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：如闵 伽易年f 月冲日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究意义 为改变高档数控装备长期国产化差的状况，在国家中长期科学和技术发 展规划纲要( 2 0 0 6 - - 2 0 2 0 年) 中将其列入支持重点；国务院关于加快振兴装 备制造业的若干意见中也指出把“发展大型、精密、高速数控装备和数控系 统及功能部件，改变依赖进口的现状，满足机械、航空航天等工业发展的需要” 作为“十一五 实现重点突破加快振兴装备制造业步伐的1 6 个重大专项之一。 高档数控机床是指多轴、复合、精密、大重型数控机床。在航空航天、发 电、船舶、模具、i t 、光学元件等复杂型面精密加工和汽车制造等领域需要多 轴联动数控机床。 五轴是指增加两个旋转坐标，五轴联动是指增加旋转运动完成曲面加工。 三个直角和两个旋转运动结合可以满足任何曲面形状加工。增加旋转轴后，刀 具切削轨迹可随结构变化。优点是切削条件大大改善，精度和效率大大提高， 工艺更加集中，减少装夹次数。同时，轴数和机构增加，插补、曲线拟和控制、 定位精度、刚度和动刚度都发生变化，机床各方面技术复杂程度大增，成为机 床中的高技术高附加值产品的高档机床。五轴机床结构复杂，单元部件比三轴 机床设计制造难度大。五轴联动机床的关键部件是铣头部件，有代表性的是双 摆铣头部件，设计制造难度比三轴机床大得多。 我国对高速机床的研制起步较晚，已经取得了一些的成果，但是与世界先 进水平相比还存在很大差距。例如：精度普遍不够高，普遍未对机床主体结构 进行动态性能分析，只有少数几种产品能够达到欧洲标准中规定的定位精度； 我国还未开发出动、静特性都很优异的高速机床的主机结构和整机。 目前我国生产高速切削机床的企业已有很多家，但大部分都以引进技术为 主，或者是仿制国外产品，很少有自己创新设计制造的高速机床产品。机床生 产厂在开发高速机床产品时往往是在普通机床基础上安装高速电主轴和高速丝 杠( 或直线电机) 等功能部件，缺乏对机床主体结构和整机的系统分析研究。 其使用寿命、加工精度、机床特性和使用效率都远远达不到真正意义上的高速 机床。 第1 章绪论 1 2 国内外五轴联动数控机床的研制发展及现状 五轴联动数控机床是数控机床产品中的高技术难度产品。它能够加工大多 数的曲面结构，且该类型加工机床除了提高加工效率外还可以确保产品的加工 精度，不仅提高了机床的自动化水平、加工领域和工作效率，也扩大了机床的 加工范围，扩大了机床的使用范围，提高了机床的使用价值。使之可以在航空、 航天、汽车、模具以及军工产品等生产领域具有非常重要的应用用途u 1 。 五轴联动加工中心的研制开始于八十年代末，在国外出现了以瑞士威力铭 w i l l e m i n 、米克郎m i k r o n ，德国德马吉d m g 为代表的生产厂家，先后开发了不 同规格、不同结构形式的五轴联动加工中心，可谓各具特色。从国外五轴联动 加工机床的发展来看，机床不再单纯是一台加工设备，而是工厂自动化生产系 统的组成单元。市场对五轴联动加工机床的要求越来越高，几经出现与传统机 床完全不同的特征和机构。概要的说，就是通过各种技术全面集成，大幅度提 高生产效率。主要体现在一下几个方面幢1 ： ( 1 ) 高速化：目前机床主轴转速一般都在1 0 0 0 0 r m i n 以上。由于高速电主轴 的普遍应用，主轴转速也进一步提高，有的高达4 0 0 0 0 6 0 0 0 0 r m i n ，快移速度 也由于直线电机的采用而提高到l o o m m i m 以上，很多机床的直线运动加速度达 到1 - 2 9 ，少数可达3 9 以上。m i k r o n 米克郎公司的4 0 0 u 高速加工中心，可进行 高速5 轴联动加工。液体冷却的主轴电机由陶瓷轴承支承，转速高达3 0 0 0 0 r m i n 、 4 2 0 0 0 r m i n 、6 0 0 0 0 r m i n ，并有整体式托盘架和托盘交换装置。 ( 2 ) 高精度：目前一般加工中心的定位精度为0 0 5 一0 o l m m ，精密级的精 度为0 0 0 2 一0 0 0 5 m m 。m i t s u is e i k i 公司的h u 5 0 - 5 a x 型高精度5 轴高速加 工中心，带一个倾斜转台，所有坐标的直线运动定位精度0 0 0 3 m m ，b 轴、c 轴的 回转精度0 0 0 1 。，主轴转速1 5 0 0 0 r m i n ( 5 0 号锥度) 至2 0 0 0 0 r m i n ( 4 0 号锥度) ， 主要用途是取消铸造而直接由实体坯料加工出形状复杂的箱体件。 ( 3 ) 复合化：提高机床切削率和生产效能促使机床功能的扩展，由原来的单 主轴、单刀架，扩展为双主轴、双刀架结构，组成卧式平行双主轴结构或立式 双主轴结构。d m g 公司的d m c l 6 5 是双铣头的门式加工中心，双铣头由立铣头和 摆转铣头完成租精加工。 ( 4 ) 高刚性：机床在不断追求高速、高精的同时，开始注重机床的刚度，为 实现大功率切削，提高加工效率奠定基础。改善机床刚性主要从两个方面考虑： 一是研制新的高刚性材料。日本东金属产业公司研制出了一种新的铸件材料， 2 第1 章绪论 是在铝中添加2 0 碳化硅的复合材料，可作为精密机床、高速加工机床的床身构 件。这种铸件材料质量轻( 为一般铸件的1 3 ) 且刚性较好，振动衰减率高( 比一 般铸件高1 5 ) ，能吸收振动，热传导率高。二是改善机床结构。北村机械株式 会社的m y t r u n n i o n 系列加工中心采用新开发的门式结构，这是继箱中箱结构的 加工中心后的又一种新结构的加工中心，其x y ，z 轴均采用了双滚珠丝杠。 国内最先研制出五轴联动加工中心是在1 9 9 9 年，代表作是当时江苏常州机 床总厂( 现多棱集团) 开发出的一台定梁龙门式五轴联动加工中心，北京机电 研究院、北京第一机床厂、桂林机床股份有限公司、济南二机床集团有限公司 等企业，也相继开发了五轴联动数控机床。2 0 0 7 年4 月北京中国国际展览中心 举行的第十届中国国际机床展览会上，沈阳机床厂展出的g m c l 2 3 0 0 五轴龙门 加工中心，是一台精密五轴龙门加工中心，该机床的铣头能a 、b 两轴联动，摆 动角度4 0 。，传动采用蜗轮蜗杆副，主轴转速达1 4 0 0 0 r m i n 。秦川发展展出 的龙门动梁式七轴五联动复合加工中心v ，r m l 8 0 5 ，可实现c 轴3 6 0 。回转，b 轴- - + 9 0 。摆动，是我国首台可加工大型螺旋伞齿轮的龙门式机床。这次展出的 五轴联动机床还有四川长征的g m c 2 5 0 0 h z 、大连机床厂的b k 5 0 、桂林机床厂 的x k 2 3 1 6 3 5 x 、北京第一机床厂的x k a 2 4 2 0 。我国机床制造技术在五轴联动数 控机床的研制上取得了显著的成绩，但是从国内的五轴联动机床的性能特点分 析，国内机床在加工精度、机床特性、快移速度上都与国际领先水平相比存在 很大的差距，具体表现在以下几个方面： ( 1 ) 精度普遍不够。只有少数几种产品达到欧洲标准定位精度。精度差距 只是表面现象。其实质是基础技术差距的反映。如普遍未进行有限元分析，未 做动刚度试验；大多未采用定位精度软件补偿技术、温度变形补偿技术、高速 主轴系统的动平衡技术等。 ( 2 ) 规格品种单一。产品大多是在立式加工中心的基础上增加万能主轴头， 从规格品种上没有太多的变化，这其中也是对五轴联动数控技术的掌握还有一 定难度，常常还是受国外先进技术的限制。 ( 3 ) 可靠性差。加工中心的可靠性是机床产品质量的一项关键性指标。加 工中心机床能否发挥其高性能、高精度、高效率，并获得良好的效益，主要取 决于可靠性。衡量可靠性的重要量化指标是平均无故障工作时间( m t b f ) ，目前 国际加工中心已达到8 0 0 - 1 2 0 0 h 。而国内产品实际m t b f 只能在5 0 0 h 左右。 五轴机床已经不仅应用于航空航天等高端领域，而且逐渐向任何外形复杂、 第1 章绪论 公差小、批量小和交货期短的加工领域转移，满足用户个性化要求。国内开发 铣头五轴机床增长幅度也很大，开发用于航空航天、汽车、模具加工的机床在 北京机床博览会上有十余家。但国内的五轴机床生产还远不能满足市场要求。 在高性能的铣头部件中、适合于铣头加工中心的大功率电主轴、五轴机床的传 动元件、直驱力矩电机、机床的动静刚度、热稳定性、精度保持性等方面和国 际先进技术都还有相当的差距。 1 3 国内外机床静、动态性能的研究现状 机床的加工性能与其结构的动态特性密切相关，通过对机床结构的性能分 析我们可以有效地改进机床结构从而提高机床整体性能。近年来，国内外在机 床性能分析、结构优化设计领域的研究十分普遍。 北京机床研究所的赵宏林等在基于有限元法自行开发出了一套机床整机特 性分析软件a m t p o s ，该软件可以对机床整机的静、动和热态性能进行仿真建模， 调整构件的结构参数和结合面的刚度、阻尼和热力特性，可以得出机床刚度、 热变形、结构薄弱环节和切削稳定区，并由动画显示其振动模态。 昆明理工大学的张宇、廖伯瑜在机械阻抗综合法的基础上推导出一种直接 利用结构实测频响函数识别结合部参数的方法，通过多频率点的最d , - 乘法消 除噪声的影响。该方法不需要预先建立结构的解析模型( 如有限元模型) ，试验 及测试计算都较为方便。 h u a n g 等1 在不考虑接触刚度的情况下，分析了加工中心各大部件的静刚 度。文杰用自定义单元处理结合面的刚度，并用实验的方法确定相应的刚度参 数，进行了机床整机的动态特性分析。 东南大学的袁诚英h 1 应用有限元法对d m c 型和v d l 型数控铣床的整机及各大 组成部分，如主轴箱、立柱等分别进行了静、动力学分析，并对这两种结构的 分析结果进行比较。 五轴机床代表了高档数控机床的发展方向之一。在2 0 0 6 年美国国际制造技 术展览会上，参展的1 4 0 余家加工中心厂家五轴以上的超过1 0 0 家。五轴联动 数控机床对曲面零件，可用刀具最佳几何形状切削，光洁度高，效率也大幅度 提高，一台五轴联动机床的效率可以等于两台三轴联动机床。工序复合是机床 集成制造技术发展的基本点，是制造技术发展的总趋势。 4 第l 章绪论 五轴联动机床的关键部件是铣头。铣头不仅代表了五轴联动机床的技术水 平，也大量应用于复合机床。有代表性的是双摆铣头部件，从机械结构发展到 了目前的力矩电机直驱铣头。如c y t e c 公司的直驱双摆铣头不仅实现了高精度 大扭矩零传动，减小了结构尺寸，也解决了高定位刚度和电液耦合，是目前国 际领先技术的铣头部件，但价格昂贵。机械式铣头仍然占据大部分五轴、五面 机床市场，j o b s 、f i d i a 等机床公司生产的机械式铣头机床具有功率大、精度保 持性比较好的优势。 在五轴联动数控铣床铣头部件的特性分析方面，对铣头部件的结构及静动 态性能的研究还很少，而铣头部件作为整个铣床的核心部件之一，对机床整体 的性能有着至关重要的影响，对铣头部件进行静动态性能研究是有必要的。 1 4 本文的研究内容及研究方法 1 4 1 研究内容 高速铣床是近年来机床研究的热点之一，尤其是铣头式高速五轴联动数控 铣床。高速加工技术对机床的要求包括：足够的静刚度以及较高的刚度重量比、 良好的动态特性、较好的热变形特性等嵋1 。铣头部件是五轴铣床的核心部件，也 是设计难点。本文针对现有的蜗轮蜗杆传动铣头中存在的缺陷，在分别比较几 类铣头的结构特点和性能分析的基础上，又设计了一种齿轮传动的双摆铣头结 构，并且对齿轮传动的铣头部件和蜗轮蜗杆传动的铣头部件进行了静、动态分 析，主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 阐述了国内外五轴联动数控铣床的发展现状，以及国内外机床静、动 态性能的研究现状； ( 2 ) 对蜗轮蜗杆传动铣头和力矩直驱双摆头结构进行了精度保持性的对比 分析，并针对其缺陷提出了新的齿轮传动铣头结构； ( 3 ) 对齿轮传动的铣头部件进行细化设计、三维建模和虚拟装配。并且分 析了此结构的结构特点； ( 4 ) 分析并建立了齿轮传动的铣头部件和蜗轮蜗杆传动的铣头部件的动力 学模型，并进行了静力分析、模态分析和响应分析，对分析结果进行对比分析， 找出齿轮传动结构中的薄弱环节，并进行了结构改进； ( 5 ) 采用传递矩阵法对齿轮传动方案中a 轴传动链的扭转振动进行计算， 第1 章绪论 分析结果并与蜗轮蜗杆传动方案中a 轴传动链扭转刚度进行对比。 1 4 2 研究方法 1 虚拟制造技术。虚拟制造技术是利用存储在计算机内部的数字化模型来 代替实物模型进行仿真、分析，从而提高产品在时间、质量和成本等多目标的 决策水平，达到全局最优和一次性开发成功的目的砸1 。虚拟制造技术可以分为以 设计为中心的虚拟制造、以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造， 本文主要利用以设计为中心的虚拟制造技术对五轴联动数控铣床的铣头部件进 行方案可行性分析。由于以设计为中心的虚拟制造技术主要是在实际产品出来 之前预测产品的性能，提高产品一次性开发的成功率。因此首先要建立五轴铣 头各零件的数字化模型，然后将其按照产品实际的功能和结构要求通过约束关 系安装到一起，建立如同产品已经真实存在的直观可视化的装配体数字模型口1 。 虚拟装配仿真技术在机床产品开发过程的应用具体包括以下几个方面阳1 ： 静态干涉检测：虚拟装配可以准确地反映零部件的空间布局和装配关系， 当按照适当的约束关系完成虚拟的装配后，在计算机中可以通过计算机的静态 干涉检测功能来检测装配后的零件的干涉情况，通过这个检测我们就可以知道 该零部件是否能合理的完成正确的装配关系。 可装配型评估：根据产品设计的形状特性，精度特性，结构特性和三维实 体模型的装配过程，通过模拟真实的装配过程，来检验产品的可装配型。 优化装配过程：通过把五轴联动铣头在计算机中进行装配仿真，可以将产 品的整体装配合理划分成若干个装配单元，使各单元能够并行地进行，这样做 可以大大的节省在实际装配过程中的装配时间。 2 有限元法。有限元法是指用有限个单元将连续体离散化，通过对有限个 单元作分片插值求解各种力学、物理问题的一种数值方法阳1 。有限元法把连续体 离散成有限个单元：杆系结构的单元是每一个杆件；连续体的单元是各种形状 ( 如三角形、四边形、六面体等) 的单元体。每个单元的场函数是只包含有限 个待定节点参量的简单场函数，这些单元场函数的集合就能近似代表整个连续 体的场函数。根据能量方程或加权残量方程可建立有限个待定参量的代数方程 组，求解此离散方程组就得到有限元法的数值解。有限元法已被用于求解线性 和非线性问题，并建立了各种有限元模型，如协调、不协调、混合、杂交、拟 协调元等n 们叫1 1 3 。有限元法十分有效、通用性强、应用广泛，已有许多大型或专 6 第l 章绪论 用程序系统供工程设计使用。结合计算机辅助设计技术，有限元法也被用于计 算机辅助制造中。 有限元法是一种采用电子计算机求解结构静、动态力学特性等问题的数值 解法。在铣头结构的动力学分析中，利用弹性力学有限元法建立结构的动力学 模型，进而可以计算出结构的固有频率、振型等模态参数以及动力响应( 包括 响应位移和响应应力) 。由于有限元法具有精度高、适应性强以及计算格式规范 统一等优点，在机床开发中做有限元，已是比较普遍的方式。虽然计算分析法 的精度有限，但在设计阶段的分析能够大体反映铣头结构的动态特性，不必在 实体加工装配出来后才能分析。因而可以作为虚拟设计中的评价铣头动态特性 的重要方法。 常用的有限元软件有a n s y s 、a n d i a 、n a s t r a n 、c o s m o s 等。其中a n s y s 是 最为通用和有效的有限元软件之一，它不断吸收当今世界最新的计算方法和计 算机技术，引领着有限元界的发展趋势。a n s y s 以其强大的功能、可靠的质量在 航空航天、机械制造、土木工程、水利等领域得到了广泛应用n 引。a n s y s 提供 c a d 导入导出接口，便于实现与c a d 之间模型的转换工作。用户可在c a d 程序 中创建好模型后，通过如i g e s 、s t e p 、p a r a s o li d e 或s a t 等格式文件转换输入 a n s y s 。a n s y s 软件包括经典环境和w o r k b e n c h 环境，经典环境包含了a n s y s 的 所有功能，w o r k b e n c h 环境在使用过程中较经典环境具有以下优点： 1 ) a n s y sw o r k b e n c h 与c a d 系统的实体及曲面模型具有双向连结，其导入 c a d 几何模型的成功率很高； 2 ) a n s y sw o r k b e n c h 的界面非常直观，易于使用，且功能强大； 3 ) a n s y sw o r k b e n c h 可以自动识别装配体的接触面，用户可通过手动定义接 触面的接触类型。 3 模态综合法。模态综合法( c o m p o n e n tm o d es y n t h e s i s ) 就是一种缩减 自由度方法。它可以将大模型化小，先进行各个子结构的模态分析，然后进行 模态综合。由于仅采用了各个子结构的低阶模态，因而使所建立整体结构动力 模型的自由度数大大降低，而且可以在不同的机器上对各子结构进行模态分析 提高计算速度。模态综合法的基本思想是根据复杂结构的特点将整体结构划分 成若干子结构，对各个子结构分别进行模态分析，得到其动力特性。再利用子 结构间力平衡条件及位移协调条件将各子结构部分低阶模态特性综合，由此得 到整体结构的动力特性n 纠。a n s y s 的模态综合法采用固定界面和自由界面模态综 7 第1 章绪论 合法。 模态分析应用有：一、用于振动测量和结构动力学分析，可测得比较精确 的固有频率、模态振型、模态阻尼、模态质量和模态刚度。二、用模态实验结 果去指导有限元理论模型的修正，使理论模型更趋完善合理。三、用来进行结 构动力学修改，灵敏度分析和反问题的计算。四、用于相应计算和载荷识别， 由于理论模型计算难以得到模态阻尼，其进行相应计算结果往往不理想，而利 用模态实验结果进行计算则无此弊端。五、用模态实验建立一个部件数学模型， 然后再将其组合到完整的结构中去，通常称为“子结构方法 。 4 传递矩阵法。对机械结构动态性能的理论建模方法除了有限元法，还有 传递矩阵法和集中参数法。该方法主要用于研究轴系、转子系统或轴类部件的 弯曲、扭转振动和机械传动系统的扭转振动。考察任何一个传动部件的动力学 模型都可以看到，它们是由一系列质量元件、梁段元件和支承元件一个接一个地 联结而成的，呈一种链状结构的形式。对这种形式的振动系统，采用传递矩阵 法进行分析计算是很方便、有效的。传递矩阵法的主要特点是：矩阵的阶数不 随系统的自由度数增大而增加，因而编程简单，占内存少，运算速度快，特别 适用于像转子这样的链式系统。传递矩阵法与机械阻抗、直接积分等其他方法 相配合，还可以求解复杂转子系统问题。 第2 章铣头精度保持性的比较分析 第2 章铣头精度保持性的分析 机床的精度包括几何精度、传动精度、运动精度和定位精度。在规定的工 作期间内，保持机床所要求的精度，称之为精度保持性。影响精度保持性的主 要因素是磨损。目前铣头结构包括以蜗轮蜗杆传动为主的机械摆动结构和采用 力矩电机直接驱动的铣头结构。蜗轮蜗杆副传动虽然传动比大，结构紧凑，成 为空间尺寸限制的双摆铣头首选的减速机构，但是传动效率低、磨损严重，精 度保持性差成为致命缺陷。力矩电机驱动的铣头结构虽避免了蜗轮蜗杆副双摆 铣头的缺陷，但是大扭矩、高刚度的力矩电机国产化还比较差，进口的力矩电 机直驱双摆铣头价格昂贵，严重影响了普及应用。本章主要对这两种铣头的结 构及精度保持性进行对比分析，并提出了一种齿轮传动的铣头结构，避开易于 磨损的蜗轮蜗杆副，同时齿轮传动也可以提高传动刚度。 2 1 蜗轮蜗杆传动铣头部件 2 1 1 结构原理 蜗轮蜗杆传动铣头的研究比较成熟，目前国内各类铣头式五轴机床其铣头 的转动摆动大都采用伺服电机驱动的蜗轮蜗杆结构，其结构原理如图2 1 所示： 转 1 电主轴2 蜗轮3 蜗杆4 同步带5 轴承6 大齿轮7 伺服电机8 小齿轮9 伺服电机1 0 轴承1 1 法兰 图2 1 铣头结构设计图 9 第2 章铣头精度保持性的比较分析 电机7 驱动小齿轮8 转，带动大齿轮6 转动实现铣头沿c 轴的旋转进给。 电机9 驱动安装在电机输出轴上的皮带轮，通过皮带传动到另一带轮，从而使 蜗杆转动，蜗杆与蜗轮配合，蜗轮与电主轴套连接在一起，这样蜗轮转动就可 实现铣头a 轴的摆动。 2 1 2 结构性能分析 机床的精度包括几何精度、传动精度、运动精度和定位精度等几方面。几 何精度指的是机床在不运动或运动速度较低时的精度。它规定了加工精度的各 主要零部件的运动轨迹之间的相对位置允差。几何精度决定于机床主要部件的 几何形状和相互位置。传动精度指的是内联传动链两末端件之间的相对运动精 度。这方面的误差就称为该传动链的传动误差。传动精度决定于传动系统中机 件的制造精度和装配精度以及传动系统设计的合理性。运动精度指的是机床的 主要零部件在以工作状态的速度运动时的精度。运动精度决定于机床部件在无 外载荷的条件下以工作速度运转时的精度。定位精度是指机床主要部件在运动 终点所到达的实际位置的精度。实际位置和要求位置之间的误差就称为定位误 差。机床的加工精度是指被加工零件在尺寸、形状和相互位置等方面所能达到 的准确程度。影响机床加工精度的因素有很多，例如机床的几何精度、传动精 度、运动精度和刚度等。刚度是指机床部件抵抗弹性变形的能力，以保证机床 在受力后，各主要零部件相互位置的正确性。影响机床加工精度的因素还有由 残余应力引起的变形，振动，热变形和磨损等n 4 h 1 6 1 。 本方案中设计的铣头最终要安装滑枕上，如图2 2 所示，跟随滑枕实现三个 直线坐标的运动。铣头c 轴进给系统是通过将铣头套及内部零部件作为整体沿z 轴转动实现的。铣头套用来装载铣头内部所有的零部件，属于箱体类零件，它 的结构、尺寸与铣头内部所有零件的大小、位置分布和支撑形式有关。铣头套 的结构设计为上圆下方的形式，铣头套的支撑联结和容纳零件的功能决定了铣 头套结构的不规则性。在铣头套结构中，下面方形的两翼联结强度低，在加工 过程中易产生摆动，影响铣头套的动态性能，引起振动，从而影响整个机床的 几何精度和加工精度。 铣头a 轴进给系统的设计相对c 轴较复杂，a 轴的最终目的是将电主轴实 现绕x 轴或y 轴的旋转，此外a 轴的传动方案还必须兼顾铣头结构紧凑、体积 小、精度高的要求，因此a 轴传动的设计具有较大的难度。在此结构中，a 轴 1 0 第2 章铣头精度保持性的比较分析 的传动采用了同步带和蜗轮蜗杆传动实现。蜗轮蜗杆传动比大，使传动链末端 获得较大的扭矩且零件数目少、结构紧凑。同步带利用齿形带的齿形与带轮的 轮齿依次啮合传递运动和动力，因而兼有带传动、齿轮传动及链传动的优点， 且无相对滑动，平均传动比较准确，传动精度高，而且齿形带的强度高、厚度 小、重量轻、故可用于高速传动。但a 轴传动链较长，进给速度低，传动件尺 寸小、刚度低、进给运动执行件质量较大，因此进给系统在进给运动方向的动 刚度较低，传动链容易产生扭转振动，同时在传动过程中易产生累计误差，降 低传动精度，从而影响机床的加工精度。 蜗轮蜗杆啮合传动时，啮合轮齿间的相对滑动速度大，故摩擦损耗大、传 动效率低，时间久了就会产生间隙，从而引起误差，影响机床的加工刚度和加 工精度。 图2 2 铣头结构 第2 章铣头精度保持性的比较分析 2 2 力矩电机直驱双摆头结构 2 2 1 结构原理 力矩电机主要由定子( s t a t o r ) 和转子( r o t o r ) 组成。定子由一个铁心和 一个三相交流电绕组构成；转子由一个刚制圆柱体空心轴构成，轴的周围装有 永磁铁n 钔。力矩电机的工作原理与普通伺服电机的工作原理相同，普通的伺服 电机不能堵转，而力矩电机可以长期堵转，并且可实现低转速、大扭矩。由于 力矩电机的电枢绕组的电阻比普通电机的电枢绕组的电阻大，所以力矩电机的 机械特性要比普通电机的机械特性软很多。力矩电机可用作机床上的回转轴( 五 轴加工机床上的a 、b 、c 轴) 的直接驱动n ”。力矩电机直驱双摆头的结构原理 如图2 3 所示： 1 电主轴2 力矩电机3 轴承4 力矩电机5 轴承6 万向架7 叉头 图2 3 铣头结构设计图 此结构是一个用于数控机床主轴的直接驱动双摆头机构。该机构主要由一 个使主轴绕各轴旋转的万向架、四个接在万向架上的力矩电机和电主轴组成。 1 2 第2 章铣头精度保持性的比较分析 万向架和电主轴都采用力矩电机直接驱动。万向架由一对力矩电机直接驱动实 现c 轴的转动。另二对力矩电机通过一对叉头连接在万向架上，可随万向架绕c 轴转动，转子通过电主轴套连接在电主轴上，直接驱动电主轴实现a 轴的摆动。 2 2 1 结构性能分析 在机床工业领域，对高精度和高转矩的需求是一个永恒的话题而力矩电机 实现了这两个相互矛盾的目标。力矩电机在机床上的应运具有显著的特点： 1 ) 部件减少，性能提高。使用力矩电机后，就不再需要联轴器或齿轮等 机械传动部件，因此所需安装空间显著减少。另外，部件的减少降低了连接数 量和维护成本以及备件库存。进而降低了机器停工时间，提高了利用率。 2 ) 精密加工。力矩电机从原理上排出了机械传动误差。因为力矩电机直 接集成在机器结构中，从而避免了弹性变形和传动问题。其优点一目了然：能 实现更高的精度。 3 ) 降低辅助工艺时间。由于在力矩电机中没有采用机械传动部件，减少 了摩擦，使得辅助工艺时间显著降低，有利于实现更高的动态性能。 4 ) 无间隙。由于力矩电机不需要采用齿轮传动机构，因此也就不再存在 众所周知的间隙问题。从而显著提高了运动方向改变时的轮廓精度，并且其重 复性精度也得到显著改善。 铣头结构如图2 4 所示，采用外动式力矩电机直接驱动a 轴和c 轴，不仅 避免了采用蜗轮蜗杆副等精度维持寿命短的元件，解决了机械传动链中由于磨 损造成的机床精度不稳等问题，使机床具有很高的精度保持性，更重要的是实 现了零传动，省去了传动链，避免了机械上的反向间隙和传动上的迟滞回差问 题，使机床部件的运动具备了优秀的动态响应性能，而且采用了外动式力矩电 机，在同样大小的空间里能够产生更大的扭矩，使整个铣头的结构更加紧凑。 力矩电机直驱铣头结构的另一大特点是抱闸制动系统。当驱动不再对电机 进行供电时，力矩电机能够以结合力矩为基础被牵引至最佳磁力位置。与此同 时在已经静止下来的驱动装置上，可能会在两个方向上出现无法预料的半个磁 极距以内的动作。为了避免损坏工件和刀具等物品，使用抱闸制动就显得十分 重要了。在没有重力平衡的倾斜驱动或垂直驱动中由于会出现错误的自行制动， 所以设置了一个抱闸制动器，它可以在任意位置使驱动停机并切断电源。 在此结构中，力矩电机转子的外环套有黄铜套，两者之间留有一定的缝隙， 第2 章铣头精度保持性的比较分析 黄铜套通过法兰固定到c 轴外壳上，并与外壳之问留有一定的缝隙。当力矩电 机转子运转时黄铜套与转子无接触，当驱动对力矩电机停止供电时，黄铜套与 外壳之间的缝隙中同时充满高压液流，使黄铜套变形与转子接触并夹紧转子， 实现抱闸制动，这种结构大大提高了铣头的静刚度。 采用力矩电机进行直接驱动时的精度取决于机床的结构、使用的调节技术 和编码器的分辨率。并且在力矩电机的驱动系统中，所能达到的加工精度受到 系统的机械刚度和运行精度的影响，特别在轴向和径向上的运行精度取决于轴 承结构及其精度。所以采用合适的编码器和轴承对机床的精度极其重要。 在此结构中，c 轴选用德国f a g 生产的带测量系统的轴向径向轴承，它由 个带空间刻度的轴向径向轴承和一个增量式电子测量系统( 包括两个测头和 电子转换装置) 组成，这款轴承是为与直接驱动配合使用而设计的，是与力矩 电机组合使用的理想选择。可支持轴向径向力和倾斜力矩，有轴向和径向预负 荷，荷载能力高，刚度强，并且设计尺寸非常小，分辨率可达0 0 0 1 0 。a 轴轴 承不仅要承受轴向和径向力，还要满足刚度强、精度高、结构尺寸小的要求， 交叉圆柱滚子轴承由于交叉排列的圆柱滚针，使其能够支持很大的轴向、径向 力和扭矩。绝对式光电编码器直接安装在旋转的电主轴套上，这种结构不仅节 省了铣头的结构空间而且直接测量电主轴套旋转的角度使输出的结果更加准 确。 v 图2 4 铣头结构 第2 章铣头精度保持性的比较分析 2 3 对比分析 采用蜗轮蜗杆传动虽具有传动比大、结构紧凑、传动平稳的优点，但其传 动效率低、磨损严重，不仅影响了精度保持性，同时也影响了加工刚度，若采 用价格较为昂贵的减摩性与抗磨性较好的材料及良好的润滑装置，又会提高制 造和维护成本。 采用力矩电机直驱避免了蜗轮蜗杆副精度难保持的缺陷，使驱动结构实现 了零传动，省去传动链消灭了机械上的反向间隙和传动上的迟滞回差问题，使 机床部件的运动具备了优秀的精度保持性和动态性能，是铣头结构的发展方向。 但是大扭矩、高刚度的力矩电机和高精度测量系统技术含量高，国产化还比较 差，进口的力矩电机直驱双摆铣头价格昂贵，严重影响了普及应用。 在对以上两类铣头的结构和性能分析对比的基础上，本文又设计了一种齿 轮传动的双摆铣头结构，避开了易于磨损的蜗轮蜗杆副，同时也提高了传动精 度，其结构原理如图2 5 所示。 1 电主轴2 轴承3 扇形齿轮4 锥齿轮5 双片齿轮6 轴承7 大齿轮8 伺服电机9 d 、齿轮 l o 伺服电机1 1 锥齿轮1 2 轴承 图2 5 齿轮传动铣头结构设计图 第2 章铣头精度保持性的比较分析 这种结构采用锥齿轮和双片齿轮传动实现了电主轴绕a 轴的旋转，兼有齿 轮传动传动效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长的优点，并采用双片齿轮错 齿法消除齿轮侧隙，减小了由于制造、安装或磨损引起的误差，提高了传动精 度，不仅避开易于磨损的蜗轮蜗杆副，同时也可以提高传动刚度，制造成本低， 易于普及应用。 2 4 本章小结 蜗轮蜗杆传动铣头中，蜗轮蜗杆传动存在传动效率低、磨损严重，精度保 持性差的缺陷，从而影响了整个铣头的性能。力矩电机直驱的铣头结构虽避免 了蜗轮蜗杆副铣头的缺陷，但大扭矩、高刚度的力矩电机国产化差，进口价格 昂贵，目前很难达到普及应用。在此基础上，本章又提出了一种齿轮传动的铣 头结构，避开了易于磨损的蜗轮蜗杆副，同时设计制造成本低。 1 6 第3 章齿轮传动铣头的结构设计 第3 章齿轮传动铣头的结构设计 3 1 齿轮传动铣头的设计方案 本次设计方案原理如图2 5 所示，伺服电机8 转，下面有一对齿轮啮合， 大齿轮7 与铣头套靠上面端盖用螺钉连接在一起，这样大齿轮旋转就可实现铣 头c 轴的旋转进给运动。此结构中采用锥齿轮和双片齿轮传动实现了电主轴绕a 轴的旋转，其中大齿轮3 是一个扇形齿轮，并与电主轴通过电主轴套固定连接， 双片齿轮5 与锥齿轮4 同轴，由伺服电机驱动锥齿轮从而带动电主轴的绕a 轴 旋转。 设计的铣头主要应用于加工复杂曲面的中小型机床上，要求满足尺寸小、 质量轻的要求，基本设计数据如表3 1 ： 表3 1 设计数据 工作台面积( 宽长)5 7 0 4 0 0i i l l i l 行程( 舭) 5 0 0 5 0 0 4 0 0 m m 主轴转速 10 0 0 2 0 0 0 0 r m i n a 轴( 摆动) 9 0 0 c 轴( 转动) 1 8 0 。 主轴功率 5 o k w 最大可夹持刀具直径 1 2 m m 3 2 工程设计 3 2 1 铣头套的结构设计 铣头套是整个铣头结构中的核心零件，电主轴跟随铣头套转动实现c 轴的 回转运动，并在铣头内作相对运动实现a 轴的回转运动，所以铣头套的结构与 其内部零部件的大小、位置分布和安装方式有关。并且在设计铣头套结构时还 应注意其本身的可加工性、精度、刚度和减振性。铣头套的支撑连接和容纳零 件的功能决定了铣头套内部结构的不规则性。 在本设计中，铣头套的结构上面为圆筒形，圆筒顶部与实现c 轴转动的大 齿轮螺钉连接，并使用垫片防松，圆筒外部与轴承配合，内部上、下有凸台， 1 7 第3 章齿轮传动铣头的结构设计 分别支撑a 轴的电机和轴承座，铣头套的下面为中间挖空的方形，中间挖空的 空间放置电主轴组件，两侧放置液压组合件和强、弱电回路组件。 3 2 2 电主轴组件及液电耦合组件的结构设计 为了实现高速化，机床的主轴由电主轴直接驱动，电主轴是将电机与机床 主轴“合二为一”的传动结构形式，把机床主传动链的长度缩短为零，实现了 机床的“零传动 ，主轴转速已可达每分钟几万转到几十万转。机床采用电主轴 结构