直驱式AC轴双摆角铣头的扭转刚度.pdfVIP

直驱式 A C轴双摆角铣头 的扭转刚度 郑 鹏 闰 明 孙淑 霞 张 明远 沈阳工业大学机械工程学院 辽宁 沈阳 1 1 0 1 7 8 摘要 大功率 直驱式双摆角铣头是高档五轴联动数控铣床的核心部件 欧美等工业发达国家将其作为战 略物资限制出口 因此 自主研发该类铣头对提升国防安全具有重要意义 简要介绍了自主设计铣头 的机械结构以及主要性能参数 用有限元方法计算 了铣头在 C轴转动和 C轴锁紧 2种工况下的扭 转刚度 得到A轴摆角与铣头整体结构刚度的关系曲线图 A轴摆角为 0时铣头的扭转刚度最大 A 轴摆角为 9 O 时铣头的扭转刚度最小 铣头在锁紧时较转动时的扭转刚度大 该计算可以对铣头的 设计和结构改进提供技术支持 关键词 双摆角铣头扭转刚度力矩电动机机械结构有限元方法 中图分类号 T G 5 0 2 1 4 文献标识码 A Twis t s t i f f n e s s o f d i r e ct d r i v e A C b i r o t a r y mi l l in g h e a d ZHENG P e n g YAN Min g S UN S h u x i a ZHANG Mi n g y u a n S ch o o l o f Me ch a n ica l E n g i n e e ri n g S h e n y a n g U n iv e r s it y o f T e ch n o l o g y S h e n y a n g 1 1 0 7 8 0 C HN Abs t r a ct As t h e co r e co mp o n e n t o f t h e h ig h e n d f iv e a x is CNC mil l i ng ma ch in e h ig h p o we r a n d d ir e ct d ri v e b i r o t a r y mil l i ng h e a d is co n s id e r e d a s t h e s t r a t e g ic ma t e r i a l in t h e in d u s t r ia l iz e d co u n t r ie s o f Eu r o pe a n d Ame ri ca t h u s in de p e n d e n t r e s e a r ch a n d d e v e l o p me n t o f s u ch mil l in g h e a d i s o f g r e a t s ig ni fi ca n ce o f n a t io n al s e cu r it y T h e me ch a n i ca l s t r u ct u r e a n d t h e p e r f o r ma n ce p a r a me t e r s o f t h e mi l l in g h e a d d e s ig n e d i n de p e n d e n t l y i s in t r o d u ce d b r ie f l y Th e t o r s io n a l s t if f n e s s u n d e r t he co n d it io n s t h a t C a x is is r o t a t in g o r l o ck i n g wa s ca l cu l a t e d b y f in it e e l e me n t me t h o d Th e r e l a t io n cu r v e b e t we e n t he s win g a n g l e o f A a x is a n d t h e who l e s t ruct ur a l s t if f n e s s wa s o b t a i n e d T h e t o r s io na l s t if f n e s s me e t s i t s ma x imu m a n d mi ni mu m v a l u e wh e n t h e s win g a n g l e o f a x is is 0 a n d 9 0 r e s p e ct iv e l y Th e t o r s io n a l s t if f ne s s wh il e t h e mil l in g h e a d is f a s t e n e d is l a r g e r co mp a r e d w it h t h e r o t a t io n a l co n d it io n T h e ca l cu l a t io n co u l d p r o v id e t e ch n ical s u p p o r t 0 1 1 t h e s t ru ct u r a l d e s i g n a nd impr o v e me n t o f t h e mil l in g h e a d Ke y wo r d s Bi r o t a r y Mil l in g He a d Twis t S t i f f ne s s Ro t a r y Dir e ct Dri v e Mo t o r s Me ch a n ica l S t ruct ur e Fi n it e E1 e me n t Me t h o d 双摆角铣头是五轴联动数控铣床 的核心部件 其 结构和性能在很大程度上决定 了整 台机床的性能 是 五轴联动数控机床市场竞争的焦点之一 根据传 动方式双摆角铣头可以分为以蜗杆传动为主的机械式 铣头和力矩电动机直接驱动的直驱式铣头 机械式铣 头较早在国内开展研究 技术 比较成熟 但是该类铣头 体积大 定位精度低 直驱式铣头采用大功率的力矩 电动机直接驱动 省去 了齿轮 蜗杆等 中间传动环节 其结构具有如下优点 J 1 零部件少 结构简单 紧 凑 体积小 重量轻 2 降低 了传动件 的问隙带来 的 传动误差 3 减少 了高速传动引起 的振动 磨损 疲 劳等机械故障 提高了铣头系统 的精度保持性 随着 力矩电动机的价格逐渐降低 机械式铣头将逐渐被直 驱式铣头代替 设计 了 A C轴双摆角铣头 其 中 G轴最大扭矩 2 3 9 4x1 0 N mm A轴最大扭矩 1 3 5 0 1 0 N mm C轴扭矩传递路线也远大于 A轴 C轴扭转刚度是该 类铣头设计 的焦点问题 本文主要计算铣头绕 C轴 的扭转刚度 为该类型铣头的设计和改进提供技术支 高档数控机床与基础制造装备科技重大专项 2 0 0 9 Z X 0 4 0 1 1 0 1 2 2 0 1 0 Z X 0 4 0 1 4 0 1 4 国家自然科学基金项目 5 0 8 7 5 0 3 9 中国博士后基 金 2 O 1 0 o 4 8 1 2 O 1 辽宁省创新 团队项 目 2 0 0 9 T O 7 1 资助项 目 持 1 A C轴双摆 角铣 头的机械结构 所设计 A C轴双摆角铣头 的机械结构如 图 1所 示 C轴部分安装在滑枕内部 外壳与滑枕相连 内部 传动件可带动 A轴部分绕 C轴作 3 6 0 的转动 A轴的 传动件可带动电主轴绕 A轴 l 1 O 摆动 图 1 A C 轴 双 摆 角 铣 头 的 机 械 结 构 为了使 C轴输出较大 的扭矩 C轴 内部并联安装 2台力矩 电动机 每台力矩 电动机的最大扭矩为 1 1 9 7 1 0 N m m 最高转速为 6 0 r mi n 在外壳和传动部 件之间装有液压抱闸 在铣头加工平 面时 需要锁紧 C 轴传动部分 这 时在抱 闸与壳体 之间 的空腔 中打人5 图2 C轴 转动 时扭 矩传递 路线 图 L U I l 0 主题 中高档数控机床及关键技术l T o p i cs Mi d d le H i q h L e v e l C N C M a ch i n e a n d K e y T e ch n o l o 0 MP a的高压油 迫使抱闸发生弹性变形后抱紧隔套 抱 闸能承受 的最大摩擦扭矩 为 4 1 0 N mm C轴转 动时扭 矩传递路 线如 图 2 所示 C轴 锁 紧时 扭矩 的 传递路线如 图 3所示 A轴壳体 和 电主轴套 的材料为 G S 6 0 0 弹性模量 1 7 3 G P a 泊松 比0 2 7 抱 闸材 料 为 Z C u S n l 0 P 1 弹 性 模 量 1 1 0 G P a 泊 松 比 图3 C轴锁 紧时扭 矩 传递路线 图 0 3 3 其余零 件 的 材 料 均 为 4 5钢 弹 性 模 量 2 0 6 G P a 泊松 比0 3 由于 4轴部 分可 以带动 电主轴 绕 轴 1 1 0 摆 动 从图 2 图 3可以看 出 无论是 C轴转动还是 C轴 锁紧 轴的摆动状 态都会影 响铣 头整体结构的扭转 刚度 下面分别计算 C轴在转 动和锁紧 2种状态下铣 头的扭转刚度 2 C轴转动时铣头扭转刚度计算 根据图 1 图 2建立 C轴传动部件及 A轴有限元 模型 图 4中 A轴处 于摆 角 为 0的状态 在力矩 电动机 的 2个转子上分别均匀施加 1 1 9 7 1 0 N m m 的 扭 矩 约束电主轴套 的下端 面 计 算得到 C轴转动时铣头整体 结构的周向位移 图 5 图 5中 4轴最上端 的周 向位 移最大 这是 因为 轴 的扭 转半 径较 大 而铣 头最 上端的扭转角最 大 用下式 可以把周 向位移转化为扭转 角 图4 C 轴转 动时铣 头有限元模型 6 4 8 1 0 旦 1 1 T 式 中 O r 为扭转角 L为周 向位移量 mm r 为对应点 的半径 mm 经计算 A轴摆角为 0 时铣头最大扭转 角为 5 7 5 1 用下 式计 算铣 头 的扭转 刚度 G p G r 2 式 中 为计 算扭 矩 得 到此状 态 下 的扭转 刚 度为 4 1 6 3 1 0 N m m I I 矗档数控机床及关键技术 0 o p i t s M k Jd l e H i L e v e l C N C M a ch i n e a n d K e y T e ch n o lo g y A轴摆动引起铣头整体结构刚度变化 计算 A轴 在多个状态下铣头整体结构的扭转刚度 得到 A轴摆 角 0与结构刚度 G 的关系如图 6所示 g 鲁 u 藿 辩 1 0 0 1 6 8 8 0 03 5 22 00 5356 哪 翻 0 1 0 8 5 8 J I I I 0 1 2 6 9 2 01452 i 图5 C轴转动时整体周向位移 0 图6 C轴转动时整体刚度与A 轴摆角的关系 可见 A轴摆角增大 导致整体结构的刚度先降低 后升高 A轴摆角为 9 0 时整体结构 的刚度最小 此状 态下的最大扭转角为 5 8 0 8 3 C轴锁紧时铣头扭转 刚度计算 根据铣头 的结构 图 1 和 C轴传动时扭矩的传递路 线 图 3 建立 C轴 锁 紧时 受扭部位 的有限元模 型如 图 7所示 图示位置 A轴摆角为 0 在 c 轴外壳与滑枕的连 接面上均匀施加 2 3 9 4 x l 0 N m i l l 的扭矩 约束电主轴 套的下端 面 计算得 到整体 结构的周向位移 如 图 8 图7 c 轴锁紧时整体 有 限元模型 根据式 1 式 2 得到最大扭转角为 5 2 8 1 扭 转刚度为 4 5 3 3 1 0 N mm A轴摆动同样会引 起铣头整体结构的刚度发生变化 图 9表示 C轴锁紧 时 A轴摆角 0与结构刚度 G 的关系 吕 杰 一 划 甚 落 囊 一 216 E一 03 0 0149 8 O 032 i 上 0 049 24 0066 37 008 351 0iO064 O1 工777 O1 3 O工 S204 图8 c轴锁紧时整体周向位移 0 图9 C 轴锁紧时整体 刚度与A轴 摆角的关系 可见 在 c 轴锁 紧时 A轴摆角增大 导致铣头整 体结构的刚度先降低后升高 轴摆角为 9 O 时整体结 构 的刚度最小 此状态下的最大扭转角为 5 3 1 5 4结语 介绍了自主设计的直驱式 大功率 A C轴双摆角 铣头的机械结构 用有 限元方法计算了该铣头在 C轴 转动和 C轴锁紧 2种工况下的轴 向位移 进而得到其 扭转变形和扭转刚度 A轴 的摆动状态影响铣头整体 的扭转刚度 计算得到了 A轴摆角与铣头整体扭转刚 度的关系曲线图 4轴摆角为 0时 结构的刚度最大 轴摆角为 9 0 时整体结构的刚度最小 铣头在锁紧 时较传动时的刚度大 该计算可以对铣头设计和结构 改进提供技术支持 参考文献 U 等 一 ll O 主题 中高档数控机床及关键技术 T o p ics Mid d l e H ig h L e v e l C N C Ma ch i n e a n d K e y T e ch n o lo g y 海德汉 i T NC 5 3 0数控 系统 在 A C轴双摆 角铣头 几何 误差补偿 中的应用 高秀峰李 焱 沈阳机床 集 团 设计研 究院有限公 司 辽 宁 沈阳 1 1 0 1 4 2 摘要 A C轴双摆角铣头 C轴轴线 A轴轴线与主轴轴线之间存在 3个位置误差与 3个角度误差 6个几 何误差严重影响曲面零件 的加工精度 通过百分表以及海德汉 iT NC 5 3 0数控 系统可 以补偿 3个位 置误差 而 3个角度误差只能依靠提高零部件加工精度或采取若干调整措施才能予以解决 关键词 A C轴双摆角铣头海德汉 iT NC 5 3 0数控系统位置误差 角度误差 补偿 中图分类号 T G5 0 2 1 文献标识码 B Ap p l i ca t io n o f He i d e n h a i n i TNC5 3 0 NC s y s t e m in g e o me t r i c e r r o r s co mp e n s a t i o n o f A C a x e s b i r o t a r y mil l i n g h e a d GAO Xiu f e ng LI Ya n S h e n y a n g Ma ch in e T o o l G r o u p D e s 唔n R e s e a r ch I n s t it u t e C o r p L t d S h e n y a n g 1 1 0 1 4 2 C H N Ab s t r a ct Th e r e a r e t h r e e p o s it i o n e r r o r s a n d t h r e e a n g l e e r r o r s wh ich a f f e ct s t h e p r e cis io n o f wo r k pi e ce s e r io us l y a mo n g C a x is A a x is a n d s p in d l e a x is o f A C a x e s hi r o t a r y mi l l in g he a d Th r e e po s it i o n e r r o r s ca n b e co mp e n s a t e d b y d i a l g a u g e a n d He id e n h a i n iTNC5 3 0 NC s y s t e m h o we v e r t h r e e a ng l e e rro r s ca n o n l y b e r e d u ce d b y im p r o v in g p r e cis io n o f t h e p a r t s o r a d d i n g s o m e a d j u s t m e n t s in A C a x e s b i r o t a ry m il l in g h e a d Ke y wo r ds A C Ax e s Bi Ro t a ry Mil l i ng He a d He id e n h a in iTNC 53 0 NC S y s t e m Po s it io n Er r o r An g l e Erro r Co mp e n s a t io n A C轴双摆角铣头是 中 大规格五轴联动加工 中 心的核心功能部件 由于 A C轴双摆角铣 头结构 紧凑 摆角范围大 A轴可达 1 1 0 C轴可达 3 6 0 或 n x 3 6 0 因此 常用于加工具有复杂曲面的大型精密 1 r a n g Q i n g d o n g L i u G u o p i n g D y n a mi cs a n a l y s i s o f s p e ci a l s t r u ct u r e o f mi l l in g h e a d ma ch in e t o o l J C h i n e s e J o u r n a l o f Me ch a n i ca l E n g i n e e r i n g E n g l i s h E d i t io n 2 0 0 8 2 1 6 1 0 3 1 0 7 1 2 B r u n e m a n n B M o b i l e mi l l i n g h e a d w i t h t o r q u e mo t o r d r i v e U S 7 4 7 0 0 9 5 P 2 0 0 8 1 2 3 0 3 B a r a k i S S a w a d a M Ma ch i n i n g t e s t s t o i d e n t i f y k in e m a t i c e r r t r s o n fiv e a x i s ma ch i n e t o o l s J P r e ci s i o n E n g i n e e rin g 2 0 1 0 3 4 3 3 8 7 3 9 8 4 林剑锋 闫明 郑鹏 直驱式 A C轴双摆 角铣头 模态分 析 J 机 械传 动 2 0 1 0 3 4 4 6 1 6 3 5 F o o c R a h m a n M F D i r e ct t 0 r q u e c0 n t r o l o f a n I P M s v n ch r o n o u s m o t o r d ri v e a t v e r y l o w s p e e d u s in g a s l id in g mo d e s t a t o r flu x o b s e r v e r J I E E E T r a n s a ct i o n s o n P o w