沈陽(yáng)機(jī)床(集團(tuán))設(shè)計(jì)研究院有限公司 高秀峰

直驅(qū)式A/C軸雙擺角銑頭的研發(fā)與應(yīng)用

沈陽(yáng)機(jī)床(集團(tuán))設(shè)計(jì)研究院有限公司 高秀峰

一、概述

五軸聯(lián)動(dòng)加工中心是航空、航天、軍工、發(fā)電設(shè)備等重要工業(yè)部門(mén)的關(guān)鍵設(shè)備，而A/C軸雙擺角銑頭又是中大規(guī)格五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的核心功能部件。由于A/C軸雙擺角銑頭結(jié)構(gòu)緊湊，擺角范圍大，A軸可達(dá)±110°，C軸可達(dá)±360°或n×360°，因此，常用于加工具有復(fù)雜曲面的大型精密零部件，例如飛機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)件、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉輪、大型模具、螺旋槳等。正是由于A/C軸雙擺角銑頭在五軸聯(lián)動(dòng)加工中具有舉足輕重的作用，A/C軸雙擺角銑頭通常占到主機(jī)價(jià)格的30%，因此，A/C軸雙擺角銑頭一直是中大規(guī)格五軸聯(lián)動(dòng)加工中心市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。

國(guó)外于上世紀(jì)八十年代就已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行A/C軸雙擺角銑頭的研發(fā)與生產(chǎn)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，國(guó)外關(guān)于該類(lèi)產(chǎn)品的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，至今，已有多個(gè)機(jī)床或功能部件企業(yè)可以生產(chǎn)A/C軸雙擺角銑頭。如德國(guó)的Cytec、Zimmermann、Headtec、 Tramec、Kessler，意大利的Asima、Fidia、Jobs、Technai，日本的Mazak、Toshiba、Tsudakoma等。各個(gè)廠家生產(chǎn)的A/C軸雙擺角銑頭技術(shù)特點(diǎn)各不相同。Cytec生產(chǎn)的A/C軸雙擺角銑頭A、C軸均由外轉(zhuǎn)子力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，現(xiàn)已形成了P12輕系列、M21中系列、G30重系列完整的型譜，并有多種配置可以選擇，可以選擇A軸為連體式或可自動(dòng)交換式，C軸為±360°或n×360°，主軸為固定式或可自動(dòng)交換式。Fidia與Jobs生產(chǎn)的A/C軸雙擺角銑頭A、C軸均由斜齒圓柱齒輪驅(qū)動(dòng)，并采用不同的消隙機(jī)構(gòu)。FIidia均配置高速輕切削電主軸，而Jobs可以配置機(jī)械主軸或低速大扭矩電主軸。Zimmermann生產(chǎn)的A/C軸雙擺角銑頭A、C軸驅(qū)動(dòng)則涵蓋了蝸輪蝸桿傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)、諧波齒輪傳動(dòng)、混合傳動(dòng)等多種方式，至今已形成了從VH1到VH6的完整系列。

近年來(lái)，Zimmermann依靠其獨(dú)有的銑頭技術(shù)開(kāi)發(fā)出了消除極點(diǎn)問(wèn)題的M3ABC銑頭。Mazak生產(chǎn)的A/C軸雙擺角銑頭A、C軸均采用由日本三共制作所生產(chǎn)的凸輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，凸輪機(jī)構(gòu)由于具有自鎖性及凸輪與滾柱之間為滾動(dòng)摩擦，因此，極大地簡(jiǎn)化了A/C軸雙擺角銑頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并使得精度保持性得到了很大提高。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)雖有部分主機(jī)企業(yè)一直在進(jìn)行A/C軸雙擺角銑頭的研發(fā)與生產(chǎn)，但多數(shù)均以模仿國(guó)外產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為主，在可靠性等性能指標(biāo)與國(guó)際先進(jìn)水平相比較而言還有較大差距，同時(shí)尚未真正掌握該類(lèi)產(chǎn)品的核心技術(shù)以及向國(guó)內(nèi)市場(chǎng)提供商品化批量產(chǎn)品的能力。因此，目前國(guó)內(nèi)的A/C軸雙擺角銑頭依然主要依賴(lài)進(jìn)口。

二、產(chǎn)品性能介紹

我公司研制的A/C軸雙擺角銑頭就是在上述的大背景下及依托國(guó)家“十一五”重大專(zhuān)項(xiàng)開(kāi)發(fā)的，設(shè)計(jì)目標(biāo)是即能為公司內(nèi)部中大規(guī)格五軸聯(lián)動(dòng)加工中心配套，又能為國(guó)內(nèi)其他主機(jī)企業(yè)配套，完全實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，替代進(jìn)口。

我公司A/C軸雙擺角銑頭研發(fā)團(tuán)隊(duì)在深入研究世界范圍內(nèi)主流銑頭生產(chǎn)廠家A/C軸雙擺角銑頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性能參數(shù)、可靠性、適用場(chǎng)合等方面的基礎(chǔ)之上，再結(jié)合國(guó)內(nèi)當(dāng)前對(duì)A/C軸雙擺角銑頭的實(shí)際需求，提出了直驅(qū)式的解決方案。

直驅(qū)技術(shù)由于具有機(jī)械傳動(dòng)無(wú)法比擬的無(wú)磨損、精度保持性好、動(dòng)態(tài)特性優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，再配置高精度角度編碼器與高速電主軸，因此，直驅(qū)式解決方案會(huì)使得A/C軸雙擺角銑頭具有高速、高精、高效、高可靠性、高動(dòng)態(tài)特性的特點(diǎn)，將非常適合于國(guó)內(nèi)航空航天行業(yè)、船舶行業(yè)、風(fēng)力發(fā)電行業(yè)、大型模具行業(yè)等具有復(fù)雜曲面的大型零件加工，將會(huì)成為這些行業(yè)核心加工設(shè)備的關(guān)鍵功能部件。

圖1 直驅(qū)式A/C軸雙擺角數(shù)控萬(wàn)能銑頭外觀圖

在產(chǎn)品研制過(guò)程中，我公司解決了如下關(guān)鍵問(wèn)題：

（1）雙擺角銑頭結(jié)構(gòu)尺寸和驅(qū)動(dòng)、控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。

（2）雙擺角銑頭性能分析、測(cè)試與評(píng)價(jià)技術(shù)。

（3）雙擺角銑頭的設(shè)計(jì)技術(shù)。

（4）雙擺角銑頭與滑枕連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)及防漏和電氣控制技術(shù)。

（5）高精度自動(dòng)分度技術(shù)。

（6）提高力矩電機(jī)的魯棒性。

將該產(chǎn)品與同樣采用直驅(qū)技術(shù)的兩家德國(guó)公司生產(chǎn)的雙擺角銑頭進(jìn)行參數(shù)對(duì)比，詳情如表1所示。

表1 與國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)對(duì)比情況

由表1可以看出，該產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)與產(chǎn)品性能均達(dá)到了國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品的技術(shù)水平。

通過(guò)該產(chǎn)品的研發(fā)，我公司已成功突破了多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)，如雙電機(jī)串聯(lián)技術(shù)、雙電機(jī)并聯(lián)技術(shù)、A軸自動(dòng)交換技術(shù)等，并針對(duì)各項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)及產(chǎn)品及時(shí)申請(qǐng)了9項(xiàng)專(zhuān)利進(jìn)行知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，現(xiàn)已獲得7項(xiàng)專(zhuān)利授權(quán)，另2項(xiàng)專(zhuān)利國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局正在審批。

關(guān)于該產(chǎn)品的研發(fā)，我公司已形成企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)，詳情如表2所示。

表2 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)完成情況

三、新技術(shù)應(yīng)用情況

直驅(qū)技術(shù)由于具有機(jī)械傳動(dòng)無(wú)法比擬的無(wú)磨損、精度保持性好、動(dòng)態(tài)特性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，在A/C軸雙擺角銑頭中得到了日益廣泛的應(yīng)用。由于單臺(tái)力矩電機(jī)扭矩較小，因此，在采用直驅(qū)技術(shù)的A/C軸雙擺角銑頭中多數(shù)采用了雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)就結(jié)構(gòu)布局而言，包括并聯(lián)驅(qū)動(dòng)技術(shù)與串聯(lián)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

1.力矩電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)技術(shù)

以力矩電機(jī)定子的出線端為力矩電機(jī)的正方向，當(dāng)采用兩臺(tái)力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸時(shí)，若兩臺(tái)力矩電機(jī)的正方向相反，則該種布置形式稱(chēng)為力矩電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)。

力矩電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)技術(shù)在歐洲的一些銑頭制造商中被廣泛地應(yīng)用于A軸的驅(qū)動(dòng)中，如Cytec采用兩臺(tái)外轉(zhuǎn)子力矩電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)A軸，Kessler與Tramec采用兩臺(tái)內(nèi)轉(zhuǎn)子力矩電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)A軸。

圖2 雙電機(jī)并聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖

2.力矩電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)技術(shù)

當(dāng)兩臺(tái)力矩電機(jī)正方向相同時(shí)，則該種布置形式稱(chēng)為力矩電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)，力矩電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)可以應(yīng)用到雙擺角銑頭的C軸中。如我公司已研發(fā)的具有A軸自動(dòng)交換功能的直驅(qū)式雙擺角銑頭MH30fhc的C軸便是采用兩臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)外轉(zhuǎn)子力矩電機(jī)進(jìn)行串聯(lián)驅(qū)動(dòng)。

歐洲雙擺角銑頭制造商生產(chǎn)的雙擺角銑頭，C軸有的采用單臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，但單臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩較小，否則只能通過(guò)增加電機(jī)直徑來(lái)增加電機(jī)的驅(qū)動(dòng)扭矩，但這樣將直接導(dǎo)致滑枕尺寸增加；有的C軸則采用非標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，如Cytec將兩個(gè)定子固聯(lián)在一起，并做成一個(gè)轉(zhuǎn)子，此方案直接導(dǎo)致了C軸的高成本。

而我公司設(shè)計(jì)的C軸采用兩臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，不僅解決了單臺(tái)電機(jī)扭矩小的問(wèn)題，還解決了兩臺(tái)非標(biāo)電機(jī)固聯(lián)的高成本問(wèn)題。

圖3 雙電機(jī)串聯(lián)結(jié)構(gòu)圖（右圖為國(guó)外非標(biāo)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖）

3.雙電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)

雙電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)包括雙電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)與雙電機(jī)相位差調(diào)整技術(shù)兩部分。

雙電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)是指將雙電機(jī)分為主從電機(jī)，并將兩臺(tái)電機(jī)當(dāng)做一臺(tái)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的技術(shù)。

這里的從電機(jī)指的是裝在同一根軸上的第二臺(tái)電機(jī)，它與第一臺(tái)電機(jī)（主電機(jī)）的U、V、W進(jìn)行連接。若兩臺(tái)電機(jī)為串聯(lián)驅(qū)動(dòng)，則電機(jī)相可以進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)連接；若兩臺(tái)電機(jī)為并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，則電機(jī)相中的V、W需要進(jìn)行對(duì)調(diào)連接。

表3 雙電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)動(dòng)力線連接方式

圖4 雙電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)與伺服驅(qū)動(dòng)器連接示意圖

雙電機(jī)相位差調(diào)整技術(shù)包括相位差機(jī)械調(diào)整與相位差檢測(cè)兩部分。

我公司雙電機(jī)相位機(jī)械調(diào)整采取力矩電機(jī)成組制造法進(jìn)行，我們根據(jù)力矩電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子上的標(biāo)記進(jìn)行調(diào)整與安裝，用來(lái)保證雙電機(jī)的同步性。

相位角偏差值可以通過(guò)一個(gè)雙通道的示波器來(lái)檢測(cè)。按照下圖中所示的連接方法將兩個(gè)力矩電機(jī)的動(dòng)力電纜和示波器相連接，然后用手勻速地同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)子，這時(shí)示波器上就會(huì)顯示出兩條相電壓波形，根據(jù)電壓波形就可以計(jì)算出相位角偏差值。

圖5 相位角偏差值檢測(cè)方法

4.A軸自動(dòng)交換技術(shù)

A軸自動(dòng)交換技術(shù)包括A軸自動(dòng)交換標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)計(jì)技術(shù)與銑頭庫(kù)設(shè)計(jì)技術(shù)兩部分。

A軸自動(dòng)交換標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)計(jì)技術(shù)的難點(diǎn)是解決諸多對(duì)接元件的過(guò)定位問(wèn)題，我公司已成功設(shè)計(jì)了A軸自動(dòng)交換標(biāo)準(zhǔn)接口，有效地解決了A軸16路液、氣、油與C軸之間的連接，并成功解決了交換接口內(nèi)部電氣快換接頭、液壓快換接頭、拉釘、齒盤(pán)、定位銷(xiāo)等部件的軸向、徑向及周向過(guò)定位等問(wèn)題。此外，還解決了裝配、調(diào)試、防漏等問(wèn)題。

表4 A軸自動(dòng)交換接口過(guò)定位問(wèn)題

圖6 A軸自動(dòng)交換標(biāo)準(zhǔn)接口（A軸接口與C軸接口）

銑頭庫(kù)的主要作用在于存放未被交換的銑頭，并保證銑頭在存放過(guò)程中的準(zhǔn)確定位與支撐，需要具有較高的剛性與定位精度，保證換頭坐標(biāo)點(diǎn)的準(zhǔn)確。我公司已研制出兩種銑頭庫(kù)的定位元件用于A軸的銑頭庫(kù)，一種為定位銷(xiāo)方案，另一種為直角邊方案，兩種方案在樣機(jī)驗(yàn)證過(guò)程中，均取得了非常好的效果。

圖7 銑頭庫(kù)定位方式示意圖

5.RTCP精度檢測(cè)與補(bǔ)償技術(shù)

RTCP精度是五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的重要關(guān)鍵精度，它直接影響機(jī)床的五軸聯(lián)動(dòng)加工精度和加工工件的質(zhì)量，因此，對(duì)RTCP精度進(jìn)行檢測(cè)與補(bǔ)償具有重要的意義。

而RTCP精度檢測(cè)與補(bǔ)償主要是指對(duì)雙擺角銑頭的四項(xiàng)精度進(jìn)行檢測(cè)與補(bǔ)償，這四項(xiàng)精度包括：

（1）主軸軸線與C軸軸線在X方向的偏差；

（2）主軸軸線與C軸軸線在Y方向的偏差；

（3）主軸軸線與A/B軸軸線之間的偏差；

（4）主軸鼻端與A/B軸軸線之間的尺寸。

上述四項(xiàng)精度通過(guò)檢棒與千分表即可以完成檢測(cè)。

圖8 是否具有RTCP功能刀具軌跡區(qū)別示意圖

圖9 RTCP精度檢測(cè)示意圖

6.可靠性增長(zhǎng)技術(shù)在雙擺角銑頭產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

雙擺角銑頭的工作可靠性極其重要，我公司在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，在如下四個(gè)方面運(yùn)用可靠性增長(zhǎng)技術(shù)用于提高雙擺角銑頭產(chǎn)品的可靠性。經(jīng)過(guò)如下各項(xiàng)工作，在樣機(jī)試制完成之后，雙擺角銑頭產(chǎn)品的可靠性得到了大幅提高。

（1）零部件材料方面：嚴(yán)格控制零部件材料質(zhì)量，特別是雙擺角銑頭的關(guān)鍵外購(gòu)件。如力矩電機(jī)、軸承、電主軸、編碼器、拉釘、液壓抱閘、液壓快接插頭、電氣快接插頭等均選用世界上知名廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品。

（2）設(shè)計(jì)方面：在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之前，對(duì)同類(lèi)產(chǎn)品的使用情況進(jìn)行了廣泛的調(diào)研，并對(duì)常見(jiàn)的十類(lèi)故障模式進(jìn)行搜集與分析，對(duì)每一個(gè)故障都進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究，并提出有針對(duì)性的解決方案。

（3）制造方面：在樣機(jī)生產(chǎn)制造過(guò)程中，嚴(yán)格控制零件加工質(zhì)量與整機(jī)裝配質(zhì)量。所有關(guān)鍵零件加工完成之后均經(jīng)過(guò)三坐標(biāo)進(jìn)行精度檢驗(yàn)，在整機(jī)裝配過(guò)程中嚴(yán)格根據(jù)裝配規(guī)范進(jìn)行裝配。

（4）使用方面：在樣機(jī)使用與驗(yàn)證過(guò)程中，嚴(yán)格根據(jù)使用規(guī)范進(jìn)行使用，并針對(duì)暴露出的四類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行了多次改進(jìn)與優(yōu)化，最終全部成功地解決了這些問(wèn)題，大幅地提高了產(chǎn)品的可靠性。

圖9 RTCP精度檢測(cè)示意圖

四、成果應(yīng)用及推廣情況

該產(chǎn)品在研制過(guò)程中，以沈陽(yáng)機(jī)床（集團(tuán)）設(shè)計(jì)研究院有限公司下屬中試基地為基礎(chǔ)，建立了雙擺角銑頭試驗(yàn)基地。目前，試驗(yàn)基地?fù)碛腥_(tái)雙擺角銑頭樣機(jī)和相關(guān)性能檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)及配套應(yīng)用驗(yàn)證的數(shù)控機(jī)床。除此之外，沈陽(yáng)機(jī)床（集團(tuán)）設(shè)計(jì)研究院有限公司下屬的實(shí)驗(yàn)室擁有眾多的檢測(cè)儀器，如激光干涉儀、熱成像儀、球桿儀、測(cè)力儀、多通數(shù)控采集分析儀等，在本課題中研制的性能檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)可搭置上述設(shè)備和本課題購(gòu)置的多種儀器，完成用于測(cè)試銑頭系統(tǒng)的銑頭動(dòng)力特性試驗(yàn)、銑頭系統(tǒng)紅外成像試驗(yàn)、溫度補(bǔ)償及測(cè)試、精度穩(wěn)定性試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)剛度試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)等多種應(yīng)用驗(yàn)證相關(guān)試驗(yàn)。

本課題研發(fā)的雙擺角銑頭樣機(jī)及其配套機(jī)床，在沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。

在應(yīng)用驗(yàn)證過(guò)程中，采用驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)與零件切削相結(jié)合的形式進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)包括精度與技術(shù)指標(biāo)測(cè)試、動(dòng)力特性試驗(yàn)、紅外成像試驗(yàn)、溫度補(bǔ)償及測(cè)試、結(jié)構(gòu)剛度試驗(yàn)、精度穩(wěn)定性試驗(yàn)。零件切削采用標(biāo)準(zhǔn)的切削試件，包括輪廓加工試件與圓錐截體。應(yīng)用驗(yàn)證結(jié)果表明，雙擺角銑頭工作穩(wěn)定、性能可靠，完全符合設(shè)計(jì)要求，被加工試件精度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

國(guó)內(nèi)目前的雙擺角銑頭主要依賴(lài)進(jìn)口，價(jià)格非常昂貴，雙擺角銑頭價(jià)格甚至占到主機(jī)價(jià)格的30%，相對(duì)于國(guó)外此類(lèi)產(chǎn)品而言，本課題研制的產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)與產(chǎn)品性能均達(dá)到了國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品的技術(shù)水平，同時(shí)，由于該產(chǎn)品的成本和價(jià)格低于國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品，具有良好的性價(jià)比，因此，在與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中具有一定的優(yōu)勢(shì)與競(jìng)爭(zhēng)力。 □