Q雙擺銑頭的精度保持性分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

1、北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院碩士學(xué)位論文雙擺銑頭的精度保持性分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)姓名：李明申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：機(jī)械制造及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師：楊慶東20071201摘要摘要高速五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床是數(shù)控機(jī)床的高技術(shù)產(chǎn)品，五軸機(jī)床增加了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使機(jī)床結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度、剛度和速度要求高。雙擺銑頭是銑頭式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床的核心部件，也是設(shè)計(jì)制造的難點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)及性能直接影響到整個(gè)機(jī)床的性能。目前的銑頭產(chǎn)品主要有兩類：以蝸輪蝸桿傳動(dòng)為主的機(jī)械擺頭結(jié)構(gòu)和采用力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的銑頭結(jié)構(gòu)。針對(duì)銑頭的精度保持性，對(duì)比分析了這兩類銑頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能，并在此分析的基礎(chǔ)上又設(shè)計(jì)了一種可提高精度保持性和傳動(dòng)剛度的齒輪傳動(dòng)銑頭結(jié)構(gòu)。在完成新結(jié)構(gòu)的

2、設(shè)計(jì)、建模和裝配的基礎(chǔ)上，對(duì)蝸輪蝸桿傳動(dòng)銑頭結(jié)構(gòu)和齒輪傳動(dòng)銑頭結(jié)構(gòu)建立了動(dòng)力學(xué)模型，通過靜力分析、模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，獲得了這兩種銑頭在不同工況下的靜動(dòng)態(tài)性能，并通過對(duì)比分析，對(duì)新結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，明顯改善了銑頭的動(dòng)態(tài)性能。雙擺銑頭的旋轉(zhuǎn)進(jìn)給系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)特性直接影響加工精度也限制機(jī)床生產(chǎn)效率。針對(duì)銑頭內(nèi)軸擺動(dòng)進(jìn)給傳動(dòng)鏈長、傳動(dòng)件尺寸小、剛度低的特點(diǎn)，采用傳遞矩陣法對(duì)其建立了扭轉(zhuǎn)振動(dòng)剛度模型，分析計(jì)算了軸傳動(dòng)鏈的基本動(dòng)態(tài)特性，并與蝸輪蝸桿傳動(dòng)方案中軸傳動(dòng)鏈的基本動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行對(duì)比分析，為傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的研究提供了參考。關(guān)鍵詞：五軸聯(lián)動(dòng)；雙擺銑頭；模態(tài)分析；動(dòng)態(tài)特性，：，碼，豳，：

3、；學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本人完全了解北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意如下各項(xiàng)內(nèi)容：按照學(xué)校要求提交學(xué)位論文的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存學(xué)位論文的印刷本和電子版，并采用影印、縮印、掃描、數(shù)字化或其它手段保存論文；學(xué)校有權(quán)提供目錄檢索以及提供本學(xué)位論文全文或者部分的閱覽服務(wù)；學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國家有關(guān)部門或者機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版；在不以贏利為目的的前提下，學(xué)?？梢赃m當(dāng)復(fù)制論文的部分或全部?jī)?nèi)容用于學(xué)術(shù)活動(dòng)。學(xué)位論文作者簽名：匆團(tuán)日。力呻年月獅（注：非保密論文無需簽字）經(jīng)指導(dǎo)教師同意，本學(xué)位論文屬于保密，在本授權(quán)書。指導(dǎo)教師簽名：年月日學(xué)位論文作者簽名：年月日年解

4、密后適用碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的、已公開發(fā)表或者沒有公開發(fā)表的作品的內(nèi)容。對(duì)本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。簽名：如閔伽易年月沖日第章緒論第章緒論課題的研究意義為改變高檔數(shù)控裝備長期國產(chǎn)化差的狀況，在國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（年）中將其列入支持重點(diǎn)；國務(wù)院關(guān)于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見中也指出把“發(fā)展大型、精密、高速數(shù)控裝備和數(shù)控系統(tǒng)及功能部件，改變依賴進(jìn)口的

5、現(xiàn)狀，滿足機(jī)械、航空航天等工業(yè)發(fā)展的需要”作為“十一五實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)突破加快振興裝備制造業(yè)步伐的個(gè)重大專項(xiàng)之一。高檔數(shù)控機(jī)床是指多軸、復(fù)合、精密、大重型數(shù)控機(jī)床。在航空航天、發(fā)電、船舶、模具、光學(xué)元件等復(fù)雜型面精密加工和汽車制造等領(lǐng)域需要多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床。五軸是指增加兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，五軸聯(lián)動(dòng)是指增加旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)完成曲面加工。三個(gè)直角和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)結(jié)合可以滿足任何曲面形狀加工。增加旋轉(zhuǎn)軸后，刀具切削軌跡可隨結(jié)構(gòu)變化。優(yōu)點(diǎn)是切削條件大大改善，精度和效率大大提高，工藝更加集中，減少裝夾次數(shù)。同時(shí)，軸數(shù)和機(jī)構(gòu)增加，插補(bǔ)、曲線擬和控制、定位精度、剛度和動(dòng)剛度都發(fā)生變化，機(jī)床各方面技術(shù)復(fù)雜程度大增，成為機(jī)床中的高技術(shù)

6、高附加值產(chǎn)品的高檔機(jī)床。五軸機(jī)床結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單元部件比三軸機(jī)床設(shè)計(jì)制造難度大。五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的關(guān)鍵部件是銑頭部件，有代表性的是雙擺銑頭部件，設(shè)計(jì)制造難度比三軸機(jī)床大得多。我國對(duì)高速機(jī)床的研制起步較晚，已經(jīng)取得了一些的成果，但是與世界先進(jìn)水平相比還存在很大差距。例如：精度普遍不夠高，普遍未對(duì)機(jī)床主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能分析，只有少數(shù)幾種產(chǎn)品能夠達(dá)到歐洲標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的定位精度；我國還未開發(fā)出動(dòng)、靜特性都很優(yōu)異的高速機(jī)床的主機(jī)結(jié)構(gòu)和整機(jī)。目前我國生產(chǎn)高速切削機(jī)床的企業(yè)已有很多家，但大部分都以引進(jìn)技術(shù)為主，或者是仿制國外產(chǎn)品，很少有自己創(chuàng)新設(shè)計(jì)制造的高速機(jī)床產(chǎn)品。機(jī)床生產(chǎn)廠在開發(fā)高速機(jī)床產(chǎn)品時(shí)往往是在普通機(jī)床基

7、礎(chǔ)上安裝高速電主軸和高速絲杠（或直線電機(jī)）等功能部件，缺乏對(duì)機(jī)床主體結(jié)構(gòu)和整機(jī)的系統(tǒng)分析研究。其使用壽命、加工精度、機(jī)床特性和使用效率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到真正意義上的高速機(jī)床。第章緒論國內(nèi)外五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的研制發(fā)展及現(xiàn)狀五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品中的高技術(shù)難度產(chǎn)品。它能夠加工大多數(shù)的曲面結(jié)構(gòu)，且該類型加工機(jī)床除了提高加工效率外還可以確保產(chǎn)品的加工精度，不僅提高了機(jī)床的自動(dòng)化水平、加工領(lǐng)域和工作效率，也擴(kuò)大了機(jī)床的加工范圍，擴(kuò)大了機(jī)床的使用范圍，提高了機(jī)床的使用價(jià)值。使之可以在航空、航天、汽車、模具以及軍工產(chǎn)品等生產(chǎn)領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用用途。五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的研制開始于八十年代末，在國外出現(xiàn)了以

8、瑞士威力銘、米克郎，德國德馬吉為代表的生產(chǎn)廠家，先后開發(fā)了不同規(guī)格、不同結(jié)構(gòu)形式的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，可謂各具特色。從國外五軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)床的發(fā)展來看，機(jī)床不再單純是一臺(tái)加工設(shè)備，而是工廠自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)的組成單元。市場(chǎng)對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)床的要求越來越高，幾經(jīng)出現(xiàn)與傳統(tǒng)機(jī)床完全不同的特征和機(jī)構(gòu)。概要的說，就是通過各種技術(shù)全面集成，大幅度提高生產(chǎn)效率。主要體現(xiàn)在一下幾個(gè)方面幢：（）高速化：目前機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速一般都在以上。由于高速電主軸的普遍應(yīng)用，主軸轉(zhuǎn)速也進(jìn)一步提高，有的高達(dá)，快移速度也由于直線電機(jī)的采用而提高到以上，很多機(jī)床的直線運(yùn)動(dòng)加速度達(dá)到，少數(shù)可達(dá)以上。米克郎公司的高速加工中心，可進(jìn)行高速軸聯(lián)動(dòng)加

9、工。液體冷卻的主軸電機(jī)由陶瓷軸承支承，轉(zhuǎn)速高達(dá)、，并有整體式托盤架和托盤交換裝置。（）高精度：目前一般加工中心的定位精度為±一±，精密級(jí)的精度為±一±。公司的型高精度軸高速加工中心，帶一個(gè)傾斜轉(zhuǎn)臺(tái)，所有坐標(biāo)的直線運(yùn)動(dòng)定位精度，軸、軸的回轉(zhuǎn)精度。，主軸轉(zhuǎn)速（號(hào)錐度）至（號(hào)錐度），主要用途是取消鑄造而直接由實(shí)體坯料加工出形狀復(fù)雜的箱體件。（）復(fù)合化：提高機(jī)床切削率和生產(chǎn)效能促使機(jī)床功能的擴(kuò)展，由原來的單主軸、單刀架，擴(kuò)展為雙主軸、雙刀架結(jié)構(gòu)，組成臥式平行雙主軸結(jié)構(gòu)或立式雙主軸結(jié)構(gòu)。公司的是雙銑頭的門式加工中心，雙銑頭由立銑頭和擺轉(zhuǎn)銑頭完成租精加工。（）高剛性

10、：機(jī)床在不斷追求高速、高精的同時(shí)，開始注重機(jī)床的剛度，為實(shí)現(xiàn)大功率切削，提高加工效率奠定基礎(chǔ)。改善機(jī)床剛性主要從兩個(gè)方面考慮：一是研制新的高剛性材料。日本東金屬產(chǎn)業(yè)公司研制出了一種新的鑄件材料，第章緒論是在鋁中添加碳化硅的復(fù)合材料，可作為精密機(jī)床、高速加工機(jī)床的床身構(gòu)件。這種鑄件材料質(zhì)量輕（為一般鑄件的）且剛性較好，振動(dòng)衰減率高（比一般鑄件高），能吸收振動(dòng)，熱傳導(dǎo)率高。二是改善機(jī)床結(jié)構(gòu)。北村機(jī)械株式會(huì)社的系列加工中心采用新開發(fā)的門式結(jié)構(gòu)，這是繼箱中箱結(jié)構(gòu)的加工中心后的又一種新結(jié)構(gòu)的加工中心，其，軸均采用了雙滾珠絲杠。國內(nèi)最先研制出五軸聯(lián)動(dòng)加工中心是在年，代表作是當(dāng)時(shí)江蘇常州機(jī)床總廠（現(xiàn)多棱集團(tuán)

11、）開發(fā)出的一臺(tái)定梁龍門式五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，北京機(jī)電研究院、北京第一機(jī)床廠、桂林機(jī)床股份有限公司、濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司等企業(yè)，也相繼開發(fā)了五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床。年月北京中國國際展覽中心舉行的第十屆中國國際機(jī)床展覽會(huì)上，沈陽機(jī)床廠展出的五軸龍門加工中心，是一臺(tái)精密五軸龍門加工中心，該機(jī)床的銑頭能、兩軸聯(lián)動(dòng)，擺動(dòng)角度±。，傳動(dòng)采用蝸輪蝸桿副，主軸轉(zhuǎn)速達(dá)。秦川發(fā)展展出的龍門動(dòng)梁式七軸五聯(lián)動(dòng)復(fù)合加工中心，可實(shí)現(xiàn)軸?；剞D(zhuǎn)，軸。擺動(dòng)，是我國首臺(tái)可加工大型螺旋傘齒輪的龍門式機(jī)床。這次展出的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床還有四川長征的、大連機(jī)床廠的、桂林機(jī)床廠的、北京第一機(jī)床廠的。我國機(jī)床制造技術(shù)在五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的研制

12、上取得了顯著的成績(jī)，但是從國內(nèi)的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的性能特點(diǎn)分析，國內(nèi)機(jī)床在加工精度、機(jī)床特性、快移速度上都與國際領(lǐng)先水平相比存在很大的差距，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（）精度普遍不夠。只有少數(shù)幾種產(chǎn)品達(dá)到歐洲標(biāo)準(zhǔn)定位精度。精度差距只是表面現(xiàn)象。其實(shí)質(zhì)是基礎(chǔ)技術(shù)差距的反映。如普遍未進(jìn)行有限元分析，未做動(dòng)剛度試驗(yàn)；大多未采用定位精度軟件補(bǔ)償技術(shù)、溫度變形補(bǔ)償技術(shù)、高速主軸系統(tǒng)的動(dòng)平衡技術(shù)等。（）規(guī)格品種單一。產(chǎn)品大多是在立式加工中心的基礎(chǔ)上增加萬能主軸頭，從規(guī)格品種上沒有太多的變化，這其中也是對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)的掌握還有一定難度，常常還是受國外先進(jìn)技術(shù)的限制。（）可靠性差。加工中心的可靠性是機(jī)床產(chǎn)品質(zhì)量

13、的一項(xiàng)關(guān)鍵性指標(biāo)。加工中心機(jī)床能否發(fā)揮其高性能、高精度、高效率，并獲得良好的效益，主要取決于可靠性。衡量可靠性的重要量化指標(biāo)是平均無故障工作時(shí)間（），目前國際加工中心已達(dá)到。而國內(nèi)產(chǎn)品實(shí)際只能在左右。五軸機(jī)床已經(jīng)不僅應(yīng)用于航空航天等高端領(lǐng)域，而且逐漸向任何外形復(fù)雜、第章緒論公差小、批量小和交貨期短的加工領(lǐng)域轉(zhuǎn)移，滿足用戶個(gè)性化要求。國內(nèi)開發(fā)銑頭五軸機(jī)床增長幅度也很大，開發(fā)用于航空航天、汽車、模具加工的機(jī)床在北京機(jī)床博覽會(huì)上有十余家。但國內(nèi)的五軸機(jī)床生產(chǎn)還遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)要求。在高性能的銑頭部件中、適合于銑頭加工中心的大功率電主軸、五軸機(jī)床的傳動(dòng)元件、直驅(qū)力矩電機(jī)、機(jī)床的動(dòng)靜剛度、熱穩(wěn)定性、精度保

14、持性等方面和國際先進(jìn)技術(shù)都還有相當(dāng)?shù)牟罹唷鴥?nèi)外機(jī)床靜、動(dòng)態(tài)性能的研究現(xiàn)狀機(jī)床的加工性能與其結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性密切相關(guān)，通過對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)的性能分析我們可以有效地改進(jìn)機(jī)床結(jié)構(gòu)從而提高機(jī)床整體性能。近年來，國內(nèi)外在機(jī)床性能分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究十分普遍。北京機(jī)床研究所的趙宏林等在基于有限元法自行開發(fā)出了一套機(jī)床整機(jī)特性分析軟件，該軟件可以對(duì)機(jī)床整機(jī)的靜、動(dòng)和熱態(tài)性能進(jìn)行仿真建模，調(diào)整構(gòu)件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和結(jié)合面的剛度、阻尼和熱力特性，可以得出機(jī)床剛度、熱變形、結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)和切削穩(wěn)定區(qū)，并由動(dòng)畫顯示其振動(dòng)模態(tài)。昆明理工大學(xué)的張宇、廖伯瑜在機(jī)械阻抗綜合法的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出一種直接利用結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)頻響函數(shù)識(shí)別結(jié)合部參

15、數(shù)的方法，通過多頻率點(diǎn)的最，乘法消除噪聲的影響。該方法不需要預(yù)先建立結(jié)構(gòu)的解析模型（如有限元模型），試驗(yàn)及測(cè)試計(jì)算都較為方便。等在不考慮接觸剛度的情況下，分析了加工中心各大部件的靜剛度。文杰用自定義單元處理結(jié)合面的剛度，并用實(shí)驗(yàn)的方法確定相應(yīng)的剛度參數(shù)，進(jìn)行了機(jī)床整機(jī)的動(dòng)態(tài)特性分析。東南大學(xué)的袁誠英應(yīng)用有限元法對(duì)型和型數(shù)控銑床的整機(jī)及各大組成部分，如主軸箱、立柱等分別進(jìn)行了靜、動(dòng)力學(xué)分析，并對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果進(jìn)行比較。五軸機(jī)床代表了高檔數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向之一。在年美國國際制造技術(shù)展覽會(huì)上，參展的余家加工中心廠家五軸以上的超過家。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床對(duì)曲面零件，可用刀具最佳幾何形狀切削，光潔度高

16、，效率也大幅度提高，一臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的效率可以等于兩臺(tái)三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床。工序復(fù)合是機(jī)床集成制造技術(shù)發(fā)展的基本點(diǎn)，是制造技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)。第章緒論五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的關(guān)鍵部件是銑頭。銑頭不僅代表了五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的技術(shù)水平，也大量應(yīng)用于復(fù)合機(jī)床。有代表性的是雙擺銑頭部件，從機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)展到了目前的力矩電機(jī)直驅(qū)銑頭。如公司的直驅(qū)雙擺銑頭不僅實(shí)現(xiàn)了高精度大扭矩零傳動(dòng)，減小了結(jié)構(gòu)尺寸，也解決了高定位剛度和電液耦合，是目前國際領(lǐng)先技術(shù)的銑頭部件，但價(jià)格昂貴。機(jī)械式銑頭仍然占據(jù)大部分五軸、五面機(jī)床市場(chǎng)，、等機(jī)床公司生產(chǎn)的機(jī)械式銑頭機(jī)床具有功率大、精度保持性比較好的優(yōu)勢(shì)。在五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床銑頭部件的特性分析方面，對(duì)銑頭部件

17、的結(jié)構(gòu)及靜動(dòng)態(tài)性能的研究還很少，而銑頭部件作為整個(gè)銑床的核心部件之一，對(duì)機(jī)床整體的性能有著至關(guān)重要的影響，對(duì)銑頭部件進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)性能研究是有必要的。本文的研究?jī)?nèi)容及研究方法研究?jī)?nèi)容高速銑床是近年來機(jī)床研究的熱點(diǎn)之一，尤其是銑頭式高速五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床。高速加工技術(shù)對(duì)機(jī)床的要求包括：足夠的靜剛度以及較高的剛度重量比、良好的動(dòng)態(tài)特性、較好的熱變形特性等嵋。銑頭部件是五軸銑床的核心部件，也是設(shè)計(jì)難點(diǎn)。本文針對(duì)現(xiàn)有的蝸輪蝸桿傳動(dòng)銑頭中存在的缺陷，在分別比較幾類銑頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能分析的基礎(chǔ)上，又設(shè)計(jì)了一種齒輪傳動(dòng)的雙擺銑頭結(jié)構(gòu)，并且對(duì)齒輪傳動(dòng)的銑頭部件和蝸輪蝸桿傳動(dòng)的銑頭部件進(jìn)行了靜、動(dòng)態(tài)分析，主要內(nèi)容包

18、括以下幾個(gè)方面：（）闡述了國內(nèi)外五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床的發(fā)展現(xiàn)狀，以及國內(nèi)外機(jī)床靜、動(dòng)態(tài)性能的研究現(xiàn)狀；（）對(duì)蝸輪蝸桿傳動(dòng)銑頭和力矩直驅(qū)雙擺頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精度保持性的對(duì)比分析，并針對(duì)其缺陷提出了新的齒輪傳動(dòng)銑頭結(jié)構(gòu)；（）對(duì)齒輪傳動(dòng)的銑頭部件進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)、三維建模和虛擬裝配。并且分析了此結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；（）分析并建立了齒輪傳動(dòng)的銑頭部件和蝸輪蝸桿傳動(dòng)的銑頭部件的動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行了靜力分析、模態(tài)分析和響應(yīng)分析，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，找出齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)；（）采用傳遞矩陣法對(duì)齒輪傳動(dòng)方案中軸傳動(dòng)鏈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，制訂存量土地開發(fā)利用配套政策。盤活存量土地必須調(diào)動(dòng)有關(guān)稅費(fèi)等方

19、面制訂出一系列優(yōu)惠政策。對(duì)按照規(guī)劃實(shí)行退二進(jìn) 分析結(jié)果并與蝸輪蝸桿傳動(dòng)方案中軸傳動(dòng)鏈扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行對(duì)比。研究方法虛擬制造技術(shù)。虛擬制造技術(shù)是利用存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)字化模型來代替實(shí)物模型進(jìn)行仿真、分析，從而提高產(chǎn)品在時(shí)間、質(zhì)量和成本等多目標(biāo)的決策水平，達(dá)到全局最優(yōu)和一次性開發(fā)成功的目的砸。虛擬制造技術(shù)可以分為以設(shè)計(jì)為中心的虛擬制造、以生產(chǎn)為中心的虛擬制造和以控制為中心的虛擬制造，本文主要利用以設(shè)計(jì)為中心的虛擬制造技術(shù)對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床的銑頭部件進(jìn)行方案可行性分析。由于以設(shè)計(jì)為中心的虛擬制造技術(shù)主要是在實(shí)際產(chǎn)品出來之前預(yù)測(cè)產(chǎn)品的性能，提高產(chǎn)品一次性開發(fā)的成功率。因此首先要建立五軸銑頭各零件的數(shù)字化

20、模型，然后將其按照產(chǎn)品實(shí)際的功能和結(jié)構(gòu)要求通過約束關(guān)系安裝到一起，建立如同產(chǎn)品已經(jīng)真實(shí)存在的直觀可視化的裝配體數(shù)字模型口。虛擬裝配仿真技術(shù)在機(jī)床產(chǎn)品開發(fā)過程的應(yīng)用具體包括以下幾個(gè)方面陽：靜態(tài)干涉檢測(cè)：虛擬裝配可以準(zhǔn)確地反映零部件的空間布局和裝配關(guān)系，當(dāng)按照適當(dāng)?shù)募s束關(guān)系完成虛擬的裝配后，在計(jì)算機(jī)中可以通過計(jì)算機(jī)的靜態(tài)干涉檢測(cè)功能來檢測(cè)裝配后的零件的干涉情況，通過這個(gè)檢測(cè)我們就可以知道該零部件是否能合理的完成正確的裝配關(guān)系?？裳b配型評(píng)估：根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的形狀特性，精度特性，結(jié)構(gòu)特性和三維實(shí)體模型的裝配過程，通過模擬真實(shí)的裝配過程，來檢驗(yàn)產(chǎn)品的可裝配型。優(yōu)化裝配過程：通過把五軸聯(lián)動(dòng)銑頭在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行

21、裝配仿真，可以將產(chǎn)品的整體裝配合理劃分成若干個(gè)裝配單元，使各單元能夠并行地進(jìn)行，這樣做可以大大的節(jié)省在實(shí)際裝配過程中的裝配時(shí)間。有限元法。有限元法是指用有限個(gè)單元將連續(xù)體離散化，通過對(duì)有限個(gè)單元作分片插值求解各種力學(xué)、物理問題的一種數(shù)值方法陽。有限元法把連續(xù)體離散成有限個(gè)單元：桿系結(jié)構(gòu)的單元是每一個(gè)桿件；連續(xù)體的單元是各種形狀（如三角形、四邊形、六面體等）的單元體。每個(gè)單元的場(chǎng)函數(shù)是只包含有限個(gè)待定節(jié)點(diǎn)參量的簡(jiǎn)單場(chǎng)函數(shù)，這些單元場(chǎng)函數(shù)的集合就能近似代表整個(gè)連續(xù)體的場(chǎng)函數(shù)。根據(jù)能量方程或加權(quán)殘量方程可建立有限個(gè)待定參量的代數(shù)方程組，求解此離散方程組就得到有限元法的數(shù)值解。有限元法已被用于求解線性

22、和非線性問題，并建立了各種有限元模型，如協(xié)調(diào)、不協(xié)調(diào)、混合、雜交、擬協(xié)調(diào)元等們叫。有限元法十分有效、通用性強(qiáng)、應(yīng)用廣泛，已有許多大型或?qū)Ｓ贸绦蛳到y(tǒng)供工程設(shè)計(jì)使用。結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，有限元法也被用于計(jì)算機(jī)輔助制造中。有限元法是一種采用電子計(jì)算機(jī)求解結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)特性等問題的數(shù)值解法。在銑頭結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析中，利用彈性力學(xué)有限元法建立結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)而可以計(jì)算出結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型等模態(tài)參數(shù)以及動(dòng)力響應(yīng)（包括響應(yīng)位移和響應(yīng)應(yīng)力）。由于有限元法具有精度高、適應(yīng)性強(qiáng)以及計(jì)算格式規(guī)范統(tǒng)一等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)床開發(fā)中做有限元，已是比較普遍的方式。雖然計(jì)算分析法的精度有限，但在設(shè)計(jì)階段的分析能夠大體反映

23、銑頭結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，不必在實(shí)體加工裝配出來后才能分析。因而可以作為虛擬設(shè)計(jì)中的評(píng)價(jià)銑頭動(dòng)態(tài)特性的重要方法。常用的有限元軟件有、等。其中是最為通用和有效的有限元軟件之一，它不斷吸收當(dāng)今世界最新的計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)，引領(lǐng)著有限元界的發(fā)展趨勢(shì)。以其強(qiáng)大的功能、可靠的質(zhì)量在航空航天、機(jī)械制造、土木工程、水利等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用引。提供導(dǎo)入導(dǎo)出接口，便于實(shí)現(xiàn)與之間模型的轉(zhuǎn)換工作。用戶可在程序中創(chuàng)建好模型后，通過如、或等格式文件轉(zhuǎn)換輸入。軟件包括經(jīng)典環(huán)境和環(huán)境，經(jīng)典環(huán)境包含了的所有功能，環(huán)境在使用過程中較經(jīng)典環(huán)境具有以下優(yōu)點(diǎn)：）與系統(tǒng)的實(shí)體及曲面模型具有雙向連結(jié)，其導(dǎo)入幾何模型的成功率很高；）的界面非常

24、直觀，易于使用，且功能強(qiáng)大；）可以自動(dòng)識(shí)別裝配體的接觸面，用戶可通過手動(dòng)定義接觸面的接觸類型。模態(tài)綜合法。模態(tài)綜合法（）就是一種縮減自由度方法。它可以將大模型化小，先進(jìn)行各個(gè)子結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，然后進(jìn)行模態(tài)綜合。由于僅采用了各個(gè)子結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)，因而使所建立整體結(jié)構(gòu)動(dòng)力模型的自由度數(shù)大大降低，而且可以在不同的機(jī)器上對(duì)各子結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析提高計(jì)算速度。模態(tài)綜合法的基本思想是根據(jù)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)將整體結(jié)構(gòu)劃分成若干子結(jié)構(gòu)，對(duì)各個(gè)子結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行模態(tài)分析，得到其動(dòng)力特性。再利用子結(jié)構(gòu)間力平衡條件及位移協(xié)調(diào)條件將各子結(jié)構(gòu)部分低階模態(tài)特性綜合，由此得到整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性糾。的模態(tài)綜合法采用固定界面和自由界面模

25、態(tài)綜第章緒論合法。模態(tài)分析應(yīng)用有：一、用于振動(dòng)測(cè)量和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，可測(cè)得比較精確的固有頻率、模態(tài)振型、模態(tài)阻尼、模態(tài)質(zhì)量和模態(tài)剛度。二、用模態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果去指導(dǎo)有限元理論模型的修正，使理論模型更趨完善合理。三、用來進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)修改，靈敏度分析和反問題的計(jì)算。四、用于相應(yīng)計(jì)算和載荷識(shí)別，由于理論模型計(jì)算難以得到模態(tài)阻尼，其進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算結(jié)果往往不理想，而利用模態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算則無此弊端。五、用模態(tài)實(shí)驗(yàn)建立一個(gè)部件數(shù)學(xué)模型，然后再將其組合到完整的結(jié)構(gòu)中去，通常稱為“子結(jié)構(gòu)方法。傳遞矩陣法。對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能的理論建模方法除了有限元法，還有傳遞矩陣法和集中參數(shù)法。該方法主要用于研究軸系、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)或軸

26、類部件的彎曲、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。考察任何一個(gè)傳動(dòng)部件的動(dòng)力學(xué)模型都可以看到，它們是由一系列質(zhì)量元件、梁段元件和支承元件一個(gè)接一個(gè)地聯(lián)結(jié)而成的，呈一種鏈狀結(jié)構(gòu)的形式。對(duì)這種形式的振動(dòng)系統(tǒng)，采用傳遞矩陣法進(jìn)行分析計(jì)算是很方便、有效的。傳遞矩陣法的主要特點(diǎn)是：矩陣的階數(shù)不隨系統(tǒng)的自由度數(shù)增大而增加，因而編程簡(jiǎn)單，占內(nèi)存少，運(yùn)算速度快，特別適用于像轉(zhuǎn)子這樣的鏈?zhǔn)较到y(tǒng)。傳遞矩陣法與機(jī)械阻抗、直接積分等其他方法相配合，還可以求解復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)問題。第章銑頭精度保持性的比較分析第章銑頭精度保持性的分析機(jī)床的精度包括幾何精度、傳動(dòng)精度、運(yùn)動(dòng)精度和定位精度。在規(guī)定的工作期間內(nèi)，保持機(jī)床所要求的精度

27、，稱之為精度保持性。影響精度保持性的主要因素是磨損。目前銑頭結(jié)構(gòu)包括以蝸輪蝸桿傳動(dòng)為主的機(jī)械擺動(dòng)結(jié)構(gòu)和采用力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的銑頭結(jié)構(gòu)。蝸輪蝸桿副傳動(dòng)雖然傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊，成為空間尺寸限制的雙擺銑頭首選的減速機(jī)構(gòu)，但是傳動(dòng)效率低、磨損嚴(yán)重，精度保持性差成為致命缺陷。力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)的銑頭結(jié)構(gòu)雖避免了蝸輪蝸桿副雙擺銑頭的缺陷，但是大扭矩、高剛度的力矩電機(jī)國產(chǎn)化還比較差，進(jìn)口的力矩電機(jī)直驅(qū)雙擺銑頭價(jià)格昂貴，嚴(yán)重影響了普及應(yīng)用。本章主要對(duì)這兩種銑頭的結(jié)構(gòu)及精度保持性進(jìn)行對(duì)比分析，并提出了一種齒輪傳動(dòng)的銑頭結(jié)構(gòu)，避開易于磨損的蝸輪蝸桿副，同時(shí)齒輪傳動(dòng)也可以提高傳動(dòng)剛度。蝸輪蝸桿傳動(dòng)銑頭部件結(jié)構(gòu)原理蝸輪蝸桿

28、傳動(dòng)銑頭的研究比較成熟，目前國內(nèi)各類銑頭式五軸機(jī)床其銑頭的轉(zhuǎn)動(dòng)擺動(dòng)大都采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)原理如圖所示：轉(zhuǎn)電主軸蝸輪蝸桿同步帶軸承大齒輪伺服電機(jī)小齒輪伺服電機(jī)軸承法蘭圖銑頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖第章銑頭精度保持性的比較分析電機(jī)驅(qū)動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)，帶動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)銑頭沿軸的旋轉(zhuǎn)進(jìn)給。電機(jī)驅(qū)動(dòng)安裝在電機(jī)輸出軸上的皮帶輪，通過皮帶傳動(dòng)到另一帶輪，從而使蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸桿與蝸輪配合，蝸輪與電主軸套連接在一起，這樣蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)就可實(shí)現(xiàn)銑頭軸的擺動(dòng)。結(jié)構(gòu)性能分析機(jī)床的精度包括幾何精度、傳動(dòng)精度、運(yùn)動(dòng)精度和定位精度等幾方面。幾何精度指的是機(jī)床在不運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)速度較低時(shí)的精度。它規(guī)定了加工精度的各主要零部件的運(yùn)動(dòng)軌跡

29、之間的相對(duì)位置允差。幾何精度決定于機(jī)床主要部件的幾何形狀和相互位置。傳動(dòng)精度指的是內(nèi)聯(lián)傳動(dòng)鏈兩末端件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)精度。這方面的誤差就稱為該傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)誤差。傳動(dòng)精度決定于傳動(dòng)系統(tǒng)中機(jī)件的制造精度和裝配精度以及傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。運(yùn)動(dòng)精度指的是機(jī)床的主要零部件在以工作狀態(tài)的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)的精度。運(yùn)動(dòng)精度決定于機(jī)床部件在無外載荷的條件下以工作速度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的精度。定位精度是指機(jī)床主要部件在運(yùn)動(dòng)終點(diǎn)所到達(dá)的實(shí)際位置的精度。實(shí)際位置和要求位置之間的誤差就稱為定位誤差。機(jī)床的加工精度是指被加工零件在尺寸、形狀和相互位置等方面所能達(dá)到的準(zhǔn)確程度。影響機(jī)床加工精度的因素有很多，例如機(jī)床的幾何精度、傳動(dòng)精度、運(yùn)動(dòng)

30、精度和剛度等。剛度是指機(jī)床部件抵抗彈性變形的能力，以保證機(jī)床在受力后，各主要零部件相互位置的正確性。影響機(jī)床加工精度的因素還有由殘余應(yīng)力引起的變形，振動(dòng)，熱變形和磨損等。本方案中設(shè)計(jì)的銑頭最終要安裝滑枕上，如圖所示，跟隨滑枕實(shí)現(xiàn)三個(gè)直線坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)。銑頭軸進(jìn)給系統(tǒng)是通過將銑頭套及內(nèi)部零部件作為整體沿軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。銑頭套用來裝載銑頭內(nèi)部所有的零部件，屬于箱體類零件，它的結(jié)構(gòu)、尺寸與銑頭內(nèi)部所有零件的大小、位置分布和支撐形式有關(guān)。銑頭套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為上圓下方的形式，銑頭套的支撐聯(lián)結(jié)和容納零件的功能決定了銑頭套結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性。在銑頭套結(jié)構(gòu)中，下面方形的兩翼聯(lián)結(jié)強(qiáng)度低，在加工過程中易產(chǎn)生擺動(dòng)，影響銑頭套的

31、動(dòng)態(tài)性能，引起振動(dòng)，從而影響整個(gè)機(jī)床的幾何精度和加工精度。銑頭軸進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相對(duì)軸較復(fù)雜，軸的最終目的是將電主軸實(shí)現(xiàn)繞軸或軸的旋轉(zhuǎn)，此外軸的傳動(dòng)方案還必須兼顧銑頭結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、精度高的要求，因此軸傳動(dòng)的設(shè)計(jì)具有較大的難度。在此結(jié)構(gòu)中，軸第章銑頭精度保持性的比較分析的傳動(dòng)采用了同步帶和蝸輪蝸桿傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)。蝸輪蝸桿傳動(dòng)比大，使傳動(dòng)鏈末端獲得較大的扭矩且零件數(shù)目少、結(jié)構(gòu)緊湊。同步帶利用齒形帶的齒形與帶輪的輪齒依次嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，因而兼有帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)及鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，且無相對(duì)滑動(dòng)，平均傳動(dòng)比較準(zhǔn)確，傳動(dòng)精度高，而且齒形帶的強(qiáng)度高、厚度小、重量輕、故可用于高速傳動(dòng)。但軸傳動(dòng)鏈較長，進(jìn)給速度低，

32、傳動(dòng)件尺寸小、剛度低、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)執(zhí)行件質(zhì)量較大，因此進(jìn)給系統(tǒng)在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的動(dòng)剛度較低，傳動(dòng)鏈容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，同時(shí)在傳動(dòng)過程中易產(chǎn)生累計(jì)誤差，降低傳動(dòng)精度，從而影響機(jī)床的加工精度。蝸輪蝸桿嚙合傳動(dòng)時(shí)，嚙合輪齒間的相對(duì)滑動(dòng)速度大，故摩擦損耗大、傳動(dòng)效率低，時(shí)間久了就會(huì)產(chǎn)生間隙，從而引起誤差，影響機(jī)床的加工剛度和加工精度。圖銑頭結(jié)構(gòu)第章銑頭精度保持性的比較分析力矩電機(jī)直驅(qū)雙擺頭結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理力矩電機(jī)主要由定子（）和轉(zhuǎn)子（）組成。定子由一個(gè)鐵心和一個(gè)三相交流電繞組構(gòu)成；轉(zhuǎn)子由一個(gè)剛制圓柱體空心軸構(gòu)成，軸的周圍裝有永磁鐵鍆。力矩電機(jī)的工作原理與普通伺服電機(jī)的工作原理相同，普通的伺服電機(jī)不能堵轉(zhuǎn)，而力矩電

33、機(jī)可以長期堵轉(zhuǎn)，并且可實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速、大扭矩。由于力矩電機(jī)的電樞繞組的電阻比普通電機(jī)的電樞繞組的電阻大，所以力矩電機(jī)的機(jī)械特性要比普通電機(jī)的機(jī)械特性軟很多。力矩電機(jī)可用作機(jī)床上的回轉(zhuǎn)軸（五軸加工機(jī)床上的、軸）的直接驅(qū)動(dòng)”。力矩電機(jī)直驅(qū)雙擺頭的結(jié)構(gòu)原理如圖所示：電主軸力矩電機(jī)軸承力矩電機(jī)軸承萬向架叉頭圖銑頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖此結(jié)構(gòu)是一個(gè)用于數(shù)控機(jī)床主軸的直接驅(qū)動(dòng)雙擺頭機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)主要由一個(gè)使主軸繞各軸旋轉(zhuǎn)的萬向架、四個(gè)接在萬向架上的力矩電機(jī)和電主軸組成。第章銑頭精度保持性的比較分析萬向架和電主軸都采用力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。萬向架由一對(duì)力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。另二對(duì)力矩電機(jī)通過一對(duì)叉頭連接在萬向架上，可隨萬

34、向架繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子通過電主軸套連接在電主軸上，直接驅(qū)動(dòng)電主軸實(shí)現(xiàn)軸的擺動(dòng)。結(jié)構(gòu)性能分析在機(jī)床工業(yè)領(lǐng)域，對(duì)高精度和高轉(zhuǎn)矩的需求是一個(gè)永恒的話題而力矩電機(jī)實(shí)現(xiàn)了這兩個(gè)相互矛盾的目標(biāo)。力矩電機(jī)在機(jī)床上的應(yīng)運(yùn)具有顯著的特點(diǎn)：）部件減少，性能提高。使用力矩電機(jī)后，就不再需要聯(lián)軸器或齒輪等機(jī)械傳動(dòng)部件，因此所需安裝空間顯著減少。另外，部件的減少降低了連接數(shù)量和維護(hù)成本以及備件庫存。進(jìn)而降低了機(jī)器停工時(shí)間，提高了利用率。）精密加工。力矩電機(jī)從原理上排出了機(jī)械傳動(dòng)誤差。因?yàn)榱仉姍C(jī)直接集成在機(jī)器結(jié)構(gòu)中，從而避免了彈性變形和傳動(dòng)問題。其優(yōu)點(diǎn)一目了然：能實(shí)現(xiàn)更高的精度。）降低輔助工藝時(shí)間。由于在力矩電機(jī)中沒有采用

35、機(jī)械傳動(dòng)部件，減少了摩擦，使得輔助工藝時(shí)間顯著降低，有利于實(shí)現(xiàn)更高的動(dòng)態(tài)性能。）無間隙。由于力矩電機(jī)不需要采用齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此也就不再存在眾所周知的間隙問題。從而顯著提高了運(yùn)動(dòng)方向改變時(shí)的輪廓精度，并且其重復(fù)性精度也得到顯著改善。銑頭結(jié)構(gòu)如圖所示，采用外動(dòng)式力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)軸和軸，不僅避免了采用蝸輪蝸桿副等精度維持壽命短的元件，解決了機(jī)械傳動(dòng)鏈中由于磨損造成的機(jī)床精度不穩(wěn)等問題，使機(jī)床具有很高的精度保持性，更重要的是實(shí)現(xiàn)了零傳動(dòng)，省去了傳動(dòng)鏈，避免了機(jī)械上的反向間隙和傳動(dòng)上的遲滯回差問題，使機(jī)床部件的運(yùn)動(dòng)具備了優(yōu)秀的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，而且采用了外動(dòng)式力矩電機(jī)，在同樣大小的空間里能夠產(chǎn)生更大的扭矩

36、，使整個(gè)銑頭的結(jié)構(gòu)更加緊湊。力矩電機(jī)直驅(qū)銑頭結(jié)構(gòu)的另一大特點(diǎn)是抱閘制動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)不再對(duì)電機(jī)進(jìn)行供電時(shí)，力矩電機(jī)能夠以結(jié)合力矩為基礎(chǔ)被牽引至最佳磁力位置。與此同時(shí)在已經(jīng)靜止下來的驅(qū)動(dòng)裝置上，可能會(huì)在兩個(gè)方向上出現(xiàn)無法預(yù)料的半個(gè)磁極距以內(nèi)的動(dòng)作。為了避免損壞工件和刀具等物品，使用抱閘制動(dòng)就顯得十分重要了。在沒有重力平衡的傾斜驅(qū)動(dòng)或垂直驅(qū)動(dòng)中由于會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的自行制動(dòng)，所以設(shè)置了一個(gè)抱閘制動(dòng)器，它可以在任意位置使驅(qū)動(dòng)停機(jī)并切斷電源。在此結(jié)構(gòu)中，力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子的外環(huán)套有黃銅套，兩者之間留有一定的縫隙，第章銑頭精度保持性的比較分析黃銅套通過法蘭固定到軸外殼上，并與外殼之問留有一定的縫隙。當(dāng)力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)

37、時(shí)黃銅套與轉(zhuǎn)子無接觸，當(dāng)驅(qū)動(dòng)對(duì)力矩電機(jī)停止供電時(shí)，黃銅套與外殼之間的縫隙中同時(shí)充滿高壓液流，使黃銅套變形與轉(zhuǎn)子接觸并夾緊轉(zhuǎn)子，實(shí)現(xiàn)抱閘制動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)大大提高了銑頭的靜剛度。采用力矩電機(jī)進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)時(shí)的精度取決于機(jī)床的結(jié)構(gòu)、使用的調(diào)節(jié)技術(shù)和編碼器的分辨率。并且在力矩電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，所能達(dá)到的加工精度受到系統(tǒng)的機(jī)械剛度和運(yùn)行精度的影響，特別在軸向和徑向上的運(yùn)行精度取決于軸承結(jié)構(gòu)及其精度。所以采用合適的編碼器和軸承對(duì)機(jī)床的精度極其重要。在此結(jié)構(gòu)中，軸選用德國生產(chǎn)的帶測(cè)量系統(tǒng)的軸向徑向軸承，它由個(gè)帶空間刻度的軸向徑向軸承和一個(gè)增量式電子測(cè)量系統(tǒng)（包括兩個(gè)測(cè)頭和電子轉(zhuǎn)換裝置）組成，這款軸承是為與直接驅(qū)

38、動(dòng)配合使用而設(shè)計(jì)的，是與力矩電機(jī)組合使用的理想選擇?？芍С州S向徑向力和傾斜力矩，有軸向和徑向預(yù)負(fù)荷，荷載能力高，剛度強(qiáng)，并且設(shè)計(jì)尺寸非常小，分辨率可達(dá)。軸軸承不僅要承受軸向和徑向力，還要滿足剛度強(qiáng)、精度高、結(jié)構(gòu)尺寸小的要求，交叉圓柱滾子軸承由于交叉排列的圓柱滾針，使其能夠支持很大的軸向、徑向力和扭矩。絕對(duì)式光電編碼器直接安裝在旋轉(zhuǎn)的電主軸套上，這種結(jié)構(gòu)不僅節(jié)省了銑頭的結(jié)構(gòu)空間而且直接測(cè)量電主軸套旋轉(zhuǎn)的角度使輸出的結(jié)果更加準(zhǔn)確。圖銑頭結(jié)構(gòu)第章銑頭精度保持性的比較分析對(duì)比分析采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)雖具有傳動(dòng)比大、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，但其傳動(dòng)效率低、磨損嚴(yán)重，不僅影響了精度保持性，同時(shí)也影響了加工剛

39、度，若采用價(jià)格較為昂貴的減摩性與抗磨性較好的材料及良好的潤滑裝置，又會(huì)提高制造和維護(hù)成本。采用力矩電機(jī)直驅(qū)避免了蝸輪蝸桿副精度難保持的缺陷，使驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了零傳動(dòng)，省去傳動(dòng)鏈消滅了機(jī)械上的反向間隙和傳動(dòng)上的遲滯回差問題，使機(jī)床部件的運(yùn)動(dòng)具備了優(yōu)秀的精度保持性和動(dòng)態(tài)性能，是銑頭結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。但是大扭矩、高剛度的力矩電機(jī)和高精度測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)含量高，國產(chǎn)化還比較差，進(jìn)口的力矩電機(jī)直驅(qū)雙擺銑頭價(jià)格昂貴，嚴(yán)重影響了普及應(yīng)用。在對(duì)以上兩類銑頭的結(jié)構(gòu)和性能分析對(duì)比的基礎(chǔ)上，本文又設(shè)計(jì)了一種齒輪傳動(dòng)的雙擺銑頭結(jié)構(gòu)，避開了易于磨損的蝸輪蝸桿副，同時(shí)也提高了傳動(dòng)精度，其結(jié)構(gòu)原理如圖所示。電主軸軸承扇形齒輪錐齒輪

40、雙片齒輪軸承大齒輪伺服電機(jī)、齒輪伺服電機(jī)錐齒輪軸承圖齒輪傳動(dòng)銑頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖第章銑頭精度保持性的比較分析這種結(jié)構(gòu)采用錐齒輪和雙片齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)了電主軸繞軸的旋轉(zhuǎn)，兼有齒輪傳動(dòng)傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、壽命長的優(yōu)點(diǎn)，并采用雙片齒輪錯(cuò)齒法消除齒輪側(cè)隙，減小了由于制造、安裝或磨損引起的誤差，提高了傳動(dòng)精度，不僅避開易于磨損的蝸輪蝸桿副，同時(shí)也可以提高傳動(dòng)剛度，制造成本低，易于普及應(yīng)用。本章小結(jié)蝸輪蝸桿傳動(dòng)銑頭中，蝸輪蝸桿傳動(dòng)存在傳動(dòng)效率低、磨損嚴(yán)重，精度保持性差的缺陷，從而影響了整個(gè)銑頭的性能。力矩電機(jī)直驅(qū)的銑頭結(jié)構(gòu)雖避免了蝸輪蝸桿副銑頭的缺陷，但大扭矩、高剛度的力矩電機(jī)國產(chǎn)化差，進(jìn)口價(jià)格昂貴，目

41、前很難達(dá)到普及應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，本章又提出了一種齒輪傳動(dòng)的銑頭結(jié)構(gòu)，避開了易于磨損的蝸輪蝸桿副，同時(shí)設(shè)計(jì)制造成本低。第章齒輪傳動(dòng)銑頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第章齒輪傳動(dòng)銑頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)銑頭的設(shè)計(jì)方案本次設(shè)計(jì)方案原理如圖所示，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)，下面有一對(duì)齒輪嚙合，大齒輪與銑頭套靠上面端蓋用螺釘連接在一起，這樣大齒輪旋轉(zhuǎn)就可實(shí)現(xiàn)銑頭軸的旋轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。此結(jié)構(gòu)中采用錐齒輪和雙片齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)了電主軸繞軸的旋轉(zhuǎn)，其中大齒輪是一個(gè)扇形齒輪，并與電主軸通過電主軸套固定連接，雙片齒輪與錐齒輪同軸，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)錐齒輪從而帶動(dòng)電主軸的繞軸旋轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)的銑頭主要應(yīng)用于加工復(fù)雜曲面的中小型機(jī)床上，要求滿足尺寸小、質(zhì)量輕的要求，基本設(shè)

42、計(jì)數(shù)據(jù)如表：表設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)行程（舭）工作臺(tái)面積（寬×長）×主軸轉(zhuǎn)速軸（擺動(dòng)）±軸（轉(zhuǎn)動(dòng)）±。主軸功率最大可夾持刀具直徑工程設(shè)計(jì)銑頭套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)銑頭套是整個(gè)銑頭結(jié)構(gòu)中的核心零件，電主軸跟隨銑頭套轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并在銑頭內(nèi)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以銑頭套的結(jié)構(gòu)與其內(nèi)部零部件的大小、位置分布和安裝方式有關(guān)。并且在設(shè)計(jì)銑頭套結(jié)構(gòu)時(shí)還應(yīng)注意其本身的可加工性、精度、剛度和減振性。銑頭套的支撐連接和容納零件的功能決定了銑頭套內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性。在本設(shè)計(jì)中，銑頭套的結(jié)構(gòu)上面為圓筒形，圓筒頂部與實(shí)現(xiàn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的大齒輪螺釘連接，并使用墊片防松，圓筒外部與軸承配合，內(nèi)部上

43、、下有凸臺(tái)，第章齒輪傳動(dòng)銑頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分別支撐軸的電機(jī)和軸承座，銑頭套的下面為中間挖空的方形，中間挖空的空間放置電主軸組件，兩側(cè)放置液壓組合件和強(qiáng)、弱電回路組件。電主軸組件及液電耦合組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)高速化，機(jī)床的主軸由電主軸直接驅(qū)動(dòng)，電主軸是將電機(jī)與機(jī)床主軸“合二為一”的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，把機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長度縮短為零，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)，主軸轉(zhuǎn)速已可達(dá)每分鐘幾萬轉(zhuǎn)到幾十萬轉(zhuǎn)。機(jī)床采用電主軸結(jié)構(gòu)主要有如下優(yōu)點(diǎn)引：由于直接傳動(dòng)，省去了電動(dòng)機(jī)至主軸間的傳動(dòng)鏈，消除了傳動(dòng)誤差。在高速加工范圍內(nèi)，機(jī)床的激振頻率范圍遠(yuǎn)離工藝系統(tǒng)的固有頻率范圍，振動(dòng)小，避免了共振。刀具壽命長，刀具磨損的增長速度低于切削

44、效率提高速度。為了解決電主軸的安裝問題使其在銑頭內(nèi)實(shí)現(xiàn)沿軸和軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且不影響電主軸本身的供電和冷卻，專門設(shè)計(jì)了電主軸套，電主軸套的內(nèi)部為圓形，以便安裝電主軸，其外部為方形，且其中兩個(gè)相對(duì)的面上有圓弧形凸臺(tái)，凸臺(tái)與扇形齒輪用螺釘連接，以帶動(dòng)電主軸繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。電主軸套內(nèi)開深孔，內(nèi)與電主軸的冷卻水槽相連，外與液壓耦合件的孔相通，電主軸的電路穿過電主軸套另一側(cè)開的深孔與電耦合件的孔相通，這樣的設(shè)計(jì)使得電主軸在軸擺動(dòng)時(shí)保證冷卻水的循環(huán)和強(qiáng)、弱電的回路能夠正常而不受管路的限制。液壓耦合件在電主軸套的一側(cè)，液壓耦合件的中間為凸圓柱體，其上裝有法蘭盤，法蘭盤用螺釘與電主軸套連接，法蘭盤與角接觸球軸承的內(nèi)

45、圈配合，軸承的外圈與銑頭套內(nèi)孔配合。液壓耦合件內(nèi)部鉆有循環(huán)冷卻水路，這樣液壓耦合件就可使電主軸繞旋轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)軸擺動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)還起到密封軸承的作用。電耦組合件載電主軸套的另一側(cè)，其安裝同液壓耦合件，電耦合件內(nèi)鉆有通孔，電主軸的電線穿過電主軸套上的深孔，經(jīng)過電耦合件內(nèi)的通孔，再在銑頭套上打孔引出。這種結(jié)構(gòu)巧妙地解決了電主軸的強(qiáng)、弱電回路問題。錐齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)及計(jì)算軸傳動(dòng)鏈系統(tǒng)選用型伺服電機(jī)，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速刀。，通過減速比的減速器后，輸出軸的轉(zhuǎn)速。輸入功率，小錐齒輪轉(zhuǎn)速，傳動(dòng)比在卜之間。工作）（第章齒輪傳動(dòng)銑頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)載荷均勻平穩(wěn)。選擇錐齒輪傳動(dòng)的類型由于傳遞功率較小，速度及傳動(dòng)比不大，且傳動(dòng)軸線須

46、正交，故采用直角錐齒輪。選擇齒輪材料齒輪尺寸較小，傳遞功率不大、工作速度較低，故選擇材料，熱處理方法為滲碳，齒面硬度為。根據(jù)齒面接觸強(qiáng)度初步設(shè)計(jì)小錐輪的大端分度圓直徑，擴(kuò)（）確定小錐齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩（）互××，（）確定載荷系數(shù)由于工作載荷均勻平穩(wěn)，故取使用系數(shù)；由于轉(zhuǎn)速及精度要求不高，傳遞扭矩不大，故取動(dòng)載荷系數(shù)，齒間載荷分配系數(shù)砭；由于小錐齒輪懸臂，故取齒向載荷分布系數(shù)療。則載荷系數(shù)（）（）確定許用接觸應(yīng)力查表齒輪的接觸疲勞極琨，擁取接觸強(qiáng)度的安全系數(shù)二則接觸許用應(yīng)力略：彳。（）確定齒數(shù)比（）（）估算小錐齒輪的大端分度圓直徑，卅鱷儼融暖洲。孤好（）錐齒輪傳動(dòng)幾何參數(shù)如表第章

47、齒輪傳動(dòng)銑頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表錐齒輪主要幾何參數(shù)表名稱小齒輪大齒輪名稱齒根高小齒輪。大齒輪。大端模數(shù)齒數(shù)齒頂角眈大端分度圓直徑分錐度萬外錐距齒寬系數(shù)齒寬齒根角夠頂錐角皖齒頂圓直徑吃冠頂距大端分度圓齒厚。平均分度圓直徑叱中錐距如平均模數(shù)。大端分度圓法向弦齒厚大端分度圓法向弦齒高當(dāng)量齒數(shù)齒頂高也校核齒根抗彎強(qiáng)度：型掣砭”（）（）確定齒根彎曲應(yīng)力計(jì)算值唧：竺墮箬堂叢砭（）查圖表選取使用系數(shù)髟；動(dòng)載荷系數(shù)；齒向載荷系數(shù)，口；端面載荷系數(shù)如；小、大齒輪的復(fù)合齒形系數(shù)分別為。，：。中點(diǎn)分度圓的切向力；重合度系數(shù)瑤；錐齒輪系數(shù)；載荷分配系數(shù)。咋××××××，咋耶磊×（）確定許用彎曲應(yīng)力值導(dǎo)巧腫匕吼甲（）故彎曲強(qiáng)度滿足要求。綜上：仃即，；第章齒輪傳動(dòng)銑頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雙片齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算齒輪傳動(dòng)中，當(dāng)主動(dòng)輪反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒輪