直驱式A/C轴双摆角铣头的研发与应用

沈阳机床(集团)设计研究院有限公司 高秀峰

直驱式A/C轴双摆角铣头的研发与应用

沈阳机床(集团)设计研究院有限公司 高秀峰

一、概述

五轴联动加工中心是航空、航天、军工、发电设备等重要工业部门的关键设备，而A/C轴双摆角铣头又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±110°，C轴可达±360°或n×360°，因此，常用于加工具有复杂曲面的大型精密零部件，例如飞机的机身结构件、风力发电机的叶轮、大型模具、螺旋桨等。正是由于A/C轴双摆角铣头在五轴联动加工中具有举足轻重的作用，A/C轴双摆角铣头通常占到主机价格的30%，因此，A/C轴双摆角铣头一直是中大规格五轴联动加工中心市场竞争的焦点。

国外于上世纪八十年代就已经开始进行A/C轴双摆角铣头的研发与生产，经过几十年的发展，国外关于该类产品的技术已经非常成熟，至今，已有多个机床或功能部件企业可以生产A/C轴双摆角铣头。如德国的Cytec、Zimmermann、Headtec、 Tramec、Kessler，意大利的Asima、Fidia、Jobs、Technai，日本的Mazak、Toshiba、Tsudakoma等。各个厂家生产的A/C轴双摆角铣头技术特点各不相同。Cytec生产的A/C轴双摆角铣头A、C轴均由外转子力矩电机直接驱动，现已形成了P12轻系列、M21中系列、G30重系列完整的型谱，并有多种配置可以选择，可以选择A轴为连体式或可自动交换式，C轴为±360°或n×360°，主轴为固定式或可自动交换式。Fidia与Jobs生产的A/C轴双摆角铣头A、C轴均由斜齿圆柱齿轮驱动，并采用不同的消隙机构。FIidia均配置高速轻切削电主轴，而Jobs可以配置机械主轴或低速大扭矩电主轴。Zimmermann生产的A/C轴双摆角铣头A、C轴驱动则涵盖了蜗轮蜗杆传动、齿轮传动、力矩电机直接驱动、谐波齿轮传动、混合传动等多种方式，至今已形成了从VH1到VH6的完整系列。

近年来，Zimmermann依靠其独有的铣头技术开发出了消除极点问题的M3ABC铣头。Mazak生产的A/C轴双摆角铣头A、C轴均采用由日本三共制作所生产的凸轮机构驱动，凸轮机构由于具有自锁性及凸轮与滚柱之间为滚动摩擦，因此，极大地简化了A/C轴双摆角铣头的内部结构，并使得精度保持性得到了很大提高。

近年来，国内虽有部分主机企业一直在进行A/C轴双摆角铣头的研发与生产，但多数均以模仿国外产品结构为主，在可靠性等性能指标与国际先进水平相比较而言还有较大差距，同时尚未真正掌握该类产品的核心技术以及向国内市场提供商品化批量产品的能力。因此，目前国内的A/C轴双摆角铣头依然主要依赖进口。

二、产品性能介绍

我公司研制的A/C轴双摆角铣头就是在上述的大背景下及依托国家“十一五”重大专项开发的，设计目标是即能为公司内部中大规格五轴联动加工中心配套，又能为国内其他主机企业配套，完全实现国产化，替代进口。

我公司A/C轴双摆角铣头研发团队在深入研究世界范围内主流铣头生产厂家A/C轴双摆角铣头的结构特点、性能参数、可靠性、适用场合等方面的基础之上，再结合国内当前对A/C轴双摆角铣头的实际需求，提出了直驱式的解决方案。

直驱技术由于具有机械传动无法比拟的无磨损、精度保持性好、动态特性优异等优点，再配置高精度角度编码器与高速电主轴，因此，直驱式解决方案会使得A/C轴双摆角铣头具有高速、高精、高效、高可靠性、高动态特性的特点，将非常适合于国内航空航天行业、船舶行业、风力发电行业、大型模具行业等具有复杂曲面的大型零件加工，将会成为这些行业核心加工设备的关键功能部件。

图1 直驱式A/C轴双摆角数控万能铣头外观图

在产品研制过程中，我公司解决了如下关键问题：

（1）双摆角铣头结构尺寸和驱动、控制系统优化设计技术。

（2）双摆角铣头性能分析、测试与评价技术。

（3）双摆角铣头的设计技术。

（4）双摆角铣头与滑枕连接结构设计技术及防漏和电气控制技术。

（5）高精度自动分度技术。

（6）提高力矩电机的鲁棒性。

将该产品与同样采用直驱技术的两家德国公司生产的双摆角铣头进行参数对比，详情如表1所示。

表1 与国际同类产品技术指标对比情况

由表1可以看出，该产品技术指标与产品性能均达到了国际同类产品的技术水平。

通过该产品的研发，我公司已成功突破了多项关键核心技术，如双电机串联技术、双电机并联技术、A轴自动交换技术等，并针对各项关键核心技术及产品及时申请了9项专利进行知识产权保护，现已获得7项专利授权，另2项专利国家知识产权局正在审批。

关于该产品的研发，我公司已形成企业标准2项，详情如表2所示。

表2 企业标准完成情况

三、新技术应用情况

直驱技术由于具有机械传动无法比拟的无磨损、精度保持性好、动态特性优良等优点，在A/C轴双摆角铣头中得到了日益广泛的应用。由于单台力矩电机扭矩较小，因此，在采用直驱技术的A/C轴双摆角铣头中多数采用了双电机驱动技术。双电机驱动技术就结构布局而言，包括并联驱动技术与串联驱动技术。

1.力矩电机并联驱动技术

以力矩电机定子的出线端为力矩电机的正方向，当采用两台力矩电机驱动一个旋转轴时，若两台力矩电机的正方向相反，则该种布置形式称为力矩电机并联驱动。

力矩电机并联驱动技术在欧洲的一些铣头制造商中被广泛地应用于A轴的驱动中，如Cytec采用两台外转子力矩电机并联驱动A轴，Kessler与Tramec采用两台内转子力矩电机并联驱动A轴。

图2 双电机并联结构示意图

2.力矩电机串联驱动技术

当两台力矩电机正方向相同时，则该种布置形式称为力矩电机串联驱动，力矩电机串联驱动可以应用到双摆角铣头的C轴中。如我公司已研发的具有A轴自动交换功能的直驱式双摆角铣头MH30fhc的C轴便是采用两台标准外转子力矩电机进行串联驱动。

欧洲双摆角铣头制造商生产的双摆角铣头，C轴有的采用单台标准电机，但单台电机驱动扭矩较小，否则只能通过增加电机直径来增加电机的驱动扭矩，但这样将直接导致滑枕尺寸增加；有的C轴则采用非标准电机，如Cytec将两个定子固联在一起，并做成一个转子，此方案直接导致了C轴的高成本。

而我公司设计的C轴采用两台标准电机，不仅解决了单台电机扭矩小的问题，还解决了两台非标电机固联的高成本问题。

图3 双电机串联结构图（右图为国外非标电机结构示意图）

3.双电机同步驱动技术

双电机同步驱动技术包括双电机同步驱动控制技术与双电机相位差调整技术两部分。

双电机同步驱动技术是指将双电机分为主从电机，并将两台电机当做一台电机进行驱动的技术。

这里的从电机指的是装在同一根轴上的第二台电机，它与第一台电机（主电机）的U、V、W进行连接。若两台电机为串联驱动，则电机相可以进行一一对应连接；若两台电机为并联驱动，则电机相中的V、W需要进行对调连接。

表3 双电机同步驱动动力线连接方式

图4 双电机并联驱动与伺服驱动器连接示意图

双电机相位差调整技术包括相位差机械调整与相位差检测两部分。

我公司双电机相位机械调整采取力矩电机成组制造法进行，我们根据力矩电机定子与转子上的标记进行调整与安装，用来保证双电机的同步性。

相位角偏差值可以通过一个双通道的示波器来检测。按照下图中所示的连接方法将两个力矩电机的动力电缆和示波器相连接，然后用手匀速地同时转动两个力矩电机的转子，这时示波器上就会显示出两条相电压波形，根据电压波形就可以计算出相位角偏差值。

图5 相位角偏差值检测方法

4.A轴自动交换技术

A轴自动交换技术包括A轴自动交换标准接口设计技术与铣头库设计技术两部分。

A轴自动交换标准接口设计技术的难点是解决诸多对接元件的过定位问题，我公司已成功设计了A轴自动交换标准接口，有效地解决了A轴16路液、气、油与C轴之间的连接，并成功解决了交换接口内部电气快换接头、液压快换接头、拉钉、齿盘、定位销等部件的轴向、径向及周向过定位等问题。此外，还解决了装配、调试、防漏等问题。

表4 A轴自动交换接口过定位问题

图6 A轴自动交换标准接口（A轴接口与C轴接口）

铣头库的主要作用在于存放未被交换的铣头，并保证铣头在存放过程中的准确定位与支撑，需要具有较高的刚性与定位精度，保证换头坐标点的准确。我公司已研制出两种铣头库的定位元件用于A轴的铣头库，一种为定位销方案，另一种为直角边方案，两种方案在样机验证过程中，均取得了非常好的效果。

图7 铣头库定位方式示意图

5.RTCP精度检测与补偿技术

RTCP精度是五轴联动数控机床的重要关键精度，它直接影响机床的五轴联动加工精度和加工工件的质量，因此，对RTCP精度进行检测与补偿具有重要的意义。

而RTCP精度检测与补偿主要是指对双摆角铣头的四项精度进行检测与补偿，这四项精度包括：

（1）主轴轴线与C轴轴线在X方向的偏差；

（2）主轴轴线与C轴轴线在Y方向的偏差；

（3）主轴轴线与A/B轴轴线之间的偏差；

（4）主轴鼻端与A/B轴轴线之间的尺寸。

上述四项精度通过检棒与千分表即可以完成检测。

图8 是否具有RTCP功能刀具轨迹区别示意图

图9 RTCP精度检测示意图

6.可靠性增长技术在双摆角铣头产品开发中的应用

双摆角铣头的工作可靠性极其重要，我公司在产品开发过程中，在如下四个方面运用可靠性增长技术用于提高双摆角铣头产品的可靠性。经过如下各项工作，在样机试制完成之后，双摆角铣头产品的可靠性得到了大幅提高。

（1）零部件材料方面：严格控制零部件材料质量，特别是双摆角铣头的关键外购件。如力矩电机、轴承、电主轴、编码器、拉钉、液压抱闸、液压快接插头、电气快接插头等均选用世界上知名厂家生产的产品。

（2）设计方面：在产品设计之前，对同类产品的使用情况进行了广泛的调研，并对常见的十类故障模式进行搜集与分析，对每一个故障都进行专门研究，并提出有针对性的解决方案。

（3）制造方面：在样机生产制造过程中，严格控制零件加工质量与整机装配质量。所有关键零件加工完成之后均经过三坐标进行精度检验，在整机装配过程中严格根据装配规范进行装配。

（4）使用方面：在样机使用与验证过程中，严格根据使用规范进行使用，并针对暴露出的四类问题进行了多次改进与优化，最终全部成功地解决了这些问题，大幅地提高了产品的可靠性。

图9 RTCP精度检测示意图

四、成果应用及推广情况

该产品在研制过程中，以沈阳机床（集团）设计研究院有限公司下属中试基地为基础，建立了双摆角铣头试验基地。目前，试验基地拥有三台双摆角铣头样机和相关性能检测试验平台及配套应用验证的数控机床。除此之外，沈阳机床（集团）设计研究院有限公司下属的实验室拥有众多的检测仪器，如激光干涉仪、热成像仪、球杆仪、测力仪、多通数控采集分析仪等，在本课题中研制的性能检测试验平台可搭置上述设备和本课题购置的多种仪器，完成用于测试铣头系统的铣头动力特性试验、铣头系统红外成像试验、温度补偿及测试、精度稳定性试验、结构刚度试验、可靠性试验等多种应用验证相关试验。

本课题研发的双摆角铣头样机及其配套机床，在沈阳机床股份有限公司进行了应用验证。

在应用验证过程中，采用验证实验与零件切削相结合的形式进行验证。验证实验包括精度与技术指标测试、动力特性试验、红外成像试验、温度补偿及测试、结构刚度试验、精度稳定性试验。零件切削采用标准的切削试件，包括轮廓加工试件与圆锥截体。应用验证结果表明，双摆角铣头工作稳定、性能可靠，完全符合设计要求，被加工试件精度满足标准要求。

国内目前的双摆角铣头主要依赖进口，价格非常昂贵，双摆角铣头价格甚至占到主机价格的30%，相对于国外此类产品而言，本课题研制的产品技术指标与产品性能均达到了国际同类产品的技术水平，同时，由于该产品的成本和价格低于国际同类产品，具有良好的性价比，因此，在与国外同类产品的市场竞争中具有一定的优势与竞争力。 □