五轴头C 轴双力矩电动机同步驱动改进设计

高秀峰

沈阳机床（集团）设计研究院有限公司 辽宁沈阳 110142

1 序言

五轴头是中大规格五轴联动加工中心的核心功能部件，主要用于加工具有复杂曲面的大型精密零部件，常用于航空航天、船舶、发电、军工及大型模具等行业，当前国内各大机床主机企业的五轴头主要依赖进口。因此，对五轴头进行研制开发，进而完成国产化、产业化，替代进口同类产品，具有极其重要的意义。

近年来，我公司在国家“高档数控机床与基础制造装备”重大专项的支持下，研制了双外转子力矩电动机同步驱动的五轴头。

尽管我公司研制的五轴头各项技术指标均符合当前用户的使用要求，但在应用过程中，发现C轴分度精度略低于B轴。当前C轴分度精度是8″，B轴分度精度是5″，此外C轴轴向长度偏长、质量偏大。针对上述这些实际问题，我公司成立了专门技术攻关团队对C轴进行改进优化。

2 C轴原设计结构组成及有限元分析

（1）C轴原设计结构组成 图1为C轴原设计结构。C轴由双外转子力矩电动机同步驱动，双力矩电动机布置形式为并联。上方力矩电动机通过隔套将电动机转矩传递到轴承联接盘和C轴联接盘；下方力矩电动机直接将电动机转矩通过轴承联接盘传递到C轴联接盘。C轴联接盘通过止口及螺钉与B轴联接。为了尽量靠近滑枕端面与B轴的主轴鼻端，YRT转台轴承布置在C轴下部，该轴承内圈外圆周集成了编码器，考虑到C轴整体轴向长度较长，在C轴上部布置了一个带径向预紧的圆柱滚子轴承。由于B轴有多路水、液、气需要通过C轴，因此在C轴内部设计了配油环，并在配油环内部布置了多路旋转格莱圈，旋转格莱圈的应用解决了多路水、液及气由旋转到静止的问题。为了实现五轴头的大转矩定角度分度加工，设置了专门的液压抱闸来实现定角度夹紧。当定角度夹紧时，液压抱闸直接夹紧隔套的外圆周。由于隔套的轴向长度较长，因此液压抱闸的轴向长度也较长。

通过对C轴原设计结构组成的分析，隔套的轴向长度达479mm，这可能是导致C轴分度精度较差的原因。下文通过ANSYS对C轴传动转矩部分进行专门分析，为C轴的改进优化提供理论依据。

（2）C轴原设计有限元分析 对C轴传动转矩部分进行扭转变形静力学分析，约束C轴联接盘的6个方向自由度，扭转载荷分别加载在轴承联接盘与隔套的上端面。其中，轴承联接盘上端面的载荷用于模拟下转子传递的转矩；隔套上端面的载荷用于模拟上转子传递的转矩。C轴上方与下方电动机的峰值转矩均是1197N·m，C轴传动转矩部分的有限元模型与加载模型如图2所示。

图1 五轴头C 轴原设计结构

图2 C 轴原设计传动转矩部分

对C轴传动转矩部分进行扭转变形静力学分析，结果如图3 所示。隔套外径为3 6 0 m m，将扭转变形的最大周向变形转换为角度变形：0.003082/180×180/π×3600＝3.53″。

从图3可以看出，由于隔套的扭转变形在整个传动转矩部分中占比很大，因此减少隔套的扭转变形，将会极大地提高整个传动转矩部分的扭转刚度与C轴的分度精度。

图3 C 轴原设计传动转矩部分扭转变形

3 C 轴改进设计结构组成及有限元分析

（1）C轴改进设计结构组成 由图1可以看出，C轴原设计中采用双力矩电动机并联的方案，并联的设计直接导致了隔套的长度较长，若能将隔套的长度缩短，则能有效地提高整个传动转矩部分的扭转刚度与C轴的分度精度。

在C轴的改进设计方案中，将上方电动机翻转，上转子与隔套的联接由上方转移到下方，该种联接方式将直接使隔套的轴向长度由479mm大幅缩短为274mm。同时，整个C轴轴向长度由723mm缩短为660mm。该种双力矩电动机布置方式为串联方案，结构如图4所示。

图4 五轴头C轴改进设计结构

（2）C轴改进设计有限元分析 采用与C轴原设计相同的约束方式与加载方式，对改进设计方案进行有限元分析。改进设计传动转矩部分有限元模型与加载模型如图5所示。

图5 C 轴改进设计传动转矩部分

对C轴传动转矩部分进行扭转变形静力学分析，结果如图6 所示。隔套外径为3 6 0 m m，将扭转变形的最大周向变形转换为角度变形：0.001803/180×180/π×3600＝2.07″。

通过对比图3与图6可以看出，将双力矩电动机由并联布置改进为串联布置，不仅大幅缩短了隔套的轴向长度，同时整个传动转矩部分的扭转变形由3.53″减小为2.07″。

图6 C轴改进设计传动转矩部分扭转变形

4 结束语

1）经过对改进后C轴的现场检测，C轴分度精度由8″提高到了6″，C轴轴向长度由723mm缩短为660mm，C轴质量减小了50kg。

2）生产实践证明了五轴头C轴双力矩电动机同步驱动改进设计的正确性，为我公司五轴联动加工中心联动精度的不断提高打下了坚实的基础。