高精度摆角铣头的结构设计研究
第6期
2011年6月
文章编号：1001-3997（2011）06-0025-02
机械设计与制造
Machinery Design ＆Manufacture
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高精度摆角铣头的结构设计研究*
张坤1王泽民2陈时锦1
（1哈尔滨工业大学精密工程研究所，哈尔滨150001）（2齐二机床有限责任公司，齐齐哈尔161005）
Research on structure design of high-precision rotary milling head
ZHANG Kun 1，WANG Ze-min 2，CHEN Shi-jin 1
（1Precision Engineering Institute ，Harbin Institute of Technology ，Harbin 150001，China ）
（2Qier Machine Tool Group Co. ，Ltd ，Tsitsihar 161005，China ）
【摘要】双摆角数控铣头研究热点是提高精度和增大扭矩，难点是精度和扭矩兼顾。研究精度保
证技术和提高扭矩的方案，设计出一种新型摆角铣头，该铣头将提高现有铣头的精度水平，同时实现大功率、大扭矩切削，扩展了双摆角数控铣头加工能力范围。
关键词：摆角铣头；结构设计；大扭矩传动；精度设计
【Abstract 】The research focus for double pendulum angle CNC milling head is to improve accuracy and increase the torque ，the difficulty is both accuracy and torque.A program for studying the accuracy ensuring which shall enhance the accuracy level of the existing milling head ，achieve high power ，high torque cutting at the same time and expand the processing capacity of the double pendulum angle CNC milling head.
Key words ：Rotary milling head ；Structural design ；High-torque transmission ；Precision design
文献标识码：A
中图分类号：TH16
technology and torque improvement is presented, in which a new type of rotary milling head is designed ，
1引言
机床是基础制造装备，其中，五轴联动机床日渐成为各国竞争的焦点。双摆角数控万能铣头是五轴联动数控机床的核心功能部件，是机床实现五轴联动和高品质加工的关键，其价格占到机伴随着世界经济的发展和基础装备需求的不断床价格的近一半。
增长，双摆角数控万能铣头正日益成为国际装备研究的热点，其研究重点为提高精度和增大扭矩，但能成功兼顾这两方面的案例还比较少。
目前国外双摆角铣头在德国CYTEC 、意大利ISA 等国外公国内司基本实现产业化，但同时实现高精度和大扭矩尚有困难[1]。齐二机床、北京一机、江苏新瑞等厂家进行了自主研制双摆角铣头的探索，积累了一定经验。
研究了影响摆角铣头性能的主要因素，采用系列现代设计方法和精度保证技术，设计出了一种新型摆角铣头，该铣头兼顾高精度、大扭矩要求，可以实现大功率、大扭矩、高精度切削，能极大扩展双摆角铣头加工能力范围。
2总体布局方案
2.1总体布局方案确定
双摆角铣头结构分摆叉式AC 轴结构和偏置式BC 轴结构。如图1所示，前者结构紧凑，外形尺寸较小，外形近似于圆柱形，可以加工曲率半径较小的工件，但开口式的叉形结构导致刚性略差些；后者刚性好，但由于机床的主轴中心线与B 轴的中心不重合，故外形尺寸大，且不对称，加工曲率半径较小的工件时会产生铣头体与工件的干涉现象，加工范围会受到较大的影响。根据复
＊来稿日期：2010-08-26＊基金项目：“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项-A/C双摆角数控万能铣头（2009ZX04011-011）
C
C
B
A
杂曲面和内壁件的加工要求，将方案定为摆叉式的AC 轴结构。
图1摆叉式AC 轴和偏置式BC 轴摆角铣头结构
2.2传动方案的确定
铣头主轴有电主轴和机械主轴之分，电主轴的结构形式比较简单，但主轴的扭矩不大，只能实现高速精加工；机械主轴的旋结构复杂，转运动要通过机床自身的主传动来驱动，如图2所示。但可实现低速大扭矩的切削。考虑加工对象材料多为钛合金、高强度钢、铸钢件，且加工余量大，确定主传动用机械式。
输入轴锥齿轮1锥齿轮2圆柱齿轮1圆柱齿轮2锥齿轮3输出轴
图2主传动传动系统示意图
26张坤等：高精度摆角铣头的结构设计研究
摆角铣头的驱动方式主要分为直驱式和机械传动形式。前
△φ∑A =4.8∑
i =146
第6期
′
传动链短、传动精度高，传动平稳、噪音低，但驱动力者结构简单、
矩较小；后者则恰恰相反，驱动力矩可达2000Nm 甚至更大。设计确定A 轴由力矩电机通过两级蜗轮蜗杆降速后，驱动主轴座旋C 轴由力矩电机通过蜗轮蜗杆降速后，驱动铣头体旋转。转，
F （）F （2i -1）i 2i -2+i
i-j F （）F （2i -1）i 2i -2+i i-j
′
′
′
′
（2）
△φ∑C =4.8∑
i =1
（3）
3驱动系统精度设计
3.1提高驱动精度的方案
驱动精度与传动比和传动比的分配密切相关，此外还与零件制造误差和装配误差有关，设计中采用以下的方案：
（1）为减少传动级数，采用蜗轮蜗杆传动，并可获得大的传动比，利于实现大扭矩，减小传动链误差；
）将蜗轮蜗杆副布置于传动链的末端，使得前面各级的累（2
积误差经过蜗轮蜗杆副后降低两个数量级；
（3）减小传动元件制造和装配误差，兼顾经济性要求，圆柱齿轮采用4级精度，蜗轮蜗杆采用3级精度，蜗轮材料采用耐磨的锡青铜；
）利用双导程蜗轮蜗杆的消隙结构；（4
（5）A 、C 轴均实行全闭环控制，如图3所示。A 轴在最后级的转轴上装角度编码器，C 轴在最后一级回转轴承上装圆光栅。C 轴进给传动系统示意图，如图4所示。
蜗杆1蜗轮1蜗杆2
蜗轮2
式中：△φ∑A 、△φ∑C —传动链的总传动误差；F （）、m 、Z （2i -2）—i 2i -2
第（2i -2）个传动件切向综合误差、模数和齿数。
通过多次查表计算和传动链优化配置，最后得到精度设计结果，A 轴传动精度18″，C 轴传功精度12″，由于双导程蜗轮蜗杆A 轴和C 轴传动的定位精度可达到10″，能满足大部的消隙作用，
分重型机床高精度加工要求。
3.3铣头体刚度分析
铣头体的刚度也是加工精度的重要影响因素，铣头体刚度建立此摆角铣头的铣头体三维模型，忽略越高，加工时变形越小。其微小特征，比如特别小的圆角、倒角、小螺纹孔。
铣头体材料为结构钢A36，弹性模量为200GPa ，密度为7850kg/m2，泊松比0.32，用SOLID92单元单元划分网格，建立有限元模型。根据工况条件输入参数：限制连接体尾部3个自由度，根据轴向铣削力和切向铣头削力设定铣头部位受到轴向载荷2000N ，径向载荷1000N 。
计算得到铣头体变形云图，如图5所示。显示最大变形量为0.003mm ，由铣头体变形造成的轴向窜动和径向跳动均在设计指标范围内。
齿轮4齿轮3齿轮2齿轮1电机
图3A 轴进给传动系统示意图
齿轮1电机
齿轮2齿轮3蜗杆蜗轮
0.0033626Max
0.00268010.00199750.00131490.00063235-5.0225e-5-0.0007328-0.0014154-0.0020979-0.0027805Min
0.00
400.00
800.00（mm ）
图5铣头体变形云图
4驱动扭矩设计
驱动扭矩与电机选取、传动系传动比和总效率有关，传动链的转矩可以表示为[4]：
图4C 轴进给传动系统示意图
T 1=9550
3.2传动链精度设计
铣头驱动系统中传动元件的误差会沿着传动链按传动比依次传递，最后集中反映到最终传动部件上[2]。传动链始中第i 轴传△φi
（1）
i-j
式中：△φi —第i 根轴的误差；i i-j —第i 轴传递到第j 轴的传动比。递到第j 轴的转角误差为△φi-j 。△φi-j =
根据误差的独立作用原理，各传动元件引起的末端元件传动误差都是独立的随机变量，则传动链末端元件的总传动误差可先计算出各独立分量的均值和方差，取叠加结果用概率法叠加[3]。
的6σ分布范围，得到A 、C 轴的传动误差表达式：
P 1P 2T
=9550=21∑∑2∑∑
（4）
式中：T 1、P 1、n 1—电机额定扭矩、功率、转速；T 2、P 2、n 2—输出转矩、
功率、转速；i ∑、η∑—传动系传动比和传功效率。
各级齿轮、轴承、蜗轮蜗杆的效率分别取为0.98、0.99、0.9，A 轴选取西门子1FT6064-1AF71型电机，C 轴选取西门子1FT6105-1AC71型电机，则A 、C 轴的驱动扭矩可以计算出来。
T 2A =i ∑A η∑A T 2C =i ∑C η∑C
P 1A
=3080N/m1A
P 1C
=3776N/m1C
（5）（6）
第6期
2011年6月
文章编号：1001-3997（2011）06-0027-03
机械设计与制造
Machinery Design ＆Manufacture
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车轮径向疲劳试验有限元仿真及疲劳寿命估算*
颜伟泽郝艳华黄致建蒋万标（华侨大学机电及自动化学院，泉州362021）
FEM simulation for wheel radial fatigue test and fatigue life evaluation
YAN Wei-ze ，HAO Yan-hua ，HUANG Zhi-jian ，JIANG Wan-biao
（College of Mechanical Engineering and Automation ，Huaqiao University ，Quanzhou 362021，China ）
【摘要】采用有限元分析方法，建立汽车车轮有限元模型，模拟车轮径向疲劳试验施加合理的载
荷及边界条件。通过分析车轮试验过程中的应力变化情况，得出高应力集中区域及其各主应力值，运用疲劳寿命计算理论及ANSYS 软件估算车轮的疲劳寿命。通过与车轮径向疲劳试验结果进行比较，结果表明高应力集中区域与实际裂纹位置吻合，预估的疲劳寿命与车轮实验寿命基本吻合，验证了有限元方法预估车轮寿命的有效性，为以后对车轮进行结构改进起指导作用。
关键词：车轮；轮辋；径向疲劳试验；有限元仿真；疲劳寿命
【Abstract 】A finite element model for automobile wheel is established with finite element analysis and reasonable loads and boundary conditions are applied by simulating the radial fatigue test. method ，
Through analyzing the change of stress in the process of wheel testing ，high stress positions of the automo －bile wheel and principal stresses are obtained ，then evaluates the fatigue life with theory and ANSYS soft. Comparing with the radial fatigue test result ，it shows that the high stress positions are consistent with the prove that it is valid to evaluate the wheel's fatigue life with the finite method, which will play a directive role for later wheel structure improvement.
Key words ：Wheel ；Rim ；Radial fatigue test ；FEM simulation ；Fatigue life
文献标识码：A
中图分类号：TH16，U463.34
actual locations of cracks ，it is the same for fatigue life evaluation and the wheel ’s true life.All of these ap －
1前言
车轮是汽车的重要部件，承受汽车的重力、制动力、驱动力、汽车转向时产生的侧向力及这些力产生的力矩，并且还要承受路面不平产生的冲击力，对汽车的行驶安全性、稳定性和牵引性有重要的作用[1]。随着我国汽车工业整体水平的提高，以及对汽车的行驶速度与载荷的大幅度提高，对车轮的质量要求也越来越高。一般意义上的车轮包括轮胎和钢圈两部分，研究的是某车轮厂生产的某型号15°DC 无内胎车轮钢圈。采用ANSYS 软件对该车轮的径向疲劳试验进行仿真模拟及疲劳寿命估算，目的是得到此车轮在动态径向疲
＊来稿日期：2010-08-06＊基金项目：厦门市科技计划高校创新项目（3502Z20083044）
5结论
和重复定位精度分别达到10″和5″。其大功率、大扭矩、高精度的特性可极大扩展五轴联动机床加工能力范围。
针对目前双摆角数控铣头研究现状中亟待解决的精度和扭
矩兼顾问题，研究精度保证技术和采用提高扭矩的方案，设计出新型双摆角数控铣头。
（1）进行了整体结构和传动方案的分析和论证；（2）采用力矩电机与蜗轮蜗杆驱动方式，优化传动链配置，达到大传动比、高精度传动；（3）建立精度分析数学模型，确定驱动扭矩算式，通过优化参数配置提高铣头精度和转矩；（4）分析加工过程铣头精度状况，进行了铣头体刚度分析并进行结构优化；（5）设计的双摆角数控铣头A 、C 轴额定进给扭矩均达到3000Nm ，驱动系统定位精度
疲劳寿命估算的可靠性，为以后车轮结构的改进打下基础。
劳试验状态下的疲劳裂纹位置及车轮的使用寿命，并通过与试验结果对比，验证此有限元分析方法模拟车轮径向疲劳试验的有效性及
2车轮的有限元模型建立
2.1车轮有限元模型
该型无内胎车轮钢圈的轮辐与轮辋厚度分别为7mm 和11mm ，如图1所示。运用有限元分析软件ANSYS 建立车轮的实体模型，采用Solid95单元对车轮进行网格划分，分网后模型共有12760个单元和50293个节点[2]，如图2所示。不考虑轮辐和轮辋
参考文献
［1］丁雪生. 欧洲双主轴加工中心简介. 世界制造技术与装备市场，2005：（2）.
［2］赵妙霞，郑玉巧，胡世军，工进花. 机床传动链误差对齿轮加工精度的
影响及控制. 工业科技，2005（6）：45-47. ［3］徐峰，李庆祥. 精密机械设计. 北京：清华大学出版社，2005：122-215. ［4］成大先. 机械设计手册. 北京：化学工业出版社，1993（13）：296. ［5］D ·Katic ，M ·Vukobratovic ·Surveyofintelligentcontroltechniquesforhu manoid
robots ·Journal of Intelligent and Robotics Systems ，2003，37（2）：117-141. ［6］M ·Vukobratovic ·Bipedal locomotion dynamics ，stability ，control and appli-cation ·In ：Scientific Fundamentals of Robotics ·New York ：Springer -Verlag ，1990.