五軸頭C 軸雙力矩電動機同步驅動改進設計

高秀峰

沈陽機床（集團）設計研究院有限公司 遼寧沈陽 110142

1 序言

五軸頭是中大規格五軸聯動加工中心的核心功能部件，主要用于加工具有復雜曲面的大型精密零部件，常用于航空航天、船舶、發電、軍工及大型模具等行業，當前國內各大機床主機企業的五軸頭主要依賴進口。因此，對五軸頭進行研制開發，進而完成國產化、產業化，替代進口同類產品，具有極其重要的意義。

近年來，我公司在國家“高檔數控機床與基礎制造裝備”重大專項的支持下，研制了雙外轉子力矩電動機同步驅動的五軸頭。

盡管我公司研制的五軸頭各項技術指標均符合當前用戶的使用要求，但在應用過程中，發現C軸分度精度略低于B軸。當前C軸分度精度是8″，B軸分度精度是5″，此外C軸軸向長度偏長、質量偏大。針對上述這些實際問題，我公司成立了專門技術攻關團隊對C軸進行改進優化。

2 C軸原設計結構組成及有限元分析

（1）C軸原設計結構組成 圖1為C軸原設計結構。C軸由雙外轉子力矩電動機同步驅動，雙力矩電動機布置形式為并聯。上方力矩電動機通過隔套將電動機轉矩傳遞到軸承聯接盤和C軸聯接盤；下方力矩電動機直接將電動機轉矩通過軸承聯接盤傳遞到C軸聯接盤。C軸聯接盤通過止口及螺釘與B軸聯接。為了盡量靠近滑枕端面與B軸的主軸鼻端，YRT轉臺軸承布置在C軸下部，該軸承內圈外圓周集成了編碼器，考慮到C軸整體軸向長度較長，在C軸上部布置了一個帶徑向預緊的圓柱滾子軸承。由于B軸有多路水、液、氣需要通過C軸，因此在C軸內部設計了配油環，并在配油環內部布置了多路旋轉格萊圈，旋轉格萊圈的應用解決了多路水、液及氣由旋轉到靜止的問題。為了實現五軸頭的大轉矩定角度分度加工，設置了專門的液壓抱閘來實現定角度夾緊。當定角度夾緊時，液壓抱閘直接夾緊隔套的外圓周。由于隔套的軸向長度較長，因此液壓抱閘的軸向長度也較長。

通過對C軸原設計結構組成的分析，隔套的軸向長度達479mm，這可能是導致C軸分度精度較差的原因。下文通過ANSYS對C軸傳動轉矩部分進行專門分析，為C軸的改進優化提供理論依據。

（2）C軸原設計有限元分析 對C軸傳動轉矩部分進行扭轉變形靜力學分析，約束C軸聯接盤的6個方向自由度，扭轉載荷分別加載在軸承聯接盤與隔套的上端面。其中，軸承聯接盤上端面的載荷用于模擬下轉子傳遞的轉矩；隔套上端面的載荷用于模擬上轉子傳遞的轉矩。C軸上方與下方電動機的峰值轉矩均是1197N·m，C軸傳動轉矩部分的有限元模型與加載模型如圖2所示。

圖1 五軸頭C 軸原設計結構

圖2 C 軸原設計傳動轉矩部分

對C軸傳動轉矩部分進行扭轉變形靜力學分析，結果如圖3 所示。隔套外徑為3 6 0 m m，將扭轉變形的最大周向變形轉換為角度變形：0.003082/180×180/π×3600＝3.53″。

從圖3可以看出，由于隔套的扭轉變形在整個傳動轉矩部分中占比很大，因此減少隔套的扭轉變形，將會極大地提高整個傳動轉矩部分的扭轉剛度與C軸的分度精度。

圖3 C 軸原設計傳動轉矩部分扭轉變形

3 C 軸改進設計結構組成及有限元分析

（1）C軸改進設計結構組成 由圖1可以看出，C軸原設計中采用雙力矩電動機并聯的方案，并聯的設計直接導致了隔套的長度較長，若能將隔套的長度縮短，則能有效地提高整個傳動轉矩部分的扭轉剛度與C軸的分度精度。

在C軸的改進設計方案中，將上方電動機翻轉，上轉子與隔套的聯接由上方轉移到下方，該種聯接方式將直接使隔套的軸向長度由479mm大幅縮短為274mm。同時，整個C軸軸向長度由723mm縮短為660mm。該種雙力矩電動機布置方式為串聯方案，結構如圖4所示。

圖4 五軸頭C軸改進設計結構

（2）C軸改進設計有限元分析 采用與C軸原設計相同的約束方式與加載方式，對改進設計方案進行有限元分析。改進設計傳動轉矩部分有限元模型與加載模型如圖5所示。

圖5 C 軸改進設計傳動轉矩部分

對C軸傳動轉矩部分進行扭轉變形靜力學分析，結果如圖6 所示。隔套外徑為3 6 0 m m，將扭轉變形的最大周向變形轉換為角度變形：0.001803/180×180/π×3600＝2.07″。

通過對比圖3與圖6可以看出，將雙力矩電動機由并聯布置改進為串聯布置，不僅大幅縮短了隔套的軸向長度，同時整個傳動轉矩部分的扭轉變形由3.53″減小為2.07″。

圖6 C軸改進設計傳動轉矩部分扭轉變形

4 結束語

1）經過對改進后C軸的現場檢測，C軸分度精度由8″提高到了6″，C軸軸向長度由723mm縮短為660mm，C軸質量減小了50kg。

2）生產實踐證明了五軸頭C軸雙力矩電動機同步驅動改進設計的正確性，為我公司五軸聯動加工中心聯動精度的不斷提高打下了堅實的基礎。