基于直驅(qū)擺頭動力刀架的機電耦合分析研究.pdf

1、本課題來源于國家重大專項——動梁無滑枕立式銑車復合加工中心(專項號:2010ZX04001-032)。該專項是“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”中的一個國家重大科技項目，代表著未來先進制造技術的一個發(fā)展方向。直驅(qū)擺頭動力刀架系統(tǒng)作為整臺加工中心的主要加工部分，其性能的好壞直接決定了系統(tǒng)的加工精度，是整個加工中心的關鍵技術之一。
　　直驅(qū)擺頭動力刀架系統(tǒng)采用先進的直驅(qū)技術，將力矩電機和擺頭刀架系統(tǒng)直接耦合在一起，驅(qū)動擺頭運動，實現(xiàn)了“零

2、驅(qū)動”。先進制造技術的前進和發(fā)展，就是解決舊問題和產(chǎn)生新問題的螺旋式循環(huán)過程。應用直驅(qū)技術，可使機床結(jié)構(gòu)更加緊湊、機構(gòu)更加簡單、動態(tài)響應更加迅速、精度有所提高。然而，由于采用了“零驅(qū)動”技術，系統(tǒng)的機械部件和電機耦合得更加緊密，力學參數(shù)和電參數(shù)也直接耦聯(lián)在一起，無法單一地對某個機構(gòu)參數(shù)進行調(diào)整補償，加深了分析系統(tǒng)參數(shù)特性的難度。
　　機床的性能指標是通過分析整個系統(tǒng)的機構(gòu)，進而分析動、靜態(tài)過程中各個機構(gòu)的參數(shù)特性來確定的。機構(gòu)的復

3、雜程度直接影響系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，也極大程度地影響著直驅(qū)擺頭動力刀架這個機電多體系統(tǒng)的功能特性，甚至影響系統(tǒng)的加工精度。在系統(tǒng)的工作過程中，這種復雜的耦合結(jié)構(gòu)參數(shù)在不匹配的情況下，會降低系統(tǒng)的可靠性，甚至可能使整個系統(tǒng)出現(xiàn)故障。機電系統(tǒng)通常工作在非線性的工作過程中，當系統(tǒng)受到負載的擾動時，系統(tǒng)表現(xiàn)出來的力學參數(shù)和電參數(shù)之間復雜的機電耦合參數(shù)特性，將影響整個機床的性能。我國在多體耦合系統(tǒng)的機電耦合研究上，雖然取得了一定的成果，但是仍然缺乏深層

4、次的研究。
　　本課題以直驅(qū)擺頭動力刀架系統(tǒng)為研究對象，對機電耦合系統(tǒng)進行深入的分析研究。通過分析直驅(qū)擺頭動力刀架各個子系統(tǒng)，充分了解力矩電機、電主軸、刀架的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理以及其耦合關系，正確認識并通過不同的方法，定量分析計算了直驅(qū)擺頭動力刀架耦合系統(tǒng)的耦合系數(shù)。從機電多體系統(tǒng)的角度出發(fā)，首先對本課題的研究對象進行了機電耦合的結(jié)構(gòu)分析，然后分析了耦合系統(tǒng)的參數(shù)之間的關系，直觀地描述了系統(tǒng)部件之間的復雜程度，并用仿真的方法證明了

5、機電耦合系統(tǒng)各動態(tài)特性之間關系的正確性，最后通過對機電耦合系數(shù)的逆運算，得到電學參數(shù)和力學參數(shù)的最佳耦合范圍，在這個范圍之內(nèi)，使得直驅(qū)擺頭動力刀架系統(tǒng)的機械系統(tǒng)和電系統(tǒng)耦合達到了匹配狀態(tài)。
　　通過分析可以發(fā)現(xiàn)，在有效的機電耦合參數(shù)范圍內(nèi)，大大縮小了系統(tǒng)穩(wěn)定性的范圍，更好地優(yōu)化系統(tǒng)的動態(tài)特性和整臺加工中心，提高系統(tǒng)的加工精度和機床的性能指標。采用機電耦合的方法，定量分析并優(yōu)化系統(tǒng)的功能特性，在裝備制造業(yè)的先進制造技術領域具有一定的