3-43 基于动力学方法的曲面恒切向数控车削刀架设计

张日升 李尚政 刘 宏

　　恒切向数控车削技术是在数控车削加工曲面工件时，刀具同时转动和平动，使刀具始终处于切削点的法线方向，保证车削刀具刀尖与工件表面的接触点和切削角度参数始终保持不变，优化切削过程，消除刀具刀尖的形状误差对曲面加工精度的影响。本工作介绍曲面恒切向数控车削刀架的设计技术，主要阐述其结构、动力学、控制系统、精度的设计方法。该刀架主要目的是实现刀具按一定数学关系，同时精确转动和平动。集光、机、电于一体，主要由齿轮副、传动轴、高精度滚珠轴承、圆光栅、减速器、伺服电机等组成，其结构示意图见图1。

　　运用动力学方法对刀架进行设计，根据刀架的设计载荷，按照扭矩匹配、惯量匹配等原则选择合适的伺服电机，并校核其空载加速转矩不得超过伺服电机最大输出转矩，以提高刀架的结构强度和系统的反应灵敏度、满足机电系统的参数匹配。通过增设减速器以加大刀架的输出扭矩。刀架的回转精度和位置精度（即卡头的回转精度和位置精度）对曲面加工精度有较大的影响，因此通过合理选用高精度轴承及高精度、高分辨率的圆光栅作为位置检测元件，采用位置环与速度环的双闭环控制方式，刀架的径向跳动和轴向窜动分别为3，5mm，定位精度为1¢ ，重复定位精度为12² 。通过提高齿轮的加工精度、在刀架的卡头与端盖之间加装一定刚度的扭簧进行预紧等措施，可弥补齿轮副间隙的影响，提高齿轮传动链的精度和刀架在切削过程中的稳定性。

　　加工工件时，利用控制系统的多轴联动控制功能，使该刀架与数控车床x，z轴实现三轴联动，则可实现曲面恒切向车削，以消除刀具刀尖形状误差对曲面加工精度的影响。把动力学设计方法用于曲面恒切向数控车削刀架的结构分析与设计，并从控制系统和精度分析等多角度综合考虑刀架的设计，对提高刀架性能和确保设计质量具有重要意义。此刀架可实现内外曲面的恒切向数控车削。