三自由度数控铣头动力学计算和仿真.pdf

学兔兔 务l 匐 似 三自由度数控铣头动力学计算与仿真 Dynamics calculation and simulation of 3-DOFS NC milling head 刘超颖，熊 蒙，王战中，杨长建 LIU Chao．ying，XIONG Meng，VVANG Zhan—zhong，、，ANG Chang-jian (石家庄铁道大学机械工程学院，石家庄050043) 摘 要：基于对传统五轴数控机床铣头功能及优缺点的分析，设计一种具有空间三自由度的数控机床 用铣头，并进行动力学分析与验证，主要用于解决传统双摆数控铣头存在的 “极性问题”。 首先，运用SolidWorks软件建立该数控铣头的三维模型并用D—H参数法列出其运动学方程； 其次，采用Lagrange法建立该数控铣头的动力学方程，并用Matlab语言编写程序进行动力学 求解；最后，将铣头三维模型导人到Adams软件中进行动力学仿真，并将Matlab计算结果与 Adams软件仿真曲线进行对比，计算结果与仿真曲线基本一致。结果表明：该三自由度数控 铣头结构方案可行，动力学方程推导正确。 关键词：数控铣头；三自由度；运动分析；动力学计算；Adams仿真 中图分类号：TH1 6 文献标识码：A 文章编号：1 009—01 34(201 3)08(下)一O1 21—04 Doi：1 0．3969／J．issn．1 009-01 34．201 3．o8(下)．36 0 引言 铣头三维模型的整体外观如图1所示，图中滑 为了适应现代先进制造业的发展需求，在传 枕与机床滑座相连执行Z轴的移动，滑枕相对于铣 头固定不动，C轴内圈通过一对相向布置的圆锥滚 统AC双摆铣头的基础上，增加一个B轴，设计一 柱轴承与滑枕连接，实现C轴的旋转自由度。与C 种机械式三回转自由度的铣头。既扩大了铣头的 轴内圈固定的B轴箱体两侧装有圆弧滑块，A轴箱 工作空间，减少能源消耗和刀具调整时间，又有 体两侧安装圆弧导轨，两对圆弧导轨滑块的相对 效解决了双摆铣头的 “极性问题”。为了更深入 运动实现B轴的旋转自由度。与电主轴相连的电主 的研究和探索该铣头的可行性及优势，在结构设 轴架两边通过一对精密球轴承安装在A轴箱体上， 计和运动学分析的基础上再进行动力学分析。 三轴数控铣头与传统双摆角铣头相比，动力 电主轴架与A轴箱体的相对旋转实现A轴的旋转自 由度。 学研究更为复杂。该三轴铣头是一个冗余的、多 变量的和本质非线性的自动控制系统，也是一个 4 复杂的动力学耦合系统。动力学研究对于该铣头 的动力传动系统、控制系统设计及动态仿真具有 非常重要的意义。 目前动力学的分析方法主要有牛顿一欧拉法、 拉格朗日法、高斯法、