在“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项（以下简称“04专项”）的支持下，沈阳机床股份有限公司（以下简称“沈阳机床”）通过承担“直驱式A/C轴双摆角数控万能铣头”课题，研制出完全拥有自主知识产权的五轴摆角铣头，独创了双电机串联驱动技术，从而为产品替代进口奠定了良好的基础，在五轴技术方面积累了大量的宝贵经验。目前该课题已通过技术和财务终验收。

以04专项课题研制的第一代五轴摆角铣头为基础，沈阳机床开展了持续的改进优化，现已研制出第二代五轴摆角铣头，目前正在对第二代样机进行电气调试。与此同时，第三代产品的研制也在紧锣密鼓地进行之中。

截止到目前，沈阳机床开发的五轴摆角铣头产品型号主要有MH30fhc、MH30fh和MillHead2.1等。

第一代五轴摆角铣头

第二代五轴摆角铣头

技术突破

自2009年开始，通过承担“直驱式A/C轴双摆角数控万能铣头”课题研制五轴摆角铣头以来，经过7年的艰苦攻关，沈阳机床现已突破了多项核心关键技术，包括：

1. 力矩电机并联驱动技术：以力矩电机定子的出线端作为力矩电机的正方向。当采用两台力矩电机驱动一个旋转轴时，若两台力矩电机的正方向相反，则将这种布置形式称为“力矩电机并联驱动”。

力矩电机并联驱动技术主要被欧洲的一些铣头制造商广泛用于对A轴的驱动，如Cytec采用两台外转子力矩电机并联驱动A轴，Kessler与Tramec采用两台内转子力矩电机并联驱动A轴。

2. 力矩电机串联驱动技术：当两台力矩电机正方向相同时，则这种布置形式被称为“力矩电机串联驱动”。力矩电机串联驱动可以被用于双摆角铣头的C轴中。例如，沈阳机床研发的具有A轴自动交换功能的直驱式双摆角铣头MH30fhc，其C轴就采用了两台标准外转子力矩电机进行串联驱动。

欧洲双摆角铣头制造商生产的双摆角铣头，有的C轴采用单台标准电机驱动，但由于单台电机驱动扭矩较小，因此为了提高电机的驱动扭矩，只能增加电机直径，但这会导致滑枕尺寸的增大；有的C轴则采用非标准电机，如Cytec将两个定子固联在一起，并做成一个转子，此方案直接增加了C轴的成本。

相比之下，沈阳机床设计的C轴采用两台标准电机，不仅解决了单台电机扭矩小的问题，还解决了两台非标电机固联的高成本问题。

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双电机串联结构图（B为国外非标电机结构示意图）

3. 双电机同步驱动技术。双电机同步驱动技术包括双电机同步驱动控制技术与双电机相位差调整技术两部分。

双电机同步驱动技术是指将双电机分为主、从电机，并将两台电机当做一台电机进行驱动的技术。这里的从电机指的是装在同一根轴上的第二台电机，它与第一台电机（主电机）的U、V、W进行连接。若两台电机为串联驱动，则电机相可以进行一一对应连接；若两台电机为并联驱动，则电机相中的V、W需要进行对调连接。双电机同步驱动动力线连接方式见表所示。

表 双电机同步驱动动力线连接方式

双电机并联驱动与伺服驱动器连接示意图

双电机相位差调整技术包括相位差机械调整与相位差检测两部分。

沈阳机床采取力矩电机成组制造法对双电机相位进行机械调整，根据力矩电机定子与转子上的标记进行调整与安装，以此保证了双电机的同步性。相位角偏差值可以通过一个双通道的示波器来检测，即将两个力矩电机的动力电缆和示波器相连接，然后用手匀速地同时转动两个力矩电机的转子，这时示波器上就会显示出两条相电压波形，根据电压波形就可以计算出相位角偏差值。

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相位角偏差值检测方法

4. A轴自动交换技术。A轴自动交换技术包括A轴自动交换标准接口设计技术与铣头库设计技术两部分。

A轴自动交换标准接口设计技术的难点是解决诸多对接元件的过定位问题。对此，沈阳机床成功地设计出了A轴自动交换标准接口，有效地解决了A轴16路液、气、油与C轴之间的连接，以及交换接口内部电气快换接头、液压快换接头、拉钉、齿盘和定位销等部件的轴向、径向及周向过定位等问题。此外，还解决了装配、调试和防漏等问题。

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A轴自动交换标准接口（A轴接口与C轴接口）

铣头库的主要作用在于存放未被交换的铣头，并保证铣头在存放过程中的准确定位与支撑，需要具有较高的刚性与定位精度，保证换头坐标点的准确。针对A轴的铣头库，沈阳机床研制出了两种铣头库定位元件，一种为定位销方案，另一种为直角边方案，两种方案在样机验证过程中，均取得了非常好的效果。

5. RTCP精度检测与补偿技术。RTCP精度是五轴联动数控机床的重要关键精度，它直接影响机床的五轴联动加工精度和加工工件的质量，因此，对RTCP精度进行检测与补偿具有重要的意义。

RTCP精度检测与补偿主要是指对双摆角铣头的4项精度进行检测与补偿，包括：主轴轴线与C轴轴线在X方向的偏差、主轴轴线与C轴轴线在Y方向的偏差、主轴轴线与A/B轴轴线之间的偏差以及主轴鼻端与A/B轴轴线之间的尺寸。对这4项精度的检测，采用检棒和千分表即可完成。

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C
是否具有RTCP功能刀具轨迹区别示意图

RTCP精度检测示意图

应用验证

沈阳机床采取验证试验与零件切削相结合的方式，对自身研制的双摆角铣头样机进行了应用验证。验证试验包括精度与技术指标测试、动力特性试验、红外成像试验、温度补偿及测试、结构刚度试验和精度稳定性试验。零件切削采用标准的切削试件，包括轮廓加工试件与圆锥截体。应用验证结果表明，双摆角铣头工作稳定、性能可靠，完全符合设计要求，被加工试件精度满足了标准要求。

试件切削与测试

差距及措施

通过专项课题的实施，沈阳机床掌握了五轴摆角铣头的核心关键技术，为研制该类产品积累了大量的宝贵经验，为未来替代进口奠定了坚实的基础。

与国外同类产品相比，沈阳机床研制的五轴摆角铣头，在技术指标、几何精度、分度精度和切削性能等方面旗鼓相当，但在可靠性和铣头尺寸等方面仍有一定的差距。

围绕可靠性的提升，沈阳机床在研制新一代五轴摆角铣头的过程中，采取了如下措施：

1. 零部件材料：严格控制零部件的材料质量，特别是双摆角铣头的关键外购件，如力矩电机、轴承、电主轴、编码器、拉钉、液压抱闸、液压快接插头和电气快接插头等，均选用世界知名厂家的产品。

2. 设计：在产品设计前，对同类产品的使用情况进行广泛的调研，并对常见的故障模式进行搜集与分析，对每一个故障都进行专门研究，并提出有针对性的解决方案。

3. 制造：在样机制造过程中，严格控制零件的加工质量与整机的装配质量。所有关键零件加工完成后，均经过三坐标精度检测，整机装配严格按照装配规范执行。

4. 使用：严格按照使用规范对样机进行使用和验证，避免因使用不当而产生各种故障。

针对铣头尺寸存在的差距，沈阳机床主要采用优化结构方案的方式来缩短差距。