【摘 要】
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兼具增材制造和减材制造优势的增减材复合制造,在实现复杂结构成形的同时保证了成形件的品质。在各类增减材复合装备中,机器人增减材复合制造以工作空间大、灵活性高、成本低等优点应用较为广泛,电主轴作为该类装备的重要功能部件,其性能对复合制造的质量起着至关重要的作用。本文以KUKA KR5ARC增材机器人为载体,设计并制造出一款增减材复合制造专用的高速电主轴,并对其进行特性分析以及实际应用方面的研究。（1）
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兼具增材制造和减材制造优势的增减材复合制造,在实现复杂结构成形的同时保证了成形件的品质。在各类增减材复合装备中,机器人增减材复合制造以工作空间大、灵活性高、成本低等优点应用较为广泛,电主轴作为该类装备的重要功能部件,其性能对复合制造的质量起着至关重要的作用。本文以KUKA KR5ARC增材机器人为载体,设计并制造出一款增减材复合制造专用的高速电主轴,并对其进行特性分析以及实际应用方面的研究。（1）开展了增减材复合制造用电主轴设计技术参数的研究,结果表明:电主轴应满足输出功率不低于1.03k W,扭矩指标不低于1.74Nm;温升不超过50°C;静刚度值不小于100N/m等技术指标。根据技术指标对电主轴的布局方式、电机选型、结构参数计算、轴承等关键技术展开研究,并绘制出电主轴零件及装配体三维模型。（2）利用有限元法分析获得了所设计的电主轴刚度可达161.85N/μm;固有频率1216.3Hz;一阶临界转速72987r/min;最高温升39°C。验证所设计电主轴在静、模、热态特性方面均符合设计要求后,制造出了电主轴样机。（3）通过频域法求解出电主轴减材颤振稳定域模型,并对固定于增材机器人的电主轴实施了锤击法模态试验,结果表明:增材机器人在冗余角为“0°”姿态下,系统一阶模态参数为频率697.09Hz;阻尼比2.013%;模态刚度1.89×105N/m。进而得到该系统的减材颤振稳定性叶瓣图,由叶瓣图可知切削深度低于0.6mm是无条件稳定区。（4）以TC4钛合金为例进行电主轴减材工艺参数优化研究,利用响应曲面法制定减材试验方案,根据试验结果获得了其表面粗糙度模型。以材料去除率最高为优化目标,以表面粗糙度低于1.5μm为约束条件,采用内点法得出最优参数组合为:电主轴转速14639r/min;机器人进给速度0.86m/s;切削深度0.25mm。
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