直驅(qū)型搖擺式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)的三維剖視

直驅(qū)型搖擺式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)的三維剖視

1.搖轉(zhuǎn)臺(tái)的分類如圖1所示，搖動(dòng)五軸旋轉(zhuǎn)是采用兩種旋轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的五軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)。每個(gè)旋轉(zhuǎn)臺(tái)地都有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸。這兩個(gè)軸可以連續(xù)分布模式，連續(xù)進(jìn)給，并且可以相互控制。其中，可以在360°范圍內(nèi)任意旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給軸被稱為旋轉(zhuǎn)軸，只可以在一定的角度范圍內(nèi)（比如在±110°）正反旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給軸被稱為搖擺軸。搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)按轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)型式分為：蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)型搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)和力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)型搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)；按轉(zhuǎn)臺(tái)搖擺軸支撐結(jié)構(gòu)分為：懸臂型搖籃式雙擺五軸轉(zhuǎn)臺(tái)（見圖2）和搖擺軸帶輔助支撐的搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)（見圖1）；按搖擺軸驅(qū)動(dòng)個(gè)數(shù)分為：搖擺軸雙驅(qū)型搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)（見圖3）和搖擺軸單驅(qū)型搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)（見圖1和圖2）；按旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速分為：低速型搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)和車銑復(fù)合型高速搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)；按轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)給方式分為：聯(lián)動(dòng)型搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)和分度型搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)，其中分度型搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)的兩個(gè)進(jìn)給軸只有分度功能沒有聯(lián)動(dòng)功能，而聯(lián)動(dòng)型搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)兩個(gè)進(jìn)給軸既能聯(lián)動(dòng)也能分度。2.b-c搖式轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)型搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)定位精度大概在40～50弧秒的水準(zhǔn)，而力矩電機(jī)直驅(qū)型搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)定位精度可以達(dá)到10弧秒以內(nèi)的水平，精度可以提高4～5倍；蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)型搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速在5～10r/min的水平，而力矩電機(jī)直驅(qū)型五軸轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速在50～2000r/min的水平，進(jìn)給速度可以提高10～200倍。可見力矩電機(jī)直驅(qū)型搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)是搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)的發(fā)展方向，因此本文后續(xù)以力矩電機(jī)直驅(qū)型搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)為主。以我司已經(jīng)研發(fā)成功的500臺(tái)面的B-C搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)為例究，該轉(zhuǎn)臺(tái)具體結(jié)構(gòu)見圖4所示的三維剖視圖。該轉(zhuǎn)臺(tái)屬于力矩電機(jī)直驅(qū)型搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)B軸采用主支撐組合輔助支撐的結(jié)構(gòu)，提高B軸的支撐剛性，減小轉(zhuǎn)臺(tái)變形，提高加工精度。該轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸C軸和搖擺軸B軸都采用力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，是零間隙傳動(dòng)，消除了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)帶來的彈性變形、反向間隙、運(yùn)動(dòng)滯后、摩擦、振動(dòng)、噪聲及磨損等一系列不良后果，提高了轉(zhuǎn)臺(tái)的傳動(dòng)精度、傳動(dòng)剛性、進(jìn)給速度以及轉(zhuǎn)臺(tái)的加工效率。該轉(zhuǎn)臺(tái)B軸主支撐和C軸都采用集成鋼柵尺的YRT系列軸承支撐，該軸承能夠承受徑向載荷、軸向載荷、傾覆力矩，結(jié)構(gòu)簡潔可靠、承載能力強(qiáng)；軸承集成鋼柵尺作為角度測量裝置，測量精度高、抗污染能力強(qiáng)；轉(zhuǎn)臺(tái)B軸輔助支撐采用精密交叉滾子軸承支撐，能夠進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)臺(tái)支撐剛性。轉(zhuǎn)臺(tái)B軸、C軸都采用環(huán)抱式剎車結(jié)構(gòu)，剎車扭矩大、剎車效果可靠。轉(zhuǎn)臺(tái)B軸主支撐端和輔助支撐端、C軸都采用三道機(jī)械式密封結(jié)構(gòu)，組合正壓氣幕保護(hù)功能，使軸承獲得極佳的密封保護(hù)，因此轉(zhuǎn)臺(tái)性能穩(wěn)定，壽命長。轉(zhuǎn)臺(tái)C軸設(shè)計(jì)有旋轉(zhuǎn)接頭，該旋轉(zhuǎn)接頭可以將固定不動(dòng)的液壓站上的兩路及兩路以上的液體引導(dǎo)至旋轉(zhuǎn)的臺(tái)面上的夾具上，實(shí)現(xiàn)液壓油的旋轉(zhuǎn)分配功能。在B-C搖籃式轉(zhuǎn)臺(tái)邊上設(shè)計(jì)有蓄能器和液壓鎖組成的液壓保壓單元，該保壓單元可以解決機(jī)床突然被關(guān)機(jī)或者機(jī)床B軸被執(zhí)行緊急停止命令時(shí)，B軸剎車液壓不能保壓、轉(zhuǎn)臺(tái)B軸會(huì)掉落、有安全隱患的問題。在B-C搖籃式轉(zhuǎn)臺(tái)的液壓保壓單元上再增加弱電單元延時(shí)斷電的USP模塊和用于強(qiáng)電單元延時(shí)斷電的電容模塊，來使機(jī)床的B-C搖籃式轉(zhuǎn)臺(tái)控制電源和驅(qū)動(dòng)電源都延時(shí)斷電3s，從而彌補(bǔ)機(jī)床液壓保壓系統(tǒng)反應(yīng)滯后的時(shí)間（大約1s），從而解決機(jī)床斷電后B-C搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)的B軸因自重掉落的問題。3.搖臺(tái)系統(tǒng)優(yōu)化方法(1）校核搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)聯(lián)動(dòng)加工狀態(tài)下的扭矩計(jì)算搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)某旋轉(zhuǎn)軸以最大角加速度進(jìn)給時(shí)所需要的加速扭矩式中，M上式中轉(zhuǎn)臺(tái)的額定角加速度ɑ可以用以下公式計(jì)算式中，ω為轉(zhuǎn)臺(tái)某旋轉(zhuǎn)軸的最大角速度（rad/s);n為轉(zhuǎn)臺(tái)某旋轉(zhuǎn)軸的最大轉(zhuǎn)速（r/min);t為轉(zhuǎn)臺(tái)某旋轉(zhuǎn)軸的加減速時(shí)間（s）。上式中，轉(zhuǎn)臺(tái)某旋轉(zhuǎn)軸及其負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J一般可以通過查詢轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式來計(jì)算，比如搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)的臺(tái)面是盤類零件，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J可以查詢到以下公式：式中，m為轉(zhuǎn)臺(tái)的臺(tái)面及負(fù)載的總質(zhì)量（kg);R為轉(zhuǎn)臺(tái)的臺(tái)面的半徑（m）。如果轉(zhuǎn)臺(tái)的某旋轉(zhuǎn)軸不是常規(guī)規(guī)則形狀，沒有現(xiàn)成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式可查，可以通過三維設(shè)計(jì)軟件上某些指令來測量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J，以我司常用設(shè)計(jì)軟件UG為例來說明測量方法：(1)在UG中打開B-C搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)的裝配圖；(2)點(diǎn)擊“分析”按鈕；(3)點(diǎn)擊“測量體”按鈕；(4)在注釋復(fù)選框中選擇“創(chuàng)建主軸”；(5)在打開的裝配圖中拾取需要研究的對象，必要時(shí)可以將裝配圖進(jìn)行剖切，以方便拾取對象，拾取對象時(shí)可以拾取多個(gè)對象；(6)選取完畢后會(huì)在屏幕上彈出“信息”對話框，如圖5所示，打開讀取其中的慣性距（WCS）,選取合適坐標(biāo)軸，注意把單位換算成kg·m計(jì)算搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)某旋轉(zhuǎn)軸以最大角加速度進(jìn)給時(shí)所需要總扭矩：式中，1.2為安全系數(shù)；M將計(jì)算結(jié)果M(2）校核搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)作為分度轉(zhuǎn)臺(tái)用時(shí)的扭矩聯(lián)動(dòng)型搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)也有某個(gè)旋轉(zhuǎn)軸需要準(zhǔn)停在某個(gè)角度并保持在該角度上的工況，此時(shí)聯(lián)動(dòng)型搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)被作為分度型搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)使用，這個(gè)工況下的扭矩匹配和校核與聯(lián)動(dòng)加工狀態(tài)下不同，需要引起注意。如圖6所示，以B-C搖籃式轉(zhuǎn)臺(tái)的B軸準(zhǔn)停在90°位置鉆孔這個(gè)工況為例分析，該搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)的動(dòng)作順序：轉(zhuǎn)臺(tái)搖擺軸B軸通過力矩電機(jī)按正常扭矩輸出被驅(qū)動(dòng)到90°位置并保持住，此時(shí)B軸力矩電機(jī)按堵轉(zhuǎn)扭矩輸出將B軸保持在90°位置，然后轉(zhuǎn)臺(tái)B軸環(huán)抱式剎車結(jié)構(gòu)動(dòng)作將B軸穩(wěn)穩(wěn)剎住后，轉(zhuǎn)臺(tái)B軸力矩電機(jī)使能撤銷，B軸力矩電機(jī)不再輸出扭矩，完全靠轉(zhuǎn)臺(tái)B軸剎車結(jié)構(gòu)剎車力將轉(zhuǎn)臺(tái)B軸保持在90°位置。通過上述動(dòng)作順序知道，這里轉(zhuǎn)臺(tái)B軸力矩電機(jī)按堵轉(zhuǎn)扭矩輸出的那一刻的扭矩不同于其它時(shí)刻的扭矩輸出，因此，此工況下的輸出的扭矩需要單獨(dú)校核，校核過程如下。計(jì)算搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)的某旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸分度準(zhǔn)停時(shí)需要的扭矩M分度。為了方便理解，這里以B軸力矩電機(jī)按堵轉(zhuǎn)扭矩輸出將B軸保持在90°位置為例來介紹。式中，M上式中的G和L可以借助三維設(shè)計(jì)軟件上某些指令來測量，以我司常用設(shè)計(jì)軟件UG為例來說明測量方法，方法與上述類似，不再贅述。計(jì)算搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)的某旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸分度準(zhǔn)停時(shí)需要的總扭矩：式中，1.2為安全系數(shù)；M校核過程：將計(jì)算結(jié)果M這里要注意力矩電機(jī)的堵轉(zhuǎn)扭矩M電機(jī)堵轉(zhuǎn)的英文為Stalltorque，有的力矩電機(jī)廠商把這個(gè)扭矩稱為靜態(tài)扭矩或靜止扭矩，力矩電機(jī)額定扭矩M電機(jī)額定的英文為Continuoustorque，有的電機(jī)廠商把它稱為恒定扭矩。力矩電機(jī)的堵轉(zhuǎn)扭矩M電機(jī)堵轉(zhuǎn)數(shù)值通常為力矩電機(jī)額定扭矩M電機(jī)額定數(shù)值的0.70～0.82倍，由于M4.實(shí)體模型和仿真結(jié)果分析在B-C搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)中，B軸連接底座既是旋轉(zhuǎn)軸C軸的支撐底座，又是B軸主支撐和B軸輔助支撐的連接件，因此該零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的是否合理是B-C搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)試制成功與否的關(guān)鍵所在，需要重點(diǎn)關(guān)注。如圖7所示，是我司研發(fā)的500臺(tái)面的力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)型B-C搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)的B軸連接底座。由于該零件結(jié)構(gòu)形狀并不規(guī)則，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)公式來進(jìn)行強(qiáng)度校核，因此利用類比設(shè)計(jì)法通過UG三維設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)該零件，然后采用ANSYS有限元分析軟件對該零件進(jìn)行了靜力學(xué)仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果來指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作。(1）零件的有限元模型該B軸連接底座采用四面體實(shí)體單元SOLID185。由于模型簡單，整體按照6mm進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元總數(shù)目為526378，節(jié)點(diǎn)總數(shù)目為122853，該B軸連接底座的有限元模型如圖8、圖9所示。(2）零件的材料特性材料選用QT600-3，其性能參數(shù)如表1所示。(3）載荷與邊界條件該B軸連接底座所受的載荷主要包括：工件重力、C軸轉(zhuǎn)子重力，C軸額定扭矩、B軸連接底座本身的重力，B軸額定扭矩。其中，工件重力和C軸轉(zhuǎn)子重力以集中力的形式加載。由于B軸聯(lián)動(dòng)時(shí)支座可以正反旋轉(zhuǎn)110°，為了減少計(jì)算量，B軸聯(lián)動(dòng)時(shí)選擇工況最不好的轉(zhuǎn)動(dòng)到90°情況進(jìn)行計(jì)算。共有8種工況組合，見表2。該連接座兩端通過連接盤支撐在軸承上，模型中省略了連接盤，直接在連接盤中心建立約束點(diǎn)，將該質(zhì)量點(diǎn)與連接底座剛性聯(lián)接。該連接座的B軸主支撐端承受重力和扭矩，約束全部自由度，輔助支撐端放開全部自由度，見圖10。(4）靜力學(xué)仿真分析仿真計(jì)算結(jié)果顯示，底座在8種組合工況下的應(yīng)力和最大變形均很小，最大等效應(yīng)力和最大變形出現(xiàn)在工況6，只要該工況能夠滿足要求設(shè)計(jì)要求，其余工況都能滿足。為了節(jié)省篇幅，這里只展示工況6情況下B軸連接底座的等效應(yīng)力云圖（見圖11）和位移云圖（見圖12）。其余7個(gè)工況不再贅述。如圖11所示，在工況6該連接件的最大等效應(yīng)力為4.26MPa，遠(yuǎn)小于材料的370MPa屈服應(yīng)力；如圖12所示，在工況6該連接件的最大變形為0.0133mm小于該零件的設(shè)計(jì)要求0.02mm。因此該B軸連接底座滿足設(shè)計(jì)要求。(5）根據(jù)仿真分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化如圖12所示該B軸連接底座的最大變形出現(xiàn)在底部中間位置的翻邊處，為了對該處的剛度強(qiáng)度進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，如圖13所示，在該