數(shù)控回轉(zhuǎn)臺車的設(shè)計

數(shù)控回轉(zhuǎn)臺車的設(shè)計

1機床是中國制造業(yè)水平的最高境界近年來，隨著我國經(jīng)濟和信息化的快速發(fā)展，以及國防的需要，高質(zhì)量的數(shù)據(jù)機床提出了巨大的需求。機床制造業(yè)是一國工業(yè)之基石,它為新技術(shù)、新產(chǎn)品的開發(fā)和現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)提供重要的手段,是不可或缺的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。即使是發(fā)達工業(yè)化國家,也無不高度重視。機床是一個國家制造業(yè)水平的象征,代表機床制造業(yè)最高境界的則是五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)。從某種意義上說,五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)反映了一個國家的工業(yè)發(fā)展水平狀況。2軸加工特點數(shù)控機床加工某些零件時,除需要有沿X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的直線進給運動之外,還需要有繞X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的圓周進給運動,分別稱為A、B、C軸。五軸聯(lián)動機床也稱五坐標(biāo)機床,它是在三個平動軸(沿X、Y、Z軸的直線運動)的基礎(chǔ)上增加了兩個轉(zhuǎn)動軸(能實現(xiàn)繞X軸、Z軸旋轉(zhuǎn)運動,即A軸和C軸),不僅可使刀具相對于工件的位置任意可控,而且刀具軸線相對于工件的方向也在一定范圍內(nèi)任意可控,由此使五坐標(biāo)加工工具有以下特點:a.可避免刀具干涉,加工普通三坐標(biāo)機床難以加工的復(fù)雜零件,加工適應(yīng)性廣,如圖1(a)所示。b.對于直紋面類零件,可采用側(cè)銑方式一刀成型,加工質(zhì)量好、效率高,如圖1(b)所示。c.對一般立體型面特別是較為平坦的大型表面,可用大直徑端銑刀端面逼近表面進行加工,走刀次數(shù)少,殘余高度小,可大大提高加工效率與表面質(zhì)量,如圖1(c)所示。d.對工件上的多個空間表面可一次裝夾進行多面、多工序加工,加工效率高并有利于提高各表面的相互位置精度,如圖1(d)所示。e.五軸加工時,刀具相對于工件表面可處于最有效的切削狀態(tài)。例如使用球頭刀時可避免球頭底部切削,如圖1(e)所示,利于提高加工效率。同時,由于切削狀態(tài)可保持不變,刀具受力情況一致,變形一致,可使整個零件表面上的誤差分布比較均勻,這對于保證某些高速回轉(zhuǎn)零件的平衡性能具有重要作用。f.在某些加工場合,如空間受到限制的通道加工或組合曲面的過渡區(qū)域加工,可采用較大尺寸的刀具避開干涉,刀具剛性好,有利于提高加工效率與精度,如圖1(f)所示?，F(xiàn)在,大家普遍認為,五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)是解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發(fā)電機轉(zhuǎn)子、汽輪機轉(zhuǎn)子、大型柴油機曲軸等加工的唯一手段。所以,每當(dāng)人們在設(shè)計、研制復(fù)雜曲面遇到無法解決的難題時,往往轉(zhuǎn)向求助于五軸數(shù)控系統(tǒng)。3軸聯(lián)動加工中心加工中心一般分為立式加工中心和臥式加工中心,立式加工中心(三軸)最有效的加工面僅為工件的頂面,臥式加工中心借助回轉(zhuǎn)工作臺,也只能完成工件的四面加工。目前高檔的加工中心正朝著五軸控制的方向發(fā)展。五軸聯(lián)動加工中心具有高效率、高精度的特點,工件一次裝夾就可完成五面體的加工。如配置上五軸聯(lián)動的高檔數(shù)控系統(tǒng),還可以對復(fù)雜的空間曲面進行高精度加工,更能夠適宜像汽車零部件、飛機結(jié)構(gòu)件等現(xiàn)代模具的加工。五軸加工中心的回轉(zhuǎn)軸基本有兩種方式:一種是工作臺回轉(zhuǎn)軸,另一種則是依靠立式主軸頭的回轉(zhuǎn)。3.1工作臺回轉(zhuǎn)式加工中心的設(shè)計和分析在這個類型中,主軸前端是一個回轉(zhuǎn)頭,能自行環(huán)繞Z軸360°旋轉(zhuǎn),成為C軸?；剞D(zhuǎn)頭上還帶有可環(huán)繞X軸旋轉(zhuǎn)的A軸,一般可達±90°以上,實現(xiàn)上述同樣的功能。這種設(shè)置方式的優(yōu)點是主軸加工非常靈活,工作臺也可以設(shè)計得非常大,客機龐大的機身、巨大的發(fā)動機殼都可以在這類加工中心上加工。這種設(shè)計還有一大優(yōu)點,我們在使用球面銑刀加工曲面時,當(dāng)?shù)毒咧行木€垂直于加工面時,由于球面銑刀的頂點線速度為零,頂點切出的工件表面質(zhì)量會很差,采用主軸回轉(zhuǎn)的設(shè)計,令主軸相對工件轉(zhuǎn)過一個角度,使球面銑刀避開頂點切削,保證有一定的線速度,可提高表面加工質(zhì)量。這種結(jié)構(gòu)非常受高精度模具曲面加工的歡迎,這是工作臺回轉(zhuǎn)式加工中心難以做到的。為了達到回轉(zhuǎn)的高精度,高檔的回轉(zhuǎn)軸還配置了圓光柵尺反饋,分度精度都在幾秒以內(nèi),當(dāng)然這類主軸的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,制造成本也較高。3.2雙轉(zhuǎn)臺式的平臺五軸機床設(shè)置在機床身上的工作臺可以環(huán)繞X軸回轉(zhuǎn),定義為A軸,A軸一般工作范圍+30°~-120°。工作臺的中間還設(shè)有一個回轉(zhuǎn)臺,可以環(huán)繞Z軸回轉(zhuǎn),定義為C軸,C軸是360°回轉(zhuǎn)的。這樣通過A軸與C軸的組合,固定在工作臺上的工件除了底面之外,其余的五個面都可以由立式主軸進行加工。A軸和C軸最小分度值一般為0.001°,這樣又可以把工件細分成任意角度,加工出傾斜面、傾斜孔等。A軸和C軸如與X、Y、Z三直線軸實現(xiàn)聯(lián)動,就可加工出復(fù)雜的空間曲面,當(dāng)然這需要高檔的數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)以及軟件的支持。這種設(shè)置方式的優(yōu)點是主軸的結(jié)構(gòu)比較簡單,主軸剛性非常好,制造成本比較低。但一般工作臺不能設(shè)計太大,承重也較小,特別是當(dāng)A軸回轉(zhuǎn)大于等于90°時,工件切削時會對工作臺帶來很大的承載力矩。數(shù)控機床中常用的回轉(zhuǎn)工作臺有分度工作臺和數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺,它們的功用各不相同。分度工作臺的功用只是將工件轉(zhuǎn)位換面,和自動換刀裝置配合使用,實現(xiàn)工件一次安裝能完成幾個面的多種工序,提高工作效率;數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺除了分度和轉(zhuǎn)位的功能之外,還能實現(xiàn)數(shù)控圓周進給運動。分度工作臺的分度精度要求較高(普通級±10″、精密級±5″、高精密級±3″)。3.2.1定位元件的選取分度工作臺的分度、轉(zhuǎn)位和定位工作,是按照控制系統(tǒng)的指令自動地進行,每次轉(zhuǎn)位回轉(zhuǎn)一定角度(5°、10°、15°、30°、45°、90°、180°),但實現(xiàn)工作臺轉(zhuǎn)位的機構(gòu)都很難達到分度精度的要求,所以要有專門的定位元件來保證。因此定位元件往往是分度工作臺的關(guān)鍵。常用的定位元件有插銷定位、反靠定位、齒盤定位和鋼球定位等幾種。齒盤定位的分度工作臺能達到很高的分度定位精度,一般為±3″,最高可達±0.4″。能承受很大的外載,定位剛度高,精度保持性好。實際上,由于齒盤嚙合、脫開相當(dāng)于兩齒盤對研過程,因此,隨著齒盤使用時間的延續(xù),其定位精度還有不斷提高的趨勢。齒盤定位的分度工作臺廣泛用于數(shù)控機床、組合機床或其他專用機床。3.2.2數(shù)控轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)特點在數(shù)控機床上一般由數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺來實現(xiàn)圓周進給運動。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(簡稱數(shù)控轉(zhuǎn)臺)除了可以實現(xiàn)圓周進給運動之外,還可以完成分度運動。數(shù)控轉(zhuǎn)臺的外形和分度工作臺沒有多大差別,但在結(jié)構(gòu)上則具有一系列的特點。由于數(shù)控轉(zhuǎn)臺能實現(xiàn)進給運動,所以它在結(jié)構(gòu)上和數(shù)控機床的進給驅(qū)動機構(gòu)有許多共同之處。不同點是驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)的是直線進給運動,而數(shù)控轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)的是圓周進給運動。數(shù)控轉(zhuǎn)臺可分為開環(huán)和閉環(huán)兩種。3.2.2.脈沖分量的選取及步距角開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作是由步進電機按指令脈沖的要求來確定數(shù)控轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)方向、回轉(zhuǎn)速度、回轉(zhuǎn)角度。數(shù)控轉(zhuǎn)臺的脈沖當(dāng)量是指數(shù)控轉(zhuǎn)臺每個脈沖所回轉(zhuǎn)的角度(度/脈沖),有的小到0.001°/脈沖,有的大到2°/脈沖,設(shè)計時可根據(jù)加工精度的要求和數(shù)控轉(zhuǎn)臺直徑大小來選定。一般加工精度愈高,脈沖當(dāng)量應(yīng)選得愈小;數(shù)控轉(zhuǎn)臺直徑愈大,脈沖當(dāng)量應(yīng)選得愈小。但也不能盲目追求過小的脈沖當(dāng)量。脈沖當(dāng)量δ選定后,根據(jù)步進電機的脈沖步距角θ就可決定減速齒輪和渦輪副的傳動比:式中Z1,Z2—分別為主動、被動齒輪齒數(shù);Z3,Z4—分別為蝸桿頭數(shù)和蝸輪齒數(shù)。在確定Z1,Z2,Z3,Z4時,一方面要滿足傳動比的要求,同時也要考慮到結(jié)構(gòu)的限制。3.2.2.轉(zhuǎn)臺定位精度好閉環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)與開環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺大致相同,其區(qū)別在于:閉環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺有轉(zhuǎn)動角度的測量元件(圓光柵或圓感應(yīng)同步器)。所測量的結(jié)果反饋回去與指令值進行比較,按閉環(huán)原理進行工作,使轉(zhuǎn)臺定位精度更高。有一些數(shù)控轉(zhuǎn)臺上,采用伺服電機軸端帶測速發(fā)電機和旋轉(zhuǎn)變壓器,或帶脈沖編碼盤,直接反饋電機軸的轉(zhuǎn)速和角位移,進行半閉環(huán)控制。4實現(xiàn)同時控制、五軸聯(lián)動由于五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)價格十分昂貴,加之NC程序制作較難,使五軸系統(tǒng)難以“平民”化。現(xiàn)在很多的工廠都在這幾年或幾年前購置了三軸聯(lián)動的數(shù)控銑床,即能實現(xiàn)X、Y、Z三個軸方向的同時平動。如果再配上一個數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺,能實現(xiàn)繞X軸、Z軸旋轉(zhuǎn)(即A軸和C軸),再完成數(shù)控部分的改造,實現(xiàn)同時控制即能實現(xiàn)五軸聯(lián)動。這樣即可減少固定資產(chǎn)的無形磨損,又避免購置新機的大量資金投入。4.1工作臺的工作分度第一,使工作臺進行圓周進給完成切削工作;第二,使工作臺進行分度工作。它按照控制系統(tǒng)的命令,在需要時完成上述任務(wù)。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺由伺服電動機驅(qū)動,采用無級變速方式工作,所以定位精度完全由控制系統(tǒng)決定。4.2齒輪回轉(zhuǎn)工作臺的工作原理本文中設(shè)計的產(chǎn)品見圖2(見下頁)屬于閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺,兩個旋轉(zhuǎn)編碼器分別位于與工作臺固接的軸端和支撐座的尾端,能將旋轉(zhuǎn)后的位置準(zhǔn)確的反饋回系統(tǒng)。這種數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺由交流伺服電動機驅(qū)動,在它的輸出軸上接連軸器,再接一級齒輪減速器。該數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺由圓柱齒輪傳動系統(tǒng)、渦輪渦桿傳動系統(tǒng)、間隙消除裝置及蝸輪夾緊裝置組成。因為是渦輪渦桿傳動與分度,所以停位不受限,并不像端齒分度盤一樣,只能分度固定的角度的整數(shù)倍(5°、10°、15°等),而且偏轉(zhuǎn)范圍較大(110°~-70°),能加工任何角度與傾斜度的孔與表面。齒的側(cè)隙是靠齒輪制造精度和安裝精度來保持。大齒輪的支撐軸與渦桿軸做成一個軸,這種聯(lián)結(jié)方式能增大連接的剛性和精度,更能減少功率的損耗。其工作原理簡述如下:回轉(zhuǎn)工作臺的運動由交流侍服電機驅(qū)動圓柱齒輪傳動,帶動渦輪渦桿系統(tǒng),使工作臺旋轉(zhuǎn)。當(dāng)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺接到數(shù)控系統(tǒng)的指令后,首先松開圓周運動部分的渦輪夾緊裝置,松開渦輪,然后啟動交流侍服電機,按數(shù)控指令確定工作臺的回轉(zhuǎn)方向、回轉(zhuǎn)速度及回轉(zhuǎn)角度大小等參數(shù)。擺動部分的工作原理與此相同。需要說明的是,當(dāng)工作臺靜止時必須處于鎖緊狀態(tài),工作臺沿其圓周方向均勻分布6個夾緊液壓缸進行夾緊。當(dāng)工作臺不回轉(zhuǎn)時,夾緊油缸在液壓油的作用下向外運動,通過鎖緊塊僅僅頂在渦輪內(nèi)壁,從而鎖緊工作臺。當(dāng)工作臺需要回轉(zhuǎn)時,數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令,反向重復(fù)上述動作,松開渦輪,使渦輪和回轉(zhuǎn)工作臺按照控制系統(tǒng)的指令進行回轉(zhuǎn)運動。5擺動部分的設(shè)計由圖2可知,整個數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺按照功用不同可以分為兩個組成部分,即圓周回轉(zhuǎn)部分和擺動部分,在圓周回轉(zhuǎn)部分和擺動部分中,又可以按照傳動結(jié)構(gòu)分為兩個部分,即齒輪傳動部分和蝸輪蝸桿傳動部分,見圖3。以下將簡單說明一下計算和設(shè)計過程。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺圓周回轉(zhuǎn)部分的計算主要分為兩個部分,即齒輪傳動部分和渦輪渦桿傳動部分的設(shè)計、計算。5.1.1齒輪形狀設(shè)計缺乏設(shè)計這是很常規(guī)的計算。主要包括以下內(nèi)容:材料選擇、精度及參數(shù)選擇、螺旋角選擇、齒寬系數(shù)確定、計算齒輪各個直徑、中心距、齒輪寬度、齒面接觸強度設(shè)計、校核彎曲疲勞強度等等。具體過程和步驟可參見相關(guān)手冊,此處從略。5.1.2渦式渦桿傳動設(shè)計主要包括以下內(nèi)容:渦輪渦桿材料、硬度、頭數(shù)、齒數(shù)、螺旋升角、渦輪齒寬、彎曲疲勞強度校核、效率計算、熱平衡計算等等。此處從略。5.2設(shè)計和計算擺動部分與圓周回轉(zhuǎn)部分的設(shè)計過程完全相同,不再贅述。6數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺主要部件是關(guān)鍵部件機床產(chǎn)品的很多單元技術(shù)都孕育在關(guān)鍵功能部件之中。在數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺中,其主要部件——渦輪渦桿調(diào)隙結(jié)構(gòu)、閉環(huán)檢測結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)部位鎖緊裝置、潤滑與密封等部位均屬于關(guān)鍵部件。6.1雙螺距漸厚渦流的齒輪傳動的模數(shù)在數(shù)控機床中,分度工作臺、數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺都廣泛采用渦桿渦輪傳動。渦輪副的嚙合側(cè)隙對其分度定位精度影響最大,因此消除渦輪副的側(cè)隙就成為數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的關(guān)鍵問題。一般在要求連續(xù)精確分度的機構(gòu)中(如齒輪加工機床、數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺等)或為了避免傳動機構(gòu)因承受脈動載荷(如斷續(xù)銑削)而引起扭轉(zhuǎn)振動的場合往往采用雙螺距漸厚渦桿,以便調(diào)整嚙合側(cè)隙到最小限度。雙螺距漸厚渦桿與普通渦桿的區(qū)別是:雙螺距漸厚渦桿齒的左、右兩側(cè)面具有不同的齒距(導(dǎo)程);而同一側(cè)面的齒距(導(dǎo)程)則是相等的(圖4)。雙螺距漸厚渦桿副的嚙合原理與一般渦桿副嚙合原理相同,渦桿的軸向截面仍相當(dāng)于基本齒條,渦輪則相當(dāng)于同它嚙合的齒輪。由于渦桿齒左、右兩側(cè)面具有不同的齒距,即左、右兩側(cè)面具有不同的模數(shù)m(m=t/π)。因而同一側(cè)面的齒距相同,故沒有破壞嚙合條件。雙螺距漸厚渦桿傳動的公稱模數(shù)m可看成普通渦輪副的軸向模數(shù),一般等于左、右齒面模數(shù)的平均值。此渦桿齒厚從頭到尾逐漸增厚。但由于同一側(cè)的螺距是相同的,所以仍然可以保持正常的嚙合。因此,可用軸向移動渦桿的方法來消除渦桿與渦輪的齒側(cè)隙。從圖5中知道,渦桿左側(cè)的齒矩為t左,右側(cè)的齒距為t右,中間齒距為t中。當(dāng)t右>t左時s1=t左-c1s2=t右-c1相鄰兩齒厚的差值Δs=s2-s1=t右-t左不難看出,任意兩相鄰齒厚之差(沿同一軸向截面上)都是Δs=si+1-si=t右-t左,這樣的渦桿從左到右齒厚漸厚,當(dāng)渦桿向左移動時,嚙合側(cè)隙將會逐漸減小。同理,當(dāng)t左>t右時,從左到右齒厚漸薄,當(dāng)渦桿向左移動時,嚙合側(cè)隙將會逐漸變大。圖5是依靠改變調(diào)整環(huán)的厚度,即可使渦桿軸向移動,以便調(diào)整渦桿渦輪嚙合側(cè)隙。6.2閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)臺考慮到機器性能要求的精密性以及加工的準(zhǔn)確性,還要與數(shù)控銑床相連成為精密的五軸機床。因此要求系統(tǒng)為閉環(huán),即設(shè)計一閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)臺。所以選用FAGRO公司的兩個ENCODERH-90型旋轉(zhuǎn)編碼器分別安裝在與回轉(zhuǎn)臺連接的軸末端和擺動支座軸末端。這樣即使在傳動過程中有誤差或間隙也可在反饋后得到數(shù)控系統(tǒng)的補償。6.3密封裝置和密封力的計算6.3.1主閥頂緊力在數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的回轉(zhuǎn)部分,渦輪內(nèi)壁采用的是液壓缸直接頂緊,用鎖緊膠木塊與渦輪內(nèi)圈的摩擦力來鎖緊。鎖緊力計算過程舉例如下:單缸頂緊力F1=p·s=20×314.2=6283N單缸鎖緊力Fr=FDμ=6283×0.3=1884.9N單缸鎖緊力矩T1=FTR=1884.9×0.095=179M·m則總鎖緊力矩T總=6T1=6×179=1074N·m與FIBRO公司的產(chǎn)品TRT340~400規(guī)格的產(chǎn)品鎖緊力85kgf·m稍大,能符合要求。6.3.2減少油壓力不穩(wěn)定切削特性對于擺動部分的鎖緊是根據(jù)FIBRO公司的專利性產(chǎn)品“油壓環(huán)抱式鎖緊裝置”構(gòu)思而成。將此裝置套在擺動軸渦輪輪轂上,能大面積的鎖緊擺動部分,鎖緊時圓周表面緊密配合,減少了盤面壓力不穩(wěn)定的起伏,所以具有高剛性和耐重切削的特性(圖6)。鎖緊力計算舉例如下:例:輸入油壓20MPa,鎖住面積:油壓環(huán)長50mm,保守估計60%接觸。則總面積s=πdl60%=π×115×50×60%=10838.5mm2鎖緊力F=psμ=20×10838.5×0.2=43354N鎖緊力矩T=FR=43354×57.5×103=2482.8N·m比FIBRO公司的產(chǎn)品擺動部分的鎖緊力100kgf·m更大一些,能符合要求,可以耐重切削。6.4潤潤油6.4.1噴油潤滑軸承因為回轉(zhuǎn)部分有較大的擺動角度(110°~-70°),所以雖然渦輪渦桿及齒輪傳動都是在箱體內(nèi),也不能采用常規(guī)的甩油潤滑。再者箱蓋或工作臺與箱座或回轉(zhuǎn)下箱之間不可能有很好的密封,在傾斜時會將存于箱底的油倒出,沒法再甩油。所以回轉(zhuǎn)部分都應(yīng)選用循環(huán)噴油潤滑。但在裝配時軸承部分要先