數控回轉臺車的設計

1機床是中國制造業(yè)水平的最高境界近年來，隨著我國經濟和信息化的快速發(fā)展，以及國防的需要，高質量的數據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、新產品的開發(fā)和現代工業(yè)生產提供重要的手段,是不可或缺的戰(zhàn)略性產業(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動數控機床系統(tǒng)。從某種意義上說,五軸聯動數控機床系統(tǒng)反映了一個國家的工業(yè)發(fā)展水平狀況。2軸加工特點數控機床加工某些零件時,除需要有沿X、Y、Z三個坐標軸的直線進給運動之外,還需要有繞X、Y、Z三個坐標軸的圓周進給運動,分別稱為A、B、C軸。五軸聯動機床也稱五坐標機床,它是在三個平動軸(沿X、Y、Z軸的直線運動)的基礎上增加了兩個轉動軸(能實現繞X軸、Z軸旋轉運動,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任意可控,由此使五坐標加工工具有以下特點:a.可避免刀具干涉,加工普通三坐標機床難以加工的復雜零件,加工適應性廣,如圖1(a)所示。b.對于直紋面類零件,可采用側銑方式一刀成型,加工質量好、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,走刀次數少,殘余高度小,可大大提高加工效率與表面質量,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在,大家普遍認為,五軸聯動數控機床系統(tǒng)是解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發(fā)電機轉子、汽輪機轉子、大型柴油機曲軸等加工的唯一手段。所以,每當人們在設計、研制復雜曲面遇到無法解決的難題時,往往轉向求助于五軸數控系統(tǒng)。3軸聯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。如配置上五軸聯動的高檔數控系統(tǒng),還可以對復雜的空間曲面進行高精度加工,更能夠適宜像汽車零部件、飛機結構件等現代模具的加工。五軸加工中心的回轉軸基本有兩種方式:一種是工作臺回轉軸,另一種則是依靠立式主軸頭的回轉。3.1工作臺回轉式加工中心的設計和分析在這個類型中,主軸前端是一個回轉頭,能自行環(huán)繞Z軸360°旋轉,成為C軸?；剞D頭上還帶有可環(huán)繞X軸旋轉的A軸,一般可達±90°以上,實現上述同樣的功能。這種設置方式的優(yōu)點是主軸加工非常靈活,工作臺也可以設計得非常大,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。這種設計還有一大優(yōu)點,我們在使用球面銑刀加工曲面時,當刀具中心線垂直于加工面時,由于球面銑刀的頂點線速度為零,頂點切出的工件表面質量會很差,采用主軸回轉的設計,令主軸相對工件轉過一個角度,使球面銑刀避開頂點切削,保證有一定的線速度,可提高表面加工質量。這種結構非常受高精度模具曲面加工的歡迎,這是工作臺回轉式加工中心難以做到的。為了達到回轉的高精度,高檔的回轉軸還配置了圓光柵尺反饋,分度精度都在幾秒以內,當然這類主軸的回轉結構比較復雜,制造成本也較高。3.2雙轉臺式的平臺五軸機床設置在機床身上的工作臺可以環(huán)繞X軸回轉,定義為A軸,A軸一般工作范圍+30°~-120°。工作臺的中間還設有一個回轉臺,可以環(huán)繞Z軸回轉,定義為C軸,C軸是360°回轉的。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三直線軸實現聯動,就可加工出復雜的空間曲面,當然這需要高檔的數控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)以及軟件的支持。這種設置方式的優(yōu)點是主軸的結構比較簡單,主軸剛性非常好,制造成本比較低。但一般工作臺不能設計太大,承重也較小,特別是當A軸回轉大于等于90°時,工件切削時會對工作臺帶來很大的承載力矩。數控機床中常用的回轉工作臺有分度工作臺和數控回轉工作臺,它們的功用各不相同。分度工作臺的功用只是將工件轉位換面,和自動換刀裝置配合使用,實現工件一次安裝能完成幾個面的多種工序,提高工作效率;數控回轉工作臺除了分度和轉位的功能之外,還能實現數控圓周進給運動。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,每次轉位回轉一定角度(5°、10°、15°、30°、45°、90°、180°),但實現工作臺轉位的機構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控機床、組合機床或其他專用機床。3.2.2數控轉臺的結構特點在數控機床上一般由數控回轉工作臺來實現圓周進給運動。數控回轉工作臺(簡稱數控轉臺)除了可以實現圓周進給運動之外,還可以完成分度運動。數控轉臺的外形和分度工作臺沒有多大差別,但在結構上則具有一系列的特點。由于數控轉臺能實現進給運動,所以它在結構上和數控機床的進給驅動機構有許多共同之處。不同點是驅動機構實現的是直線進給運動,而數控轉臺實現的是圓周進給運動。數控轉臺可分為開環(huán)和閉環(huán)兩種。3.2.2.脈沖分量的選取及步距角開環(huán)數控回轉工作是由步進電機按指令脈沖的要求來確定數控轉臺的回轉方向、回轉速度、回轉角度。數控轉臺的脈沖當量是指數控轉臺每個脈沖所回轉的角度(度/脈沖),有的小到0.001°/脈沖,有的大到2°/脈沖,設計時可根據加工精度的要求和數控轉臺直徑大小來選定。一般加工精度愈高,脈沖當量應選得愈小;數控轉臺直徑愈大,脈沖當量應選得愈小。但也不能盲目追求過小的脈沖當量。脈沖當量δ選定后,根據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;Z3,Z4—分別為蝸桿頭數和蝸輪齒數。在確定Z1,Z2,Z3,Z4時,一方面要滿足傳動比的要求,同時也要考慮到結構的限制。3.2.2.轉臺定位精度好閉環(huán)數控轉臺的結構與開環(huán)數控轉臺大致相同,其區(qū)別在于:閉環(huán)數控轉臺有轉動角度的測量元件(圓光柵或圓感應同步器)。所測量的結果反饋回去與指令值進行比較,按閉環(huán)原理進行工作,使轉臺定位精度更高。有一些數控轉臺上,采用伺服電機軸端帶測速發(fā)電機和旋轉變壓器,或帶脈沖編碼盤,直接反饋電機軸的轉速和角位移,進行半閉環(huán)控制。4實現同時控制、五軸聯動由于五軸聯動數控機床系統(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?，F在很多的工廠都在這幾年或幾年前購置了三軸聯動的數控銑床,即能實現X、Y、Z三個軸方向的同時平動。如果再配上一個數控回轉工作臺,能實現繞X軸、Z軸旋轉(即A軸和C軸),再完成數控部分的改造,實現同時控制即能實現五軸聯動。這樣即可減少固定資產的無形磨損,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。數控回轉工作臺由伺服電動機驅動,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齒輪回轉工作臺的工作原理本文中設計的產品見圖2(見下頁)屬于閉環(huán)數控回轉工作臺,兩個旋轉編碼器分別位于與工作臺固接的軸端和支撐座的尾端,能將旋轉后的位置準確的反饋回系統(tǒng)。這種數控回轉工作臺由交流伺服電動機驅動,在它的輸出軸上接連軸器,再接一級齒輪減速器。該數控回轉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倍(5°、10°、15°等),而且偏轉范圍較大(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,這種聯結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:回轉工作臺的運動由交流侍服電機驅動圓柱齒輪傳動,帶動渦輪渦桿系統(tǒng),使工作臺旋轉。當數控回轉工作臺接到數控系統(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,按數控指令確定工作臺的回轉方向、回轉速度及回轉角度大小等參數。擺動部分的工作原理與此相同。需要說明的是,當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。當工作臺不回轉時,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壁,從而鎖緊工作臺。當工作臺需要回轉時,數控系統(tǒng)發(fā)出指令,反向重復上述動作,松開渦輪,使渦輪和回轉工作臺按照控制系統(tǒng)的指令進行回轉運動。5擺動部分的設計由圖2可知,整個數控回轉工作臺按照功用不同可以分為兩個組成部分,即圓周回轉部分和擺動部分,在圓周回轉部分和擺動部分中,又可以按照傳動結構分為兩個部分,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計過程。數控回轉工作臺圓周回轉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計、計算。5.1.1齒輪形狀設計缺乏設計這是很常規(guī)的計算。主要包括以下內容:材料選擇、精度及參數選擇、螺旋角選擇、齒寬系數確定、計算齒輪各個直徑、中心距、齒輪寬度、齒面接觸強度設計、校核彎曲疲勞強度等等。具體過程和步驟可參見相關手冊,此處從略。5.1.2渦式渦桿傳動設計主要包括以下內容:渦輪渦桿材料、硬度、頭數、齒數、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設計和計算擺動部分與圓周回轉部分的設計過程完全相同,不再贅述。6數控回轉工作臺主要部件是關鍵部件機床產品的很多單元技術都孕育在關鍵功能部件之中。在數控回轉工作臺中,其主要部件——渦輪渦桿調隙結構、閉環(huán)檢測結構、回轉部位鎖緊裝置、潤滑與密封等部位均屬于關鍵部件。6.1雙螺距漸厚渦流的齒輪傳動的模數在數控機床中,分度工作臺、數控回轉工作臺都廣泛采用渦桿渦輪傳動。渦輪副的嚙合側隙對其分度定位精度影響最大,因此消除渦輪副的側隙就成為數控回轉工作臺的關鍵問題。一般在要求連續(xù)精確分度的機構中(如齒輪加工機床、數控回轉工作臺等)或為了避免傳動機構因承受脈動載荷(如斷續(xù)銑削)而引起扭轉振動的場合往往采用雙螺距漸厚渦桿,以便調整嚙合側隙到最小限度。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、右兩側面具有不同的齒距(導程);而同一側面的齒距(導程)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于基本齒條,渦輪則相當于同它嚙合的齒輪。由于渦桿齒左、右兩側面具有不同的齒距,即左、右兩側面具有不同的模數m(m=t/π)。因而同一側面的齒距相同,故沒有破壞嚙合條件。雙螺距漸厚渦桿傳動的公稱模數m可看成普通渦輪副的軸向模數,一般等于左、右齒面模數的平均值。此渦桿齒厚從頭到尾逐漸增厚。但由于同一側的螺距是相同的,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隙。從圖5中知道,渦桿左側的齒矩為t左,右側的齒距為t右,中間齒距為t中。當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,當渦桿向左移動時,嚙合側隙將會逐漸減小。同理,當t左>t右時,從左到右齒厚漸薄,當渦桿向左移動時,嚙合側隙將會逐漸變大。圖5是依靠改變調整環(huán)的厚度,即可使渦桿軸向移動,以便調整渦桿渦輪嚙合側隙。6.2閉環(huán)數控回轉臺考慮到機器性能要求的精密性以及加工的準確性,還要與數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),即設計一閉環(huán)數控回轉臺。所以選用FAGRO公司的兩個ENCODERH-90型旋轉編碼器分別安裝在與回轉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主閥頂緊力在數控回轉工作臺的回轉部分,渦輪內壁采用的是液壓缸直接頂緊,用鎖緊膠木塊與渦輪內圈的摩擦力來鎖緊。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公司的產品TRT340~400規(guī)格的產品鎖緊力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FIBRO公司的專利性產品“油壓環(huán)抱式鎖緊裝置”構思而成。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,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。所以回轉部分都應選用循環(huán)噴油潤滑。但在裝配時軸承部分要先