数控回转台车的设计

数控回转台车的设计

1机床是中国制造业水平的最高境界近年来，随着我国经济和信息化的快速发展，以及国防的需要，高质量的数据机床提出了巨大的需求。机床制造业是一国工业之基石,它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供重要的手段,是不可或缺的战略性产业。即使是发达工业化国家,也无不高度重视。机床是一个国家制造业水平的象征,代表机床制造业最高境界的则是五轴联动数控机床系统。从某种意义上说,五轴联动数控机床系统反映了一个国家的工业发展水平状况。2轴加工特点数控机床加工某些零件时,除需要有沿X、Y、Z三个坐标轴的直线进给运动之外,还需要有绕X、Y、Z三个坐标轴的圆周进给运动,分别称为A、B、C轴。五轴联动机床也称五坐标机床,它是在三个平动轴(沿X、Y、Z轴的直线运动)的基础上增加了两个转动轴(能实现绕X轴、Z轴旋转运动,即A轴和C轴),不仅可使刀具相对于工件的位置任意可控,而且刀具轴线相对于工件的方向也在一定范围内任意可控,由此使五坐标加工工具有以下特点:a.可避免刀具干涉,加工普通三坐标机床难以加工的复杂零件,加工适应性广,如图1(a)所示。b.对于直纹面类零件,可采用侧铣方式一刀成型,加工质量好、效率高,如图1(b)所示。c.对一般立体型面特别是较为平坦的大型表面,可用大直径端铣刀端面逼近表面进行加工,走刀次数少,残余高度小,可大大提高加工效率与表面质量,如图1(c)所示。d.对工件上的多个空间表面可一次装夹进行多面、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,如图1(d)所示。e.五轴加工时,刀具相对于工件表面可处于最有效的切削状态。例如使用球头刀时可避免球头底部切削,如图1(e)所示,利于提高加工效率。同时,由于切削状态可保持不变,刀具受力情况一致,变形一致,可使整个零件表面上的误差分布比较均匀,这对于保证某些高速回转零件的平衡性能具有重要作用。f.在某些加工场合,如空间受到限制的通道加工或组合曲面的过渡区域加工,可采用较大尺寸的刀具避开干涉,刀具刚性好,有利于提高加工效率与精度,如图1(f)所示。现在,大家普遍认为,五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等加工的唯一手段。所以,每当人们在设计、研制复杂曲面遇到无法解决的难题时,往往转向求助于五轴数控系统。3轴联动加工中心加工中心一般分为立式加工中心和卧式加工中心,立式加工中心(三轴)最有效的加工面仅为工件的顶面,卧式加工中心借助回转工作台,也只能完成工件的四面加工。目前高档的加工中心正朝着五轴控制的方向发展。五轴联动加工中心具有高效率、高精度的特点,工件一次装夹就可完成五面体的加工。如配置上五轴联动的高档数控系统,还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工,更能够适宜像汽车零部件、飞机结构件等现代模具的加工。五轴加工中心的回转轴基本有两种方式:一种是工作台回转轴,另一种则是依靠立式主轴头的回转。3.1工作台回转式加工中心的设计和分析在这个类型中,主轴前端是一个回转头,能自行环绕Z轴360°旋转,成为C轴。回转头上还带有可环绕X轴旋转的A轴,一般可达±90°以上,实现上述同样的功能。这种设置方式的优点是主轴加工非常灵活,工作台也可以设计得非常大,客机庞大的机身、巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。这种设计还有一大优点,我们在使用球面铣刀加工曲面时,当刀具中心线垂直于加工面时,由于球面铣刀的顶点线速度为零,顶点切出的工件表面质量会很差,采用主轴回转的设计,令主轴相对工件转过一个角度,使球面铣刀避开顶点切削,保证有一定的线速度,可提高表面加工质量。这种结构非常受高精度模具曲面加工的欢迎,这是工作台回转式加工中心难以做到的。为了达到回转的高精度,高档的回转轴还配置了圆光栅尺反馈,分度精度都在几秒以内,当然这类主轴的回转结构比较复杂,制造成本也较高。3.2双转台式的平台五轴机床设置在机床身上的工作台可以环绕X轴回转,定义为A轴,A轴一般工作范围+30°~-120°。工作台的中间还设有一个回转台,可以环绕Z轴回转,定义为C轴,C轴是360°回转的。这样通过A轴与C轴的组合,固定在工作台上的工件除了底面之外,其余的五个面都可以由立式主轴进行加工。A轴和C轴最小分度值一般为0.001°,这样又可以把工件细分成任意角度,加工出倾斜面、倾斜孔等。A轴和C轴如与X、Y、Z三直线轴实现联动,就可加工出复杂的空间曲面,当然这需要高档的数控系统、伺服系统以及软件的支持。这种设置方式的优点是主轴的结构比较简单,主轴刚性非常好,制造成本比较低。但一般工作台不能设计太大,承重也较小,特别是当A轴回转大于等于90°时,工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。数控机床中常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台,它们的功用各不相同。分度工作台的功用只是将工件转位换面,和自动换刀装置配合使用,实现工件一次安装能完成几个面的多种工序,提高工作效率;数控回转工作台除了分度和转位的功能之外,还能实现数控圆周进给运动。分度工作台的分度精度要求较高(普通级±10″、精密级±5″、高精密级±3″)。3.2.1定位元件的选取分度工作台的分度、转位和定位工作,是按照控制系统的指令自动地进行,每次转位回转一定角度(5°、10°、15°、30°、45°、90°、180°),但实现工作台转位的机构都很难达到分度精度的要求,所以要有专门的定位元件来保证。因此定位元件往往是分度工作台的关键。常用的定位元件有插销定位、反靠定位、齿盘定位和钢球定位等几种。齿盘定位的分度工作台能达到很高的分度定位精度,一般为±3″,最高可达±0.4″。能承受很大的外载,定位刚度高,精度保持性好。实际上,由于齿盘啮合、脱开相当于两齿盘对研过程,因此,随着齿盘使用时间的延续,其定位精度还有不断提高的趋势。齿盘定位的分度工作台广泛用于数控机床、组合机床或其他专用机床。3.2.2数控转台的结构特点在数控机床上一般由数控回转工作台来实现圆周进给运动。数控回转工作台(简称数控转台)除了可以实现圆周进给运动之外,还可以完成分度运动。数控转台的外形和分度工作台没有多大差别,但在结构上则具有一系列的特点。由于数控转台能实现进给运动,所以它在结构上和数控机床的进给驱动机构有许多共同之处。不同点是驱动机构实现的是直线进给运动,而数控转台实现的是圆周进给运动。数控转台可分为开环和闭环两种。3.2.2.脉冲分量的选取及步距角开环数控回转工作是由步进电机按指令脉冲的要求来确定数控转台的回转方向、回转速度、回转角度。数控转台的脉冲当量是指数控转台每个脉冲所回转的角度(度/脉冲),有的小到0.001°/脉冲,有的大到2°/脉冲,设计时可根据加工精度的要求和数控转台直径大小来选定。一般加工精度愈高,脉冲当量应选得愈小;数控转台直径愈大,脉冲当量应选得愈小。但也不能盲目追求过小的脉冲当量。脉冲当量δ选定后,根据步进电机的脉冲步距角θ就可决定减速齿轮和涡轮副的传动比:式中Z1,Z2—分别为主动、被动齿轮齿数;Z3,Z4—分别为蜗杆头数和蜗轮齿数。在确定Z1,Z2,Z3,Z4时,一方面要满足传动比的要求,同时也要考虑到结构的限制。3.2.2.转台定位精度好闭环数控转台的结构与开环数控转台大致相同,其区别在于:闭环数控转台有转动角度的测量元件(圆光栅或圆感应同步器)。所测量的结果反馈回去与指令值进行比较,按闭环原理进行工作,使转台定位精度更高。有一些数控转台上,采用伺服电机轴端带测速发电机和旋转变压器,或带脉冲编码盘,直接反馈电机轴的转速和角位移,进行半闭环控制。4实现同时控制、五轴联动由于五轴联动数控机床系统价格十分昂贵,加之NC程序制作较难,使五轴系统难以“平民”化。现在很多的工厂都在这几年或几年前购置了三轴联动的数控铣床,即能实现X、Y、Z三个轴方向的同时平动。如果再配上一个数控回转工作台,能实现绕X轴、Z轴旋转(即A轴和C轴),再完成数控部分的改造,实现同时控制即能实现五轴联动。这样即可减少固定资产的无形磨损,又避免购置新机的大量资金投入。4.1工作台的工作分度第一,使工作台进行圆周进给完成切削工作;第二,使工作台进行分度工作。它按照控制系统的命令,在需要时完成上述任务。数控回转工作台由伺服电动机驱动,采用无级变速方式工作,所以定位精度完全由控制系统决定。4.2齿轮回转工作台的工作原理本文中设计的产品见图2(见下页)属于闭环数控回转工作台,两个旋转编码器分别位于与工作台固接的轴端和支撑座的尾端,能将旋转后的位置准确的反馈回系统。这种数控回转工作台由交流伺服电动机驱动,在它的输出轴上接连轴器,再接一级齿轮减速器。该数控回转工作台由圆柱齿轮传动系统、涡轮涡杆传动系统、间隙消除装置及蜗轮夹紧装置组成。因为是涡轮涡杆传动与分度,所以停位不受限,并不像端齿分度盘一样,只能分度固定的角度的整数倍(5°、10°、15°等),而且偏转范围较大(110°~-70°),能加工任何角度与倾斜度的孔与表面。齿的侧隙是靠齿轮制造精度和安装精度来保持。大齿轮的支撑轴与涡杆轴做成一个轴,这种联结方式能增大连接的刚性和精度,更能减少功率的损耗。其工作原理简述如下:回转工作台的运动由交流侍服电机驱动圆柱齿轮传动,带动涡轮涡杆系统,使工作台旋转。当数控回转工作台接到数控系统的指令后,首先松开圆周运动部分的涡轮夹紧装置,松开涡轮,然后启动交流侍服电机,按数控指令确定工作台的回转方向、回转速度及回转角度大小等参数。摆动部分的工作原理与此相同。需要说明的是,当工作台静止时必须处于锁紧状态,工作台沿其圆周方向均匀分布6个夹紧液压缸进行夹紧。当工作台不回转时,夹紧油缸在液压油的作用下向外运动,通过锁紧块仅仅顶在涡轮内壁,从而锁紧工作台。当工作台需要回转时,数控系统发出指令,反向重复上述动作,松开涡轮,使涡轮和回转工作台按照控制系统的指令进行回转运动。5摆动部分的设计由图2可知,整个数控回转工作台按照功用不同可以分为两个组成部分,即圆周回转部分和摆动部分,在圆周回转部分和摆动部分中,又可以按照传动结构分为两个部分,即齿轮传动部分和蜗轮蜗杆传动部分,见图3。以下将简单说明一下计算和设计过程。数控回转工作台圆周回转部分的计算主要分为两个部分,即齿轮传动部分和涡轮涡杆传动部分的设计、计算。5.1.1齿轮形状设计缺乏设计这是很常规的计算。主要包括以下内容:材料选择、精度及参数选择、螺旋角选择、齿宽系数确定、计算齿轮各个直径、中心距、齿轮宽度、齿面接触强度设计、校核弯曲疲劳强度等等。具体过程和步骤可参见相关手册,此处从略。5.1.2涡式涡杆传动设计主要包括以下内容:涡轮涡杆材料、硬度、头数、齿数、螺旋升角、涡轮齿宽、弯曲疲劳强度校核、效率计算、热平衡计算等等。此处从略。5.2设计和计算摆动部分与圆周回转部分的设计过程完全相同,不再赘述。6数控回转工作台主要部件是关键部件机床产品的很多单元技术都孕育在关键功能部件之中。在数控回转工作台中,其主要部件——涡轮涡杆调隙结构、闭环检测结构、回转部位锁紧装置、润滑与密封等部位均属于关键部件。6.1双螺距渐厚涡流的齿轮传动的模数在数控机床中,分度工作台、数控回转工作台都广泛采用涡杆涡轮传动。涡轮副的啮合侧隙对其分度定位精度影响最大,因此消除涡轮副的侧隙就成为数控回转工作台的关键问题。一般在要求连续精确分度的机构中(如齿轮加工机床、数控回转工作台等)或为了避免传动机构因承受脉动载荷(如断续铣削)而引起扭转振动的场合往往采用双螺距渐厚涡杆,以便调整啮合侧隙到最小限度。双螺距渐厚涡杆与普通涡杆的区别是:双螺距渐厚涡杆齿的左、右两侧面具有不同的齿距(导程);而同一侧面的齿距(导程)则是相等的(图4)。双螺距渐厚涡杆副的啮合原理与一般涡杆副啮合原理相同,涡杆的轴向截面仍相当于基本齿条,涡轮则相当于同它啮合的齿轮。由于涡杆齿左、右两侧面具有不同的齿距,即左、右两侧面具有不同的模数m(m=t/π)。因而同一侧面的齿距相同,故没有破坏啮合条件。双螺距渐厚涡杆传动的公称模数m可看成普通涡轮副的轴向模数,一般等于左、右齿面模数的平均值。此涡杆齿厚从头到尾逐渐增厚。但由于同一侧的螺距是相同的,所以仍然可以保持正常的啮合。因此,可用轴向移动涡杆的方法来消除涡杆与涡轮的齿侧隙。从图5中知道,涡杆左侧的齿矩为t左,右侧的齿距为t右,中间齿距为t中。当t右>t左时s1=t左-c1s2=t右-c1相邻两齿厚的差值Δs=s2-s1=t右-t左不难看出,任意两相邻齿厚之差(沿同一轴向截面上)都是Δs=si+1-si=t右-t左,这样的涡杆从左到右齿厚渐厚,当涡杆向左移动时,啮合侧隙将会逐渐减小。同理,当t左>t右时,从左到右齿厚渐薄,当涡杆向左移动时,啮合侧隙将会逐渐变大。图5是依靠改变调整环的厚度,即可使涡杆轴向移动,以便调整涡杆涡轮啮合侧隙。6.2闭环数控回转台考虑到机器性能要求的精密性以及加工的准确性,还要与数控铣床相连成为精密的五轴机床。因此要求系统为闭环,即设计一闭环数控回转台。所以选用FAGRO公司的两个ENCODERH-90型旋转编码器分别安装在与回转台连接的轴末端和摆动支座轴末端。这样即使在传动过程中有误差或间隙也可在反馈后得到数控系统的补偿。6.3密封装置和密封力的计算6.3.1主阀顶紧力在数控回转工作台的回转部分,涡轮内壁采用的是液压缸直接顶紧,用锁紧胶木块与涡轮内圈的摩擦力来锁紧。锁紧力计算过程举例如下:单缸顶紧力F1=p·s=20×314.2=6283N单缸锁紧力Fr=FDμ=6283×0.3=1884.9N单缸锁紧力矩T1=FTR=1884.9×0.095=179M·m则总锁紧力矩T总=6T1=6×179=1074N·m与FIBRO公司的产品TRT340~400规格的产品锁紧力85kgf·m稍大,能符合要求。6.3.2减少油压力不稳定切削特性对于摆动部分的锁紧是根据FIBRO公司的专利性产品“油压环抱式锁紧装置”构思而成。将此装置套在摆动轴涡轮轮毂上,能大面积的锁紧摆动部分,锁紧时圆周表面紧密配合,减少了盘面压力不稳定的起伏,所以具有高刚性和耐重切削的特性(图6)。锁紧力计算举例如下:例:输入油压20MPa,锁住面积:油压环长50mm,保守估计60%接触。则总面积s=πdl60%=π×115×50×60%=10838.5mm2锁紧力F=psμ=20×10838.5×0.2=43354N锁紧力矩T=FR=43354×57.5×103=2482.8N·m比FIBRO公司的产品摆动部分的锁紧力100kgf·m更大一些,能符合要求,可以耐重切削。6.4润润油6.4.1喷油润滑轴承因为回转部分有较大的摆动角度(110°~-70°),所以虽然涡轮涡杆及齿轮传动都是在箱体内,也不能采用常规的甩油润滑。再者箱盖或工作台与箱座或回转下箱之间不可能有很好的密封,在倾斜时会将存于箱底的油倒出,没法再甩油。所以回转部分都应选用循环喷油润滑。但在装配时轴承部分要先