五轴数控机床回转工作台的设计.docx

文章编号 : 1001 - 2265 ( 2009 ) 06 - 0099 - 03五轴数控机床回转工作台的设计刘新宇(中信戴卡轮毂制造股份有限公司技术部 ,河北 秦皇岛066003 )摘要 :双轴数控回转工作台是五轴数控机床的基础部件 ,它能够实现 C , A 轴的回转进给与定位 。在三轴联动的立式数控铣床上增加双轴数控回转工作台 ,并通过数控改造使之成为五轴数控铣床是扩展机床 使用功能的简捷方式 。文章介绍了回转工作台的结构与工作原理 ,重点讨论了双螺距渐厚蜗杆调隙结构 、回转台与摇摆台的回转锁紧装置的结构设计 。关键词 :五轴数控机床 ;数控回转工作台 ;结构 ;中图分类号 : TG659. 023. 1文献标识码 : BRo ta t in g Ta b le D e sign for 5 A x is Num er ica l M a ch in e Too lL IU X in2yu( C IT IA D ica sta l W hee l M anufac tu ring L td. , Q inhuangdao H ebe i 066003 , Ch ina)A b stra c t: 2 2axis tab le is one of the ba sic componen ts in 5 axis num e rica l m ach ine too l, wh ich enab le s the ro ta2 ting feed and a lloca tion be tween A and C axis. A dd ing the 2 axis ro ta ting tab le to the 3 axis ve rtica l num e rica l m illing m ach ine and d igita liza tion a re key step s to tu rn the ve rtica l m ach ine too l to a 5 axis m illing m ach ine. Th is the sis in troduce s the struc tu re and p rinc ip le of ro ta ting tab le, w ith emp ha sis of ro ta ting tab le and lock ing m echan ism.Key word s: 5 axis m illing m ach ine; d igita l con tro l tab le; struc tu re适合中 、小零件的加工 。后一种配置形式由于回转进给机构集中在主轴端 , 结构密集 , 但由于回转进给机构 只驱动主轴头与刀具 , 不受工件重力负荷 , 所以机构可 小巧 、灵活 , 而直线移动的工作台可以设计的非常大 , 所以更适合如客机机身 , 大型发动机机壳 , 大型模具等大型 、重型零件的加工 。 我公司多年前已购置了三轴联动的立式铣削加工中心 , 用于汽车轮毂模具的加工 , 但受其工艺能力的限 制 , 难以实现轮毂模具的高精度自动加工 , 为此决定在 原立式铣削加工中心的基础上配置一个可绕 Z 轴回转的数控工作台和绕 X 轴回转摇摆工作台 , 实现三轴联 动到五轴联动的改造 , 这样既可减少因设备闲置造成 的固定资产无形磨损 , 又避免了购置新机的大量资金 投入 。0 引言五轴数控机床除了有 X、Y、Z 三个直线进给轴之 外 , 还有两个回转进给轴 , 由于能在一次装夹中 , 可以 加工出除定位面之外五个加工面 , 尤其是可对复杂的 空间曲面进行高精度自动加工 , 所以普遍认为五轴数 控机床是叶轮 、叶片 , 螺旋桨 、水轮发电机转子 、汽轮机 转子 、大型柴油机曲轴等零件加工的唯一手段 , 也适宜 汽车 、飞机上各种结构件模具的加工 。五轴数控机床一般有两种配置形式 , 一种是回转 轴 ( C, A 或 B 轴 )设置在装夹工件的工作台上 , 另一种是回转进给轴设置在主轴端 , 前者结构相对简单 、制造成本较低 , 尤其是主轴设计不受结构限制 , 主轴的刚度 有保证 , 而且 , 可以配用“标准 ”的刀库与换刀机构 , 但 由于回转台不能设计的太大 , 承重也较小 , 特别是当 A轴回转到 90 时 , 工作台受到很大的偏载力距 , 所以更收稿日期 : 2008 - 11 - 05; 修回日期 : 2009 - 04 - 15作者简介 :刘新宇 ( 1972 ) ,男 ,辽宁辽阳人 ,中信戴卡轮毂制造股份有限公司技术部工程师 ,主要从事铝合金轮毂的加工工艺及设备的研究 , ( E- m ail) liuxinyu d ica sta l. com。99工艺与装备 组合机床与自动化加工技术211 双螺距渐厚蜗杆调隙机构在本机床中蜗轮副的啮合侧隙无论是对分度 、定 位精度 ,还是传动精度的影响最大 ,因此消除蜗轮副的 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蜗 杆 ,以便调整啮合侧隙到最小限度 。1 数控回转工作台的结构与动作原理所设计的双轴回转工作台是由一个可绕 Z 轴 做360 回转的回转工作台和一个绕 X 轴做 110 - 70 摆动的摇摆工作台所组成 , 做 C 轴运动的回转台安装 在摇摆台的 U 型台架上 , U 型台架通过两端的支架 , 固 定在直线移动工作台上 , 回转台与摇摆台的结构如图 1所示 , 做 C 轴运动的回转工作台由伺服电机 14 驱动 , 经一对齿轮降速 , 带动蜗杆 2蜗轮运动 , 蜗轮 20 与回转 的台面固连 , 从而使台面回转 。从图 1 中可以看出 :摇摆台的回转运动是由 U 型 台架的回转摆动实现的 ,驱动 U 型台架回转的主动轴是左支轴 5 ,驱动左支轴 5的传动系统也是一对齿轮及 一个蜗杆 2蜗轮副组成 ,其动作原理与动作程序与回转 台大致相同 :当摇摆台接到数控系统指令后 ,首先要使 锁紧套 7内腔的液压油卸荷 ,以松开抱紧的薄壁套筒7 ,然后启动交流伺服电机 13 ,按数控指令确定摇摆台的回转方向 ,回转速度及回转角度等参数 。图 2 双螺距渐厚蜗杆调隙原理双螺距渐厚蜗杆与普通蜗杆的区别是 : 双螺距渐 厚蜗杆齿的左 、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 2 ) 。双螺距渐厚蜗杆 副 的 啮 合 原 理 与 一 般蜗杆副啮合 原 理相 同 , 蜗杆 的 轴 向 截 面 仍 相 当 于基本齿条 , 蜗轮 则 相当 于同 它 啮 合 的 齿 轮 。由于蜗杆齿左 、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 /) 。因 而 同 一 侧 面的齿距相同 , 故 没 有破坏啮 合 条 件 。双 螺 距 渐 厚蜗杆传动的公称模数 m 可看 成 普 通 蜗 轮 副 的 轴 向模 数 , 一 般 等 于 左 、右 齿面 模 数 的 平 均 值 。此蜗杆 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 蜗杆的方法使蜗杆 上 , 齿 厚最 合适的齿处于啮合位置 , 来消除蜗杆与蜗轮的齿侧隙 。从图 2中知道 , 蜗杆左侧的齿矩为 左t , 右侧的齿距 为 右t , 中间齿距为 中t 。图 1 数控回转工作台结构总图2 关键部件的结构设计对一台高精度 、高刚度 、数控机床来说 , 成功的设计不仅取决于方案的合理 ,也取决于关键部件设计中 应用的单元技术 。100当 t t 时 , 相邻两齿齿厚 :右左工艺与装备 2009年第 6期s1 = 左t - c1 s2 = 右t - c1相邻两齿厚的差值 :s = s2 - s1 = t右 - 左t不难看出 , 任意两相邻齿厚之差 (沿同一轴向截面 上 )都是 s = si + 1 - si = 右t - 左t , 这样的蜗杆从左到右 齿厚逐渐增厚 , 当蜗杆向左移动时 , 啮合侧隙将会逐渐 减小 。同理 , 当 左t 右t 时 , 从左到右齿厚渐薄 , 当蜗杆 向左移动时 , 啮合侧隙将会逐渐变大 。图 3 是依靠改 变调整环的厚度 , 调整啮合侧隙结构示意图 。则总锁紧力矩 :T总 = 6 T1 = 6 179 = 1074N m与 F IBRO 公司的产品 TR T 340 400 规格的产品 锁紧力 85 kgfm 稍大 ,能符合要求 。214 摇摆台锁紧装置的设计摇摆台的锁紧是参照 F IBRO 公司的专利产品“油 压环 抱式 锁紧 装 置 ”设 计的 , 它 是由 一 个薄 壁套 筒 7 (见图 1 ) , 套在 蜗 轮 9 的 轮 毂 上 , 当 套 筒 内 通 高 压 油 后 ,薄壁套筒径向变形 ,抱紧轮毂 。薄壁套筒通过两端的凸缘被固定在摇摆台箱体 15上 。蜗轮被抱紧 , 与蜗轮同轴并固连的右支座轴与被 固定 ,这意味着回转至某一角度的 U 型台架及台架上 的回转台 , 工件被夹紧 、固定 。这对圆锥面 、斜面等直 纹面的铣削 、倾斜孔加工会大幅度提高加工系统的刚 性 ,明显提高机床耐重切削的能力 。锁紧力计算 :输入油压 20M Pa,锁住面积 :油压环长 50mm, 保守 估计 60 %接触 。则接触总面积 :图 3 双螺距渐厚蜗杆调隙结构图212 闭环结构方案设计考虑到机 床 性 能 要 求 的 精 密 性 以 及 加 工 的 准 确 性 。因此要求设计一闭环数控回转台 , 其回转角度 , 回 转速度要有反馈信号 , 所以选用 FA GRO 公司 的两 个 ENCOD ER H 290型旋转编码器分别安装在回转台中心 轴 4 末端和摆动支座轴 3 的末端 。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 。213 回转工作台锁紧装置设计当工作台静止时必须处于锁紧状态 ,在固定的轴 承座 21上沿其圆周方向均匀分布 6 个径向夹紧油缸 。 当工作台回转到位后 ,夹紧油缸 16 的活塞在液压油的 作用下向外运动 ,推动 6个胶木锁紧块 17 顶在蜗轮内 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 ,松开蜗轮 ,使蜗轮和回 转工作台能按照控制系统的指令进行回转运动 。锁紧力计算如下 :已知输入油压 20M Pa,液压缸活塞面积2S =d l60 % = 115 50 60 % = 1083815mm锁紧力 :F = pS = 20 1083815 012 = 43354N锁紧力矩 :3T = FR = 43354 5715 10 = 248218N m比 F IBRO 公司的产品摆动部分的锁紧力 100 kgfm 更大一些 ,能符合要求 ,可以耐重切削 。参考文献 1 龚景安 ,许立忠 . 机械设计 (第二版 ) M . 北京 :机械工业 出版社 , 1998. 2 机床设计手册 编写组 . 机床设计手册 M . 北京 : 机械 工业出版社 , 1986. 3 机械 设 计 手 册 编 委 会 . 机 械 设 计 手 册 (第 2、3、5 卷 )M . 北京 :机械工业出版社 , 2004. 5 刘雄伟 . 数控加工技术与编程技术 M . 北京 :机械工业出 版社 , 2000. 6 吕 强 . UCP710 五 轴 机 床 中 的 坐 标 变 换 J . 现 代 制 造 ,2003 ( 4