直驱型摇摆式五轴转台的三维剖视

直驱型摇摆式五轴转台的三维剖视

1.摇转台的分类如图1所示，摇动五轴旋转是采用两种旋转进给运动的五轴旋转运动的旋转平台。每个旋转台地都有两个旋转进给轴。这两个轴可以连续分布模式，连续进给，并且可以相互控制。其中，可以在360°范围内任意旋转运动的进给轴被称为旋转轴，只可以在一定的角度范围内（比如在±110°）正反旋转运动的进给轴被称为摇摆轴。摇篮式五轴转台按转台驱动型式分为：蜗轮蜗杆驱动型摇篮式五轴转台和力矩电机直接驱动型摇篮式五轴转台；按转台摇摆轴支撑结构分为：悬臂型摇篮式双摆五轴转台（见图2）和摇摆轴带辅助支撑的摇篮式五轴转台（见图1）；按摇摆轴驱动个数分为：摇摆轴双驱型摇篮式五轴转台（见图3）和摇摆轴单驱型摇篮式五轴转台（见图1和图2）；按旋转轴转速分为：低速型摇篮式五轴转台和车铣复合型高速摇篮式五轴转台；按转台进给方式分为：联动型摇篮式五轴转台和分度型摇篮式五轴转台，其中分度型摇篮式五轴转台的两个进给轴只有分度功能没有联动功能，而联动型摇篮式五轴转台两个进给轴既能联动也能分度。2.b-c摇式转台的结构及特点蜗轮蜗杆驱动型摇篮式五轴转台定位精度大概在40～50弧秒的水准，而力矩电机直驱型摇篮式五轴转台定位精度可以达到10弧秒以内的水平，精度可以提高4～5倍；蜗轮蜗杆驱动型摇篮式五轴转台转速在5～10r/min的水平，而力矩电机直驱型五轴转台的转速在50～2000r/min的水平，进给速度可以提高10～200倍。可见力矩电机直驱型摇篮式五轴转台是摇篮式五轴转台的发展方向，因此本文后续以力矩电机直驱型摇篮式五轴转台为主。以我司已经研发成功的500台面的B-C摇篮式五轴转台为例究，该转台具体结构见图4所示的三维剖视图。该转台属于力矩电机直驱型摇篮式五轴转台，转台B轴采用主支撑组合辅助支撑的结构，提高B轴的支撑刚性，减小转台变形，提高加工精度。该转台旋转轴C轴和摇摆轴B轴都采用力矩电机直接驱动，是零间隙传动，消除了中间传动环节带来的弹性变形、反向间隙、运动滞后、摩擦、振动、噪声及磨损等一系列不良后果，提高了转台的传动精度、传动刚性、进给速度以及转台的加工效率。该转台B轴主支撑和C轴都采用集成钢栅尺的YRT系列轴承支撑，该轴承能够承受径向载荷、轴向载荷、倾覆力矩，结构简洁可靠、承载能力强；轴承集成钢栅尺作为角度测量装置，测量精度高、抗污染能力强；转台B轴辅助支撑采用精密交叉滚子轴承支撑，能够进一步提高转台支撑刚性。转台B轴、C轴都采用环抱式刹车结构，刹车扭矩大、刹车效果可靠。转台B轴主支撑端和辅助支撑端、C轴都采用三道机械式密封结构，组合正压气幕保护功能，使轴承获得极佳的密封保护，因此转台性能稳定，寿命长。转台C轴设计有旋转接头，该旋转接头可以将固定不动的液压站上的两路及两路以上的液体引导至旋转的台面上的夹具上，实现液压油的旋转分配功能。在B-C摇篮式转台边上设计有蓄能器和液压锁组成的液压保压单元，该保压单元可以解决机床突然被关机或者机床B轴被执行紧急停止命令时，B轴刹车液压不能保压、转台B轴会掉落、有安全隐患的问题。在B-C摇篮式转台的液压保压单元上再增加弱电单元延时断电的USP模块和用于强电单元延时断电的电容模块，来使机床的B-C摇篮式转台控制电源和驱动电源都延时断电3s，从而弥补机床液压保压系统反应滞后的时间（大约1s），从而解决机床断电后B-C摇篮式五轴转台的B轴因自重掉落的问题。3.摇台系统优化方法(1）校核摇篮式五轴转台联动加工状态下的扭矩计算摇篮式五轴转台某旋转轴以最大角加速度进给时所需要的加速扭矩式中，M上式中转台的额定角加速度ɑ可以用以下公式计算式中，ω为转台某旋转轴的最大角速度（rad/s);n为转台某旋转轴的最大转速（r/min);t为转台某旋转轴的加减速时间（s）。上式中，转台某旋转轴及其负载的转动惯量J一般可以通过查询转动惯量公式来计算，比如摇篮式五轴转台的台面是盘类零件，其转动惯量J可以查询到以下公式：式中，m为转台的台面及负载的总质量（kg);R为转台的台面的半径（m）。如果转台的某旋转轴不是常规规则形状，没有现成转动惯量公式可查，可以通过三维设计软件上某些指令来测量转动惯量J，以我司常用设计软件UG为例来说明测量方法：(1)在UG中打开B-C摇篮式五轴转台的装配图；(2)点击“分析”按钮；(3)点击“测量体”按钮；(4)在注释复选框中选择“创建主轴”；(5)在打开的装配图中拾取需要研究的对象，必要时可以将装配图进行剖切，以方便拾取对象，拾取对象时可以拾取多个对象；(6)选取完毕后会在屏幕上弹出“信息”对话框，如图5所示，打开读取其中的惯性距（WCS）,选取合适坐标轴，注意把单位换算成kg·m计算摇篮式五轴转台某旋转轴以最大角加速度进给时所需要总扭矩：式中，1.2为安全系数；M将计算结果M(2）校核摇篮式五轴转台作为分度转台用时的扭矩联动型摇篮式五轴转台也有某个旋转轴需要准停在某个角度并保持在该角度上的工况，此时联动型摇篮式五轴转台被作为分度型摇篮式五轴转台使用，这个工况下的扭矩匹配和校核与联动加工状态下不同，需要引起注意。如图6所示，以B-C摇篮式转台的B轴准停在90°位置钻孔这个工况为例分析，该摇篮式五轴转台的动作顺序：转台摇摆轴B轴通过力矩电机按正常扭矩输出被驱动到90°位置并保持住，此时B轴力矩电机按堵转扭矩输出将B轴保持在90°位置，然后转台B轴环抱式刹车结构动作将B轴稳稳刹住后，转台B轴力矩电机使能撤销，B轴力矩电机不再输出扭矩，完全靠转台B轴刹车结构刹车力将转台B轴保持在90°位置。通过上述动作顺序知道，这里转台B轴力矩电机按堵转扭矩输出的那一刻的扭矩不同于其它时刻的扭矩输出，因此，此工况下的输出的扭矩需要单独校核，校核过程如下。计算摇篮式五轴转台的某旋转进给轴分度准停时需要的扭矩M分度。为了方便理解，这里以B轴力矩电机按堵转扭矩输出将B轴保持在90°位置为例来介绍。式中，M上式中的G和L可以借助三维设计软件上某些指令来测量，以我司常用设计软件UG为例来说明测量方法，方法与上述类似，不再赘述。计算摇篮式五轴转台的某旋转进给轴分度准停时需要的总扭矩：式中，1.2为安全系数；M校核过程：将计算结果M这里要注意力矩电机的堵转扭矩M电机堵转的英文为Stalltorque，有的力矩电机厂商把这个扭矩称为静态扭矩或静止扭矩，力矩电机额定扭矩M电机额定的英文为Continuoustorque，有的电机厂商把它称为恒定扭矩。力矩电机的堵转扭矩M电机堵转数值通常为力矩电机额定扭矩M电机额定数值的0.70～0.82倍，由于M4.实体模型和仿真结果分析在B-C摇篮式五轴转台中，B轴连接底座既是旋转轴C轴的支撑底座，又是B轴主支撑和B轴辅助支撑的连接件，因此该零件结构设计的是否合理是B-C摇篮式五轴转台试制成功与否的关键所在，需要重点关注。如图7所示，是我司研发的500台面的力矩电机直接驱动型B-C摇篮式五轴转台的B轴连接底座。由于该零件结构形状并不规则，没有现成的经验公式来进行强度校核，因此利用类比设计法通过UG三维设计软件设计该零件，然后采用ANSYS有限元分析软件对该零件进行了静力学仿真分析，根据分析结果来指导设计工作。(1）零件的有限元模型该B轴连接底座采用四面体实体单元SOLID185。由于模型简单，整体按照6mm进行网格划分，单元总数目为526378，节点总数目为122853，该B轴连接底座的有限元模型如图8、图9所示。(2）零件的材料特性材料选用QT600-3，其性能参数如表1所示。(3）载荷与边界条件该B轴连接底座所受的载荷主要包括：工件重力、C轴转子重力，C轴额定扭矩、B轴连接底座本身的重力，B轴额定扭矩。其中，工件重力和C轴转子重力以集中力的形式加载。由于B轴联动时支座可以正反旋转110°，为了减少计算量，B轴联动时选择工况最不好的转动到90°情况进行计算。共有8种工况组合，见表2。该连接座两端通过连接盘支撑在轴承上，模型中省略了连接盘，直接在连接盘中心建立约束点，将该质量点与连接底座刚性联接。该连接座的B轴主支撑端承受重力和扭矩，约束全部自由度，辅助支撑端放开全部自由度，见图10。(4）静力学仿真分析仿真计算结果显示，底座在8种组合工况下的应力和最大变形均很小，最大等效应力和最大变形出现在工况6，只要该工况能够满足要求设计要求，其余工况都能满足。为了节省篇幅，这里只展示工况6情况下B轴连接底座的等效应力云图（见图11）和位移云图（见图12）。其余7个工况不再赘述。如图11所示，在工况6该连接件的最大等效应力为4.26MPa，远小于材料的370MPa屈服应力；如图12所示，在工况6该连接件的最大变形为0.0133mm小于该零件的设计要求0.02mm。因此该B轴连接底座满足设计要求。(5）根据仿真分析结果进行优化如图12所示该B轴连接底座的最大变形出现在底部中间位置的翻边处，为了对该处的刚度强度进行补强，如图13所示，在该