撰文/沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司 李云革

精密臥式加工中心設(shè)計(jì)研究（二）
——回轉(zhuǎn)工作臺(tái)部分

撰文/沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司 李云革

本文以HMC63e型臥式加工中心機(jī)床牙盤(pán)分度回轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)計(jì)算作為例子，介紹牙盤(pán)分度回轉(zhuǎn)臺(tái)的計(jì)算設(shè)計(jì)過(guò)程。詳細(xì)講解了牙盤(pán)式分度回轉(zhuǎn)臺(tái)的工作原理、具體結(jié)構(gòu)以及理論計(jì)算過(guò)程。通過(guò)機(jī)床樣機(jī)測(cè)試，證實(shí)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程正確。

一、引言

臥式加工中心一次裝卡可以完成多個(gè)面的加工且排屑方便，適合長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人操作，市場(chǎng)需求量一直很大?，F(xiàn)在各種行業(yè)尤其是汽車(chē)行業(yè)的高速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外的中小型臥式加工中心正逐漸向高速、精密、復(fù)合和智能化發(fā)展，對(duì)高精度轉(zhuǎn)臺(tái)的要求也越來(lái)越高。

本文以HM63e型臥式加工中心牙盤(pán)分度轉(zhuǎn)臺(tái)為例，闡述轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，理論計(jì)算及一些實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。

二、原理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該機(jī)床采用630×630mm雙交換工作臺(tái)，廣泛適用于箱體類零件、殼體零件等中大型零件的加工，零件經(jīng)過(guò)一次裝夾可自動(dòng)完成四個(gè)面的銑、鉆、鏜、鉸、攻絲、兩維和三維曲面等多工序加工，且排屑方便比較適合長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人操作，適應(yīng)多品種大批量生產(chǎn)。應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)機(jī)車(chē)、儀器儀表、輕工輕紡、電子電器和通用機(jī)械等行業(yè)。

牙盤(pán)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)依靠牙盤(pán)定位，定位精度高。牙盤(pán)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)快速回轉(zhuǎn)速度為11.1rpm。其回轉(zhuǎn)采用雙導(dǎo)程蝸桿，可以保證傳動(dòng)時(shí)無(wú)間隙。其牙盤(pán)工作臺(tái)參數(shù)：工作臺(tái)為630×630mm；載重為1200Kg；工作臺(tái)分度為1°；工作臺(tái)T形槽尺寸為18×7；無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)情況下，回轉(zhuǎn)臺(tái)上升、下落各一個(gè)（共2個(gè)）轉(zhuǎn)臺(tái)回零點(diǎn)一個(gè)；工作臺(tái)松開(kāi)、夾緊各一個(gè)（共2個(gè)）；系統(tǒng)工作壓力為3.5MPa或5MPa；定位精度為8″；重復(fù)定位精度：5″。轉(zhuǎn)臺(tái)具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。轉(zhuǎn)臺(tái)的下牙盤(pán)4固定在滑座1上，上牙盤(pán)5固定在回轉(zhuǎn)座6上。轉(zhuǎn)臺(tái)共有3種工作狀態(tài)。

（1）圖示位置為工作臺(tái)夾緊狀態(tài)，這時(shí)Ⅰ油口開(kāi)始給油，活塞7位于下面位置，活塞7經(jīng)過(guò)回轉(zhuǎn)座6讓上面的牙盤(pán)5與下面的牙盤(pán)4緊緊嚙合在一起，由此來(lái)夾緊回轉(zhuǎn)座6，這時(shí)工作臺(tái)10是通過(guò)拉桿13與卡爪16拉緊，實(shí)現(xiàn)與回轉(zhuǎn)座6的定位與夾緊，在這個(gè)時(shí)刻，工作臺(tái)10、回轉(zhuǎn)座6與滑座1夾緊成為一個(gè)整體，適合切削加工。

（2）當(dāng)Ⅱ油路開(kāi)始進(jìn)油時(shí)，活塞7開(kāi)始上升，帶動(dòng)回轉(zhuǎn)座6和上牙盤(pán)5一起向上升，與下牙盤(pán)4脫離，這時(shí)可以通過(guò)蝸桿軸24傳遞動(dòng)力（傳動(dòng)如圖2所示），與蝸輪嚙合，帶動(dòng)油缸體3轉(zhuǎn)動(dòng)，油缸體3通過(guò)銷(xiāo)子21帶動(dòng)回轉(zhuǎn)座6與工作臺(tái)10一起轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 牙盤(pán)式回轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

（3）工作臺(tái)夾緊和松開(kāi)，當(dāng)Ⅲ進(jìn)油時(shí)，推動(dòng)活塞20上升，帶動(dòng)拉爪芯套17和卡爪16向上運(yùn)動(dòng)8mm，使得卡爪16松開(kāi)拉桿13，拉桿13與工作臺(tái)固定，此時(shí)可以進(jìn)行工作臺(tái)10的交換。此時(shí)Ⅴ口氣動(dòng)管路進(jìn)行錐定位面中心吹氣，以清潔錐面。同時(shí)，圖2 的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)18與圖2的撞塊16接觸，反饋信號(hào)并表示，隨后工作臺(tái)升起到位，可以交換。當(dāng)Ⅳ進(jìn)油時(shí)，推動(dòng)活塞20下降，帶動(dòng)卡爪16與拉桿13拉緊，從而使工作臺(tái)夾緊，工作臺(tái)可以工作，此時(shí)，圖2 的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)19和圖2的撞塊16接觸，反饋信號(hào)，表示工作臺(tái)下降到位。工作臺(tái)可以工作。

轉(zhuǎn)臺(tái)分度定位由牙盤(pán)實(shí)現(xiàn)，優(yōu)點(diǎn)是定位精度好。工作臺(tái)回轉(zhuǎn)經(jīng)過(guò)伺服電機(jī)傳到帶輪2，帶輪2固定在蝸桿軸8上，蝸桿與蝸輪嚙合，蝸輪帶動(dòng)整個(gè)工作臺(tái)及回轉(zhuǎn)座旋轉(zhuǎn)。此種轉(zhuǎn)臺(tái)的定位方式，對(duì)動(dòng)力傳遞裝置定位的準(zhǔn)確性要求不是太高，因此在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)對(duì)蝸桿副加工的要求不至于過(guò)于苛刻，能夠在實(shí)際更加容易實(shí)現(xiàn)。由于采用雙導(dǎo)程蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以消除傳動(dòng)間隙，保證分度精度。

三、校核計(jì)算

（1）上牙盤(pán)浮起計(jì)算。

工作時(shí)，活塞受到的總作用力為

式中，F(xiàn)L為負(fù)載阻力；Ff為液壓缸外摩擦力；FB為背壓阻力；FS為密封圈摩擦阻力；FI為活塞啟動(dòng)時(shí)的慣性力。

工作臺(tái)10質(zhì) 量m1=188Kg， 回轉(zhuǎn)座6質(zhì) 量m2=150Kg，浮起時(shí)帶起其它零件總質(zhì)量m3=70Kg，工件最大重量為載重m4=1200Kg，再加上其它增加的質(zhì)量200Kg，牙盤(pán)浮起時(shí)，浮起部分的總質(zhì)量為：

總重量為：W=m×g=1808×9.8 =17718N

當(dāng)由Ⅱ管路進(jìn)油時(shí)，活塞7承受力設(shè)為F，管路油壓：P=5MPa(液壓站最高壓力7MPa)；活塞7外徑D1=210mm，被軸占據(jù)的內(nèi)徑D2=170mm。

F=PA（A為有效截面積）

因?yàn)镕＞W(wǎng)，所以活塞面積及油壓符合設(shè)計(jì)要求。為進(jìn)一步確保升起穩(wěn)定，在管路上安裝一個(gè)減壓閥，通過(guò)改變管路壓力大小來(lái)調(diào)節(jié)牙盤(pán)升起速度。

圖2 轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)力傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

（2）上升下降速度計(jì)算。活塞7行程為7mm，時(shí)間t=2s

由于下降時(shí)有工作臺(tái)加工件的總重量，所以為了保證其升降穩(wěn)定性，在管路上裝有節(jié)流閥，調(diào)節(jié)管路流量，以便調(diào)整工作臺(tái)整體升降的速度及其穩(wěn)定性。

四、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)電機(jī)的選擇計(jì)算

回轉(zhuǎn)工作臺(tái)選用西門(mén)子廠家交流伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)無(wú)電刷和換向器，工作可靠，維護(hù)和保養(yǎng)要求低，慣量小，易于提高系統(tǒng)快速性，是高動(dòng)態(tài)性能的永磁型電機(jī)，具有性能優(yōu)良、運(yùn)行穩(wěn)定，適應(yīng)于高速大扭矩工作狀態(tài)等特性。

預(yù)選西門(mén)子伺服電機(jī)型號(hào)為1FK7101-5AF71 27/15.5Nm （SIEMENS），具體參數(shù)是：額定轉(zhuǎn)速：n=3000r/min，額定扭矩M=15.5Nm，功率P=4.87KW，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=79.9×10-4Kg·m2。

（1）工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)比的計(jì)算。

式中，i為傳動(dòng)比；Z1為帶輪1齒數(shù)；Z3為帶輪3的齒數(shù)；Z8為蝸桿軸的頭數(shù)；Z24為蝸輪的齒數(shù)。

（2）工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)扭矩的計(jì)算。

工作臺(tái)回轉(zhuǎn)時(shí)，牙盤(pán)浮起后，活塞內(nèi)油面與回轉(zhuǎn)座的零件接觸，摩擦系數(shù)為0.005，浮起零件總重量W=17718N，加速時(shí)間為2s，加速度為1rad/s2（系統(tǒng)自帶）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=119kg·m2。

摩擦力最大為：

摩擦力矩為：

加速扭矩為：

折算到電機(jī)的扭矩：

預(yù)選電機(jī)的額定扭矩為15.5Nm，電機(jī)的額定扭矩大于負(fù)載的扭矩 ，所以，所選電機(jī)滿足要求。

（3）工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)慣量的計(jì)算。

工作臺(tái)工件總質(zhì)量：M=1808Kg

工作臺(tái)工件總回轉(zhuǎn)慣量：

式中，M為回轉(zhuǎn)座的質(zhì)量；l為工作臺(tái)邊長(zhǎng)，l=630mm=0.63m。

折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

五、結(jié)語(yǔ)

樣機(jī)生產(chǎn)裝配完成后，進(jìn)行了指標(biāo)測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果轉(zhuǎn)臺(tái)滿載時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)和交換都能順利平穩(wěn)快速完成，其轉(zhuǎn)動(dòng)定位精度達(dá)到6″，重復(fù)定位精度達(dá)到4″，各項(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)到設(shè)計(jì)前預(yù)計(jì)指標(biāo)。

（未完待續(xù)）