梁艷超， 王剛

（沈陽機床（集團）設(shè)計研究院有限公司, 沈陽 110142）

0 引 言

五軸聯(lián)動機床是加工復(fù)雜曲面零件的主要加工設(shè)備，其中旋轉(zhuǎn)軸主要有三種布局方式：1）AC軸轉(zhuǎn)臺；2）AC軸擺頭；3）A軸擺頭，C軸擺臺。當(dāng)工件較大，臺面直徑超過1 m時，多采用第2種布局方式。A/C軸雙擺頭是該類五軸聯(lián)動加工中心的核心功能部件，應(yīng)用于大型模具、飛機制造業(yè)、發(fā)電設(shè)備、船舶、軍工等行業(yè)所需的五軸聯(lián)動加工中心。其主要用于加工飛機的機身結(jié)構(gòu)件、風(fēng)力發(fā)電機的葉輪、葉片等具有復(fù)雜曲面的大型精密零件。A/C軸雙擺頭在五軸聯(lián)動加工中心中占有重要的地位，通常占到主機整機成本的30%左右。因此，A/C軸雙擺頭一直是中大規(guī)格五軸聯(lián)動加工中心市場競爭的焦點之一[1]。

目前，國內(nèi)市場的A/C軸雙擺頭基本上被國外產(chǎn)品壟斷，Cytec、Tramec和Technai等專業(yè)雙擺頭生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品，價格昂貴，供貨和維護周期長。國內(nèi)只有極少數(shù)機床廠家可以生產(chǎn)A/C軸雙擺頭，技術(shù)處于逐漸完善階段，產(chǎn)業(yè)化程度有限，A/C軸雙擺頭國產(chǎn)化的市場前景廣闊。

A/C軸雙擺頭涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)包括A/C軸雙電動機串聯(lián)驅(qū)動技術(shù)、C軸自動交換技術(shù)、A/C軸限位技術(shù)、液氣電聯(lián)合控制技術(shù)等[2-7]。本文主要研究A/C軸雙擺頭的C軸限位技術(shù)。

1 A/C軸雙擺頭的C軸結(jié)構(gòu)

A/C軸雙擺頭上面C軸部分繞機床的Z軸旋轉(zhuǎn)，通常由力矩電動機或齒輪減速機驅(qū)動，下面A軸繞機床的X軸旋轉(zhuǎn)。A軸和C軸的電纜、液壓管路、氣管及其他信號線均通過C軸的中間孔連接至機床的上方。圖1所示為A/C軸雙擺頭的C軸結(jié)構(gòu)。

從C軸結(jié)構(gòu)可以看出，C軸轉(zhuǎn)動部分為中心的軸和力矩電動機的轉(zhuǎn)子，中間孔內(nèi)的電纜及管路隨軸一起轉(zhuǎn)動。因此C軸必須設(shè)計安全限位來避免C軸失控時連續(xù)轉(zhuǎn)動而絞斷線纜。常見的安全限位機構(gòu)有螺旋限位機構(gòu)、蝸盤限位機構(gòu)、減速機限位機構(gòu)等，各限位機構(gòu)均需要行程開關(guān)來觸發(fā)到位信號[8-10]，對于要求C軸n×360°不限位的情況，目前國內(nèi)外的應(yīng)對措施為使用導(dǎo)電滑環(huán)結(jié)構(gòu)。

2 螺旋限位機構(gòu)與蝸盤限位機構(gòu)

2.1 螺旋限位機構(gòu)

圖2為螺旋限位機構(gòu)的限位原理。導(dǎo)桿4垂直安裝在限位開關(guān)座1上，滑塊6隨導(dǎo)桿4上下滑動，拖動螺釘2安裝在滑塊6上,卡在螺旋軸3的螺旋溝槽內(nèi)。當(dāng)螺旋軸正向或反向旋轉(zhuǎn)到±365°的極限位置時，拖動螺釘帶動滑塊運動至接近開關(guān)7的感應(yīng)位置，觸發(fā)限位信號。

2.2 蝸盤限位機構(gòu)

圖3所示為蝸盤限位機構(gòu)的限位原理。蝸盤3為螺旋的兩圈溝槽，滑塊2在支座1內(nèi)滑動，小軸承4、導(dǎo)柱5安裝在滑塊2上，蝸盤3隨C軸轉(zhuǎn)動時，蝸盤溝槽驅(qū)動導(dǎo)柱5將C軸的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為滑塊的左右滑動，通過調(diào)整前后兩個接近開關(guān)6的位置實現(xiàn)C軸的限位。

3 減速機限位機構(gòu)

3.1 皮帶減速限位機構(gòu)

皮帶減速限位機構(gòu)如圖4～圖6所示，由主軸上方帶輪驅(qū)動從動輪，通過恰當(dāng)?shù)臏p速比來達到角度放大的目的。該結(jié)構(gòu)通過一個雙點限位開關(guān)來實現(xiàn)C軸的±185°限位。

C軸旋轉(zhuǎn)通過小帶輪1、同步帶11驅(qū)動帶輪2,帶輪2上凸輪撞塊10撞擊限位開關(guān)9實現(xiàn)C軸的±185°限位。限位開關(guān)9（型號為BNS 819-B02-R08-40-10）有上下兩個觸點,撞塊10的撞點左右兩個上下交錯，根部夾角±32°的帶輪齒數(shù)比值為48:60。從動帶輪2限制位置為±148°，算出C軸實際限位為±185°。極限位置如圖7所示。

3.2 齒輪減速機限位機構(gòu)

齒輪減速限位機構(gòu)如圖8～圖9所示。

大齒輪4連接在C軸轉(zhuǎn)動軸上, 減速機2通過安裝座3固定在蓋板5上,當(dāng)C軸旋轉(zhuǎn)時帶動大齒輪4驅(qū)動小齒輪7轉(zhuǎn)動,通過減速機2減速, 限位圓盤1下方有一條凸齒, 轉(zhuǎn)動時分別碰撞前后兩個限位開關(guān)6達到C軸限位的目的。其中大小齒輪的齒數(shù)分別為80和20，減速比為i1=0.25，減速機型號為德國WITTENSTEIN-LP50S-MF-20-1B1，減速比為i2=20，兩個限位開關(guān)位置夾角β=±74° ，可計算出C軸限位角度α=β×i1×i2=±74°×0.25×20=±370°。

4 各限位機構(gòu)優(yōu)缺點分析

各限位機構(gòu)優(yōu)缺點如表1所示。

表1 限位機構(gòu)優(yōu)缺點

5 結(jié) 論

在分析C軸基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研究了雙擺頭C軸的限位機構(gòu)工作原理。設(shè)計了螺旋限位機構(gòu)、蝸盤限位機構(gòu)、帶輪減速限位機構(gòu)和齒輪減速限位機構(gòu)。為雙擺頭C軸安全限位設(shè)計提供了解決方案。

從以上結(jié)構(gòu)可以看出，在雙擺頭的限位機構(gòu)設(shè)計中，受結(jié)構(gòu)空間的限制，通常把C軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化或者通過減速將C軸的多圈轉(zhuǎn)動降至一圈以內(nèi)，通過限位開關(guān)達到C軸的軟限位。