一種激光切割機升降工作臺設計?

潘志華，周鵬飛，王志惠，胡金龍

（江蘇揚力數(shù)控機床有限公司，江蘇 揚州 225127）

0 引言

隨著近年來激光切割技術應用的普及，人們對激光切割機的加工效率提出了更高的要求。目前絕大多數(shù)激光切割機都采用雙層交換式升降工作臺，當雙層工作臺中的一層在加工區(qū)域進行加工時，可以在另一層工作臺上完成上、下料工作，兩層工作臺交換使用可以減少上、下料停機等待時間，在很大程度上提高了設備的工作效率。目前絕大多數(shù)升降工作臺均采用液壓驅(qū)動方式，在升降臺的四角采用液壓缸驅(qū)動，實現(xiàn)升降臺的上下運動。液壓式升降工作臺在實際使用中存在一些不足：①同步性差，尤其是當出現(xiàn)偏載時不同步問題更加嚴重；②成本高，需要專門的一個液壓站來提供液壓油；③運行平穩(wěn)性不好，啟動、停止時會產(chǎn)生較大的沖擊；④定位精度不高，上、下極限點停止的位置偏差較大。

針對上述問題，結(jié)合揚力公司FL3015型直線電機驅(qū)動的數(shù)控激光切割機研發(fā)項目，設計了一種基于偏心輪機構(gòu)的機械式升降工作臺，并運用多體動力學軟件ADAMS對其運動規(guī)律進行了仿真。該技術方案具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、安全平穩(wěn)、定位準確等諸多優(yōu)點。

1 機構(gòu)設計

激光切割機的升降工作臺與其他工業(yè)升降臺有些不同：①行程固定，要求上、下極限點的位置準確；②啟動、停止的過程平穩(wěn)無沖擊；③偏載情況下保證升降動作的同步性。本文設計的機械式升降臺，采用4個剛性聯(lián)接的偏心輪機構(gòu)作為驅(qū)動機構(gòu)，其運動學特性非常適用于激光切割機的升降工作臺，具體結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，傳動機構(gòu)原理如圖3所示。

如圖1和圖2所示，升降工作臺主要包括機架、U型托架、工作臺A、工作臺B、同步軸、驅(qū)動齒輪、偏心齒輪、減速器、電機等部分。其中機架上設置有導向裝置，工作臺A、B上設置帶有導向槽的滾輪，U型托架上設有上導軌和下導軌，U型托架下部設有軸承座，偏心輪上設有偏心軸，電機為普通帶制動的交流異步電機。驅(qū)動電機經(jīng)減速器減速后，通過驅(qū)動齒輪帶動偏心齒輪旋轉(zhuǎn)，偏心軸通過與軸承座的鉸接帶動U型托架一起做圓周方向上的平動，從而實現(xiàn)了位于U型托架上的工作臺的升降運動。在升降過程中，工作臺由于受到導向裝置的限制，只能夠作上下運動。當U型托架在繞偏心齒輪軸心的圓周方向上平動時，工作臺上的滾輪在U型托架上的導軌上滾動。另外，位于同側(cè)的兩個偏心齒輪通過U型托架剛性連接，由同一個減速電機驅(qū)動的分別位于兩側(cè)的兩個偏心齒輪通過同步軸剛性連接，實現(xiàn)了4個偏心齒輪的剛性連接，進而保證了升降過程中4個偏心輪的同步性。

圖1 偏心輪式激光切割機升降工作臺結(jié)構(gòu)示意圖

2 技術要點

2.1 過約束問題

由圖2可知，4個偏心齒輪通過2個同步軸和2個U型托架剛性連接以保證4個偏心齒輪的絕對同步。然而在實際設計、裝配過程中，兩側(cè)的兩個U型托架軸承座的孔距以及偏心齒輪中心距必然存在偏差，如果該偏差過大會使得機構(gòu)在實際運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生很大的內(nèi)力，容易引起機械部件的振動、噪聲以及異常的磨損，甚至引起機械部件的損壞。

圖2 傳動機構(gòu)示意圖

圖3 傳動機構(gòu)原理圖

2.2 電機制動響應滯后

大多數(shù)交流異步電機都存在制動響應滯后和制動響應一致性差等問題，所帶來的影響就是當升降臺負重下降過程中進行制動操作時，電機斷電后由于制動響應時間的滯后，升降臺處于失重狀態(tài)加速向下運動一段距離后電機才會制動，這樣會給整個傳動機構(gòu)造成很大的沖擊。另外，如果兩個電機的制動不同步，在制動過程中其中一個電機已經(jīng)制動，而另外一個電機還是處于斷電后的自由狀態(tài)，由于所有的制動扭矩都是通過機構(gòu)內(nèi)部傳遞的，必然會給傳動系統(tǒng)的零部件帶來附加的沖擊載荷。因此在機械設計過程中，應盡可能選用制動響應時間快且制動響應一致性好的兩個電機。

2.3 機構(gòu)死點

在機構(gòu)運動過程中，當偏心軸與偏心齒輪軸心處于同一高度時，機構(gòu)的傳動角γ＝0°，機構(gòu)處于鎖死狀態(tài)。因此在使用過程中應盡可能避免在死點進行啟動、停止操作。

3 運動學仿真

在ADA MS中建立的動力學模型如圖4所示。負載重量為5 000 kg，驅(qū)動電機作1 450 r／min的勻速轉(zhuǎn)動，減速機的速比為28.4，齒輪減速的速比為1∶6，偏心齒輪的偏心距為105 mm。

通過ADA MS的運動學仿真，獲得了升降臺速度變化曲線（見圖5）和驅(qū)動扭矩變化曲線（見圖6）。由圖5和圖6可知，在升降過程中，升降速度和驅(qū)動扭矩的變化符合正弦曲線分布，當升降臺位于上、下極限點時，升降速度和驅(qū)動扭矩均為“0”；當升至行程的1／2時（偏心軸與偏心齒輪軸心水平時），升降速度達到最大值93 mm／s，驅(qū)動扭矩也達到了最大值7.52 N·m。

圖4 ADA MS中建立的運動學分析模型

圖5 升降臺速度變化曲線

4 總結(jié)

本文設計了一種應用于激光切割機的基于偏心輪機構(gòu)的機械式升降工作臺，較為詳細地介紹了其結(jié)構(gòu)特點、工作原理以及設計要點，并運用ADA MS軟件對其進行了運動學仿真，該技術方案具有如下特點：

（1）結(jié)構(gòu)簡單、絕對同步。通過簡單的機械傳動即可實現(xiàn)升降臺的升降動作，由于4個偏心齒輪之間采用剛性連接，即使在嚴重偏載情況下，也能夠保證4個偏心齒輪運動的絕對同步性。

圖6 驅(qū)動扭矩變化曲線

（2）安全運行平穩(wěn)。偏心輪機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)360°范圍內(nèi)的回轉(zhuǎn)運動，即使發(fā)生電氣故障，也不會發(fā)生機械碰撞，引發(fā)安全事故。當升降臺位于上極限位置時，機構(gòu)在重力的作用下處于自鎖狀態(tài)，很小的制動力矩就可以保證升降臺不會掉落下來。機構(gòu)的速度曲線、驅(qū)動扭矩曲線符合正弦曲線的變化規(guī)律，在啟動、停止過程中能夠極大地減小沖擊。

（3）行程固定、定位精確、易于控制。機構(gòu)的行程為2倍的偏心距，并且當位于上、下極限位置附近時，其高度受偏心齒輪角度的變化影響很小，易于極限位置的定位控制。

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