滾齒機(jī)轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)分析及同步控制研究

李金龍,孫永超

(齊重?cái)?shù)控裝備股份有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161005)

滾齒機(jī)轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)分析及同步控制研究

李金龍,孫永超

(齊重?cái)?shù)控裝備股份有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161005)

根據(jù)數(shù)控滾齒機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，對轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析及參數(shù)校核，利用有限元分析軟件ANSYS建立了轉(zhuǎn)臺的有限元模型，對相應(yīng)工況下的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力和變形分析，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性和可行性。

數(shù)控滾齒機(jī)；雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；同步控制

刀架數(shù)控轉(zhuǎn)臺是滾齒機(jī)工作時(shí)齒形展成運(yùn)動(dòng)的重要保障之一，其結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)精度直接決定著齒形的加工質(zhì)量。本文以齊重?cái)?shù)控YK311000L數(shù)控滾齒機(jī)回轉(zhuǎn)滑座的研制為例，應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對工況下的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力和變動(dòng)分析，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性與可行性。

1 研究對象布局

本文主要研究對象是滑座回轉(zhuǎn)裝置。

滑座安裝在立柱垂直導(dǎo)軌上，帶動(dòng)動(dòng)力頭架作Z向運(yùn)動(dòng)?；O(shè)有數(shù)控動(dòng)力頭架回轉(zhuǎn)裝置A軸，由交流伺服電機(jī)經(jīng)減速機(jī)、雙導(dǎo)程蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)角度為正負(fù)30°，A軸設(shè)有自動(dòng)夾緊裝置，另設(shè)有不同動(dòng)力頭架的快換接口。圓光柵閉環(huán)控制。

滑座應(yīng)用滾滑復(fù)合導(dǎo)軌。導(dǎo)向?qū)к壘鶠闈L動(dòng)，支撐面為減磨滑動(dòng)導(dǎo)軌?；捎肔形滾動(dòng)壓板，在壓板上裝有液壓夾緊裝置。

2 同步轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)滾齒機(jī)的實(shí)際使用工況確定該滾齒機(jī)數(shù)控轉(zhuǎn)臺部分的結(jié)構(gòu)形式，然后根據(jù)數(shù)控轉(zhuǎn)臺的主要性能指標(biāo)檢驗(yàn)其是否滿足轉(zhuǎn)速、剛度和精度的要求；同時(shí)對數(shù)控轉(zhuǎn)臺的主傳動(dòng)部分進(jìn)行校核，包括電機(jī)的校核和渦輪蝸桿的校核；對于數(shù)控轉(zhuǎn)臺的關(guān)鍵部分，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，承載情況也比較復(fù)雜，不能運(yùn)用現(xiàn)有理論公式進(jìn)行計(jì)算，采用有限元分析軟件ANSYS建立了轉(zhuǎn)臺的有限元模型，對相應(yīng)工況下的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力和變形分析，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性和可行性。

數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺主要由渦輪蝸桿、工作臺、主軸及其他附件組成，其工作原理如下：交流伺服電機(jī)軸通過聯(lián)軸器與蝸桿軸相聯(lián)，蝸桿與工作臺地面把合的渦輪齒圈嚙合，帶動(dòng)工作臺旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由數(shù)控指令和電機(jī)的反饋共同完成工作臺的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向以及轉(zhuǎn)角控制。工件安裝在工作臺上，工作臺安裝在滑座上，通過滑座的運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)工作臺的直線位移，從而可以對工件的徑向位置進(jìn)行調(diào)整。

數(shù)控轉(zhuǎn)臺由雙電機(jī)同步控制驅(qū)動(dòng)，通過渦輪蝸桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺進(jìn)行分度。電機(jī)的選型，渦輪蝸桿的結(jié)構(gòu)形式以及轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)形式對于整個(gè)數(shù)控轉(zhuǎn)臺的工作性能起著至關(guān)重要的作用。整個(gè)數(shù)控轉(zhuǎn)臺的剖面結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示。

3 電機(jī)的參數(shù)計(jì)算及校核

已知電機(jī)的技術(shù)參數(shù)如下：

選用進(jìn)給電機(jī)型號： 1FK7105-7AF71-1DG0 12 N·m 3 000 r/min

電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量：J=23×10-4kg·m2

減速機(jī)型號：SP180S-MF2-50-0I0

速比：I=50

圖1 數(shù)控轉(zhuǎn)臺的剖面結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of CNC hobbing’s section

減速機(jī)慣量：J=8.16×10-4kg·m2

蝸桿：φ100×805，重量32 kg

刀架重量：62 000 kg

A軸轉(zhuǎn)度：0.37 r/min

電機(jī)轉(zhuǎn)速：0.37×88×50=1 628 r/min

3.1A軸的電機(jī)慣量計(jì)算

轉(zhuǎn)動(dòng)物體折算到電機(jī)軸的慣量：

(1)

式中，M為轉(zhuǎn)動(dòng)物體總量，D為轉(zhuǎn)動(dòng)物體直徑，i為降速比。

J聯(lián)軸器=1.59×10-4kg·m2

J刀架=1.196×10-3kg·m2

J總=3.496×10-3kg·m2

3.2 最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩

偏載力矩：M=2.88×104N·m

折算到電機(jī)側(cè)：M=6.5 N·m

3.3 加速度性能檢驗(yàn)

加速度性能檢驗(yàn)原則為：快速空載啟動(dòng)力矩M應(yīng)該小于電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。

快速空載啟動(dòng)力矩：

(2)

式中，MOmax為空載時(shí)啟動(dòng)折算到電機(jī)軸的最大扭矩，Mf為折算到電機(jī)軸的摩擦扭矩。

M=3 N·m

所以，可以選用1FK7105-7AF71-1DG0 12N·m3 000r/min3.14kW的交流伺服電機(jī)。

4 蝸輪蝸桿校核

4.1 蝸輪蝸桿接觸強(qiáng)度校核

按蝸輪齒面疲勞點(diǎn)蝕計(jì)算，接觸疲勞工作應(yīng)力校核依據(jù)為：

(3)

許用接觸應(yīng)力校核依據(jù)為：

(4)

式中，ZE為材料彈性系數(shù)，ZO為蝸桿傳動(dòng)接觸系數(shù)，KA為使用系數(shù)，T2為蝸輪轉(zhuǎn)矩，a′為嚙合中心距，σHlim蝸輪輪齒的接觸疲勞極限強(qiáng)度值，Zh為壽命系數(shù)，Zn為轉(zhuǎn)速對載荷循環(huán)次數(shù)的影響系數(shù)，n2為蝸輪轉(zhuǎn)速。

首先，計(jì)算接觸疲勞工作應(yīng)力：

(5)

取ZE=147MPa，ZO=3，T2=2.112×104N·m，KA=1.3，a′=490mm，

σH=147×3×

取σHlim=265MPa，Zh=1.038，Zn=0.994，

SHlim=1.2，則

σHP=265×1.038×0.99÷1.2=227

經(jīng)計(jì)算可知，σHP>σH，蝸輪蝸桿接觸強(qiáng)度可滿足使用要求。

4.2 蝸輪輪齒的彎曲強(qiáng)度計(jì)算

蝸輪輪齒的彎曲強(qiáng)度校核依據(jù)為：

(6)

式中，F(xiàn)t2為蝸輪圓周力，KA為使用系數(shù)，m為蝸桿軸向模數(shù)，b2為蝸桿齒寬，UP為許用系數(shù)，Ulim為蝸桿彎曲計(jì)算時(shí)的極限系數(shù)，SFmin為彎曲計(jì)算時(shí)的最小安全系數(shù)，通常取1～1.7。

取Umin=115MPa，m=10，b2=100mm，F(xiàn)t2=4.8×104N·m，KA=1.3，

經(jīng)計(jì)算可知，蝸輪輪齒的彎曲強(qiáng)度可滿足使用的要求。

5 數(shù)控轉(zhuǎn)臺的有限元分析

由于轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不能用常規(guī)公式進(jìn)行計(jì)算，所以采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行分析。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級CAE工具之一[2-4]。

采用186單元進(jìn)行分析，SOLID186是高階的三維20節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)體單元。該單元具有二次位移，適于生成不規(guī)則的網(wǎng)格模型。本單元由20個(gè)節(jié)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度：節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系的X、Y、Z方向的平動(dòng)。本單元具有有塑性、超彈性、蠕變、應(yīng)力剛化、大變形和大應(yīng)變等功能。單元的示意圖如圖2所示[5-6]。

圖2 SOLID186單元示意圖Fig.2 The chart of SOLID186 unit

轉(zhuǎn)臺的材料為HT250，其彈性模量E=1.38×1011N/m2，泊松比μ=0.156，密度ρ=7.28×103kg/m3。在ANSYS中采用六面體網(wǎng)格劃分單元，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量好壞對分析結(jié)果的準(zhǔn)確性影響較大。一般來說，網(wǎng)格劃分越細(xì)，計(jì)算所得的數(shù)值越精確，需要耗費(fèi)更多的計(jì)算機(jī)機(jī)時(shí)。同時(shí)，劃分過細(xì)的網(wǎng)格也需要耗費(fèi)更多的工時(shí)，所以需要在時(shí)間和精度之間尋求平衡，以求達(dá)到要求的精度為佳。轉(zhuǎn)臺的有限元模型如圖3所示[8-10]。

圖3 轉(zhuǎn)臺的有限元模型Fig.3 The finite element model of turntable

根據(jù)轉(zhuǎn)臺在使用過程中的定位形式，設(shè)定其中心軸承安裝孔為圓周定位，設(shè)定其最外圓的前后環(huán)導(dǎo)軌為軸向定位，以此來設(shè)定轉(zhuǎn)臺有限元計(jì)算時(shí)的邊界條件。

轉(zhuǎn)臺除承受自身重量和來自蝸輪蝸桿的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩外，還受到由于刀架的重量和切削力引起的彎矩，在有限元模型的相應(yīng)位置處施加約束和載荷，求解，得出轉(zhuǎn)臺的應(yīng)力圖如4所示，變形圖如圖5所示。

可見，轉(zhuǎn)臺的最大受力處得應(yīng)力約為，HT250的強(qiáng)度極限為，HT250為脆性材料，在取得較大安全系數(shù)后仍能滿足使用要求。經(jīng)過以上有限元計(jì)算，可知該轉(zhuǎn)臺的實(shí)際使用最大應(yīng)力，滿足實(shí)際選用材料HT250的材料應(yīng)力要求，因此，設(shè)計(jì)合理。

圖4 轉(zhuǎn)臺的應(yīng)力圖Fig.4 The diagram of turntable’s stress

圖5 轉(zhuǎn)臺的位移圖Fig.5 The shift diagram of turntable

[1] 齒輪手冊編委會(huì).齒輪手冊[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2000：23-25.

[2] Erdogan M, Lbrahim G. The Finite Element Method and Applications in Engineering Using Ansys[M].New York：Springer,2007：149-154.

[3] 王勖成，邵敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法[M].北京：清華大學(xué)出版社,2003：127-178.

[4] ANSYS.ANSYS有限元分析[EB/OL].http://pera.e-works.net.cn/datalist. htm.

[5] 李兵，何正嘉，陳雪峰.ANSYS Workbench設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化[M].北京：清華大學(xué)出版社,2008：119-145.

[6] 王勖成，邵敏.最新經(jīng)典ANSYS及Workbench教程[M].北京：電子工業(yè)出版社,2004：28-38.

[7] 張雄軍，孟弋潔.基于ANSYS WorkBench大型復(fù)合材料罐體結(jié)構(gòu)有限元分析[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2008(46)：6-11.

[8] Kapur V K, Yadav J S. Analytical studies of temperature and inertia on the performance of hydrostatic porous thrust bearing[J].Applied Scientific,2007(22)：11-16.

[9] 蔡連軍，常英林，張貴德.1592立式車床改造[J].一重技術(shù)，2000(2)：64-65.

[10] 婁曉鐘，羅紅霞，楊淑珍.有限元分析在12.5 m立式車床設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].應(yīng)用寫真，2001(4)：46-50.

(責(zé)任編輯：張振華)

Structural Analysis and Synchronous Control of CNC Hobbing Machine Turntable

LI Jinlong, SUN Yongchao

(Qiqihaer Heavy CNC Equipment Corporation Limited， Qiqihaer Heilongjiang 161005, China)

According to the structure characteristic and structure parameter of CNC hobbing machine’s turntable, this paper analyzes the structure of drive turntable and parameter calibration .With the analysis of ANSYS, the finite element model of turntable. By analyzing conditions of turntable structure stress and deformation, the rationality and feasibility of design structure are verified.

CNC hobbing machine; Double-motor-driven turntable; Structural analysis; Synchronous control

2014-05-02

李金龍(1980-)，男，黑龍江勃利人，工程師，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)床工藝編制與設(shè)計(jì)。

TG659

A

1671-5322(2014)03-0026-04