一種液壓夾緊機(jī)構(gòu)在直驅(qū)式雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的應(yīng)用

趙越，姜莉莉，雷曉鐘

(1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006;2.廣州市珠江機(jī)床廠有限公司，廣東廣州 510000)

一種液壓夾緊機(jī)構(gòu)在直驅(qū)式雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的應(yīng)用

趙越1，姜莉莉1，雷曉鐘2

(1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006;2.廣州市珠江機(jī)床廠有限公司，廣東廣州 510000)

雙軸數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是五軸數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)部件，它通過(guò)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)或分度頭完成精密角度的等分、不等分或連續(xù)的回轉(zhuǎn)加工，能夠?qū)崿F(xiàn)A，C軸的回轉(zhuǎn)進(jìn)給與定位，完成復(fù)雜曲面加工，使機(jī)床的加工范圍得以擴(kuò)大。介紹了一種用在雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的液壓夾緊裝置，該機(jī)構(gòu)具有定心精度高、夾緊力大、夾緊剛度高、結(jié)構(gòu)緊湊、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用表明效果很好。

液壓夾緊套;雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái);力矩電機(jī)

0 前言

雙回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是實(shí)現(xiàn)五軸加工中心回轉(zhuǎn)進(jìn)給功能的關(guān)鍵功能部件，直驅(qū)式工作臺(tái)僅靠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通常不能滿足工件所需的定位精度要求。而雙回轉(zhuǎn)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸的夾緊機(jī)構(gòu)主要有兩個(gè)作用:一是當(dāng)工作臺(tái)工作時(shí)突然切斷電源或因故障電網(wǎng)突然停電時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩幾乎為零，若負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大，則電機(jī)容易失控造成事故，這時(shí)需要制動(dòng)保證其安全;另一作用是旋轉(zhuǎn)軸以及擺動(dòng)軸到達(dá)任意角度需要通過(guò)夾緊固定來(lái)滿足其在指定角度平面強(qiáng)力銑削或定向結(jié)構(gòu)的要求，另外，還能夠分散傳動(dòng)機(jī)構(gòu)定位加工時(shí)的受力，并將力直接傳遞給箱體，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)得到釋放，從而保證了回轉(zhuǎn)軸的精度及高傳動(dòng)性。

夾緊裝置可分為氣動(dòng)抱閘、三齒盤、液壓抱閘等機(jī)構(gòu)。鑒于該型工作臺(tái)采用的是電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)尺寸受限，且要達(dá)到大的鎖緊力矩比較困難。故文中采用的是液壓夾緊套制動(dòng)機(jī)構(gòu)，接觸面積大，依靠夾緊套的彈性變形抱緊轉(zhuǎn)子，定心精度高，安全而又可靠。1 結(jié)構(gòu)原理

液壓夾緊套制動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由帶有凹槽的夾緊套和密封圈組成，凹槽能使夾緊套在受壓時(shí)更易變形，如圖1所示。

圖1 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)液壓夾緊套制動(dòng)機(jī)構(gòu)

其基本工作原理是:夾緊套外壁上的凹槽與固定件形成環(huán)形封閉油腔，內(nèi)部充有液壓油。當(dāng)對(duì)其施壓時(shí)，油壓在抱閘套筒壁的密封圈之間毫無(wú)損失地轉(zhuǎn)換成徑向夾緊力，并使套筒內(nèi)壁作用于轉(zhuǎn)子的外圓周表面，均勻地抱緊被夾緊件，通過(guò)消除配合間隙，產(chǎn)生摩擦扭矩的方式來(lái)完成旋轉(zhuǎn)的鎖緊制動(dòng);松開后，只需減壓來(lái)使夾緊套薄壁恢復(fù)到原始形狀，并恢復(fù)配合間隙。

文中介紹的對(duì)于電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的雙回轉(zhuǎn)工作臺(tái)一是電機(jī)對(duì)A軸回轉(zhuǎn)擺動(dòng)的驅(qū)動(dòng)，二是在左右兩端各設(shè)有一電機(jī) (如圖2)，用于驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)A軸的擺動(dòng)，由于其結(jié)構(gòu)完全軸對(duì)稱，這就使得其工作及制動(dòng)需完全同步，而液壓夾緊套制動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠在受限的空間內(nèi)進(jìn)行制動(dòng)且具有極高的夾緊力和夾緊剛度，則可對(duì)雙回轉(zhuǎn)工作臺(tái)進(jìn)行應(yīng)用。

圖2 雙回轉(zhuǎn)工作臺(tái)

2 重要參數(shù)的確定

通過(guò)分析該夾緊套的工作原理，該夾緊套既要求良好的變形能力又要求足夠的強(qiáng)度。因此其夾緊套材料可采用鈹青銅QBe2，它是高性能銅合金，經(jīng)固溶及時(shí)效硬化處理，具有高硬度、高耐磨性、高抗爆性、高屈服極限與疲勞極限、耐腐性能佳、高導(dǎo)電率及優(yōu)異的散熱性能［1］。另外結(jié)構(gòu)為薄壁筒狀結(jié)構(gòu)，外壁上設(shè)有凹槽，在夾緊套的兩端設(shè)有密封圈用于防止泄漏，夾緊套兩端設(shè)有法蘭盤便于其安裝與固定。

鎖緊制動(dòng)機(jī)構(gòu)中彈性套的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定是該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，彈性套在液壓作用下產(chǎn)生彈性變形，為了便于彈性套的變形，在彈性套上設(shè)計(jì)了變形槽。通過(guò)ANSYSWorkbench對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析確定了一定液壓P下變形槽的最佳距離、均勻變形長(zhǎng)度、變形區(qū)最佳厚度及轉(zhuǎn)子軸與彈性套間隙［2］。

3 應(yīng)用

該套筒制動(dòng)機(jī)構(gòu)已應(yīng)用于某廠設(shè)計(jì)的一款直驅(qū)式雙回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，如圖2所示。夾緊式機(jī)構(gòu)外側(cè)有液壓和空氣管路，分別用于液壓的執(zhí)行和釋放以及調(diào)試時(shí)排出油腔內(nèi)的空氣，C軸采用的力矩電機(jī)，為西門子1FW6130-0Px07，最大輸出轉(zhuǎn)矩575 N·m。彈性套材料選用淬火調(diào)質(zhì)后的鈹青銅，根據(jù)工藝及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)取?(轉(zhuǎn)子軸與夾緊套間隙)=0.15 mm、d(變形區(qū)域厚度)=2.4 mm，運(yùn)用ANSYS-Workbench軟件對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力仿真分析，分析結(jié)果如圖3所示，模擬量數(shù)值關(guān)系見表1。在不同的液壓載荷下得到其變形量如圖4所示。

圖3 仿真分析結(jié)果

表1 模擬量數(shù)值關(guān)系表

圖4 鈹青銅的載荷與變形量曲線圖

通過(guò)仿真結(jié)果可得到在合適壓力作用下該結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)易變形，且變形后保證均勻接觸摩擦面積最大，從而驗(yàn)證了變形槽位置設(shè)計(jì)的合理性，由分析結(jié)果得到p=2.5 MPa時(shí)均勻變形長(zhǎng)度M=50mm，則最大均勻接觸面積 S=3.14×90×10－3×50×10－3m2。

由圖3得到在液壓力0～3 MPa時(shí)，載荷與變形量成線性關(guān)系，可以認(rèn)為彈性套處于理想彈性變形狀態(tài)，該數(shù)值分析結(jié)論與該合金鋼材料的屈服強(qiáng)度數(shù)值也是一致，從側(cè)面驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型以及邊界約束設(shè)置的合理性。

通過(guò)上述分析可知在2.5 MPa的液壓剎緊力作用時(shí)，套筒鎖緊處于合理的完全彈性變形狀態(tài)，可以得到:

4 結(jié)論

文中重點(diǎn)講述了液壓夾緊套筒在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)對(duì)C軸旋轉(zhuǎn)夾緊的應(yīng)用，其具有很高的定心精度和很好的重復(fù)性，同時(shí)其夾緊扭矩大、夾緊剛度高，并由于液壓夾緊油腔內(nèi)充滿了液壓油使其具有一定的阻尼減震作用。此夾緊機(jī)構(gòu)同樣可以應(yīng)用到圖2中驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)A軸擺動(dòng)的兩對(duì)稱電機(jī)上，這除了需要布置具有任意角度定位分度功能的夾緊機(jī)構(gòu)外，還要布置能夠滿足車削加工大扭矩，高剛性要求的固定角度分度定位的夾緊機(jī)構(gòu)，兩者并用才能更好地完成機(jī)構(gòu)的車削和銑削加工，而文中所介紹的夾緊機(jī)構(gòu)則可應(yīng)用于此。

［1］機(jī)械工程手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械工程手冊(cè).第3卷.機(jī)械工程材料［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［2］凌桂龍.ANSYSWorkbench 13.0［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2012.

Application of a Hydraulic Clamping Mechanism in Direct Drive Rotary Table with Double Axes

ZHAO Yue1，JIANG Lili1，LEIXiaozhong2
(1.School of Mechatronics Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou Guangdong 510006，China;2.Guangzhou Zhujiang Machine ToolWorks Co.，Ltd.，Guangzhou Guangdong 510000，China)

Double axes rotary table is one of the basic components in 5 axis numerical control(NC)machine tool.Its precision angle bisecting，unequal or continuous rotary processwere completed by driving the rotary table or dividing head to achieve rotary feeding and positioning of A，C axis，to complete complex surfacemachining，so that themachine's processing rangewas expanded.A kind of hydro-clamping sleeve device used on the rotary table with double axes was introduced.The mechanism has the advantages of high precision in centering，large clamping force，high clamping rigity，compact in structure，safe and reliablble，and etc.Its practical application shows very good effects.

Hydro-clamping sleeve;Rotary table with double axes;Torquemotor

TH132

B

1001－3881(2015)21－176－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2015.21.043

2014－08－11

趙越 (1991—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化。E－mail:383448562@qq.com。