加工中心回转工作台设计

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摘 要：加工中心工作台分为数控分度工作台和数控回转工作台两种.加工中心工作台的性能,在很大程度上决定了机床的性能,因此,研究和开发高性能的加工中心工作台,始终是研究现代数控机床的关键任务之一.

关 键 词：加工中心；回转工作台；结构设计

1回转工作台机械总体结构

数控回转台由转台锁紧装置,组合支承结构（选用转台轴承）,蜗轮蜗杆传动装置（剖分蜗杆结构）,托板定位与夹紧装置,圆光栅检测装置,分油结构组成.转台锁紧装置的作用：保证转台分度到准确位子时,转台与转台座有足够的刚度.组合支承结构作用：承受转台的静压力又要承受动压力,还要保证较小的摩擦力.蜗轮蜗杆传动装置作用：传递动力和连续分度.托板定位与夹紧装置作用：固定托板,增加刚度.圆光栅检测装置作用：检测旋转位置精度.

2加工中心转台工作原理

回转工作台有两种状态：工作台进行圆周进给完成切削工作；工作台进行分度工作.数控回转工作台由伺服电动机驱动,采用无级变速方式工作.所以定位精度主要由控制系统决定.

（1）圆周回转进给

回转工作台的运动由伺服电机接联轴器,带动蜗轮蜗杆系统,使工作台旋转.当数控回转工作台接到数控系统的指令后,首先松开回转台部分的油缸刹紧装置进而松开刹紧片.然后启动交流伺服电机.按数控指令确定工作台的回转方向、回转速度及回转角度大小等参数.

（2）定位分度过程

刹紧油缸内油压减小到不足于克服蝶形弹簧4的弹力时,由于回转台3是固定不动的,缸体5在蝶形弹簧弹力作用下抬起,刹紧片7与缸体3分开,不再产生刹紧力.刹紧油缸缸体与刹紧片脱离后,交流伺服电机经联轴器连接蜗轮蜗杆,从而带动回转台回转.当圆光栅尺12确认转动到位后,回转台停止转动.刹紧油缸进油,回转台刹紧,分度过程完成.

3托盘的定位与夹紧装置设计

加工中心转台与托板的锁紧装置结构如图3-1所示,在此结构中,定位锥销4、定位锥套l组成结构完成该装置的定位功能；夹紧拉爪2、钢珠3和活塞6的活塞柄组成的结构完成该装置的夹紧功能.该结构依靠四处锥销及销套的圆锥曲面、平面定位.利用夹紧拉爪以及钢球在活塞杆的凹槽中随活塞杆运动,在液压油的作用下进行工作台的夹紧,定位点与夹紧点重合.

当装夹好待加工工件的托盘运行到工作区准备连接NMC夹紧前,气压通过气路5供给,进行各定位圆锥面及夹紧结构的清洁.此时托盘开始落下,在此过程中,锥销锥套进行自导向,当四套定位锥销与定位锥套的锥面紧密结合时,定位夹紧完成.

控制系统接收到定位完成信号后,进行油路7的液压油供给,活塞在油压的作用下而向下运动,夹紧拉爪因受到钢珠向下的推力产生弹性变形而向下拉抻扩张,最终上端定位锥销与定位锥套靠紧,完成托盘被夹紧的动作.工作时由以下三种状态循环出现：

（1）准备状态：

托盘准备进入时（托盘准备搬出时）,油路8有油压活塞处在上端,气路5处于供给状态,喷气口喷气,清洁定位锥面及夹紧结构,防止碎屑进入结构.油路7处在释放状态,此时活塞杆在油压作用位于其行程最上端位置作用下,钢珠3处在活动状态.

（2）定位状态：

托盘在落下（或抬起）过程中,油路8的油压、气路5的气压保持供给状态,销套与锥销的定位园锥面及定位平面留有适当的缝隙,以防止表面被划伤或因切屑滞留而挤死工作台的现象,从而保持精度.

（3）夹紧状态：

托盘准备夹紧时,液压系统油路8处在释放状态,油路7加液压,活塞在液压油作用下向下运动,钢球随着活塞柄移动,在向下运动期间,坚硬的钢珠3表面压紧拉爪2上端斜面,把定位锥套拉向定位锥销定位圆锥面.当气路中的气压达到一定的值时,气压传感器发出信号,从而托盘完成中心定位与夹紧的动作.

4锁紧装置设计

转台锁紧装置的作用：保证转台分度到准确位子时转台与转台座有足够的刚度.此设计是由液压力提供锁紧力,而恢复自由运动所需要的松开力由蝶形弹簧的变形力提供,回转体上的刹紧液压缸直接顶紧,用刹紧液压缸的缸体与刹紧片的摩擦力来锁紧.锁紧力计算过程如下：已知输入油压,液压缸活塞面积是环形面积：

S等于π（r12-r22）

液压缸顶紧力：F1等于PS；

液压缸锁紧力：Fr等于F1μ；

其中P为输入油压,S为液压缸活塞面积（环形面积,外圆半径为r1,内圆半径为r2）,摩擦系数为μ

5转台轴承选取

与滑动轴承相比,滚动轴承具有摩擦力小,功率消耗少,启动容易等优点.在选用上要考虑轴承的承载能力以及与轴承的安装、调整、润滑、密封等问题.本文考虑到轴承各个方面的误差会直接传递给加工工件时的加工误差,因此选用调心性能比较好的精密转台圆锥滚子轴承.此类轴承可以是将双向推力轴承与一个向心球YRT精导轴承紧固在一起,这些快速安装的预润滑单元具备极高的刚性和承载能力,并且有特别高的旋转精度.

6蜗轮蜗杆设计

（1）蜗杆传动的类型

根据蜗杆的形状,蜗杆传动可分为圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动和锥面蜗杆传动.圆柱蜗杆传动,按蜗杆轴面齿型又可分为普通蜗杆传动和圆弧齿圆柱蜗杆传动.

普通蜗杆传动多用直母线刀刃的车刀在车床上切制,可分为阿基米德蜗杆（ZA型）、渐开蜗杆（ZI型）和法面直齿廓蜗杆（ZH型）等几种.

车制阿基米德蜗杆时刀刃顶平面通过蜗杆轴线.该蜗杆轴向齿廓为直线,端面齿廓为阿基米德螺旋线.阿基米德蜗杆易车削难磨削,通常在无需磨削加工情况下被采用,广泛用于转速较低的场合.

车制渐开线蜗杆时,刀刃顶平面与基圆柱相切,两把刀具分别切出左、右侧螺旋面.该蜗杆轴向齿廓为外凸曲线,端面齿廓为渐开线.渐开线蜗杆可在专用机床上磨削,制造精度较高,可用于转速较高功率较大的传动.

（2）蜗杆传动的特点

①传动比大,结构紧凑.单级传动比一般为10-40（<80）,只传动运动时（如分度机构）,传动比可达1000.②传动平稳,噪声小.③有自锁性.④传动效率低且材料成本较高.

（3）蜗杆传动结构设计及尺寸参数

蜗轮蜗杆副的回程误差是影响工作台精度的重要因素.本文设计的蜗杆传动结构,将蜗杆分为两部分,一部分为空心套,另一部分为蜗杆,空心套与蜗杆通过胀紧套固定安装,使蜗杆与蜗轮左右工作面始终处在啮合状态,不存在反向间隙所以无论正转,反转都不会产生回程误差.为了保证蜗杆和蜗轮左右工作面的啮合,就需要对这两工作面施加预紧力,他们是由蜗杆两端的止推轴承提供,同时达到消除间隙的目的,因此能够减小机械部件对回转台精度的影响.

蜗轮参数：当量模数mk等于2.44,当量压力角ask等于16.174°,齿数Z等于120,当量圆直径d2k等于292.8,当量圆齿厚Sz等于3.84±0.15,精度等级5h,蜗轮材料ZQSnl0-1-2,蜗杆头数Z1等于2工作面模数ms等于2.3833工作面压力角as等于10.5°,非工作面模数ms等于2.385,工作面压力角as等于20°,材料31CrMoV9

7转台其他部分设计

托盘功能：承重以及作为基准,要满足装夹方便等,通常转台托盘设计为正方形.托盘面采用T形槽,便于装卸零件.

转台的润滑密封：回转部分的润滑采用循环喷油润滑,可以冲掉传动过程中齿轮啮合区的磨粒、减少磨损、延长使用寿命、对涡轮蜗杆进行很好的冷却与润滑等.密封装置：为防止工作过程中切屑与杂质进入旋转台,回转部分与下箱之间要用密封圈封好.

结论

本文对加工中心回转工作台关键部分进行结构设计,尤其是蜗轮蜗杆副结构上的创新,使得机械部分对转台精度的影响降至最低.