双轴回转工作台毕业设计文献综述.docx
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双轴回转工作台毕业设计文献综述
毕业设计(论文)
文献综述
题目
双轴回转工作台结构设计
专业
机械设计制造及其自动化
班级
机057班
学号
3050211188
学生
张立方
指导教师
高峰
教授
二○○九年
文献综述
一.双轴回转工作台简介[1]
双轴回转工作台是五轴联动的基础,它能够实现回转轴和摆动轴的两坐标定位。
在三轴联动的数控铣床上增加了双轴回转工作台,并通过数控改造使之成为五轴数控铣床,是扩展机床使用功能的简捷方式。
数控机床加工某些零件时,除需要有沿X、Y、Z三个坐标轴的直线进给运动之外,还需要有绕X、Y、Z三个坐标轴的圆周进给运动,分别称为A、B、C轴。
安装双回转轴工作台的五轴联动机床也称五坐标机床,它是在三个平动轴(沿X、Y、Z轴的直线运动)的基础上增加了两个转动轴(能实现绕X轴、Z轴旋转运动,即A轴和C轴),双轴回转工作台实现了A轴和C轴的转动。
设置在床身上的工作台可以环绕X轴回转,定义为A轴,A轴一般工作范围有限,并非360度。
工作台的中间还设有一个回转台,环绕Z轴回转,定义为C轴,C轴都是360度回转。
这样五轴联动机床实现五轴联动的关键就在于双回转轴工作台。
二.双轴回转工作台的特点[1]
装有双轴回转工作台不仅可使刀具相对于工件的位置任意可控,而且刀具轴线相对于工件的方向也在一定范围内任意可控,由此使的五轴联动机床加工具有以下特点:
A.可避免刀具干涉,加工普通三坐标机床难以加工的复杂零件,加工适应性广,如图1(a)所示。
B.对于直纹面类零件,可采用侧铣方式一刀成型,加工质量好、效率高,如图1(b)所示。
C.对一般立体型面特别是较为平坦的大型表面,可用大直径端铣刀端面逼近表面进行加工,走刀次数少,残余高度小,可大大提高加工效率与表面质量,如图1(c)所示。
D.对工件上的多个空间表面可一次装夹进行多面、多工序加工,加工效率高并有利于提高各表面的相互位置精度,如图1(d)所示。
E.五轴加工时,刀具相对于工件表面可处于最有效的切削状态。
例如使用球头刀时可避免球头底部切削,如图1(e)所示,利于提高加工效率。
同时,由于切削状态可保持不变,刀具受力情况一致,变形一致,可使整个零件表面上的误差分布比较均匀,这对于保证某些高速回转零件的平衡性能具有重要作用。
F.在某些加工场合,如空间受到限制的通道加工或组合曲面的过渡区域加工,可采用较大尺寸的刀具避开干涉,刀具刚性好,有利于提高加工效率与精度,如图1(f)所示。
现在,大家普遍认为,五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等加工的唯一手段。
所以,每当人们在设计、研制复杂曲面遇到无法解决的难题时,往往转向求助于五轴数控系统。
图1五轴联动加工的特点
三.双轴回转工作台的结构和原理[1][2][3][4][5][6][12]
由于五轴联动数控机床系统价格十分昂贵,加之NC程序制作较难,使五轴系统难以“平民”化。
现在很多的工厂使用的是三轴联动的数控机床,即能实现X、Y、Z三个轴方向的同时平动。
如果再配上一个双轴回转工作台,能实现绕X轴、Z轴旋转(即A轴和C轴),再完成数控部分的改造,实现同时控制即能实现五轴联动。
这样即可减少固定资产的无形磨损,又避免购置新机的大量资金投入。
3.1双轴回转工作台的功用
第一,使工作台进行圆周进给完成切削工作;第二,使工作台进行分度工作。
它按照控制系统的命令,在需要时完成上述务。
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,所以定位精度完全由控制系统决定。
3.2双轴回转工作台的传动和结构
此处引用的工作台属于闭环数控回转工作台,两个旋转编码器分别位于与工作台固接的轴端和支撑座的尾端,能将旋转后的位置准确的反馈回系统。
这种数控回转工作台由交流伺服电动机驱动,在它的输出轴上接连轴器,再接一级齿轮减速器。
该数控回转工作台由圆柱齿轮传动系统、涡轮涡杆传动系统、间隙消除装置及蜗轮夹紧装置组成。
因为是涡轮涡杆传动与分度,所以停位不受限,并不像端齿分度盘一样,只能分度固定的角度的整数倍(5°、10°、15°等),而且偏转范围较大(110°~-70°),能加工任何角度与倾斜度的孔与表面。
齿的侧隙是靠齿轮制造精度和安装精度来保持。
大齿轮的支撑轴与涡杆轴做成一个轴,这种联结方式能增大连接的刚性和精度,更能减少功率的损耗。
其工作原理简述如下:
回转工作台的运动由交流侍服电机驱动圆柱齿轮传动,带动涡轮涡杆系统,使工作台旋转。
当数控回转工作台接到数控系统的指令后,首先松开圆周运动部分的涡轮夹紧装置,松开涡轮,然后启动交流侍服电机,按
图2回转工作台的工作原理图
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。
摆动部分的工作原理与此相同。
需要说明的是,当工作台静止时必须处于锁紧状态,工作台沿其圆周方向均匀分布6个夹紧液压缸进行夹紧。
当工作台不回转时,夹紧油缸在液压油的作用下向外运动,通过锁紧块仅仅顶在涡轮内壁,从而锁紧工作台。
当工作台需要回转时,数控系统发出指令,反向重复上述动作,松开涡轮,使涡轮和回转工作台按照控制系统的指令进行回转运动。
3.3双轴回转工作台C轴回转部分
图3回转工作台工作原理
图中:
1--工作台体,2--主轴,3--上多齿盘,4--下多齿盘,5--油缸下腔,6--齿盘离合器,7--齿轮,8--齿条,9--传感器,10--传感器,11--花键副,12--限位挡块,13--底盘,14--活塞
分度动作顺序如下:
油缸下腔5进油--活塞14带动工作台体1抬起--上多齿盘3与下多齿盘4分离--主轴2带动齿盘离合器6啮合--回转油缸(图中未画出)带动齿条8前进--齿轮7带动工作台体1及上多齿盘3回转至下一工位--油缸下腔5回油--工作台体1落下--多齿盘3,4啮合准确定位并夹紧--齿盘离合器6分离--齿条8缩回复位。
3.4回转和摆动部分的传动
图4回转部分和摆动部分中齿轮传动涡轮涡杆传动示意图
由图4可知整个数控回转工作台按照功用不同可以分为两个组成部分,即圆周回转部分和摆动部分;在圆周回转部分和摆动部分中又可以按照传动结构分为两个部分,即齿轮传动部分和蜗轮蜗杆传动部分。
3.5双轴回转工作台实物图
正如上面所描述,本文介绍的双轴回转工作台实物如图5所示。
图5双轴回转工作台实物图
四.五轴联动机床的结构类型[9][12]
4.1立式五轴加工中心
这类加工中心是工作台回转轴(图6)。
设置在床身上的工作台可以环
图6立式双轴回转工作台
绕X轴回转,定义为A轴,A轴一般工作范围30度至-120度。
工作台的中间还设有一个回转台,在图示的位置上环绕Z轴回转,定义为C轴,C轴都是360度回转。
这样通过A轴与C轴的组合,固定在工作台上的工件除了底面之外,其余的五个面都可以由立式主轴进行加工。
A轴和C轴最小分度值一般为0.001度,这样又可以把工件细分成任意角度,加工出倾斜面、倾斜孔等。
A轴和C轴如与XYZ三直线轴实现联动,就可加工出复杂的空间曲面,当然这需要高档的数控系统、伺服系统以及软件的支持。
这种设置方式的优点是主轴的结构比较简单,主轴刚性非常好,制造成本比较低。
但一般工作台不能设计太大,承重也较小,特别是当A轴回转大于等于90度时,工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。
另一种是依靠立式主轴头的回转(图2)。
主轴前端是一个回转头,能自行环绕Z轴360度,成为C轴,回转头上还带可环绕X轴旋转的A轴,一般可达±90度以上,实现上述同样的功能。
这种设置方式的优点是主轴加工非常灵活,工作台也可以设计的非常大,客机庞大的机身、巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。
这种设计还有一大优点:
我们在使用球面铣刀加工曲面时,当刀具中心线垂直于加工面时,由于球面铣刀的顶点线速度为零,顶点切出的工件表面质量会很差,采用主轴回转的设计,
图2主轴回转的立式五轴加工中心
令主轴相对工件转过一个角度,使球面铣刀避开顶点切削,保证有一定的线速度,可提高表面加工质量。
这种结构非常受模具高精度曲面加工的欢迎,这是工作台回转式加工中心难以做到的。
为了达到回转的高精度,高档的回转轴还配置了圆光栅尺反馈,分度精度都在几秒以内,当然这类主轴的回转结构比较复杂,制造成本也较高。
立式加工中心的主轴重力向下,轴承高速空运转的径向受力是均等的,回转特性很好,因此可提高转速,一般高速可达1,2000r/min以上,实用的最高转速已达到4,0000转。
主轴系统都配有循环冷却装置,循环冷却油带走高速回转产生的热量,通过制冷器降到合适的温度,再流回主轴系统。
X、Y、Z三直线轴也可采用直线光栅尺反馈,双向定位精度在微米级以内。
由于快速进给达到40~60m/min以上,X、Y、Z轴的滚珠丝杠大多采用中心式冷却,同主轴系统一样,由经过制冷的循环油流过滚珠丝杠的中心,带走热量。
4.2卧式五轴加工中心
此类加工中心的回转轴也有两种方式,一种是卧式主轴摆动作为一个回转轴,再加上工作台的一个回转轴,实现五轴联动加工。
这种设置方式简便灵活,如需要主轴立、卧转换,工作台只需分度定位,即可简单地配置为立、卧转换的三轴加工中心。
由主轴立、卧转换配合工作台分度,对工件实现五面体加工,制造成本降低,又非常实用。
也可对工作台设置数控轴,最小分度值0.001度,但不作联动,成为立、卧转换的四轴加工中心,适应不同加工要求,价格非常具有竞争力。
图7卧式双轴回转工作台
另一种为传统的工作台回转轴(图3),设置在床身上的工作台A轴一般工作范围20度至-100度。
工作台的中间也设有一个回转台B轴,B轴可双向360度回转。
这种卧式五轴加工中心的联动特性比第一种方式好,常用于加工大型叶轮的复杂曲面。
回转轴也可配置圆光栅尺反馈,分度精度达到几秒,当然这种回转轴结构比较复杂,价格也昂贵。
目前卧式加工中心工作台可以做到大于1.25m2,对第一种五轴设置方式没有什么影响。
但是第二种五轴设置方式比较困难,因为1.25m2的工作台做A轴的回转,还要与工作台中间的B轴回转台联动确实勉为其难。
卧式加工中心的主轴转速一般在10,000rpm以上,由于卧式设置的主轴在径向有自重力,轴承高速空运转时径向受力不均等,加上还要采用较大的BT50刀柄,一般最高可达20,000rpm。
卧式加工中心快速进给达到30~60m/min以上,主轴电机功率22-40KW以上,刀库容量按需要可从40把增加到160把,加工能力远远超过一般立式加工中心,是重型机械加工的首选。
加工中心大多可设计成双工作台交换,当一个工作台在加工区内运行,另一工作台则在加工区外更换工件,为下一个工件的加工做准备,工作台交换的时间视工作台大小,从几秒到几十秒即可完成。
最新设计的加工中心考虑到结构上要适合组成模块式制造单元(FMC)和柔性生产线(FMS),模块式制造单元一般至少有两台加工中心和四个交换工作台组成,加工中心全部并排放置,交换工作台在机床前一字形排开,交换工作台多的可以排成两行、甚至双层设计。
两边各有一个工位作为上下工件的位置,其余工位上的交换工作台安装着工件等待加工,有一辆小车会按照系统指令,把装着工件的交换工作台送进加工中心,或从加工中心上取出完成加工的交换工作台,送到下一个工位或直接送到下料工位,完成整个加工操作。
柔性生产线除了小车、交换工作台之外,还有统一的刀具库,一般会有几百把刀具,在系统中存入刀具的身份编码信息,再通过刀具输送系统送进加工中心,并把用完的刀具取回,柔性生产线往往还需要一台FMS的控制器来指挥运行。
五.双轴回转工作台的发展[9][10][11][12][13]
装备制造业是一国工业之基石,它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供重要的手段,是不可或缺的战略性产业。
即使是发达工业化国家,也无不高度重视。
近年来,随着我国国民经济迅速发展和国防建设的需要,对高档的数控机床提出了急迫的大量需求。
机床是一个国家制造业水平的象征。
而代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统,从某种意义上说,反映了一个国家的工业发展水平状况。
长期以来,以美国为首的西方工业发达国家,一直把五轴联动数控机床系统作为重要的战略物资,实行出口许可证制度。
特别是冷战时期,对中国、前苏联等社会主义阵营实行封锁禁运。
爱好军事的朋友可能知道著名的“东芝事件”:
上世纪末,日本东芝公司卖给前苏联几台五轴联动的数控铣床,结果让前苏联用于制造潜艇的推进螺旋桨,上了几个档次,使美国间谍船的声纳监听不到潜艇的声音了,所以美国以东芝公司违反了战略物资禁运政策,要惩处东芝公司。
五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高专门用于加工复杂曲的机床,这种机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业,有着举足轻重的影响力,堪称“制造业之灵魂”。
现在,大家普遍认为,五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等等加工的唯一手段。
而提高五轴联动数控机床的科技含量、精密度的重要手段之一就是提高双轴回转工作台的精密度。
要在不断提高双轴回转工作台工作性能,才能在实质上提高我国五轴联动数控机床的整体水平,使我国装备制造业得到长足发展。
参考文献
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