摇篮式五轴转台设计分析

摇篮式五轴转台设计分析

熊超

广州市昊志机电股份有限公司  广东广州510700

摘要：文章提出了一种力矩电机直驱型摇篮式五轴转台的设计方案，在说明该摇篮式五轴转台的总体设计方案的基础上，从力矩电机的选定、关键零件B轴连接底座的设计这两方面入手，针对该力矩电机直驱型摇篮式五轴转台的具体设计要点进行了阐述。同时，展开了静力学仿真分析，所得到的结果表明，本设计方案的应用效果理想，满足实际使用运行需求。

关键词：力矩电机直驱；摇篮式五轴转台；设计方案

引言：摇篮式五轴转台是数控机床中的重要构件，会对数控机床的实际运行效率、质量产生一定程度的影响，因此需要持续落实优化设计。

一、摇篮式五轴转台的总体设计

相比于蜗轮蜗杆驱动型摇篮式五轴转台而言，力矩电机直驱型摇篮式五轴转台在定位精度、转速方面均能够显现出更为理想的状态，因此在本次设计中，主要落实对力矩电机直驱型摇篮式五轴转台的设计。整个力矩电机直驱型摇篮式五轴转台内包含着的构件包括：B轴刹车结构、B轴力矩电机、B轴底座、B轴主支撑端轴承的组合密封结构、B轴轴承底座、C轴力矩电机、C轴刹车结构、转台的旋转接头、转台台面、C轴支撑轴、C轴轴承组合密封结构、B周连接底座、辅助支撑端轴承的组合密封结构、辅助支撑端支撑轴承、辅助支撑底座等等。

其中，选定支撑组合辅助支撑的形式完成对B轴结构的设计，以此促使其实际所具备的支撑刚性有所提升，避免发生严重的转台变形问题，实现加工精度的提高。在力矩电机的支持下，完成对B轴（摇摆轴）以及C轴（旋转轴）的直接性驱动，由于相应驱动形式为零间隙传动，因此可以达到对中间传动所引发的反向间隙、摩擦、弹性变形等、噪声等一系列问题的有效规避，实现五轴转台实际传动精度、传动刚性的提升，也可以达到五轴转台加工效率的效果[1]。

使用集成钢栅尺的YRT系列轴承，完成对C轴的支撑以及对B轴的主支撑；使用精密交叉滚子轴承，完成对B轴的辅助支撑，以此促使五轴转台支撑刚性有所提高。选定环抱式刹车结构完成对B轴以及C轴的刹车结构设计，以此促使其实际所具备的刹车效果更高、刹车扭矩增大。选定三道机械式密封结构完成对B轴主支撑端、辅助支撑端以及C轴密封的设计，以此确保各个轴承均能够获取到更为理想的密封保护，促使五轴转台的使用年限有所延长。

将旋转接头加设在C轴位置，以此促使固定液压站上的液体能够顺利向着夹具方向旋转，完成对液压油旋转的合理分配。将液压保压单元（液压锁、蓄能器组合）加设在B-C摇篮式转台边上，保证在机床紧急停止运行、B轴紧急停止的条件下，B轴刹车液压能够实现有效保压，降低B轴掉落问题的发生概率。在此基础上，进一步将强电单元延时断电的电容模块、弱电单元延时断电的USP模块加设在液压保压单元上，以此完成对电源以及驱动电源延时断电的控制，调整延时断电时间长度为3s。依托这样的设计，能够达到有效弥补液压保压系统反应滞后的问题，从而降低B轴因自重发生掉落的问题发生概率。

二、摇篮式五轴转台的具体设计

（一）力矩电机的选定

使用下式完成对最大角速度给进条件下转台某旋转轴所需要的总体扭矩，即：

M总=（M加+MB+MR）×1.2

其中，此时需要的加速扭矩使用M加表示；转台容许加工扭矩使用MB表示；此时转轴的旋转摩擦扭矩使用MR表示；安全系数为1.2。在选定投放在摇篮式五轴转台中的力矩电机时，要求其实际所具备的额定扭矩能够始终保持在不低于M总的状态下[2]。

（二）关键零件B轴连接底座的设计

应用soildwork，完成对B轴连接底座的设计。期间，搭建该零部件的有限元模型，以此为基础实施静力学仿真分析，并参考分析结果优化设计。设定QT600-3为该零部件的材料，性能参数设定如下：密度为7.12g/cm3；弹性模量为169GPa；泊松比为0.286；屈服强度为370MPa；抗拉强度为600MPa。

工件重力、C转子重力、B轴连接底座自重、C轴额定扭矩以及B轴额定扭矩为B轴连接底座的在实际使用期间所承担着的主要荷载。在B轴连接底座的实际运动期间，所面对着的工况主要有8种，可以划分为2类，具体为：第一，B轴不联动。工件重力350kg+C转子重力135kg+B轴连接底座自重；工件重力350kg+C转子重力135kg+B轴连接底座自重+C轴额定扭矩576.6N·m；工件重力350kg+C转子重力135kg+B轴连接底座自重+B轴额定扭矩1549N·m；工件重力350kg+C转子重力135kg+B轴连接底座自重+C轴额定扭矩576.6N·m+B轴额定扭矩1549N·m。第二，B轴联动90°。工件重力300kg+C转子重力135kg+B轴连接底座自重；工件重力300kg+C转子重力135kg+B轴连接底座自重+C轴额定扭矩576.6N·m；工件重力300kg+C转子重力135kg+B轴连接底座自重+B轴额定扭矩1549N·m；工件重力300kg+C转子重力135kg+B轴连接底座自重+C轴额定扭矩576.6N·m+B轴额定扭矩1549N·m。

在连接盘的支持下，B轴连接底座两端能够在轴承上支撑，而为了简化分析，在进行建模期间对该连接盘进行了省略，直接使用刚性连接的方式，连接B轴连接底座与该质量点。此时，B轴连接底座的B轴主支撑端承受着扭矩与重力，对全部自由度产生约束作用，在辅助支撑端完成对全部自由度的开放[3]。

展开静力学仿真分析，所得到的结果表明，在上述8中工况条件下，B轴连接底座的应力、最大变形均保持在相对较小的水平；在工况“工件重力300kg+C转子重力135kg+B轴连接底座自重+B轴额定扭矩1549N·m”的条件下，能够获取到等效应力的最大值以及最大变形。换言之，只要在该工况下所设计的B轴连接底座能够满足使用要求，那么这种B轴连接底座设计形式在其他工况下也能够满足使用要求。基于此，需要针对该工况下的B轴连接底座展开静力学仿真分析。结果显示，在该工况下，B轴连接底座的等效应力最大值为4.26MPa，与材料的屈服应力（370MPa）进行对比，明显较小；B轴连接底座的最大变形为0.0133mm，与设计要求（0.02mm）相比，保持在较小水平。可以看出，所设计的B轴连接底座满足使用要求。

为进一步优化对B轴连接底座的设计，主要针对前文分析中确定出的最大变形发生位置实施改进，即底座的底部中间位置翻边区域。实践中，将竖直加强筋沿着该位置的圆周方向落实均匀加设，以此提升该位置的刚度强度。继续进行仿真分析验证改进结果，发现该位置的变形数值有所下降。

总结：综上所述，与蜗轮蜗杆驱动型摇篮式五轴转台相比，力矩电机直驱型摇篮式五轴转台在定位精度、转速方面均能够显现出更为理想的状态，因此在当前的实践中，需要重点落实对力矩电机直驱型摇篮式五轴转台的优化设计。实践中，结合对旋转轴所需要总体扭矩的计算，选定具有合适额定扭矩的力矩电机，并进一步优化对B轴连接底座的设计，实现对摇篮式五轴转台安全使用年限的延长。

参考文献：

[1]王雁宁,冯泽宇.五轴立式加工中心双轴转台密封结构设计及选用[J].液压气动与密封,2022,42(06):54-56.

[2]李艳红,沈涛, 张琰,赵吕懿,周麟.基于双频激光相位测量五轴转台角度定位的误差分析[J].宇航计测技术,2021,41(03):34-37.

[3]梁林海,周俊荣,王瑞超,李会军.摇篮式五轴数控机床转台设置与加工调试研究[J].机械工程师,2020,(11):52-53+58.