撰文/沈陽機床股份有限公司 李云革

精密臥式加工中心設計研究（二）
——回轉工作臺部分

撰文/沈陽機床股份有限公司 李云革

本文以HMC63e型臥式加工中心機床牙盤分度回轉臺的設計計算作為例子，介紹牙盤分度回轉臺的計算設計過程。詳細講解了牙盤式分度回轉臺的工作原理、具體結構以及理論計算過程。通過機床樣機測試，證實工作臺結構設計合理、設計計算過程正確。

一、引言

臥式加工中心一次裝卡可以完成多個面的加工且排屑方便，適合長時間無人操作，市場需求量一直很大?，F在各種行業(yè)尤其是汽車行業(yè)的高速發(fā)展，國內外的中小型臥式加工中心正逐漸向高速、精密、復合和智能化發(fā)展，對高精度轉臺的要求也越來越高。

本文以HM63e型臥式加工中心牙盤分度轉臺為例，闡述轉臺設計要點，理論計算及一些實際經驗。

二、原理結構設計

該機床采用630×630mm雙交換工作臺，廣泛適用于箱體類零件、殼體零件等中大型零件的加工，零件經過一次裝夾可自動完成四個面的銑、鉆、鏜、鉸、攻絲、兩維和三維曲面等多工序加工，且排屑方便比較適合長時間無人操作，適應多品種大批量生產。應用于航空航天、汽車機車、儀器儀表、輕工輕紡、電子電器和通用機械等行業(yè)。

牙盤回轉工作臺依靠牙盤定位，定位精度高。牙盤回轉工作臺快速回轉速度為11.1rpm。其回轉采用雙導程蝸桿，可以保證傳動時無間隙。其牙盤工作臺參數：工作臺為630×630mm；載重為1200Kg；工作臺分度為1°；工作臺T形槽尺寸為18×7；無觸點開關情況下，回轉臺上升、下落各一個（共2個）轉臺回零點一個；工作臺松開、夾緊各一個（共2個）；系統工作壓力為3.5MPa或5MPa；定位精度為8″；重復定位精度：5″。轉臺具體結構如圖1所示。轉臺的下牙盤4固定在滑座1上，上牙盤5固定在回轉座6上。轉臺共有3種工作狀態(tài)。

（1）圖示位置為工作臺夾緊狀態(tài)，這時Ⅰ油口開始給油，活塞7位于下面位置，活塞7經過回轉座6讓上面的牙盤5與下面的牙盤4緊緊嚙合在一起，由此來夾緊回轉座6，這時工作臺10是通過拉桿13與卡爪16拉緊，實現與回轉座6的定位與夾緊，在這個時刻，工作臺10、回轉座6與滑座1夾緊成為一個整體，適合切削加工。

（2）當Ⅱ油路開始進油時，活塞7開始上升，帶動回轉座6和上牙盤5一起向上升，與下牙盤4脫離，這時可以通過蝸桿軸24傳遞動力（傳動如圖2所示），與蝸輪嚙合，帶動油缸體3轉動，油缸體3通過銷子21帶動回轉座6與工作臺10一起轉動，最終實現回轉工作臺轉動。

圖1 牙盤式回轉工作臺結構示意圖

（3）工作臺夾緊和松開，當Ⅲ進油時，推動活塞20上升，帶動拉爪芯套17和卡爪16向上運動8mm，使得卡爪16松開拉桿13，拉桿13與工作臺固定，此時可以進行工作臺10的交換。此時Ⅴ口氣動管路進行錐定位面中心吹氣，以清潔錐面。同時，圖2 的無觸點開關18與圖2的撞塊16接觸，反饋信號并表示，隨后工作臺升起到位，可以交換。當Ⅳ進油時，推動活塞20下降，帶動卡爪16與拉桿13拉緊，從而使工作臺夾緊，工作臺可以工作，此時，圖2 的無觸點開關19和圖2的撞塊16接觸，反饋信號，表示工作臺下降到位。工作臺可以工作。

轉臺分度定位由牙盤實現，優(yōu)點是定位精度好。工作臺回轉經過伺服電機傳到帶輪2，帶輪2固定在蝸桿軸8上，蝸桿與蝸輪嚙合，蝸輪帶動整個工作臺及回轉座旋轉。此種轉臺的定位方式，對動力傳遞裝置定位的準確性要求不是太高，因此在實際生產中對對蝸桿副加工的要求不至于過于苛刻，能夠在實際更加容易實現。由于采用雙導程蝸桿傳動機構，可以消除傳動間隙，保證分度精度。

三、校核計算

（1）上牙盤浮起計算。

工作時，活塞受到的總作用力為

式中，FL為負載阻力；Ff為液壓缸外摩擦力；FB為背壓阻力；FS為密封圈摩擦阻力；FI為活塞啟動時的慣性力。

工作臺10質 量m1=188Kg， 回轉座6質 量m2=150Kg，浮起時帶起其它零件總質量m3=70Kg，工件最大重量為載重m4=1200Kg，再加上其它增加的質量200Kg，牙盤浮起時，浮起部分的總質量為：

總重量為：W=m×g=1808×9.8 =17718N

當由Ⅱ管路進油時，活塞7承受力設為F，管路油壓：P=5MPa(液壓站最高壓力7MPa)；活塞7外徑D1=210mm，被軸占據的內徑D2=170mm。

F=PA（A為有效截面積）

因為F＞W，所以活塞面積及油壓符合設計要求。為進一步確保升起穩(wěn)定，在管路上安裝一個減壓閥，通過改變管路壓力大小來調節(jié)牙盤升起速度。

圖2 轉臺動力傳動結構示意圖

（2）上升下降速度計算?；钊?行程為7mm，時間t=2s

由于下降時有工作臺加工件的總重量，所以為了保證其升降穩(wěn)定性，在管路上裝有節(jié)流閥，調節(jié)管路流量，以便調整工作臺整體升降的速度及其穩(wěn)定性。

四、回轉工作臺電機的選擇計算

回轉工作臺選用西門子廠家交流伺服電機，交流伺服電機無電刷和換向器，工作可靠，維護和保養(yǎng)要求低，慣量小，易于提高系統快速性，是高動態(tài)性能的永磁型電機，具有性能優(yōu)良、運行穩(wěn)定，適應于高速大扭矩工作狀態(tài)等特性。

預選西門子伺服電機型號為1FK7101-5AF71 27/15.5Nm （SIEMENS），具體參數是：額定轉速：n=3000r/min，額定扭矩M=15.5Nm，功率P=4.87KW，轉動慣量J=79.9×10-4Kg·m2。

（1）工作臺旋轉傳動比的計算。

式中，i為傳動比；Z1為帶輪1齒數；Z3為帶輪3的齒數；Z8為蝸桿軸的頭數；Z24為蝸輪的齒數。

（2）工作臺旋轉扭矩的計算。

工作臺回轉時，牙盤浮起后，活塞內油面與回轉座的零件接觸，摩擦系數為0.005，浮起零件總重量W=17718N，加速時間為2s，加速度為1rad/s2（系統自帶）轉動慣量J=119kg·m2。

摩擦力最大為：

摩擦力矩為：

加速扭矩為：

折算到電機的扭矩：

預選電機的額定扭矩為15.5Nm，電機的額定扭矩大于負載的扭矩 ，所以，所選電機滿足要求。

（3）工作臺旋轉慣量的計算。

工作臺工件總質量：M=1808Kg

工作臺工件總回轉慣量：

式中，M為回轉座的質量；l為工作臺邊長，l=630mm=0.63m。

折算到電機軸上的轉動慣量為：

五、結語

樣機生產裝配完成后，進行了指標測試，其測試結果轉臺滿載時，轉動和交換都能順利平穩(wěn)快速完成，其轉動定位精度達到6″，重復定位精度達到4″，各項指標均能達到設計前預計指標。

（未完待續(xù)）