陳紅昌 張世珍
(北京工研精機(jī)股份有限公司,北京 101312)
隨著國(guó)家“探月工程”等重點(diǎn)項(xiàng)目的實(shí)施,對(duì)大型、超大型零件的組合加工提出了新的要求,在此背景下,研制了新型移動(dòng)鉆銑裝備。其特點(diǎn)是:⑴配備全向移動(dòng)AGV車(chē),可實(shí)現(xiàn)大尺寸空間內(nèi)快速轉(zhuǎn)場(chǎng)作業(yè);⑵機(jī)械臂末端最大可實(shí)現(xiàn)880 mm×1 500 mm× 700 mm的移動(dòng)范圍;⑶末端執(zhí)行單元可實(shí)現(xiàn)300 mm×300 mm×200 mm的運(yùn)動(dòng)空間,并且在全工作空間可實(shí)現(xiàn)A/B軸18°聯(lián)動(dòng),在局部空間可實(shí)現(xiàn)立臥轉(zhuǎn)換。針對(duì)大型零件可實(shí)現(xiàn)一次定位,多工位加工,提升了加工效率和加工精度。該裝備屬于并聯(lián)機(jī)床。并聯(lián)機(jī)床是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床技術(shù)和現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)相互結(jié)合而產(chǎn)生的高端機(jī)床創(chuàng)新產(chǎn)品[1],相比于傳統(tǒng)的串聯(lián)式機(jī)床具有諸多優(yōu)點(diǎn),例如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且穩(wěn)定、柔性高、傳動(dòng)鏈短、剛度大、可重構(gòu)和工藝集成度高等,這些優(yōu)點(diǎn)使得并聯(lián)機(jī)床在復(fù)雜曲面加工方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[2]。并聯(lián)機(jī)床有多組運(yùn)動(dòng)支鏈,每組運(yùn)動(dòng)支鏈由主運(yùn)動(dòng)副和兩端鉸鏈串聯(lián)組成,控制該支鏈的難度非常大,從精度分配的角度來(lái)看,留給運(yùn)動(dòng)傳遞環(huán)節(jié)的誤差范圍十分有限[3]。移動(dòng)鉆銑裝備外形如圖1所示,其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)重心相對(duì)于底座支撐導(dǎo)軌有較大偏心。底座對(duì)偏心載荷的支撐能力是設(shè)備精度穩(wěn)定的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此,底座的設(shè)計(jì)對(duì)提高機(jī)床精度具有重大意義。
在底座設(shè)計(jì)過(guò)程中,一方面,為了保證設(shè)備動(dòng)態(tài)精度的穩(wěn)定性,其移動(dòng)重心不能因?yàn)榈鬃l(fā)生較大變化;另一方面,底座的剛性是末端執(zhí)行單元運(yùn)動(dòng)精度的重要保證。兩者相互制約,設(shè)計(jì)過(guò)程中綜合考慮上述因素后對(duì)模型進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。底座功能性結(jié)合面布局如圖2所示。
根據(jù)功能性結(jié)合面的位置,底座腔體布局成十字交叉筋,中間薄弱部分用米字筋進(jìn)行加強(qiáng),對(duì)受力大的地方進(jìn)行加厚處理,如圖3所示。腔體橫截面積長(zhǎng)×寬≈350 mm×180 mm。
根據(jù)加工要求,設(shè)備執(zhí)行單元鉆銑頭重復(fù)定位精度≤0.03 mm,為了保證設(shè)備執(zhí)行單元運(yùn)動(dòng)精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求,底座導(dǎo)軌安裝面在全行程(1 650 mm)上的直線度≤0.015 mm。為確保各項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn),底座方案初步設(shè)計(jì)完成后,用SolidWorks軟件對(duì)模型進(jìn)行分析。
(1) 預(yù)緊力對(duì)導(dǎo)軌安裝面影響分析
采用SolidWorks分析軟件對(duì)底座受力情況進(jìn)行分析,其中導(dǎo)軌螺紋連接處所受拉力約為:
(1)
式中:T為導(dǎo)軌安裝預(yù)緊力矩,根據(jù)所選導(dǎo)軌型號(hào),取T=10 500 N·cm[4];K是擰緊力矩系數(shù),由表1知;d是螺紋公稱(chēng)直徑,根據(jù)導(dǎo)軌規(guī)格,K=0.15取d=1.4 cm。
把上述各項(xiàng)值代入式(1)中得:
(2)
表1 擰緊力矩系數(shù)K[5]
將F0=50 000 N作為邊界條件施加到導(dǎo)軌安裝面,底座變形如圖4所示。
由圖4可見(jiàn),導(dǎo)軌施加預(yù)緊力后,導(dǎo)軌安裝面局部最大會(huì)有0.03 mm的變形。
(2)模擬實(shí)際工況對(duì)底座影響分析
模擬實(shí)際工作狀態(tài)下,底座受到的主要載荷如表2所示。
把表2所列邊界條件添加到模型進(jìn)行分析,分析結(jié)果如圖5所示。
表2 底座工況下受力狀態(tài)
由此可見(jiàn),模擬實(shí)際工況使底座產(chǎn)生0.09 mm的變形。從導(dǎo)軌安裝預(yù)緊力及模擬實(shí)際工況對(duì)底座的影響兩方面分析,目前底座的設(shè)計(jì)方案均達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。
由圖4和圖5分析可以得出,底座變形最大、受力狀況最?lèi)毫拥牡胤绞窃趯?dǎo)軌安裝面;在實(shí)際使用過(guò)程中,導(dǎo)軌安裝面的變形對(duì)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)精度影響也是最大的,因此,模型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要要加強(qiáng)導(dǎo)軌附近的結(jié)構(gòu)剛性。
如圖6所示,對(duì)底座采取的改進(jìn)措施有以下幾方面:
(1)導(dǎo)軌安裝面下面添加支撐筋板。
(2)底面由四周接觸改為全接觸。
(3)增加十字交叉筋密度,減小腔體橫截面積,腔體橫截面積減小為A×B=150 mm×65 mm。
(4)為了改善鑄造工藝性,在不影響剛性的前提下,中間米字筋改為直筋。
(5)增加導(dǎo)軌安裝面厚度,厚度C由原來(lái)的32 cm增加到37 cm。
將改進(jìn)的實(shí)體模型導(dǎo)入SolidWorks軟件,分別按式(2)和表2所設(shè)定的邊界條件重新加載,分析結(jié)果如圖7和圖8所示。
對(duì)比分析結(jié)果,模型經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,導(dǎo)軌安裝預(yù)緊力引起的變形由0.03 mm減小為0.015 mm,變形量減小50%;在模擬實(shí)際工況下的綜合變形由0.09 mm減小到0.011 mm,變形量減小85%,滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)指標(biāo)。
對(duì)比優(yōu)化前后的應(yīng)力分布云圖,如圖9所示,導(dǎo)軌安裝面最大應(yīng)力由1.5×107N/m2減小為0.3×107N/m2,底座受力情況得到明顯改善。
優(yōu)化后的底座用自準(zhǔn)直儀進(jìn)行導(dǎo)軌安裝面直線度測(cè)試,根據(jù)導(dǎo)軌長(zhǎng)度,測(cè)試分為11屏,每屏直線度誤差測(cè)試結(jié)果如表3和表4所示。
表3 導(dǎo)軌面1~6屏測(cè)量結(jié)果
表4 導(dǎo)軌面7~11屏測(cè)量結(jié)果
根據(jù)測(cè)量原理,自準(zhǔn)直儀分度值可表示為
S=B×α
(3)
把上述各項(xiàng)值代入式(3)中得:
(4)
建立坐標(biāo)系,橫坐標(biāo)表示各測(cè)試點(diǎn)在導(dǎo)軌上的位置,縱坐標(biāo)表示各點(diǎn)的直線度誤差測(cè)試結(jié)果,如圖10所示。
由圖10分析可知,導(dǎo)軌實(shí)際位置與理論基準(zhǔn)線最大偏移發(fā)生在300 mm處,其值為12.4,那么導(dǎo)軌直線度誤差值為:
(5)
該數(shù)值達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
由導(dǎo)軌直線度誤差分布曲線圖可知,導(dǎo)軌安裝面兩端誤差很小,中間測(cè)試點(diǎn)實(shí)際位置均位于理論基準(zhǔn)線之上,在實(shí)際裝配過(guò)程中,對(duì)中間部分進(jìn)行了研磨,進(jìn)一步縮小了安裝面的直線度誤差。底座與裝備的機(jī)械臂、末端執(zhí)行單元等部件完成裝配后,國(guó)家機(jī)床質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)設(shè)備整體精度進(jìn)行了檢驗(yàn),部分檢測(cè)報(bào)告如圖11所示??梢?jiàn)實(shí)測(cè)末端執(zhí)行單元重復(fù)定位精度為0.023 mm;定位精度達(dá)0.032 mm,達(dá)到了并聯(lián)加工機(jī)器人末端精度的設(shè)計(jì)要求。
本文采用模型設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析相結(jié)合的方法,提出一種新型移動(dòng)鉆銑裝備基礎(chǔ)底座鑄件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,解決了承受偏心載荷較大的鑄件在實(shí)際應(yīng)用中變形大的問(wèn)題,為移動(dòng)鉆銑裝備達(dá)到預(yù)期精度提供了保證。