直驅(qū)式雙擺頭鎖緊制動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究

董志強(qiáng)，姜莉莉，雷曉鐘

(1．廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006;2．廣州市珠江機(jī)床廠有限公司，廣東廣州510000)

直驅(qū)式雙擺頭具有高精度、高轉(zhuǎn)速的特性，廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工領(lǐng)域，雙擺頭的鎖緊制動機(jī)構(gòu)不僅需要制動保證電機(jī)安全，還要通過保證旋轉(zhuǎn)軸任意角度的夾緊固定來滿足在指定角度平面工作或定向的要求［1］，而鎖緊制動的可靠性直接決定了機(jī)械加工時(shí)零件的精度以及表面質(zhì)量。文中設(shè)計(jì)了一種針對力矩電機(jī)(內(nèi)轉(zhuǎn)子式)驅(qū)動的雙擺頭鎖緊制動機(jī)構(gòu)。

1 鎖緊制動機(jī)構(gòu)工作原理

鎖緊制動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1 所示，主要由內(nèi)脹式機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)子軸組成，其中內(nèi)脹式機(jī)構(gòu)由內(nèi)殼、彈性套、塑料套等組成，通過法蘭使其右端固定;轉(zhuǎn)子軸通過脹緊機(jī)構(gòu)與力矩電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子固定在一起，其左端與主軸箱連接。

圖1 雙擺頭A 軸右側(cè)鎖緊制動機(jī)構(gòu)

工作原理:內(nèi)脹式機(jī)構(gòu)中內(nèi)殼與彈性套形成環(huán)形封閉油腔，充有液壓油，當(dāng)力矩電機(jī)運(yùn)行過程中，內(nèi)轉(zhuǎn)子帶動轉(zhuǎn)子軸一起轉(zhuǎn)動，當(dāng)需要鎖緊制動時(shí)，油壓升高，彈性套兩變形槽之間的區(qū)域受壓變形，均勻地膨脹并消除配合間隙，壓緊轉(zhuǎn)子軸內(nèi)表面，產(chǎn)生摩擦扭矩完成旋轉(zhuǎn)軸的鎖緊制動;松開時(shí)，減小油壓，使彈性套變形部分恢復(fù)到原始的尺寸，使配合間隙出現(xiàn)，由于鎖緊制動動作幾乎完全軸對稱，而且有較高的夾緊剛度和夾緊力，因此鎖緊制動的可靠性有了很大的提升，從而對改善加工表面質(zhì)量和提高加工精度起到了關(guān)鍵作用。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

鎖緊制動機(jī)構(gòu)中彈性套的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定是該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，彈性套在液壓作用下產(chǎn)生彈性變形，為了便于彈性套的變形，在彈性套上設(shè)計(jì)了變形槽。通過ANSYS Workbench 對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，確定了一定液壓p 下變形槽的最佳距離、均勻變形長度、變形區(qū)最佳厚度及轉(zhuǎn)子軸與彈性套間隙。如圖2所示，其中:

式中:L 為變形槽間距;D 為變形區(qū)域直徑;d 為變形區(qū)域厚度;T 為鎖緊制動力矩;S 為最大均勻接觸面積;F 為液壓作用于變形區(qū)域內(nèi)側(cè)的壓力;F彈性變形為結(jié)構(gòu)彈性變形力;F鎖緊制動為作用于轉(zhuǎn)子軸上的鎖緊制動力;?為轉(zhuǎn)子軸與彈性套間隙;?殘余為產(chǎn)生鎖緊制動作用的殘余變形量;?總變形為液壓作用下的總變形。

圖2 彈性套的參數(shù)

3 應(yīng)用

該鎖緊制動機(jī)構(gòu)已應(yīng)用于某廠設(shè)計(jì)的一款A(yù)/C軸雙擺頭，內(nèi)脹式機(jī)構(gòu)右側(cè)有液壓和空氣管路，分別用于液壓的執(zhí)行和釋放以及調(diào)試時(shí)排出油腔內(nèi)的空氣，A 軸采用并聯(lián)的兩個(gè)力矩電機(jī)，均為西門子1FW6090-0PA05，最大輸出轉(zhuǎn)矩179 ×2 N·m。彈性套材料選用淬火調(diào)質(zhì)后的鈹青銅，根據(jù)工藝及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)取?=0.15 mm、d =2.4 mm，運(yùn)用ANSYS Workbench 軟件對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力仿真分析，在不同的液壓載荷下得到其變形量如圖3 所示。

圖3 彈性套在不同的液壓載荷下的變形量

通過仿真結(jié)果可得到在合適壓力作用下該結(jié)構(gòu)易實(shí)現(xiàn)變形，且變形后保證均勻接觸摩擦面積最大，從而驗(yàn)證了變形槽位置設(shè)計(jì)的合理性，由分析結(jié)果得到均勻變形長度M =50 mm，則最大均勻接觸面積S =3.14 ×85 ×10－3×50 ×10－3m2。

由圖3 可知:在液壓力0 ～5 MPa 時(shí)，載荷與變形量呈線性關(guān)系，可以認(rèn)為彈性套處于理想彈性變形狀態(tài)［2］，則在4 MPa 壓力作用時(shí)，得到:

F≈4×106×3.14×85×10－3×50×10－3=53 380 N

T=53 380 ×85/2 ×10－3=2 268.65 N·m

?總=0.269 mm

?殘余=0.269－0.15 =0.119 mm

T ＞＞358 N·m，安全系數(shù)為6.33，滿足設(shè)計(jì)的要求。

4 結(jié)論

該鎖緊制動機(jī)構(gòu)采用液壓軸向制動，在小空間內(nèi)進(jìn)行了部件的巧妙布置，具有定心精度高、可重復(fù)性好、夾緊扭矩大、夾緊剛度高等特點(diǎn)，從而有力地保證了實(shí)際生產(chǎn)過程中雙擺頭的位置以及加工部件的加工質(zhì)量和精度，為直驅(qū)式雙擺頭鎖緊制動機(jī)構(gòu)的研究提供了一個(gè)新的思路，有利于加快實(shí)現(xiàn)直驅(qū)式雙擺頭國產(chǎn)化的進(jìn)程。

［1］現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊編委會．現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006．

［2］許德珠．機(jī)械工程材料［M］．北京:高等教育出版社，2001．