搖籃式直驅(qū)五軸聯(lián)動數(shù)控轉(zhuǎn)臺裝配技術(shù)及應(yīng)用*

李亞聰

(沈陽機(jī)床股份有限公司, 遼寧 沈陽 110142)

0 引 言

在精密加工以及航空航天制造業(yè)中,五軸加工中心已被廣泛應(yīng)用。根據(jù)中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計結(jié)果,2021年我國五軸加工中心共985臺。預(yù)計至2025年,國內(nèi)五軸機(jī)床用數(shù)控轉(zhuǎn)臺需求量將會突破1 500臺,增幅明顯。其所搭載的參與復(fù)合加工的雙軸搖籃數(shù)控轉(zhuǎn)臺的應(yīng)用需求也日益增多。隨著汽車模具、消費電子、醫(yī)療器械等行業(yè)的不斷發(fā)展,對轉(zhuǎn)臺的要求也越來越高,高速化、高精度化、智能化已成為必然趨勢[1]。

傳統(tǒng)的雙軸轉(zhuǎn)臺的驅(qū)動方式多采用機(jī)械傳動,主要是利用蝸輪蝸桿、滾子凸輪等傳動機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動和擺動[2]。蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各種中低速、中高載荷數(shù)控轉(zhuǎn)臺的設(shè)計與制造[3];凸輪滾子傳動雖具有零點隙、壽命長的優(yōu)點,但是凸輪加工門檻高,多以日企為主,如日本“三共”凸輪副。隨著直接驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展,用力矩電機(jī)代替機(jī)械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)運動和擺動已成為轉(zhuǎn)臺未來發(fā)展的必然趨勢。

對直驅(qū)搖籃轉(zhuǎn)臺的裝配工藝技術(shù)進(jìn)行分析和研究,總結(jié)其裝配采用的關(guān)鍵技術(shù)和注意要點,可為類似規(guī)格的數(shù)控工作臺設(shè)計生產(chǎn)制造提供技術(shù)參考[4]。筆者以某企業(yè)的一款直驅(qū)搖籃數(shù)控轉(zhuǎn)臺裝配工藝設(shè)計為例,對其剎車制動模組、C軸模組、A軸模組,A、C軸組合的裝配及定位精度檢測調(diào)整等過程進(jìn)行了詳細(xì)的研究,目的在于解決剎車模組和A軸雙電機(jī)同驅(qū)控制的裝配技術(shù)關(guān)鍵難點,儲備該核心部件的核心裝配技術(shù),以期為數(shù)控轉(zhuǎn)臺核心裝配工藝技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 搖籃數(shù)控轉(zhuǎn)臺簡介

以某企業(yè)一款直驅(qū)搖籃數(shù)控轉(zhuǎn)臺為研究對象開展分析,其具體的外觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。該轉(zhuǎn)臺具備A擺動軸和C回轉(zhuǎn)軸,與機(jī)床X、Y、Z直線進(jìn)給軸聯(lián)動,可實現(xiàn)發(fā)動機(jī)葉輪、螺旋傘齒輪、精密異形磨具等復(fù)雜、多孔、面零件的高精度加工。

圖1 搖籃式直驅(qū)數(shù)控轉(zhuǎn)臺示意圖

該轉(zhuǎn)臺依據(jù)先進(jìn)的設(shè)計理念,采用水冷式力矩電機(jī)直驅(qū)方案,可實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速、高工作扭矩;轉(zhuǎn)臺搭配高剛度高精密轉(zhuǎn)臺軸承、絕對值角度編碼器及強(qiáng)力剎車制動模組,具備響應(yīng)快、零背隙、零磨耗、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點。

轉(zhuǎn)臺由兩個A軸擺動軸、C軸回轉(zhuǎn)工作臺組成。包含驅(qū)動部分、鎖緊定位機(jī)構(gòu)及檢測反饋等部分。驅(qū)動部分采用力矩電機(jī)直接驅(qū)動,結(jié)構(gòu)緊湊、磨損小、精度高、扭矩大。擺動軸對稱分布兩臺力矩電機(jī),受力更為均勻、合理,運行平穩(wěn)[2]。內(nèi)轉(zhuǎn)子力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)子內(nèi)部空間利用充分,有效降低了旋轉(zhuǎn)臺的高度,使回轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)更為緊湊,加工范圍大為增加,同時具備散熱好的優(yōu)點。

2 裝配工藝解決方案

搖籃式直驅(qū)數(shù)控轉(zhuǎn)臺的裝配采用模塊化裝配,根據(jù)圖2所示,該直驅(qū)數(shù)控轉(zhuǎn)臺可以分為三個主要模塊,分別是剎車模組(A軸兩套,C軸一套)、C軸模組、A軸模組(兩套)。對每個模組分別進(jìn)行安裝調(diào)試后,再將A、C軸模組和剎車模組整體組裝,進(jìn)行精度調(diào)試。

圖2 轉(zhuǎn)臺模組示意圖

2.1 總體要求

從總體看,首先需保證轉(zhuǎn)臺零部件的質(zhì)量和裝配方法以確保轉(zhuǎn)臺的裝配精度[5]。需要良好的裝配環(huán)境,包括可靠、有效的安全保障;清潔,明亮的作業(yè)空間;合理便捷的工具、工裝、檢具置放空間;環(huán)境溫度必須保持20±2 ℃恒溫,環(huán)境濕度45%～65%為宜。

轉(zhuǎn)臺零部件(包括外購件、外協(xié)件)應(yīng)符合質(zhì)量要求;裝配時的零部件應(yīng)清理干凈,加工件不允許有磕碰劃傷和銹蝕;鑄件主要表面不許有砂眼及縮松現(xiàn)象。

2.2 剎車模組

剎車制動技術(shù)是轉(zhuǎn)臺設(shè)計的關(guān)鍵點,采用模塊化設(shè)計方法能最大限度把復(fù)雜多因素影響?yīng)毩⒂趩为毮K,利于裝配、試驗和維修。

轉(zhuǎn)臺剎車模組如圖3所示。把底盤放置在大理石平臺上;實測缸蓋深度L1,實測缸芯高度L2,配磨A面,保證L1-L2=0.60 mm(活塞行程+0.2),確保有效卡緊。過程中可用塞尺檢驗。

圖3 剎車制動模組示意圖

完成剎車模塊組裝后,有必要進(jìn)行樣機(jī)試制和試驗,并完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)校正和可靠性試驗。將剎車制動組件置于有獨立液壓站及PLC控制系統(tǒng)的試驗臺上,通過扭矩測試儀測試剎車扭矩是否滿足使用條件。對于長時間運轉(zhuǎn)后的可靠性驗證,可進(jìn)行30次/min的高頻次加速驗證。

兩套A軸剎車模塊和一套C軸剎車模塊成組裝配后,獨立試驗運車,完成測試后入庫備用。

2.3 C軸模組

C軸模組結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。其中包括直驅(qū)電機(jī)、主體回轉(zhuǎn)軸、工作臺、YRT轉(zhuǎn)臺軸承、剎車模組及高精密編碼器,共同安裝在搖籃體中。C軸是直驅(qū)搖籃數(shù)控轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)軸,上面的工作臺承載卡具及工件直接參與機(jī)床加工,需要同時滿足剛性及精度需求,其裝配的關(guān)鍵點包括:回轉(zhuǎn)套件精度的控制、電機(jī)定轉(zhuǎn)子及冷卻、回轉(zhuǎn)編碼器的精密安裝。

圖4 C軸模組示意圖

通過對結(jié)構(gòu)的設(shè)計和分析及各個零部件的裝配關(guān)系,確定C軸模組的裝配工序如下。

(1) 電機(jī)定子安裝。

(2) 冷卻水路確認(rèn)。上水打壓5 bar,保持12 h,判斷是否存在泄漏。

(3) 安裝轉(zhuǎn)臺軸承。要正確使用力矩扳手(該案例為34 Nm力矩),固定好軸承外圈后試轉(zhuǎn),測試摩擦力矩。

(4) 工作臺面安裝。臺面凸臺與轉(zhuǎn)臺軸承內(nèi)圈連接,注意安裝扭矩,連接后手動檢驗回轉(zhuǎn)精度。

(5) 電機(jī)轉(zhuǎn)子安裝。電機(jī)轉(zhuǎn)子、C軸轉(zhuǎn)子軸、C軸編碼器連接盤通過螺釘把合,整體吊裝,通過檢棒導(dǎo)向以正確對中,下壓到工作臺安裝止口內(nèi)把接,檢測搖籃體兩側(cè)與工作臺面的垂直度,需保證小于0.01 mm。

(6) 剎車模組安裝。根據(jù)零件實際尺寸累計算出調(diào)整量,安裝剎車模組,給油測試,需保證活塞移動靈活性,使其卡緊可靠;泄油后測量活塞回彈數(shù)值,保證剎車片與活塞的安全距離。

(7) 編碼器安裝。編碼器要求精密安裝,實測旋轉(zhuǎn)部件安裝面到固定部件連接面的距離,配磨C軸編碼器軸到安裝面的距離后調(diào)整尺寸,配車壓蓋尺寸,保證安裝精度。

(8) 清潔、防銹。

具體裝配工藝示意圖如圖5所示。

圖5 C軸模組工藝簡圖

2.4 A軸模組

A軸的支撐部分為A軸套筒,如圖6所示。其動力傳動結(jié)構(gòu)與 C 軸部件相似,同樣由力矩電機(jī)、轉(zhuǎn)臺軸承、編碼器及剎車模組組成。A軸在機(jī)床中起擺動軸作用,帶動C軸搖籃組沿著A軸軸心做±120°擺角。

圖6 A軸模組工藝簡圖

該轉(zhuǎn)臺A軸采用套筒式結(jié)構(gòu)與機(jī)床床身相連,以保證更好的結(jié)合剛性。A軸組合安裝工藝要求如圖7所示,A軸與C軸垂直找正,用檢棒檢驗其對C軸基準(zhǔn)的跳動值,該值不超過0.01 mm;找正上母線和側(cè)母線,允差值保證在0.01/200 mm以內(nèi);A軸左右同軸允差值在0.01 mm以內(nèi)。找正完成后,固定轉(zhuǎn)子和定子(注意對正與主從動端的相應(yīng)定位銷孔),保證轉(zhuǎn)子固定不動。A軸處于零位。

圖7 A軸組合安裝

為提高扭矩和機(jī)床剛性,可用一個編碼器的同一個軸將兩臺或多臺力矩電機(jī)連接在一起,如圖8所示。但這種使用方法有需要注意的使用要求,即電機(jī)必須完全相同,也就是說電機(jī)需要具有相同的機(jī)械尺寸和繞組類型。在使用串聯(lián)力矩電機(jī)時,軸的剛性必須足夠高,使其在電機(jī)之間傳遞扭矩時無顯著扭轉(zhuǎn)變形。根據(jù)工況需要,文中采用這一技術(shù)。A軸左右兩端采用同規(guī)格力矩電機(jī),并應(yīng)用一個驅(qū)動器控制,實現(xiàn)高慣量匹配,以提高動態(tài)響應(yīng)能力。這種安裝需要兩臺電機(jī)的相位調(diào)整必須相同。

根據(jù)電機(jī)設(shè)計要求,經(jīng)計算、安裝后,A軸兩側(cè)電機(jī)定子定位銷的相位角偏置角度82.5°±0.14°。在實際裝配中需要應(yīng)用示波器對電機(jī)進(jìn)行相位波形檢測。通過示波器測試發(fā)現(xiàn),A軸左右波形基本吻合,達(dá)到工藝要求。

2.5 A、C軸組合

如圖9所示,將C軸模組與A軸安裝在一起,A軸移動端為C軸模組留出安裝空間,將C軸模組搖籃定位孔與A軸左右端部軸端安裝套合,找正臺面及中心孔,用力矩扳手?jǐn)Q緊搖籃連接螺栓,固定A軸移動端。

圖9 A、C軸組合

2.6 精度檢測

搖籃轉(zhuǎn)臺整體安裝后,需要對其精度進(jìn)行檢驗。該項裝配工藝的工藝流程示意圖如圖10所示。精度檢驗項目具體內(nèi)容如下。

圖10 精度檢驗示意圖

(1) 工作臺面精度(要求0.01 mm)。

(2) 工作臺面和進(jìn)給軸線運動間的精度(要求0.01 mm)。

(3) 工作臺基準(zhǔn)T型槽精度(要求0.01 mm)。

(4) 旋轉(zhuǎn)軸線A與進(jìn)給軸線兩個方向運動間精度(要求0.01/300 mm)。

(5) 旋轉(zhuǎn)軸線C與進(jìn)給軸線運動間精度(要求0.01/300 mm)。

(6) 旋轉(zhuǎn)軸線C與旋轉(zhuǎn)軸線A之間的精度(要求0.01/300 mm),此外還需要復(fù)核A軸旋轉(zhuǎn)誤差、工作臺面精度、工作臺C軸旋轉(zhuǎn)精度等轉(zhuǎn)臺自身的裝配精度。

如圖11所示為激光測量精度過程。利用激光干涉儀分別測量A、C軸定位精度,重復(fù)定位精度。通過對控制系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償,使A、C軸定位精度、重復(fù)定位精度滿足使用要求[6]。

圖11 激光測量

2.7 裝配工藝總結(jié)

搖籃式直驅(qū)數(shù)控轉(zhuǎn)臺采用力矩電機(jī)直接驅(qū)動,具有高轉(zhuǎn)速、高扭矩、無背隙、無磨耗等優(yōu)點。其裝配技術(shù)的關(guān)鍵點主要集中在剎車模組和A軸雙電機(jī)同驅(qū)控制。剎車模組裝配過程中需要調(diào)整到合理的安裝間隙,控制剎車距離,并且要通過油壓試驗保證剎車的可靠性,同時檢驗油腔的密封效果;A軸雙電機(jī)一定要控制兩臺電機(jī)的相位角,并通過示波器檢驗。

3 結(jié) 語

文中系統(tǒng)性闡述了直驅(qū)搖籃數(shù)控轉(zhuǎn)臺裝配工藝。以模塊化思維將整個裝配過程分解成若干個標(biāo)準(zhǔn)作業(yè),重點解決影響轉(zhuǎn)臺性能和精度的關(guān)鍵難點,做到過程逐項驗證與整體檢驗的有機(jī)結(jié)合。通過優(yōu)化裝配制造過程,使該轉(zhuǎn)臺各項性能及精度指標(biāo)達(dá)到甚至優(yōu)于產(chǎn)品設(shè)計要求,裝配技術(shù)的完善及成功使得產(chǎn)品能夠順利開發(fā),有效地提升企業(yè)競爭力。