一種激光切割機升降工作臺設計?

潘志華，周鵬飛，王志惠，胡金龍

（江蘇揚力數控機床有限公司，江蘇 揚州 225127）

0 引言

隨著近年來激光切割技術應用的普及，人們對激光切割機的加工效率提出了更高的要求。目前絕大多數激光切割機都采用雙層交換式升降工作臺，當雙層工作臺中的一層在加工區域進行加工時，可以在另一層工作臺上完成上、下料工作，兩層工作臺交換使用可以減少上、下料停機等待時間，在很大程度上提高了設備的工作效率。目前絕大多數升降工作臺均采用液壓驅動方式，在升降臺的四角采用液壓缸驅動，實現升降臺的上下運動。液壓式升降工作臺在實際使用中存在一些不足：①同步性差，尤其是當出現偏載時不同步問題更加嚴重；②成本高，需要專門的一個液壓站來提供液壓油；③運行平穩性不好，啟動、停止時會產生較大的沖擊；④定位精度不高，上、下極限點停止的位置偏差較大。

針對上述問題，結合揚力公司FL3015型直線電機驅動的數控激光切割機研發項目，設計了一種基于偏心輪機構的機械式升降工作臺，并運用多體動力學軟件ADAMS對其運動規律進行了仿真。該技術方案具有結構簡單、成本低廉、安全平穩、定位準確等諸多優點。

1 機構設計

激光切割機的升降工作臺與其他工業升降臺有些不同：①行程固定，要求上、下極限點的位置準確；②啟動、停止的過程平穩無沖擊；③偏載情況下保證升降動作的同步性。本文設計的機械式升降臺，采用4個剛性聯接的偏心輪機構作為驅動機構，其運動學特性非常適用于激光切割機的升降工作臺，具體結構如圖1、圖2所示，傳動機構原理如圖3所示。

如圖1和圖2所示，升降工作臺主要包括機架、U型托架、工作臺A、工作臺B、同步軸、驅動齒輪、偏心齒輪、減速器、電機等部分。其中機架上設置有導向裝置，工作臺A、B上設置帶有導向槽的滾輪，U型托架上設有上導軌和下導軌，U型托架下部設有軸承座，偏心輪上設有偏心軸，電機為普通帶制動的交流異步電機。驅動電機經減速器減速后，通過驅動齒輪帶動偏心齒輪旋轉，偏心軸通過與軸承座的鉸接帶動U型托架一起做圓周方向上的平動，從而實現了位于U型托架上的工作臺的升降運動。在升降過程中，工作臺由于受到導向裝置的限制，只能夠作上下運動。當U型托架在繞偏心齒輪軸心的圓周方向上平動時，工作臺上的滾輪在U型托架上的導軌上滾動。另外，位于同側的兩個偏心齒輪通過U型托架剛性連接，由同一個減速電機驅動的分別位于兩側的兩個偏心齒輪通過同步軸剛性連接，實現了4個偏心齒輪的剛性連接，進而保證了升降過程中4個偏心輪的同步性。

圖1 偏心輪式激光切割機升降工作臺結構示意圖

2 技術要點

2.1 過約束問題

由圖2可知，4個偏心齒輪通過2個同步軸和2個U型托架剛性連接以保證4個偏心齒輪的絕對同步。然而在實際設計、裝配過程中，兩側的兩個U型托架軸承座的孔距以及偏心齒輪中心距必然存在偏差，如果該偏差過大會使得機構在實際運轉過程中產生很大的內力，容易引起機械部件的振動、噪聲以及異常的磨損，甚至引起機械部件的損壞。

圖2 傳動機構示意圖

圖3 傳動機構原理圖

2.2 電機制動響應滯后

大多數交流異步電機都存在制動響應滯后和制動響應一致性差等問題，所帶來的影響就是當升降臺負重下降過程中進行制動操作時，電機斷電后由于制動響應時間的滯后，升降臺處于失重狀態加速向下運動一段距離后電機才會制動，這樣會給整個傳動機構造成很大的沖擊。另外，如果兩個電機的制動不同步，在制動過程中其中一個電機已經制動，而另外一個電機還是處于斷電后的自由狀態，由于所有的制動扭矩都是通過機構內部傳遞的，必然會給傳動系統的零部件帶來附加的沖擊載荷。因此在機械設計過程中，應盡可能選用制動響應時間快且制動響應一致性好的兩個電機。

2.3 機構死點

在機構運動過程中，當偏心軸與偏心齒輪軸心處于同一高度時，機構的傳動角γ＝0°，機構處于鎖死狀態。因此在使用過程中應盡可能避免在死點進行啟動、停止操作。

3 運動學仿真

在ADA MS中建立的動力學模型如圖4所示。負載重量為5 000 kg，驅動電機作1 450 r／min的勻速轉動，減速機的速比為28.4，齒輪減速的速比為1∶6，偏心齒輪的偏心距為105 mm。

通過ADA MS的運動學仿真，獲得了升降臺速度變化曲線（見圖5）和驅動扭矩變化曲線（見圖6）。由圖5和圖6可知，在升降過程中，升降速度和驅動扭矩的變化符合正弦曲線分布，當升降臺位于上、下極限點時，升降速度和驅動扭矩均為“0”；當升至行程的1／2時（偏心軸與偏心齒輪軸心水平時），升降速度達到最大值93 mm／s，驅動扭矩也達到了最大值7.52 N·m。

圖4 ADA MS中建立的運動學分析模型

圖5 升降臺速度變化曲線

4 總結

本文設計了一種應用于激光切割機的基于偏心輪機構的機械式升降工作臺，較為詳細地介紹了其結構特點、工作原理以及設計要點，并運用ADA MS軟件對其進行了運動學仿真，該技術方案具有如下特點：

（1）結構簡單、絕對同步。通過簡單的機械傳動即可實現升降臺的升降動作，由于4個偏心齒輪之間采用剛性連接，即使在嚴重偏載情況下，也能夠保證4個偏心齒輪運動的絕對同步性。

圖6 驅動扭矩變化曲線

（2）安全運行平穩。偏心輪機構能夠實現360°范圍內的回轉運動，即使發生電氣故障，也不會發生機械碰撞，引發安全事故。當升降臺位于上極限位置時，機構在重力的作用下處于自鎖狀態，很小的制動力矩就可以保證升降臺不會掉落下來。機構的速度曲線、驅動扭矩曲線符合正弦曲線的變化規律，在啟動、停止過程中能夠極大地減小沖擊。

（3）行程固定、定位精確、易于控制。機構的行程為2倍的偏心距，并且當位于上、下極限位置附近時，其高度受偏心齒輪角度的變化影響很小，易于極限位置的定位控制。

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