一種液壓夾緊機構在直驅式雙軸回轉工作臺的應用

趙越，姜莉莉，雷曉鐘

(1.廣東工業大學機電工程學院，廣東廣州 510006;2.廣州市珠江機床廠有限公司，廣東廣州 510000)

一種液壓夾緊機構在直驅式雙軸回轉工作臺的應用

趙越1，姜莉莉1，雷曉鐘2

(1.廣東工業大學機電工程學院，廣東廣州 510006;2.廣州市珠江機床廠有限公司，廣東廣州 510000)

雙軸數控回轉工作臺是五軸數控機床的基礎部件，它通過驅動轉臺或分度頭完成精密角度的等分、不等分或連續的回轉加工，能夠實現A，C軸的回轉進給與定位，完成復雜曲面加工，使機床的加工范圍得以擴大。介紹了一種用在雙軸回轉工作臺的液壓夾緊裝置，該機構具有定心精度高、夾緊力大、夾緊剛度高、結構緊湊、安全可靠等優點，實際應用表明效果很好。

液壓夾緊套;雙軸回轉工作臺;力矩電機

0 前言

雙回轉工作臺是實現五軸加工中心回轉進給功能的關鍵功能部件，直驅式工作臺僅靠驅動系統和傳動機構通常不能滿足工件所需的定位精度要求。而雙回轉工作臺旋轉軸的夾緊機構主要有兩個作用:一是當工作臺工作時突然切斷電源或因故障電網突然停電時，電機的轉矩幾乎為零，若負載轉動慣量很大，則電機容易失控造成事故，這時需要制動保證其安全;另一作用是旋轉軸以及擺動軸到達任意角度需要通過夾緊固定來滿足其在指定角度平面強力銑削或定向結構的要求，另外，還能夠分散傳動機構定位加工時的受力，并將力直接傳遞給箱體，使驅動系統和傳動機構得到釋放，從而保證了回轉軸的精度及高傳動性。

夾緊裝置可分為氣動抱閘、三齒盤、液壓抱閘等機構。鑒于該型工作臺采用的是電動機直接驅動，結構尺寸受限，且要達到大的鎖緊力矩比較困難。故文中采用的是液壓夾緊套制動機構，接觸面積大，依靠夾緊套的彈性變形抱緊轉子，定心精度高，安全而又可靠。1 結構原理

液壓夾緊套制動機構主要由帶有凹槽的夾緊套和密封圈組成，凹槽能使夾緊套在受壓時更易變形，如圖1所示。

圖1 回轉工作臺液壓夾緊套制動機構

其基本工作原理是:夾緊套外壁上的凹槽與固定件形成環形封閉油腔，內部充有液壓油。當對其施壓時，油壓在抱閘套筒壁的密封圈之間毫無損失地轉換成徑向夾緊力，并使套筒內壁作用于轉子的外圓周表面，均勻地抱緊被夾緊件，通過消除配合間隙，產生摩擦扭矩的方式來完成旋轉的鎖緊制動;松開后，只需減壓來使夾緊套薄壁恢復到原始形狀，并恢復配合間隙。

文中介紹的對于電機直接驅動的雙回轉工作臺一是電機對A軸回轉擺動的驅動，二是在左右兩端各設有一電機 (如圖2)，用于驅動工作臺A軸的擺動，由于其結構完全軸對稱，這就使得其工作及制動需完全同步，而液壓夾緊套制動機構能夠在受限的空間內進行制動且具有極高的夾緊力和夾緊剛度，則可對雙回轉工作臺進行應用。

圖2 雙回轉工作臺

2 重要參數的確定

通過分析該夾緊套的工作原理，該夾緊套既要求良好的變形能力又要求足夠的強度。因此其夾緊套材料可采用鈹青銅QBe2，它是高性能銅合金，經固溶及時效硬化處理，具有高硬度、高耐磨性、高抗爆性、高屈服極限與疲勞極限、耐腐性能佳、高導電率及優異的散熱性能［1］。另外結構為薄壁筒狀結構，外壁上設有凹槽，在夾緊套的兩端設有密封圈用于防止泄漏，夾緊套兩端設有法蘭盤便于其安裝與固定。

鎖緊制動機構中彈性套的相關結構參數的確定是該機構設計的重點，彈性套在液壓作用下產生彈性變形，為了便于彈性套的變形，在彈性套上設計了變形槽。通過ANSYSWorkbench對其結構進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、變形區最佳厚度及轉子軸與彈性套間隙［2］。

3 應用

該套筒制動機構已應用于某廠設計的一款直驅式雙回轉工作臺，如圖2所示。夾緊式機構外側有液壓和空氣管路，分別用于液壓的執行和釋放以及調試時排出油腔內的空氣，C軸采用的力矩電機，為西門子1FW6130-0Px07，最大輸出轉矩575 N·m。彈性套材料選用淬火調質后的鈹青銅，根據工藝及生產經驗取?(轉子軸與夾緊套間隙)=0.15 mm、d(變形區域厚度)=2.4 mm，運用ANSYS-Workbench軟件對設計結果進行結構靜力仿真分析，分析結果如圖3所示，模擬量數值關系見表1。在不同的液壓載荷下得到其變形量如圖4所示。

圖3 仿真分析結果

表1 模擬量數值關系表

圖4 鈹青銅的載荷與變形量曲線圖

通過仿真結果可得到在合適壓力作用下該結構能實現易變形，且變形后保證均勻接觸摩擦面積最大，從而驗證了變形槽位置設計的合理性，由分析結果得到p=2.5 MPa時均勻變形長度M=50mm，則最大均勻接觸面積 S=3.14×90×10－3×50×10－3m2。

由圖3得到在液壓力0～3 MPa時，載荷與變形量成線性關系，可以認為彈性套處于理想彈性變形狀態，該數值分析結論與該合金鋼材料的屈服強度數值也是一致，從側面驗證了數學模型以及邊界約束設置的合理性。

通過上述分析可知在2.5 MPa的液壓剎緊力作用時，套筒鎖緊處于合理的完全彈性變形狀態，可以得到:

4 結論

文中重點講述了液壓夾緊套筒在回轉工作臺對C軸旋轉夾緊的應用，其具有很高的定心精度和很好的重復性，同時其夾緊扭矩大、夾緊剛度高，并由于液壓夾緊油腔內充滿了液壓油使其具有一定的阻尼減震作用。此夾緊機構同樣可以應用到圖2中驅動工作臺A軸擺動的兩對稱電機上，這除了需要布置具有任意角度定位分度功能的夾緊機構外，還要布置能夠滿足車削加工大扭矩，高剛性要求的固定角度分度定位的夾緊機構，兩者并用才能更好地完成機構的車削和銑削加工，而文中所介紹的夾緊機構則可應用于此。

［1］機械工程手冊編委會.機械工程手冊.第3卷.機械工程材料［M］.北京:機械工業出版社，2000.

［2］凌桂龍.ANSYSWorkbench 13.0［M］.北京:清華大學出版社，2012.

Application of a Hydraulic Clamping Mechanism in Direct Drive Rotary Table with Double Axes

ZHAO Yue1，JIANG Lili1，LEIXiaozhong2
(1.School of Mechatronics Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou Guangdong 510006，China;2.Guangzhou Zhujiang Machine ToolWorks Co.，Ltd.，Guangzhou Guangdong 510000，China)

Double axes rotary table is one of the basic components in 5 axis numerical control(NC)machine tool.Its precision angle bisecting，unequal or continuous rotary processwere completed by driving the rotary table or dividing head to achieve rotary feeding and positioning of A，C axis，to complete complex surfacemachining，so that themachine's processing rangewas expanded.A kind of hydro-clamping sleeve device used on the rotary table with double axes was introduced.The mechanism has the advantages of high precision in centering，large clamping force，high clamping rigity，compact in structure，safe and reliablble，and etc.Its practical application shows very good effects.

Hydro-clamping sleeve;Rotary table with double axes;Torquemotor

TH132

B

1001－3881(2015)21－176－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2015.21.043

2014－08－11

趙越 (1991—)，男，碩士研究生，研究方向為機械設計制造及自動化。E－mail:383448562@qq.com。