一種移動鉆銑裝備底座結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計*

陳紅昌 張世珍

(北京工研精機(jī)股份有限公司，北京 101312)

隨著國家“探月工程”等重點項目的實施，對大型、超大型零件的組合加工提出了新的要求，在此背景下，研制了新型移動鉆銑裝備。其特點是：⑴配備全向移動AGV車，可實現(xiàn)大尺寸空間內(nèi)快速轉(zhuǎn)場作業(yè)；⑵機(jī)械臂末端最大可實現(xiàn)880 mm×1 500 mm× 700 mm的移動范圍；⑶末端執(zhí)行單元可實現(xiàn)300 mm×300 mm×200 mm的運(yùn)動空間，并且在全工作空間可實現(xiàn)A/B軸18°聯(lián)動,在局部空間可實現(xiàn)立臥轉(zhuǎn)換。針對大型零件可實現(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，例如結(jié)構(gòu)簡單且穩(wěn)定、柔性高、傳動鏈短、剛度大、可重構(gòu)和工藝集成度高等，這些優(yōu)點使得并聯(lián)機(jī)床在復(fù)雜曲面加工方面具有明顯優(yōu)勢[2]。并聯(lián)機(jī)床有多組運(yùn)動支鏈，每組運(yùn)動支鏈由主運(yùn)動副和兩端鉸鏈串聯(lián)組成，控制該支鏈的難度非常大，從精度分配的角度來看，留給運(yùn)動傳遞環(huán)節(jié)的誤差范圍十分有限[3]。移動鉆銑裝備外形如圖1所示，其運(yùn)動機(jī)構(gòu)重心相對于底座支撐導(dǎo)軌有較大偏心。底座對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)計對提高機(jī)床精度具有重大意義。

1 底座模型初步方案設(shè)計

在底座設(shè)計過程中，一方面，為了保證設(shè)備動態(tài)精度的穩(wěn)定性，其移動重心不能因為底座發(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)動精度的重要保證。兩者相互制約，設(shè)計過程中綜合考慮上述因素后對模型進(jìn)行初步設(shè)計。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×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)動精度達(dá)到設(shè)計要求，底座導(dǎo)軌安裝面在全行程(1 650 mm)上的直線度≤0.015 mm。為確保各項指標(biāo)的實現(xiàn)，底座方案初步設(shè)計完成后，用SolidWorks軟件對模型進(jìn)行分析。

2 模型初步設(shè)計方案分析

(1) 預(yù)緊力對導(dǎo)軌安裝面影響分析

采用SolidWorks分析軟件對底座受力情況進(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，取T=10 500 N·cm[4]；K是擰緊力矩系數(shù)，由表1知；d是螺紋公稱直徑，根據(jù)導(dǎo)軌規(guī)格，K=0.15取d=1.4 cm。

把上述各項值代入式(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，導(dǎo)軌施加預(yù)緊力后，導(dǎo)軌安裝面局部最大會有0.03 mm的變形。

(2)模擬實際工況對底座影響分析

模擬實際工作狀態(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，模擬實際工況使底座產(chǎn)生0.09 mm的變形。從導(dǎo)軌安裝預(yù)緊力及模擬實際工況對底座的影響兩方面分析，目前底座的設(shè)計方案均達(dá)不到設(shè)計要求。

3 底座內(nèi)腔結(jié)構(gòu)改進(jìn)與分析

由圖4和圖5分析可以得出，底座變形最大、受力狀況最惡劣的地方是在導(dǎo)軌安裝面；在實際使用過程中，導(dǎo)軌安裝面的變形對設(shè)備的運(yùn)動精度影響也是最大的，因此，模型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計主要要加強(qiáng)導(dǎo)軌附近的結(jié)構(gòu)剛性。

如圖6所示，對底座采取的改進(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由原來的32 cm增加到37 cm。

將改進(jìn)的實體模型導(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。

對比分析結(jié)果，模型經(jīng)過結(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%，滿足了設(shè)計指標(biāo)。

對比優(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)軌安裝面直線度測試，根據(jù)導(dǎo)軌長度，測試分為11屏，每屏直線度誤差測試結(jié)果如表3和表4所示。

表3 導(dǎo)軌面1～6屏測量結(jié)果

表4 導(dǎo)軌面7～11屏測量結(jié)果

根據(jù)測量原理，自準(zhǔn)直儀分度值可表示為

S=B×α

(3)

把上述各項值代入式(3)中得：

(4)

建立坐標(biāo)系，橫坐標(biāo)表示各測試點在導(dǎo)軌上的位置，縱坐標(biāo)表示各點的直線度誤差測試結(jié)果，如圖10所示。

由圖10分析可知，導(dǎo)軌實際位置與理論基準(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，中間測試點實際位置均位于理論基準(zhǔn)線之上，在實際裝配過程中，對中間部分進(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，國家機(jī)床質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心對設(shè)備整體精度進(jìn)行了檢驗，部分檢測報告如圖11所示。可見實測末端執(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)計要求。

4 結(jié)語

本文采用模型設(shè)計與優(yōu)化分析相結(jié)合的方法，提出一種新型移動鉆銑裝備基礎(chǔ)底座鑄件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法，解決了承受偏心載荷較大的鑄件在實際應(yīng)用中變形大的問題，為移動鉆銑裝備達(dá)到預(yù)期精度提供了保證。