搖籃式直驅五軸聯動數控轉臺裝配技術及應用*

李亞聰

(沈陽機床股份有限公司, 遼寧 沈陽 110142)

0 引 言

在精密加工以及航空航天制造業中,五軸加工中心已被廣泛應用。根據中國機床工具工業協會的統計結果,2021年我國五軸加工中心共985臺。預計至2025年,國內五軸機床用數控轉臺需求量將會突破1 500臺,增幅明顯。其所搭載的參與復合加工的雙軸搖籃數控轉臺的應用需求也日益增多。隨著汽車模具、消費電子、醫療器械等行業的不斷發展,對轉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]。

傳統的雙軸轉臺的驅動方式多采用機械傳動,主要是利用蝸輪蝸桿、滾子凸輪等傳動機構來實現旋轉運動和擺動[2]。蝸輪蝸桿傳動機構廣泛應用于各種中低速、中高載荷數控轉臺的設計與制造[3];凸輪滾子傳動雖具有零點隙、壽命長的優點,但是凸輪加工門檻高,多以日企為主,如日本“三共”凸輪副。隨著直接驅動技術的發展,用力矩電機代替機械結構實現轉臺的旋轉運動和擺動已成為轉臺未來發展的必然趨勢。

對直驅搖籃轉臺的裝配工藝技術進行分析和研究,總結其裝配采用的關鍵技術和注意要點,可為類似規格的數控工作臺設計生產制造提供技術參考[4]。筆者以某企業的一款直驅搖籃數控轉臺裝配工藝設計為例,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整等過程進行了詳細的研究,目的在于解決剎車模組和A軸雙電機同驅控制的裝配技術關鍵難點,儲備該核心部件的核心裝配技術,以期為數控轉臺核心裝配工藝技術提供理論依據。

1 搖籃數控轉臺簡介

以某企業一款直驅搖籃數控轉臺為研究對象開展分析,其具體的外觀結構如圖1所示。該轉臺具備A擺動軸和C回轉軸,與機床X、Y、Z直線進給軸聯動,可實現發動機葉輪、螺旋傘齒輪、精密異形磨具等復雜、多孔、面零件的高精度加工。

圖1 搖籃式直驅數控轉臺示意圖

該轉臺依據先進的設計理念,采用水冷式力矩電機直驅方案,可實現高轉速、高工作扭矩;轉臺搭配高剛度高精密轉臺軸承、絕對值角度編碼器及強力剎車制動模組,具備響應快、零背隙、零磨耗、結構緊湊等優點。

轉臺由兩個A軸擺動軸、C軸回轉工作臺組成。包含驅動部分、鎖緊定位機構及檢測反饋等部分。驅動部分采用力矩電機直接驅動,結構緊湊、磨損小、精度高、扭矩大。擺動軸對稱分布兩臺力矩電機,受力更為均勻、合理,運行平穩[2]。內轉子力矩電機的轉子內部空間利用充分,有效降低了旋轉臺的高度,使回轉臺的結構更為緊湊,加工范圍大為增加,同時具備散熱好的優點。

2 裝配工藝解決方案

搖籃式直驅數控轉臺的裝配采用模塊化裝配,根據圖2所示,該直驅數控轉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)。對每個模組分別進行安裝調試后,再將A、C軸模組和剎車模組整體組裝,進行精度調試。

圖2 轉臺模組示意圖

2.1 總體要求

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

轉臺零部件(包括外購件、外協件)應符合質量要求;裝配時的零部件應清理干凈,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象。

2.2 剎車模組

剎車制動技術是轉臺設計的關鍵點,采用模塊化設計方法能最大限度把復雜多因素影響獨立于單獨模塊,利于裝配、試驗和維修。

轉臺剎車模組如圖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,有必要進行樣機試制和試驗,并完成基礎數據校正和可靠性試驗。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。對于長時間運轉后的可靠性驗證,可進行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軸模組結構示意圖如圖4所示。其中包括直驅電機、主體回轉軸、工作臺、YRT轉臺軸承、剎車模組及高精密編碼器,共同安裝在搖籃體中。C軸是直驅搖籃數控轉臺的旋轉軸,上面的工作臺承載卡具及工件直接參與機床加工,需要同時滿足剛性及精度需求,其裝配的關鍵點包括:回轉套件精度的控制、電機定轉子及冷卻、回轉編碼器的精密安裝。

圖4 C軸模組示意圖

通過對結構的設計和分析及各個零部件的裝配關系,確定C軸模組的裝配工序如下。

(1) 電機定子安裝。

(2) 冷卻水路確認。上水打壓5 bar,保持12 h,判斷是否存在泄漏。

(3) 安裝轉臺軸承。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,測試摩擦力矩。

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

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

(6) 剎車模組安裝。根據零件實際尺寸累計算出調整量,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。其動力傳動結構與 C 軸部件相似,同樣由力矩電機、轉臺軸承、編碼器及剎車模組組成。A軸在機床中起擺動軸作用,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

該轉臺A軸采用套筒式結構與機床床身相連,以保證更好的結合剛性。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軸基準的跳動值,該值不超過0.01 mm;找正上母線和側母線,允差值保證在0.01/200 mm以內;A軸左右同軸允差值在0.01 mm以內。找正完成后,固定轉子和定子(注意對正與主從動端的相應定位銷孔),保證轉子固定不動。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,即電機必須完全相同,也就是說電機需要具有相同的機械尺寸和繞組類型。在使用串聯力矩電機時,軸的剛性必須足夠高,使其在電機之間傳遞扭矩時無顯著扭轉變形。根據工況需要,文中采用這一技術。A軸左右兩端采用同規格力矩電機,并應用一個驅動器控制,實現高慣量匹配,以提高動態響應能力。這種安裝需要兩臺電機的相位調整必須相同。

根據電機設計要求,經計算、安裝后,A軸兩側電機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用示波器對電機進行相位波形檢測。通過示波器測試發現,A軸左右波形基本吻合,達到工藝要求。

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,用力矩扳手擰緊搖籃連接螺栓,固定A軸移動端。

圖9 A、C軸組合

2.6 精度檢測

搖籃轉臺整體安裝后,需要對其精度進行檢驗。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) 工作臺面和進給軸線運動間的精度(要求0.01 mm)。

(3) 工作臺基準T型槽精度(要求0.01 mm)。

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

(5) 旋轉軸線C與進給軸線運動間精度(要求0.01/300 mm)。

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

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,重復定位精度。通過對控制系統進行補償,使A、C軸定位精度、重復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

搖籃式直驅數控轉臺采用力矩電機直接驅動,具有高轉速、高扭矩、無背隙、無磨耗等優點。其裝配技術的關鍵點主要集中在剎車模組和A軸雙電機同驅控制。剎車模組裝配過程中需要調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軸雙電機一定要控制兩臺電機的相位角,并通過示波器檢驗。

3 結 語

文中系統性闡述了直驅搖籃數控轉臺裝配工藝。以模塊化思維將整個裝配過程分解成若干個標準作業,重點解決影響轉臺性能和精度的關鍵難點,做到過程逐項驗證與整體檢驗的有機結合。通過優化裝配制造過程,使該轉臺各項性能及精度指標達到甚至優于產品設計要求,裝配技術的完善及成功使得產品能夠順利開發,有效地提升企業競爭力。