【文章內(nèi)容簡介】 自的工作面，方便協(xié)調(diào)，可以加工的曲面范圍比較廣泛，而且機床整體占地面積較小。 綜上：因為螺旋槳槳葉種類眾多，形狀復雜，所以把機床可以加工的自由曲面的范圍作為主要的參考因素，選取 b方案為機床的設計方案。 另外，對于整體式的螺旋槳，如果一次裝夾就可以加工所有的槳葉，則不僅 減少了多次裝夾的時間，而且提高了槳葉之間的位置精度、提高整個螺旋槳的加工質量。因此，為了方便螺旋槳所有槳葉的加工，實現(xiàn)一次裝夾就可加工整個螺旋槳的目標，螺旋槳裝夾機構還需要有一個轉動自由度，可以程序控制螺旋槳的轉動。 機床各部件自由度的最終方案：螺旋槳裝夾機構具有一個轉動自由度，兩個主軸裝夾機構各具有 5個自由度（包括 2個平動自由度， 3個轉動自由度）；整個機床需要 13個驅動軸。 如圖 23機 架 的 主體 結構所示： 機床采取立式結構，機架主體為梯形，梯形機架的上下各有一套主軸裝夾機構，梯形的寬邊 放置螺旋槳裝夾機構，螺旋槳裝夾機構的下面鋪設導軌。 導軌的鋪設，可以使螺旋槳裝夾機構移動到寬闊的地方裝夾螺旋槳，然后再推入到加工位置，方便了螺旋槳的安放；機架采用梯形設計，既可以使機架的寬邊容納下螺旋槳，并保證螺旋槳可以旋轉；又可以使減少機架的尺寸，減小占地面積、提高了整體的剛度 。 運城學院學士學位論文 6 圖 23 機架的主體結構 這樣的整體布局既滿足了雙面加工的需要，又可以保證螺旋槳一次裝夾就可加工所有槳葉，符合之前的方案設計。 主軸裝夾機構一共有 5個自由度 ， 包括 2個平動自由度和 3個轉動自由度 。 兩個 平動自由度通過 2維串聯(lián)工作臺實現(xiàn)， 3個轉動自由度通過 3RPS并聯(lián)工作臺 [6]來實現(xiàn)。 因為機床采用立式的雙面加工方式，主軸裝夾機構既要正向放置，又要倒掛放置，因此，在設計時必須考慮到正反安裝時的受力情況，并盡量保證上下主軸裝夾機構一致，這樣既可以使機床的制造成本、維修成本降低，又可以保證上下兩套主軸加工出來的自由曲面質量一致。 二維串聯(lián)工作臺的兩個自由度都是直線型的，采用直線導軌和滾珠絲杠組合的方式。其中，直線導軌采用滾動型，可以承受上下左右 4個方向的等量載荷；滾珠絲杠連接電動機 ，驅動工作臺移動，如圖 24所示。 因為通常螺旋槳槳葉的徑向尺寸大于徑向的寬度尺寸，所以把加工時平行于螺旋槳徑向的工作臺作為第二級工作臺，另一個方向的工作臺作為第一級工作臺。 在串聯(lián)工作臺設計時，要考慮并聯(lián)工作臺的結構和運動特點，在校核計算時，要注意顛覆力矩的校核，在結構設計時，既要注意給并聯(lián)工作臺留出運動空間，又要方便并聯(lián)工作臺的安裝。 圖 24 串聯(lián)工作臺的結構 第 2章 機床的整體結構設計 7 如圖 25所示 [6]，并聯(lián)工作臺需要滿足 3個轉動自由度，采用 3個并聯(lián)桿相配合，使每個并聯(lián)桿包含一個轉動副，一個移動副 和一個球形副的機構設計。這樣，該機構的構件數(shù)一共有 n=8個，其中活動構件有 7個；運動副有 g=9個，其中有 3個轉動副， 3個移動副， 3個球形副，轉動副與移動副的約束數(shù)均為 5，球形副的約束數(shù)為 3。 由自由度公式 [7]計算 323456 12345 ??????? pppppnF （ ） kp —— 有 k個約束的 k級運動副數(shù) 得到的自由度為 3，滿足對并聯(lián)工作臺的設計要求。 圖 25 并聯(lián)工作臺的原理圖 對于球形副，因為球形鉸鏈 要保證連接的可靠性，所以轉動角度有限，不能很好的滿足并聯(lián)工作臺的要求，因此采用虎克鉸進行替代 。 如圖 26所示 [8]，虎克鉸通過 3個轉動副來達到和球形鉸鏈一樣的功能，但是轉動角度沒有限制，可以很好的滿足并聯(lián)機床對球形副的要求。 圖 26 虎克鉸 對于移動副，由于是直線運動，可以通過滾珠絲杠和花鍵導軌相結合的方式來實現(xiàn)。滾珠絲杠由伺服電機驅動，帶動并聯(lián)軸伸縮。 如圖 27所示，具體的結構為：滾珠絲杠軸向固定，在電機的驅動下帶動滾珠螺母軸向平移，進而帶動花鍵軸伸縮。（花鍵軸一端固定在滾珠螺母上，一端與花鍵套 筒相配合） 運城學院學士學位論文 8 圖 27 并聯(lián)桿的結構圖 如圖 28所示，虎克鉸與移動副之間的連接：為了節(jié)省空間，縮短并聯(lián)桿的長度，虎克鉸的第一級轉動軸通過螺紋緊固到移動副的伸縮桿上。 圖 28 花鍵軸與虎克鉸的連接 如圖 29所示，對于轉動副，通過一對圓錐滾子軸承和軸的配合來實現(xiàn)，對整個并聯(lián)桿起定位和支持作用，剛度要求比較高，其轉動角度通過 3個并聯(lián)桿的相互約束來確定。 圖 29 并聯(lián)桿的轉動副 如圖 210所示，此零件為移動軸和轉動副之間的連接零件，移動軸的大套筒通過螺紋與此零件擰緊在一起，對大套筒起導向和支 撐作用，另外，此零件的伸出軸通過與一對圓錐滾子軸承配合來實現(xiàn)轉動副。 圖 210 轉動支座 第 2章 機床的整體結構設計 9 如圖 211所示，此零件為轉動副的軸承支座，為了保證并聯(lián)軸的安裝，采用剖分式結構。此零件的一端連接定平臺，一端通過軸承連接并聯(lián)桿。 圖 211 轉動軸的軸承座 并聯(lián)工作臺的定平臺要與 2維串聯(lián)串聯(lián)平臺相連，動平臺要固定電主軸。在設計時，要與動、定平臺相連接的結構預留位置，方便安裝。另外，因為 并聯(lián)工作臺受到的加工反向應力變化較多，受力情況復雜，要注意進行受力分析。 并聯(lián)工作臺安裝時既要正向放置，又要倒掛放置，設 計時上下兩套并聯(lián)工作臺應該一致，以減少機床成本，保證上下主軸加工質量的一致性。 綜上，主軸裝夾機構的設計要求可以通過以上結構來實現(xiàn)，而且主軸裝夾機構無論正放，還是倒掛放置都可以使用，通用性好，成本降低，上下兩個自由曲面的加工質量也可以保證基本一致。 螺旋槳夾緊機構由 4部分組成，分別是直線移動平臺，旋轉平臺、伸縮桿壓緊機構和機床定位機構， 如圖 212所示。 圖 212 螺旋槳裝夾機構 直線運動平臺，通過直線導軌和滾珠絲杠相組合的方式來實現(xiàn)，滿足螺旋槳夾緊工作臺的直線運動，使 工作臺可以到遠離機床主體的寬闊地帶安放螺旋槳，然后再帶著螺旋槳移動到工作位置，方便螺旋槳的拆卸。 運城學院學士學位論文 10 旋轉平臺，通過把一根主軸安放在滑動軸承上，在電機的帶動下，實現(xiàn)轉動，旋轉平臺的轉動又帶動了螺旋槳的轉動，這樣螺旋槳可以在程序控制下實現(xiàn)精確的轉動，可以保證在銑床加工完一個槳葉后，通過轉動加工其余的槳葉。避免了螺旋槳的多次安裝，既可以提高螺旋槳整體的加工精度，又可以節(jié)省時間、提高生產(chǎn)效率，一舉兩得。 伸縮桿壓緊機構，可以實現(xiàn)自鎖，保證螺旋槳在壓緊后不會松動；另外伸縮桿壓緊機構可以安裝在機床的上機架的中心線上，在螺 旋槳壓緊后，整個螺旋槳裝夾機構組成一個剛性體，對機床起到支撐作用，對提高整個機床的剛性有很大幫助。 機床定位機構，主要為了保證螺旋槳裝夾機構和機床主體之間的連接，保證螺旋槳安裝的位置精度。 綜上，螺旋槳裝夾機構既可以方便地安放螺旋槳、夾緊螺旋槳，又可以由程序控制螺旋槳的精準旋轉，不僅保證了螺旋槳在雙面銑床上的安裝，而且實現(xiàn)了一次安裝就可以加工所有槳葉的設想。另外，當螺旋槳夾緊，準備加工時，螺旋槳夾緊機構可以看作是機床機架的一個剛性支撐，這樣就大大改善了機床的受力情況，提高了機床的整體剛度，進而在一定程度上保 證了加工的精度。第 3章 并聯(lián)工作臺的結構設計 11 第 3 章 并聯(lián)工作臺的結構設計 機床的整體方案確定之后，開始對機床的具體結構進行設計。設計時，應緊緊圍繞螺旋槳加工的特點逐步展開。在本機床所采用的整體設計方案中，主軸裝夾機構是整個機床的核心部件，對螺旋槳的加工起關鍵性的作用。因此，可以優(yōu)先考慮主軸裝夾機構的設計。在主軸裝夾機構設計的同時，也要同時開始考慮機床的主體結構，以保證主軸裝夾機構的安裝。另外，在進行機床主體的結構設計時，要為螺旋槳裝夾機構留下位置。 主軸裝夾機構是整個機床的核心，是保證機床達到設計目標的關鍵部件，同時也是整個機床中結 構最復雜的部件。而主軸裝夾機構是由 2維串聯(lián)工作臺和 3軸并聯(lián)工作臺兩部分組成，其中并聯(lián)工作臺的機構比較復雜，而且并聯(lián)工作臺的動平臺上直接安裝主軸，對螺旋槳槳葉自由曲面的加工，有著最直接的影響，因此有必要設計主軸裝夾機構中的 3軸并聯(lián)工作臺。 3軸并聯(lián)工作臺是整個機床中最關鍵的部分，工作臺的動平臺直接安裝著電主軸和刀具，進而直接關系著對螺旋槳加工的精度問題。因而，應該從螺旋槳的結構和加工特點入手，完成并聯(lián)工作臺的設計。 散體 螺旋槳是典型的自由曲面結構，曲面的法相角度一般在 ?30? 左右，有時也可能接近 ?45? ，大型螺旋槳的軸向尺寸也比較大，可以達到 300~350mm。 針對螺旋槳的這些特點，設 3軸并聯(lián)工作臺的定平臺的額定傾角 ?45??? ，動平臺的豎直移動范圍 mm450?L 。 如圖 31所示， 并聯(lián)桿由一個球形副（由虎克鉸實現(xiàn)），一個移動副（通過滾珠絲杠實現(xiàn)），一個轉動副（由一對圓錐滾子軸承實現(xiàn)）。 圖 31 并聯(lián)桿的基本結構 因為并聯(lián)桿既要連接主軸和刀具，又要連接 2維串聯(lián)平臺，因此為了縮短并聯(lián)軸的尺寸，電機的驅動不采用最常用的聯(lián)軸器直接連接方式，改為齒輪連接。這樣一來，電機可以安裝在并聯(lián)桿所屬的平行空間中，減少了并聯(lián)的軸向長度，避免了與 2維串聯(lián)平臺直接運城學院學士學位論文 12 的干涉，使主軸裝夾機構的結構緊湊，有利于機床的裝配。 如圖 32所示，動平臺直接 連接著主軸和刀具，同時和并聯(lián)桿的虎克鉸（相當于球形副）的最后一個轉動副相連接。動平臺的位置是由 3個并聯(lián)軸中虎克鉸的第二級轉動副所決定的。 電主軸的安裝位置動平臺虎克鉸的第二級轉動副虎克鉸的第3級 轉動副，安裝在動平臺上 圖 32 粒 動平臺上各個連接件的位置 考慮到電主軸的直徑為 200mm，虎克鉸的第 3級轉動副在動平臺上所需要的安裝尺寸為 70mm，而從虎克鉸第二級轉動副到第三級轉動副的距離設定為 50mm。 故可以確定動平臺中心到球形副（虎克鉸的第二級轉動副）的距離為： mmD 2305070100 ???? （ ） 動平臺的尺寸半徑約為 mmD 1 7 0701 0 01 ??? （ ） 考慮到與動平臺相連接的零件圓柱形主軸和 3個均勻分布的軸承座，動平臺最終形狀也可以確定（如圖 33中的粗線所示）。 但是因為動平臺的姿勢是由 3個并聯(lián)軸的虎克鉸的第二級轉動副所確定的，所以為了方便整個并聯(lián)工作臺的設計，把虎克鉸簡化為球形副，位置在虎克鉸的第二級轉動副上。進而在計算中應該以 230mm作為計算量。 因為動工作的的豎直 移動距離為 420mm，考慮到并聯(lián)桿擺動時可以提供一定的移動量，但是并聯(lián)桿和豎直方向是一直呈銳角的。所以初步設并聯(lián)桿的伸縮量為 450mm；由于并聯(lián)桿上的導軌（大套筒）和滾珠絲杠的尺寸一定會大于并聯(lián)桿的伸縮量，滾珠絲杠是驅動軸，需要連接電機，還會需要一定的距離，設定為 200mm， 另外各個連接件之間還會需要一定的預留空間，預定為 100mm。 所以初步確定并聯(lián)軸的長度 約為 mmL 7 5 02 0 01 0 04 5 01 ???? （ ） 第 3章 并聯(lián)工作臺的結構設計 13 當并聯(lián)桿處于完全收縮狀態(tài)時，并聯(lián)桿的尺寸約為 最短尺寸 750mm；為保證并聯(lián)桿的機械性能和可靠性，定平臺與并聯(lián)桿的轉動副大概處于并聯(lián)桿三分之一的位置。 如圖 33所示， 這樣轉動副到球形副之間的直線距離估算值為 mmL 55 0503275 02 ???? （ ） 其中 50mm是由于虎克鉸的第一級轉動副實際需要的線性長度。 550 55070176。并聯(lián)桿的最短長度動平臺與定平臺直接的距離動平臺與定平臺的半徑差 圖 33 動、定平臺和并聯(lián)桿的空間位置尺寸圖 此時的并聯(lián)桿模型可以看做是一個直角三角形，假設轉動副與并聯(lián)桿的角度約為 70度，則可以求出水平的直角邊的距離 為 mmD o s550 ?????? ? （ ） 式中 D? 為動平臺和定平臺的水平距離的差值。 對 D? 進行修正 取整為 200mm（適當放 大可以為各部件留下一定的設計余量），這樣定平臺的半徑尺寸設定為 mmD 4 3 02 0 02 3 02 ??? （ ） 已知并聯(lián)桿的伸縮量為 450mm；則滾 珠絲杠的導程必須大于 450mm，取值為 540mm，留出螺母 90mm的余量。安裝部分的尺寸定為 50mm，傳動部分的尺寸定為 60mm， 如圖34所示 。 這樣整個滾珠絲杠的軸向尺寸為 mmL 65050605403 ???? （ ） 圖 34 預定的絲杠軸向尺寸 運城學院學士學位論文 14 同樣 起導向和支撐作用的大套筒的