【導(dǎo)讀】技術(shù)的最新研究成果，是先進(jìn)制造業(yè)的重要設(shè)備。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺是多軸聯(lián)動加工中。度、平滑的無差運(yùn)動。該設(shè)計(jì)方案選用力矩電機(jī)作為驅(qū)動源，采用轉(zhuǎn)臺軸承傳動力矩，當(dāng)數(shù)控。轉(zhuǎn)臺需要靜止時(shí)，利用鎖緊（剎緊）機(jī)構(gòu)來鎖緊轉(zhuǎn)臺，利用固定塊來安裝鎖緊機(jī)構(gòu)。計(jì)算和校核公式驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的零件，并做出修整。最終設(shè)計(jì)出符合該數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺。所需的各項(xiàng)規(guī)格參數(shù)。

　　

【正文】 m) 拉力（ KN） 壓力等級（ MPa） 壓力等級（ MPa） 7 14 16 21 25 7 14 16 21 25 2 40 7 18 20 26 31 40 20 7 13 15 20 24 30 液壓缸行程 （ 1）行程 S=實(shí)際最大工作行程 Smax+行 程富裕量 △ S； 行程富裕 △ S=行程余量 △ S1+行程余量 △ S2+行程余量 △ S3。 （ 2）行程富裕量 △ S 的確定原則 一般條件下應(yīng)綜合考慮：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安裝尺寸的制造誤差需要的行程余量 △ S液壓缸實(shí)際工作時(shí)在行程始點(diǎn)可能需要的行程余量 △ S2 和終點(diǎn)可能需要的行程余量 △S3（注意液壓缸有緩沖功能要求時(shí)：行程富裕量 △ S 的大小對緩沖功能將會產(chǎn)生直接的影響，建議盡可能減小行程富裕量 △ S）； 端位緩沖的選擇 下列工況應(yīng)考慮選擇兩端位緩沖或一端緩沖： （ 1）液壓缸活塞全行程運(yùn)行，其往返動行速度大于 100mm/s 的工況， 應(yīng)選擇兩端緩沖。 （ 2）液壓缸活塞單向往（返）速度大于 100mm/s 且運(yùn)行至行程端位的工況，應(yīng)選擇一端或兩端緩沖。 （ 3）其他特定工況。 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 22 頁 油口類型與通徑選擇 （ 1）油口類型： 內(nèi)螺紋式、法蘭式及其他特殊型式，其選擇由系統(tǒng)中連接管路的接管方式確定。 （ 2）油口通徑選擇原則： 在系統(tǒng)與液壓缸的連接管路中介質(zhì)流量已知條件下，通過油口的介質(zhì)流速一般不大于 5mm/s，同時(shí)注意速比的因素，確定油口通徑。 特定工況對條件選擇 （ 1）工作介質(zhì)： 正常介質(zhì)為礦物油，其他介質(zhì)必須注意其對密封系統(tǒng)、各部件材料 特性等條件的影響。 （ 2）環(huán)境或介質(zhì)溫度： 正常工作介質(zhì)溫度為 20℃ 至 +80℃ ，超出該工作溫度必須注意其對密封系統(tǒng)、各部件材料特性及冷卻系統(tǒng)設(shè)置等條件的影響。 （ 3）高運(yùn)行精度： 對伺服或其他如中高壓以上具有低啟動壓力要求的液壓缸，必須注意其對密封系統(tǒng)、各部件材料特性及細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)等條件的影響。 （ 4）零泄漏： 對具有特定保壓要求的液壓缸，必須注意其對密封系統(tǒng)、各部件材料特性等條件的影響。 （ 5）工作的壓力、速度，工況如： a) 中低壓系統(tǒng)、活塞往返速度 ≥70~80mm/s b) 中高壓、高壓系統(tǒng) 、活塞往返速度 ≥100~120mm/s 必須注意對密封系統(tǒng)、各部件材料特性、聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)及配合精度等條件的影響。 （ 6）高頻振動的工作環(huán)境：必須注意其對各部件材料特性、聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)及細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)等因素的影響。 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 23 頁 （ 7）低溫結(jié)冰或污染的工作環(huán)境，工況如： 1）高粉塵等環(huán)境； 2）水淋、酸霧或鹽霧等環(huán)境。 必須注意其對密封系統(tǒng)、各部件材料特性、活塞桿的表面處理及產(chǎn)品的防護(hù)等條件的影響。 其它特性的選擇 （ 1）排氣閥 根據(jù)液壓缸的工作位置狀態(tài)，其正常設(shè)置在兩腔端部腔內(nèi)空氣最終淤積的最高點(diǎn)位置，空氣排盡后可防止爬行、保 護(hù)密封，同時(shí)可減緩油液的變質(zhì)。 （ 2）泄漏油口 在嚴(yán)禁油液外泄的工作環(huán)境中，由于液壓缸行程長或某些工況，致使其往返工作過程中油液在防塵圈背后淤積，防止長時(shí)間工作后外泄，而必須在油液淤積的位置設(shè)置泄漏口。 液壓缸校核 活塞和壓桿的材料為 45 鋼，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》 [3]得抗拉強(qiáng)度為 560Mpa，取安全系數(shù)為 ，所以其許用應(yīng)力為： 560/=373Mpa 由此選取活塞桿直徑 d 為 8mm（頭部直徑為 20mm）， 活塞直徑 D 為 40mm。 活塞和桿重計(jì)算 ： 2 2 2 9 31G g / 4 ( 4 0 1 5 8 6 0 2 0 1 0 ) 1 0 7 . 8 1 0 9 . 8 1 1 . 9 2 N?? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?????????????????????????? （ 38） 計(jì)算單個(gè)液壓缸的夾緊力： 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》可得：活塞和壓桿的材料是 45 鋼，其抗拉強(qiáng)度為 560Mpa，選定彈簧截面直徑 d mm? ，彈簧中徑 1 5D mm? ，圈數(shù)為 5 圈，每一圈的剛度是,由此可得整根彈簧的剛度為 : 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 24 頁 3 2 .1 / 5 6 .4 2 /K N m m?? ????????????? （ 39） 彈簧預(yù)壓縮量為 : 1 / 1. 92 / 6. 42 0. 3S G K m m? ? ? ?????????? （ 310） 確定活塞的行程為 30mm，則彈簧力為 : ( ) ( 30 ) K S L N? ? ? ? ??????? （ 311） 根據(jù)規(guī)格參數(shù)可得：最大緊鎖油壓為 。取效率系數(shù) ? 為 ，液壓缸的推力： 22( ) 3 9 4 1 . 2 3 14F D d p F Nt? ?? ? ? ??????????? （ 312） 取夾緊瓦與轉(zhuǎn)臺見得摩擦系數(shù)為 ：0 .5 3 9 4 1 .2 3 1 1 9 7 0 .6 6 0 5fFN? ? ?????????? （ 313） 八個(gè)液壓缸的合力為： 8 8 1 9 7 0 . 6 6 0 5 1 5 7 6 5 . 2 8 4F F Nf? ? ? ?????????? （ 314） ∵ F＞ Fmax 所以，整個(gè)液壓系統(tǒng)最終可以提供工作臺最大靜態(tài)緊鎖力矩為： 由此可見，所選的液壓缸組成的液壓系統(tǒng)可滿足回轉(zhuǎn)工作臺所需的緊鎖力矩要求。其組成如圖 36 所示 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 25 頁 圖 36 液壓缸 光柵選型 在實(shí)現(xiàn)機(jī)床的定位精度上，先考慮到用齒盤定位，但考慮到它能實(shí)現(xiàn)的定位精度不及光柵，占用空間大。而光柵定位不僅定位精度高，加工速度更快，對于直接驅(qū)動電機(jī)的高動態(tài) 性能都能滿足，同時(shí)機(jī)械運(yùn)動中的誤差也可以被滑板中的直線光柵尺檢測和被控制系統(tǒng)電路修正。所以最后選用光柵定位 [18]。 光柵尺，也稱為光柵尺位移傳感器（光柵尺傳感器），是利用光柵的光學(xué)原理工作的測量反饋裝置。光柵尺經(jīng)常應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，可用作直線位移或者角位移的檢測。其測量輸出的信號為數(shù)字脈沖，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。 光柵尺定義： 光柵尺通過摩爾條紋原理，通過光電轉(zhuǎn)換，以數(shù)字方式表示線性位移量的高精度位移傳感器。光柵線位移傳感器主要應(yīng)用于直線移動導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)移動量的精 確顯示和自動控制，廣泛應(yīng)用于金屬切削機(jī)床加工量的數(shù)字顯示和 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 26 頁 CNC 加工中心位置環(huán)的控制 。 光柵也稱衍射光柵。是利用多縫衍射原理使光發(fā)生色散 (分解為光譜 )的光學(xué)元件。它是一塊刻有大量平行等寬、等距狹縫 (刻線 )的平面玻璃或金屬片。光柵的狹縫數(shù)量很大，一般每毫米幾十至幾千條。單色平行光通過光柵每個(gè)縫的衍射和各縫間的干涉，形成暗條紋很寬、明條紋很細(xì)的圖樣，這些銳細(xì)而明亮的條紋稱作譜線。譜線的位置隨波長而異，當(dāng)復(fù)色光通過光柵后，不同 波長的譜線在不同的位置出現(xiàn)而形成光譜。光通過光柵形成光譜是單縫衍射和多縫干涉的共同結(jié)果 [17]。 光柵分為物理光柵和計(jì)量光柵兩大類。檢測直線位移的稱為直線光柵，檢測角度位移的稱為圓光柵；根據(jù)光電元件感光方式不同，可將光柵分為玻璃透射式光柵和金屬反射式光柵 。 玻璃透射式光柵和金屬反射式光柵檢測裝置分別如圖 37 和 38 所示。 圖 37 透射式光柵檢測裝置 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 27 頁 圖 38 反射式光柵檢測裝置 玻璃透 射式光柵是在透明的光學(xué)玻璃表面制成感光涂層或金屬鍍膜，經(jīng)過涂敷，蝕刻等工藝制成間隔相等的透明與不透明線紋，線紋的間距和寬度相等并與運(yùn)動方向垂直，線紋之間的間距稱為柵距。常用的線紋密度為 25 條 /㎜、 50 條 /㎜、 100 條 /㎜、250 條 /㎜。條數(shù)越多，光柵的分辨率越高。圓光柵是在玻璃圓盤的圓環(huán)端面上，制成透光與不透光相間的條紋，條紋呈輻射狀，相互間的夾角相等。在測量時(shí)，長短兩光柵尺面相互平行地重疊在一起，并保持 至 的間隙，指示光柵相對標(biāo)尺光柵在自身平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)一個(gè)微小的角度θ。當(dāng)光線平行照射光柵時(shí)， 由于光的透射和衍射效應(yīng)，在與兩光柵線紋夾角θ的平分線相垂直的方向上，會出現(xiàn)明暗交替、間隔相等的粗條紋 ——莫爾條紋，如圖 39 所示。 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 28 頁 圖 39 莫爾條紋形成原理 兩條暗帶或明帶之間的距離稱為莫爾條紋的間距 B，若光柵的柵 距為 W，則 WB2sin 2?? （ 315） 因?yàn)棣群苄?，則 WB ?? （ 316） 由此可見，莫爾條紋的間距與光柵的柵距成正比 由上式可知，莫爾條紋的間距 B 是光柵柵距 W 的 1/θ，由于θ很?。ㄐ∮?10′），故 B＞＞ W，即莫爾條紋具有放大作用。例如，當(dāng)柵距為 W= ㎜，θ = 時(shí)，莫爾條紋的間距 B=10 ㎜。因此，不需要經(jīng)過復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，就能把光柵的柵距轉(zhuǎn) 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 29 頁 換成放大了 1000 倍的莫爾條紋的寬度，從而大大簡化了電子放大線路，這是光柵技術(shù)獨(dú)有的特點(diǎn)。 光柵尺在使用的時(shí)候要注意維護(hù)工作。維護(hù)光柵尺本身具有一定的防護(hù)措施，有的需要給尺盒里面通入潔凈的氣源，保持尺內(nèi)氣壓大于外部氣壓，防止潮氣進(jìn)入，但限于現(xiàn)場的生產(chǎn)環(huán)境及機(jī)床本身的加工條件 (如高壓力的切削液等 )，還是要做好防污、防振等維護(hù)工作。 光柵尺由于直接安 裝于工作臺和機(jī)床床身上，因此，極易受到冷卻液的污染，從而造成信號丟失，影響位置控制精度。冷卻液在使用過程中會產(chǎn)生輕微結(jié)晶，這種結(jié)晶會在掃描頭上形成一層薄膜且透光性差，不易清除，故在選用冷卻液時(shí)要慎重。加工過程中，冷卻液的壓力和流量過大，容易形成大量的水霧，會污染光柵尺 [4]。 光柵尺最好通入低壓壓縮空氣，以免掃描頭運(yùn)動時(shí)形成的負(fù)壓把污物吸入光柵，壓縮空氣必須凈化，濾芯應(yīng)保持潔凈并定時(shí)更換。光柵尺拆裝時(shí)要用靜力，不能用硬物敲擊，以免引起光學(xué)元件的損壞。 光電脈沖編碼器在使用的時(shí)候也要注意維護(hù)。光電脈沖編碼器是 在一個(gè)圓盤的邊緣上開有間距相等的縫隙，在其兩面分別裝有光源和光敏元件，當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動時(shí)，光線的明暗變化，經(jīng)過光敏元件檢測變成電信號的強(qiáng)弱，從而得到脈沖信號。編碼器的輸出信號有：兩個(gè)相位差 90176。的信號，用于辨向；一個(gè)零信號 (又稱一轉(zhuǎn)信號 )，用于機(jī)床回參考點(diǎn)的控制；另外還有 +5 V電源和接地端信號。 編碼器在使用的時(shí)候還要注意防振和防污。編碼器是一個(gè)精密的測量元件，本身密封很好，在使用和拆裝時(shí)要與光柵尺一樣注意防振和防污。污染容易出現(xiàn)在導(dǎo)線引出段、接插頭處，要做好這些部位的防護(hù)措施。振動容易造成內(nèi)部緊固件松動脫落，造成內(nèi)部短路。 編碼器在連接上應(yīng)注意：連接問題分為連接松動和連接調(diào)整不當(dāng)。編碼器的連接方式有內(nèi)裝式和外裝式。內(nèi)裝式與伺服電機(jī)同軸安裝，如： SIEMENS 1FT 1FT6伺服電機(jī)上的 ROD320 編碼器。外裝式安裝于傳動鏈的末端，當(dāng)傳動鏈較長時(shí)，這種安裝方式可以減小傳動鏈累積誤差對位置檢測精度的影響。由于連接松動，所以往往會影響位置控制精度。 根據(jù)海德漢 SIGUMDSI 機(jī)床專用光柵尺選型可得： 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 30 頁 在 海德漢 SIGNUM DSi 雙讀數(shù)頭旋轉(zhuǎn)角度編碼器 選型 [20]可得： DSiQML12 中選取，其具體參數(shù)如表 34 所示： 表 34 雙讀數(shù)頭旋轉(zhuǎn)角度編碼器 參數(shù)選型匯總表