【正文】 該銑床的設(shè)計(jì)，對(duì)提高螺旋槳的加工精度和加工效率有著重要意義。 Parallel Machine Tool。由于螺旋槳是由復(fù)雜幾何形狀組成的工件，直徑大、葉片多，空間重疊區(qū)域大，吸力面和壓力面均為空間自由曲面，導(dǎo)邊隨邊均采用空間曲線圓滑過(guò)渡，葉片葉片與槳轂之間過(guò)度圓角半徑由導(dǎo)邊到隨便不斷變化。 對(duì)于螺旋槳的加工而言，先進(jìn)且合適的加工設(shè)備對(duì)于獲得理想的精度至關(guān)重要。特別是對(duì)于大尺寸 螺旋槳加工而言，扁薄的葉片受到單面加工應(yīng)力后很容易發(fā)生彎曲變形， 其形狀與尺寸更加難以保證。 進(jìn)而也對(duì) 加強(qiáng)我國(guó)國(guó)防建設(shè)，促進(jìn)國(guó)名經(jīng)濟(jì)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展都具有十分重要的意義。 本課題在國(guó)內(nèi)外的研究狀況及發(fā)展趨勢(shì) 螺旋槳雙面加工銑床 的國(guó)外研究狀況 國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家在加工設(shè)備方面起步早、發(fā)展充分，也注重高性能加工設(shè)備的研發(fā)，各國(guó)競(jìng) 相發(fā)展機(jī)電一體化、高精、高效、高自動(dòng)化先進(jìn)機(jī)床，以加強(qiáng)工業(yè)和國(guó)民 經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。日本、德國(guó)、美國(guó)等三國(guó)生產(chǎn)的加工系統(tǒng)約占國(guó)際市場(chǎng)的三分之二，高端加工設(shè)備方面，更是近乎壟斷，并全力限制其對(duì)外出口，以限制新型工業(yè)化國(guó)家的發(fā)展和壯大 [2]。 也正因?yàn)榇?，這些國(guó)家成為向 高性能 潛艇 、 螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)、先進(jìn)船舶等提 供高性能、 高質(zhì)量的螺旋槳產(chǎn)品。 運(yùn)城學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 的國(guó)內(nèi)研究狀況 我國(guó)的裝備制造業(yè)，起步晚、時(shí)間短，發(fā)展不充分、不系統(tǒng)、不完善，但是經(jīng)過(guò)不懈努力我國(guó)的裝備制造無(wú)論從產(chǎn)品種類、技術(shù)水平、質(zhì)量和產(chǎn)量上都取得了很大的發(fā)展，在一些關(guān)鍵技術(shù)方面也取得了重大突破 。這標(biāo)志著國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床已進(jìn)入快速發(fā)展的時(shí)期。 但是，我國(guó)的先進(jìn)螺旋槳加工設(shè)備，無(wú)論在加工精度、自動(dòng)化水平，還是在可靠性方面都還沒(méi)有達(dá)到發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家的先進(jìn)水平，這也在一定程度上限制了我國(guó)在潛艇、螺 旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)、先進(jìn)水面艦艇等的發(fā)展。 的發(fā)展趨勢(shì) 隨著制造加工水平和設(shè)計(jì)水平的提高，機(jī)床的加工精度和速度越來(lái)越高，機(jī)床的種類也越來(lái)越多。混聯(lián)機(jī)床，作為上世紀(jì) 90年代機(jī)床技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)機(jī)床相比具有很多的優(yōu)點(diǎn)： 1）剛度重量比大：因采用并聯(lián)閉環(huán)靜定或非靜定桿系結(jié)構(gòu)，且在準(zhǔn)靜態(tài)情況下，傳動(dòng)構(gòu)件理論上為僅受拉壓載荷的二力桿，故傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的單位重量具有很高 的承載能力 。 3）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)：便于可重組和模塊化設(shè)計(jì)，且可 構(gòu)成形式多樣的布局和自由度組合。裝備機(jī)械手腕、高能束源或 CCD攝像機(jī)等末端執(zhí)行器，還可完成精密裝配、特種加工與測(cè)量等作業(yè)。 因此，并聯(lián)結(jié)構(gòu)在機(jī)床上的采用可以看作是機(jī)床行業(yè)的一種趨勢(shì)。部分高校還將并聯(lián)機(jī)床的研發(fā)納入教育部 211工程重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，并得到地方政府部門(mén)的支持且吸引了機(jī)床骨干企業(yè)的參與。圍繞以上目的，把主要研究?jī)?nèi)容分為： 研究并確定雙面銑床的加工方式， 確定銑床的自由度結(jié)構(gòu)類型，螺旋槳裝夾方式等 。 合理設(shè)計(jì)銑床的主要結(jié)構(gòu)及尺寸，在實(shí)現(xiàn)功能的前提下 ，盡量使銑床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、精度高，并進(jìn)行可行性分析。 運(yùn)城學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 第 2 章 機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為了確定機(jī)床的整體方案，首 先要了解和分析大型螺旋槳的結(jié)構(gòu)和加工特點(diǎn)。 但是如果采用雙面加工，因?yàn)樯舷虑嫱瑫r(shí)加工，加工應(yīng)力大部分可以相互抵消，螺旋槳受力情況大大改善，提高了加工精度。 單面加工時(shí)，受應(yīng)力彎曲 加工應(yīng)力加工應(yīng)力雙面加工，加工應(yīng)力可以相互抵消 圖 21 虎螺旋槳槳葉受力分析 螺旋槳的上下面都是自由曲面、形狀復(fù)雜，傳統(tǒng)的單面加工方式，因?yàn)橐疵娣謩e加工，需要兩次安裝和對(duì)刀， 因此，理論設(shè)計(jì)中對(duì)上下曲面所要求的位置公差很難得到保證。 如果采用雙面同時(shí)加工的方案，一次裝夾就可以加工上下面，因而上下面的位置公差可以得到極大的包證 ,加工的精度也可以提高。 上下表面分兩次加工，易因安裝、對(duì)刀誤差造成形位誤差一次裝夾，同時(shí)加工上下表面，加工質(zhì)量可以提高 圖 22 單面加工和雙面加工效果比較 第 2章 機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 螺旋槳采用單面加工時(shí)，需要兩次走刀、兩次裝夾定位，加工耗時(shí)長(zhǎng)，效率比較低。 綜上決 定，機(jī)床采用雙面加工的方式，故需要兩套主軸裝夾機(jī)構(gòu)和一套螺旋槳裝夾機(jī)構(gòu) 確定機(jī)床各部件自由度 螺旋槳是一種典型的自由曲面零件，加工設(shè)備需要滿足很高的自由度要求，至少達(dá)到5個(gè)自由度才能實(shí)現(xiàn)對(duì)自由曲面的加工。 方案 b：螺旋槳裝夾機(jī)構(gòu)沒(méi)有平動(dòng)自由度，兩個(gè)主軸裝夾機(jī)構(gòu)各有 5個(gè)自由度，包括2個(gè)平動(dòng)自由度和 3個(gè)回轉(zhuǎn)自由度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自由曲面的加工。 b方案比 a方案多了個(gè)平動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸，機(jī)構(gòu)相對(duì) 比較復(fù)雜，但是兩個(gè)主軸裝夾機(jī)構(gòu)可以自由的加工各自的工作面，方便協(xié)調(diào)，可以加工的曲面范圍比較廣泛，而且機(jī)床整體占地面積較小。 另外，對(duì)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(shí)間，而且提高了槳葉之間的位置精度、提高整個(gè)螺旋槳的加工質(zhì)量。 機(jī)床各部件自由度的最終方案：螺旋槳裝夾機(jī)構(gòu)具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，兩個(gè)主軸裝夾機(jī)構(gòu)各具有 5個(gè)自由度（包括 2個(gè)平動(dòng)自由度， 3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度）；整個(gè)機(jī)床需要 13個(gè)驅(qū)動(dòng)軸。 導(dǎo)軌的鋪設(shè)，可以使螺旋槳裝夾機(jī)構(gòu)移動(dòng)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(jī)架采用梯形設(shè)計(jì)，既可以使機(jī)架的寬邊容納下螺旋槳，并保證螺旋槳可以旋轉(zhuǎn)；又可以使減少機(jī)架的尺寸，減小占地面積、提高了整體的剛度 。 主軸裝夾機(jī)構(gòu)一共有 5個(gè)自由度 ， 包括 2個(gè)平動(dòng)自由度和 3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度 。 因?yàn)闄C(jī)床采用立式的雙面加工方式，主軸裝夾機(jī)構(gòu)既要正向放置，又要倒掛放置，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到正反安裝時(shí)的受力情況，并盡量保證上下主軸裝夾機(jī)構(gòu)一致，這樣既可以使機(jī)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(lái)的自由曲面質(zhì)量一致。其中，直線導(dǎo)軌采用滾動(dòng)型，可以承受上下左右 4個(gè)方向的等量載荷；滾珠絲杠連接電動(dòng)機(jī) ，驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，如圖 24所示。 在串聯(lián)工作臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮并聯(lián)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，在校核計(jì)算時(shí)，要注意顛覆力矩的校核，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，既要注意給并聯(lián)工作臺(tái)留出運(yùn)動(dòng)空間，又要方便并聯(lián)工作臺(tái)的安裝。這樣，該機(jī)構(gòu)的構(gòu)件數(shù)一共有 n=8個(gè)，其中活動(dòng)構(gòu)件有 7個(gè)；運(yùn)動(dòng)副有 g=9個(gè)，其中有 3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副， 3個(gè)移動(dòng)副， 3個(gè)球形副，轉(zhuǎn)動(dòng)副與移動(dòng)副的約束數(shù)均為 5，球形副的約束數(shù)為 3。 圖 25 并聯(lián)工作臺(tái)的原理圖 對(duì)于球形副，因?yàn)榍蛐毋q鏈 要保證連接的可靠性，所以轉(zhuǎn)動(dòng)角度有限，不能很好的滿足并聯(lián)工作臺(tái)的要求，因此采用虎克鉸進(jìn)行替代 。 圖 26 虎克鉸 對(duì)于移動(dòng)副，由于是直線運(yùn)動(dòng)，可以通過(guò)滾珠絲杠和花鍵導(dǎo)軌相結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。 如圖 27所示，具體的結(jié)構(gòu)為：滾珠絲杠軸向固定，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)滾珠螺母軸向平移，進(jìn)而帶動(dòng)花鍵軸伸縮。 圖 28 花鍵軸與虎克鉸的連接 如圖 29所示，對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)副，通過(guò)一對(duì)圓錐滾子軸承和軸的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)整個(gè)并聯(lián)桿起定位和支持作用，剛度要求比較高，其轉(zhuǎn)動(dòng)角度通過(guò) 3個(gè)并聯(lián)桿的相互約束來(lái)確定。 圖 210 轉(zhuǎn)動(dòng)支座 第 2章 機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 如圖 211所示，此零件為轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸承支座，為了保證并聯(lián)軸的安裝，采用剖分式結(jié)構(gòu)。 圖 211 轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸承座 并聯(lián)工作臺(tái)的定平臺(tái)要與 2維串聯(lián)串聯(lián)平臺(tái)相連，動(dòng)平臺(tái)要固定電主軸。另外，因?yàn)?并聯(lián)工作臺(tái)受到的加工反向應(yīng)力變化較多，受力情況復(fù)雜，要注意進(jìn)行受力分析。 綜上，主軸裝夾機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求可以通過(guò)以上結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且主軸裝夾機(jī)構(gòu)無(wú)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(gè)自由曲面的加工質(zhì)量也可以保證基本一致。 圖 212 螺旋槳裝夾機(jī)構(gòu) 直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，通過(guò)直線導(dǎo)軌和滾珠絲杠相組合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，滿足螺旋槳夾緊工作臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)，使 工作臺(tái)可以到遠(yuǎn)離機(jī)床主體的寬闊地帶安放螺旋槳，然后再帶著螺旋槳移動(dòng)到工作位置，方便螺旋槳的拆卸。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(shí)間、提高生產(chǎn)效率，一舉兩得。 機(jī)床定位機(jī)構(gòu)，主要為了保證螺旋槳裝夾機(jī)構(gòu)和機(jī)床主體之間的連接，保證螺旋槳安裝的位置精度。另外，當(dāng)螺旋槳夾緊，準(zhǔn)備加工時(shí)，螺旋槳夾緊機(jī)構(gòu)可以看作是機(jī)床機(jī)架的一個(gè)剛性支撐，這樣就大大改善了機(jī)床的受力情況，提高了機(jī)床的整體剛度，進(jìn)而在一定程度上保 證了加工的精度。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)緊緊圍繞螺旋槳加工的特點(diǎn)逐步展開(kāi)。因此，可以優(yōu)先考慮主軸裝夾機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。另外，在進(jìn)行機(jī)床主體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要為螺旋槳裝夾機(jī)構(gòu)留下位置。而主軸裝夾機(jī)構(gòu)是由 2維串聯(lián)工作臺(tái)和 3軸并聯(lián)工作臺(tái)兩部分組成，其中并聯(lián)工作臺(tái)的機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，而且并聯(lián)工作臺(tái)的動(dòng)平臺(tái)上直接安裝主軸，對(duì)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(shè)計(jì)主軸裝夾機(jī)構(gòu)中的 3軸并聯(lián)工作臺(tái)。因而，應(yīng)該從螺旋槳的結(jié)構(gòu)和加工特點(diǎn)入手，完成并聯(lián)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)。 針對(duì)螺旋槳的這些特點(diǎn)，設(shè) 3軸并聯(lián)工作臺(tái)的定平臺(tái)的額定傾角 ?45??? ，動(dòng)平臺(tái)的豎直移動(dòng)范圍 mm450?L 。 圖 31 并聯(lián)桿的基本結(jié)構(gòu) 因?yàn)椴⒙?lián)桿既要連接主軸和刀具，又要連接 2維串聯(lián)平臺(tái)，因此為了縮短并聯(lián)軸的尺寸，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)不采用最常用的聯(lián)軸器直接連接方式，改為齒輪連接。 如圖 32所示，動(dòng)平臺(tái)直接 連接著主軸和刀具，同時(shí)和并聯(lián)桿的虎克鉸（相當(dāng)于球形副）的最后一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副相連接。 電主軸的安裝位置動(dòng)平臺(tái)虎克鉸的第二級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)副虎克鉸的第3級(jí) 轉(zhuǎn)動(dòng)副，安裝在動(dòng)平臺(tái)上 圖 32 粒 動(dòng)平臺(tái)上各個(gè)連接件的位置 考慮到電主軸的直徑為 200mm，虎克鉸的第 3級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)副在動(dòng)平臺(tái)上所需要的安裝尺寸為 70mm，而從虎克鉸第二級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)副到第三級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)副的距離設(shè)定為 50mm。 但是因?yàn)閯?dòng)平臺(tái)的姿勢(shì)是由 3個(gè)并聯(lián)軸的虎克鉸的第二級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)副所確定的，所以為了方便整個(gè)并聯(lián)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)，把虎克鉸簡(jiǎn)化為球形副，位置在虎克鉸的第二級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)副上。 因?yàn)閯?dòng)工作的的豎直 移動(dòng)距離為 420mm，考慮到并聯(lián)桿擺動(dòng)時(shí)可以提供一定的移動(dòng)量，但是并聯(lián)桿和豎直方向是一直呈銳角的。 所以初步確定并聯(lián)軸的長(zhǎng)度 約為 mmL 7 5 02 0 01 0 04 5 01 ???? （ ） 第 3章 并聯(lián)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 當(dāng)并聯(lián)桿處于完全收縮狀態(tài)時(shí)，并聯(lián)桿的尺寸約為 最短尺寸 750mm；為保證并聯(lián)桿的機(jī)械性能和可靠性，定平臺(tái)與并聯(lián)桿的轉(zhuǎn)動(dòng)副大概處于并聯(lián)桿三分之一的位置。 550 55070176。 對(duì) D? 進(jìn)行修正 取整為 200mm（適當(dāng)放 大可以為各部件留下一定的設(shè)計(jì)余量），這樣定平臺(tái)的半徑尺寸設(shè)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(dǎo)程必須大于 450mm，取值為 540mm，留出螺母 90mm的余量。 這樣整個(gè)滾珠絲杠的軸向尺寸為 mmL 65050605403 ???? （ ） 圖 34 預(yù)定的絲杠軸向尺寸 運(yùn)城學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 同樣 起導(dǎo)向和支撐作用的大套筒的軸向尺寸應(yīng)該和滾珠花鍵的尺寸比較接近。 并聯(lián)桿機(jī)構(gòu)中最中心的零件也是最重要的零件是滾珠絲杠，滾珠絲杠是并聯(lián)桿的驅(qū)動(dòng)件和主要支撐件，確定了滾珠絲杠的尺寸，才能進(jìn)一步確定并聯(lián)軸的其余部件的徑向尺寸。其中重力的作用點(diǎn)始終在動(dòng)平臺(tái)的幾何中心，方向沿豎直方向朝下；加工的反向作用力始終作用于動(dòng)平臺(tái)的幾 何中心，方向始終垂直于動(dòng)平臺(tái)。對(duì)于下工作臺(tái)，工作臺(tái)因?yàn)橹亓图庸さ姆聪蜃饔昧Φ姆较蚴冀K為銳角，所以受最大軸向載荷的絲杠一定在下工作臺(tái)上。 因此 kgmmmm ???? （ ） NgmG ????? （ ） 因 為不知道加工時(shí)具體的材料，加工條件的因素，根據(jù)切削力的通常值，再 考慮一定的安全系數(shù)，設(shè)最大切削方向應(yīng)力 CF 為 1000N 對(duì)于下工作臺(tái)，在并聯(lián)桿伸出時(shí)，隨著并聯(lián)桿長(zhǎng)度的增加，這條并聯(lián)桿與定平臺(tái)的角度也會(huì)變大，趨近九十度，反之則越來(lái)越小。 第 3章 并聯(lián)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15 因?yàn)閯?dòng)平臺(tái)在 3維空間里進(jìn)行多自由度轉(zhuǎn)動(dòng)，不易找到受最大軸向載荷的位置，所以在設(shè)定較大安全系數(shù)的情況下，采用下動(dòng)平臺(tái)在水平位置時(shí)的軸向載荷。 由受力平衡的條件知 ?sin3FFG c ?? （ ） 所以各桿的軸向載荷為 NFGF C 55 4sin3 ??? ? （ ） 考慮軸向力的變化 （包括并聯(lián)桿伸縮式的加速度帶來(lái)的載荷變化），取并聯(lián)軸的載荷變化系數(shù) 21?f ，則 NFfF bm 1 1 0 825 5 41 ?????