【正文】 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)榇耍@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。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。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。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。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。 圖22 單面加工和雙面加工效果比較 9第2章 機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shù)=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)椴⒙?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，動(dòng)平臺(tái)的豎直移動(dòng)范圍。 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。 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 （）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。圖33 動(dòng)、定平臺(tái)和并聯(lián)桿的空間位置尺寸圖此時(shí)的并聯(lián)桿模型可以看做是一個(gè)直角三角形，假設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)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 （）式中為動(dòng)平臺(tái)和定平臺(tái)的水平距離的差值。安裝部分的尺寸定為50mm，傳動(dòng)部分的尺寸定為60mm，如圖34所示。但是套筒的一端要接內(nèi)花鍵套筒，另一端要接齒輪箱，設(shè)兩端的尺寸各減少30mm，如圖35所示，這樣大套筒的軸向尺寸為 （）圖35 大套筒結(jié)構(gòu)和軸向尺寸另外，對(duì)于虎克鉸，兩個(gè)叉扁軸的軸向尺寸都定為100mm。并聯(lián)軸的受力分析：并聯(lián)軸主要承受動(dòng)平臺(tái)及其相關(guān)連接件的重力和加工時(shí)的反向作用力。倒掛的主軸裝夾機(jī)構(gòu)，因?yàn)樗艿闹亓图庸し醋饔昧Φ姆较蚴冀K呈鈍角，因而不會(huì)出現(xiàn)受最大軸向載荷的絲杠。根據(jù)之前算出的動(dòng)工作臺(tái)尺寸，設(shè)電主軸的質(zhì)量為30kg，另預(yù)留20kg的質(zhì)量負(fù)載給其他附件。由于下工作臺(tái)主要的負(fù)載方向?yàn)樨Q直朝下，因此桿的伸出量越短，其所受的軸向負(fù)載越大[9]。當(dāng)動(dòng)平臺(tái)在最低水平位置時(shí)，通過(guò)PRO/E建模得到3根并聯(lián)軸與定、動(dòng)平臺(tái)的夾角都是，所以各個(gè)并聯(lián)軸受到的載荷一樣?？梢圆捎眠^(guò)的鋼珠預(yù)壓方式，這種方式內(nèi)容納的鋼珠比珠槽空間大（過(guò)大鋼珠），使鋼珠產(chǎn)生四面接觸，消減回轉(zhuǎn)誤差。在機(jī)床工作時(shí)，并聯(lián)桿的運(yùn)動(dòng)存在快速移動(dòng)和慢速走刀兩種方式，其中設(shè)快速運(yùn)動(dòng)的伸縮速度，時(shí)間比為10%；慢速走刀的伸縮速度為，所占時(shí)間比為90%。根據(jù)并聯(lián)桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，滾珠絲杠的剛性應(yīng)大一點(diǎn)；為了減小整個(gè)并聯(lián)軸的徑向尺寸，法蘭的徑向尺寸不可以太大；為了減少并聯(lián)軸的軸向尺寸，滾珠螺母的長(zhǎng)度不能太長(zhǎng)。絲杠的總長(zhǎng)度為650mm，螺紋副部分的長(zhǎng)度為540mm。滾珠絲杠確定以后，并聯(lián)桿的主要徑向尺寸可以根據(jù)滾珠絲杠的公稱直徑進(jìn)行確定。另外，大套筒需要螺紋緊固在轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸承座上，為了提高緊固部分的剛度、減少加工范圍，將緊固部位的大套筒直徑增大為102mm，如圖37所示。由之前滾珠絲杠的校核結(jié)果知：絲杠導(dǎo)程為6mm，得滾珠絲杠的最大轉(zhuǎn)速為 （）式中：V ——并聯(lián)桿的最快伸出速度，取值為； ——絲杠的導(dǎo)程，；絲杠扭矩的計(jì)算：絲杠為順序切削，轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)，由計(jì)算公式得 （）式中： ——轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械效率，； ——絲杠旋轉(zhuǎn)扭矩，；——絲杠加速時(shí)的軸向負(fù)載，；為了防止電機(jī)和并聯(lián)軸干涉，齒輪連接的中心距應(yīng)該足夠大。 圖38 電機(jī)的放置選取齒輪的模數(shù)為4，則兩個(gè)齒輪一共有65個(gè)齒，指數(shù)分配齒數(shù)為，其中為電機(jī)軸上的齒數(shù)，為并聯(lián)軸上的齒數(shù)。故選取MDMA750W中慣量交流伺服電機(jī)[11]，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為，最大轉(zhuǎn)矩，額定轉(zhuǎn)速為，最高轉(zhuǎn)速為，都符合要求。在每個(gè)并聯(lián)桿上各需要5對(duì)軸承，分別選擇了一對(duì)32210軸承、一對(duì)32005軸承、一對(duì)30206軸承、一對(duì)32008軸承和一對(duì)32010軸承[10]。滾珠絲杠的軸承為一對(duì)32008圓錐滾子軸承，軸承以背對(duì)背形式安裝。 圖39 軸承受力圖因?yàn)楹偷姆较蛞恢?，則 （）顯然，因此軸有向右移的趨勢(shì)，但是受到力平衡不