一种液压夹紧机构在直驱式双轴回转工作台的应用

赵越，姜莉莉，雷晓钟

(1.广东工业大学机电工程学院，广东广州 510006;2.广州市珠江机床厂有限公司，广东广州 510000)

一种液压夹紧机构在直驱式双轴回转工作台的应用

赵越1，姜莉莉1，雷晓钟2

(1.广东工业大学机电工程学院，广东广州 510006;2.广州市珠江机床厂有限公司，广东广州 510000)

双轴数控回转工作台是五轴数控机床的基础部件，它通过驱动转台或分度头完成精密角度的等分、不等分或连续的回转加工，能够实现A，C轴的回转进给与定位，完成复杂曲面加工，使机床的加工范围得以扩大。介绍了一种用在双轴回转工作台的液压夹紧装置，该机构具有定心精度高、夹紧力大、夹紧刚度高、结构紧凑、安全可靠等优点，实际应用表明效果很好。

液压夹紧套;双轴回转工作台;力矩电机

0 前言

双回转工作台是实现五轴加工中心回转进给功能的关键功能部件，直驱式工作台仅靠驱动系统和传动机构通常不能满足工件所需的定位精度要求。而双回转工作台旋转轴的夹紧机构主要有两个作用:一是当工作台工作时突然切断电源或因故障电网突然停电时，电机的转矩几乎为零，若负载转动惯量很大，则电机容易失控造成事故，这时需要制动保证其安全;另一作用是旋转轴以及摆动轴到达任意角度需要通过夹紧固定来满足其在指定角度平面强力铣削或定向结构的要求，另外，还能够分散传动机构定位加工时的受力，并将力直接传递给箱体，使驱动系统和传动机构得到释放，从而保证了回转轴的精度及高传动性。

夹紧装置可分为气动抱闸、三齿盘、液压抱闸等机构。鉴于该型工作台采用的是电动机直接驱动，结构尺寸受限，且要达到大的锁紧力矩比较困难。故文中采用的是液压夹紧套制动机构，接触面积大，依靠夹紧套的弹性变形抱紧转子，定心精度高，安全而又可靠。1 结构原理

液压夹紧套制动机构主要由带有凹槽的夹紧套和密封圈组成，凹槽能使夹紧套在受压时更易变形，如图1所示。

图1 回转工作台液压夹紧套制动机构

其基本工作原理是:夹紧套外壁上的凹槽与固定件形成环形封闭油腔，内部充有液压油。当对其施压时，油压在抱闸套筒壁的密封圈之间毫无损失地转换成径向夹紧力，并使套筒内壁作用于转子的外圆周表面，均匀地抱紧被夹紧件，通过消除配合间隙，产生摩擦扭矩的方式来完成旋转的锁紧制动;松开后，只需减压来使夹紧套薄壁恢复到原始形状，并恢复配合间隙。

文中介绍的对于电机直接驱动的双回转工作台一是电机对A轴回转摆动的驱动，二是在左右两端各设有一电机 (如图2)，用于驱动工作台A轴的摆动，由于其结构完全轴对称，这就使得其工作及制动需完全同步，而液压夹紧套制动机构能够在受限的空间内进行制动且具有极高的夹紧力和夹紧刚度，则可对双回转工作台进行应用。

图2 双回转工作台

2 重要参数的确定

通过分析该夹紧套的工作原理，该夹紧套既要求良好的变形能力又要求足够的强度。因此其夹紧套材料可采用铍青铜QBe2，它是高性能铜合金，经固溶及时效硬化处理，具有高硬度、高耐磨性、高抗爆性、高屈服极限与疲劳极限、耐腐性能佳、高导电率及优异的散热性能［1］。另外结构为薄壁筒状结构，外壁上设有凹槽，在夹紧套的两端设有密封圈用于防止泄漏，夹紧套两端设有法兰盘便于其安装与固定。

锁紧制动机构中弹性套的相关结构参数的确定是该机构设计的重点，弹性套在液压作用下产生弹性变形，为了便于弹性套的变形，在弹性套上设计了变形槽。通过ANSYSWorkbench对其结构进行仿真分析确定了一定液压P下变形槽的最佳距离、均匀变形长度、变形区最佳厚度及转子轴与弹性套间隙［2］。

3 应用

该套筒制动机构已应用于某厂设计的一款直驱式双回转工作台，如图2所示。夹紧式机构外侧有液压和空气管路，分别用于液压的执行和释放以及调试时排出油腔内的空气，C轴采用的力矩电机，为西门子1FW6130-0Px07，最大输出转矩575 N·m。弹性套材料选用淬火调质后的铍青铜，根据工艺及生产经验取∂(转子轴与夹紧套间隙)=0.15 mm、d(变形区域厚度)=2.4 mm，运用ANSYS-Workbench软件对设计结果进行结构静力仿真分析，分析结果如图3所示，模拟量数值关系见表1。在不同的液压载荷下得到其变形量如图4所示。

图3 仿真分析结果

表1 模拟量数值关系表

图4 铍青铜的载荷与变形量曲线图

通过仿真结果可得到在合适压力作用下该结构能实现易变形，且变形后保证均匀接触摩擦面积最大，从而验证了变形槽位置设计的合理性，由分析结果得到p=2.5 MPa时均匀变形长度M=50mm，则最大均匀接触面积 S=3.14×90×10－3×50×10－3m2。

由图3得到在液压力0～3 MPa时，载荷与变形量成线性关系，可以认为弹性套处于理想弹性变形状态，该数值分析结论与该合金钢材料的屈服强度数值也是一致，从侧面验证了数学模型以及边界约束设置的合理性。

通过上述分析可知在2.5 MPa的液压刹紧力作用时，套筒锁紧处于合理的完全弹性变形状态，可以得到:

4 结论

文中重点讲述了液压夹紧套筒在回转工作台对C轴旋转夹紧的应用，其具有很高的定心精度和很好的重复性，同时其夹紧扭矩大、夹紧刚度高，并由于液压夹紧油腔内充满了液压油使其具有一定的阻尼减震作用。此夹紧机构同样可以应用到图2中驱动工作台A轴摆动的两对称电机上，这除了需要布置具有任意角度定位分度功能的夹紧机构外，还要布置能够满足车削加工大扭矩，高刚性要求的固定角度分度定位的夹紧机构，两者并用才能更好地完成机构的车削和铣削加工，而文中所介绍的夹紧机构则可应用于此。

［1］机械工程手册编委会.机械工程手册.第3卷.机械工程材料［M］.北京:机械工业出版社，2000.

［2］凌桂龙.ANSYSWorkbench 13.0［M］.北京:清华大学出版社，2012.

Application of a Hydraulic Clamping Mechanism in Direct Drive Rotary Table with Double Axes

ZHAO Yue1，JIANG Lili1，LEIXiaozhong2
(1.School of Mechatronics Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou Guangdong 510006，China;2.Guangzhou Zhujiang Machine ToolWorks Co.，Ltd.，Guangzhou Guangdong 510000，China)

Double axes rotary table is one of the basic components in 5 axis numerical control(NC)machine tool.Its precision angle bisecting，unequal or continuous rotary processwere completed by driving the rotary table or dividing head to achieve rotary feeding and positioning of A，C axis，to complete complex surfacemachining，so that themachine's processing rangewas expanded.A kind of hydro-clamping sleeve device used on the rotary table with double axes was introduced.The mechanism has the advantages of high precision in centering，large clamping force，high clamping rigity，compact in structure，safe and reliablble，and etc.Its practical application shows very good effects.

Hydro-clamping sleeve;Rotary table with double axes;Torquemotor

TH132

B

1001－3881(2015)21－176－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2015.21.043

2014－08－11

赵越 (1991—)，男，硕士研究生，研究方向为机械设计制造及自动化。E－mail:383448562@qq.com。