重载机械无级定位锁止机构构型设计及实现

邱雪松，王 亮，刘佳启

(1.燕山大学机械工程学院，河北 秦皇岛 066004;2.中国第一重型机械集团公司重型装备事业部，黑龙江 富拉尔基 161042)

0 前言

在尺度、重量巨大的核电及加氢结构件的机械加工和装配过程中，翻转变位是衔接各工艺过程的重要工序，直接影响生产效率、生产安全和产品质量［1－3］。因此，研制超大型重载翻转机有重要意义。

为了适应工件的中间工艺尺寸和多规格要求，运转前翻转机的组合工作台必须无级精确调整位置并锁定。在重载作用下，实现无级准确定位、可靠锁止已成为翻转机研制的关键技术与难点之一［4－6］。

目前，锁止(紧)机构在航空航天、机器人关节、大型机床、汽车变速器［7］、雷达［8］、组合刀具等多领域都有广泛应用。

根据锁止(紧)的实时性可分为无级锁止(紧)机构和有级锁止(紧)机构:文献［9］设计了一种形状记忆合金驱动的空间磁悬浮飞轮锁紧机构，采用自锁摩擦无级的形式消除飞轮定子与转子之间的间隙;文献［10］介绍了一种机器人关节电磁式锁止(紧)机构，利用控制电磁离合器的开合实现夹紧面间的锁与放;文献［11］设计了一种转台轴系的锁紧机构，采用弹性元件轴向挤压端面的方式实现回转轴的无级锁止定位;宝钢UOE 生产线的大型铣边机的铣削单元与地基导轨位置的调整与锁止，采用油缸增压式的摩擦无级锁紧结构;文献［12］介绍了一种数控机床端齿盘固定角度有级定位夹紧机构，利用动齿盘与静齿盘的脱开、转位和啮合实现回转轴的锁止和分度定位;电机或液压油缸驱动销式有级锁止也是常用结构，但是，在重型载荷作用下，由于结构变形与摩擦力的巨大，锁止销的对位及拔插非常困难。

迄今为止，无级锁止本质上均为摩擦锁止，在振动、冲击、变载荷(特别是重载)作用下，容易滑动、可靠性与安全性均大幅降低，这是由工作原理所决定的不可避免的缺点;有级锁止机构只适用于特定位置、角度的定位锁止，其锁止位置不具有任意性。

在大型机床、重载压力机、操作机、冶金轧钢机械、工程机械和起重设备中，可靠性、安全性是锁止机构的尤为重要的指标，实现无级、准确定位及可靠的锁止非常困难，已成为行业内亟待解决的普遍存在的共性关键技术之一。

本文根据90°/180°超大型重载翻转机的翻转工艺，提出了一种二自由度机械无级准确定位的锁止机构构型，并进行了工程实现。该构型基于传统的丝杠－螺母传动原理与大结构件宏动、小结构件微动跟随调整的原则，采用有级直齿条扣合、无级斜面楔块移动副串联调整，从原理上保证了锁止的可靠，避免了对位及锁止件插拔困难的问题。该锁止装置适用于大型重载装备等移动部件的无级定位锁止，具有通用性，属于重型装备基础共性技术。

1 组合工作台运动与定位锁止要求

自主研发的90°/180°超大型重载翻转机如图1 所示。

图1 超大型重载翻转机总体结构Fig.1 Overall structure of super heavy-duty tipper

主要用于核电、加氢反应器厚壁壳体件冷加工、探伤时改变工件定位状态，满足全尺寸规格、所有重量的直筒节、过渡节、封头、饼子类件的90°、180°翻转。其中，翻转台与移动台之间转动副连接，翻转台相对移动台可翻转0－90°;二者构成翻转机的组合工作台，并可沿L型工作台上的导轨移动。

当工件翻转90°时，翻转工艺要求调整组合工作台处于水平，并移动到指定的位置锁止。在翻转过程中，翻转台与移动台始终叠合锁止，工件则施加正压力在组合工作台上，故沿导轨移动方向最大锁止载荷为组合工作台自身总重量40 t。

当工件翻转180°时，翻转工艺要求首先调整组合工作台处于水平，并移动到指定位置锁止;滚转L 型工作台使组合工作台处于铅垂位置，调入工件;翻转台转过90°夹住工件;L 型工作台反向滚转120°～135°使工件重量完全转移到翻转台上;翻转台(连同工件)回翻，同时，L型工作台回滚(工件绝对转角不变)至两者叠合;L 型工作台、翻转台、工件一同滚转至组合工作台水平，完成工件180°翻转，过程如图2 所示。当工件的重量完全转移到翻转台上，沿导轨方向移动的双向最大锁止载荷达1.90 MN。

根据工艺需要，定位锁止机构设计必须满足如下规范:

(1)满足组合工作台无级定位、可靠锁止、工作过程无滑移。因大型核电、加氢所有工件的中间工艺尺寸、最终尺寸都是变化的，为确保生产安全，必须无级定位以消除工作台与工件之间的间隙;

图2 工件180°翻转过程图Fig.2 180° turning process of wokepicec

(2)锁止机构具有内力自平衡和卸载功能。因工件翻转变位中的锁止载荷最大可达1.9 MN以上。

(3)能快速灵活实现锁止和解锁操作，保证生产效率。

2 锁止机构构型与工程实现

2.1 锁止机构构型方案

在大型精密数控机床中，移动工作台的运动一般采用丝杠－螺母螺旋(传动)驱动，实现稳定位移、无级、精密定位;过丝杠轴线将其纵向剖开，丝杠等效于一个长齿条、螺母等效于一个短齿条;丝杠转动与螺母移动存在单自由度对应关系，仅从定位与锁止的功能出发，结合实际应用条件，对螺旋传动的结构、各部运动关系进行拆分、重组与转化设计，可满足翻转机的锁止定位要求。

锁止方式。基于丝杠－螺母螺旋传动原理，将丝杠和螺母分别等效为长、短齿条并拆分，消除丝杠旋转(长齿条移动)与螺母(短齿条)移动的单自由度对应关系，各自独立运动。利用短齿条轴向、径向两个自由度的运动自适应与长齿条齿的扣合位置，完成两个三角形齿的直齿条在任意位置的相互扣合，实现锁止定位。采用大型件宏动停位、小件微动跟随、锁止的原则，将长齿条固定在移动平台上，在工作区域内随移动平台无级移动、停位;将短齿条通过两个正交移动副串联地支撑于浮动钳口中，实现相对长齿条径向移近或脱离，在三角形齿侧导向下，短齿条径向接近长齿条的同时伴随被动轴向窜动(最大为一个齿距)达到齿侧双向扣合严密，之后，采用楔形滑块插入以消除短齿条两端与定位挡之间的间隙。实现移动平台的无级、准确定位、锁止。其中浮动钳口支座固定于L 型工作台。

卸载方式。沿导轨移动的轴向力通过扣合接触齿面派生出齿条径向力，对移动工作台造成横向挤压。采用浮动钳口原理卸载，将钳口的一侧置于长齿条背后、保持无压力接触，将短齿条置于移动盒内，通过移动副与钳口另一侧接触，当扣合严密时，两个钳口对长齿条夹紧、保持较小的径向压力;负载时派生出的巨大径向力将导致浮动钳口产生微小的径向位移，使钳口与长齿条的两侧面接触压力相等。径向力被转化为钳口内力。锁止载荷轴向力则通过长齿条、短齿条、移动盒、两侧楔形滑块直接传递到浮动钳口支座上的定位挡铁，最终卸载到L 型工作台(即机架)上［13－15］。

集成上述两部分机构，得到锁止机构的整体构型如图3 所示。

图3 二自由度无级精确定位锁止机构构型图Fig.3 2-DOF mechanical locking mechanism with continuously variable positioning

2.2 锁止装置关键工程结构

(1)直齿长齿条。固定在移动工作台的两侧，长4050 mm、齿宽160 mm。相对移动台下悬80 mm。齿形为三角形、保留齿尖、齿根采用深凹沟槽、过渡齿廓。

(2)直齿短齿条为三角形齿，短齿条与移动盒之间设置双弹簧结构，非工作状态短齿条相对移动盒自动回位;扣合过程中移动盒径向运动，短齿条凭齿侧导向被动轴向移动、自动寻找位置实现自动严密扣合，如图4 所示。

图4 短齿条工程结构ig.4 Short rack engineering structure

(3)主驱动双滑块、移动盒与浮动钳口。主驱动采用单侧楔形滑块，斜面与移动盒的斜面接触、直面与浮动钳口接触均设有T 形导槽，等效于双滑块;当主驱动楔形滑块上下移动时，移动盒接近或远离长齿条，移动盒两端与机架移动副接触;锁止机构扣合或负载时，浮动钳口夹住并压紧长齿条，扣合齿面派生出的巨大径向力，驱动浮动钳口沿径向产生微小窜动，最后停在两个钳口上力相等的位置，使长齿条所受的横向力被平衡掉，实现径向卸载，如图5 所示。

图5 双楔形滑块、移动盒与浮动钳口结构Fig.5 Double wedge slider，moving worktable and floating jaw

(4)锁止楔块。单侧斜面滑块，直面与移动盒内侧接触，斜面与短齿条端面接触。当滑块上移时，塞紧短齿条两端与移动盒之间的楔形空间、消除间隙。双向轴向载荷通过短齿条、锁止楔块、移动盒传至(挡块)L 型工作台机架，如图6 所示。

(5)锁止装置工作过程。主驱动双滑块、两个锁止楔块均采用电液推杆驱动。锁止装置工程结构如图7 所示。

(6)非工作状态。长、短齿条顶部保持一定的安全距离Δs，长齿条随移动工作台无极行走，短齿条两侧锁止楔块拉下，短齿条在双弹簧驱动下处于零位，如图8a 所示。

图6 锁止楔块Fig.6 Locking-wedge

图7 移动台锁止装置结构Fig.7 Moving worktable locking device structure

图8 对位与锁止过程Fig.8 Contraposition and locking process

(7)扣合过程。水平状态下移动台行走到达指定位，启动主电液推杆、主驱动双滑块上移，推动移动盒携短齿条径向接近长齿条，齿面接触后短齿条轴向移动自动调整(最大位移一个齿距)直到严密扣合，如图8b、8c 所示，实现无级定位。两锁止楔块塞紧短齿条两侧与移动盒空间，完成扣合锁止、设备进入工作状态。

(8)解锁过程。设备完成工作后、使移动工作台处于水平状态以卸掉外载荷;拉下锁止楔块;主驱动双滑块下移，拉动移动盒携短齿条脱离长齿条(回零位)。

2.3 锁止装置特点

(1)齿条扣合锁止，属于啮合式面接触止动，原理上消除了锁止件之间的相对滑移，锁止可靠;

(2)采用多对齿同时扣合、可承载较大轴向力;

(3)实现移动台无级定位与锁止，且定位准确;

(4)具有径向力自身平衡、卸载功能，锁止机构给予移动台的横向外力微小、不会造成移动台变形。

3 锁止装置主要参数

3.1 齿形参数

三角形非标准齿条，如图9 所示。齿顶角60°;模数m=5 mm;齿槽深h2=h1+0.5;齿根厚b=P－ b1;齿距P=2(2h1+h)tan β。

图9 三角形齿形参数Fig.9 Tooth profile parameters of triangular tooth

3.2 楔块斜面结构与运动参数

主驱动双滑块、锁止楔块结构如图10 所示。

图10 锁止机构内核示意图Fig.10 Internal structure of locking mechanism

滑块反行程自锁几何条件:

式中，f为摩擦系数，取0.1;φ为摩擦角钢对钢时5.7°。

锁止楔角θ1=5°;主驱动双滑块θ2=10°。

滑块最大行程。建立坐标系原点O 位于左、右锁止楔块对称中心，如图11 所示。

图11 楔块位移量Fig.11 Displacement of wedge

短齿条扣合时沿x 轴移动量为X，左、右锁止楔块沿z 轴移动距离增量z1为

当长齿条与短齿条处于未扣合状态，齿顶间距离Δs。主驱动双滑块沿z 轴正向移动时，短齿条沿y 轴正向移动量为Y。则有主驱动双滑块移距

锁止楔块沿z 轴移动最大行程

主驱动双滑块沿z 轴移动最大行程

3.3 扣合强度校核

基于分析，工作台在极限受力状态下，作用在单个短齿条上的最大轴向载荷Fa=1.523 ×106N。

将在solidworks 建模的短齿条保存为Parasolid(* .x_ t)格式;导入模型并设置材料属性;设置网格精度等级;施加约束，将载荷直接加载接触面上。计算结果:短齿条13 个齿强度及刚度变化趋势如图12 所示。

可以看出，在Fa作用下短齿条13 个啮合齿的应力变化，第一个齿应力最大为477.4 MPa，其后逐渐减小趋于稳定，整体最大变形量为0.06316 mm;最大应力均发生在齿根受拉侧，最大变形位置发生对应齿齿顶，其综合应力均小于42CrMo 的抗拉强度950 MPa、抗压强度1625 MPa，满足设计要求。

图12 最大载荷作用下锁止短齿条强度及刚度趋势图Fig.12 Tendency chart of locking short rack strength and rigidity under maximum load

4 结论

基于丝杠－螺母螺旋传动原理，采用运动拆分与重新匹配的方法，提出了新型的二自由度重载机械锁止机构。该机构通过短齿条自动对位、回位调整功能可实现无级定位锁止功能;利用钳口夹紧长齿条时内力平衡原理，提出并设计了锁止机构内部浮动钳口径向力卸载结构;利用双斜面摩擦自锁原理，消除短齿条与移动盒单元的运动间隙，并将轴向载荷经锁止机构直接卸载到翻转机机架上，提高了锁紧的刚性，实现超大载荷作用下的可靠锁止。

该锁止装置工作原理具有广泛通用性，属于重型装备基础领域的共性技术，尤其适用于大型重载装备等移动部件的无级定位锁止，为大型核电翻转机、变位机设计提供可靠的技术保障。

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