翻转工作台机构设计与分析

毕 岩 王一楠

(沈阳机床股份有限公司，辽宁 沈阳 110142)

目前，重型落地铣镗床及加工中心配套的常规型工作台通常是水平放置，并只有直线运动和回转运动，不具备翻转运动。通常情况下，为了使工件便于装夹，需要工作台面水平放置。但某些大型工件由于自身特征在加工过程中需要工作台竖直放置，这样更便于加工、冲屑、排屑等。因此，需要工作台具有翻转功能。常用的翻转机构采用蜗轮蜗杆或者齿轮传动来实现，这种结构在机械加工过程中对制造精度要求高，加工难度大，翻转误差大。本文为了克服现有重型机床翻转机构的不足，研发了一种新型可翻转工作台机构。

1 翻转机构设计

本次设计的动力源为液压，翻转工作台在液压系统驱动下，使工作台及工件安全、平稳、有效的实现水平与竖直方向的位置翻转。液压驱动以其体积小、驱动力大而广泛应用于大型机械设备。

以工作台面下某一支撑点作为转轴，液压缸辅助工作台实现翻转动作。已知工作台面尺寸1 000 mm×3 000 mm，自重1 600 kg，工件最大重量为2 000 kg。具体方案如图1。其中位置1是工作台水平放置，是工件的安装和拆卸位置；位置2是工作台翻转过程中，工作台重心在水平面的投影偏离转轴最大距离的位置；位置3是工作台竖直放置，为工件的加工位置。

液压缸初选派克油缸HMI系列，其中缸径D为100 mm，缸杆d为40 mm。由于工作台面较长，翻转质量较大，为保证翻转过程中的平稳，降低系统压力，故使用两个液压缸实现翻转。在翻转过程中，由于重力的作用，工作台翻转时的驱动转矩不是恒定的，需要的压力也是变化的。现在选取3个关键位置分别计算液压缸需要的油压，由计算出的最大压力确定最终系统压力。如图1所示，3个位置状态下，转轴中心至工作台重心的水平分别为L1=50 mm,L2=255 mm,L3=250 mm;转轴中心至液压缸的有效距离分别为l1=402 mm,l2=154 mm,l3=107 mm。

位置1需要的系统液压缸油压P1计算如下：

翻转力矩M1=FL1=3 600×9.8×0.05=1 764 N·m。液压缸需要的力为f1,M=f1l1。由于使用两个液压缸翻转，所以2M=M1，则：

液压缸需要的油压为P1，f1=P1S=P1(πD2/4-πd2/4),则：

同理计算出位置2和位置3液压缸需要的油压，P2=4.4 MPa,P3=6.3 MPa。

综上，液压缸需要的最大油压为6.3 MPa，最后选择8 MPa的液压系统。

2 可翻转工作台转轴结构设计

一般的翻转机构对翻转精度要求不是很高，水平位置和竖直位置轴向有少量窜动，容易产生加工误差，安全性也大大降低。翻转中轴向窜动问题成为一大技术难题。

转轴结构实现翻转工作台与床身基座的连接，具体结构如图2。两个耳座1固定在床身上，支架5连接翻转工作台底面，由液压缸带动5翻转。旋转轴2与支架5之间选择一组圆锥滚子轴承6来支撑。选择圆锥滚子轴承是因为可承受很大的径向力和一定的轴向力。密封圈4的作用是防止外面的杂质水等进入到轴承内。然后通过锁紧螺母7把旋转轴2、轴承6与支架5的位置确定。最后通过胀紧套3来实现两个耳座1与旋转轴2之间的支撑和锁紧。本次设计通过圆锥滚子轴承与胀紧机构同用，且胀紧机构与耳座1的轴向定位面结合，保证了转轴没有轴向窜动。

3 翻转工作台到位结构设计

工作台水平位置是工件装夹位置，耳座上设计有水平定位面，当工作台翻转到水平位置时，与工作台底面设计的定位面接触配合，使工作台保持水平实现水平定位。当工作台竖直位置为工件加工位置，此时工作台需要承受很大的切削力。为了满足翻转时工作台能自由翻转、加工时工作台能承受各方向切削力这一要求，选用电控永磁吸盘来实现这一功能。通电时吸附工作台底面使工作台保持竖直位置，实现工件切削加工；断电时翻转工作台到水平位置，方便工件的装卸。最终实现了高效、安全的生产。

选取的电磁吸盘一组的吸力为4 500 kgf，一共3组总吸力13 500 kgf，满足最大切削要求。3组电磁吸盘安装在工作台的左、中、右，保证整个台面的平稳牢固，安装位置如图3。

4 结语

本文采用机电液相结合的一体化技术，完成了重型设备翻转工作台机构的整体设计。从根本上解决了翻转过程中轴向窜动和翻转到位工作台定位夹紧的技术难题，成功实现水平位置和竖直位置的快速转换。该机构整体结构紧凑，稳定可靠，操作简单，降低了大型工件加工的难度，提高了整机的工作效率。

[1]王梅香. 不锈钢筛板焊接翻转工作台的设计[J]. 煤矿机械, 2012，33(7):129-130.

[2]陈水胜，鲍晓斌，华中平，等. 基于UG的翻转工作台动力分析及工程应用[J]. 湖北工业大学学报, 2013,28(2):91-94.

[3]曹玉宝. 工件翻转装置液压传动系统设计[J]. 机床与液压, 2011,39(4):74-77.

[4]吕鲲，闫明辉.玻璃上料翻转机构的优化设计[J]. 机械设计与制造, 2015,1(1):157-160.

[5]刘鸿文.材料力学[M].3版，北京:高等教育出版社，1992.

[6]倪妍婷，赵国奇，姚进.基于ANSYS Workbench的翻转机构传动主轴优化分析[J]. 成都大学学报：自然科学版, 2014,33(3):271-273.

[7]刘瑾瑜，潘胜美，胡小安.翻转机构的优化设计[J]. 农业机械学报, 1995,26(2):36-41.

[8]王毅可，赵彤彤，刘彩云，杨益奎，董玉德.基于运动控制卡的翻转机构自动下线系统设计[J]. 西安工程大学学报, 2015,29(3):362-368.

[9]左建明.液压与气压传动[M].南京：机械工程出版社, 2010.

[10]刘建武.可翻转的回转工作台装置[J]. 锻压装备与制造技术, 2011 (3):42-45.