大型螺旋桨双面加工铣床结构设计_学士学位论文(编辑修改稿)

大型螺旋桨双面加工铣床结构设计_学士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

自的工作面，方便协调，可以加工的曲面范围比较广泛，而且机床整体占地面积较小。 综上：因为螺旋桨桨叶种类众多，形状复杂，所以把机床可以加工的自由曲面的范围作为主要的参考因素，选取 b方案为机床的设计方案。 另外，对于整体式的螺旋桨，如果一次装夹就可以加工所有的桨叶，则不仅 减少了多次装夹的时间，而且提高了桨叶之间的位置精度、提高整个螺旋桨的加工质量。 因此，为了方便螺旋桨所有桨叶的加工，实现一次装夹就可加工整个螺旋桨的目标，螺旋桨装夹机构还需要有一个转动自由度，可以程序控制螺旋桨的转动。 机床各部件自由度的最终方案：螺旋桨装夹机构具有一个转动自由度，两个主轴装夹机构各具有 5个自由度（包括 2个平动自由度， 3个转动自由度）；整个机床需要 13个驱动轴。 如图 23机 架 的 主体 结构所示： 机床采取立式结构，机架主体为梯形，梯形机架的上下各有一套主轴装夹机构，梯形的宽边 放置螺旋桨装夹机构，螺旋桨装夹机构的下面铺设导轨。 导轨的铺设，可以使螺旋桨装夹机构移动到宽阔的地方装夹螺旋桨，然后再推入到加工位置，方便了螺旋桨的安放；机架采用梯形设计，既可以使机架的宽边容纳下螺旋桨，并保证螺旋桨可以旋转；又可以使减少机架的尺寸，减小占地面积、提高了整体的刚度。 运城学院学士学位论文 6 图 23 机架的主体结构 这样的整体布局既满足了双面加工的需要，又可以保证螺旋桨一次装夹就可加工所有桨叶，符合之前的方案设计。 主轴装夹机构一共有 5个自由度 ， 包括 2个平动自由度和 3个转动自由度。 两个 平动自由度通过 2维串联工作台实现， 3个转动自由度通过 3RPS并联工作台 [6]来实现。 因为机床采用立式的双面加工方式，主轴装夹机构既要正向放置，又要倒挂放置，因此，在设计时必须考虑到正反安装时的受力情况，并尽量保证上下主轴装夹机构一致，这样既可以使机床的制造成本、维修成本降低，又可以保证上下两套主轴加工出来的自由曲面质量一致。 二维串联工作台的两个自由度都是直线型的，采用直线导轨和滚珠丝杠组合的方式。 其中，直线导轨采用滚动型，可以承受上下左右 4个方向的等量载荷；滚珠丝杠连接电动机 ，驱动工作台移动，如图 24所示。 因为通常螺旋桨桨叶的径向尺寸大于径向的宽度尺寸，所以把加工时平行于螺旋桨径向的工作台作为第二级工作台，另一个方向的工作台作为第一级工作台。 在串联工作台设计时，要考虑并联工作台的结构和运动特点，在校核计算时，要注意颠覆力矩的校核，在结构设计时，既要注意给并联工作台留出运动空间，又要方便并联工作台的安装。 图 24 串联工作台的结构 第 2章 机床的整体结构设计 7 如图 25所示 [6]，并联工作台需要满足 3个转动自由度，采用 3个并联杆相配合，使每个并联杆包含一个转动副，一个移动副 和一个球形副的机构设计。 这样，该机构的构件数一共有 n=8个，其中活动构件有 7个；运动副有 g=9个，其中有 3个转动副， 3个移动副， 3个球形副，转动副与移动副的约束数均为 5，球形副的约束数为 3。 由自由度公式 [7]计算 323456 12345  pppppnF （ ） kp —— 有 k个约束的 k级运动副数 得到的自由度为 3，满足对并联工作台的设计要求。 图 25 并联工作台的原理图 对于球形副，因为球形铰链 要保证连接的可靠性，所以转动角度有限，不能很好的满足并联工作台的要求，因此采用虎克铰进行替代。 如图 26所示 [8]，虎克铰通过 3个转动副来达到和球形铰链一样的功能，但是转动角度没有限制，可以很好的满足并联机床对球形副的要求。 图 26 虎克铰 对于移动副，由于是直线运动，可以通过滚珠丝杠和花键导轨相结合的方式来实现。 滚珠丝杠由伺服电机驱动，带动并联轴伸缩。 如图 27所示，具体的结构为：滚珠丝杠轴向固定，在电机的驱动下带动滚珠螺母轴向平移，进而带动花键轴伸缩。 （花键轴一端固定在滚珠螺母上，一端与花键套 筒相配合） 运城学院学士学位论文 8 图 27 并联杆的结构图 如图 28所示，虎克铰与移动副之间的连接：为了节省空间，缩短并联杆的长度，虎克铰的第一级转动轴通过螺纹紧固到移动副的伸缩杆上。 图 28 花键轴与虎克铰的连接 如图 29所示，对于转动副，通过一对圆锥滚子轴承和轴的配合来实现，对整个并联杆起定位和支持作用，刚度要求比较高，其转动角度通过 3个并联杆的相互约束来确定。 图 29 并联杆的转动副 如图 210所示，此零件为移动轴和转动副之间的连接零件，移动轴的大套筒通过螺纹与此零件拧紧在一起，对大套筒起导向和支 撑作用，另外，此零件的伸出轴通过与一对圆锥滚子轴承配合来实现转动副。 图 210 转动支座 第 2章 机床的整体结构设计 9 如图 211所示，此零件为转动副的轴承支座，为了保证并联轴的安装，采用剖分式结构。 此零件的一端连接定平台，一端通过轴承连接并联杆。 图 211 转动轴的轴承座 并联工作台的定平台要与 2维串联串联平台相连，动平台要固定电主轴。 在设计时，要与动、定平台相连接的结构预留位置，方便安装。 另外，因为 并联工作台受到的加工反向应力变化较多，受力情况复杂，要注意进行受力分析。 并联工作台安装时既要正向放置，又要倒挂放置，设 计时上下两套并联工作台应该一致，以减少机床成本，保证上下主轴加工质量的一致性。 综上，主轴装夹机构的设计要求可以通过以上结构来实现，而且主轴装夹机构无论正放，还是倒挂放置都可以使用，通用性好，成本降低，上下两个自由曲面的加工质量也可以保证基本一致。 螺旋桨夹紧机构由 4部分组成，分别是直线移动平台，旋转平台、伸缩杆压紧机构和机床定位机构， 如图 212所示。 图 212 螺旋桨装夹机构 直线运动平台，通过直线导轨和滚珠丝杠相组合的方式来实现，满足螺旋桨夹紧工作台的直线运动，使 工作台可以到远离机床主体的宽阔地带安放螺旋桨，然后再带着螺旋桨移动到工作位置，方便螺旋桨的拆卸。 运城学院学士学位论文 10 旋转平台，通过把一根主轴安放在滑动轴承上，在电机的带动下，实现转动，旋转平台的转动又带动了螺旋桨的转动，这样螺旋桨可以在程序控制下实现精确的转动，可以保证在铣床加工完一个桨叶后，通过转动加工其余的桨叶。 避免了螺旋桨的多次安装，既可以提高螺旋桨整体的加工精度，又可以节省时间、提高生产效率，一举两得。 伸缩杆压紧机构，可以实现自锁，保证螺旋桨在压紧后不会松动；另外伸缩杆压紧机构可以安装在机床的上机架的中心线上，在螺 旋桨压紧后，整个螺旋桨装夹机构组成一个刚性体，对机床起到支撑作用，对提高整个机床的刚性有很大帮助。 机床定位机构，主要为了保证螺旋桨装夹机构和机床主体之间的连接，保证螺旋桨安装的位置精度。 综上，螺旋桨装夹机构既可以方便地安放螺旋桨、夹紧螺旋桨，又可以由程序控制螺旋桨的精准旋转，不仅保证了螺旋桨在双面铣床上的安装，而且实现了一次安装就可以加工所有桨叶的设想。 另外，当螺旋桨夹紧，准备加工时，螺旋桨夹紧机构可以看作是机床机架的一个刚性支撑，这样就大大改善了机床的受力情况，提高了机床的整体刚度，进而在一定程度上保 证了加工的精度。 第 3章 并联工作台的结构设计 11 第 3 章 并联工作台的结构设计 机床的整体方案确定之后，开始对机床的具体结构进行设计。 设计时，应紧紧围绕螺旋桨加工的特点逐步展开。 在本机床所采用的整体设计方案中，主轴装夹机构是整个机床的核心部件，对螺旋桨的加工起关键性的作用。 因此，可以优先考虑主轴装夹机构的设计。 在主轴装夹机构设计的同时，也要同时开始考虑机床的主体结构，以保证主轴装夹机构的安装。 另外，在进行机床主体的结构设计时，要为螺旋桨装夹机构留下位置。 主轴装夹机构是整个机床的核心，是保证机床达到设计目标的关键部件，同时也是整个机床中结 构最复杂的部件。 而主轴装夹机构是由 2维串联工作台和 3轴并联工作台两部分组成，其中并联工作台的机构比较复杂，而且并联工作台的动平台上直接安装主轴，对螺旋桨桨叶自由曲面的加工，有着最直接的影响，因此有必要设计主轴装夹机构中的 3轴并联工作台。 3轴并联工作台是整个机床中最关键的部分，工作台的动平台直接安装着电主轴和刀具，进而直接关系着对螺旋桨加工的精度问题。 因而，应该从螺旋桨的结构和加工特点入手，完成并联工作台的设计。 散体 螺旋桨是典型的自由曲面结构，曲面的法相角度一般在 30 左右，有时也可能接近 45 ，大型螺旋桨的轴向尺寸也比较大，可以达到 300~350mm。 针对螺旋桨的这些特点，设 3轴并联工作台的定平台的额定倾角 45 ，动平台的竖直移动范围 mm450L。 如图 31所示， 并联杆由一个球形副（由虎克铰实现），一个移动副（通过滚珠丝杠实现），一个转动副（由一对圆锥滚子轴承实现）。 图 31 并联杆的基本结构 因为并联杆既要连接主轴和刀具，又要连接 2维串联平台，因此为了缩短并联轴的尺寸，电机的驱动不采用最常用的联轴器直接连接方式，改为齿轮连接。 这样一来，电机可以安装在并联杆所属的平行空间中，减少了并联的轴向长度，避免了与 2维串联平台直接运城学院学士学位论文 12 的干涉，使主轴装夹机构的结构紧凑，有利于机床的装配。 如图 32所示，动平台直接 连接着主轴和刀具，同时和并联杆的虎克铰（相当于球形副）的最后一个转动副相连接。 动平台的位置是由 3个并联轴中虎克铰的第二级转动副所决定的。 电主轴的安装位置动平台虎克铰的第二级转动副虎克铰的第3级 转动副，安装在动平台上 图 32 粒 动平台上各个连接件的位置 考虑到电主轴的直径为 200mm，虎克铰的第 3级转动副在动平台上所需要的安装尺寸为 70mm，而从虎克铰第二级转动副到第三级转动副的距离设定为 50mm。 故可以确定动平台中心到球形副（虎克铰的第二级转动副）的距离为： mmD 2305070100  （ ） 动平台的尺寸半径约为 mmD 1 7 0701 0 01  （ ） 考虑到与动平台相连接的零件圆柱形主轴和 3个均匀分布的轴承座，动平台最终形状也可以确定（如图 33中的粗线所示）。 但是因为动平台的姿势是由 3个并联轴的虎克铰的第二级转动副所确定的，所以为了方便整个并联工作台的设计，把虎克铰简化为球形副，位置在虎克铰的第二级转动副上。 进而在计算中应该以 230mm作为计算量。 因为动工作的的竖直 移动距离为 420mm，考虑到并联杆摆动时可以提供一定的移动量，但是并联杆和竖直方向是一直呈锐角的。 所以初步设并联杆的伸缩量为 450mm；由于并联杆上的导轨（大套筒）和滚珠丝杠的尺寸一定会大于并联杆的伸缩量，滚珠丝杠是驱动轴，需要连接电机，还会需要一定的距离，设定为 200mm， 另外各个连接件之间还会需要一定的预留空间，预定为 100mm。 所以初步确定并联轴的长度 约为 mmL 7 5 02 0 01 0 04 5 01  （ ） 第 3章 并联工作台的结构设计 13 当并联杆处于完全收缩状态时，并联杆的尺寸约为 最短尺寸 750mm；为保证并联杆的机械性能和可靠性，定平台与并联杆的转动副大概处于并联杆三分之一的位置。 如图 33所示， 这样转动副到球形副之间的直线距离估算值为 mmL 55 0503275 02  （ ） 其中 50mm是由于虎克铰的第一级转动副实际需要的线性长度。 550 55070176。 并联杆的最短长度动平台与定平台直接的距离动平台与定平台的半径差 图 33 动、定平台和并联杆的空间位置尺寸图 此时的并联杆模型可以看做是一个直角三角形，假设转动副与并联杆的角度约为 70度，则可以求出水平的直角边的距离 为 mmD o s550   （ ） 式中 D 为动平台和定平台的水平距离的差值。 对 D 进行修正 取整为 200mm（适当放 大可以为各部件留下一定的设计余量），这样定平台的半径尺寸设定为 mmD 4 3 02 0 02 3 02  （ ） 已知并联杆的伸缩量为 450mm；则滚 珠丝杠的导程必须大于 450mm，取值为 540mm，留出螺母 90mm的余量。 安装部分的尺寸定为 50mm，传动部分的尺寸定为 60mm， 如图34所示。 这样整个滚珠丝杠的轴向尺寸为 mmL 65050605403  （ ） 图 34 预定的丝杠轴向尺寸 运城学院学士学位论文 14 同样 起导向和支撑作用的大套筒的。