某大型設(shè)備旋轉(zhuǎn)組件的設(shè)計(jì)

曲宏芬，郝丁，李旭東

(運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 首都航天機(jī)械公司，北京 100076)

0 引言

旋轉(zhuǎn)組件是數(shù)控機(jī)床、非標(biāo)設(shè)備、儀器儀表上的基本組件，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)零件加工、裝配、檢測(cè)精度要求越來越高，相應(yīng)對(duì)旋轉(zhuǎn)組件的幾何精度和運(yùn)動(dòng)精度要求也越來越高[1]。本文設(shè)計(jì)的某大型設(shè)備的旋轉(zhuǎn)組件，致力于解決原先存在的低頭、回轉(zhuǎn)軸線偏差大、運(yùn)動(dòng)精度低等問題，提高旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及同步回轉(zhuǎn)精度，以滿足設(shè)備使用需求。

1 設(shè)備使用要求和精度指標(biāo)

設(shè)備機(jī)械主體主要由床身、床頭、床尾組成，如圖1所示，床頭、床尾回轉(zhuǎn)軸法蘭盤帶動(dòng)工件做勻速平穩(wěn)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，要求床頭、床尾回轉(zhuǎn)軸分別具有旋轉(zhuǎn)和分度功能，并且做同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。對(duì)旋轉(zhuǎn)組件的精度要求見表1，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明所設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)組件滿足設(shè)備精度要求。

圖1 設(shè)備機(jī)械主體

mm

2 旋轉(zhuǎn)組件的設(shè)計(jì)

由于加工裝配誤差的存在，勢(shì)必會(huì)引起回轉(zhuǎn)軸線偏心和傳動(dòng)間隙，進(jìn)而影響回轉(zhuǎn)精度。設(shè)備采用伺服電機(jī)經(jīng)精密減速器帶動(dòng)齒輪副驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的方式，回轉(zhuǎn)軸系采用錐面消差軸承等結(jié)構(gòu)，減小回轉(zhuǎn)軸線偏差；設(shè)計(jì)的消隙機(jī)構(gòu)可消除傳動(dòng)間隙，提高傳動(dòng)精度。為保證床頭、床尾法蘭盤同步旋轉(zhuǎn)，引入了角位移測(cè)量系統(tǒng)對(duì)其回轉(zhuǎn)角分別進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，將兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)，進(jìn)行全閉環(huán)控制。

2.1 回轉(zhuǎn)軸系的設(shè)計(jì)

通過分析原有設(shè)備在加載狀況下低頭現(xiàn)象嚴(yán)重的原因，可知其回轉(zhuǎn)軸徑向采用小軸承兩點(diǎn)式支撐，軸向推力軸承與環(huán)座配合，徑向剛度偏弱，軸向無合理的預(yù)緊裝置，因此在不同載荷作用下，軸端會(huì)產(chǎn)生不同擾度，變形大。重新進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，針對(duì)產(chǎn)品為大直徑回轉(zhuǎn)體和人員進(jìn)出的需要，采用空心軸結(jié)構(gòu)，通過2個(gè)大型角接觸球軸承支撐在環(huán)座內(nèi)，如圖2所示。分析支撐距離L對(duì)環(huán)座變形的影響，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)[2-3]。并進(jìn)行有限元受力仿真和變形分析，在載荷相同情況下，對(duì)比分析支撐距離分別為1 800mm、2 300mm、2 800mm時(shí)環(huán)座的變形大小，發(fā)現(xiàn)較大支撐距離下環(huán)座的變形較小，如圖3所示，該方式可有效提高環(huán)座的支撐剛度，減小回轉(zhuǎn)軸的撓度變形，保證床頭、床尾法蘭盤的形位精度。

1—空心軸；2—軸承定距環(huán)；3—齒輪定距環(huán)；4—方頭螺桿； 5—大齒輪；6—環(huán)座；7—?jiǎng)x車環(huán)；8—內(nèi)圈壓緊塊；9—軸承墊塊； 10—軸承；11—外圈壓緊塊；12—軸承壓緊環(huán)圖2 空心軸組件

圖3 不同跨距下環(huán)座的變形分析

回轉(zhuǎn)軸偏心是影響回轉(zhuǎn)精度的主要因素之一，引起軸線偏差的主要因素包括軸承內(nèi)外圈的制造安裝誤差、軸承間隙、空心軸和環(huán)座的制造誤差等[4-6]。如表2所示，若采用常規(guī)軸承，合計(jì)最大軸線偏差為0.47mm，無法滿足設(shè)備精度要求。改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高軸承加工精度，將軸承外圈與環(huán)座安裝面設(shè)計(jì)成錐面，通過圓錐面定心，消除軸承外圈裝配間隙，提高環(huán)座中兩個(gè)軸承的軸線定位精度，消除外圈跳動(dòng)和尺寸偏差對(duì)軸線偏差的影響。軸承內(nèi)圈和空心軸過盈配合，進(jìn)行熱裝，以提高軸線定位精度，消除軸承內(nèi)圈跳動(dòng)對(duì)軸線偏差的影響。經(jīng)計(jì)算改進(jìn)后的最大軸線偏差要求0.1mm，實(shí)測(cè)軸線偏差為0.03mm，與常規(guī)軸系結(jié)構(gòu)相比精度大幅提高。

表2 改進(jìn)前后的回轉(zhuǎn)軸線偏差對(duì)比 mm

此外，通過施加預(yù)緊載荷[7]，減小軸承徑向和軸向游隙，提高軸承的回轉(zhuǎn)精度。在軸承預(yù)緊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，為便于大軸承的裝拆、調(diào)試和手工預(yù)緊，保證均勻預(yù)載，在軸承內(nèi)外圈均設(shè)有活動(dòng)預(yù)緊塊和螺釘。如圖2所示軸承內(nèi)外圈壓緊塊，為6個(gè)扇形塊，通過螺釘分別固定在空心軸上，每個(gè)扇形塊軸向上裝有螺釘或螺桿用于軸向預(yù)緊，為避免預(yù)緊螺釘松緊不一造成的軸線偏差，采用力矩扳手逐步預(yù)緊。齒輪定距環(huán)上安裝有螺桿，保證軸承內(nèi)圈的壓緊和齒輪的軸向定位。在軸承外圈小端端面的圓周方向均勻分布若干墊塊，并固連在外圈上，墊塊的厚度可根據(jù)需要配磨，保證外圈的軸向預(yù)緊。

2.2 消隙機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

傳動(dòng)系統(tǒng)中傳動(dòng)間隙會(huì)影響運(yùn)動(dòng)精度，設(shè)備的傳動(dòng)間隙主要是齒輪傳動(dòng)間隙，來源于中心距偏差、齒輪制造偏差(如齒距、齒厚偏差)、安裝偏差(如齒輪安裝偏心)，并集中反映在最后一級(jí)的齒輪傳動(dòng)中，以齒側(cè)間隙反映出來[8-9]，通常需要引入消隙機(jī)構(gòu)。

對(duì)齒側(cè)間隙引起的回轉(zhuǎn)角偏差進(jìn)行計(jì)算，由于大傳動(dòng)比的存在，高速級(jí)齒輪的齒面間隙對(duì)輸出軸旋轉(zhuǎn)精度的影響很小，所以只計(jì)算最后一級(jí)齒輪齒側(cè)間隙引起的回轉(zhuǎn)角偏差。

中心距偏差引起齒側(cè)間隙可以通過調(diào)整中心距來減小，這里不做計(jì)算。由回轉(zhuǎn)軸徑向跳動(dòng)和端面跳動(dòng)引起的齒輪回轉(zhuǎn)偏心e=0.24mm，由此引起的齒側(cè)間隙[10]為：

δ=2e/cosα=2×0.24/cos20°=0.51mm

齒輪制造誤差齒厚偏差引入的齒側(cè)間隙為0.35mm，兩者引起的最大尺側(cè)間隙為0.62mm，按照齒輪分度圓直徑為2 231mm進(jìn)行轉(zhuǎn)化計(jì)算，引起的回轉(zhuǎn)角偏差>1.9′，超出對(duì)回轉(zhuǎn)精度的要求。必須引入合適的消隙機(jī)構(gòu)，提高傳動(dòng)系統(tǒng)精度。

常用的消隙方法有變中心距法、軸向彈簧調(diào)整法、雙片直齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法、雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)法等。與機(jī)械消隙法相比，雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)消隙法降低了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，采用先進(jìn)的電氣控制方法替代傳統(tǒng)的機(jī)械消隙法，故采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)消隙法。如圖4所示，兩套伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，一個(gè)是驅(qū)動(dòng)電機(jī)，另一個(gè)是消隙電機(jī)，驅(qū)動(dòng)力矩應(yīng)大于負(fù)載力矩和消隙力矩之和。當(dāng)反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)電機(jī)的作用互換，使原驅(qū)動(dòng)電機(jī)變?yōu)橄峨姍C(jī)，原消隙電機(jī)變?yōu)轵?qū)動(dòng)電機(jī)。通過切換電機(jī)，使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)無論是正向還是反向均有不間斷的驅(qū)動(dòng)力矩，不必走過一個(gè)齒側(cè)間隙就能完成驅(qū)動(dòng)，提高了傳動(dòng)精度和驅(qū)動(dòng)剛度。

圖4 雙伺服消隙機(jī)構(gòu)

2.3 回轉(zhuǎn)角位移測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)高精度的回轉(zhuǎn)角位移控制，需要進(jìn)行角位移測(cè)量，采用全閉環(huán)控制方式，并通過數(shù)字協(xié)調(diào)法使床頭、床尾回轉(zhuǎn)軸同步旋轉(zhuǎn)。角位移測(cè)量的理想方法是采用圓光柵，由于回轉(zhuǎn)軸直徑多達(dá)2m，采用光柵條沿圓周方向進(jìn)行拼接的方式來替代，拼接處可采用相位差補(bǔ)償?shù)姆椒ㄔ谲浖羞M(jìn)行計(jì)算，消除拼接點(diǎn)引入誤差[11-12]。

本設(shè)備采用一條光柵和4個(gè)讀數(shù)頭聯(lián)合讀數(shù)的方式進(jìn)行角位移測(cè)量，即使光柵接頭處縫隙、光柵和讀數(shù)頭間距變化引起丟數(shù)現(xiàn)象，該測(cè)角系統(tǒng)仍可得到連續(xù)可靠的數(shù)據(jù)，并減小光柵安裝偏心、回轉(zhuǎn)軸跳動(dòng)等對(duì)測(cè)量精度的影響[13]。

由圖2可知，回轉(zhuǎn)軸系置于環(huán)座內(nèi)，光柵可貼在空心軸外徑上，讀數(shù)頭位于環(huán)座內(nèi)。并設(shè)計(jì)一光柵讀數(shù)頭調(diào)整裝置，以解決讀數(shù)頭不易安裝調(diào)整的問題。該裝置能夠保證讀數(shù)頭與光柵條的距離在一定范圍內(nèi)不變，不會(huì)因安裝誤差、旋轉(zhuǎn)軸徑向跳動(dòng)等因素導(dǎo)致光柵測(cè)量系統(tǒng)丟數(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

1) 旋轉(zhuǎn)組件中影響其形位誤差和旋轉(zhuǎn)精度的主要因素為環(huán)座的變形、回轉(zhuǎn)軸組件的加工誤差引起的回轉(zhuǎn)軸線偏差、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中減速器的回程誤差、光柵測(cè)量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差等，且這些誤差被大幅減小。

2) 所設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)組件有效解決了回轉(zhuǎn)軸撓度變形、軸線偏差大、運(yùn)動(dòng)精度低、光柵讀數(shù)頭丟數(shù)和測(cè)量精度低等難題，大大提高設(shè)備回轉(zhuǎn)精度。

3) 實(shí)際測(cè)量的精度數(shù)據(jù)表明，旋轉(zhuǎn)組件的形位精度和回轉(zhuǎn)精度滿足設(shè)計(jì)要求；本設(shè)備已用于實(shí)際生產(chǎn)制造，工作穩(wěn)定可靠，滿足使用要求。

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