自动万能回转头液压系统设计.pdf

第 5期 总第 1 7 4期 2 0 1 2年 1 O月 机 械 工 程 与 自 动 化 ME CHANI CAL E NGI NEERI NG AUT MATI N NO． 5 Oc t ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 2 0 5 0 0 9 4 0 3 自动万能 回转头液压 系统设 计 曾帮强 四川川化永鑫建设 1 - 程有限责任公 司。四川 成都 6 1 0 3 0 0 摘要 自动万能 回转头是用于柔性制造 单元 的主轴部件 ，通过 回转头的回转组合，实现机床 主轴立、卧 自动 互换 ，从 而达到工件 的一次装卡即可完成所有加工的 目的，提 高 了工件 的加工精度和加工效率。主要描述 了 液压 系统 的应用 ，靠 自动控制系统实现回转头主轴在 空间 3 6 0 。 范围内的任意 回转分度 。生产实践证 明 自动万 能回转头既能完成分度要求．还能保证 大功 率、大扭 矩条件 下的稳定性和重切 削能力．是现代 大型柔性制造 单 元必备 的主轴部件 。 关键词 自动万 能回转头 ；液压系统；分度 ；柔 性制造单元 中图分类号 T P 2 7 1 ． 3 1 TH1 6 5 文献标识码 A O 引言 伴 随着我国制造业 的发展， 要求配备数控 回转 头 的加工中心也在增加 ， 特别是四轴、 五轴加工中心 。因 此 ， 不断开发大 、 小型 自动万能 回转头 ， 大幅提高回转 头转速和承载能力 ， 已成为必然的发展趋势。本文通 过设计实例讲述液压传动技术在万能 回转头 中的应 用 。 1万能 回转 头的 工作原 理 万能回转头通过螺柱安装在滑枕前端， 通过伺 服 电机直联驱动传递扭矩， 通 过液压缸的往复运动控制 鼠牙盘的卡紧和松开， 再通 过齿轮啮合 带动 回转头的 两个壳体回转 ， 实现主轴在空间 3 6 0 。 范围内任意 回转 分度 空间分度角度为 5 。 。万能回转 头能通过两个 互成 4 5 。 的回转面 A 和 B调节主轴的方位 ， 法兰 回转 面上装有端齿盘 ， 在后壳体中心装有液压缸， 端齿盘旁 装设传感器 ， 整个系统利用 P L C自动控制 。当液压 缸往右运动时， 端齿盘脱离啮合， 然后主轴开始绕水平 轴 I 转动 ， 当转动到位后 ， 通过传感器发 出信号， 液压 缸电磁阀得电， 液压缸往左运动， 当端齿盘完全进入啮 合后 ， 液压缸停止运动。万能回转头结构示意 图如图 1所示 。 2液压 系统 设计 2 ． 1 系统设 计要 求 根据系统运动情况及计 算结果表 明， 液压缸 I 和 液压缸 I I 快进 、 快退速度约为 5 m／ mi n ；液压缸 I 行 程为 1 7 mm， 运 动部件 自重为 1 5 k N； 液压缸 I I 行程 为 5 mm，运动部 件 自重 为 7 k N。启动换 向时间 A t 0 ． 0 5 S ， 采 用水 平放置 导轨 ， 静摩擦 系数 一0 ． 2 ， 动摩 擦系数 0 ． 1 ， 油缸机械效率 取 0 ． 9 。 l 1 1 2 1 3 1 4 1 一内啮合直齿轮 I ； 2 --轴 I ； 3 一联 轴器 ； 4 一法兰 ； 5 一多齿盘 I ； 6 一后壳体 ； 7 一内啮合直齿轮 I I } 8 一液压缸 I ； 9 一弧齿锥齿轮 I ； 1 0 一支承座l 1 1 一多齿盘 I I I 1 2 --前壳体 ； 1 3 一弧齿锥齿轮 I I ； 1 4 --主轴； 1 5 一轴 I I } 1 6 一弧齿锥齿轮 I l l 1 7 一液压缸 I I 图 l 万能回转头结构示意图 2 ． 2 系统工 况分析 液压缸 I 、 I I 工作过程各 阶段负载 F的计算公式 如 F 启动 加速 阶段 F 一 G 击。 ⋯ ⋯⋯⋯⋯州 快进 或快 退阶段 收稿 日期 2 o i 2 0 3 2 5 l修 回 日期 2 0 1 2 - 0 4 - 1 1 作 者简介 曾帮强 1 9 8 6 一 ，男，四川 仁寿人 ，助理工程师 ，本科 ，主要从事机 电一体化技术方 面的研究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年 第 5期 曾帮强 自动 万能回转头液压 系统设计 9 5 F一 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 2 一 其 中 G 为运 动部件 重 量 ， N； g为重 力加 速度 ； A v为 速 度 变化 值 ， m／ s 。 。 液压缸 I 、 I I 启动加速阶段 △ 一0 m／ s 。 ， 快进、 快 退阶段 △ 0 ． 0 8 3 m／ s 。 。将各数值代人式 1 、 式 2 可计算得 到液压缸 I 启动加速阶段的负载为 6 1 5 6 ． 5 N， 快进或快退阶段负载为 1 6 6 7 N； 液压缸 I I 启动加速 阶段负载为 2 8 7 3 N， 快进或快退阶段负载为 7 7 7 ． 8 N。 2 ． 3 确 定执 行元 件 的工作 压 力 2 ． 3 ． 1 初 选 液压缸 的工 作 压力 由负载值大小查参考文献E 1 3 ， 并参考同类型两用 机床 ， 初 取液 压缸 I 、 I I 的工 作压力 P 。 为 2 MP a 。 2 ． 3 ． 2 确定液压缸的主要结构参数 1 液压缸 内径 D 的计算公式为 。 一层 。 O J G 9 0 J．．．．．．O O O O OI B O B Q ．．．．．．．．．．OI O 6 0 ㈤ 将液压缸 I 、 I I启动加 速 阶段 的负 载代人 式 3 得 Dl 一 0 ． 0 6 2 6 r n ， D2 0 ． 0 4 2 8 1 3 3 ． 。查 参 考 文 献 [ 2 ] ， 按液压缸的内径系列将 以上计算值圆整为标准直 径 ， 根据结构要求取 D1 1 2 5 mm， D 。 6 3 mm。 为 了 实 现快 进 、 快 退 速 度 相 等 ， 采 用 双 作 用 液 压 缸， 根据参考文献[ 1 ] ， 取液压缸 I 、 I I 活塞杆直径 d 。 一 0 ． 7 D】 一8 7 ． 5 mm； d 2 0 ． 7 D2 4 4 ． 1 mm。故液 压 缸 I 、 I I 两边的有效作用面积分别为 A 一6 2 ． 6 c m。 、 A。 一 1 8 ． 6 c m2 。 ’ 2 缸筒 壁厚 一般 按薄 壁筒 计算 ， 即 一 。 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 其中 [ 为材料的许用拉应力 ， P a ， [ 一1 2 0 MP a 。 将数 值 代 入 式 4 计 算 得 一1 ． 0 4 mm， 一0 ． 5 3 mm。查参考文献[ 3 3 ， 根据结构要求取液压缸 I 、 I I 壁 厚 为 l 一艿 z 6 mm。 3 缸 体材 料选 用 4 5号无 缝 钢 管 ， 活塞 的材料 选 4 5号钢， 缸盖的材料采用 Z G 4 5 铸钢 。 4 缸体内径采用 H8配合， 当活塞用橡胶 密封 圈密封时内径表 面粗糙度 R a 一0 ． 4 m， 内表面 圆柱 度不大于内径配合公差的一半， 缸体内表面的弯 曲度 在 5 0 0 mm 以上 不大 于 0 ． 0 3 mm， 活 塞 外 径 的 圆柱 度 不 大 于直 径公 差之 半 。 5 缸底 厚度 H 的计 算公 式 为 H一0 ． 4 3 3 D ／ 。 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5 将数值代 入式 5 ，计 算得 H 一7 mm、H。 一 3 ． 5 mm， 因结构 需要 取 Hl 一1 5 mi i l ， H2 6 mi D ． 。 6 按强度条件验算活塞杆直径 厂 d 1 ≥ ／ {I_ 一4 ． 2 mm 。 d 2 ≥ ／ { 一2 ． 9 mm 。 V 7 【 LaJ 液压缸 I 、 I I 活塞杆强度富裕 。 2 ． 3 ． 3 计算液压缸的工作压力 、 流量和功率 根据参考 文献 ， 本 系统 的背 压估 计 值 可 在 0 ． 5 MP a 0 ． 8 MP a内选取 ， 故 暂定 快速运动时 一 0 ． 5 MP a 。液压缸在工作循环阶段的工作压力为 F 户工一 A 十 P6 。 计算得到液压缸 I 的工作压力 P 工一0 ． 7 7 MP a ， 液压缸 I I 的工作压力 户 2 工一0 ． 9 2 MP a 。 快 进 、 快退 阶段 的输 人流量 为 QAAv 。 计算得到液压缸 I 的输人流量 Q 一3 1 ． 2 L ／ rai n ， 液压 缸 I I 的输 入流 量 Q 2 9 L ／ rai n 。 快进 、 快退阶段的输入功率为 w P 工 Q 。 将相关 数 值 代 人计 算 得 到 液压 缸 I输 入 功率 W 一0 ． 4 k W， 液压缸 I I 输人功率 W2 0 ． 1 3 8 k w。 2 ． 4拟 定 系统 原理 图 根据万能回转头 的设计任务和工况分析 ， 该部件 对快速稳定性有一定的要求 ， 速度换接 、 稳定性和调节 是该部件液压系统设计 的核心。本进给系统快进、 快 退速度始终恒定 ， 故不需采用调速阀调速 。分析 系统 可知 ， 液压系统的供油主要为低 压大流量 ， 采用单泵供 油 。本系统选用电磁换向阀控制换向 回路 ， 为便 于连 接及 两 支路互 锁 ， 选用 三位 四通 电 磁换 向阀及 O 型 中 位机能 。为了提高位置换 向精度 ， 采用死挡块加压力 继电器的行程终 点转换控制。由于采用单 泵供油 回 路 ， 故用溢流阀实现低压大流量泵卸荷 ， 并且调整供油 压力 。将上述 所选定的液压基本 回路组合成 液压系 统， 并根据需要做必要的修改调整， 最后画出的液压系 统原理图如图 2所示 。电磁铁动作顺序见表 1 。 1 Y 图 2 液压 系统原理 图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 6 机 械 工 程 与自 动 化 2 0 1 2年 第 5期 2 ． 5选择元 件 2 ． 5 ． 1 液压 泵 根据计算 可知， 液压缸 I I 快 进、 快退 阶段 压力最 大， 如果取进油路总的压力损失 A p 0 ． 4 M P a ， 则 液压泵最高工作压力加≥P 工 A p 1 ． 3 2 M P a 。 因此 液压泵 的额 定压 力可取 为 1 ． 3 2 1 ． 3 2 2 5 一 1 ． 6 5 MP a 。快 进快退 时 泵 的 流量 为 q P ≥ 志 l Q 一3 4 ． 3 L ／ rai n， 其中， k 为系数 ， 取 一1 ． 1 。 表 1 液压系统动作循环及电磁铁 动作顺序 表 电磁铁 动作 1 YA 2 YA 3 YA 4 YA 缸 1 快进 缸 1 停止 缸 1 快退 -L 缸 1 停 止 缸 2快进 缸 2停止 缸 2快退 缸 2停止 橡胶软管。油箱容量按参考文献[ 1 ] 确定为 1 7 1 L～ 2 4 0 L， 其他辅助元件型号规格按广州机床研究所系列 选 取 。液压元 件 的型号规 格见 表 2 。 表 2 液压元件的型号规格 通 过流量 序号 元件 名称 型号规格 L rai n 一1 1 叶片泵 3 8 ． 3 YB 1 4 0 ／ 6 2 溢流阀 3 Y一1 0 B 3 单 向阀 3 8 ． 3 1 5 O B 4 三位四通 电磁换 向阀 7 6 ． 6 3 4 E 1 0 0 B 5 三位四通 电磁换 向阀 l 9 ． 8 3 4 E 4 0 B 6 压力继 电器 D P 1 6 3 B 7 压力继 电器 DP 1 6 3 B 8 液压缸 I 9 液 压 缸 I I 1 0 压力表 Y一1 0 0 T 1 1 压力表开关 KF 3 一E 3 B 1 2 滤 油 器 3 8 ． 3 W U一6 3 X1 8 O 1 3 精密滤油器 3 8 ． 3 B U一3 0 S ic h u a n C h u a n h u a Yo n g x i n C o n s t r u c t i o n P r o j e c t C o ． ，L t d ． ， Ch e n g d u 6 1 0 3 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t An a u t o ma t i c u n i v e r s a l t u r r e t i s t h e s p i n d l e a s s e mb l y o f a f l e x i b l e ma n u f a c t u r i n g c e l 1 ．Th e p a p e r d e s c r i b e s t h e d e s i g n o f a h y d r a u l i e a u t o ma t i c u n i v e r s a l t u r r e t ，wh i c h c a n a c h i e v e a n a r b i t r a r y r o t a t i o n o r i n d e x i n g o f t h e t u r r e t s p i n d l e wi t h i n t h e r a n g e o f 3 6 0 。 ． P r o d u c t i o n p r a c t i c e s p r o v e t h a t t h e u n i v e r s a l t u r r e t c a n me e t t h e r e q u i r e me n t s o f i n d e x i n g ．a n d e n s u r e t h e s t a b i l i t y a n d h e a v y c u t t i n g a b i l i t y u n d e r t h e l a r g e p o we r a n d h i g h t o r q u e c o n d i t i o n s ．i s a n e s s e n t i a l s p i n d l e c o mp o n e n t o f t h e mo d e r n l a r g e - s c a l e f l e x i b l e ma nu f a c t ur i n g c e l 1 ． Ke y wo r d s a u t o ma t i c u n i v e r s a l t u r r e t ；h y d r a u l i c s y s t e m；i n d e x i n g ；f l e x i b l e ma n u f a c t u r i n g c e l l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m