一种激光切割机升降工作台设计❋

潘志华，周鹏飞，王志惠，胡金龙

（江苏扬力数控机床有限公司，江苏 扬州 225127）

0 引言

随着近年来激光切割技术应用的普及，人们对激光切割机的加工效率提出了更高的要求。目前绝大多数激光切割机都采用双层交换式升降工作台，当双层工作台中的一层在加工区域进行加工时，可以在另一层工作台上完成上、下料工作，两层工作台交换使用可以减少上、下料停机等待时间，在很大程度上提高了设备的工作效率。目前绝大多数升降工作台均采用液压驱动方式，在升降台的四角采用液压缸驱动，实现升降台的上下运动。液压式升降工作台在实际使用中存在一些不足：①同步性差，尤其是当出现偏载时不同步问题更加严重；②成本高，需要专门的一个液压站来提供液压油；③运行平稳性不好，启动、停止时会产生较大的冲击；④定位精度不高，上、下极限点停止的位置偏差较大。

针对上述问题，结合扬力公司FL3015型直线电机驱动的数控激光切割机研发项目，设计了一种基于偏心轮机构的机械式升降工作台，并运用多体动力学软件ADAMS对其运动规律进行了仿真。该技术方案具有结构简单、成本低廉、安全平稳、定位准确等诸多优点。

1 机构设计

激光切割机的升降工作台与其他工业升降台有些不同：①行程固定，要求上、下极限点的位置准确；②启动、停止的过程平稳无冲击；③偏载情况下保证升降动作的同步性。本文设计的机械式升降台，采用4个刚性联接的偏心轮机构作为驱动机构，其运动学特性非常适用于激光切割机的升降工作台，具体结构如图1、图2所示，传动机构原理如图3所示。

如图1和图2所示，升降工作台主要包括机架、U型托架、工作台A、工作台B、同步轴、驱动齿轮、偏心齿轮、减速器、电机等部分。其中机架上设置有导向装置，工作台A、B上设置带有导向槽的滚轮，U型托架上设有上导轨和下导轨，U型托架下部设有轴承座，偏心轮上设有偏心轴，电机为普通带制动的交流异步电机。驱动电机经减速器减速后，通过驱动齿轮带动偏心齿轮旋转，偏心轴通过与轴承座的铰接带动U型托架一起做圆周方向上的平动，从而实现了位于U型托架上的工作台的升降运动。在升降过程中，工作台由于受到导向装置的限制，只能够作上下运动。当U型托架在绕偏心齿轮轴心的圆周方向上平动时，工作台上的滚轮在U型托架上的导轨上滚动。另外，位于同侧的两个偏心齿轮通过U型托架刚性连接，由同一个减速电机驱动的分别位于两侧的两个偏心齿轮通过同步轴刚性连接，实现了4个偏心齿轮的刚性连接，进而保证了升降过程中4个偏心轮的同步性。

图1 偏心轮式激光切割机升降工作台结构示意图

2 技术要点

2.1 过约束问题

由图2可知，4个偏心齿轮通过2个同步轴和2个U型托架刚性连接以保证4个偏心齿轮的绝对同步。然而在实际设计、装配过程中，两侧的两个U型托架轴承座的孔距以及偏心齿轮中心距必然存在偏差，如果该偏差过大会使得机构在实际运转过程中产生很大的内力，容易引起机械部件的振动、噪声以及异常的磨损，甚至引起机械部件的损坏。

图2 传动机构示意图

图3 传动机构原理图

2.2 电机制动响应滞后

大多数交流异步电机都存在制动响应滞后和制动响应一致性差等问题，所带来的影响就是当升降台负重下降过程中进行制动操作时，电机断电后由于制动响应时间的滞后，升降台处于失重状态加速向下运动一段距离后电机才会制动，这样会给整个传动机构造成很大的冲击。另外，如果两个电机的制动不同步，在制动过程中其中一个电机已经制动，而另外一个电机还是处于断电后的自由状态，由于所有的制动扭矩都是通过机构内部传递的，必然会给传动系统的零部件带来附加的冲击载荷。因此在机械设计过程中，应尽可能选用制动响应时间快且制动响应一致性好的两个电机。

2.3 机构死点

在机构运动过程中，当偏心轴与偏心齿轮轴心处于同一高度时，机构的传动角γ＝0°，机构处于锁死状态。因此在使用过程中应尽可能避免在死点进行启动、停止操作。

3 运动学仿真

在ADA MS中建立的动力学模型如图4所示。负载重量为5 000 kg，驱动电机作1 450 r／min的匀速转动，减速机的速比为28.4，齿轮减速的速比为1∶6，偏心齿轮的偏心距为105 mm。

通过ADA MS的运动学仿真，获得了升降台速度变化曲线（见图5）和驱动扭矩变化曲线（见图6）。由图5和图6可知，在升降过程中，升降速度和驱动扭矩的变化符合正弦曲线分布，当升降台位于上、下极限点时，升降速度和驱动扭矩均为“0”；当升至行程的1／2时（偏心轴与偏心齿轮轴心水平时），升降速度达到最大值93 mm／s，驱动扭矩也达到了最大值7.52 N·m。

图4 ADA MS中建立的运动学分析模型

图5 升降台速度变化曲线

4 总结

本文设计了一种应用于激光切割机的基于偏心轮机构的机械式升降工作台，较为详细地介绍了其结构特点、工作原理以及设计要点，并运用ADA MS软件对其进行了运动学仿真，该技术方案具有如下特点：

（1）结构简单、绝对同步。通过简单的机械传动即可实现升降台的升降动作，由于4个偏心齿轮之间采用刚性连接，即使在严重偏载情况下，也能够保证4个偏心齿轮运动的绝对同步性。

图6 驱动扭矩变化曲线

（2）安全运行平稳。偏心轮机构能够实现360°范围内的回转运动，即使发生电气故障，也不会发生机械碰撞，引发安全事故。当升降台位于上极限位置时，机构在重力的作用下处于自锁状态，很小的制动力矩就可以保证升降台不会掉落下来。机构的速度曲线、驱动扭矩曲线符合正弦曲线的变化规律，在启动、停止过程中能够极大地减小冲击。

（3）行程固定、定位精确、易于控制。机构的行程为2倍的偏心距，并且当位于上、下极限位置附近时，其高度受偏心齿轮角度的变化影响很小，易于极限位置的定位控制。

［1］ 胡惠芬.数控激光切割机的发展现状和应用前景［J］.造船技术，1997（3）：37－39.

［2］ 周昭文，陈振华.叉式升降台设计［J］.机械制造，2010（1）：27－30.

［3］ 刘革平.地轴传动链条提升升降台设计与分析［J］.甘肃科技，2010，26（19）：55－58.