A/C轴双摆头C轴限位技术研究

2020-03-27梁艳超王刚

机械工程师 2020年3期

梁艳超，王刚

（沈阳机床（集团）设计研究院有限公司, 沈阳 110142）

0 引言

五轴联动机床是加工复杂曲面零件的主要加工设备，其中旋转轴主要有三种布局方式：1）AC轴转台；2）AC轴摆头；3）A轴摆头，C轴摆台。当工件较大，台面直径超过1 m时，多采用第2种布局方式。A/C轴双摆头是该类五轴联动加工中心的核心功能部件，应用于大型模具、飞机制造业、发电设备、船舶、军工等行业所需的五轴联动加工中心。其主要用于加工飞机的机身结构件、风力发电机的叶轮、叶片等具有复杂曲面的大型精密零件。A/C轴双摆头在五轴联动加工中心中占有重要的地位，通常占到主机整机成本的30%左右。因此，A/C轴双摆头一直是中大规格五轴联动加工中心市场竞争的焦点之一[1]。

目前，国内市场的A/C轴双摆头基本上被国外产品垄断，Cytec、Tramec和Technai等专业双摆头生产厂家的产品，价格昂贵，供货和维护周期长。国内只有极少数机床厂家可以生产A/C轴双摆头，技术处于逐渐完善阶段，产业化程度有限，A/C轴双摆头国产化的市场前景广阔。

A/C轴双摆头涉及的主要关键技术包括A/C轴双电动机串联驱动技术、C轴自动交换技术、A/C轴限位技术、液气电联合控制技术等[2-7]。本文主要研究A/C轴双摆头的C轴限位技术。

1 A/C轴双摆头的C轴结构

A/C轴双摆头上面C轴部分绕机床的Z轴旋转，通常由力矩电动机或齿轮减速机驱动，下面A轴绕机床的X轴旋转。A轴和C轴的电缆、液压管路、气管及其他信号线均通过C轴的中间孔连接至机床的上方。图1所示为A/C轴双摆头的C轴结构。

从C轴结构可以看出，C轴转动部分为中心的轴和力矩电动机的转子，中间孔内的电缆及管路随轴一起转动。因此C轴必须设计安全限位来避免C轴失控时连续转动而绞断线缆。常见的安全限位机构有螺旋限位机构、蜗盘限位机构、减速机限位机构等，各限位机构均需要行程开关来触发到位信号[8-10]，对于要求C轴n×360°不限位的情况，目前国内外的应对措施为使用导电滑环结构。

2 螺旋限位机构与蜗盘限位机构

2.1 螺旋限位机构

图2为螺旋限位机构的限位原理。导杆4垂直安装在限位开关座1上，滑块6随导杆4上下滑动，拖动螺钉2安装在滑块6上,卡在螺旋轴3的螺旋沟槽内。当螺旋轴正向或反向旋转到±365°的极限位置时，拖动螺钉带动滑块运动至接近开关7的感应位置，触发限位信号。

2.2 蜗盘限位机构

图3所示为蜗盘限位机构的限位原理。蜗盘3为螺旋的两圈沟槽，滑块2在支座1内滑动，小轴承4、导柱5安装在滑块2上，蜗盘3随C轴转动时，蜗盘沟槽驱动导柱5将C轴的转动转化为滑块的左右滑动，通过调整前后两个接近开关6的位置实现C轴的限位。

3 减速机限位机构

3.1 皮带减速限位机构

皮带减速限位机构如图4～图6所示，由主轴上方带轮驱动从动轮，通过恰当的减速比来达到角度放大的目的。该结构通过一个双点限位开关来实现C轴的±185°限位。

C轴旋转通过小带轮1、同步带11驱动带轮2,带轮2上凸轮撞块10撞击限位开关9实现C轴的±185°限位。限位开关9（型号为BNS 819-B02-R08-40-10）有上下两个触点,撞块10的撞点左右两个上下交错，根部夹角±32°的带轮齿数比值为48:60。从动带轮2限制位置为±148°，算出C轴实际限位为±185°。极限位置如图7所示。

3.2 齿轮减速机限位机构

齿轮减速限位机构如图8～图9所示。

大齿轮4连接在C轴转动轴上, 减速机2通过安装座3固定在盖板5上,当C轴旋转时带动大齿轮4驱动小齿轮7转动,通过减速机2减速, 限位圆盘1下方有一条凸齿, 转动时分别碰撞前后两个限位开关6达到C轴限位的目的。其中大小齿轮的齿数分别为80和20，减速比为i1=0.25，减速机型号为德国WITTENSTEIN-LP50S-MF-20-1B1，减速比为i2=20，两个限位开关位置夹角β=±74° ，可计算出C轴限位角度α=β×i1×i2=±74°×0.25×20=±370°。