1、回转工作台是数控机床的主要组件之一，它的平衡控制对于工件的加工精度和加工质量有着重要的影响。回转工作台的运动由交流侍服电机通过带轮带动蜗轮蜗杆系统，使工作台旋转。在机床回转工作台中，蜗轮蜗杆调隙结构属于关键部件，文章中介绍了使用双螺距渐厚蜗杆机构来消除蜗轮副的侧隙，并且运用了Solidworks及插件COSMOSMotion实现了机床回转工作台的三维实体造型和运动仿真，运用COSMOSXpress进行了简单的有限元分析和优化。关键词：Solidworks 机床回转工作台 设计 仿真 有限元分析1.背景 1.1 机床回转工作台 1.1.1 定义与分类数控机床以其高自动化、高效率、高精度在现代工业
2、生产中占据极其重要的地位。回转工作台是带有可转动的台面、用以装夹工件并实现回转和分度定位的机床附件，简称回转工作台或第四轴。多数加工中心都配有回转工作台，以实现使零件一次安装即可完成多个面的加工和任意分度。机床回转工作台按功能的不同可分为通用回转工作台和精密回转工作台两类。通用回转工作台是镗床、钻床、铣床和插床等重要附件，按结构不同又分为水平回转工作台、立卧回转工作台和万能回转工作台。精密回转工作台用于在精密机床上加工或角度计量。常见的有光学回转工作台、数显回转工作台和超精密端面齿盘回转工作台。 1.1.2 结构与工作原理机床回转工作台模型如图1所示，主要由蜗轮、蜗杆、工作台、主轴、标准件等零
3、件组成。其工作原理简述如下：回转工作台的运动由交流侍服电机驱动圆柱齿轮传动（或直接驱动带轮），带动蜗轮蜗杆系统，使工作台旋转。当机床回转工作台接到数控系统的指令后，启动交流侍服电机，按数控指令确定工作台的回转方向、回转速度及回转角度大小等参数。图1 机床回转工作台模型1.2 机构仿真技术发展现状用Adams等软件对汽车进行运动仿真研究是目前汽车机构设计分析的主要手段之一，但由于此类机构仿真软件学习难度较大，建立的仿真模型与工程制图脱节，因而主流三维CAD软件大多不采用专业仿真软件进行运动分析。在主流三维CAD软件中，UG、Solidworks、Pro/E等均能够实现机构仿真。其中，Solidw
4、orks是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，同时也是销量最高的3D软件。Solidworks软件中的COSMOSMotion是一款功能强大的三维运动与动力学仿真插件。使用COSMOSMotion插件可以添加约束、驱动力、工作阻力及设置运动等，建立仿真模型，从而实现对机器进行运动和动力学分析。目前，机构仿真技术呈现以下发展特点： 1.2.1 跟随计算机技术发展随着计算机技术在软硬件方面的发展，大型工程软件系统开始呈现简化模型、减少模型解藕的趋势，力求在模型和算法上保证仿真的准确性。 1.2.2 平台化、智能化平台化要求仿真工具能够提供建模、运算、数据处理与传递等仿真过程中需要的
5、全部功能。智能化要求仿真工具能够提供更加友好的操作界面，智能化的求解器和模型管理。 1.2.3 丰富的二次开发选项仿真工具能够在强大的工具平台上，根据自身需要进行二次开发，满足不同用户的专业开发要求。2 机床回转工作台的设计 2.1 驱动电机的选择工作台回转电机的选择是机床回转工作台设计的重要内容，选择时需要考虑传动比计算、电动机额定转速、传动效率计算、工作台摩擦力矩、电动机轴上的总惯量等，同时要对选择的电机进行校核。本文主要设计机床回转工作台结构设计，对电机的选择不再讨论。 2.2 工作台的结构布置机床回转工作台的结构设计如图2所示，为了尽可能的简化机构，舍弃一级齿轮减速机构，直接由电机带动
6、带轮，驱动蜗轮蜗杆机构，实现工作台旋转。图2 机床回转工作台结构布置 2.3 蜗轮蜗杆机构的造型 2.3.1 蜗轮造型通过对草图的旋转和切除，形成图3所示的无轮齿的蜗轮零件，然后绘制轮齿，通过圆周阵列绘制多个轮齿，经渲染完成蜗轮的造型，如图4所示。图3 无轮齿的蜗轮零件 图4 造型完成的蜗轮 2.3.2 蜗杆造型通过对草图的旋转形成蜗杆轴（如图5），然后绘制蜗轮的一个齿廓（圆），绘制螺旋线，设定高度和螺距，同时绘制草图并切除扫描，再利用线性阵列绘制第二条齿廓，旋转切除。最后渲染完成蜗杆的造型，如图6。图5 蜗杆轴图6 造型完成的蜗杆 2.4 机床回转工作台的装配装备过程中插入的零件依次为底座、
7、轴承、工作台、蜗轮、销、螺栓（圆周阵列）、主轴、螺钉、盖、螺母、垫圈、螺塞、蜗杆、轴承、垫圈、轴承盖、螺钉（镜像零部件）、带轮、键、螺母。零件插入过程中完成配合定位，主要的配合方式有同轴心、重合等。工作台装配体如图7所示。图7 机床回转工作台装配体3 关键部件结构设计 3.1 调隙结构概述机床产品的很多单元技术都孕育在关键功能部件之中。在机床回转工作台中其主要部件蜗轮蜗杆调隙结构属于关键部件。常见的调隙结构有以下四种：双蜗杆消隙结构：如图8所示，采用双蜗杆传动减小蜗轮蜗杆传动间隙，调整间隙时不影响蜗轮蜗杆齿面的啮合状态，调整较方便。但是由于采用双蜗杆，使得结构尺寸增大。环面蜗杆消隙结构：如图9
8、所示，该结构是重庆大学和重庆机床（集团）有限公司共同拥有的专利:一种蜗轮蜗杆传动机构及机床回转工作台传动机构，专利申请号为201020114806.0。环面蜗杆消隙结构能够提供比单蜗轮、单蜗杆结构或双蜗轮蜗杆结构更好的消隙效果。 图8 双蜗杆消隙结构 图9 环面蜗杆消隙结构空心蜗杆消隙结构：如图10，该结构使用了空心蜗杆，通过拧紧胀紧套上的螺钉即可完成间隙的调整。图10 空心蜗杆消隙结构双螺距渐厚蜗杆调隙结构：如图11所示，此蜗轮杆齿厚从头到尾逐渐增厚，由于同一侧的螺距是相同的，所以仍然可以保持正常的啮合。双螺距渐厚蜗杆调隙结构通过轴向移动蜗杆的方法来消除蜗杆与蜗轮的齿侧隙。图11 双螺距渐厚
9、蜗杆调隙结构 3.2 双螺距渐厚蜗杆调隙结构特点消除蜗轮副的侧隙是机床回转工作台的关键问题。一般在要求连续精确分度的机构中或为了避免传动机构因承受脉动载荷而引起扭转振动的场合往往采用双螺距渐厚蜗杆，以便调整啮合侧隙到最小限度。双螺距渐厚蜗杆与普通蜗杆的区别是：双螺距渐厚蜗杆齿的左、右两侧面具有不同的齿距（导程）；而同一侧面的齿距（导程）则是相等的（如图11所示）。由于蜗杆齿左、右两侧面具有不同的齿距，即左、右两侧面具有不同的模数m（ m=t/ ）。因而同一侧面的齿距相同，满足啮合条件。因此，可用轴向移动蜗杆的方法来消除蜗杆与蜗轮的齿侧隙。4 机床回转工作台的仿真与分析 4.1 运动仿真设置So
10、lidWorks提供了运动仿真功能。用SolidWorks进行三维零件造型、装配，然后转到COSMOSMotion，装配约束将自动转化为仿真模型的约束，添加必要的驱动力、工作阻力以及COSMOSMotion特有的其他约束，建立仿真模型，就可以模拟机械运行状况，对机器进行运动和动力分析。使用SolidWorks建立了机床回转工作台模型，进入COSMOSMotion进行仿真设置，将底座等设置为静止零部件，设置带轮、蜗杆、蜗轮、工作台等为运动零部件。设置原动件运动规律，蜗杆蜗轮传动比为120:1，可将原动件蜗杆（或带轮）运动规律设置为样条曲线，设置工作台（或蜗轮）运动规律也为相应的样条曲线。蜗杆（或
11、带轮）运动规律样条曲线：0 00.8 1204.2 2405 3605.8 12006.6 24007.2 48007.6 72008 96008.4 96009.2 960010 9600工作台（或蜗轮）运动规律样条曲线：0.8 14.2 25 35.8 106.6 207.2 407.6 608 808.4 809.2 8010 80 4.2 运动仿真分析设置仿真时间为10秒，每秒150帧。为了更好的观察仿真过程，可将底座设置为透明。利用COSMOSMotion对机床回转工作台进行运动仿真，如图12所示，并且生成演示动画。图12 机床回转工作台运动仿真仿真结束后，分别生成蜗杆和工作台角速度
12、幅值曲线，如图13和14所示。图13 蜗杆角速度幅值曲线图14 蜗杆角速度幅值曲线通过仿真过程及蜗杆、工作台角速度幅值分析可以看出，机床回转工作台能够按照设定的样条曲线运动规律运动，从静止开始加速到最大值并保持，运动仿真成功。5 有限元分析Solidworks为用户提供了初步的应力分析工具COSMOSXpress，利用它可以帮助用户判断目前设计的零件是否能够承受实际工作环境下的载荷。COSMOSXpress利用设计分析向导为用户提供了一个易用、分步的设计分析方法。向导要求要求客户提供用于零件分析的信息（如图15），如材料、约束和载荷，这些信息代表了零件的实际应用情况。图15 COSMOSXpr
13、ess设计分析向导下面在假设的使用情况下对零件“主轴”进行简单的有限元分析。设定了材料、约束和载荷之后，对主轴进行分析。COSMOSXpress提供便捷的优化功能，选择安装孔17进行优化，如图16所示，主轴设计初始质量为3.7966Kg，优化设计后为3.7352Kg，相对于初始设计质量减少了1.6%，如图17所示。 图16 主轴优化前后对比图17 主轴优化后质量对比利用COSMOSXpress进一步查看设计结果，图18、19、20依次为主轴的应力分布、位移分布和变形形状图解。图18 主轴的应力分布图解图19 主轴的位移分布图解图20 主轴的变形形状图解6 小结本文通过对机床回转工作台的造型、装
14、配、仿真和简单的有限元分析，熟悉了Solidworks及其仿真插件COSMOSMotion、有限元分析插件COSMOSXpress的使用。采用双螺距渐厚蜗杆调隙结构来消除蜗轮副的侧隙，能够保证机床回转工作台的精度和传动平稳。通过运动仿真了解了工作台在理想状态下的工作情况，对分析工作台的工况有一定作用。如果能够通过PLC控制来设计液压控制系统，可以改进在回转工作台的平衡控制中所存在的问题。如果对机床回转工作台各主要零件及装配体进行有限元分析并优化，能够降低制造成本同时提供更好的传动效果。参考文献：1 张晋西，郭学琴SolidWorks及COSMOSMotion机械仿真设计M北京：清华大学出版社，
15、20072 张晋西，郭学琴，张甲瑞.基于SolidWorks与COSMOSMotion的汽车转向及行驶运动仿真J.重庆理工大学学报（自然科学），2010（4）.3 曹岩，池宁骏.SolidWorks2007产品设计实例精解M.背景：化学工业出版社，2008.4 重庆大学，重庆机床（集团）有限公司.一种蜗轮蜗杆传动机构及机床回转工作台传动机构.专利：201020114806.0.5 刘新宇.五轴数控机床回转工作台的设计.工艺与装备J,2009.6.6 唐杰.数控回转工作台回转电动机的选择J.金属加工，2011（9）.7 邱新桥.可减小传动间隙的双蜗杆传动机构J.机械制造,2003（7）.8 王振宁，昊振剐.一种新型的蜗轮副消隙装置J.齐齐哈尔大学学报,2006.9 秦柱学,殷国富.高速卧式加工中心回转工作台刚度有限元分析方法J.机械制造,2011（2）.
