应用TRIZ方法创新数控转台锁紧机构

王凤山 胡广强 韦毓鹏 田 伟 张存英

(青海一机数控机床有限责任公司，青海 西宁 810018)

1 问题提出

随着制造业的发展，带有复杂曲面及多角度平面的多孔箱体类零件越来越多，因此许多用户要求加工中心的转台既可以实现连续分度，与其余3个直线轴实现四轴联动，也可以定点在某一位置进行强力铣削和钻削。为适应市场的这一需求笔者厂开发了630规格的数控转台加工中心，其转台结构如图1所示。

在图1结构中转台采用一级齿轮——蜗轮蜗杆降速驱动，总传动比1∶130，尽量缩短蜗轮蜗杆驱动中心至轴承支撑面的距离，从而减少传动件变形，增强传动的扭转刚度，使运转更为平稳;蜗杆两端采用轴向密封，以使蜗轮箱中盛有蜗轮蜗杆润滑油，改善蜗轮蜗杆的润滑条件，提高转台的运转速度;转台采用绝对式角度编码器定位，定位后应用中间的一套油缸锁紧机构对转台进行锁紧。

由于要求机床在铣削及钻削时转台位置不发生改变，因此转台的锁紧力矩要大于负载作用转台上可能产生的最大力矩。一般此数值以机床重载荷切削实验参数为标准进行设计，本台机床重载荷切削实验参数为:刀具直径φ160mm(8齿)，主轴转速177 r/min，连续切削额定输出扭矩为809 N·m。此时可能产生的最大切削抗力为10112 N，由此抗力产生的最大扭矩

式中:TQ为负载抗力产生的最大扭矩，N·m;F1为机床可产生的最大切削负载，N;R为工作台对角线半径，m。

图1结构中转台锁紧时，活塞所产生的压紧力为

式中:F2为转台锁紧时活塞所产生的压紧力，N;M为液压系统压力，MPa;S为活塞有效承载面积，mm2。

活塞压紧力的实际工况为均布载荷，为简化计算，将此均布力简化为集中载荷，则锁紧转台产生的摩擦力为

式中:Fm为锁紧转台产生的摩擦力，N;μ为摩擦片与滑鞍之间的摩擦系数。

转台的锁紧力矩为

式中:TS为转台的锁紧力矩，N·m;r为活塞压紧力分布半径，m。

通过计算可知转台的锁紧力矩大于负载抗力产生的最大扭矩，满足设计要求。但在样机完成后进行精度检测时发现，转台的数控精度在其锁紧时与不锁紧时相差较大。通过分析转台结构，判断导致问题的原因是在转台锁紧时，各构件在油缸和活塞的拉力及压力作用下产生变形，从而影响光栅尺及定位轴承，使数控转台的数控精度产生误差，为满足精度要求，此台机床只能通过降低锁紧压力使用，当系统压力调到5MPa时，转台的数控精度符合出厂要求，而此时转台的锁紧力矩为3902 N·m，低于机床负载抗力可能产生的最大扭矩。

2 应用TRIZ方法对转台锁紧机构进行改进

首先利用TRIZ方法对问题进行分析，提出解决这一问题的理想解为“当数控转台锁紧时转台中各构件不发生变形”;次理想解为“当数控转台锁紧时，有些构件可以变形，但其变形不影响转台的数控精度”。同时找出这一问题的冲突区域，即当转台需要有较大的锁紧力时，要求活塞有较大的压力，当转台需要有较高的数控精度时，要求活塞有较小的压力，这形成了一对冲突，而冲突问题可通过冲突矩阵进行解决。同时考虑构件变形是由于转台锁紧机构产生的力引起的，为进一步分析问题，建立锁紧机构的物质—场模型，其中系统中的物质资源有:滑鞍、活塞、油缸、液压油、密封圈、摩擦片、螺钉。场资源有:重力场、液压流体场、温度场、摩擦力、拉力、压力。根据提取的物质及场资源，建立当转台锁紧时各子系统的物质—场模型，如图2所示。

对各子系统的物质—场模型进行组合后，得到整个系统的物质—场模型如图3所示。

从物质—场模型中可以看到，滑鞍在拉力与压力作用下将产生变形，而这种变形将直接影响转台的数控精度。其中拉力—油缸—滑鞍构成的物质—场模型属于有害系统，解决时需将其有害作用消除;压力—活塞—滑鞍构成的物质场—模型属于无效系统，解决时需要对系统进行改进，以达到期望的效果。对有害系统可依据TRIZ理论76各标准解中的NO.11“有害作用是由一个场引起的，引入要素S3吸收有害效应”进行解决。对无效系统的改进，需对系统进行进一步的分析。由物质—场模型可知活塞在压力的作用下对滑鞍既有有害作用又有有用作用，因此可根据76个标准解中NO.12“在一个系统中有用及有害效应同时存在，且必须处于接触状态，增加F2抵消F1的有害效应，或获得一个有用的附加效应”来解决，同时根据冲突区域可知，滑鞍对压力这一参数的要求，一方面要求其为正，另一方面又要求其为负，属于一对物理冲突，因此可根据空间分离原理中的发明原理NO.24“中介物”一项进行解决。由此可以看出若对系统进行改进需引进一种物质S3;引进一种场，寻找一个中介物。首先考虑系统内部的资源，发现系统的拉力与压力两种场，大小相等，方向相反，油缸与活塞和滑鞍都接触，可作为中介物。所以改进系统无需引进外来的物质与场，利用系统本身具有的资源，对系统进行改进后的物质—场模型如图4所示。

通过改进后的物质—场模型可知，压力与拉力对滑鞍的有害作用消失，活塞与油缸在反作用力的作用下会有变形，但其变形对转台的数控精度影响较小，因此符合对结构次理想方案的要求。改进后的转台结构如图5所示。

改进后结构中转台锁紧时，活塞所产生的压力为

式中:F2为转台锁紧时活塞所产生的压紧力，N;M为液压系统压力，MPa;S为活塞有效承载面积，mm2。

活塞压紧力的实际工况为均布载荷，为简化计算，

将此均布力简化为集中载荷，则锁紧转台产生的摩擦力为:

式中:Fm为锁紧转台产生的摩擦力，N;μ为摩擦片与滑鞍之间的摩擦系。

转台的锁紧力矩为

式中:TS为转台的锁紧力矩，N·m;r为活塞压紧力分布半径，m。

经计算，锁紧力符合转台锁紧要求，经过样机转台数控精度检测证实，转台锁紧时对其数控精度无影响，达到了设计的预期效果。

3 结语

TRIZ理论是世界公认的最全面系统的论述发明创造和实现技术创新的理论，应用其创新方法可巧妙解决机床设计过程中所遇到的技术问题.以本文为例，在遇到问题时没有简单以提高构件刚性的方法来解决，而是通过创新方法，分析系统结构，从而找出更为合理的解决方法，由此可以看出TRIZ理论的确可为设计者在解决问题的过程中提供清晰的思路，使设计者有的放矢、抓住重点，从而使复杂的问题简单化，复杂的过程层次化。