雙弧面凸輪驅動的數控雙回轉工作臺設計

祁虎，陳如云，龔青山，童林，惠仁杰

(1.湖北汽車工業學院，湖北十堰 442002；2.湖北金九制動系統有限公司,湖北十堰 442000)

0 引言

隨著我國經濟快速發展，科學技術不斷進步，機械制造業也迅速邁向了高、精、尖的層次。用于多種零件加工的數控機床在制造業發展中尤為重要，其中回轉工作臺是數控機床不可缺少的重要零部件之一。對于高精度的機械加工，要求數控回轉工作臺具有穩定的速度以及較高的工作精度。現有的回轉工作臺主要有直接傳動電機驅動回轉工作臺、滾動齒蝸輪蝸桿副回轉工作臺、伺服電機驅動齒輪齒條副回轉工作臺以及伺服液壓驅動齒輪齒條副回轉工作臺等[1]。這些工作臺主要用于加工一些輪廓曲面相對不太復雜但精度要求較高的零件，對于像弧面凸輪這種含有多個不可展開的空間曲面機構，由于其工作曲面復雜、加工難度高，傳統的數控回轉工作臺很難在保證其能加工成形的同時又能保證其加工精度。現普遍采用的蝸輪蝸桿傳動回轉工作臺在傳動過程中傳動效率低，磨損嚴重且加工成本高。而弧面凸輪機構是一種適用于中、高速機械設備中的空間凸輪機構,該傳動機構傳動精度高、性能穩定、沖擊振動小、傳動效率高等優點[2]。為此本文作者設計了一種采用雙弧面凸輪驅動，主要用于加工具有復雜曲面零件的三坐標數控回轉工作臺。

1 回轉工作臺的整體方案設計

文中設計的回轉工作臺主要由伺服電機、齒輪減速機構、對稱分布的雙弧面凸輪減速機構、直線滑動機構、單弧面凸輪驅動的工件旋轉機構、電動頂尖機構以及雙頭螺柱形快換芯軸等組成。數控回轉工作臺整體結構如圖1所示。

圖1 數控工作臺整體結構

1.1 工作臺結構特點

(1)此數控回轉工作臺是基于自由曲面法的三坐標數控銑削工作臺，其中兩個回轉坐標和一個直線坐標，通過工作臺的旋轉可實現自由曲面法加工弧面凸輪。

(2)此數控回轉工作臺底部第一回轉箱體內采用兩側對稱布置的齒輪機構和弧面凸輪機構。

(3)此數控回轉工作臺采用螺桿調節機構來調節裝夾臺的位置。

(4)此數控回轉工作臺采用電動頂尖來對工件進行裝夾定位。

(5)此數控回轉工作臺采用3個伺服電動機提供驅動力，使其更容易通過編程來控制工件加工精度。

1.2 回轉臺設計

第一回轉箱體內部安裝有水平對稱布置的齒輪和弧面凸輪兩級減速機構，利用伺服電動機提供驅動力矩。在弧面凸輪垂直方向安裝有轉盤，轉盤徑向均勻布有N個放射形滾子，滾子與轉盤共軛嚙合，通過轉盤的轉動帶動工件裝夾臺回轉，結構如圖2所示。設計不同的弧面凸輪與轉盤嚙合運動規律可使凸輪工作面有不同的曲面形狀，弧面凸輪勻速轉動時，轉盤就按所設計的運動規律轉動，進而使工件裝夾臺實現復雜的運動。文中設計采用對稱布置減速機構使參與嚙合的滾子數翻倍，提高了穩定性和承載能力，能有效解決單側傳動機構承受載荷不均及傳動機構壽命低的問題；同時又能充分利用弧面凸輪機構傳動平穩、效率高、能耗低、噪聲小、結構緊湊及精度高等特點使得工作臺轉動回轉更加平穩精準。代替傳統蝸輪蝸桿及純齒輪減速機構，實現效率高、扭矩大、傳動比大的多級輸出傳動。

圖2 第一回轉臺結構

1.3 工件旋轉機構及裝夾臺設計

工件旋轉機構采用單側布置的齒輪及弧面凸輪減速機構，使工作臺的加工精度進一步提高，如圖3所示。相較于傳統工件回轉減速機構，此回轉工作臺工件回轉減速機構和工件裝夾臺回轉機構均采用弧面凸輪機構。采用這種雙回轉軸旋轉加工工件，可以實現對具有復雜曲線的空間曲面進行高精度、高效率的加工。

圖3 工件旋轉機構結構

工件裝夾要求工件旋轉機構的主軸的旋轉中心通過工件毛坯的寬度中心，該設計采用雙頭螺柱形快換芯軸，快換芯軸用螺紋固定連接在支撐座上，如圖4所示。采用伺服電機驅動的電動頂尖，改變了用手輪進行驅動的方式，以便于實現自動控制。伺服電機和頂尖通過螺栓絲杠副連接，頂尖主體和螺栓固連在一起，當伺服電機轉動時，頂尖做直線運動來頂緊快換芯軸以避免工件加工過程中出現圓跳動誤差，結構如圖1所示。

圖4 工件裝夾

2 數控回轉工作臺電動機的選擇

該數控回轉工作臺3個伺服電機均選用FANUC αi/βi系列伺服電機，FANUC αi/βi系列伺服電機具有外形緊湊、大扭矩、大功率、高加速、高精度、低振動、提高了低速區的扭矩、實現主軸的大扭矩化等特點，有助于實現機床的最小化。

預選第一伺服電機為FANUC αiF 12/3000(型號：A06B-0243-B10)，第二伺服電機即工件的回轉電機選用αiF 8/3000直軸(型號:06B-0227-B101)，第三伺服電機選用βis 8/3000(型號：A068-0075-B103)。FANUC αiF 12/3000(型號：A06B-0243-B10)電動機參數如表1所示。

表1 FANUC A06B-0243-B10伺服電機基本參數

2.1 回轉臺傳動比計算

回轉臺傳動比計算公式為

該設計回轉臺的最高轉速為n臺max=20 r/min,當工作臺的轉速n臺=20 r/min時，電動機轉速為n電=n臺/i=20×96=1 920 r/min<3 000 r/min。此時電動機的轉速小于電動機最大轉速，預選電動機合理。

2.2 回轉臺轉動慣量計算

文中設計中第一回轉部分包括工件裝夾旋轉部分總質量大約為1 000 kg，工作臺最大承重質量為1 000 kg，故第一回轉臺回轉部分及加工工件總質量為

M=1 000+1 000=2 000 kg

由機械設計手冊可查得回轉臺回轉部分及工件總回轉慣量為

J=M×(a2+b2)/12

式中：J為總回轉慣量；M為回轉體和加工工件的總質量；a、b為工作臺回轉部分邊長，a=0.67 mm,b=0.57 mm。

故J=2 000×(0.672×0.572)/12=128.97 kg·m2。

折算到電動機軸上的轉動慣量為：

J負=J·i2=128.97×(1/96)2=128.97×10-4kg·m2

由于回轉運動對動態響應的要求不是很高，通常只需要伺服電機的轉動慣量大于其負載轉動慣量的1/5即可。由表1可得所選電機的轉動慣量為

J電=62×10-4kg·m2>J負/5=25.79×10-4kg·m2

由此可知，所選電機滿足設計要求。

3 結論

文中完成了雙弧面凸輪驅動的數控雙回轉工作臺的結構設計，對工作臺所需電機做了預選，并通過傳動比和轉動慣量的計算，校核了所選電機的適應性。此設計采用對稱布置的雙弧面凸輪減速機構，兩弧面凸輪對稱布置于從動盤兩側，使滾子嚙合數翻倍，使得第一回轉工作臺的穩定性和承載能力有較大提高、降低了能耗和發熱，同時提高了工件加工精度。此設計工件旋轉機構也采用弧面凸輪減速機構，進一步提高了加工精度。該回轉工作臺的一個直線運動和兩回轉運動，配合機床銑削刀具的回轉和進給運動可以完成多品種工件的加工工作，尤其對于像弧面凸輪這種具有不可展復雜曲面的工件，能高精度、高效率地完成其加工。