雙弧面凸輪驅(qū)動(dòng)的數(shù)控雙回轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)計(jì)

祁虎，陳如云，龔青山，童林，惠仁杰

(1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院，湖北十堰 442002；2.湖北金九制動(dòng)系統(tǒng)有限公司,湖北十堰 442000)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，機(jī)械制造業(yè)也迅速邁向了高、精、尖的層次。用于多種零件加工的數(shù)控機(jī)床在制造業(yè)發(fā)展中尤為重要，其中回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是數(shù)控機(jī)床不可缺少的重要零部件之一。對(duì)于高精度的機(jī)械加工，要求數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)具有穩(wěn)定的速度以及較高的工作精度。現(xiàn)有的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)主要有直接傳動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、滾動(dòng)齒蝸輪蝸桿副回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條副回轉(zhuǎn)工作臺(tái)以及伺服液壓驅(qū)動(dòng)齒輪齒條副回轉(zhuǎn)工作臺(tái)等[1]。這些工作臺(tái)主要用于加工一些輪廓曲面相對(duì)不太復(fù)雜但精度要求較高的零件，對(duì)于像弧面凸輪這種含有多個(gè)不可展開的空間曲面機(jī)構(gòu)，由于其工作曲面復(fù)雜、加工難度高，傳統(tǒng)的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)很難在保證其能加工成形的同時(shí)又能保證其加工精度。現(xiàn)普遍采用的蝸輪蝸桿傳動(dòng)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)在傳動(dòng)過程中傳動(dòng)效率低，磨損嚴(yán)重且加工成本高。而弧面凸輪機(jī)構(gòu)是一種適用于中、高速機(jī)械設(shè)備中的空間凸輪機(jī)構(gòu),該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)精度高、性能穩(wěn)定、沖擊振動(dòng)小、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)[2]。為此本文作者設(shè)計(jì)了一種采用雙弧面凸輪驅(qū)動(dòng)，主要用于加工具有復(fù)雜曲面零件的三坐標(biāo)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。

1 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的整體方案設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)主要由伺服電機(jī)、齒輪減速機(jī)構(gòu)、對(duì)稱分布的雙弧面凸輪減速機(jī)構(gòu)、直線滑動(dòng)機(jī)構(gòu)、單弧面凸輪驅(qū)動(dòng)的工件旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、電動(dòng)頂尖機(jī)構(gòu)以及雙頭螺柱形快換芯軸等組成。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)控工作臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

1.1 工作臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

(1)此數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是基于自由曲面法的三坐標(biāo)數(shù)控銑削工作臺(tái)，其中兩個(gè)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)和一個(gè)直線坐標(biāo)，通過工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)自由曲面法加工弧面凸輪。

(2)此數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)底部第一回轉(zhuǎn)箱體內(nèi)采用兩側(cè)對(duì)稱布置的齒輪機(jī)構(gòu)和弧面凸輪機(jī)構(gòu)。

(3)此數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)采用螺桿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)裝夾臺(tái)的位置。

(4)此數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)采用電動(dòng)頂尖來對(duì)工件進(jìn)行裝夾定位。

(5)此數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)采用3個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，使其更容易通過編程來控制工件加工精度。

1.2 回轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)

第一回轉(zhuǎn)箱體內(nèi)部安裝有水平對(duì)稱布置的齒輪和弧面凸輪兩級(jí)減速機(jī)構(gòu)，利用伺服電動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力矩。在弧面凸輪垂直方向安裝有轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤徑向均勻布有N個(gè)放射形滾子，滾子與轉(zhuǎn)盤共軛嚙合，通過轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)工件裝夾臺(tái)回轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。設(shè)計(jì)不同的弧面凸輪與轉(zhuǎn)盤嚙合運(yùn)動(dòng)規(guī)律可使凸輪工作面有不同的曲面形狀，弧面凸輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)盤就按所設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使工件裝夾臺(tái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。文中設(shè)計(jì)采用對(duì)稱布置減速機(jī)構(gòu)使參與嚙合的滾子數(shù)翻倍，提高了穩(wěn)定性和承載能力，能有效解決單側(cè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)承受載荷不均及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)壽命低的問題；同時(shí)又能充分利用弧面凸輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)平穩(wěn)、效率高、能耗低、噪聲小、結(jié)構(gòu)緊湊及精度高等特點(diǎn)使得工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)精準(zhǔn)。代替?zhèn)鹘y(tǒng)蝸輪蝸桿及純齒輪減速機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)效率高、扭矩大、傳動(dòng)比大的多級(jí)輸出傳動(dòng)。

圖2 第一回轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

1.3 工件旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及裝夾臺(tái)設(shè)計(jì)

工件旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用單側(cè)布置的齒輪及弧面凸輪減速機(jī)構(gòu)，使工作臺(tái)的加工精度進(jìn)一步提高，如圖3所示。相較于傳統(tǒng)工件回轉(zhuǎn)減速機(jī)構(gòu)，此回轉(zhuǎn)工作臺(tái)工件回轉(zhuǎn)減速機(jī)構(gòu)和工件裝夾臺(tái)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)均采用弧面凸輪機(jī)構(gòu)。采用這種雙回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)加工工件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)具有復(fù)雜曲線的空間曲面進(jìn)行高精度、高效率的加工。

圖3 工件旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

工件裝夾要求工件旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的主軸的旋轉(zhuǎn)中心通過工件毛坯的寬度中心，該設(shè)計(jì)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(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)頂尖，改變了用手輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的方式，以便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。伺服電機(jī)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(dāng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，頂尖做直線運(yùn)動(dòng)來頂緊快換芯軸以避免工件加工過程中出現(xiàn)圓跳動(dòng)誤差，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖4 工件裝夾

2 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)電動(dòng)機(jī)的選擇

該數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)3個(gè)伺服電機(jī)均選用FANUC αi/βi系列伺服電機(jī)，F(xiàn)ANUC αi/βi系列伺服電機(jī)具有外形緊湊、大扭矩、大功率、高加速、高精度、低振動(dòng)、提高了低速區(qū)的扭矩、實(shí)現(xiàn)主軸的大扭矩化等特點(diǎn)，有助于實(shí)現(xiàn)機(jī)床的最小化。

預(yù)選第一伺服電機(jī)為FANUC αiF 12/3000(型號(hào)：A06B-0243-B10)，第二伺服電機(jī)即工件的回轉(zhuǎn)電機(jī)選用αiF 8/3000直軸(型號(hào):06B-0227-B101)，第三伺服電機(jī)選用βis 8/3000(型號(hào)：A068-0075-B103)。FANUC αiF 12/3000(型號(hào)：A06B-0243-B10)電動(dòng)機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 FANUC A06B-0243-B10伺服電機(jī)基本參數(shù)

2.1 回轉(zhuǎn)臺(tái)傳動(dòng)比計(jì)算

回轉(zhuǎn)臺(tái)傳動(dòng)比計(jì)算公式為

該設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)臺(tái)的最高轉(zhuǎn)速為n臺(tái)max=20 r/min,當(dāng)工作臺(tái)的轉(zhuǎn)速n臺(tái)=20 r/min時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為n電=n臺(tái)/i=20×96=1 920 r/min<3 000 r/min。此時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速小于電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速，預(yù)選電動(dòng)機(jī)合理。

2.2 回轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算

文中設(shè)計(jì)中第一回轉(zhuǎn)部分包括工件裝夾旋轉(zhuǎn)部分總質(zhì)量大約為1 000 kg，工作臺(tái)最大承重質(zhì)量為1 000 kg，故第一回轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)部分及加工工件總質(zhì)量為

M=1 000+1 000=2 000 kg

由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可查得回轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)部分及工件總回轉(zhuǎn)慣量為

J=M×(a2+b2)/12

式中：J為總回轉(zhuǎn)慣量；M為回轉(zhuǎn)體和加工工件的總質(zhì)量；a、b為工作臺(tái)回轉(zhuǎn)部分邊長(zhǎng)，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(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

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

由于回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求不是很高，通常只需要伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大于其負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的1/5即可。由表1可得所選電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為

J電=62×10-4kg·m2>J負(fù)/5=25.79×10-4kg·m2

由此可知，所選電機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

文中完成了雙弧面凸輪驅(qū)動(dòng)的數(shù)控雙回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)工作臺(tái)所需電機(jī)做了預(yù)選，并通過傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算，校核了所選電機(jī)的適應(yīng)性。此設(shè)計(jì)采用對(duì)稱布置的雙弧面凸輪減速機(jī)構(gòu)，兩弧面凸輪對(duì)稱布置于從動(dòng)盤兩側(cè)，使?jié)L子嚙合數(shù)翻倍，使得第一回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的穩(wěn)定性和承載能力有較大提高、降低了能耗和發(fā)熱，同時(shí)提高了工件加工精度。此設(shè)計(jì)工件旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)也采用弧面凸輪減速機(jī)構(gòu)，進(jìn)一步提高了加工精度。該回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和兩回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，配合機(jī)床銑削刀具的回轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可以完成多品種工件的加工工作，尤其對(duì)于像弧面凸輪這種具有不可展復(fù)雜曲面的工件，能高精度、高效率地完成其加工。