槽轮分度机构在立式车铣床刀库中的应用.pdf

功能都件 F u n c ti 0 n U n i ls 槽轮分度机构在立式车铣床刀库中的应用 杨春波周 丹 王春周 刘银锋 齐重数控股份有 限公 司 黑龙江 齐齐哈尔 1 6 1 0 0 5 摘要 槽轮分度机构提高了分度转位平稳性 寿命长 承载能力强 适合应用在分度载荷更大的工作场合 以此为核心机构的新型落地式八工位刀库 目前已得到规模化应用 使用效果 良好 由于其制造成本 相对较低 结构简单 性能可靠等优势 因而降低了大量制造及维护成本 同时也提高了产品在市场 上 的竞 争力 关键词 槽轮分度机构 立式车铣床 刀库 中图分类号 T H1 3 2 4 7 文献标识码 B Ap pl ica t i on o f gr oo v e wh ee l i nd e xin g mech an is m j n t o ol ma g a z in e o f v e r t i ca l t u r n in g mil l in g l a t h e YANG Chu n b o ZHOU Da n W ANG Ch u n z h o u L I U Yin f e n g Q iq ih a r H e a v y C N C E q u ip m e n t C o r p L t d Q iq ih a r 1 6 1 0 0 5 C H N Abs t r a ct Gr o o v e wh e e l in d e x in g me ch a nis m e n h a nce s t h e s t a b il it y o f in d e x ing I t h a s l o ng s e r v ice l if e s t r o n g ca r r y in g ca p a ci t y I t is s u it a b l e f o r mo r e l a r g e in d e x in g l o a d o cca s i o n U s in g g r o o v e wh e e l in d e x in g me ch a n is m a s co r e me cha n is m t h e 8 一 s t a t i o n t o o l ma g a z in e whi ch is b ul k p r o d u ce d a n d a p p l ie d h a s we l l a pp l ica t io n e f f e ct Fo r t h e l o w co s t o f ma n u f a ct u r e s i mp l e s t r u ct u r e a n d r e l ia b l e pe r f o r ma nce it r e d u ce s mu ch co s t f r o m ma n u f a ct u r e a n d ma in t e na n ce a nd s i mu l t a n e o us l y imp r o v e s co r e co mpe t e n ce o f e nt e r p r is e Ke y wo r d s g r o o v e wh e e l in d e x in g me ch a n is m v e r t ica l t u r n in g mi l l in g l a t he t o o l ma g a z i n e 随着我国制造业的快速发展 国产机床正朝着高 速 高效 高精 智能化方向发展 就笔者公司生产的 立车而言 通过十几年来 的研发 探索 开发并生产 了 多种数控立式车铣复合机床及立式加工中心 为我国 的国防 能源 交通等行业提供了先进的生产设备 先 进设备的产出不仅需要创新 的理念 更要有切实可行 的技术措施 下面笔者就应用槽轮式平面凸轮机构实 现数控立式车铣复合机床八工位落地式刀库 自动分度 的工作原理及特点加以论述 1 八工位落地式刀库构成 在数控立式 车铣复合机床及立 式加工 中心设计 中 刀库是重要 的组成部分 其结构形 式大体 分为 2 种 落地式和悬挂式 如 图 1所示为落地式八工位刀 库结构图 其 中 电动机 滚轮座 滚子 驱 动臂和分度 盘共同构成 了槽轮分度驱动机构 同时也是此刀库的 动力来源 1 26 直角铣头 l 一分 度盘 2 芯轴 3 一 刀库支架 4 一底座 5 一驱动 电动机 6 一 滚轮座 7 一滚子 8 一驱动臂 9 一刀库盘 图1 k I位落地式刀库结构 图 2 槽轮分度机构的工作原理及特点 2 1 工作原理 本例所述的此种槽轮分度机构由传统的槽轮机构 又称马氏机构 转化而来 二者工作原理相同 区别在于 形式不同 见图2 槽轮机构有 3种基本类型 外啮合 内啮合和球面槽轮机构 本例中的槽轮分度机构类似于 外啮合槽轮机构 它们 的基本组成部分为驱动臂 槽 轮 以下代称分度盘 滚子和锁止定位装置 结合图 1 和 图2 刀库旋转分度时 启动电动机使驱动臂带动滚子以 0 轴线旋转 从而带动分度盘以 0 轴线旋转 进而拨动刀 库盘整体绕刀库芯轴旋转 实现刀库分度转位 通常驱动臂作等速 回转 当驱动臂上两个滚子 中 之一 的滚子 I 或 进入分度盘滚子槽 中进行 啮合 后 另外一个滚子则从分度盘边缘 圆弧处脱离啮合 进 而拨动分度盘作反向旋转运动 当滚子从槽 中脱离瞬 间 另外一个滚子则恰好进入槽 中 并 由驱动臂及滚子 I 进行锁止及定位 分度盘处于定位状态即静止不 动 即图 2中所示相对位置 传 动中心距 图2 工位梧轮分度盘结构 图 2 2 槽轮分度机构的结构特点 1 滚子进入和脱 出分度盘槽 口的瞬时位置时 驱动臂上的滚子 I 中心连线与凸轮槽 的中心线相 垂直 使分度盘转位起 停 瞬时 的角速度 0 从而 使分度机构避免了刚性冲击 2 分度盘槽数 z 3 8 常用 的为 6或 8 3 工作特性 系数 分度盘运 动时间与停歇时 间比 与分度机构的具体结构形式有关 K 式中 为滚子个数 本例 2 为分度盘槽 数 本 例 8 则 对 于 本 例 槽 轮 分 度 机 构 K 墨 二 2 2 X 8 2 8 2 一 4 分度盘转位起 停时 的角加速度 与分度盘 槽数 z 有关 z 越少 O 越大 即对于分度机构有不同程 度的柔性冲击 5 本例 中槽轮分度机构与传统 的槽轮分度机构 相 比 由示意图可以看出在结构形式上有很大的不同 其所 能承载的载荷 扭矩 更大 定位精度更高 6 结构简单 制造成 本 比较低 性 能可靠 机械 1 Z U 0 0 朋 F u n c ff0 n u n fs 功能都件 效率高 3 槽轮式平面凸轮分度机构的实际应用 为了提高重型数控立车产 品的换刀效率及产 品的 自动化水平 笔者公 司一些 中高档重 型数控立车均配 有 自动换刀系统 刀库 目前其采用的核心驱动分度 装置即为槽轮分度机构 如图 2 此驱动机构与以往 的双伺服机 齿 圈驱动机构以及伺服机 同步带轮等 驱动机构相比 在满足重载荷驱动及定位精度等性能 指标的条件下 具有结构更简单 制造成本更低 可靠 性更高等优势 图 1 为我公司某系列数控立式车铣复 合机床落地式八工位刀库 该产品所配八工位刀库的 工艺要求为 刀库驱 动盘最 大拖 动重量为 2 8 1 5 t 刀 库各工位的分度精度为 5 分度节拍为 2 s 一个工位 根据工艺要求本 刀库的设计着 重从 以下 3点考 虑 刀库的整体结构设计 图 1 技术参数确定 及校 对 制造精度与误差分析 3 1 技术参数确定及校对 本刀库选用减 速器输 出转 速为 1 5 r rai n 额定输 出扭矩为 2 3 8 0 N i n 减速器传动比 1 0 0 电动机额定 功率为 3 7 k W 刀具总重量为 2 1 5 t 1 刀库分度时间计算 由分度盘工作原理可知 此结构类型的八工位分 度刀库每转 1个工位 输出轴转 0 5圈 则刀库盘分度 时间为 t 0 5 6 0 1 5 2 s 2 刀盘旋转驱动电动机刹车制动力计算 刀库旋转体总重量为 6 5 5 k g 转动惯量为 J 1 8 8 0 3 6 6 1 3 k g mm 刀具总重 2 1 5 t 转动惯量 1 1 7 0 4 5 0 0 0 0 k g mi l l 总转 动惯 量 J 1 3 6 1 0 k g cm 刀库转速 n 1 5 4 3 7 5 r m in 刀盘旋转刹 车制动力矩 取机械时间常数 T 0 1 s 1 0一 5 31 2 5 N 1 11 3 刀盘旋转刹车制动 时驱动电机轴 的制动力距 计算 电 动 机 轴 的 转 动 惯 量 手 8 5 k g cm 4 电动机功率校核 电 动 机 实 际 驱 动 功 率 P T n 堡 2 1 k W 下转 第 1 3 1页 1 2 7 器进行反馈 控制简单 经济性好 体积小 从 而可以 减小组合液压缸整体结构尺寸 减少环境污染 降低能 耗 节约成本 1 一 工件输送平面 2 一压板 3 一 工件 4 一定位块 5 一机床工作台 6 一组合液压缸 图6 利用组合液压缸实现工件夹装示意图 3 结语 1 该新型多 自由度组合液压缸利用滚珠花键既 能传递扭矩又能实现直线运 动的特点 将 直线运动液 压缸与液压马达有机结合 结构紧凑 功能完善 能够 满足机床夹具对多 自由度液压执行元件的需要 2 螺旋夹紧机构的组合液压缸整体部分安装在 机床的底 部 节 省 了工 作 台空 间 使 整 机 布 局更 加 简洁 3 可将液压马达换成步进 电动机 节 能环保 体 积小 控制简单 4 该组合液压缸不仅可 以用在机 床夹具 中 还 可 以用在刀具的交换 机器人手臂 钻床 搅拌机 定位 F u n c l10 n U n i ls 功能都件 系统等需要多个 自由度运动的设备 中 4 参考文献 1 王光斗 王春福 机 床夹具设 计手册 M 上海 市 上 海科学 技术 出版社 2 0 0 1 2 8 2 9 2 吴拓 简 明机 床 夹 具 设计 手 册 M 北 京 市 化学 T业 出版 社 2 01 0 8 8 1 0 2 3 李瑾 曹东锋 一种 新型 旋转 夹具 的设计 J 制 造技 术与 机床 2 0 1 2 1 2 2 1 0 2 1 2 4 卢蓉芝 旋转直线永磁电机的设计与仿真 D 镇江 江苏科技大 学 2 0 1 0 5 黄灿军 叶金玲 新型旋 转伸缩 一体式液 压缸的设计 J 组 合机 床与 自动化加工技术 2 0 1 3 7 1 0 2 1 0 4 6 李 允 旺 活 塞 杆 可 做 直 线 与 旋 转 组 合 运 动 的 驱 动 缸 中 国 2 0 1 0 2 0 2 4 3 5 3 6 3 P 2 0 1 1一叭 一 0 5 7 宋 国裕 殷嘉寿 潘 志荣 等 一种伸缩旋转式液压缸 中国 2 0 1 1 2 0 3 2 5 4 6 9 4 P 2 0 1 2 0 5 1 6 8 雷小强 任发 民 张广鹏 一 种可实 现旋转移动 过程 中的 自动夹 紧 装置 中国 2 0 0 7 2 0 0 3 1 0 9 4 4 P 2 0 0 8一O 1 0 2 9 欧景 柴凤 毕云龙 旋转一直线电机技术发展现状分 析 J 微 电 机 2 0 1 3 4 6 4 8 8 9 2 1 O 顾伯忠 周于鸣 杨 德华 滚珠 花键 副的刚度 的计算 及应用 J 天文研究与技术 2 0 0 6 3 4 3 6 5 3 7 2 第一作者 苗玉刚 男 1 9 8 8年 生 硕士研 究生 研 究方向为机械设计与控制 编辑 汪 艺 收稿 日期 2 0 1 4 0 7 1 8 文章编号 1 5 0 5 3 9 妇果您想发表对本文的看法 请将文章编号填入读者意觅调壹表中的相应位置 上接第 1 2 7页 电动机功率 3 7 k W 故电机可以满足要求 3 2制造 精度 与误 差分 析 经过长期反复试验笔者认为分度盘 1 是此刀库的 最核心零件 为了使刀库转位精度能够满足使用要求 因此分度盘在加工过程 中必须严格控制其各项加工误 差 必须保证每个滚子啮合槽角度误差应控制在 5 以内 槽宽公差控制在 0 0 2 0 0 3 m m范 围内 其 次 必须保证滚轮轴及滚轮与凸轮槽 的接触刚度 为了保 证分度盘的使用寿命及耐磨性 分度盘应选用合适的 材质及热处理工艺 分度盘的制造水平直接影响到刀 库转位 的平稳性 刀盘定位 的准确度 以及刀库的使用 寿命 在保证分度盘制造质量的前提下 此类型刀库的 分度转位精度及可靠性才能得到保证 上述技术问题 笔者公 司通过试验及技术攻关 已经得到解决 4 结语 目前槽轮分度机构在笔者公司生产的刀库 中已经 广泛应用 并且使用效果良好 精度及可靠性等各项指 标均满足使用要求 此结构刀库与双伺服电动机驱动 消隙分度机构及其他结构类型的分度机构相 比其制造 成本更低 结构更简单 性能更可靠 此结构刀库成功 应用不但为公司降低了大量制造及维护成本 也相应 地提高 了产品的竞争力 参考文献 1 机床设计手册 编 写组 机 床设计 手册 M 北 京 机 械工业 出版 社 1 9 8 6 6 2 9 6 6 1 r 2 j 陈心