圆柱分度凸轮机构的设计及凸轮的数控加工.pdf

文章编号 1004 2539 2002 04 0050 03 圆柱分度凸轮机构的设计及凸轮的数控加工 山东大学自动化研究所 山东 济南 250061 金作成 山东诸城锻压机床股份有限公司 山东 诸城 262200 陈龙宝 摘要 空间分度凸轮机构主要应用于冲压机械 包装机械 制药机械及需要固定转位的自动化机械 中 根据应用的场合 应用精度及分度数的不同 空间分度凸轮机构分为平行分度凸轮机构 弧面分度 凸轮机构和圆柱分度凸轮机构3大类 本文主要介绍圆柱分度凸轮机构的设计及凸轮的数控加工 关键词 圆柱分度凸轮 设计 数控加工 1 圆柱分度凸轮机构的设计 图1为圆柱分度凸轮机构的结构示意图 凸轮作 为主动轴 分度盘作为从动轴旋转 由于凸轮曲线是 由曲线部分和直线部分组成 就形成了分度盘的间歇 运动 圆柱分度凸轮机构尤其适用于分度数较多的自 动机械中 图1 圆柱分度凸轮机构的结构示意图 1 1 分度数和分度角 分度数n的大小是由所应用的自动机械决定的 这种形式的分度机构一般适合于n 6 60的情况 n太小时压力角太大 传动特性很差 n过大时 结构 很复杂 分度盘尺寸过大 转动惯量限制其不能高速运 转或消耗功率过大 n确定之后 分度盘的分度角则 为Q10 Qh 360 2n 1 2 分度盘直径 分度盘的直径与机构的外形尺寸和分度数有关 从图1可见 从动滚子之间的距离H应大于工作机构 的最大外形尺寸A 留一定空隙的 一般 10mm 20mm 于是从动盘滚子中心的节圆半径可用下式计 算 l H 2sin n A 2sin n 1 3 滚子尺寸 滚子半径通常取r1 0 25 0 30 H 滚子宽度通常取b1 0 8 1 2 r 1 1 4 凸轮尺寸 凸轮尺寸的确定原则是在保证接触应力最大值小 于许用应力的前提下 尽可能紧凑一些 根据压力角 计算公式可推出 圆柱凸轮的基圆直径可由下式算出 D2 2HVm Q2htanam 式中 Vm为最大无因次速度 am为最大压力角 圆柱凸轮的外径则为D2e D2 b0 凸轮槽深度 h一般应略大于滚子宽度b0 在确定凸轮体宽度B2 时 为了保证分度运动时的连续性 应有适当的啮合重 叠段为宜 在图1所示的机构中 B2的取值范围为 2 1 r1 B2 H 1 5 中心距 中心距是凸轮中心线与分度盘中心线之间的距 离 可以用下式求得 c lcos n a 式中 a为凸轮中心线偏离滚子起始与终止位置中心 连线的距离 一般情况下a 0 凸轮中心线与分度盘 基准面的距离取决于凸轮体外径D2e 滚子销轴向尺 寸和分度盘厚度等结构参数的选取 应尽量使凸轮外 缘靠近分度盘底面 以减少滚子销轴的悬臂分度 1 6 结构形式 圆柱分度的结构形式大体分3种 一种是凸脊定 位 另有偏凸脊定位 还有槽定位 由于凸脊定位精度 高 所以凸脊定位形式较常见 1 7 凸轮的动程角与动静比 由于分度凸轮主要功能就是实现间歇运动 因此 对动静比的要求就非常严格 对动程角也有一定要求 动程角的大小是由用户提出的 但是通常希望动静比 05 机械传动 2002年 k1 td tj 小一些为好 这里的td与tj为每个分度周 期中的转位分度时间与停歇时间 k1越小意味着在 每个分度周期内停歇供工作机构操作的时间越长 非 操作的转位时间越短 因而生产效率较高 td与tj是 由凸轮轮廓的动程角Q2h与停歇角 360 2h 决定 的 即 k td tj 2h 2 2h 2 圆柱分度凸轮的数控加工 由于凸轮是机构中的关键部件 因此 对凸轮的加 工特别是凸轮曲线的加工要求非常严格 为了达到较 高的凸轮廓面精度 必须对圆柱分度凸轮进行数控加 工 目前 国内外对圆柱分度凸轮的加工方法很多 有 采用靠模加工的 此种方法加工出的凸轮精度差 另 外 还有的利用高档加工中心加工圆柱凸轮 此种加工 方法 其编程复杂 程序段很长 难以掌握 且加工成本 高 不适于推广 我们对圆柱数控分度凸轮的加工及 加工工艺做了理论研究与探讨 提出了适合圆柱分度 凸轮加工方法的三坐标两联动曲线插补方法 并开发 出相应的数控系统和专用加工机床 在进行凸轮加工 前 要根据机构的应用场合的不同选择合适的凸轮曲 线 一般可供选择的曲线有 修正正弦曲线 修正梯形 曲线和修正等速曲线等 由于修正正弦曲线通用性 强 适用于中速的情况 重 轻载皆宜 特别是负载情 况不明时 用该曲线最保险 因此 现在多选用修正正 弦曲线作为凸轮曲线 2 1 修正正弦曲线 Ta 1 8时 特性值Am 1 76 Jm 69 5 较小 综 合性能很好 Ta 1 8 Am 1 2Ta 2 8Ta 2 Va 2TaAm Sa 2Ta2Am 4Ta2Am 2 Sb 1 Sa 位移式为 区间 0 T Ta S 2TaAm T 4Ta2Am 2 sin T 2Ta 区间 T a T 1 Ta S 1 2Ta 2 Am 2 1 cos T Ta 1 2Ta Va T Ta Sa 区间 1 Ta T 1 S 4Ta2Am 2 cos T 1 Ta 2Ta 1 Va T 1 Ta Sb 修正正弦曲线 MS 通用性强 是比较理想的双停 留标准曲线 所以在选择圆柱分度凸轮的凸轮曲线 特 别是情况不明 时 多选用修正正弦曲线 2 2 三坐标 两联动曲线插补方法 由图2可以看出 圆柱分度凸轮的运动原理是由 凸轮做匀速旋转运动 s 1 f yi 带动分度盘进行变 速旋转运动 s 2 f xi yi 由s1和s2的组合形成 了凸轮廓面的空间曲面 因此圆柱分度凸轮空间曲面 是由s1 z y 和s2 x z 两个圆周运动组合产生的z y x三轴曲线联动而成的空间曲面 三坐标联动插补 算法是在 函数跟踪法 的基础上提出的 它能够插补 任意二次曲线 并能保证其一阶偏导数连续 图2 曲线展开图 圆柱分度凸轮的廓面为三维空间曲面 它可以分 解为两个相关坐标系内的二次曲线 如三维空间曲面 x y z 可以分解为两个相关坐标系 x y 与 y z 内的二维曲线 y 为公共轴 应用 函数跟踪法 原理 可以计算出各自的进给方向 但是计算结果并不直接 产生输出 而是以公共轴为媒介 以y轴为例 计算出 最终结果联合输出 设 x y 平面插补计算的y轴输出为yoa y z 平面插补计算的y轴输出为yob 三坐标联动曲线插补的核心是以yoa yob为分支 条件来控制整个插补计算的循环过程 当yoa与yob的 状态相同时 两个插补计算结果迭加后输出 然后程序 返回起始位置 继续进行下一步进给的插补计算 判 断 迭加 输出 而当yoa与yob的状态不相同时 此次 的插补计算结果迭加输出后 则要单独对没有y轴输 出的平面再进行插补计算 单独输出计算结果 这种单 独计算循环进行 直到再次出现y轴输出为止 这样 15第26卷 第4期 圆柱分度凸轮机构的设计及凸轮的数控加工 就通过y轴把x轴和z轴联系起来 从而完成三维空 间曲面的插补 据此原理我们可以得到满足控制系统 要求的数据 2 3 圆柱分度凸轮的数控加工数据处理方法 设凸轮运动曲线S S T 在任意T时刻 凸轮 的转角 及分度盘的转角 为 h T h S h 2 n P 0 0 h G n 2 5 Gm Gn 1 2 Gm 其中 h是凸轮的动程角 h是分度角 n是分 度数 据此 可以得到 0 1 区间内 对应任意T时刻的 坐标值 0 或 0 y z 求出这一系列的坐标值以后 我们用3次样条函 数对曲线进行拟合 3次样条函数不但有连续的一阶 导数 而且二阶导数也连续 当拟合出曲线不理想时 还可以方便地利用已有的光顺方法进行光顺 因而3 次样条的函数在工程中得到广泛的应用 设区间 x x 内的3次样条函数为 y aix3 bix2 cix di 若以曲线的起点作为坐标原点 则有di 0 设hi xi xi 1 i 1 2 3 n 则根据在节 点处函数值 一阶导数 二阶导数应满足的条件可得出 aihi3 bihi2 cihi yi 3aihi2 2bihi2 ci ci 1 6aihi 2bi 2bi 1 代入边界条件 可求出系数的表达式 则3次样条函数 就确定了 上位机根据输入的各项参数及选定的运动曲线进 行数据处理 用3次样条进行拟合 最终计算出进行三 轴联动插补计算所需要的一阶偏导和二阶偏导及进给 长度 并进行校核 光顺 数控系统用这些数据完成凸 轮的插补计算 并控制机床加工出所需的凸轮廓面 3 结论 我们利用以上加工方法 为国内外多家企业加工 各种类型的圆柱分度凸轮数百件 满足了生产实际的 要求 取得了较高的社会效益和经济效益 参考文献 1 徐青 金作成等 圆柱分度凸轮数控加工工艺数控系统 西北轻工 业学院学报 1998 16 3 收稿日期 20020121 收修改稿日期 20020410 作者简介 金作成 1960 男 山东济南人 实验师 液压气动与密封 征订启事 根据科学技术部国科财函 2002 号文 由中国液压气动 密封件工业协会主办的 液压气动与密封 刊物已正式办理 了从山西迁入北京办刊的手续 领取了北京市新闻出版局颁 发的期刊出版许可证 京期出证字第4839号 并与北京市 邮政局签订了2003年的代发合同 敬请广大读者 作者 广 告客户一如既往 继续关注 支持本刊 同时 在订阅2003 年 液压气动密封 时 请使用本刊新的国内统一刊号 CN11 4839 TH和新的邮发代号 82 152 液压气动与密封 以服务于液压 气动 密封及其主机 行业为宗旨 坚持面向企业 面向生产 理论与应用相结合的 方针 内容涵盖国内外最新的液压 气动 密封技术 有实用 价值的新产品 新成果 新经验 及其在主机上应用实例和前 景分析等 该杂志可读性 实效性强 欢迎各行业工程技术 人员 管理人员 高层决策者以及大专院校师生订阅 液压气动与密封 是双月刊 逢双月的15日出版 大16 开本 定价5元 国内外公开发行 国内读者可到当地邮局直 接订阅 如果您错过了邮局征订 请与 液压气动与密封 编 辑部联系订阅 欲了解 液压气动与密封 刊物的最新情况 请浏览中国 液压气动密封件工业协会的网站 www chpsa org cn 液压气动与密封 编辑部 地址 北京三里河路46号 邮编 100823 电话 010 68594900 传真 010 68594911 电子信箱 chpsa yqm mei net cn 液压气动与密封 编辑部上海分部 地址 上海市定西路400号 邮编 200052 电话 021 62802803 传真 021 62824284 电子信箱 yeqimi online sh cn 25 机械传动 2002年 会宣读的论文 引起了与会代表的密切关注 我们期望在新一届齿轮专业委员会的积极努力 下 在全国齿轮行业的同事们共同参与下 我国齿轮行 业的学术技术交流有新的发展 我国的齿轮行业技术 水平 有一个新的提高 会议得到了云南CY集团股份有限公司机床齿轮 厂的大力支持 会议代表向该厂表示诚挚的感谢 中国机械工程学会机械传动分会 第六届齿轮专业委员会名单 中国机械工程学会机械传动分会第六届齿轮专业 委员会组成名单如下 主 任 委 员 刘新状 副主任委员 张廷健 周彦伟 虞忠顺 吴晓铃 秘 书 长 杨星原 副 秘 书 长 陈兵奎 王尚军 委 员 王三民 王文英 王学武 王 勇 马春印 方宗德 邓效忠 叶爱雪 石照耀 朱如鹏 孙 超 刘 伟 刘其勇 刘 凯 刘 毅 吕泮功 余忠华 何卫东 汪和平 汪贵林 李钊刚 李 威 李瑰贤 吴昌林 陈良玉 陈 渊 杨有生 杨勇波 赵玉良 郑保国 顾 伟 顾 敏 韩春阳 韩振南 常 山 郭予康 黄华明 鲁国学 曾 韬 路梦春 上接英文摘要 Key words Timing belt Axial vibration Natural frequency Forced vibration The Reliability Design Analysis of Gear Shaft Liu Mingbao et al 41 Abstract The reliability theory have been extensively applied in de2 sign of machine parts In this paper the calculational method of the reliability designof gear shaft the difference between the reliability de2 sign and the normal design the economic signification of reliability de2 sign are presented Key words Gear shaft Reliability design Basic Parameters Determining Principal and Drawing Software of Super Mini cycloid DrivesGuan Tianmin et al 46 Abstract Based on analyses of applications and outlines of a super mini cycloid drive the determining principal of tooth profile parame2 ters and structure sizes is discussed the drawing software is also pro2 grammed to get both two dimension and three dimension engineering as2 semble or machine part drawings which can provide for producing users with complete technology documents Key words Super mini cycloid drive Design of parameters and structure Software of two dimension and three dimension engineering drawings Design and CNC Machining of Barrel Cam Mechanism of Barrel CamJin Zuocheng et al 50 Abstract Spatial indexing cam mechanisms are mainly used in auto2 matic machines such as punch machines packing machines and phar2 maceutical machines where indexing action is needed Spatial index2 ing cam mechanisms are classified as parallel barrel and roller gear in2 dexing cam mechanism by there application condition the precision and the indexing num The design of barrel indexing cam mechanism and the CNC machining of the cam are presented in this paper Key words Barrel cam Design CNC 3D Involute Cylindrical Gear CAD Based on Property Wu Luji et al 53 Abstract Studied the method of 3D modeling for involute cylindrical gear based on the design theory of property this paper advanced a kind of theory of 3D modeling about the parts of gear according to the structure propertyfor involute cylindrical gear Using Visual C 6 0 on Solidworks 2001 to make a programof the involute which is diffi2 cult to designed by designer Key words Property Involute cylindrical gear CAD Four speed Differential MechanismQu Xiuquan et al 55 Abstract The four speed different