雙回轉(zhuǎn)數(shù)控軸傳動(dòng)單元的設(shè)計(jì)

王 勝,劉廷輝

(1.沈陽(yáng)市政府投資項(xiàng)目評(píng)審中心,遼寧 沈陽(yáng) 110014)(2.沈陽(yáng)機(jī)床成套設(shè)備有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110142)

雙回轉(zhuǎn)數(shù)控軸傳動(dòng)單元的設(shè)計(jì)

王 勝1,劉廷輝2

(1.沈陽(yáng)市政府投資項(xiàng)目評(píng)審中心,遼寧 沈陽(yáng) 110014)(2.沈陽(yáng)機(jī)床成套設(shè)備有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110142)

現(xiàn)代加工單元經(jīng)常運(yùn)用多工位、多數(shù)控軸的復(fù)合結(jié)構(gòu)形式，雙回轉(zhuǎn)數(shù)控軸傳動(dòng)單元是其中一種重要部件，它可以隨回轉(zhuǎn)圓盤(pán)的回轉(zhuǎn)交換到不同的工位，而其驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)并不隨回轉(zhuǎn)圓盤(pán)回轉(zhuǎn)。通過(guò)設(shè)計(jì)新的離合機(jī)構(gòu)，解決了雙回轉(zhuǎn)數(shù)控軸傳動(dòng)單元的動(dòng)力傳遞及控制信號(hào)的傳輸問(wèn)題，同時(shí)減少了伺服電機(jī)的數(shù)量，降低了制造成本。

雙回轉(zhuǎn)數(shù)控軸;傳動(dòng);設(shè)計(jì)

1 問(wèn)題的提出

隨著數(shù)控技術(shù)的普及，在現(xiàn)代加工單元(如多工位數(shù)控拋光機(jī))中經(jīng)常遇到多工位、多軸的復(fù)合結(jié)構(gòu)形式，這種多軸、多工位的加工單元，可以對(duì)由任意空間曲面組成的金屬小件表面進(jìn)行高效光整加工。

圓盤(pán)式6工位數(shù)控拋光機(jī)就是一款用于光整加工的高效現(xiàn)代加工單元。圓盤(pán)式6工位數(shù)控拋光機(jī)設(shè)有6個(gè)工位：2個(gè)上下料工位、2個(gè)粗拋光工位和2個(gè)精拋光工位。6個(gè)雙回轉(zhuǎn)數(shù)控軸傳動(dòng)單元均勻分布在回轉(zhuǎn)圓盤(pán)的同一圓周上，4臺(tái)4軸數(shù)控單元按60°間隔分布在拋光機(jī)回轉(zhuǎn)圓盤(pán)的一側(cè)，另一側(cè)為2個(gè)上下料工位，如圖1所示。

圖1 圓盤(pán)式6工位數(shù)控拋光機(jī)

加工工位的4軸數(shù)控單元由3個(gè)直線數(shù)控坐標(biāo)軸和1個(gè)回轉(zhuǎn)數(shù)控坐標(biāo)軸組成，它和對(duì)應(yīng)的雙回轉(zhuǎn)數(shù)控軸傳動(dòng)單元構(gòu)成6軸數(shù)控加工系統(tǒng)。4軸數(shù)控單元拋光輪的旋轉(zhuǎn)是主運(yùn)動(dòng)，工件通過(guò)夾具裝在雙回轉(zhuǎn)數(shù)控軸傳動(dòng)單元，可隨著回轉(zhuǎn)圓盤(pán)的分度運(yùn)動(dòng)，交換到不同的工位，在不同的工位做水平和垂直的數(shù)控回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

由于圓盤(pán)式6工位數(shù)控拋光機(jī)的拋光工藝要求回轉(zhuǎn)圓盤(pán)只能按一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，如何解決雙回轉(zhuǎn)數(shù)控軸傳動(dòng)單元的動(dòng)力電及控制信號(hào)的傳輸問(wèn)題，成為圓盤(pán)式多工位數(shù)控拋光機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵。如果將雙回轉(zhuǎn)數(shù)控軸傳動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)安裝在回轉(zhuǎn)圓盤(pán)上，就有12個(gè)伺服電機(jī)隨著回轉(zhuǎn)圓盤(pán)間歇地向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，伺服電機(jī)就需要采用滑環(huán)形式實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電和信號(hào)的傳輸。采用這種方式，還存在著伺服電機(jī)的位置不斷變化的問(wèn)題，要實(shí)現(xiàn)各工位的不同加工程序?qū)⑹掷щy。那么能否將雙回轉(zhuǎn)數(shù)控軸傳動(dòng)單元分為執(zhí)行部分和驅(qū)動(dòng)部分，將它們分別安裝在拋光機(jī)的回轉(zhuǎn)圓盤(pán)和固定底盤(pán)上，設(shè)計(jì)一種獨(dú)特的離合機(jī)構(gòu)，在回轉(zhuǎn)圓盤(pán)分度時(shí)，它們不必抬起分離，在回轉(zhuǎn)圓盤(pán)定位時(shí)，也不需要落下結(jié)合呢？如果可行的話，既解決了走線和加工程序編制的問(wèn)題，又可以減少伺服電機(jī)的數(shù)量(在2個(gè)上下料工位就不必設(shè)置伺服電機(jī))，降低制造成本。因此，在解決回轉(zhuǎn)圓盤(pán)分度和定位后，雙回轉(zhuǎn)數(shù)控軸執(zhí)行部分和驅(qū)動(dòng)部分傳動(dòng)的離合就成了設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)圓盤(pán)式6工位數(shù)控拋光機(jī)的雙回轉(zhuǎn)數(shù)控軸傳動(dòng)單元時(shí)，經(jīng)過(guò)查閱大量的技術(shù)資料，發(fā)現(xiàn)用于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的離合器很多，但沒(méi)有可以直接使用的。比較適合的如牙嵌式離合器，如果采用這種離合器，為了保持工件在傳動(dòng)鏈處于分離狀態(tài)時(shí)的回轉(zhuǎn)坐標(biāo)位置(即工件姿態(tài))不變，就必須設(shè)置從動(dòng)軸的鎖緊機(jī)構(gòu),這樣做不但結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,而且增加了松開(kāi)和鎖緊時(shí)間，既影響生產(chǎn)進(jìn)度，又增加了成本。綜合考慮,最終設(shè)計(jì)了一種新的離合機(jī)構(gòu)，即在執(zhí)行單元和驅(qū)動(dòng)單元的垂直軸連接處，設(shè)置了與回轉(zhuǎn)圓盤(pán)同心的圓弧形端面鍵，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞。

a.雙回轉(zhuǎn)數(shù)控軸傳動(dòng)單元的技術(shù)參數(shù)。

A軸(水平軸)：扭矩33N·m；轉(zhuǎn)速0.1～100r/min

B軸(垂直軸)：扭矩33N·m；轉(zhuǎn)速0.1～100r/min

伺服電機(jī)：扭矩1.1 N·m

轉(zhuǎn)速3 000 r/min

降速比：1∶30。

b.傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

采用降速比為1∶30的標(biāo)準(zhǔn)蝸輪減速機(jī)完成降速，其余傳動(dòng)副均為1∶1傳動(dòng)。

c.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖2是圓盤(pán)式多工位雙回轉(zhuǎn)數(shù)控軸傳動(dòng)單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

1—水平回轉(zhuǎn)軸;2—垂直回轉(zhuǎn)支架;3—執(zhí)行單元法蘭座;4—回轉(zhuǎn)圓盤(pán);5—固定底盤(pán);6—驅(qū)動(dòng)部分支座;7—同步齒形帶皮帶;8—水平回轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī);9—垂直回轉(zhuǎn)軸帶輪;10—水平回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸;11—垂直回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸;12—垂直回轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸;13—水平回轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸;14—錐齒輪;15—水平傳動(dòng)軸;16—錐齒輪;17—主動(dòng)齒輪;18—從動(dòng)齒輪;19—導(dǎo)向鍵;20—蝸輪減速箱

為便于表述，將雙回轉(zhuǎn)數(shù)控軸傳動(dòng)單元分為以下4個(gè)部分：

(1)驅(qū)動(dòng)部分：在固定底盤(pán)5上裝有驅(qū)動(dòng)部分支座6，在支座6內(nèi)部通過(guò)軸承支撐垂直回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸11(空心軸)，垂直回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸11的孔內(nèi)通過(guò)軸承安裝水平回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸10，垂直回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸11的下端裝有垂直回轉(zhuǎn)軸帶輪9，由同步齒形帶7驅(qū)動(dòng)作B軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；在垂直回轉(zhuǎn)軸帶輪9的端面安裝蝸輪減速箱20，水平回轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)8安裝在蝸輪減速箱20上，其軸通過(guò)平鍵與蝸輪減速箱20的輸入軸相連，水平回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸10同樣是通過(guò)平鍵與蝸輪減速箱20的輸出軸聯(lián)接，水平回轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)8通過(guò)蝸輪蝸桿減速機(jī)驅(qū)動(dòng)水平回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸10作A軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

(2)執(zhí)行部分：在回轉(zhuǎn)圓盤(pán)4上裝有執(zhí)行單元法蘭座3，法蘭座3內(nèi)部通過(guò)軸承安裝垂直回轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸12(空心軸)，在垂直回轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸12的上端面裝有垂直回轉(zhuǎn)支架2，以實(shí)現(xiàn)雙回轉(zhuǎn)數(shù)控軸的傳動(dòng)單元中垂直軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在垂直回轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸12的孔內(nèi)通過(guò)軸承安裝水平回轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸13，水平回轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸13的上端面裝有錐齒輪14，它與錐齒輪16嚙合，錐齒輪16安裝在水平傳動(dòng)軸15的左端，水平傳動(dòng)軸15的右端裝有主動(dòng)齒輪17，它與從動(dòng)齒輪18嚙合，從動(dòng)齒輪18裝在水平回轉(zhuǎn)軸1上，實(shí)現(xiàn)水平回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

(3)驅(qū)動(dòng)部分與執(zhí)行部分的運(yùn)動(dòng)傳遞：為解決執(zhí)行分單元與驅(qū)動(dòng)部分傳動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)傳遞問(wèn)題，在水平回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸10和垂直回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸11上端面設(shè)置了圓弧形端面凸鍵；在水平回轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸13和垂直回轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸12的下端面設(shè)置了圓弧形端面凹鍵。通過(guò)圓弧形端面鍵將垂直回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸11和水平回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸10的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給垂直回轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸12和水平回轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸10。傳動(dòng)軸的圓弧形端面凹鍵如圖3所示。

圖3 垂直回轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸效果圖

(4)雙回轉(zhuǎn)軸的定向：為了使圓盤(pán)式6工位拋光機(jī)的雙回轉(zhuǎn)數(shù)控軸傳動(dòng)單元在回轉(zhuǎn)圓盤(pán)回轉(zhuǎn)進(jìn)行工位交換時(shí)，保持雙回轉(zhuǎn)數(shù)控軸的坐標(biāo)位置不變及圓弧形端面凸鍵和凹鍵的順利嚙合，在固定圓盤(pán)5上設(shè)計(jì)了一周環(huán)形導(dǎo)向鍵19。執(zhí)行單元上的2個(gè)數(shù)控軸完成加工任務(wù)后，各自的伺服電機(jī)回零，使得圓弧形端面的凹鍵與環(huán)形導(dǎo)向鍵19吻合。在回轉(zhuǎn)圓盤(pán)分度回轉(zhuǎn)時(shí)，由導(dǎo)向鍵19導(dǎo)向保持工件的回轉(zhuǎn)坐標(biāo)位置(即工件姿態(tài))不變，并順利與驅(qū)動(dòng)部分的凸鍵相結(jié)合。這樣，在回轉(zhuǎn)圓盤(pán)分度時(shí)，回轉(zhuǎn)圓盤(pán)就不需要抬起和落下，也不必設(shè)置鎖緊機(jī)構(gòu)。該傳動(dòng)單元具體結(jié)構(gòu)的三維效果圖如圖4所示。

圖4 雙傳動(dòng)單元結(jié)構(gòu)三維效果圖

3 結(jié)束語(yǔ)

圓盤(pán)式多工位數(shù)控拋光機(jī)雙回轉(zhuǎn)數(shù)控軸傳動(dòng)單元設(shè)計(jì)非常巧妙、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，它簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，造價(jià)低，實(shí)現(xiàn)了多工位多、數(shù)控軸加工單元的功能。

DesignofDual-axisCNCRotaryUnit

WANG Sheng1, LIU Tinghui2

(1.Shenyang Government Investment Project Evaluation Center, Liaoning Shenyang, 110014, China)(2.Shenyang Machine Tool Equipment Co.Ltd.,Liaoning Shenyang,110142,China)

There are common forms such as multi-site, multi- axis CNC compound form in modern processing unit. The dual-axis CNC rotary unit is one of the most important parts. It introduces the performance of this dual-axis CNC rotary unit such as rotary with the rotating disc swap to a different station but rotating of the driving motor with the rotating disc. It develops a new type of the clutch mechanism, solves the problem of power transmission and control signal transmission for dual CNC rotary unit. This mechanism can reduce the number of servo motors and manufacturing costs.

Dual -axis CNC Rotary Drive Unit; Transmission; Design

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.02.019

2013-10-14

王勝(1965—)，男，遼寧大連人，沈陽(yáng)市政府投資項(xiàng)目評(píng)審中心高級(jí)工程師，碩士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域工程技術(shù)研究及管理工作。

TH122

B

2095-509X(2014)02-0079-03