加工弧面凸轮专用数控铣床的研究开发
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1 2 3 4 5 6 7 彭国勋 , 肖正扬 . 自动机械的凸轮机构设计 M . 北京 : 机械工业出版社 , 1990. 12. 刘昌祺 . 轻工机械 M . 西安 : 陕西科学技术出版社 , 1996. 9. 陈立群 . N T- XK 5001 专用数控立式铣床的研制、 安装调试及其应用软件的开发 D . 咸阳 : 西北轻工业学院 , 1992. 6. 蔡正敏 . 弧面分度凸轮机构的研究 D . 西安 : 西安理工大学 , 2000. 6. 戴曙 . 金属切削机床 M . 北京 : 机械工业出版社 , 1999. 3. 顾熙棠 . 金属切削机床 ( 下册 ) M . 上海 : 上海科学技术出版社 , 1994. 张贵钦 . 加工高精度弧面凸轮的 CN C 专用机床的研制 结构及数值分析 D . 西北轻工业学院硕士学位论文 , 1998. 4
收稿日期 : 2002- 10- 08 作者简介 : 赵云龙 ( 1963- ) , 男 , 陕西省华县人 , 副教授 , 研究方向 : 曲面研究与加工制造 本文为陕西省科技攻关项目 ( 2001K 06- G11) 的部分研究内容
46 1. 2 方案设计
陕西科技 大学学报
第 21 卷
度头实现 , 数控分度头由机床附件生产厂系列化生产, 是可选择部件 , 主轴的摆动机构需要另行设计。 根据弧面凸轮加工的现状及对弧面凸轮加工的要求, 现提出设计五轴五联动弧面凸轮加工专用数控 铣床。为了满足弧面凸轮千变万化的要求, 该机床较一般数控机床更为复杂, 同时为了能够充分利用现有 的设备及从经济性方面考虑, 以 NT - XK5001 专用数控铣床的设计理论为基础, 以 Y3180 型滚齿机的床 身、 立柱及工作台为基件进行设计。该机床用于生产实际将有利于我国自动机械技术水平的提高。 1. 2. 1 方案一 对 Y3180 型滚齿机的床身、 立柱、 后立柱、 刀架、 回转 工作台等进行取舍, 保留滚齿机的床身、 立柱及纵向进给 5, 6 滑板 , 去掉刀架、 后立柱、 尾架及回转工作台 。在立柱 导轨上设置回转工作台与主轴箱, 利用主轴箱驱动主轴实 现回转主运动 ; 由回转工作台驱动主轴箱, 实现主轴的摆 动 ; 由垂直进给滑板驱动回转工作台及主轴箱实现主轴的 垂直调位。在纵向进给滑板上设置工作台装置, 该装置由 横向滑板、 工作台、 数控分度头及尾座等组成, 纵向滑板安 装在床身导轨上, 用于实现工件的纵向进给或调位 ; 横向 滑板安装于纵向滑板上 , 用于实现工件的横向进给或调整 位置 ; 数控分度头及尾座安装于工作台上, 用于支承工件 图 2 方案一 及实现工件的回转进给。这样主轴既实现回转主运动, 又 进行摆动; 工作台驱动工件既实现回转进给, 又实现纵向及横向的进给或调位。其外观示意图如图 2 所 示。 1. 2. 2 方案二 保留 Y3180 型滚齿机的床身、 纵向进给滑板及回转工作台 , 去掉立柱、 垂直进给滑板与刀架及后立柱 与尾架。在床身前端设置主轴箱, 用于驱动主轴实现回转主运动 , 但不摆动。在回转工作台上增设工作台 装置 , 通过工作台装置使工件实现回转进给运动、 摆动、 横向进给 ( 或调位) 及纵向调位, 其外观示意图如图 3 所示。 1. 2. 3 方案三 保留 Y3180 型滚齿机的床身、 立柱、 纵向进给滑板及回转工作台, 去掉后立柱与尾架、 刀架 ( 主轴部 分) 与垂直进给系统 , 增设主轴箱, 利用主轴箱驱动主轴实现回转主运动 ; 将主轴箱安装在回转工作台上 , 利用回转工作台的回转实现主轴的摆动 ; 利用纵向进给滑板实现主轴的纵向调位( 或去掉纵向进给滑板将 主轴设计为伸缩式实现纵向调位) ; 增设工作台装置, 该装置由垂直滑板、 横向滑板、 工作台、 数控分度头、 尾座等组成, 垂直滑板安装在立柱导轨上, 用于实现工件的垂直进给或调位 ; 横向滑板安装于垂直滑板上 , 用于实现工件的横向进给或调位; 数控分度头及尾座安装于工作台上 , 用于支承工件及实现工件的回转进 给, 其外观示意图如图 4 所示。
Abstract: Based on the bed and t able of model Y3180 hobbing m achine tool, according to the machining na t ure of roller gear index ing cam, CNC device for special purpose, w hich has tw o rot ary axes, is researched and designed in the paper. T hree project s of CNC milling machine tool specializing in machining t he roller gear in dexing cam are raised. By com parison, a rat ional one is selected. And aimed at the t echnical diff icult y, a cor responding technical line is made. Key words: machining ; roller gear indexing cam; special purpose; comput er numerical control ( CNC) milling machine tools
弧面分度凸轮机构用于两垂直交错轴间的间歇分度步进传动。如图 1 所示 , 主动轮为圆弧回转体, 凸 轮轮廓制成突脊状, 从动转盘上装有若干个轴线沿转盘径向均匀分布的滚子。当凸轮旋转时 , 其分度段轮 廓推动滚子, 使转盘分度转位 ; 当凸轮转到其停歇段轮廓时 , 转盘上的两个滚子跨夹在凸轮的圆环面突脊 上, 使从动盘停止转动 1, 2 。 加工弧面凸轮时 , 刀具相当于从动盘滚子 , 既绕滚子轴线旋转, 又绕从动盘轴线回转 ; 工件相当于弧面 凸轮 , 按要求作回转分度运动。所以弧面凸轮加工机床必须具有双回转坐标, 工件回转运动可以由数控分
图3
方案二
图 4 方案三
1. 2. 4 方案论证 ( 1) 三种方案中 , 第一种为立式结构 , 后两种为卧式结构。第一种方案其主轴的回转工作台不如卧式
第2期
赵云龙等 : 加工弧面凸轮专用数控铣床的研究开 发
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结构的回转工作台连接牢固, 稳定性不易控制 , 且主轴部件刚度被大大削弱。故立式结构方案不甚合理。 ( 2) 方案二基本可以实现预期的运动, 且主轴箱固定不动 , 主轴部分刚性较好, 但工作台装置刚性较 差。与方案一相比, 少了一个直线坐标 , 无法实现用小尺寸刀具进行加工。 ( 3) 方案三可以满足预期的要求, 实现五轴联动的运动控制, 但由于加工时工件与回转工作台最小中 7 心距为 50mm , 这样就使主轴箱部分必须位于回转工作台的后半部, 主轴箱的中心无法落在回转工作台 的中心附近。同时主轴最大摆角为 60 7 , 这样主轴箱必须偏离回工作台的中心线 , 这将产生倾覆力矩 , 削弱主轴部件的刚性。综上所述, 方案三为较理想方案 , 但存在产生倾覆力矩的问题 , 这将成为结构设计 的一个难点。如果结构设计合理, 这一问题还是可以解决的 , 因此选择方案三较为合理。 2 主要技术难点及初拟技术路线 本铣床属于专用数控铣床 , 应能满足各种弧面凸轮加工的要求, 且具有加工精度高、 加工质量稳定、 生 产率高、 操作方便舒适的特点。 ( 1) 根据技术指标的要求主轴最大摆角为 60 , 致使主轴箱偏离了回转工作台的中心线 , 这将产生倾 覆力矩, 削弱主轴部件的刚性 , 为解决这一问题, 拟在回转工作台后部安装扇形导轨 , 给主轴箱增加一辅助 支承。由于去掉了 Y3180 的后立柱, 回转工作台后部余留很大空间 , 完全可以安装扇形导轨。 ( 2) 由于采用 Y3180 滚齿机的结构 , 应考虑如何充分发挥 Y3180 结构上的特点以提高本机床的刚度。 在利用回转工作台的回转运动使主轴获得摆动时 , 应注意其蜗杆副的反向间隙问题 , 只有消除这一间隙才 能满足要求。拟在设计时采用剖分式蜗轮机构, 利用错齿原理消除间隙 , 或者利用双螺距渐厚蜗杆结构 , 通过调整蜗杆的轴向位置来消除间隙。 ( 3) 主轴端面相对于回转工作台中心的距离应当可调。为实现这一要求, 应在主轴部件结构设计时充 分考虑主轴刚度。初拟两种方案: 一是将主轴设计成套筒式结构 , 利用套筒的伸缩实现轴向调位 ; 二是将 主轴固定在主轴箱内 , 只完成旋转主运动, 利用纵向进给滑板带动回转工作台、 主轴箱实现轴向调位。 参考文献
.2 Vol. 21
陕西科技大学学报 JOU NA L OF SHAAN XI U N IV ER SI T Y OF SCIEN CE & T ECHN OLO GY
Apr. 2003
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文章编号 : 1000- 5811( 2003) 02- 0045- 03
加工弧面凸轮专用数控铣床的研究开发
赵云龙1 , 刘向红1 , 曹巨江2
( 1. 陕西工业职业技术学院 , 陕西 咸阳 712000; 2. 陕西科技大学机电工程学院 , 陕西 咸阳 712081)
摘 要: 以 Y3180 型滚齿机的床身、 工作台为基础 , 根据弧面凸轮的加工特性 , 研究开发具有 双回转坐标的专用数控设备, 提出加工弧面凸轮专用数控铣床的 3 种方案; 通过论证比较 , 选 择了较为合理的方案, 并针对有关技术难点制定了相应的技术路线。 关键词: 加工; 弧面凸轮 ; 专用 ; 数控铣床 中图分类号: T G547 文献标识码 : A 0 引言 弧面凸轮机构是一种高速、 高精度空间垂直轴传动的分度机构, 这种机构具有良好的运动特性和动力 特性 , 不必附加其他装置就可以获得良好的定位作用, 分度范围宽, 承载能力大 , 可选择丰富灵活的凸轮曲 线以满足各种复杂运动控制的要求 1, 2 。 弧面凸轮机构虽然性能优越, 但由于凸轮曲面轮廓要求精度高, 形状较复杂 , 故其加工制造难度较大 , 需要用具有双回转坐标, 且在空间位置有特定要求的数控设备来加工。 1992 年 , 我校与南通机床厂联合研制出的 NT - XK5001 专用数控立 式铣床在用于弧面凸轮的加工时取得了很好的经济效益。随着生产技术 的不断发展, 对弧面凸轮的要求也在不断变化 , 对弧面凸轮的加工提出了 更高的要求, 这样一来该机床就存在主轴刚性较低 , 回转角度较小等缺陷, 且该机床为五轴三联动, 即可以实现 X 轴、 A 轴、 B 轴三轴联动, Y 、 Z两 轴为手动 3 , 而从国外进口一台加工弧面凸轮的专用数控机床约需 80 万 4 美元 。 目前 , 我国山东渚城机床厂利用滚齿机改造而成的简易弧面凸轮加工 专用数控机床属于开环控制系统, 这种系统结构简单、 调试方便、 价格低 廉、 易于维修, 但机床的位置精度完全取决于步进电动机的步距角精度和 机械部分的传动精度 , 所以很难达到较高的位置精度。另外, 山东三精凸 轮公司利用卧式加工中心改造的弧面凸轮加工中心虽然从加工精度等方 面可以满足用户的要求, 但是生产成本高 ( 达 130 万元人民币 ) , 且加工范 围有一定限制( 中心距不能太小 ) 4 。从国内总的情况来看, 高精度弧面 凸轮加工的专用数控机床普遍存在一定的缺陷, 有待进一步发展和改进, 图 1 弧面凸轮机构原理图 因此有必要重新开发和研制新一代加工弧面凸轮的专用数控机床。 1 方案设计 1. 1 概念设计
收稿日期 : 2002- 10- 08 作者简介 : 赵云龙 ( 1963- ) , 男 , 陕西省华县人 , 副教授 , 研究方向 : 曲面研究与加工制造 本文为陕西省科技攻关项目 ( 2001K 06- G11) 的部分研究内容
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第 21 卷
度头实现 , 数控分度头由机床附件生产厂系列化生产, 是可选择部件 , 主轴的摆动机构需要另行设计。 根据弧面凸轮加工的现状及对弧面凸轮加工的要求, 现提出设计五轴五联动弧面凸轮加工专用数控 铣床。为了满足弧面凸轮千变万化的要求, 该机床较一般数控机床更为复杂, 同时为了能够充分利用现有 的设备及从经济性方面考虑, 以 NT - XK5001 专用数控铣床的设计理论为基础, 以 Y3180 型滚齿机的床 身、 立柱及工作台为基件进行设计。该机床用于生产实际将有利于我国自动机械技术水平的提高。 1. 2. 1 方案一 对 Y3180 型滚齿机的床身、 立柱、 后立柱、 刀架、 回转 工作台等进行取舍, 保留滚齿机的床身、 立柱及纵向进给 5, 6 滑板 , 去掉刀架、 后立柱、 尾架及回转工作台 。在立柱 导轨上设置回转工作台与主轴箱, 利用主轴箱驱动主轴实 现回转主运动 ; 由回转工作台驱动主轴箱, 实现主轴的摆 动 ; 由垂直进给滑板驱动回转工作台及主轴箱实现主轴的 垂直调位。在纵向进给滑板上设置工作台装置, 该装置由 横向滑板、 工作台、 数控分度头及尾座等组成, 纵向滑板安 装在床身导轨上, 用于实现工件的纵向进给或调位 ; 横向 滑板安装于纵向滑板上 , 用于实现工件的横向进给或调整 位置 ; 数控分度头及尾座安装于工作台上, 用于支承工件 图 2 方案一 及实现工件的回转进给。这样主轴既实现回转主运动, 又 进行摆动; 工作台驱动工件既实现回转进给, 又实现纵向及横向的进给或调位。其外观示意图如图 2 所 示。 1. 2. 2 方案二 保留 Y3180 型滚齿机的床身、 纵向进给滑板及回转工作台 , 去掉立柱、 垂直进给滑板与刀架及后立柱 与尾架。在床身前端设置主轴箱, 用于驱动主轴实现回转主运动 , 但不摆动。在回转工作台上增设工作台 装置 , 通过工作台装置使工件实现回转进给运动、 摆动、 横向进给 ( 或调位) 及纵向调位, 其外观示意图如图 3 所示。 1. 2. 3 方案三 保留 Y3180 型滚齿机的床身、 立柱、 纵向进给滑板及回转工作台, 去掉后立柱与尾架、 刀架 ( 主轴部 分) 与垂直进给系统 , 增设主轴箱, 利用主轴箱驱动主轴实现回转主运动 ; 将主轴箱安装在回转工作台上 , 利用回转工作台的回转实现主轴的摆动 ; 利用纵向进给滑板实现主轴的纵向调位( 或去掉纵向进给滑板将 主轴设计为伸缩式实现纵向调位) ; 增设工作台装置, 该装置由垂直滑板、 横向滑板、 工作台、 数控分度头、 尾座等组成, 垂直滑板安装在立柱导轨上, 用于实现工件的垂直进给或调位 ; 横向滑板安装于垂直滑板上 , 用于实现工件的横向进给或调位; 数控分度头及尾座安装于工作台上 , 用于支承工件及实现工件的回转进 给, 其外观示意图如图 4 所示。
Abstract: Based on the bed and t able of model Y3180 hobbing m achine tool, according to the machining na t ure of roller gear index ing cam, CNC device for special purpose, w hich has tw o rot ary axes, is researched and designed in the paper. T hree project s of CNC milling machine tool specializing in machining t he roller gear in dexing cam are raised. By com parison, a rat ional one is selected. And aimed at the t echnical diff icult y, a cor responding technical line is made. Key words: machining ; roller gear indexing cam; special purpose; comput er numerical control ( CNC) milling machine tools
弧面分度凸轮机构用于两垂直交错轴间的间歇分度步进传动。如图 1 所示 , 主动轮为圆弧回转体, 凸 轮轮廓制成突脊状, 从动转盘上装有若干个轴线沿转盘径向均匀分布的滚子。当凸轮旋转时 , 其分度段轮 廓推动滚子, 使转盘分度转位 ; 当凸轮转到其停歇段轮廓时 , 转盘上的两个滚子跨夹在凸轮的圆环面突脊 上, 使从动盘停止转动 1, 2 。 加工弧面凸轮时 , 刀具相当于从动盘滚子 , 既绕滚子轴线旋转, 又绕从动盘轴线回转 ; 工件相当于弧面 凸轮 , 按要求作回转分度运动。所以弧面凸轮加工机床必须具有双回转坐标, 工件回转运动可以由数控分
图3
方案二
图 4 方案三
1. 2. 4 方案论证 ( 1) 三种方案中 , 第一种为立式结构 , 后两种为卧式结构。第一种方案其主轴的回转工作台不如卧式
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赵云龙等 : 加工弧面凸轮专用数控铣床的研究开 发
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结构的回转工作台连接牢固, 稳定性不易控制 , 且主轴部件刚度被大大削弱。故立式结构方案不甚合理。 ( 2) 方案二基本可以实现预期的运动, 且主轴箱固定不动 , 主轴部分刚性较好, 但工作台装置刚性较 差。与方案一相比, 少了一个直线坐标 , 无法实现用小尺寸刀具进行加工。 ( 3) 方案三可以满足预期的要求, 实现五轴联动的运动控制, 但由于加工时工件与回转工作台最小中 7 心距为 50mm , 这样就使主轴箱部分必须位于回转工作台的后半部, 主轴箱的中心无法落在回转工作台 的中心附近。同时主轴最大摆角为 60 7 , 这样主轴箱必须偏离回工作台的中心线 , 这将产生倾覆力矩 , 削弱主轴部件的刚性。综上所述, 方案三为较理想方案 , 但存在产生倾覆力矩的问题 , 这将成为结构设计 的一个难点。如果结构设计合理, 这一问题还是可以解决的 , 因此选择方案三较为合理。 2 主要技术难点及初拟技术路线 本铣床属于专用数控铣床 , 应能满足各种弧面凸轮加工的要求, 且具有加工精度高、 加工质量稳定、 生 产率高、 操作方便舒适的特点。 ( 1) 根据技术指标的要求主轴最大摆角为 60 , 致使主轴箱偏离了回转工作台的中心线 , 这将产生倾 覆力矩, 削弱主轴部件的刚性 , 为解决这一问题, 拟在回转工作台后部安装扇形导轨 , 给主轴箱增加一辅助 支承。由于去掉了 Y3180 的后立柱, 回转工作台后部余留很大空间 , 完全可以安装扇形导轨。 ( 2) 由于采用 Y3180 滚齿机的结构 , 应考虑如何充分发挥 Y3180 结构上的特点以提高本机床的刚度。 在利用回转工作台的回转运动使主轴获得摆动时 , 应注意其蜗杆副的反向间隙问题 , 只有消除这一间隙才 能满足要求。拟在设计时采用剖分式蜗轮机构, 利用错齿原理消除间隙 , 或者利用双螺距渐厚蜗杆结构 , 通过调整蜗杆的轴向位置来消除间隙。 ( 3) 主轴端面相对于回转工作台中心的距离应当可调。为实现这一要求, 应在主轴部件结构设计时充 分考虑主轴刚度。初拟两种方案: 一是将主轴设计成套筒式结构 , 利用套筒的伸缩实现轴向调位 ; 二是将 主轴固定在主轴箱内 , 只完成旋转主运动, 利用纵向进给滑板带动回转工作台、 主轴箱实现轴向调位。 参考文献
.2 Vol. 21
陕西科技大学学报 JOU NA L OF SHAAN XI U N IV ER SI T Y OF SCIEN CE & T ECHN OLO GY
Apr. 2003
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文章编号 : 1000- 5811( 2003) 02- 0045- 03
加工弧面凸轮专用数控铣床的研究开发
赵云龙1 , 刘向红1 , 曹巨江2
( 1. 陕西工业职业技术学院 , 陕西 咸阳 712000; 2. 陕西科技大学机电工程学院 , 陕西 咸阳 712081)
摘 要: 以 Y3180 型滚齿机的床身、 工作台为基础 , 根据弧面凸轮的加工特性 , 研究开发具有 双回转坐标的专用数控设备, 提出加工弧面凸轮专用数控铣床的 3 种方案; 通过论证比较 , 选 择了较为合理的方案, 并针对有关技术难点制定了相应的技术路线。 关键词: 加工; 弧面凸轮 ; 专用 ; 数控铣床 中图分类号: T G547 文献标识码 : A 0 引言 弧面凸轮机构是一种高速、 高精度空间垂直轴传动的分度机构, 这种机构具有良好的运动特性和动力 特性 , 不必附加其他装置就可以获得良好的定位作用, 分度范围宽, 承载能力大 , 可选择丰富灵活的凸轮曲 线以满足各种复杂运动控制的要求 1, 2 。 弧面凸轮机构虽然性能优越, 但由于凸轮曲面轮廓要求精度高, 形状较复杂 , 故其加工制造难度较大 , 需要用具有双回转坐标, 且在空间位置有特定要求的数控设备来加工。 1992 年 , 我校与南通机床厂联合研制出的 NT - XK5001 专用数控立 式铣床在用于弧面凸轮的加工时取得了很好的经济效益。随着生产技术 的不断发展, 对弧面凸轮的要求也在不断变化 , 对弧面凸轮的加工提出了 更高的要求, 这样一来该机床就存在主轴刚性较低 , 回转角度较小等缺陷, 且该机床为五轴三联动, 即可以实现 X 轴、 A 轴、 B 轴三轴联动, Y 、 Z两 轴为手动 3 , 而从国外进口一台加工弧面凸轮的专用数控机床约需 80 万 4 美元 。 目前 , 我国山东渚城机床厂利用滚齿机改造而成的简易弧面凸轮加工 专用数控机床属于开环控制系统, 这种系统结构简单、 调试方便、 价格低 廉、 易于维修, 但机床的位置精度完全取决于步进电动机的步距角精度和 机械部分的传动精度 , 所以很难达到较高的位置精度。另外, 山东三精凸 轮公司利用卧式加工中心改造的弧面凸轮加工中心虽然从加工精度等方 面可以满足用户的要求, 但是生产成本高 ( 达 130 万元人民币 ) , 且加工范 围有一定限制( 中心距不能太小 ) 4 。从国内总的情况来看, 高精度弧面 凸轮加工的专用数控机床普遍存在一定的缺陷, 有待进一步发展和改进, 图 1 弧面凸轮机构原理图 因此有必要重新开发和研制新一代加工弧面凸轮的专用数控机床。 1 方案设计 1. 1 概念设计
