弧面凸轮数控转台的设计

1弧面凸轮数控转台的设计摘要：弧面分度凸轮机构是由美国人C.N.Neklutin于20世纪20年代发明的，并由其所创建的Ferguson公司首先进行了系列化、标准化生产。该机构是用于两垂直交错轴间的间歇分度步进传动。由弧面分度凸轮、从动转盘以及在从动转盘径向均布的滚子组成。由于弧面分度机构具有传动速度高、分度精度和动力学性能好、承载能力大、可靠性好等优点，所以广泛应用于各种自动机械，如烟草机械、包装机械、加工中心换刀机械手等。分度凸轮机构具有结构简单，能自动定位以及动静比可任意选择的特点，与棘轮机构、槽轮机构、针轮机构等几种传统的间歇运动机构相比，更适合于要求高速、高分度精度的场合，因而广泛应用于各种多工位自动机械、直线步进机械中。随着自动机械向高速化、精密化、轻量化的方向发展，现有分度凸轮机构已难满足更高要求的需要。关键词：弧面分度凸轮，参数分析，运动仿真ThegloboidalindexingcamrotarytableAbstract:Thegloboidalindexingcammechanism,whichconsistsofadrivinggloboidalindexingcamanddriventurretwithfourorsixcylindricalrollerswasfirstlydesignedbyanAmerican,C.N.Neklutin,in1920sandwasmanufacturedbyhisowncompanyinseriesandstandard.Thegloboidalindexingcammechanismhasbeenusinginmanykindsofautomaticmachinery.Ithasgreatadvantageoverotherindexingmechanisms,suchashighspeed、preciseindexandexcellentkinetics.Theindexingcammechanismsaremoresuitabletotheworkconditionswherehighspeedandaccurateoutputprecisionareneeded,andhavebeenwidelyusedinallkindsofmulti-stepsmachines,linearintermittentmachinesduetotheiradvantagesofsimplestructure,automaticpositioningcomparedwithotherintermittentmechanisms.However,existingindexingcammechanismscan’tmeettherequirementsofthefastdevelopmentofautomaticmachines.Keywords：globoidalindexingcam,Parameteranalysis,Motionsimulation.2第一章绪论1.1引言在当代机械制造业飞速发展过程中，现代机床制造业正在向“高速、精密、复合、智能和环保”的方向前进，而高速、高效加工在其中扮演着重要角色。在发达国家，围绕高速、高效的新型的机构，不仅在技术开发方面投入了大量精力，而且在应用推广方面取得了前所未有的进展。弧面凸轮分度机构是由输入轴上的弧面凸轮与输出轴分度轮上的滚动轴承无间隙垂直啮合，从而实现间歇输出的新型传动机构。采用弧面凸轮分度机构的弧面凸轮分度箱，它已成为当今世界上精密驱动的主流装置。它具有高速性能好，运转平稳，传递扭矩大，定位时自锁，结构紧凑、体积小，噪音低、寿命长等显著优点，是代替槽轮机构、棘轮机构、不完全齿轮机构等传统间歇机构的理想产品，产品广泛应用配套于各种组合机械、机床加工中心、烟草机械、化工灌装机械，印刷机械、电器制造装配自动生产线等需把连续运转转化为步进动作的各种自动化机械上的必备的理想功能部件。1.2弧面分度凸轮的概述弧面凸轮机构(Globoidalcammechanism)又称为蜗形凸轮机构或滚子齿形凸轮机构，该机构可用于高速间歇分度，与传统的间歇传动机构如棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构等相比，具有传动速度高、分度精度和动力学性能好、承载能力大、可靠性好等优点，而且通过弧面凸轮与从动件滚子的共扼啮合传动，可以实现从动件所需要的各种运动规律。目前己广泛应用在烟草机械、包装机械、加工中心换刀机械手等自动机械中。1.3国内外发展状况概述弧面分度凸轮机构是由美国人C.N.Neklutin于20世纪20年代发明的，并由其所创建的Ferguson公司首先进行了系列化标准化生产。之后，前苏联、英国、匈牙利、瑞士、日本等国也相继对弧面分度凸轮机构进行了研究，并成立有专门的生产厂家和研究机构。在弧面分度凸轮的几何学与运动学方面，英国的C.J.Backhouse首次采用微分几何与包络原理等方法对弧面分度凸轮的几何学进行了深入研究。而目前，在日本、德国、俄罗斯和瑞士等国家已实现弧面凸轮的标准化系列化生产。由于弧面分度机构具有传动速度高、分度精度和动力学性能好、承载能力大、可靠性好等优点，所以广泛应用于各种自动机械，如烟草机械、包装机械、加工中心换刀机械手等。在加工制造方面，国外和台湾地区大都采用范成法在数控机床上加工。范成法的理论和加工技术已经非常成熟。在数字化加工方面也有所探索。但可查到文献不多。国外学者在弧面分度凸轮的应用方面也开展了大量的工作。我国对弧面分度凸轮的研究起步较晚，直到20世纪703年代末期才开始相关的研究工作，但经过20多年的努力，目前已在弧面分度凸轮的设计、检测、制造等方面取得了丰硕的成果，在弧面凸轮的制造方面，国内也都是采用范成法，另外对两重包络法、刀位补偿法和自由曲面法也做了理论研究。其中，西北科技大学(原西北轻工业学院)、山东轻工业学院、大连轻工业学院、天津大学、山东诸诚恒瑞精密机械有限公司、西安科达凸轮制造有限公司等高等院校和厂家都做了大量的研究，例如西北科技大学的曹西京等人研制了一种专门用于弧面凸轮磨削的数控磨头，山东轻工业学院的刘兴国开发了一种五坐标数控机床XH756来加工空间弧面凸轮，这种机床可以用较小的中心距来加工大中心距的弧面分度凸轮，南方航空动力机械公司从国外引进的一台五轴加工中心，并配置了行星磨削装置，可实现弧面凸轮的行星磨削。但是，这些研究大多集中在普通弧面分度凸轮方面。1.4弧面凸轮及弧面凸轮机构的研究展望与传统的间歇分度机构相比，弧面凸轮机构在动力学性能、承载能力、分度的精度以及分度的速度方面均有不可比拟的优越性，被誉为是最理想的间歇传动机构，具有广阔的市场前景。从目前弧面凸轮机构的研究与发展分析，弧面凸轮机构未来的研究重点与方向可分为如下几个方面:1、弧面凸轮机构的结构改进与创新针对与圆柱滚子共扼啮合的弧面凸轮机构在实际应用中存在的缺陷，结合其他理论已相对成熟的传动机构，如蜗轮蜗杆传动机构、齿轮传动机构、滚珠丝杆传动机构等，对弧面凸轮机构在原理上和结构上进行改进，以拓宽弧面凸轮机构的应用领域。2、弧面凸轮机构的动力学研究弧面凸轮机构主要是运用于高速、高精度的分度与传动场合，动力学性能的好坏将是弧面凸轮设计与制造质量的主要评价指标之一。有关弧面凸轮机构的动力学研究一直是该领域的一个难题，也将是该领域的重要研究方向。基于弧面凸轮啮合传动过程中的摩擦、磨损与润滑状态分析，改进弧面凸轮机构的设计参数，进行弧面凸轮机构的摩擦学设计，以改善其动力学特性，以及设计有效的动力学性能测试装置，将是一个值得研究的课题。3、弧面凸轮CAD弧面凸轮是种结构复杂的空间凸轮，计算机辅助设计是实现弧面凸轮精确设计的唯一手段。自从我国对弧面凸轮机构进行研究以来，弧面凸轮的CAD一直是研究的重点，特别是九十年代以来，随着三维以D软件的问世，开发操作界面良好的弧面凸轮三维以D软件和弧面凸轮机构的运动仿真系统，以对运动过程进行模拟与仿真，进行装配干涉检查和加工误差的虚拟检测将是个很有价值的研究课题。4、弧面凸轮的制造及其廓面修形的研究4弧面凸轮对表面质量和加工精度的要求非常高，在装配过程中，弧面凸轮机构对加工误差特别敏感，容易出现装配干涉。进行弧面凸轮的廓面修形研究，提高弧面凸轮机构的装配性能和降低其装配对加工误差的敏感性，是一个很有意义的研究课题;改进弧面凸轮的加工手段，提高弧面凸轮加工精度与表面质量也一直是人们思考的主要课题;此外，从加工原理上进行改进，探索弧面凸轮的单侧加工、刀具补偿加工、两重包络法加工，将是一个重要的研究方向。5、目前，弧面凸轮机构还没有完善的精度评价指标体系，也没有专门的检测工具。对于弧面凸轮的精度评价体系的完善以及检测方法与手段的探索将是一个重要的研究课题。5第二章总体分析设计弧面凸轮减速器的传动原理是基于弧面凸轮分度机构。它一改涡轮蜗杆减速器的摩擦传动副为滚动副，使得传动效率大为提高H90%单级传动I=10-60传动功率0.5-100kw。其特点是传动效率高,能耗低，发热小，传动平衡，灵敏度高，其传动效率雄踞各类减速器之首。设计要求：工作台面直径小于400mm，工作台面垂直时中心高为260mm，中心定位孔尺寸50H620，工作台T型槽宽度14mm，总传动比i=180，分度定位精度15'，重复定位精度5'，最大允许驱动力矩3000N/m。现设减速器为二级传动，第一级为蜗轮蜗杆传动，1i=62，第二级为弧面凸轮传动，2i=3。选用电机型号Y112M-4，转速1500r/min，额定功率4kw。2.1弧面凸轮分度机构的基本结构和工作原理弧面凸轮分度机构类似于弧面蜗杆传动，主动凸轮为轮廓呈凸脊状的圆弧回转与蜗杆一样可制成单头、双头或多头，大于三头的一般较少使用。从动转盘上装有沿周向均匀分布的滚子。凸轮凸脊的旋向也与蜗杆旋向定义相同，分为左旋和右旋用L表示，右旋用R表示，在实际应用当中一般采用左旋较多。弧面分度凸轮机构因位段形式的差异可分为A型和B型两种结构类型，如图2-1所示。A型凸轮定位段是凸脊，分度盘上的两个滚子跨夹在凸脊上，B型凸轮的定位段是一个凹槽，分度盘上有一个滚子在定位段槽中。但无论是哪种结构的凸轮，其凸脊均有左右两个侧面。根据不同的旋向一侧为受力侧，推动分度盘转动，另一侧为几何定位侧，局部区域与滚子之间可以有一定间隙。这样便可实现凸轮体1的连续转动带动分度盘2的6间歇分度运动，从而可以传递两垂直交错轴间的传动，整个运动过程如下：图所示的为单头左旋弧面分度凸轮机构，当凸轮体旋转时，其分度段轮廓推动滚子，使分度盘分度转位；而当凸轮转到其停歇段轮廓时，转盘上的两个相邻滚子跨夹在凸轮的圆环面凸脊上，分度盘停止转动，所以这种机构不必附加其他装置就能获得很好的定位作用，并且可以通过调整中心距来消除滚子与凸轮凸脊之间的间隙，补偿磨损。在这种机构中，主动凸轮一般做等速连续旋转，但有时为了满足特殊的需要，如需要较长的停歇时间，也可以使凸轮作间断性的旋转。2.2主要运动参数在设计弧面凸轮分度机构时，往往需要根据工作要求确定该机构的一系列基本参数，主要包括：分度数I、弧面凸轮的节圆半径1pR、动程角f、从动盘的节圆半径2pR、中心距C以及径距比等。由于各参数之间有着复杂的函数关系，不可能同时都为优先数，因此存在着各参数的合理选取问题。分度数I和从动盘分度期转位角参f：分度数I是由弧面凸轮机构所服务的自动机械的生产工艺要求决定的。考虑到该机构的结构特点，分度数I一般在2~24之间选择（见表2-1），常用的分度数多为6或8。分度数太小时，压力角很大，传动性能较差；分度数太大时，从动盘径向尺寸太大，结构复杂，受转动惯量也很大，运转速度受到很大限，功率消耗很大。凸轮工作副中，若H为凸轮头数，则分度数I与从制间的关系是I=Z/H，弧面凸轮常用分度数及其对应头数见表，凸轮推动定的角度，完成一次分度运动。在一次分度周期中从动盘的转位角f：00360360fHIZ凸轮动程角f与动静比k：凸轮转一圈中，从动盘