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,且用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,用于弧面凸轮的加工,取 得了很好的经济效益。随着生产技术的不断发展,对于弧面凸轮的要求也在不断变化,对弧面凸轮的加工也提出了更高的要求。因而高精度弧面凸轮加工的专用数控机床,有待进一步发展和改进。
概念设计 弧面分度凸轮机构用于两个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。112方案设计 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设计方案。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,同时从经济性方面考虑,为了充分利用现有的设备,保留Y3180型滚齿机床身、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,将主轴设计为伸缩式实现分刀切削。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,用于支承工件及实现工件的回转进给。此方案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心距为50mm[7],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。这将成为结构设计的一个难点。 2 结构设计 211 主轴部件的结构设计 本专用数控铣床主轴属中等速度、较大载荷、刚度要求较高类型,
宜采用双列圆柱滚子轴承与双向推力角接触球轴承的配合使用形式。根据主轴前轴颈直径D1和后轴颈D2确定。
通过一系列的计算论证,确定前支承采用双列短圆柱滚子轴承(内圈有挡边)3182117(85mm×130mm×34mm)与双向推力角接触球轴承2268117(85mm×130mm×54mm)的组合形式,后支承采用双列圆柱滚子轴承(内圈有挡边)3182113(65mm×100mm×26mm)[8]。主轴通过前、后轴承支承在主轴套筒内,利用主轴套筒上的齿条机构实现主轴的轴向调位,以完成分刀切削。主轴尾部通过矩形花键(8mm×46mm×50mm×9mm)与同步带轮成滑动联接,形成卸荷带轮的结构,以保证主轴具有良好的回转精度和刚度。垂直滑板的驱动与滚珠丝杠螺母副的支承垂直滑板由安装在立柱内的垂直丝杠螺母副驱动,用以实现工作台的垂直运动或调位(Y轴方向)。丝杠螺母采用滚珠丝杠螺母副,滚珠丝杠螺母副的上、下两端各采用一对接触角为60°的角接触球轴承[9]支承(760206TN,可由哈尔滨轴承集团公司购买),此角接触球轴承是近年来出现的一种滚珠丝杠专用轴承,它是能够承受很大轴向力的特殊角接触球轴承,其精度为P4、P2级,公差值与普通角接触球轴承相同。与普通的角接触球相比,不但接触角增大到60°,同时增加了滚球数目,并相应减小了滚球的直径。这种新结构的轴承比一般轴承的轴向刚度高2倍以上。而且,在出厂时已经选配好内、外环的厚度,装配时只要用螺母和端盖将内环和外环压紧,就能获得出厂时已经调整好的预紧力,使用非常方便。 21212 滚珠丝杠螺母副的选型 通过对滚珠丝杠螺母副所承受的动载荷、静载荷等有关参数进行计算分析,根据文献[10]P12-25表12-1-16及上海川浦机械实业公司的产品目录,可选用4010-215系列FYCTD凸出式插管型外循环垫片式预加负荷的双螺母滚珠丝杠螺母副(215圈1列),其额定动载荷为30303N,额定静载荷为73062N,精度等级选为3级。
伺服电动机的选择 经过对各种类型伺服电动机的分析,以及四通电机技术有限责任
公司所提供的资料,本机床选择90CB075C型交流伺服电动机。此交流伺服电动机具有高响应,高精度,低振动,即:小型化、全封闭结构、高速、高精度、高响应、低振动、低噪声、精制外观、低价格等特点。

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