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數(shù)控銑床三個(gè)同時(shí)旋轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計(jì)研究

2018-11-22 來源：柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院柳州市超凌順機(jī)械公司作者：韋江波曾慶飛高茂濤

摘要：現(xiàn)有數(shù)控銑床四軸旋轉(zhuǎn)工作臺只能在工作臺上安裝一套夾具，加工種類單一且效率低下。針對數(shù)控銑床四軸旋轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出三個(gè)方向同時(shí)旋轉(zhuǎn)工作臺。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)三個(gè)工作臺同時(shí)旋轉(zhuǎn)，且旋轉(zhuǎn)的角度相同。由于三個(gè)旋轉(zhuǎn)工作臺分別分布在箱體三個(gè)側(cè)面，因此可安裝不同的夾具、加工不同種類的零件，節(jié)省了頻繁更換夾具的時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

鍵詞：旋轉(zhuǎn)工作臺；數(shù)控銑床；手輪；伺服電機(jī)

0 引言

單旋轉(zhuǎn)工作臺是指在數(shù)控銑床移動(dòng)工作臺上安裝一個(gè)旋轉(zhuǎn)工作臺，旋轉(zhuǎn)工作臺的箱體上只有一個(gè)垂直面安裝水平軸的旋轉(zhuǎn)夾頭法蘭盤，如圖 1 所示，圖中箱體 1 位置內(nèi)部安裝有伺服電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)裝置，伺服電機(jī)與數(shù)控銑床的控制系統(tǒng)連接。伺服電機(jī)通過伺服系統(tǒng)控制帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)工作臺 2 繞圓盤水平軸回轉(zhuǎn)中心做圓周轉(zhuǎn)動(dòng)。

數(shù)控銑床的旋轉(zhuǎn)工作臺通常作為附加工作臺使用，主要用于加工軸類、回轉(zhuǎn)類零件如葉輪和凸輪，在航空、船舶、汽車等制造領(lǐng)域廣泛使用。但是單旋轉(zhuǎn)工作臺一次只能裝夾一個(gè)零件進(jìn)行加工，工作效率較低，只能滿足新產(chǎn)品試制等單件、小批量零件的加工，無法滿足現(xiàn)代規(guī)模企業(yè)的大批量生產(chǎn)加工要求。因此，筆者在現(xiàn)有單旋轉(zhuǎn)工作臺的基礎(chǔ)上進(jìn)行了內(nèi)部傳動(dòng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，在原有旋轉(zhuǎn)工作臺箱體上增加兩個(gè)水平軸旋轉(zhuǎn)工作臺，即三個(gè)同時(shí)旋轉(zhuǎn)工作臺。該工作臺三個(gè)方向都可獨(dú)立安裝一套夾具，能完成不同種類零件的加工，使加工效率大大提高。

圖 1單旋轉(zhuǎn)工作臺

圖 2數(shù)控銑床三個(gè)同時(shí)旋轉(zhuǎn)工作臺簡圖

1 、三個(gè)同時(shí)旋轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計(jì)思路

在旋轉(zhuǎn)的工作臺的箱體有四個(gè)垂直面，在其中三個(gè)垂直面上設(shè)置三個(gè)水平軸同步旋轉(zhuǎn)的工作臺，剩下一個(gè)垂直面安裝工作臺旋轉(zhuǎn)輸入動(dòng)力裝置，如圖 2 所示。輸入軸 4 在手輪或伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，通過傳動(dòng)軸帶動(dòng)同軸的水平軸旋轉(zhuǎn)工作臺 1、2 同步轉(zhuǎn)動(dòng)，水平軸旋轉(zhuǎn)工作臺 3 采用圓錐齒輪傳動(dòng)方式與旋轉(zhuǎn)工作臺 1、2 的軸連接而實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。于每個(gè)旋轉(zhuǎn)工作臺都在一個(gè)獨(dú)立的垂直坐標(biāo)軸上，因此在旋轉(zhuǎn)工作臺上安裝夾具和零件時(shí)互不干涉，能夠安裝三個(gè)不同或相同的夾具，實(shí)現(xiàn)一個(gè)加工循環(huán)同時(shí)裝夾三個(gè)工件，減少數(shù)控銑床的停機(jī)次數(shù)和裝夾輔助時(shí)間并提高工作效率，適應(yīng)大批量生產(chǎn)的要求。

2 、數(shù)控銑床三個(gè)同時(shí)旋轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了數(shù)控銑床三個(gè)同時(shí)旋轉(zhuǎn)的水平軸工作臺及其驅(qū)動(dòng)方式，其結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。水平位置的轉(zhuǎn)動(dòng)軸 4 的兩端分別通過軸承固定在箱體 6 和軸承座 9 上；水平位置的傳動(dòng)軸 7 一端安裝在箱體 6 上，中間端由軸承座 13 固定，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸 7 的穩(wěn)定支撐。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸 4 受手輪或伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，固定于軸 4 上的齒輪 10 也轉(zhuǎn)動(dòng)，與齒輪 10 嚙合的齒輪 11 隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪 11 帶動(dòng)蝸桿軸 5轉(zhuǎn)動(dòng)，與蝸桿 5 嚙合的蝸輪 8 產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。蝸輪 8 固定在水平位置的傳動(dòng)軸 12 上，傳動(dòng)軸 12 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)軸 12 上的錐齒輪 15 與相嚙合的錐齒輪 14 同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，錐齒輪 15 和錐齒輪 14 齒輪大小、齒數(shù)、錐度均相等，且軸交角為 90°，當(dāng)傳動(dòng)軸 12 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)軸 7 也產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)動(dòng)的角度相等。由于傳動(dòng)軸 12 兩端分別連接著工作臺 1、2，傳動(dòng)軸 7 的一端連接工作臺 3，當(dāng)傳動(dòng)軸 12 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，工作臺 1、2、3 同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)動(dòng)的角度相同。同時(shí)，為使數(shù)控銑床的三個(gè)同時(shí)旋轉(zhuǎn)工作臺在使用時(shí)操作方便，在旋轉(zhuǎn)工作臺底部設(shè)計(jì)一個(gè)旋轉(zhuǎn)的底座如圖 4 所示，以便根據(jù)實(shí)際加工需要使用手輪搖動(dòng)控制，將旋轉(zhuǎn)工作臺整體轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)位置。

圖 3 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式結(jié)構(gòu)圖

1、 2、 3.旋轉(zhuǎn)工作臺， 4.轉(zhuǎn)動(dòng)軸， 5.蝸桿軸， 6.箱體， 7.傳動(dòng)軸， 8.蝸輪， 9.軸承座， 10.齒輪， 11.齒輪， 12.傳動(dòng)軸，13.軸承座， 14.錐齒輪， 15.錐齒輪

2.2 手輪驅(qū)動(dòng)方式結(jié)構(gòu)

數(shù)控銑床三個(gè)同時(shí)旋轉(zhuǎn)工作臺的轉(zhuǎn)動(dòng)也可以通過手搖方式驅(qū)動(dòng)，手輪驅(qū)動(dòng)方式結(jié)構(gòu)如圖 4 所示，在結(jié)構(gòu)上增加了傳動(dòng)軸組件，即三個(gè)水平軸同時(shí)旋轉(zhuǎn)工作臺本體結(jié)構(gòu)不變，在動(dòng)軸的末端處安裝有刻度和指針，同時(shí)相鄰的端蓋上安裝有刻度盤。當(dāng)以手輪方式驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸 4 旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)傳動(dòng)軸12 上的錐齒輪 15 兩側(cè)錐齒輪同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，而傳遞到傳動(dòng)軸末端的指針也轉(zhuǎn)動(dòng)相同的角度，這個(gè)角度與旋轉(zhuǎn)工作臺轉(zhuǎn)動(dòng)的角度相同。因此在手輪方式驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸 4 旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以通過觀察指針在刻度盤上旋轉(zhuǎn)角度來判斷旋轉(zhuǎn)工作臺的實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度值，這種直接傳遞的方式可以有效的減小誤差，提高測量角度的精準(zhǔn)性。

圖 4手輪定位操作方式結(jié)構(gòu)圖

3 、在數(shù)控銑床工作臺上安裝與使用

3.1 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式

數(shù)控銑床三個(gè)同時(shí)旋轉(zhuǎn)工作臺在使用時(shí)為了操作便利，在底部設(shè)計(jì)一個(gè)旋轉(zhuǎn)底座如圖 5 所示。采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，三個(gè)同時(shí)旋轉(zhuǎn)工作臺放置在數(shù)控銑床工作臺中間偏 Y 軸正方向偏上位置如圖 6 所示，伺服電機(jī)伸出長度不能超過數(shù)控銑床工作臺 Y 方向的極限位置，避免與機(jī)床發(fā)生碰撞。從圖中布局可看出，三個(gè)旋轉(zhuǎn)工作臺的位置均留有一定的空間，且操作的方向在朝機(jī)床的外側(cè)和兩側(cè)面，不存在盲區(qū)，因此使用更為便利。從加工的范圍來看，與手輪操作相同，只適合于加工小型零件，不同的是旋轉(zhuǎn)角度采用伺服電機(jī)定位，準(zhǔn)確度高，且不容易出錯(cuò)。

圖5 旋轉(zhuǎn)底座

圖6 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的布局

圖 7手輪操作的布局

3.2 手輪驅(qū)動(dòng)操作方式

三個(gè)同時(shí)旋轉(zhuǎn)工作臺采用手輪驅(qū)動(dòng)時(shí)，手輪放置在數(shù)控銑床工作臺上 Y 軸負(fù)方向偏下位置如圖 7所示，主要是為了給 Y 軸正方向留出充足的空間。連接手輪的傳動(dòng)軸一端方向朝機(jī)床外側(cè)，是為了方便操作人員觀察和旋轉(zhuǎn)調(diào)整角度。

這樣的布局三個(gè)方向均有一定的空間安裝夾具和零件，但是空間有限，適合于加工小型或短軸類零件，這類零件通常不用尾座頂錐固定，操作更靈活。由于手輪的方向朝外，朝機(jī)床里面的旋轉(zhuǎn)工作臺安裝夾具和零件時(shí)，可通過旋轉(zhuǎn)底座 90°或 180°方向進(jìn)行安裝，待零件安裝好后，旋轉(zhuǎn)回到原始的安裝位置即可。

在數(shù)控銑床上加工三種相同或不同回轉(zhuǎn)類零件時(shí)，分別在三個(gè)旋轉(zhuǎn)工作臺上安裝上專用夾具或三爪卡盤，且與旋轉(zhuǎn)工作臺的回轉(zhuǎn)中心同軸線，然后在安裝好的零件上設(shè)定三個(gè)不同坐標(biāo)系（如 G54、G55、G56），根據(jù)旋轉(zhuǎn)工作臺的方向編寫相應(yīng)的 NC 程序，便可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)零件的加工。

對于手輪旋轉(zhuǎn)角度操作更適合于加工同一種零件，當(dāng)調(diào)整好角度后三種零件同時(shí)加工，然后再旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行下一工步加工。如在三個(gè)旋轉(zhuǎn)工作臺上安裝三個(gè)不同形狀零件進(jìn)行加工，角度的調(diào)整過于頻繁會增加操作者勞動(dòng)強(qiáng)度。

4 、應(yīng)用效益分析

在數(shù)控銑床現(xiàn)有單個(gè)旋轉(zhuǎn)工作臺的基礎(chǔ)上增加兩個(gè)同為水平軸的旋轉(zhuǎn)工作臺，形成分布在工作臺箱體三個(gè)垂直面上的三個(gè)同步旋轉(zhuǎn)工作臺，三個(gè)旋轉(zhuǎn)工作臺共用一套旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置，雖然體積比單旋轉(zhuǎn)工作臺要大些，但不會影響數(shù)控銑床的正常使用，在保持每個(gè)旋轉(zhuǎn)工作臺的操作方法和基本功能不變的條件下，將獲得如下效益。在進(jìn)行大批量工件生產(chǎn)加工時(shí)，能夠在一次停機(jī)裝夾工作中，同時(shí)裝夾三個(gè)待加工工件并逐個(gè)進(jìn)行加工，每次裝夾可完成三個(gè)零件的加工，從而大大減少裝夾輔助時(shí)間并提高數(shù)控銑床的加工工作效率。

對于多品種小批量工件的生產(chǎn)加工，可在工作臺上同時(shí)安裝和保留 2 至 3個(gè)夾具，選擇相應(yīng)的夾具完成對應(yīng)工件的加工，其余夾具可保留夾具在旋轉(zhuǎn)工作臺上，不用頻繁裝卸調(diào)試夾具，在提高工作的效率的同時(shí)，也大大降低了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少重復(fù)勞動(dòng)。

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