槽轮机构在加工中心鼓轮式刀库上应用

　　摘　要　通过对槽轮机构的工作原理和结构特点的分析，提出了减小外啮合槽轮机构冲击噪音的措施，并将该机构运用到加工中心鼓轮式刀库上，取得了很好的实际效果。
　　关键词　槽轮机构　鼓轮式刀库　加工中心
　　分类号　TH112.427

1　概述

　　加工中心是指带有自动换刀装置的数控机床。自动换刀装置通常由刀库和换刀机械手两部分组成，也有将两部分集成在一起组成无机械手自动换刀装置。自动换刀装置的刀库用来贮存加工中心机床在加工过程中所需要的各种刀具。在自动换刀过程中，要求刀库能够按照数控装置发出的选刀指令选出所需要的刀具，并准确地停在换刀位置上，以便于自动更换刀具。加工中心机床的刀库型式种类繁多，常见的有鼓轮式、链式、格子箱式等，其中鼓轮式刀库由于其结构简单，控制方便，在加工中心机床上获得了广泛的应用。鼓轮式刀库的回转驱动方式通常有两种，一种是由伺服电机通过减速装置进行驱动；另一种是采用普通电机经减速后通过外啮合槽轮机构进行驱动。前者结构简单，回转速度快，定位准确，但由于选用了伺服电机，电气控制复杂，制造成本高。后者采用机械方式分度定位，可靠性高，虽然定位精度较前者低，但完全能够满足加工中心机床的要求。由于选用了普通电机，电气控制简单，制造成本比前者低。在目前生产的鼓轮式刀库的加工中心机床上很多采用槽轮机构来驱动刀库的分度回转运动。

2　槽轮机构的工作原理和结构特点

　　槽轮机构（又称马尔他机构）能把主动轴的匀速连续运动转换为从动轴的周期性间歇运动，常用于各种分度转位机构中。槽轮机构有三种基本类型：外啮合槽轮机构、内啮合槽轮机构和球面槽轮机构。加工中心鼓轮式刀库采用外啮合槽轮机构。外啮合槽轮机构工作原理如图1所示，它由转臂（主动曲柄）1、槽轮2、滚子3和锁止盘4组成。

图1　外啮合槽轮机构原理图

　　外啮合槽轮机构的转臂回转轴线与槽轮回转轴线平行。通常转臂作等速回转，当转臂上的滚子进入槽中，就拔动槽轮作反向转位运动，当滚子从槽中脱出，槽轮即静止不动，并由锁止盘定位。当只有一个滚子时，转臂转一周，槽轮作一次转—停的步进运动。
　　外啮合槽轮机构的结构特点如下：
　　(1)滚子进入和脱出槽口的瞬时位置，转臂中心线与槽的中心线相垂直，使槽轮转位起、停瞬时的角速度ω_{0=0,避免了刚性冲击。
　　（2）槽轮齿数z为3～18。
　　（3）槽轮转位起、停时的角加速度ε_{0与槽数z有关，z越少，ε_{0越大，即有不同程度的柔性冲击。
　　（4）锁止盘的定位精度低。充分度精度要求高时，必须附加定位装置。
　　（5）结构简单，制造容易，工作可靠，机械效率高。}}}

3　减小槽轮机构运动冲击的措施

　　由于槽轮的角加速度变化较大，且在转位过程的前半阶段与后半阶段的角加速度方向不同，因此当槽与滚子之间存在间隙时，会产生冲击。为了减小冲击应采取以下措施：
　　（1）减小或消除滚子和槽之间的间隙。
　　（2）消除销开始进入槽时的间隙，应使槽轮的实际外圆半径R_{a略大于槽轮名义外圆半径R,取,式中r_{A为滚子半径，见图2,以消除滚子开始进入槽时滚子与槽两侧顶端的间隙△。}}

图2　滚子开始进入槽时的示意图

　　（3）使槽轮具有适当的转动惯量J_{2,使|J_{2ε_{2|<M_{z,M_{z为槽轮的负载转矩。
　　（4）增加槽轮组件的回转阻尼。}}}}}

4　应用实例

　　图3为TH5640型立式加工中心鼓轮式刀库的结构简图。主要元件有：（1）刀库电机；(2)减速器；（3）支架；（4）曲柄；(5)刀柄；（6）槽轮；（7）鼓轮；（8）锁止盘；（9）滚子；（10）刀位检测开关；（11）滑动轴承；（12)回转轴等。

图3　刀库结构简图

　　该刀库可容纳18把刀具，即槽轮的齿数为18。刀库的回转选刀由刀库电机通过减速器带动曲柄回转，曲柄每回转一周，槽轮转过20°,刀库鼓轮转过一个刀位，并由锁止盘定位。刀库上的刀位信号由两只开关联合发出，在刀库的一号刀位上安装一只挡铁，在支架上安装一只检测开关（图3中均未表示出来），机床开机后，刀库自动回转寻找一号刀位（基准刀位），当一号刀位上的挡铁触发支架上的检测开关后刀库停止回转，刀库的当前刀位为一号刀位，刀库处于初始状态。其余刀位信号由安装在曲柄上的挡铁触发刀位检测开关10进行累计计数，曲柄每回转一周即刀库转过一个刀位触发一次。通过控制刀库电机的旋转方向，实现刀库的双向选刀。
　　为了减小刀库的选刀转位过程中的冲击噪音，在设计上采取了如下一些措施。
　　（1）使槽轮的实际外圆半径略大于名义外圆半径。槽轮名义外圆半径R=150^{. cos10°=147.72,实际外圆半径。
　　（2）通过调整两只平面轴承的压紧力，适当增加槽轮组件的回转负载，同时选用铝合金材料制造刀库鼓轮，回转轴采用空心结构，减小槽轮组件的转动惯量。
　　（3）回转轴的径向支承轴承为滑动轴承，并选用聚四氟乙烯作为轴承材料，使轴承的间隙为零，增加槽轮组件的回转阻尼。
　　通过采取以上措施，在利用槽轮机构的优点的同时克服了其结构本身固有的缺点，取得了很好的实际效果。}

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槽轮机构在加工中心鼓轮式刀库上应用

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