應(yīng)保勝，楊威，邱新橋

(1．武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢430081;2．湖北汽車工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，湖北十堰442002)

自動(dòng)換刀裝置是高速加工中心的重要功能部件，它進(jìn)行一次換刀循環(huán)的最基本動(dòng)作為:抓刀、拔刀、換刀、插刀、復(fù)位，如圖1所示。

圖1 自動(dòng)換刀循環(huán)的最基本動(dòng)作

目前主要采用弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)來(lái)完成換刀動(dòng)作，但是作為關(guān)鍵部件的弧面分度凸輪存在以下不足:(1)與國(guó)外成熟技術(shù)相比，我國(guó)在弧面分度凸輪的研究上還有一些關(guān)鍵技術(shù)問題沒有解決，如:優(yōu)良運(yùn)動(dòng)曲線的選擇、機(jī)構(gòu)運(yùn)行的可靠度、復(fù)合凸輪的設(shè)計(jì)等［1］;(2)弧面分度凸輪加工困難，必須采用專用的數(shù)控機(jī)床或5軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控加工中心進(jìn)行加工［2］;(3)售價(jià)昂貴，后續(xù)的維護(hù)費(fèi)用也不容忽視。因此，作者對(duì)自動(dòng)換刀裝置進(jìn)行研究，提出一種代替弧面分度凸輪實(shí)現(xiàn)換刀的新裝置及方法。

1 弧面分度凸輪自動(dòng)換刀裝置

弧面分度凸輪是一種用于空間垂直交錯(cuò)軸間傳遞間歇分度或步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，也稱為滾子齒形凸輪、蝸桿凸輪、菲固森凸輪等。應(yīng)用于自動(dòng)換刀裝置的弧面凸輪是多頭的，其輪廓曲面是旋轉(zhuǎn)弧面，其上有多個(gè)獨(dú)立的凸輪槽，每個(gè)凸輪槽分別由3段凸輪曲線(面)及直線 (槽面)組成;凸輪槽將多段獨(dú)立的凸輪曲線 (面)、定位直線 (槽面)按照運(yùn)動(dòng)要求平滑地銜接，布置在一個(gè)360°的圓周上［3-4］。

弧面分度凸輪自動(dòng)換刀裝置的換刀原理是:弧面分度凸輪和與其配套的分度輪組成弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)，通過相應(yīng)機(jī)構(gòu)固定聯(lián)接分度輪與換刀臂。在一個(gè)換刀循環(huán)里，弧面分度凸輪向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，其上的凸輪槽推動(dòng)分度輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)換刀臂轉(zhuǎn)動(dòng)。先使換刀臂正轉(zhuǎn)θ(θ為不工作時(shí)換刀臂的位置角)，停歇τ(用來(lái)鎖刀和拔刀)后，再繼續(xù)正轉(zhuǎn)180°(換刀臂兩端的刀具換位)，然后再停歇τ(用來(lái)松刀和插刀)，最后反轉(zhuǎn)θ返回到初始位置。

2 新的自動(dòng)換刀裝置及原理

2．1 換刀方案分析

高速加工中心自動(dòng)換刀裝置應(yīng)當(dāng)具備換刀時(shí)間短、刀具重復(fù)定位精度高、安全可靠等特性。為了兼顧設(shè)計(jì)制造方便的要求，新的自動(dòng)換刀裝置的主要零件采用凸輪、齒輪、齒條等［5］。

如圖2所示，新的自動(dòng)換刀裝置的原理是:由電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，經(jīng)動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞給平面凸輪，驅(qū)動(dòng)擺桿、齒條運(yùn)動(dòng)，齒條與齒輪嚙合;利用凸輪輪廓的升程與回程，使齒輪正反向旋轉(zhuǎn);齒輪帶動(dòng)換刀臂相應(yīng)地正反向旋轉(zhuǎn)，使換刀臂兩端的刀具相互交換位置。

圖2 新的自動(dòng)換刀裝置原理圖

由于平面凸輪的升程與回程必須相等，因此齒輪在一次換刀循環(huán)里正反向旋轉(zhuǎn)的角度也相等。但是自動(dòng)換刀裝置要求在一次換刀循環(huán)里，換刀臂的正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)角度相差180°。這就需要在齒輪與換刀臂之間設(shè)計(jì)一套傳動(dòng)離合機(jī)構(gòu)，當(dāng)換刀臂完成換刀返回到初始位置時(shí)，傳動(dòng)離合機(jī)構(gòu)斷開齒輪與換刀臂之間的動(dòng)力傳遞，使凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)換刀臂不轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)凸輪返回到初始位置時(shí)，傳動(dòng)離合機(jī)構(gòu)接通，為下一個(gè)循環(huán)做準(zhǔn)備。

綜上所述，新的自動(dòng)換刀裝置由刀具換位機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)離合機(jī)構(gòu)來(lái)代替弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)。

2．2 新的自動(dòng)換刀裝置

2．2．1 刀具換位機(jī)構(gòu)

刀具換位機(jī)構(gòu)如圖2、3所示，主要由復(fù)合凸輪1、換位擺桿16、撥叉19、齒條20、齒輪21、滾動(dòng)導(dǎo)軌副 (由導(dǎo)軌24、兩個(gè)滑塊25等組成)等組成。復(fù)合凸輪1與換位擺桿16的一端通過軸承15聯(lián)接，軸承15在復(fù)合凸輪1的溝槽內(nèi)滾動(dòng);換位擺桿16的中部用銷軸17固定在箱體22上;換位擺桿16的另一端通過撥叉19與齒條20聯(lián)接;齒條20由滾動(dòng)導(dǎo)軌副支承在箱體22的內(nèi)壁上;齒輪21套在刀臂主軸13上，齒輪21的一側(cè)與傳動(dòng)離合機(jī)構(gòu)固定聯(lián)接。

圖3 圖2所示的A-A剖視圖

復(fù)合凸輪1推動(dòng)換位擺桿16擺動(dòng)，換位擺桿16帶動(dòng)齒條20往復(fù)運(yùn)動(dòng)，齒條20驅(qū)動(dòng)齒輪21旋轉(zhuǎn)，齒輪21通過離合機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞給換刀臂23，使換刀臂23做正反向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);換刀臂23的運(yùn)動(dòng)特性是由復(fù)合凸輪1的輪廓曲線1a控制的;輪廓曲線1a是雙停留式凸輪，滿足換刀臂的運(yùn)動(dòng)要求:先正轉(zhuǎn)θ、停歇τ后，再繼續(xù)正轉(zhuǎn)180°，然后再停歇τ，最后反轉(zhuǎn)θ返回到初始位置。

2．2．2 傳動(dòng)離合機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)離合機(jī)構(gòu)如圖2、4所示，主要由復(fù)合凸輪1、頂桿8、搖桿10、彈簧11、刀臂主軸13、推桿14、兩個(gè)T型銷26、軸套18等組成。復(fù)合凸輪1與滾輪7接觸，滾輪7安裝在頂桿8的右端;頂桿8的左端與搖桿10的上端通過銷聯(lián)接;搖桿10的中部用支架9固定在箱體22的外側(cè)壁上;搖桿10的下端通過套筒12與推桿14左端的彈簧11接觸;彈簧11的右端由刀臂主軸13的左端擋住;刀臂主軸13是空心的，推桿14的右端插入刀臂主軸13內(nèi);換刀臂23固定安裝在刀臂主軸13的右端;推桿14的中部加工有T型槽，T型槽的底面與推桿14的徑向截面成一預(yù)定角度;T型銷26安裝在T型槽內(nèi)，并插入刀臂主軸13、軸套18的孔中，用于聯(lián)接刀臂主軸13與軸套18。軸套18套在刀臂主軸13上，軸套18的一側(cè)與齒輪21固定聯(lián)接。

當(dāng)復(fù)合凸輪1的輪廓1b處于升程階段時(shí)，推動(dòng)頂桿8向左運(yùn)動(dòng)，頂桿8推動(dòng)搖桿10擺動(dòng)，使推桿14左端的彈簧11被壓縮，與此同時(shí)推桿14相對(duì)刀臂主軸13向右移動(dòng)一預(yù)定距離，T型槽拉T型銷26，使T型銷26沿自身軸線向下運(yùn)動(dòng)，齒輪21與刀臂主軸13之間的聯(lián)接斷開，使復(fù)合凸輪1到換刀臂23的動(dòng)力傳遞斷開。

圖4 傳動(dòng)離合機(jī)構(gòu)

當(dāng)復(fù)合凸輪1的輪廓1b處于回程階段時(shí)，其輪廓遠(yuǎn)離頂桿8，解除對(duì)頂桿8的擠壓，推桿14左端的彈簧11復(fù)位，使推桿14相對(duì)刀臂主軸13向左移動(dòng)返回到初始位置，T型槽推T型銷26，使T型銷26沿自身軸線向上運(yùn)動(dòng)，齒輪21與刀臂主軸13之間的聯(lián)接接通，使復(fù)合凸輪1到換刀臂23的動(dòng)力傳遞接通。

2．3 詳細(xì)工作過程

如圖2、3、4所示，電動(dòng)機(jī)5提供動(dòng)力，經(jīng)減速器3和齒輪4、2、6傳遞給復(fù)合凸輪1;由刀具換位機(jī)構(gòu)使換刀臂23完成刀具換位;換刀臂23返回到初始位置時(shí)，傳動(dòng)離合機(jī)構(gòu)斷開齒輪21到換刀臂23之間的動(dòng)力傳遞，使齒條20繼續(xù)運(yùn)動(dòng)返回到初始位置，同時(shí)齒輪21空轉(zhuǎn)、刀臂主軸13及換刀臂23停止轉(zhuǎn)動(dòng);最后傳動(dòng)離合機(jī)構(gòu)復(fù)位，復(fù)合凸輪1返回到初始位置，換刀結(jié)束。

3 結(jié)論

新的換刀裝置位置對(duì)位置換刀時(shí)間在2 s以內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便，能代替弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)完成換刀。

【1】謝政．加工中心換刀機(jī)械手的研究［D］．湘潭:湘潭大學(xué)，2008:7．

【2】劉昌琪，牧野洋，曹西京．凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005:89．

【3】杜祖鈞，賈爭(zhēng)現(xiàn)，曹巨江．滾子齒形凸輪循環(huán)圖的設(shè)計(jì)與分析［J］．西北輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002(5):30-33．

【4】馬大勇，仝崇樓，龔小平．弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)分析及其虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展［J］．機(jī)床與液壓，2007，35(10):189-191．

【5】曹秋霞．小型立式加工中心無(wú)機(jī)械手自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)［J］．機(jī)床與液壓，2006(9):54-56，108．