方頭軸端車削機構(gòu)設計 (2)帶CAD圖,方頭軸端車削機構(gòu)設計,(2)帶CAD圖,方頭,車削,機構(gòu),設計,CAD 重 慶 工 學 院 畢業(yè)設計（論文）任務書 題目 方頭軸端車削機構(gòu)設計 　 （任務起止日期 2010 年10 月 日～ 2011年 5 月 日） 應用技術(shù) 學院 機械設計制造及自動化 專業(yè)107214701班 學生姓名 張治行 學 號10721470155 指導教師 系 主 任 二級學院院長 （本頁最后二行手簽名） 課題內(nèi)容 本課題要求設計出能夠加工出下圖中軸兩端的方頭的車方機構(gòu)，要求有較高的加工效率，并滿足精度要求。 課題任務要求 1、 翻閱有關(guān)課題的相關(guān)資料，撰寫文獻綜述； 2、 完成一篇與題目相關(guān)的英文文獻翻譯； 3、車方機構(gòu)的方案設計； 4、繪制車方機構(gòu)的裝配圖和零件圖； 5、對車方機構(gòu)進行三維建模； 6、在上述工作完成基礎上，撰寫畢業(yè)論文； 7、準備畢業(yè)論文答辯。 主要參考文獻（由指導教師選定） 1.機械設計手冊編委會編著.《機械設計手冊》.北京：機械工業(yè)出版社，2004.8 2.《機床設計圖冊》.上?？茖W技術(shù)出版社，1979.6 3.濮良貴，紀名剛主編.《機械設計》.北京：高等教育出版社，2001 4.申永勝主編.《機械原理教程》.北京：清華大學出版社，1999 同組設計者 注：1、任務書由指導教師填寫； 2、任務書在第七學期期末下達給學生。 學生完成畢業(yè)設計（論文）工作進度計劃表 序號 畢業(yè)設計（論文）工作任務 工 作 進 度 日 程 安 排 周次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 1 收集資料，完成開題報告 2 文獻翻譯及撰寫文獻綜述 3 車方機構(gòu)的方案確定 4 車方機構(gòu)的詳細設計 5 車方機構(gòu)的三維建模 6 畢業(yè)論文撰寫 7 畢業(yè)答辯準備 注：1、此表由指導教師填寫； 2、此表每個學生一份，作為畢業(yè)設計（論文）檢查工作進度之依據(jù)； 3、進度安排用“—”在相應位置畫出。 畢業(yè)設計（論文）階段工作情況檢查表 時間 第 一 階 段 第 二 階 段 第 三 階 段 內(nèi)容 組織紀律 完 成 任 務 情 況 組織紀律 完 成 任 務 情 況 組織紀律 完 成 任 務 情 況 檢 查 情 況 教師簽字 簽字 日期 簽字 日期 簽字 日期 注：1、此表由指導教師認真填寫（要求手寫）； 2、“組織紀律”一欄根據(jù)學生具體執(zhí)行情況如實填寫； 3、“完成任務情況”一欄按學生是否按進度保質(zhì)保量完成任務的情況填寫； 4、對違紀和不能按時完成任務者，指導教師可根據(jù)情節(jié)輕重對該生提出警告或不能參加答辯的建議。 車方機床行星輪系機構(gòu)的設計計算宋玉明1, 賀洪森2( 1? 江漢大學 機電系, 湖北 武漢? 430019; 2? 湖北汽車車身附件廠, 湖北 十堰? 442000)摘要: 車方機床用曲率半徑很大的橢圓短半軸曲線代替直線切削方形工件。生產(chǎn)率高, 刀具成本低。選取適當?shù)能囶^行星輪的分度圓直徑, 可以有效地控制車方原理的直線度誤差。對實際工件進行了原理誤差的分析計算和行星輪系的設計計算。關(guān)鍵詞: 車方; 行星輪系; 橢圓; 方形; 直線度中圖分類號:TG502? ? ? 文獻標識碼: A? ? ? 文章編號:1007- 9483( 2000) 04- 0060- 02Design and calculations of the planetary gear train in the machine tool for square cuttingSONG Yu- ming1, HE Hong- sen2(1?Jianghan University, Hubei Wuhan, 430019, China)(2?Hubei Plant of Automobile Body? s Accessory, Hubei Shiyan, 442000, China)Abstract:It illustrates a ellipse ? sshort semi- axialcurved line with great cured radius, that can replace the straight line for cuttingsquare work- pieces on the machine tool. The productivity of this rebuilt machine tool is higher and the cost of cutter is lower.T he principle straightness error of cutting square in work- pieces can be controlled by choosing a suitable pitch diameter of theplanetary gear in the machine tools. Analytic calculations of the error and design of this train have been given for a real work-piece.Key words:Square Cutting; Planetary Gear Train; Ellipse; Square; Straightness? ? 加工汽車上某附件的方頭( 見圖 1), 原工序為在已加工了 ? 30- 0?28- 0?42外圓后, 用銑床銑削方頭, 由于需要分度轉(zhuǎn)位, 輔助工時較長。改為專用臥式組合機床車削方頭, 在機床中間底座上裝有固定夾具, 用于安裝工件。機床工作時,裝兩把車刀的車頭主軸由單獨電機驅(qū)動作回轉(zhuǎn)主運動, 同時車頭由側(cè)底座上的液壓滑臺帶動作進給運動。一次裝夾, 一個工步完成了 4 個平面的切削, 提高了生產(chǎn)效率。圖 1? 零件簡圖1? 車方原理車方機床由車頭行星輪系機構(gòu)產(chǎn)生刀尖的橢圓曲線軌跡。車方原理見圖 2, 齒輪 Z3與 Z4的傳動比為 1 2, 當?shù)都獍惭b在比齒輪 Z3的分度圓小的圓周上時, 則刀尖的運動軌跡為橢圓。證明如下: 設齒輪 Z3的分度圓半徑為 OA =R , O點為齒輪Z3的分度圓中心, 刀尖在分度圓內(nèi)定點 a圖 2? 車方機床車方原理圖處, 且 Oa/ OA =?。當 Z3的分度圓在 Z4上作純滾動時,圓 心 O 點運動到O!, 齒輪上a點運動至a!點( 坐標為 x ,y), 而 Oa =O!a! , 由圖 2 可知:x = Pb + ca! =PO!cos + O!a!cos =Rcos +Oacos =Rcos + ? Rcos =R( 1+ ? )cos (1)y =O!b- O! c = PO !sin - O!a!sin =Rsin - Oasin =Rsin - ? Rsin =R(1- ?)sin (2)收稿日期: 2000- 01- 17; 修訂日期: 2000- 03- 06作者簡介: 宋玉明( 1955- ) , 男, 湖北武漢人, 江漢大學講師, 工學學士, 主要研究方向為機械制造工藝、 設備及自動化。602000 年 7 月? 機械設計與制造工程? 第 29卷? 第 4期由式(1) 得cos2 =x2R2( 1+ ? )2由式(2) 得sin2 =y2R2(1- ? )2則x2R2( 1+ ? )2+y2R2(1- ? )2= cos2 + sin2 = 1(3)式(3) 為橢圓方程, 所以 a 點的運動軌跡為橢圓。同理可以證明, 和 a 點對稱于中心 O 點的另一刀尖的運動軌跡也是一個橢圓。若 ?接近于 1 時, 橢圓短半徑處曲率半徑很大, 接近于直線。設計適當?shù)男行禽?Z3的分度圓半徑, 可以控制用橢圓曲線代替直線所引起的直線度誤差, 滿足加工一般方頭的精度要求。2? 行星機構(gòu)的設計計算車方機床的車頭行星輪系如圖 3 所示。圖 3? 車方車床車頭行星輪系圖2?1? 行星輪分度圓直徑 D3的設計計算圖 2 所示的 E 點與F 點的y 坐標值之差為計算直線度誤差的初始值。根據(jù)工件精度要求, 給出初始直線度公差0?04mm。由零件簡圖 1 的方頭邊長 27? 0- 0?08= 26?96 0?04和初始直線度公差值, 我們可以計算出圖 2 中 E 點坐標為( 0, 13?48) , F 點坐標為( 13?44, 13?44), 顯然刀尖在 E 點時, ( # O!PO) =90 。但必須注意的是, 在 F 點時, 夾角 不等于 45 。將 E 點 = 90 和 y = 13?48 代入式(2)中, 得R(1- ? ) = 13?48(4)將 F 點坐標代入式( 1) 和(2)中, 得R(1+ ? ) cos = 13?44(5)R( 1- ? )sin = 13?44(6)聯(lián)立式( 4) 、 ( 5) 和( 6) 解得 R = 94?04mm, 圓整取 R =94?5mm。Z3分度圓直徑 D3= 189mm。將 R = 94?5mm 代入式(4)中得 ?= 0?857 35452?2? 曲線近似直線的車方原理直線度誤差的分析計算由于工件上有 ? 30- 0?28- 0?42的圓角, 橢圓曲線近似直線段的長度小于 GF , 近似直線段的車方原理直線度誤差值小于計算給出的初始值。一個橢圓曲線與圓有 4 個交點, 相鄰兩點在 x 方向上的距離為近似直線段的長度。交點 I 的y 值與中點 E 的y值之差即為原理直線度誤差。橢圓方程?x2R2( 1+ ? )2+y2R2(1- ? )2= 1圓的方程?x2+ y2=r2聯(lián)立解之得 4 個交點 , 其中第一象限的交點 I 的坐標值為y1=1- ?2( 1+ ? )2R2- r2?(7)x1=r2- y2(8)由 ? 30- 0?28- 0?42變換為 ? 29?65 0?07, 工件倒圓直徑的基本尺寸 d = 29?65mm, 半徑基本尺寸 r = 14?825mm, 將 R =94?5mm, ?= 0?8573545, r = 14?825mm代入式(7) 和( 8)得y1= 13?47mm, x1= 6?19mm? ? 近似直線段的長度L! = 2x1= 2% 6?19= 12?38mm。令 PE =h , 按圖 1計算的直線段長度為L = 2r2- h2= 214?8252- 13?482= 12?34mm兩者之差!L = L!- L = 12?38- 12?34= 0?04mm, 符合零件圖紙的要求。近似直線段的車方原理的直線度誤差計算值 !=h-y1= 13?48- 13?47= 0?01mm, 即直線段的車方原理直線度誤差是 0?01mm, 僅為初始計算給定值的 1/ 4, 完全可以滿足一般方頭的精度要求。2?3? 切削力、 切削功率的計算車方機床的主軸上對稱安裝了兩把車刀, 但由圖 2 可知, 兩把刀不會同時切削, 切削深度從 F 點ap= 0 逐漸增大至 E 點 ap=30- 272= 1?5mm, 再逐漸減小至 G 點 ap= 0。其它 3個面的切削深度也依次作同樣改變。所以最大切削深度 ap= 1?5mm, 根據(jù)零件表面粗糙度的要求, 選 f =0?1mm/ r。由vf=fn可以計算滑臺速度vf。刀具材料選用 YT15。為了保證一定的刀具耐用度, 選v = 60m/ min= 1m/s。零件材料 45 鋼, 加工時的材料硬度為 187HB, 查&機械加工工藝手冊, 得: 單位切削力 p = 1 962N/mm2; 切削力Fz= p apf = 1 962% 1?5% 0?1= 294?3N; 切削功率 P =Fzv % 10- 3= 294?3% 1% 10- 3= 0?29kW; 取機床總效率 = 0?75, 則電機功率 PE=P/ = 0?29/ 0?75= 0?38kW?？紤]到機床可能調(diào)整加工其它尺寸、 材料的方頭或六方頭工件, 取電機功率為 1kW。2?4? 行星輪系齒輪的模數(shù)、 齒數(shù)的選擇設計由 Z3的分度圓直徑 D3= 189mm, 并考慮 Z4齒數(shù)不宜過多, 選取行星齒輪和固定齒輪的模數(shù) m = 3mm, Z3=189(3= 63。由 Z3 Z4= 1 2, 得 Z4= 126。選取齒輪材料 40Cr, 硬齒面, 齒寬 B = 25mm。類比其它機床, 本機床的齒輪模數(shù)和分度圓直徑較大,而切削力、 切削功率較小, 可以推斷齒輪的抗彎強度、 接觸疲勞強度有很大的安全裕度, 所以校核從略。根據(jù)刀尖在 E 點的速度和電機的轉(zhuǎn)速可以算出Z1和Z2的傳動比。(下轉(zhuǎn)第 63 頁)61)新技術(shù))新工藝) ? ? 宋玉明? 賀洪森? 車方機床行星輪系機構(gòu)的設計計算cam 等 CAD/CAM 軟件編程, 繪制輔助曲面, 如圖 4, 利用曲面干涉檢測和刀路限制功能可以方便地產(chǎn)生上半部分的加工刀路( 分為等高線粗加工和平行式精加工), 如圖 5 所示。圖 5? 型芯中部上半部分精加工刀路上半部分加工完后, 將工件翻轉(zhuǎn), 以右端為基準找正, 加工下半部分; 接著將工件立起裝夾, 以多島嶼挖槽粗加工銑削圖 6? 型芯上部外形精加工刀路工藝凸臺, 并產(chǎn)生輪廓外形; 再多曲面外形精加工, 該過程同樣需要用輔助曲面對刀路進行限制, 如圖 6 所示。整個加工過程安全、 高效, 圓弧過渡面質(zhì)量也很高。模具型腔采用整體式結(jié)構(gòu), 需要先加工出電極, 再用電火花加工型腔輪廓, 電極加工與型芯加工類似。值得注意的是, 該零件數(shù)控加工刀路的產(chǎn)生用到了 4個輔助曲面, 這些曲面對產(chǎn)生理想的刀路和避免過切不可缺少, 實踐證明這是數(shù)控加工經(jīng)常用到的方法, 對于復雜零件尤其有效。另一方面, 數(shù)控技術(shù)人員要熟悉 CAD/CAM軟件產(chǎn)生刀路的特點, 在多工步加工一個零件時, 不一定將零件的三維圖形全部畫出才產(chǎn)生刀路, 如圖 4 所示, 左端的4 個凸起是本工件的構(gòu)圖難點。構(gòu)圖時, 先構(gòu)兩輔助曲面間的部分, 產(chǎn)生刀路讓數(shù)控機床投入加工, 接著再解決左端的 4個凸起曲面這一難點, 這樣可以大大縮短模具加工的周期, 提高效率。3? 結(jié)束語目前, 數(shù)控技術(shù)開始廣泛運用于加工行業(yè), 特別是以單件小批量生產(chǎn)為特征的模具行業(yè)。由于許多工業(yè)產(chǎn)品造型越來越復雜, 加工工藝中的某些環(huán)節(jié)如毛坯形式、 裝夾方式、 刀具的磨損等比普通機械加工復雜, 因此數(shù)控加工工藝必須綜合、 合理地考慮工序安排、 工件的裝夾、 走刀路線等因素, 同時充分利用 CAD/CAM 一體化軟件的優(yōu)勢, 達到高效、 安全生產(chǎn)的目的。參考文獻: 1 ? 葉伯生? 計算機數(shù)控系統(tǒng)原理、 編程與操作 M? 武漢: 華中理工大學出版社, 1999? 2 ? 德 G 曼格斯, P 默蘭 ? 塑料注射成型模具的設計與制造 M? 李玉泉譯? 北京: 中國輕工業(yè)出版社, 1993?( 上接第 61 頁)2?5? 旋轉(zhuǎn)盤的設計與行星輪固定連接的車頭主軸軸心線作圓周旋轉(zhuǎn)運動, 它的圓跳動綜合反映了主軸自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)精度, 直接影響工件的加工精度。為了保證主軸的旋轉(zhuǎn)精度, 避免或減少齒輪制造安裝的徑向誤差和曲軸的旋轉(zhuǎn)誤差對主軸旋轉(zhuǎn)精度的影響, 平衡主軸行星式轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力, 防止振動, 設計了帶平衡塊的旋轉(zhuǎn)盤 A , 見圖 3。旋轉(zhuǎn)盤與主軸通過一個 D級 36000 型角接觸球軸承相連。它們的精度和配合是主軸自轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)精度的主要決定因素, 主軸軸頸與軸承內(nèi)孔采用 m5 配合, 軸承外圈與旋轉(zhuǎn)盤孔采用 J6 配合, 并用緊定螺釘調(diào)整軸承外圈以消除軸承間隙, 保證主軸自轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)精度。旋轉(zhuǎn)盤與固定的內(nèi)齒輪的外圈通過無內(nèi)外圈的精密滾針軸承相連。它們的精度和配合是主軸公轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)精度的主要決定因素。旋轉(zhuǎn)盤的內(nèi)圈精度為 J5, 內(nèi)齒輪的外圈精度為 h5。2?6? 刀具的安裝和調(diào)整兩把車刀對稱安裝在車頭主軸上, 安裝刀具時在機床中間底座的夾具上安裝工件樣板對刀, 控制刀尖在工件邊線中點的坐標值。為了保證工件的尺寸精度, 減少調(diào)刀次數(shù), 對刀工件樣板兩相對平面距離為 26?935 0?005。刀具的磨損將引起工件兩相對平面的距離增加。檢查工件兩相對平面的距離尺寸, 如果達到了尺寸控制標準, 則通過微調(diào)裝置調(diào)整刀尖的伸出量, 以補償?shù)毒叩哪p。3? 結(jié)束語車方機床的設計制造提高了切削工件方端頭的生產(chǎn)率。本機床雖為特定工件設計的專用機床, 但只要調(diào)整刀尖的位置就可以加工其它尺寸的方端頭工件。當對稱于行星齒輪輪心 O 點, 在主軸上裝 3 把車刀, 互相夾角 120均布, 則可車六方頭。從上述近似直線段的直線度誤差的分析計算可推斷, 本機床加工其它尺寸的方頭和六方頭也完全可以滿足精度要求。參考文獻: 1 ? 孟少農(nóng) ? 機械加工工藝手冊 M ? 北京: 機械工業(yè)出版社,1998? 2 ? 朱龍根? 簡明機械零件設計手冊 M ? 北京: 機械工業(yè)出版社, 1997?63)新技術(shù))新工藝) ? ? 李柏青? 塑料風扇立柱模具數(shù)控加工工藝可 車 方 的 經(jīng) 濟 型 數(shù) 控 車 床魯南機床廠李鶴侯夫啟摘要對經(jīng)濟型數(shù)控車床進行改進設計, 利用齒輪傳動和電磁離合器控制, 可使其具有車方形截面的功能,從而可提高六方等零件的加工效率和表面加工質(zhì)量。關(guān)鍵詞數(shù)控車床車方原理傳動系統(tǒng)1引言在油泵油嘴行業(yè)中, 噴油器體系列零件( 圖 1) 的兩平行平面是銑削成形, 效率低, 表面質(zhì)量差; 緊帽系列零件( 圖 2) 的六方雖是車削成形, 但使用的設備多是舊車床改造的專機, 設備笨重, 操作不便。我們對本廠生產(chǎn)的CLK6130 數(shù)控車床進行了改進設計, 使之兼有車平行平面和六方的功能。圖 1噴油器體零件圖圖 2緊帽零件圖2原理2. 1刀尖的運動軌跡車方的基本原理是依靠刀具與工件的轉(zhuǎn)速差, 使刀尖在切削段的復合運動軌跡為近似的直線段。刀具與工件分別以角速度 ?1和 ?2逆時針轉(zhuǎn)動( 圖3) , 工件的旋轉(zhuǎn)中心為坐標系原點 O, 刀具的旋轉(zhuǎn)中心到 O 的距離為 a, 旋轉(zhuǎn)半徑為 b, 假設工件不旋轉(zhuǎn), 則相當于刀具除了以 ?1逆時針自轉(zhuǎn)外, 還以 ?2順時針繞 O 公轉(zhuǎn)。令刀具旋轉(zhuǎn)中心位于A0時, 刀尖也位于y 軸上 P0點。當?shù)毒咧行墓D(zhuǎn) ?位于 A 點時, 則刀尖同時逆時針自轉(zhuǎn)?1?2?至 P 點。設P 點坐標為( x, y)則: x= OA sinOA B+ A PsinPA Ey= OA cosOA B- A PcosPA E因: OA = a A P= b OAB= ?PAE= OA P- OAB=?1?2? - ?可得:x = asin? + bsin(?1?2- 1) ?y= acos? - bcos(?1?2- 1) ?( 1)圖 3原理分析圖1. 刀尖的旋轉(zhuǎn)軌跡, 圓心位于 2 上( 半徑為 b) , 逆時針方向轉(zhuǎn)動。2. 刀盤中心的相對運動軌跡( 半徑為 a) , 圓心為工件的旋轉(zhuǎn)中心O, 順時針方向轉(zhuǎn)動。2. 2誤差分析由式( 1) 可知, 采用不同的轉(zhuǎn)速比, 其軌跡具有不同的曲線形式。若取?1?2= 2 時, 式( 1) 可簡化為x2/ ( a + b)2+ y2/ ( a - b)2= 1( 2)即變成( a+ b) 為長軸、 ( a- b) 為短軸的橢圓。 圖4 為當a= 60mm, b= 53mm時, 式( 2) 的軌跡和圓x2+ y2=8. 52mm 的軌跡。 橢圓被圓所截取的曲線段, 即為切削工件( 圖 2) 時刀尖在切削段的運動軌跡, 它與直線段的誤差僅為 0. 0064mm, 完全能滿足工件加工精度要20 制造技術(shù)與機床求。顯然, 要獲得六方必須采用三把刀具, 且刀尖要在同一圓周上均布。圖 4誤差分析圖3結(jié)構(gòu)圖 5 為主傳動系統(tǒng)圖。9、 10、 16 為三個電磁離合器, 當 9 吸合, 10 放開時, 主軸經(jīng)齒輪 7、 5、 4、 1 獲得高速, 可進行正常的車削加工。當 9 放開, 10 吸合時, 主軸經(jīng)齒輪 3、 2、 8、 6 獲得低速, 同時轉(zhuǎn)矩經(jīng)齒輪 11、 12從主軸箱輸出, 當 16 同時吸合時, 刀盤 15 經(jīng)齒輪 13、14、 19、 20、 17、 18 獲得兩倍于主軸的轉(zhuǎn)速, 此時可車方。刀盤軸的支承固定于橫溜板上, 而齒輪 19 的支座固定于大溜板上, 齒輪副 19/ 20, 17/ 18 間為活動鉸鏈支承, 使刀盤可縱向和橫向進給。改進后的 CLK6130 數(shù)控車床, 不僅增加了車方功能, 而且將數(shù)控刀架改為排刀座, 并配以自動夾緊和自動上下料裝置, 功能和效率大為提高。如圖 1 所示零件, 僅需 20s, 即可完成螺紋部分和兩平行平面的加工。圖 5傳動系統(tǒng)圖18、 1114、 1720. 齒輪9、 10、 16. 電磁離合器15. 刀盤第一作者: 李鶴, 山東滕州市魯南機床廠技術(shù)開發(fā)部, 郵編: 277500( 編輯劉茹貴) ( 收修改稿日期: 19980105) ( 上接第 6 頁)于伺服系統(tǒng)的多樣性, 目前還沒有較為成熟的裝置。4. 3反饋修正型目前的數(shù)控機床絕大多數(shù)實現(xiàn)了閉環(huán)和半閉環(huán)控制, 采用碼盤或光柵作為反饋檢測元件。 反饋修正的策略是將誤差計算量轉(zhuǎn)換成反饋測量傳感器的當量數(shù)據(jù), 反向疊加到反饋系統(tǒng)中, 利用數(shù)控系統(tǒng)位置調(diào)節(jié)功能實現(xiàn)補償。 當然, 這也只能補償運動方向上的傳動誤差( 單項) , 修正不了空間誤差。 90 年代初, 在 NIST( 美國國家標準) 支持下, 美國 Michigan 大學成功地開發(fā)出三坐標反饋修正裝置。4. 4其它方法機床構(gòu)件各點溫度差異導致熱變形, 在關(guān)鍵點進行溫度監(jiān)控, 通過在一定位置布置加熱元件或冷卻系統(tǒng), 實現(xiàn)溫度場的均衡, 減少熱誤差。德國 WaldrichCoburg 公司、 Hauser 公司及日本的安田工業(yè)公司都在機床中實現(xiàn)應用。5誤差補償?shù)膽煤桶l(fā)展誤差補償技術(shù)在 CMM 上已經(jīng)得到了較廣泛的應用。德國著名的 ZEISS 公司用該技術(shù), 產(chǎn)品精度提高40%。意大利的 DEA 公司、 美國的 GIDDINGS &LEWIS 公司及國內(nèi)有關(guān)廠家等都應用了該技術(shù)。相比之下, 數(shù)控加工機床工況復雜、 環(huán)境惡劣, 且需要對空間軌跡進行實時補償, 特別是由于數(shù)控系統(tǒng)的封閉性和多樣性, 該技術(shù)還處于試用階段。 隨著新一代開放型數(shù)控系統(tǒng)的推廣和普及, NC 型補償將變得簡單實用, 該技術(shù)已呈現(xiàn)出強大的生命力和發(fā)展前景。CAQC 技術(shù)已成為加工過程的重要組成部分( 在美國發(fā)展 QIA 技術(shù): Qualify in Automation) , 使高精度的在機監(jiān)控技術(shù)得到迅速發(fā)展, 誤差分析和補償是該技術(shù)的基礎。 目前, 天津大學在國家自然科學基金支持下, 對此進行全面系統(tǒng)的研究, 最終目標是將數(shù)控機床發(fā)展成高精度加工和檢測的集成設備。參考文獻1Liu Youwu, Zhang Qing etc. The Compensative T echnique of Posi-tioning Errors for NC M achine Tools. International Conference onIntelligent Manufacturing.Wuhan, 1995: 8438462Sheng Bohao. Comprehensive Dynamic Compensation Technologyfor Error of CNC M achine T ools.Asian Industrial TechnologyCongress. Hong Kong , 1997.3Zhang Qing , Liu Youwu etc. A Method of Enhancing the Position-ing Accuracy for NC M achine Tools. Chinese Journal of M echanicalEngineering. 1996,9( 4)4J.S.Chen etc.Real-time Compensation for Time-variant Volumet-ric Errors on a M achining Center. ASM E. 1993, 115: 4724795盛伯浩 . 數(shù)控機床誤差的綜合動態(tài)補償 .WM EM. 1995( 2)6章青 . 數(shù)控機床定位誤差建模、 參數(shù)辨識及補償技術(shù)的研究 . 天津大學博士論文, 1995.第一作者: 劉又午, 天津大學機械工程學院, 郵編:300072( 編輯徐鴻根) ( 收稿日期: 1998- 05- 07) 211998 年第 12 期收稿日期: 2002- 04- 20作者簡介: 劉裕先( 1940- ) , 男, 黑龍江齊齊哈爾人, 教授.機械工程文章編號: 1000- 1646(2003) 05- 0361- 03車方原理與應用的研究劉裕先, 于雪梅, 王? 權(quán)( 沈陽工業(yè)大學 機械工程學院, 遼寧 沈陽 110023)摘? 要: 基于行星機構(gòu)行星輪上一些點的運動軌跡為橢圓的特性, 論證了車削方軸的原理, 推導出計算車削方軸之原理誤差的數(shù)學模型與合理實施主軸頭結(jié)構(gòu)設計時關(guān)鍵尺寸參數(shù)確定的算式, 給出了車削方軸主軸頭的結(jié)構(gòu)圖.關(guān)? 鍵? 詞: 行星機構(gòu); 軌跡; 橢圓; 車削; 方軸中圖分類號: TH 12? ? ? 文獻標識碼: A1 ? 行星機構(gòu)特性的再研究若將研究行星輪系的著眼點一改傳統(tǒng)的自由度和傳動比而為行星輪上各點的運動軌跡時, 可發(fā)現(xiàn)行星機構(gòu)能夠進一步擴大應用領域. 取一中心輪(齒數(shù)為 Z1) 固定, 且行星輪齒數(shù) Z2= Z1/ 2這種具有特定尺寸關(guān)系的行星輪系, 如圖 1所示.當系桿H 主動輸入 nH, 可由經(jīng)典的行星輪系傳動比計算公式 i2H= - ( Z1- Z2) / Z2, 求得 i2H=- 1, 說明在該輪系中, 系桿帶著行星輪繞軸線作公轉(zhuǎn)一周的同時, 行星輪也與公轉(zhuǎn)方向相反, 自轉(zhuǎn)一周. 現(xiàn)考查這個既作公轉(zhuǎn)又作自傳的從動行星輪上各點的運動軌跡.圖 1? 行星輪系Fig. 1? Planetary gear train1?1? 行星輪圓心與節(jié)圓上點的運動軌跡由于行星輪的圓心點 o1, 同樣也是系桿上的一點, 因此, 無需證明, o1點的運動軌跡是以中心輪的圓心點 o 為圓心, 以 oo1線段為半徑所畫的圓. 而行星輪節(jié)圓周上任一點的軌跡, 由于嚙合運轉(zhuǎn)時相當于它在 Z1輪的節(jié)圓上作內(nèi)切純滾動, 應是典型的內(nèi)擺線, 其參數(shù)方程為x = ( R - r )cos ?+ r cos( R - r) ? / r = 2rcos ?y = ( R - r )sin ?- rsin( R - r ) ? / r = 0(1)式中 ? R 為Z1輪節(jié)圓半徑; r 為Z2輪節(jié)圓半徑;?為系桿帶著行星輪公轉(zhuǎn)的角度.從而表明它是過該點的一條內(nèi)齒中心輪 Z1的節(jié)徑(直線) .1?2? 行星輪上其余各點的運動軌跡設a 為行星輪上圓心點o1至節(jié)圓周間的任一點, 且令o1a/ o1A = ? , 當行星輪系運轉(zhuǎn)時, a 點的運動軌跡求解如下:若 Z2輪的節(jié)圓周在 Z1輪的節(jié)圓周上作純滾動且系桿轉(zhuǎn)過 ?角, 圓心 o1點運動到 o?1點, 齒輪上的 a 點運動到 a? 點( 其坐標為 x、 y), 則由于o1a = o?1a?, 從圖 1 可知x = od + ca? = oo1?cos ?+ o1?a?cos ?=r cos ?+ o1acos ?= r cos ?+ ? rcos ?=r(1+ ? )cos ? y = o1? d- o1?c = oo1?sin ?- o1? a?sin ?=rsin ?- o1asin ?= rsin ?- ? rsin ?=r(1- ? )sin ?(2)將上面二式平方后相加可得x2/ r2( 1+ ? )2+ y2/ r2(1- ? )2=? cos2?+ sin2?= 1(3)顯然, 式(3) 為橢圓方程, 故 a 點的運動軌跡是一長軸為r (1+ ? ), 短軸為 r(1- ? ) 值的橢圓.同理可證, 與 a 點對稱于Z2輪中心點 o1的另一點第 25卷 第 5 期2 0 0 3 年 1 0 月沈? 陽? 工 ? 業(yè) ? 大 ? 學 ? 學 ? 報Journal of Shenyang University of TechnologyVol?25No?5Oct. 2 0 0 3b 的運動軌跡, 是與 a 點軌跡橢圓的長短軸數(shù)值相等但x 軸與y 軸數(shù)值對調(diào)、 相互垂直的另一橢圓(見圖 1 中虛線部分), 三等分行星輪同一圓周上的三個點, 可描繪出同一中心、 同樣大小的長、短半軸, 三等分分布在中心輪內(nèi)的三個橢圓, 依此類推.這就是說, 當系桿 H 轉(zhuǎn)一周時, 行星輪上除去圓心 o1和圓周上各點外所有點的運動軌跡, 都是橢圓, 所不同的是隨著描繪橢圓軌跡的點 a 位置由行星輪圓心趨近于圓周(即 ?值由0 1), 輪上各點之軌跡橢圓的長、 短半軸數(shù)值之差亦由0 R.2 ? 車方原理若取式( 2) 中的 ?接近于 1, 則軌跡橢圓的短半軸就比長半軸小很多, 短半軸處的橢圓曲率就很小( 曲率半徑很大) , 接近于直線. 這樣若把徑向裝有車刀的主軸與行星輪同軸固聯(lián)一起, 則裝一個車刀頭, 可使在夾具中確保與中心輪同軸之工件的端頭車成對稱其軸線的兩平行平面, 刀尖點對稱于軸線徑向裝有兩把車刀, 可車成工件的正四面方頭. 刀尖點三等分主軸圓周裝有三把車刀,可將工件車成正六面的軸頭, 依此類推. 顯然, 這里都是用曲率很小的橢圓曲線代替直線, 必須做到這種替代的原理性誤差小于允差要求的程度.3 ? 車方機床的設計基于上述原理, 設計出一臺用于大批量加工操縱軸( 圖 2) 軸端方頭的專用機床.機床的運動分配, 采取把實現(xiàn)切削的旋轉(zhuǎn)運動與完成進給的直線移動分配給刀具, 而工件固定不動的方案, 這樣, 機床上實現(xiàn)車方的關(guān)鍵設計, 就集中在車方主軸頭的結(jié)構(gòu)上了.圖 2? 工件簡圖Fig. 2? Piece drawing3?1? 車方主軸頭的結(jié)構(gòu)機床上實現(xiàn)車方的主軸頭結(jié)構(gòu), 如圖 3所示.徑向?qū)ΨQ安裝兩把車刀 1 的刀桿軸 2、 法蘭盤 3和主軸 4, 由銷和螺釘固聯(lián)在一起, 經(jīng)滾動軸承安裝在裝配式曲軸( 即系桿) 7 上. 軸 7 接動力源為主動軸, 帶動刀桿軸 2 作公轉(zhuǎn). 因與刀桿軸 2 固聯(lián)之主軸4 上的齒輪 Z2( 行星輪 6) 和固定在箱體上的內(nèi)齒輪 Z1( 中心輪 5) 嚙合, 所以刀桿軸 2 在隨著系桿公轉(zhuǎn)的同時, 還與齒輪 Z2一起作自轉(zhuǎn), 這就保證了形成空間的行星運動, 并使刀尖點描繪出滿足工件尺寸要求的橢圓曲線. 曲軸的偏重, 由質(zhì)量相當?shù)钠胶鈮K 8 予以平衡. 當工件被固定在夾具中, 并調(diào)整到與系桿回轉(zhuǎn)軸線同軸后靜止不動, 而車刀在回轉(zhuǎn)的同時, 又由滑臺帶著主軸頭作直移進給, 便完成了車方工作.3?2? 車方的原理誤差分析考查圖 1中大曲率半徑處的橢圓曲線 b?b!,它被用于代替平行于 y 軸且與y 軸之距為ob 值的直線段. 顯然替代后的直線度誤差 b?b!由b 的點x坐標值 xb與 b?的x 坐標值xb?之差確定. 其中,圖 3? 車方機床車頭結(jié)構(gòu)圖Fig. 3? The spindle s structure of square machine tool? ?xb= ob = oA - o1A - o1b =2r - r - ? r = r(1- ? )而 xb?值的求解, 由于在 b?點處, 剛好 xb?= yb?,代入xb?= r( 1+ ? )cos ?b?yb?= r( 1- ? )sin ?b?362? ?沈? 陽? 工? 業(yè)? 大? 學 ? 學 ? 報第 25 卷解得 ?b?= arctg (1+ ? )/ (1- ? ). 從而得到 xb?=r(1+ ? )cos arctg (1+ ? )/ (1- ? ) , 故可算出b?b!曲線的直線度誤差 b?b!= xb- xb?= r( 1- ? ) -(1+ ? )cos arctg (1+ ? )/ (1- ? ) (4)3?3? 關(guān)鍵尺寸參數(shù)的確定由圖 1 可看出, 工件四方頭的邊長尺寸h = 2 ob = 2xb= 2r(1- ? )(5)說明 h 與式(4) 中的 b?b!一樣都是 r 與 ?的二元函數(shù).專用車方機床設計時, 通常是工件的方頭尺寸已知, 要求的直線度允差, 按零件圖紙標注及其在機器中的功能給出, 因此可通過解聯(lián)立方程 b?b!= r( 1- ? ) -(1+ ? )cos arctg ( 1+ ? )/ (1- ? ) h = 2r(1- ? )(6)求得 r 與 ?值. 顯然, r 是確定圖 3 所示主軸頭總體結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)鍵參數(shù), 而 ?是確定裝車刀的刀桿直徑和刀尖準確位置的關(guān)鍵參數(shù). 這樣求出的r 與 ?值, 直接作為車方主軸頭的結(jié)構(gòu)尺寸, 有時并不合適, 可據(jù)式 (6) , 通過減 小( 或適度增大) b?b!值, 作同時改變 r 與 ?值而保持h 值不變的調(diào)整, 從而取得車方主軸頭結(jié)構(gòu)的合理實施.參考文獻:1 曹龍華. 機械原理M . 北京: 高等教育出版社, 1989.(Chao L H. Mechanical theory M. Beijing: Higher Ed?ucation Press, 1989. )2 王景海. 行星機構(gòu)在機床上應用 J . 制造技術(shù)與機床, 2000(4): 25.(Wang J H. The application of planet in machine tooJ. Manufacture Skill and Machine Tool, 2000( 4):25. )Study of machining square spindle theory and applicationLIU Yu?xian, YU Xue?mei, WANG Quan( School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110023, China)Abstract: Based on the character that the pathways of some points on the planet are ellipses, machiningsquare spindle is demonstrated and the error model of machining square spindle is deduced. At same time,the formula of deciding the key dimensions in designing the spindle s structure and present this spindle sstructure picture are introduced.Key words: planet; pathway; ellipse; machining; square spindle363第 5 期劉裕先等: 車方原理與應用的研究? ?