摘 要 通過(guò)對(duì)槽輪機(jī)構(gòu)的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析，提出了減小外嚙合槽輪機(jī)構(gòu)沖擊噪音的措施，并將該機(jī)構(gòu)運(yùn)用到加工中心鼓輪式刀庫(kù)上，取得了很好的實(shí)際效果。
關(guān)鍵詞 槽輪機(jī)構(gòu) 鼓輪式刀庫(kù) 加工中心
分類號(hào) th112.4271 概述
加工中心是指帶有自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床。自動(dòng)換刀裝置通常由刀庫(kù)和換刀機(jī)械手兩部分組成，也有將兩部分集成在一起組成無(wú)機(jī)械手自動(dòng)換刀裝置。自動(dòng)換刀裝置的刀庫(kù)用來(lái)貯存加工中心機(jī)床在加工過(guò)程中所需要的各種刀具。在自動(dòng)換刀過(guò)程中，要求刀庫(kù)能夠按照數(shù)控裝置發(fā)出的選刀指令選出所需要的刀具，并準(zhǔn)確地停在換刀位置上，以便于自動(dòng)更換刀具。加工中心機(jī)床的刀庫(kù)型式種類繁多，常見(jiàn)的有鼓輪式、鏈?zhǔn)?、格子箱式等，其中鼓輪式刀?kù)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，在加工中心機(jī)床上獲得了廣泛的應(yīng)用。鼓輪式刀庫(kù)的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)方式通常有兩種，一種是由伺服電機(jī)通過(guò)減速裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；另一種是采用普通電機(jī)經(jīng)減速后通過(guò)外嚙合槽輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，回轉(zhuǎn)速度快，定位準(zhǔn)確，但由于選用了伺服電機(jī)，電氣控制復(fù)雜，制造成本高。后者采用機(jī)械方式分度定位，可靠性高，雖然定位精度較前者低，但完夠滿足加工中心機(jī)床的要求。由于選用了普通電機(jī)，電氣控制簡(jiǎn)單，制造成本比前者低。在目前生產(chǎn)的鼓輪式刀庫(kù)的加工中心機(jī)床上很多采用槽輪機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)的分度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
2 槽輪機(jī)構(gòu)的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
槽輪機(jī)構(gòu)（又稱馬爾他機(jī)構(gòu)）能把主動(dòng)軸的勻速連續(xù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為從動(dòng)軸的周期性間歇運(yùn)動(dòng)，常用于各種分度轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)中。槽輪機(jī)構(gòu)有三種基本類型：外嚙合槽輪機(jī)構(gòu)、內(nèi)嚙合槽輪機(jī)構(gòu)和球面槽輪機(jī)構(gòu)。加工中心鼓輪式刀庫(kù)采用外嚙合槽輪機(jī)構(gòu)。外嚙合槽輪機(jī)構(gòu)工作原理如圖1所示，它由轉(zhuǎn)臂（主動(dòng)曲柄）1、槽輪2、滾子3和鎖止盤(pán)4組成。
圖1 外嚙合槽輪機(jī)構(gòu)原理圖
外嚙合槽輪機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)軸線與槽輪回轉(zhuǎn)軸線平行。通常轉(zhuǎn)臂作等速回轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)臂上的滾子進(jìn)入槽中，就拔動(dòng)槽輪作反向轉(zhuǎn)位運(yùn)動(dòng)，當(dāng)滾子從槽中脫出，槽輪即靜止不動(dòng)，并由鎖止盤(pán)定位。當(dāng)只有一個(gè)滾子時(shí)，轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)一周，槽輪作一次轉(zhuǎn)—停的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。
外嚙合槽輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：
（1）滾子進(jìn)入和脫出槽口的瞬時(shí)位置，轉(zhuǎn)臂中心線與槽的中心線相垂直，使槽輪轉(zhuǎn)位起、停瞬時(shí)的角速度ω0=0,避免了剛性沖擊。
（2）槽輪齒數(shù)z為3～18。
（3）槽輪轉(zhuǎn)位起、停時(shí)的角加速度ε0與槽數(shù)z有關(guān)，z越少，ε0越大，即有不同程度的柔性沖擊。
（4）鎖止盤(pán)的定位精度低。充分度精度要求高時(shí)，必須附加定位裝置。
（5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，工作可靠，機(jī)械效率高。
3 減小槽輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)沖擊的措施
由于槽輪的角加速度變化較大，且在轉(zhuǎn)位過(guò)程的前半階段與后半階段的角加速度方向不同，因此當(dāng)槽與滾子之間存在間隙時(shí)，會(huì)產(chǎn)生沖擊。為了減小沖擊應(yīng)采取以下措施：
（1）減小或消除滾子和槽之間的間隙。
（2）消除銷開(kāi)始進(jìn)入槽時(shí)的間隙，應(yīng)使槽輪的實(shí)際外圓半徑ra略大于槽輪名義外圓半徑r,取,式中ra為滾子半徑，見(jiàn)圖2,以消除滾子開(kāi)始進(jìn)入槽時(shí)滾子與槽兩側(cè)頂端的間隙△。
圖2 滾子開(kāi)始進(jìn)入槽時(shí)的示意圖
（3）使槽輪具有適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)動(dòng)慣量j2,使|j2ε2|z,mz為槽輪的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。
（4）增加槽輪組件的回轉(zhuǎn)阻尼。
4 應(yīng)用實(shí)例
圖3為th5640型立式加工中心鼓輪式刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。主要元件有：（1）刀庫(kù)電機(jī)；（2）減速器；（3）支架；（4）曲柄；（5）刀柄；（6）槽輪；（7）鼓輪；（8）鎖止盤(pán)；（9）滾子；（10）刀位檢測(cè)開(kāi)關(guān)；（11）滑動(dòng)軸承；（12）回轉(zhuǎn)軸等。
圖3 刀庫(kù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
該刀庫(kù)可容納18把刀具，即槽輪的齒數(shù)為18。刀庫(kù)的回轉(zhuǎn)選刀由刀庫(kù)電機(jī)通過(guò)減速器帶動(dòng)曲柄回轉(zhuǎn)，曲柄每回轉(zhuǎn)一周，槽輪轉(zhuǎn)過(guò)20°,刀庫(kù)鼓輪轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)刀位，并由鎖止盤(pán)定位。刀庫(kù)上的刀位信號(hào)由兩只開(kāi)關(guān)聯(lián)合發(fā)出，在刀庫(kù)的一號(hào)刀位上安裝一只擋鐵，在支架上安裝一只檢測(cè)開(kāi)關(guān)（圖3中均未表示出來(lái)），機(jī)床開(kāi)機(jī)后，刀庫(kù)自動(dòng)回轉(zhuǎn)尋找一號(hào)刀位（基準(zhǔn)刀位），當(dāng)一號(hào)刀位上的擋鐵觸發(fā)支架上的檢測(cè)開(kāi)關(guān)后刀庫(kù)停止回轉(zhuǎn)，刀庫(kù)的當(dāng)前刀位為一號(hào)刀位，刀庫(kù)處于初始狀態(tài)。其余刀位信號(hào)由安裝在曲柄上的擋鐵觸發(fā)刀位檢測(cè)開(kāi)關(guān)10進(jìn)行累計(jì)計(jì)數(shù)，曲柄每回轉(zhuǎn)一周即刀庫(kù)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)刀位觸發(fā)一次。通過(guò)控制刀庫(kù)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)的雙向選刀。
為了減小刀庫(kù)的選刀轉(zhuǎn)位過(guò)程中的沖擊噪音，在設(shè)計(jì)上采取了如下一些措施。
（1）使槽輪的實(shí)際外圓半徑略大于名義外圓半徑。槽輪名義外圓半徑r=150 . cos10°=147.72,實(shí)際外圓半徑。
（2）通過(guò)調(diào)整兩只平面軸承的壓緊力，適當(dāng)增加槽輪組件的回轉(zhuǎn)負(fù)載，同時(shí)選用鋁合金材料制造刀庫(kù)鼓輪，回轉(zhuǎn)軸采用空心結(jié)構(gòu)，減小槽輪組件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
（3）回轉(zhuǎn)軸的徑向支承軸承為滑動(dòng)軸承，并選用聚四氟乙烯作為軸承材料，使軸承的間隙為零，增加槽輪組件的回轉(zhuǎn)阻尼。
通過(guò)采取以上措施，在利用槽輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)克服了其結(jié)構(gòu)本身固有的缺點(diǎn)，取得了很好的實(shí)際效果。