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曲柄滑塊在榫槽側拉床 C 形搖籃機構中的應用
2018-10-24  來源:浙江暢爾智能裝備股份有限公司  作者: 劉中華,劉普襄,呂曉天

       摘 要:將曲柄滑塊機構應用于自主研發的榫槽側拉床的 C 形搖籃機構中,從而有效地保證了拉床的精度,又降低了零件加工與裝配的難度,使榫槽側拉床國產代替進口成為可能。

       關鍵詞:曲柄;滑塊;機構;精度;拉床

       0、 引 言

       榫槽側拉床,是高精密機床,主要用來加工飛機發動機、汽輪機渦流盤及民用透平機械上的榫槽和榫頭,屬于國防工業的尖端裝備,國外擁有該項技術的國家對我國進行技術封鎖。我們開發榫槽側拉床,意義不僅是代替進口,而是體現我國尖端裝備的技術水平,打破西方的技術壁壘和技術封鎖,具有巨大的政治意義和社會效益。曲柄滑塊機構是一種典型的傳動機構,在實際應用中主要用來傳遞動力,例如柴油發動機、蒸汽機等。榫槽的拉削過去常采用在臥式液壓內拉床上進行拉削,由于效率低、質量不穩定、勞動強度大等缺點,已逐步被淘汰。我公司研制的榫槽側拉床采用臥式側向結構,該類結構剛性好,有利于保證產品精度與光潔度。拉削行程設計時可長可短,不受限制??梢淮涡谐套儍煞N拉削速度,可滿足粗拉和精拉分開,采用兩種拉削速度的特殊要求。臥式側拉床比立拉在操作、維修等方面均較方便。

       1、 國外先進高速側拉床介紹

       國外著名生產榫槽側拉床的企業有英國的拉普波音特、美國的辛辛那提、德國的霍夫曼(機床實體如圖 1)以及日本的不二越公司(機床實體如圖 2)等。榫槽側拉床的關鍵技術就在于驅動 C 形搖籃的角度位置變換的傳動方式,國外先進水平的企業對其一般采用兩種傳動方式:1)齒輪傳動(其中包括直齒和斜齒),如圖 3 結構所示;2)蝸輪蝸桿傳動,如圖 4 所示。因為 C 形滑臺的結構特點,采用齒輪傳動時,大齒輪必然要做成扇形塊;采用蝸輪蝸桿傳動時,蝸輪也必然要做成扇形狀。無論是扇形大齒輪還是扇形蝸輪,在材料力學上都存在這樣的問題:齒形的中間部位,內應力小,張力也小,兩端尖頂部,內應力大,張力也大。所以在扇形的不同位置,扇形齒輪和扇形蝸輪的齒部變形量是不一樣的,必然會影響角度精度。因為機床的精度要求較高,再結合機床的零件比較龐大,致使這兩種傳動方式對加工和裝配要求都很高,在我國現有的技術條件下很難達到,或者說即使達到了,生產成本也是很高,甚至還要付出沉重的代價,因此該機床在我國沒有研發,長期依靠進口,這一技術難題一直未能突破,榫槽側拉床的研制工作一直沒有很大進展。然而,真正的大型高精密榫槽側拉床是進口不到的,我們必須突破這一瓶頸。
 
  
 
圖 1 德國霍夫曼榫槽側拉床實體圖
 
  

圖 2 日本不二越榫槽側拉床實體圖
 
  

圖 3 齒輪驅動 C 形搖籃機構示意圖
 
  

圖 4 蝸輪蝸桿驅動 C 形搖籃機構示意圖

       2 、我公司研發榫槽側拉床 

       C 形搖籃機構所采用的驅動方式基于上述原因,我們公司在研發榫槽側拉床時,另辟蹊徑,將曲柄滑塊機構應用到該機床的 C 形搖籃機構中。曲柄滑塊機構是一種典型的傳動機構,在實際應用中主要用來傳遞動力,例如柴油發動機、蒸汽機等。C 形滑臺是一種榫槽側拉床中 C 形搖籃機構的關鍵部件,在工作時,C 形滑臺須沿著弧形導軌旋轉,與 C 形滑臺中心垂直線(或水平線)形成一定的夾角。這種榫槽側拉床,對 C 形滑臺的旋轉夾角精度要求很高,定位精度:10",重復定位精度:6"。

       從圖 5 中可以看出,C 形滑臺相當于曲柄,形成了曲柄+連桿+滑塊的曲柄滑塊機構。曲柄滑塊機構有兩種驅動方式:第一種:曲軸為主動軸,通過曲軸的曲柄驅動連桿,連桿不間斷地變換角度位置,從而帶動滑塊做往復直線運動;第二種:滑塊為主運動,帶動連桿運動,而連桿通過曲軸的曲柄,不間斷地變換角度位置,從而使曲軸做旋轉運動。從圖 5 中,我們可以看出,機構的動力源在于滑塊側,采用的是第二種驅動方式。其基本工作原理:伺服電動機通過減速機、聯軸器、滾動軸承和滾珠絲杠驅動滑塊,滑塊在導軌內作直線運動,再通過連桿和銷軸 I、銷軸II,帶動 C 形滑臺(相當于曲柄)作圓周運動,從而實現 C形滑臺面的角度偏斜。在設計時,圖 5 中 α 角度取值范圍為 17°~92°,從而有效地避開了連桿運動的拐點 (即死點)。
 
 
圖 5 曲柄滑塊機構驅動 C 形搖籃機構示意圖

       3、 數學模型建立

       根據曲柄滑塊機構的工作原理并結合實際中的圖 5的工作情況,簡化機構,可以得到滑塊直線位移與 C 形滑臺的旋轉角度位置的對應值,建立數學模型如圖 6 所示。機構設計完成后,OC 的長度 R、BO 的長度 L0以及 AC 的長度 L1即為定值(數值已知),由余弦定理可知:AC2=OA2+OC2-2×OA×OC × cos∠AOC 。代入相應的數值可得L12=(L0-L)2+R2-2×R(L0-L)×cosα 。由曲柄滑塊機構在該機床的應用轉動范圍,可知 α的角度為 17°~92°,根據余弦函數在該區間的是單調的,另外所有的長度尺寸均為正值,且存在 L0>L 的關系,利用現有設計數據,通過 EXCEL 可擬合 C 形滑臺旋轉角度值 α 與 AB 長度值 L 的函數圖像如圖 7 所示。
 
  
圖 6 曲柄滑塊機構在 C 形搖籃機構中的數學模型
 
  
圖 7 α 與 L 函數函數圖像

       從函數圖像中可以看出,兩個未知數(α 與 L)成一一對應的關系,即知道被加工件的傾斜角度,就可以通過轉動伺服電動機驅動滑塊調整位置來實現,以達到所要求的位置。

       4 、結 論

       本文介紹了一種驅動榫槽側拉床 C 形搖籃機構的新方式,巧妙地將圓弧運動的角度變化轉變為直線方向上的位移變化,實現了直線位移與角度位移的一一對應。不僅降低了加工成本,還降低了對裝配的要求,節約了成本.

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