双回转数控轴传动单元的设计

王 胜,刘廷辉

(1.沈阳市政府投资项目评审中心,辽宁 沈阳 110014)(2.沈阳机床成套设备有限责任公司，辽宁 沈阳 110142)

双回转数控轴传动单元的设计

王 胜1,刘廷辉2

(1.沈阳市政府投资项目评审中心,辽宁 沈阳 110014)(2.沈阳机床成套设备有限责任公司，辽宁 沈阳 110142)

现代加工单元经常运用多工位、多数控轴的复合结构形式，双回转数控轴传动单元是其中一种重要部件，它可以随回转圆盘的回转交换到不同的工位，而其驱动伺服电机并不随回转圆盘回转。通过设计新的离合机构，解决了双回转数控轴传动单元的动力传递及控制信号的传输问题，同时减少了伺服电机的数量，降低了制造成本。

双回转数控轴;传动;设计

1 问题的提出

随着数控技术的普及，在现代加工单元(如多工位数控抛光机)中经常遇到多工位、多轴的复合结构形式，这种多轴、多工位的加工单元，可以对由任意空间曲面组成的金属小件表面进行高效光整加工。

圆盘式6工位数控抛光机就是一款用于光整加工的高效现代加工单元。圆盘式6工位数控抛光机设有6个工位：2个上下料工位、2个粗抛光工位和2个精抛光工位。6个双回转数控轴传动单元均匀分布在回转圆盘的同一圆周上，4台4轴数控单元按60°间隔分布在抛光机回转圆盘的一侧，另一侧为2个上下料工位，如图1所示。

图1 圆盘式6工位数控抛光机

加工工位的4轴数控单元由3个直线数控坐标轴和1个回转数控坐标轴组成，它和对应的双回转数控轴传动单元构成6轴数控加工系统。4轴数控单元抛光轮的旋转是主运动，工件通过夹具装在双回转数控轴传动单元，可随着回转圆盘的分度运动，交换到不同的工位，在不同的工位做水平和垂直的数控回转运动。

由于圆盘式6工位数控抛光机的抛光工艺要求回转圆盘只能按一个方向旋转，如何解决双回转数控轴传动单元的动力电及控制信号的传输问题，成为圆盘式多工位数控抛光机设计的技术关键。如果将双回转数控轴传动单元的驱动伺服电机安装在回转圆盘上，就有12个伺服电机随着回转圆盘间歇地向一个方向旋转，伺服电机就需要采用滑环形式实现动力电和信号的传输。采用这种方式，还存在着伺服电机的位置不断变化的问题，要实现各工位的不同加工程序将十分困难。那么能否将双回转数控轴传动单元分为执行部分和驱动部分，将它们分别安装在抛光机的回转圆盘和固定底盘上，设计一种独特的离合机构，在回转圆盘分度时，它们不必抬起分离，在回转圆盘定位时，也不需要落下结合呢？如果可行的话，既解决了走线和加工程序编制的问题，又可以减少伺服电机的数量(在2个上下料工位就不必设置伺服电机)，降低制造成本。因此，在解决回转圆盘分度和定位后，双回转数控轴执行部分和驱动部分传动的离合就成了设计的关键。

2 结构设计

在设计圆盘式6工位数控抛光机的双回转数控轴传动单元时，经过查阅大量的技术资料，发现用于传动机构的离合器很多，但没有可以直接使用的。比较适合的如牙嵌式离合器，如果采用这种离合器，为了保持工件在传动链处于分离状态时的回转坐标位置(即工件姿态)不变，就必须设置从动轴的锁紧机构,这样做不但结构非常复杂,而且增加了松开和锁紧时间，既影响生产进度，又增加了成本。综合考虑,最终设计了一种新的离合机构，即在执行单元和驱动单元的垂直轴连接处，设置了与回转圆盘同心的圆弧形端面键，实现动力的传递。

a.双回转数控轴传动单元的技术参数。

A轴(水平轴)：扭矩33N·m；转速0.1～100r/min

B轴(垂直轴)：扭矩33N·m；转速0.1～100r/min

伺服电机：扭矩1.1 N·m

转速3 000 r/min

降速比：1∶30。

b.传动系统设计。

采用降速比为1∶30的标准蜗轮减速机完成降速，其余传动副均为1∶1传动。

c.结构设计。

图2是圆盘式多工位双回转数控轴传动单元的结构示意图。

1—水平回转轴;2—垂直回转支架;3—执行单元法兰座;4—回转圆盘;5—固定底盘;6—驱动部分支座;7—同步齿形带皮带;8—水平回转轴驱动伺服电机;9—垂直回转轴带轮;10—水平回转驱动轴;11—垂直回转驱动轴;12—垂直回转传动轴;13—水平回转传动轴;14—锥齿轮;15—水平传动轴;16—锥齿轮;17—主动齿轮;18—从动齿轮;19—导向键;20—蜗轮减速箱

为便于表述，将双回转数控轴传动单元分为以下4个部分：

(1)驱动部分：在固定底盘5上装有驱动部分支座6，在支座6内部通过轴承支撑垂直回转驱动轴11(空心轴)，垂直回转驱动轴11的孔内通过轴承安装水平回转驱动轴10，垂直回转驱动轴11的下端装有垂直回转轴带轮9，由同步齿形带7驱动作B轴回转运动；在垂直回转轴带轮9的端面安装蜗轮减速箱20，水平回转轴驱动伺服电机8安装在蜗轮减速箱20上，其轴通过平键与蜗轮减速箱20的输入轴相连，水平回转驱动轴10同样是通过平键与蜗轮减速箱20的输出轴联接，水平回转轴驱动伺服电机8通过蜗轮蜗杆减速机驱动水平回转驱动轴10作A轴回转运动。

(2)执行部分：在回转圆盘4上装有执行单元法兰座3，法兰座3内部通过轴承安装垂直回转传动轴12(空心轴)，在垂直回转传动轴12的上端面装有垂直回转支架2，以实现双回转数控轴的传动单元中垂直轴的回转运动。在垂直回转传动轴12的孔内通过轴承安装水平回转传动轴13，水平回转传动轴13的上端面装有锥齿轮14，它与锥齿轮16啮合，锥齿轮16安装在水平传动轴15的左端，水平传动轴15的右端装有主动齿轮17，它与从动齿轮18啮合，从动齿轮18装在水平回转轴1上，实现水平回转轴的回转运动。

(3)驱动部分与执行部分的运动传递：为解决执行分单元与驱动部分传动轴的运动传递问题，在水平回转驱动轴10和垂直回转驱动轴11上端面设置了圆弧形端面凸键；在水平回转传动轴13和垂直回转传动轴12的下端面设置了圆弧形端面凹键。通过圆弧形端面键将垂直回转驱动轴11和水平回转驱动轴10的回转运动传递给垂直回转传动轴12和水平回转传动轴10。传动轴的圆弧形端面凹键如图3所示。

图3 垂直回转传动轴效果图

(4)双回转轴的定向：为了使圆盘式6工位抛光机的双回转数控轴传动单元在回转圆盘回转进行工位交换时，保持双回转数控轴的坐标位置不变及圆弧形端面凸键和凹键的顺利啮合，在固定圆盘5上设计了一周环形导向键19。执行单元上的2个数控轴完成加工任务后，各自的伺服电机回零，使得圆弧形端面的凹键与环形导向键19吻合。在回转圆盘分度回转时，由导向键19导向保持工件的回转坐标位置(即工件姿态)不变，并顺利与驱动部分的凸键相结合。这样，在回转圆盘分度时，回转圆盘就不需要抬起和落下，也不必设置锁紧机构。该传动单元具体结构的三维效果图如图4所示。

图4 双传动单元结构三维效果图

3 结束语

圆盘式多工位数控抛光机双回转数控轴传动单元设计非常巧妙、经济实用，它简化了机械结构，造价低，实现了多工位多、数控轴加工单元的功能。

DesignofDual-axisCNCRotaryUnit

WANG Sheng1, LIU Tinghui2

(1.Shenyang Government Investment Project Evaluation Center, Liaoning Shenyang, 110014, China)(2.Shenyang Machine Tool Equipment Co.Ltd.,Liaoning Shenyang,110142,China)

There are common forms such as multi-site, multi- axis CNC compound form in modern processing unit. The dual-axis CNC rotary unit is one of the most important parts. It introduces the performance of this dual-axis CNC rotary unit such as rotary with the rotating disc swap to a different station but rotating of the driving motor with the rotating disc. It develops a new type of the clutch mechanism, solves the problem of power transmission and control signal transmission for dual CNC rotary unit. This mechanism can reduce the number of servo motors and manufacturing costs.

Dual -axis CNC Rotary Drive Unit; Transmission; Design

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.02.019

2013-10-14

王胜(1965—)，男，辽宁大连人，沈阳市政府投资项目评审中心高级工程师，硕士，主要从事机械设计与制造领域工程技术研究及管理工作。

TH122

B

2095-509X(2014)02-0079-03