基于电动数控刀架的平面凸轮轨迹研究.pdf

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1、F』■文／沈阳机床股份有限公司吕超刘建华摘要：平面凸轮锁紧方式简单可靠，不易松动，控刀架，以其锁紧可靠、不易松动的优点受到用户的在国内外生产的卧式电动数控刀架中普遍应用。本文认可这种结构通常与碟簧共同使用，锁紧过程中，对我厂生产的WDH系列刀架的平面凸轮锁紧结构进行滚子沿平面凸轮轨迹由底部爬升到平面段，从而压缩优化，改进平面凸轮的轨迹，改善滚子受力情况，有碟簧实现锁紧过程，如图1所示。凸轮轨迹设计不当，效减小了锁紧驱动力，降低了电机负载。会造成滚子爬坡吃力，电机和齿轮减速机构负载大，关键词：平面凸轮；轨迹；数控刀架；优化甚至无法实现锁紧。本文以WDH16刀架为例，通过对滚子受力

2、情况和锁紧驱动力的分析，对凸轮轨迹进行优化1．前言2．凸轮轨迹分析如图2所示，为凸轮轨迹的展开图，本文提出的凸轮轨迹均为展开后的轨迹。凸轮轨迹分为5段，分别为初始段、过渡段、爬坡段、锁紧段、缓冲段。滚子滚动到爬坡段时，碟簧开始压缩，到达爬坡段顶端时，碟簧出力最大，锁紧驱动力达到最大：经过爬坡段，滚子进入锁紧段，锁紧段为一平面，能够有效可靠的保持锁紧状态。由于刀架使用的碟簧在滚子爬坡过程中最大压缩量为0．8，高度变化量为0．25，故设计爬坡段轨迹的l1．WI)II刀架平面l”J轮锁紧结构高度差为0．35，大于碟簧的高度变化量，使碟簧从爬平面凸轮锁紧方式广泛应用于国内外卧式电动数坡

3、段开始出力。爬坡段轨迹的斜率直接影响了锁紧驱·7O·第11期数控机床市场动力的大小这里主要分析爬坡段的轨迹。674N，Fd>674N直线方程为(b为常数)：f一1．612o】【+b⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯轨j查12．2优化为Fd恒定的爬坡轨迹2．1中计算是以Nd为最大值计算的结果，实际上，随着碟簧的逐渐压缩，碟簧力Nd逐渐增大，在最大压缩量0．8mm时，Nd才达到最大值，产生的阻力也最大，在此前Nd值则较小，阻力也较小因此，爬坡曲2．1设计爬坡轨迹为直线线设计为直线并不理想。如何设计爬坡曲线，使得在如图3所示，滚子受力于斜面之上，忽略滚子重爬坡过程中，阻力为恒定值，并且该阻

4、力尽可能小，力G；Fd为锁紧驱动力，Fd最大值取决于电机带载本节将针对此问题进行分析。能力：Nd为碟簧力，按最大值取：N为压力；F为滚动可知，碟簧的受力公式为：摩擦力；为摩擦系数：斜面角度为p，B的大小决定了4Et4xK,2xf2／hoNa=研i×K[K4z一一+1】Fd是否能够克服阻力完成锁紧过程。其中，f为碟簧压缩量，Nd为变量，其余均为常数、根据力的平衡：N=Fd血p+NdCO．5~当f逐渐增大时，Nd增大，为保证阻力不变，则需使．Facosfl=Ndsinl3+FF=NE角度B随之变小。假设爬坡曲线f=F(x)上一点(XO，fo)，该点碟簧压缩量fo为碟簧预紧量，碟簧力

5、为预紧力N曲，该点切线角度为B。，阻力为恒定值C。因为l一tgfl≈1，为简化计算，可得：Fd-一1≈Na,t【艇pb+己)●一巴tgB一。×3滚f-受J分析推出：Fd=×xK42xf[K2一推出B与F吐的关系：Fd『=丽4一9一+¨-】(tgp+e)Fdc10sp=Nasinl3+E(FdsinB4-Ndc~13)设：×矗=A，=B，Fd=c，tgl3=_k可得：k为爬坡曲线在任意一点的切线斜率．．可得：]对f进行积分，可以得到凸轮曲线方程。但是这在轨迹1上，最大阻力为674N，在轨迹2上，阻个方程过于复杂，难以计算。为了简化计算过程，对力恒定为472N。考虑到爬坡曲线与其它

6、部分的衔接，碟簧特性方程进行简化。由于碟簧的特性曲线接近于根据轨迹1与轨迹2，得到整合曲线为：当f=0，55时等于轨迹2线，简化后计算的Nd较简化前略大。如表1所示另外，当f=O．8时，轨迹1的横坐标石l=6．1158裹1N简化后，轨迹2的横坐标=3．9701，即横坐标范围增加曲N●一F'mI简化方张l由。．2．1457，可求得在相同范围的等效直线的斜率为1515lN2I65lN264llN／mm256l5N^nmN1l753N^=26411f+6250．35／(12．435+2．1457)，在f=0．8

7、点的等效阻17向与1分别为碟豫Jli缩醚为=0·55~tlf=0．8时的碟赞阔0瞍。力为585N故整合曲线与等效直线比较，可减小可得：阻力585—472=113N。与轨迹1相比，可减小阻力Fd=Nd(tgp+I)=(16411f+625)(tg11+)=C674-472=202N．以，Bo：=：1．612。．=O．55，n得c=472N。3．结论~tgl3=一k=兰，可得：可见，优化后的凸轮轨迹可显著减小阻力，减小df472电机和齿轮减速机构的负载，对保护电机和齿轮有积一dx一磊+0．003