數控銑床三個同時旋轉工作臺的設計研究
2018-11-22 來源：柳州職業技術學院 柳州市超凌順機械公司 作者： 韋江波 曾慶飛 高茂濤
摘要： 現有數控銑床四軸旋轉工作臺只能在工作臺上安裝一套夾具，加工種類單一且效率低下。針對數控銑床四軸旋轉工作臺的結構特點，設計出三個方向同時旋轉工作臺。當電機驅動時，可實現三個工作臺同時旋轉，且旋轉的角度相同。由于三個旋轉工作臺分別分布在箱體三個側面，因此可安裝不同的夾具、加工不同種類的零件，節省了頻繁更換夾具的時間，提高了生產效率。
鍵詞： 旋轉工作臺；數控銑床；手輪；伺服電機
0 引 言
單旋轉工作臺是指在數控銑床移動工作臺上安裝一個旋轉工作臺，旋轉工作臺的箱體上只有一個垂直面安裝水平軸的旋轉夾頭法蘭盤，如圖 1 所示，圖中箱體 1 位置內部安裝有伺服電機和機械傳動裝置，伺服電機與數控銑床的控制系統連接。伺服電機通過伺服系統控制帶動旋轉工作臺 2 繞圓盤水平軸回轉中心做圓周轉動。
數控銑床的旋轉工作臺通常作為附加工作臺使用，主要用于加工軸類、回轉類零件如葉輪和凸輪，在航空、船舶、汽車等制造領域廣泛使用。但是單旋轉工作臺一次只能裝夾一個零件進行加工，工作效率較低， 只能滿足新產品試制等單件、 小批量零件的加工， 無法滿足現代規模企業的大批量生產加工要求。因此，筆者在現有單旋轉工作臺的基礎上進行了內部傳動的改進設計，在原有旋轉工作臺箱體上增加兩個水平軸旋轉工作臺，即三個同時旋轉工作臺。該工作臺三個方向都可獨立安裝一套夾具，能完成不同種類零件的加工，使加工效率大大提高。
圖 1單旋轉工作臺
圖 2數控銑床三個同時旋轉工作臺簡圖
1 、三個同時旋轉工作臺的設計思路
在旋轉的工作臺的箱體有四個垂直面， 在其中三個垂直面上設置三個水平軸同步旋轉的工作臺，剩下一個垂直面安裝工作臺旋轉輸入動力裝置，如圖 2 所示。輸入軸 4 在手輪或伺服電機的驅動下，通過傳動軸帶動同軸的水平軸旋轉工作臺 1、2 同步轉動，水平軸旋轉工作臺 3 采用圓錐齒輪傳動方式與旋轉工作臺 1、2 的軸連接而實現同步轉動。于每個旋轉工作臺都在一個獨立的垂直坐標軸上，因此在旋轉工作臺上安裝夾具和零件時互不干涉，能夠安裝三個不同或相同的夾具，實現一個加工循環同時裝夾三個工件，減少數控銑床的停機次數和裝夾輔助時間并提高工作效率，適應大批量生產的要求。
2 、數控銑床三個同時旋轉工作臺的結構設計
2.1 伺服電機驅動方式結構
根據以上設計思路，設計了數控銑床三個同時旋轉的水平軸工作臺及其驅動方式，其結構如圖 3 所示。水平位置的轉動軸 4 的兩端分別通過軸承固定在箱體 6 和軸承座 9 上；水平位置的傳動軸 7 一端安裝在箱體 6 上，中間端由軸承座 13 固定，實現傳動軸 7 的穩定支撐。當轉動軸 4 受手輪或伺服電機驅動而轉動時，固定于軸 4 上的齒輪 10 也轉動，與齒輪 10 嚙合的齒輪 11 隨之轉動，齒輪 11 帶動蝸桿軸 5轉動，與蝸桿 5 嚙合的蝸輪 8 產生轉動。蝸輪 8 固定在水平位置的傳動軸 12 上，傳動軸 12 轉動時，傳動軸 12 上的錐齒輪 15 與相嚙合的錐齒輪 14 同時轉動，錐齒輪 15 和錐齒輪 14 齒輪大小、齒數、錐度均相等，且軸交角為 90°，當傳動軸 12 轉動時，傳動軸 7 也產生轉動，且轉動的角度相等。由于傳動軸 12 兩端分別連接著工作臺 1、2，傳動軸 7 的一端連接工作臺 3，當傳動軸 12 轉動時，工作臺 1、2、3 同時轉動，且轉動的角度相同。同時，為使數控銑床的三個同時旋轉工作臺在使用時操作方便，在旋轉工作臺底部設計一個旋轉的底座如圖 4 所示，以便根據實際加工需要使用手輪搖動控制，將旋轉工作臺整體轉動到相應位置。
圖 3 伺服電機驅動方式結構圖
1、 2、 3.旋轉工作臺 ， 4.轉動軸 ， 5.蝸桿軸 ， 6.箱體 ， 7.傳動軸 ， 8.蝸輪 ， 9.軸承座 ， 10.齒輪 ， 11.齒輪 ， 12.傳動軸 ，13.軸承座， 14.錐齒輪， 15.錐齒輪
2.2 手輪驅動方式結構
數控銑床三個同時旋轉工作臺的轉動也可以通過手搖方式驅動， 手輪驅動方式結構如圖 4 所示，在結構上增加了傳動軸組件，即三個水平軸同時旋轉工作臺本體結構不變，在動軸的末端處安裝有刻度和指針，同時相鄰的端蓋上安裝有刻度盤。當以手輪方式驅動轉動軸 4 旋轉時，帶動傳動軸12 上的錐齒輪 15 兩側錐齒輪同時轉動一個角度，而傳遞到傳動軸末端的指針也轉動相同的角度，這個角度與旋轉工作臺轉動的角度相同。因此在手輪方式驅動傳動軸 4 旋轉時，可以通過觀察指針在刻度盤上旋轉角度來判斷旋轉工作臺的實際旋轉角度值，這種直接傳遞的方式可以有效的減小誤差，提高測量角度的精準性。
圖 4手輪定位操作方式結構圖
3 、在數控銑床工作臺上安裝與使用
3.1 伺服電機驅動方式
數控銑床三個同時旋轉工作臺在使用時為了操作便利，在底部設計一個旋轉底座如圖 5 所示。采用伺服電機驅動時， 三個同時旋轉工作臺放置在數控銑床工作臺中間偏 Y 軸正方向偏上位置如圖 6 所示，伺服電機伸出長度不能超過數控銑床工作臺 Y 方向的極限位置，避免與機床發生碰撞。從圖中布局可看出，三個旋轉工作臺的位置均留有一定的空間，且操作的方向在朝機床的外側和兩側面，不存在盲區，因此使用更為便利。從加工的范圍來看，與手輪操作相同，只適合于加工小型零件，不同的是旋轉角度采用伺服電機定位，準確度高，且不容易出錯。
圖5 旋轉底座
圖6 伺服電機驅動的布局
圖 7手輪操作的布局
3.2 手輪驅動操作方式
三個同時旋轉工作臺采用手輪驅動時， 手輪放置在數控銑床工作臺上 Y 軸負方向偏下位置如圖 7所示，主要是為了給 Y 軸正方向留出充足的空間。連接手輪的傳動軸一端方向朝機床外側，是為了方便操作人員觀察和旋轉調整角度。
這樣的布局三個方向均有一定的空間安裝夾具和零件，但是空間有限，適合于加工小型或短軸類零件，這類零件通常不用尾座頂錐固定，操作更靈活。由于手輪的方向朝外，朝機床里面的旋轉工作臺安裝夾具和零件時，可通過旋轉底座 90°或 180°方向進行安裝，待零件安裝好后，旋轉回到原始的安裝位置即可。
在數控銑床上加工三種相同或不同回轉類零件時，分別在三個旋轉工作臺上安裝上專用夾具或三爪卡盤， 且與旋轉工作臺的回轉中心同軸線， 然后在安裝好的零件上設定三個不同坐標系 （如 G54、G55、G56），根據旋轉工作臺的方向編寫相應的 NC 程序 ，便可以實現三個零件的加工 。
對于手輪旋轉角度操作更適合于加工同一種零件，當調整好角度后三種零件同時加工，然后再旋轉角度進行下一工步加工。如在三個旋轉工作臺上安裝三個不同形狀零件進行加工，角度的調整過于頻繁會增加操作者勞動強度。
4 、應用效益分析
在數控銑床現有單個旋轉工作臺的基礎上增加兩個同為水平軸的旋轉工作臺，形成分布在工作臺箱體三個垂直面上的三個同步旋轉工作臺，三個旋轉工作臺共用一套旋轉動力裝置，雖然體積比單旋轉工作臺要大些，但不會影響數控銑床的正常使用，在保持每個旋轉工作臺的操作方法和基本功能不變的條件下，將獲得如下效益。在進行大批量工件生產加工時，能夠在一次停機裝夾工作中，同時裝夾三個待加工工件并逐個進行加工，每次裝夾可完成三個零件的加工，從而大大減少裝夾輔助時間并提高數控銑床的加工工作效率。
對于多品種小批量工件的生產加工，可在工作臺上同時安裝和保留 2 至 3個夾具，選擇相應的夾具完成對應工件的加工，其余夾具可保留夾具在旋轉工作臺上，不用頻繁裝卸調試夾具，在提高工作的效率的同時，也大大降低了操作者的勞動強度，減少重復勞動。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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