雙齒條驅(qū)動交換臺站的設(shè)計

孫崗存 袁 麗

（①沈陽機床股份有限公司，遼寧沈陽 110141;②沈陽合金材料有限公司，遼寧沈陽 110179）

1 概述

交換臺站是臥式加工中心的重要組成部分，尤其在小型臥式加工中心中，交換臺站設(shè)計的好壞將直接影響雙工作臺的交換時間，進而影響機床的加工效率。我廠以前的TH6563×63A型臥式加工中心，因采用推拉式交換臺站結(jié)構(gòu)，存在交換速度慢等缺點。因此，我們在設(shè)計HMS63型臥式加工中心時，采用了具有交換速度快、旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠的直接旋轉(zhuǎn)式雙齒條驅(qū)動的交換臺站。

本文以HMS63型臥式加工中心的雙齒條驅(qū)動交換臺站的設(shè)計為例，講述雙齒條驅(qū)動交換臺站的設(shè)計過程。根據(jù)機床的總體方案，制定雙齒條驅(qū)動交換臺站的主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

交換臺站主要由交換臺底座、旋轉(zhuǎn)支架、液壓油缸、回轉(zhuǎn)臺座和工作臺板等組成（圖1）。豎直固定在交換臺底座上的液壓油缸使工作臺板及旋轉(zhuǎn)支架浮起、落下。水平固定在交換臺底座上的液壓油缸，通過驅(qū)動雙齒條與齒輪嚙合旋轉(zhuǎn)，使工作臺板及旋轉(zhuǎn)支架旋轉(zhuǎn)180°來完成工作臺板的交換。由于小型臥式加工中心大都采用2個工作臺板，當(dāng)一塊在回轉(zhuǎn)工作臺上的工作臺板在加工工件時，另一塊在回轉(zhuǎn)臺座上的工作臺板可以裝卸工件，從而減少了加工輔助時間，明顯提高了機床的工作效率。

從浮起和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)剖視圖（圖2）中可以看到，當(dāng)工作臺需要交換時，液壓油開始進入浮起油缸的上部油腔，迫使旋轉(zhuǎn)支架帶動2塊工作臺板浮起;接著，液壓油進入旋轉(zhuǎn)油缸，推動齒條水平運動，通過齒輪齒條的嚙合帶動旋轉(zhuǎn)支架和工作臺板旋轉(zhuǎn)180°;最后，液壓油進入浮起油缸的下部油腔，在油壓和重力的作用下，迫使旋轉(zhuǎn)支架帶動2塊工作臺板落下，從而完成1次工作臺的交換。在浮起油缸的浮起和落下行程到位后，都會有無觸點開關(guān)及時反饋信號來保證浮起、落下平穩(wěn)可靠;在旋轉(zhuǎn)油缸帶動旋轉(zhuǎn)支架及工作臺板旋轉(zhuǎn)到位后，也會有無觸點開關(guān)及時反饋信號來保證交換臺板的準(zhǔn)確度。

從雙齒條旋轉(zhuǎn)機構(gòu)剖視圖（圖3）中可以看到，當(dāng)旋轉(zhuǎn)支架需要旋轉(zhuǎn)時，液壓油開始進入油腔1，推動齒條1向左水平運動，齒條1和齒輪嚙合，迫使齒輪帶動旋轉(zhuǎn)支架逆時針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)固定在齒條1左部的活塞撞到左面油缸的小活塞上時，小活塞需要克服油腔3內(nèi)的油壓，從而減小了沖擊，使運動平穩(wěn);在齒條1向左水平運動的同時，齒輪會驅(qū)動齒條2迫使齒條2克服油腔2內(nèi)一定的油壓向右水平運動，當(dāng)固定在齒條2右側(cè)的活塞撞到行程定位塊后，旋轉(zhuǎn)運動停止。4個油缸的端部都設(shè)計有緩沖閥結(jié)構(gòu)，能夠起到很好的緩沖作用，使旋轉(zhuǎn)運動快速平穩(wěn)、沖擊小。由于雙齒條同時與一個齒輪嚙合，可以很好地消除齒輪與齒條的間隙，使旋轉(zhuǎn)運動準(zhǔn)確可靠。當(dāng)旋轉(zhuǎn)支架需要進行下一次旋轉(zhuǎn)時，液壓油開始進入油腔2，推動齒條2向左水平運動，齒條2和齒輪嚙合，迫使齒輪帶動旋轉(zhuǎn)支架順時針旋轉(zhuǎn)，其余運動原理相同、順序相反，不再贅述。

3 理論計算

整個工作臺交換時間為8 s，其中:浮起2 s，旋轉(zhuǎn)4 s，落下2 s。因為每段時間都很短，所以設(shè)計過程中都按勻加速運動進行理論計算。

3．1 浮起油缸的理論計算

由于交換臺浮起時需要克服重力的作用，浮起需要的油壓遠比交換臺落下時需要的油壓高，因此，這里只計算浮起時需要的油壓。

浮起的加速度計算如下:

式中:a為浮起的加速度，m/s2;s為浮起行程，s=0.07 m;t為浮起的時間，t=2 s。

油缸浮起時需要的油壓計算如下:

式中:P為油缸浮起油壓，MPa;S為油缸活塞面積，S=π（R2－r2）=3.14（0.082－0.062 52）=0.007 83 m2;M為交換臺浮起部分及工件的總質(zhì)量，M=1 500+2×1 200=3 900 kg;g為重力加速度。

計算油缸浮起時的油壓為

因為油缸的浮起所需壓力小于液壓泵站的出口壓力，所以浮起油缸設(shè)計合理。

3．2 旋轉(zhuǎn)油缸的理論計算

齒條水平運動的加速度計算如下:

式中:a2為齒條水平運動的加速度，m/s2;S2為齒條水平運動的行程，S2=0．39 m;t2為旋轉(zhuǎn)時間，t2=4 s。

計算齒條水平運動所需要的油壓計算如下:

式中:P2為齒條水平運動所需要的油壓，MPa;S2為油缸活塞面積，S2=π×R22=3.14×0.0352=0.003 846 5 m2;M為工作臺浮起部分及工件的總質(zhì)量，M=3 900 kg;μ為鋼的靜摩擦系數(shù)，查《機床設(shè)計手冊》得，μ=0.30。

因為油缸推動齒條水平運動所需的壓力小于液壓泵站的出口壓力，所以旋轉(zhuǎn)油缸設(shè)計合理。

4 結(jié)語

機床樣機裝配完成后，對雙齒條驅(qū)動交換臺站進行負載試驗，結(jié)果證明該交換臺站浮起高度穩(wěn)定、旋轉(zhuǎn)交換沖擊小、運行平穩(wěn)可靠，完全能夠滿足設(shè)計要求。

該機床樣機試制完成后，在2010年南京中國數(shù)控機床展覽會上展出，榮獲中國機床工具工業(yè)協(xié)會頒發(fā)的“春燕獎”，并且被國內(nèi)某客戶搶購。從客戶反饋回來的信息看，該雙齒條驅(qū)動交換臺站在實際應(yīng)用中浮起高度穩(wěn)定、旋轉(zhuǎn)定位精度高、運轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠，完全能夠滿足客戶需要。

［1］《機床設(shè)計手冊》編寫組．機床設(shè)計手冊［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1986．

［2］張利平．液壓傳動系統(tǒng)及設(shè)計［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005．