基于Pro/E數(shù)控機床回轉(zhuǎn)刀架分度機構(gòu)的設(shè)計與仿真

湯海霞

（安徽工業(yè)經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230051）

數(shù)控機床刀架分度機構(gòu)是機床非常關(guān)鍵部件之一，它的分度精度對機床加工精度有很大的影響。隨著數(shù)控機床的不斷發(fā)展，數(shù)控機床回轉(zhuǎn)刀架分度結(jié)構(gòu)的重要性也越來越突出，要求機床分度機構(gòu)設(shè)計可靠，精度高。文章利用Pro/E軟件對機床回轉(zhuǎn)刀架結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，通過動力學(xué)仿真技術(shù)（Pro/ Mechanism）進行仿真運動，在計算機上虛擬所設(shè)計機構(gòu)，在虛擬的環(huán)境中模擬現(xiàn)實機構(gòu)運動。

1 利用Pro/E對刀架進行結(jié)構(gòu)設(shè)計

當數(shù)控機床的數(shù)控裝置接收到換刀指令后，動靜鼠牙盤松開，刀盤換刀，刀盤夾緊[1]。刀盤的正傳、反轉(zhuǎn)是將液壓馬達的連續(xù)回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為刀盤的分度運動，最后實現(xiàn)刀盤的自動換刀。數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架的分度運動結(jié)構(gòu)就是一種間歇器，種類很多，目的是讓機構(gòu)做間隙運動。機床分度機構(gòu)很多情況下采用平板分度凸輪機構(gòu)，主要解決凸輪的輪廓問題。輪廓曲線可以通過Matlab軟件輸入輪廓曲線程序?qū)С?ibl文件[4]，再通過“插入基準曲線”進行點的擬合而成，也可以通過Pro/E“插入基準曲線”直接通過方程笛卡爾坐標擬合而成，文章采用第二種方式。

平行分度凸輪有些特有的參數(shù)，分度數(shù)用n表示，指的是從動盤旋轉(zhuǎn)一周停歇的次數(shù)。分度角用τb=2π/n，即一個分度轉(zhuǎn)過的角度[2]。凸輪動程角θh=Kd/(1+Kd)×θI，其中，Kd是動靜比，θI是凸輪轉(zhuǎn)一周從動件分度的次數(shù)[2]。

根據(jù)分度的需要，要從從動滾子數(shù)m和凸輪頭數(shù)Gm來設(shè)計，一般取Gm=2，Gm=m/n，其中，當通Gm=2時，m為8，即8個滾子數(shù)，n為4，即從動盤旋轉(zhuǎn)一周，停歇4次。通過對平行分度凸輪機構(gòu)數(shù)學(xué)基本參數(shù)進行分析，得到滾子的x，y的函數(shù)[3-4]，通過Pro/E“插入基準曲線”從方程選坐標用笛卡爾坐標進入rel.ptd-記事本輸入以下方程式后，保存退出。

第一個滾子中心x，y函數(shù)方程：

第三個滾子中心x，y函數(shù)方程：

通過以上方程式的輸入，得到兩條輪廓線，通過“草繪”命令和通過“通過邊創(chuàng)建圖元”“通過偏移邊創(chuàng)建圖元”繪制出完整的凸輪輪廓。利用方程得出滾子中心位置的運動軌跡，所以凸輪輪廓要向內(nèi)部偏移一個滾子的半徑距離，兩個曲線的端點就是半圓弧的直徑端點，用草繪圓弧連接起來，如圖1所示。

圖1 凸輪輪廓線

用“拉伸”繪制第一個平行分度片，用“特征操作”復(fù)制一個與第一個平行的分度片，設(shè)計好第一個與第二個之間的距離，通過復(fù)制的分度片“鏡像”出第二個分度片，第二個分度片與之前復(fù)制的分度片是獨立關(guān)系，刪除復(fù)制分度片，最后設(shè)計凸輪軸建全凸輪機構(gòu)。

2 刀架分度機構(gòu)的仿真運動

平行分度凸輪機構(gòu)凸輪的動程角θh=180°[2]，是凸輪在從動件運動時間內(nèi)轉(zhuǎn)的角度。從動輪滾子半徑是r0為10 mm，滾子所在的位置半徑是20 mm，從動輪總的滾子數(shù)m為8個，4個滾子與另外4個滾子錯開22.5°并均布。根據(jù)以上尺寸設(shè)計從動盤并進行建模，建模好的從動盤與平面分度凸輪進行裝配。

在Pro/E裝配空間，從動盤和平行分度凸輪都進行銷釘連接，建立從動盤和分度凸輪的旋轉(zhuǎn)的基準軸。裝配好后，在菜單“應(yīng)用程序”“機構(gòu)”里連接方式用凸輪連接，每片分度凸輪都要和4個滾子進行凸輪連接，如圖2所示。

圖2 刀架分配機構(gòu)裝配

曲面要“自動選取”，選擇其中一個曲面，與其相連的其他曲面也會被選取，節(jié)約作圖時間。凸輪從動機構(gòu)連接設(shè)定啟用升高e=0，啟用摩擦us=0.3，uk=0.2，如圖3所示。

圖3 凸輪從動機構(gòu)連接

設(shè)定凸輪電機伺服運動的速度為20 deg/sec，在分析定義對話框里輸入終止時間30 s，幀頻為10。以上數(shù)據(jù)建立完成之后進行仿真運動，可以看到從動輪的運行情況。仿真運動發(fā)現(xiàn)，當凸輪運行到頂端與滾輪接觸時，會有運動失敗現(xiàn)象，調(diào)整凸輪頂部，用圓角半徑為20過渡。圖4是從動輪運動情況，水平階段是從動輪停止階段，斜線是從動輪運動階段，第三段線是運動的時間段，運動的角度是90°，即凸輪旋轉(zhuǎn)一周，從動輪旋轉(zhuǎn)90°。

圖4 從動輪運動情況分析

3 結(jié)語

Pro/E參數(shù)化設(shè)計可以通過“插入基準曲線”從方程、來自點、來自文件多個方法進行曲線的擬合來設(shè)計曲線特征。Pro/E可以進行零件裝配、干涉檢查、運動分析。當裝配運行出現(xiàn)干涉，可以改變零件的尺寸，裝配圖有聯(lián)動作用，不需重新裝配，可以動態(tài)地多次修改圖形，最終建立滿足需求的模型。