數(shù)控銑床三個(gè)同時(shí)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)研究

韋江波曾慶飛高茂濤

（1.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.柳州市超凌順機(jī)械制造有限公司，廣西 柳州 545006）

[特邀主持人欄目：裝備制造技術(shù)的改進(jìn)及應(yīng)用]

數(shù)控銑床三個(gè)同時(shí)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)研究

韋江波1曾慶飛2高茂濤1

（1.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.柳州市超凌順機(jī)械制造有限公司，廣西 柳州 545006）

現(xiàn)有數(shù)控銑床四軸旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)只能在工作臺(tái)上安裝一套夾具，加工種類單一且效率低下。針對(duì)數(shù)控銑床四軸旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出三個(gè)方向同時(shí)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)。當(dāng)電4驅(qū)動(dòng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)三個(gè)工作臺(tái)同時(shí)旋轉(zhuǎn)，且旋轉(zhuǎn)的角度相同。由于三個(gè)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)分別分布在箱體三個(gè)側(cè)面，因此可安裝不同的夾具、加工不同種類的零件，節(jié)省了頻繁更換夾具的時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)；數(shù)控銑床；手輪；伺服電4

0 引 言

單旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)是指在數(shù)控銑床移動(dòng)工作臺(tái)上安裝一個(gè)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的箱體上只有一個(gè)垂直面安裝水平軸的旋轉(zhuǎn)夾頭法蘭盤，如圖1所示，圖中箱體1位置內(nèi)部安裝有伺服電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)裝置，伺服電機(jī)與數(shù)控銑床的控制系統(tǒng)連接。伺服電機(jī)通過伺服系統(tǒng)控制帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)2繞圓盤水平軸回轉(zhuǎn)中心做圓周轉(zhuǎn)動(dòng)。[1]數(shù)控銑床的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)通常作為附加工作臺(tái)使用，主要用于加工軸類、回轉(zhuǎn)類零件如葉輪和凸輪，在航空、船舶、汽車等制造領(lǐng)域廣泛使用。[2]但是單旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)一次只能裝夾一個(gè)零件進(jìn)行加工，工作效率較低，只能滿足新產(chǎn)品試制等單件、小批量零件的加工，無法滿足現(xiàn)代規(guī)模企業(yè)的大批量生產(chǎn)加工要求。[3]-[4]因此，筆者在現(xiàn)有單旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了內(nèi)部傳動(dòng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，在原有旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)箱體上增加兩個(gè)水平軸旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，即三個(gè)同時(shí)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)。該工作臺(tái)三個(gè)方向都可獨(dú)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(zhuǎn)工作臺(tái)

圖2 數(shù)控銑床三個(gè)同時(shí)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)簡(jiǎn)圖

1 三個(gè)同時(shí)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)思路

在旋轉(zhuǎn)的工作臺(tái)的箱體有四個(gè)垂直面，在其中三個(gè)垂直面上設(shè)置三個(gè)水平軸同步旋轉(zhuǎn)的工作臺(tái)，剩下一個(gè)垂直面安裝工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)輸入動(dòng)力裝置，如圖2所示。輸入軸4在手輪或伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，通過傳動(dòng)軸帶動(dòng)同軸的水平軸旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)1、2同步轉(zhuǎn)動(dòng)，水平軸旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)3采用圓錐齒輪傳動(dòng)方式與旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)1、2的軸連接而實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。由于每個(gè)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)都在一個(gè)獨(dú)立的垂直坐標(biāo)軸上，因此在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上安裝夾具和零件時(shí)互不干涉，能夠安裝三個(gè)不同或相同的夾具，實(shí)現(xiàn)一個(gè)加工循環(huán)同時(shí)裝夾三個(gè)工件，減少數(shù)控銑床的停機(jī)次數(shù)和裝夾輔助時(shí)間并提高工作效率，適應(yīng)大批量生產(chǎn)的要求。

2 數(shù)控銑床三個(gè)同時(shí)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了數(shù)控銑床三個(gè)同時(shí)旋轉(zhuǎn)的水平軸工作臺(tái)及其驅(qū)動(dòng)方式，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。水平位置的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)軸7一端安裝在箱體6上，中間端由軸承座13固定，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸7的穩(wěn)定支撐。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸4受手輪或伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，固定于軸4上的齒輪10也轉(zhuǎn)動(dòng)，與齒輪10嚙合的齒輪11隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪11帶動(dòng)蝸桿軸5轉(zhuǎn)動(dòng)，與蝸桿5嚙合的蝸輪8產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。蝸輪8固定在水平位置的傳動(dòng)軸12上，傳動(dòng)軸12轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)軸12上的錐齒輪15與相嚙合的錐齒輪14同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，錐齒輪15和錐齒輪14齒輪大小、齒數(shù)、錐度均相等，且軸交角為90°，當(dāng)傳動(dòng)軸12轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)軸7也產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)動(dòng)的角度相等。由于傳動(dòng)軸12兩端分別連接著工作臺(tái)1、2，傳動(dòng)軸7的一端連接工作臺(tái)3，當(dāng)傳動(dòng)軸12轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，工作臺(tái)1、2、3同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)動(dòng)的角度相同。

同時(shí)，為使數(shù)控銑床的三個(gè)同時(shí)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)在使用時(shí)操作方便，在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)底部設(shè)計(jì)一個(gè)旋轉(zhuǎn)的底座如圖4所示，以便根據(jù)實(shí)際加工需要使用手輪搖動(dòng)控制，將旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)整體轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)位置。

圖3 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式結(jié)構(gòu)圖

2.2 手輪驅(qū)動(dòng)方式結(jié)構(gòu)

數(shù)控銑床三個(gè)同時(shí)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)也可以通過手搖方式驅(qū)動(dòng)，手輪驅(qū)動(dòng)方式結(jié)構(gòu)如圖4所示，在結(jié)構(gòu)上增加了傳動(dòng)軸組件，即三個(gè)水平軸同時(shí)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)本體結(jié)構(gòu)不變，在傳動(dòng)軸的末端處安裝有刻度和指針，同時(shí)相鄰的端蓋上安裝有刻度盤。當(dāng)以手輪方式驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸4旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)傳動(dòng)軸12上的錐齒輪15兩側(cè)錐齒輪同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，而傳遞到傳動(dòng)軸末端的指針也轉(zhuǎn)動(dòng)相同的角度，這個(gè)角度與旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度相同。因此在手輪方式驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸4旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以通過觀察指針在刻度盤上旋轉(zhuǎn)角度來判斷旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度值，這種直接傳遞的方式可以有效的減小誤差，提高測(cè)量角度的精準(zhǔn)性。

圖4 手輪定位操作方式結(jié)構(gòu)圖

3 在數(shù)控銑床工作臺(tái)上安裝與使用

3.1 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式

數(shù)控銑床三個(gè)同時(shí)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)在使用時(shí)為了操作便利，在底部設(shè)計(jì)一個(gè)旋轉(zhuǎn)底座如圖5所示。采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，三個(gè)同時(shí)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)放置在數(shù)控銑床工作臺(tái)中間偏Y軸正方向偏上位置如圖6所示，伺服電機(jī)伸出長(zhǎng)度不能超過數(shù)控銑床工作臺(tái)Y方向的極限位置，避免與機(jī)床發(fā)生碰撞。從圖中布局可看出，三個(gè)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的位置均留有一定的空間，且操作的方向在朝機(jī)床的外側(cè)和兩側(cè)面，不存在盲區(qū)，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(zhuǎn)角度采用伺服電機(jī)定位，準(zhǔn)確度高，且不容易出錯(cuò)。

圖5 旋轉(zhuǎn)底座

圖6 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的布局

圖7 手輪操作的布局

3.2 手輪驅(qū)動(dòng)操作方式

三個(gè)同時(shí)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)采用手輪驅(qū)動(dòng)時(shí)，手輪放置在數(shù)控銑床工作臺(tái)上Y軸負(fù)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(dòng)軸一端方向朝機(jī)床外側(cè)，是為了方便操作人員觀察和旋轉(zhuǎn)調(diào)整角度。這樣的布局三個(gè)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(jī)床里面的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)安裝夾具和零件時(shí)，可通過旋轉(zhuǎn)底座90°或180°方向進(jìn)行安裝，待零件安裝好后，旋轉(zhuǎn)回到原始的安裝位置即可。

在數(shù)控銑床上加工三種相同或不同回轉(zhuǎn)類零件時(shí)，分別在三個(gè)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上安裝上專用夾具或三爪卡盤，且與旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)中心同軸線，然后在安裝好的零件上設(shè)定三個(gè)不同坐標(biāo)系 （如G54、G55、G56），根據(jù)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的方向編寫相應(yīng)的NC程序，便可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)零件的加工。對(duì)于手輪旋轉(zhuǎn)角度操作更適合于加工同一種零件，當(dāng)調(diào)整好角度后三種零件同時(shí)加工，然后再旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行下一工步加工。如在三個(gè)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上安裝三個(gè)不同形狀零件進(jìn)行加工，角度的調(diào)整過于頻繁會(huì)增加操作者勞動(dòng)強(qiáng)度。

4 應(yīng)用效益分析

在數(shù)控銑床現(xiàn)有單個(gè)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的基礎(chǔ)上增加兩個(gè)同為水平軸的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，形成分布在工作臺(tái)箱體三個(gè)垂直面上的三個(gè)同步旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，三個(gè)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)共用一套旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置，雖然體積比單旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)要大些，但不會(huì)影響數(shù)控銑床的正常使用，在保持每個(gè)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)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(jìn)行大批量工件生產(chǎn)加工時(shí)，能夠在一次停機(jī)裝夾工作中，同時(shí)裝夾三個(gè)待加工工件并逐個(gè)進(jìn)行加工，每次裝夾可完成三個(gè)零件的加工，從而大大減少裝夾輔助時(shí)間并提高數(shù)控銑床的加工工作效率。

對(duì)于多品種小批量工件的生產(chǎn)加工，可在工作臺(tái)上同時(shí)安裝和保留2至3個(gè)夾具，選擇相應(yīng)的夾具完成對(duì)應(yīng)工件的加工，其余夾具可保留夾具在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，不用頻繁裝卸調(diào)試夾具，在提高工作的效率的同時(shí)，也大大降低了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少重復(fù)勞動(dòng)。

[1]韋江波.三個(gè)同時(shí)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)：中國，ZL201520084360.4［P］.2015-08-26.

[2]席建中，韓成春，等.一種挖掘機(jī)阻尼式旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的開發(fā)[J].機(jī)床與液壓，2013，（1）：85-90.

[3]徐金方，毛寬民，等.旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)靜壓導(dǎo)軌摩擦因數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)床與液壓，2012，（2）：11-18.

[4]朱仕學(xué).基于FANUC I/O LINK軸對(duì)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)控制的應(yīng)用研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2010，（11）：139-141.

Design and Study of Three Rotating Table

WEI Jiang-bo1,ZENG Qing-fei2&GAO Mao-tao1
（1 Liuzhou&Vocational Technical College,Liuzhou 545006，China;2 Liuzhou Chaolingshun Machinery Manufacturing Co.Ltd.,Liuzhou 545006，China）

The existing CNC milling machine with four axis rotary table can only be installed in a fixture on the table,and a single type of processing efficiency is low;for CNC milling machine with four axis rotary table structure, designed three directions and rotary table,when the motor is driven,can achieve three worktable rotation at the same time,and the rotation of the the same angle.The three rotary table at each of the three side of the tank,thus mounting jig,the processing of different types of different parts,save with the frequent exchange of fixture time,improve production efficiency,the technology has very high practical value.

rotary tables;CNC milling machine;hand wheel;servo motor

TG547

A

1671-1084（2017）01-0008-04

DOI 10.16221/j.cnki.issn1671-1084.2017.01.003

2016-11-06

2016年度廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目(KY2016LX512)

韋江波，柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向?yàn)镃AD/CAM及4械設(shè)計(jì)、模具技術(shù)；曾慶飛，柳州市超凌順4械制造有限公司沖壓部部長(zhǎng)，研究方向?yàn)槟＞咴O(shè)計(jì)與制造；高茂濤，柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向?yàn)?械設(shè)計(jì)與4械制圖。