CN111975425A - 一种稳定性高的刀库旋转分度机构 - Google Patents

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张俊
孙树礼
吴央芳
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    • B23Q3/15526—Storage devices; Drive mechanisms therefor

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Abstract

本发明公开了一种稳定性高的刀库旋转分度机构，包括基体，基体的底部设有一对滑轨，一对滑轨之间设有移动座，所述移动座的底部设有旋转分度盘，所述旋转分度盘的底部固定有刀库盘，所述移动座上设有驱动旋转分度盘旋转的分度转位机构，分度转位机构包括经转动轴设置在移动座底部的拨盘，所述旋转分度盘上设有等距设置的n个轮槽,其中n>8；所述拨盘上设有两个对称设置的且与轮槽啮合的圆销，在所述的轮槽的外端部设置过渡圆弧，使得轮槽向外延伸形成改进槽。本发明通过在轮槽的外端部设置过渡圆弧，使得轮槽向外延伸形成改进槽，有效地降低了圆销与轮槽啮合时的冲击载荷，从而降低了磨损，使得耐用度得到提高。

Description

一种稳定性高的刀库旋转分度机构
技术领域
本发明涉及加工制造领域，特别涉及一种稳定性高的刀库旋转分度机构。
背景技术
当前，国内制造业正处于转型关键期，加快制造业优化升级，推进中国制造向中国创造转变，中国速度向中国质量转变，制造大国向制造强国转变被更多的提出来。数控加工中心是当代制造业的主流、热门装备，其最大特点是具有刀具储备和自动换刀功能，而这种功能主要由刀库和自动换刀装置来实现。刀库及自动换刀装置是加工中心的重要组成部分和关键功能部件，国内数控加工中心加工效率和使用寿命往往被所配装刀库所限制，导致刀库功能部件的运行效率和可靠性已经严重制约了数控机床整机的运行效率及可靠性。为保证数控机床的运行效率和使用可靠性，研究刀库驱动机构的转动特性和定位特性，以实现加工中心换刀过程的更快旋转速度和更低的冲击载荷就显得很有必要。
刀库旋转分度机构主要用于刀库的分度和回转，保证刀库运行速度和可靠性。目前斗笠式刀库大多采用单头双导程蜗轮蜗杆机构、双导程圆柱凸轮分度机构或者槽轮机构来实现刀库的旋转分度。
其中单头双导程蜗轮蜗杆机构在使用中可随时调整蜗轮蜗杆的传动间隙，实现准确的转位分度，但此传动机构较复杂，且单头双导程蜗轮和蜗的加工较困难成本相对较；双导程圆柱凸轮分度机构承载能力强，分度转位平稳，适合应用在载荷较大的分度转位机构，但同时也存在机构较复杂，加工较困难成本相对较高的缺点，槽轮机构具有较高的转动效率，运行较为平稳，且结构简单，易制造，而现有的销槽轮机构，需要锁止弧进行定位，来做间歇运动，定位过程中圆销每一次进入轮槽啮合时还是会产生较大的冲击载荷，导致锁止弧极易磨损或发生形变，耐用度大大降低，需要进行进一步的改进。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种稳定性高的刀库旋转分度机构。本发明通过在轮槽的外端部设置过渡圆弧，使得轮槽向外延伸形成改进槽，有效地降低了圆销与轮槽啮合时的冲击载荷，从而降低了磨损，使得耐用度得到提高。
本发明的技术方案：一种稳定性高的刀库旋转分度机构，包括基体，基体的底部设有一对滑轨，一对滑轨之间设有移动座，所述移动座的底部设有旋转分度盘，所述旋转分度盘的底部固定有刀库盘，所述移动座上设有驱动旋转分度盘旋转的分度转位机构，分度转位机构包括经转动轴设置在移动座底部的拨盘，所述旋转分度盘上设有等距设置的n个轮槽,其中n>8；所述拨盘上设有两个对称设置的且与轮槽啮合的圆销，在所述的轮槽的外端部设置过渡圆弧，使得轮槽向外延伸形成改进槽，所述移动座上设有与转动轴传动连接的电机驱动机构，在轮槽的外端部设置过渡圆弧，使轮槽向外延伸形成改进槽方法是，得到旋转分度盘的初始槽顶半径s和改进槽顶半径s1，在改进槽顶和初始槽顶之间形成了一段过渡圆弧；其中初始槽顶半径s和改进槽顶半径s1的计算方法如下：
取旋转分度盘与拨盘的中心距为Lmm，旋转分度盘上的轮槽的个数为z；
则，槽轮运动角
Figure BDA0002643236920000031
有：
Figure BDA0002643236920000032
拨盘运动角2α1有：
Figure BDA0002643236920000033
圆销中心轨迹半径R有：
Figure BDA0002643236920000034
取圆销半径为r，且r≥R/6，
原始槽顶半径s有：
Figure BDA0002643236920000035
槽深h有：h＝[s-(L-R-r)]+(3～5mm)；
其中，改进槽顶是由原始槽顶进行向外延伸得到，使得改进槽顶和初始槽顶之间形成一段过渡圆弧，进而使得轮槽向外延伸形成改进槽，轮槽向外延伸形成改进槽的多出的部分则构成过渡缓冲弧槽；对原始槽顶进行向外延伸得到改进槽顶的方法是，保持中心距为Lmm，旋转分度盘上的轮槽的个数为z，槽轮运动角
Figure BDA0002643236920000036
拨盘运动角2α1，圆销中心轨迹半径R；圆销半径为r，槽深h等参数不变，取改进槽顶的半径为s1，且
Figure BDA0002643236920000037
经计算得到s1>s。
前述的稳定性高的刀库旋转分度机构中，所述的改进槽的设置满足，当拨盘上其中一个圆销沿着改进槽前端的过渡缓冲弧槽从改进槽中脱离的瞬间，另一个圆销则恰好进入改进槽前端的过渡缓冲弧槽。
前述的稳定性高的刀库旋转分度机构中，当所述的拨盘上的两个圆销的连心线，和旋转分度盘的中心与拨盘的中心连线相互垂直时，即其中一个圆销沿着改进槽前端的过渡缓冲弧槽从改进槽中脱离，另一个圆销则恰好进入改进槽前端的过渡缓冲弧槽时，旋转分度盘的旋转起停瞬时角速度ω＝0，圆销与旋转分度盘之间无刚性冲击。
前述的提高稳定性的方法中，其中单圆销的运动系数：τ＝2α1/2π＝(Z-2)/2Z＝0.4372，通过在拨盘上设置两个圆销，使槽轮在拨盘一周内转过
Figure BDA0002643236920000041
的倍数角，则运动系数τ也提高1倍变为0.875，使得在不提高拨盘转速的情况下，提高了运动系数。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明在换刀过程中，移动座沿着滑轨滑动，进而将刀库盘推送至换刀位，然后分度转位机构驱动旋转分度盘进行分度旋转，分度旋转的旋转分度盘则带动刀库盘进行分度转动，来进行换刀，其中分度转位机构主要是利用电机驱动机构通过转动轴带动拨盘转动，转动的拨盘上以恒定角速度做连续回转，使得圆销与轮槽啮合传动，使得旋转分度盘以一动一停做周期性间歇回转，实现旋转分度盘的旋转分度动作，在所述的轮槽的外端部设置过渡圆弧，使得轮槽向外延伸形成改进槽，通过设置过渡圆弧起到了降低了圆销与改进槽啮合时的冲击载荷的作用，从而降低了磨损，使得耐用度得到提高，本发明具有转动速度更快、冲击载荷更小、运行状态更为平稳的特点，在提高机床换刀速度的同时大大降低了装置的磨损，提高了装置的耐用度。
2、本发明通过在轮槽的外端部设置过渡圆弧，使得轮槽向外延伸形成改进槽，轮槽向外延伸形成改进槽的多出的部分则构成过渡缓冲弧槽，使得当拨盘上其中一个圆销沿着改进槽前端的过渡缓冲弧槽从改进槽中脱离的瞬间，另一个圆销则恰好进入改进槽前端的过渡缓冲弧槽，其中过渡缓冲弧槽起到了对圆销进行锁止和定位的作用，并具有定位精准的特点，取消了原先锁止弧设计，降低了运行过程中的磨损，提高了机构的耐用度。此外当所述的拨盘上的两个圆销的连心线，和旋转分度盘的中心与拨盘的中心连线相互垂直时，即其中一个圆销沿着改进槽前端的过渡缓冲弧槽从改进槽中脱离，另一个圆销则恰好进入改进槽前端的过渡缓冲弧槽时，旋转分度盘的旋转起停瞬时角速度ω＝0，圆销与旋转分度盘之间无刚性冲击，避免了圆销对旋转分度盘产生较大的冲击载荷，降低了运行过程中的磨损，提高了机构的耐用度。
3、本发明中的旋转分度盘的角速度并没有长期处于0状态，近似处于一直运动状态，不需要反复克服静止惯性，降低了角速度变化幅度，加上有过渡圆弧的存在，使得冲击载荷大幅降低，从而磨损降低，耐用度得到提高。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是圆销与轮槽的配合状态图；
图3是轮槽向外延伸形成改进槽的结构示意图；
图4是过渡圆弧的结构示意图；
图5是图3中A处放大图；
图6是实施例中本发明与传统的单圆销结构的旋转分度机构的角速度曲线的对比图；
图7是实施例中本发明与传统的单圆销结构的旋转分度机构的角加速度曲线的对比图。
1、基体；2、滑轨；3、移动座；4、旋转分度盘；5、刀库盘；6、分度转位机构；7、转动轴；8、拨盘；9、轮槽；10、圆销；11、过渡圆弧；12、电机驱动机构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例：一种稳定性高的刀库旋转分度机构，如图1-2所示，包括基体1，基体1的底部设有一对滑轨2，一对滑轨2之间设有移动座3，所述移动座3的底部设有旋转分度盘4，所述旋转分度盘4的底部固定有刀库盘5，所述移动座3上设有驱动旋转分度盘4旋转的分度转位机构6，分度转位机构6包括经转动轴7设置在移动座3底部的拨盘8，所述旋转分度盘4上设有等距设置的n个轮槽9,其中n>8；所述拨盘8上设有两个对称设置的且与轮槽9啮合的圆销10，在所述的轮槽9的外端部设置过渡圆弧11，使得轮槽9向外延伸形成改进槽，所述移动座3上设有与转动轴7传动连接的电机驱动机构12；所述移动座3与基体1之间设有伸缩气缸，通过伸缩气缸带动移动座3进行移动；
本发明在换刀过程中，通过伸缩气缸推动移动座2沿着滑轨2滑动，进而将刀库盘5推送至换刀位，然后分度转位机构6驱动旋转分度盘4进行分度旋转，分度旋转的旋转分度盘4则带动刀库盘5进行分度转动，来进行换刀，其中分度转位机构6主要是利用电机驱动机构12通过转动轴7带动拨盘8转动，转动的拨盘8上以恒定角速度做连续回转，使得圆销10与轮槽9啮合传动，使得旋转分度盘4以一动一停做周期性间歇回转，实现旋转分度盘4的旋转分度动作，其中轮槽9的外端部均设有过渡圆弧11，使得轮槽9向外延伸形成改进槽，利用过渡圆弧11起到了降低了圆销10与改进槽啮合时的冲击载荷的作用，从而降低了磨损，使得耐用度得到提高。本发明具有转动速度更快、冲击载荷更小、运行状态更为平稳的特点，在提高机床换刀速度的同时大大降低了装置的磨损，提高了装置的耐用度。
如图3、图4和图5所示，稳定性高的刀库旋转分度机构的提高稳定性的方法是，在轮槽的外端部设置过渡圆弧，使轮槽向外延伸形成改进槽方法是，得到旋转分度盘的初始槽顶半径s和改进槽顶半径s1，在改进槽顶和初始槽顶之间形成了一段过渡圆弧；其中初始槽顶半径s和改进槽顶半径s1的计算方法如下：
取旋转分度盘与拨盘的中心距为Lmm，旋转分度盘上的轮槽的个数为z；
则，槽轮运动角
Figure BDA0002643236920000071
有：
Figure BDA0002643236920000072
拨盘运动角2α1有：
Figure BDA0002643236920000073
圆销中心轨迹半径R有：
Figure BDA0002643236920000074
取圆销半径为r，且r≥R/6，
原始槽顶半径s有：
Figure BDA0002643236920000075
槽深h有：h＝[s-(L-R-r)]+(3～5mm)；
其中，改进槽顶是由原始槽顶进行向外延伸得到，使得改进槽顶和初始槽顶之间形成一段过渡圆弧，进而使得轮槽向外延伸形成改进槽，轮槽向外延伸形成改进槽的多出的部分则构成过渡缓冲弧槽；对原始槽顶进行向外延伸得到改进槽顶的方法是，保持中心距为Lmm，旋转分度盘上的轮槽的个数为z，槽轮运动角
Figure BDA0002643236920000076
拨盘运动角2α1，圆销中心轨迹半径R；圆销半径为r，槽深h等参数不变，取改进槽顶的半径为s1，且
Figure BDA0002643236920000077
经计算得到s1>s，其中过渡圆弧起到了对圆销进行锁止和定位的作用，并具有定位精准的特点，取消了原先锁止弧设计，降低了运行过程中的磨损，提高了机构的耐用度。如图5所示，过渡圆弧是以R-r为半径，以拨盘中心的圆心，夹在初始槽顶和改进槽顶之间的一段圆弧。
所述的改进槽的设置满足，当拨盘上其中一个圆销沿着改进槽前端的过渡缓冲弧槽从改进槽中脱离的瞬间，另一个圆销则恰好进入改进槽前端的过渡缓冲弧槽。其中过渡缓冲弧槽起到了对圆销进行锁止和定位的作用，并具有定位精准的特点，取消了原先的锁止弧设计，降低了运行过程中的磨损，提高了机构的耐用度。通过双圆销有效地提高了旋转分度盘的转动速度加倍。
当所述的拨盘上的两个圆销的连心线，和旋转分度盘的中心与拨盘的中心连线相互垂直时，即其中一个圆销沿着改进槽前端的过渡缓冲弧槽从改进槽中脱离，另一个圆销则恰好进入改进槽前端的过渡缓冲弧槽时，旋转分度盘的旋转起停瞬时角速度ω＝0，圆销与旋转分度盘之间无刚性冲击。
其中单圆销的运动系数：τ＝2α1/2π＝(Z-2)/2Z＝0.4372，通过在拨盘上设置两个圆销，使槽轮在拨盘一周内转过
Figure BDA0002643236920000081
的倍数角，则运动系数τ也提高1倍变为0.875，使得在不提高拨盘转速的情况下，提高了运动系数。
如图6和图7所示，将本发明与传统的单圆销结构的旋转分度机构进行仿真对比分析的，其中图6中深黑色曲线为传统的单圆销结构的旋转分度机构的角速度曲线，浅褐色曲线为本发明的角速度曲线；其中图7中深黑色曲线为传统的单圆销结构的旋转分度机构的角加速度曲线，浅褐色曲线为本发明的角加速度曲线。
综合对比分析图6、图7可知：
(1)在相同的10秒内，本发明转过15个分度工位，传统的单圆销结构的旋转分度机构转过7.5个分度工位，速度提高了一倍。
(2)本发明和传统的单圆销结构的旋转分度机构的两种机构中槽轮角速度和角加速度均时刻变化，角速度在槽轮、拨盘和圆销的圆心共线时达到最大，角速度最大时角加速度正好为0。
(3)传统的单圆销结构的旋转分度机构的槽轮在周期内有一段角速度为0区域，使得角速度从0开始加速时产生冲击现象。本发明的槽轮的角速度并没有长期处于0状态，不需要反复克服静止惯性，因此冲击载荷大幅降低，从而磨损降低，耐用度提高。
综上所述，本发明的槽轮的运转速度增加了一倍，而且其近似处于一直运动状态，不需要反复克服静止惯性，降低了角速度变化幅度，加上有过渡缓冲圆弧的存在，冲击和振动也小于传统的单圆销结构的旋转分度机构。

Claims (4)

1.一种稳定性高的刀库旋转分度机构，其特征在于：包括基体(1)，基体(1)的底部设有一对滑轨(2)，滑轨(2)之间设有移动座(3)，所述移动座(3)的底部设有旋转分度盘(4)，所述旋转分度盘(4)的底部固定有刀库盘(5)，所述移动座(3)上设有驱动旋转分度盘(4)旋转的分度转位机构(6)，分度转位机构(6)包括经转动轴(7)设置在移动座(3)底部的拨盘(8)，所述旋转分度盘(4)上设有等距设置的n个轮槽(9),其中n>8；所述拨盘(8)上设有两个对称设置的且与轮槽(9)啮合的圆销(10)，在所述的轮槽(9)的外端部设置过渡圆弧(11)，使得轮槽(9)向外延伸形成改进槽，所述移动座(3)上设有与转动轴(7)传动连接的电机驱动机构(12)；在轮槽的外端部设置过渡圆弧，使轮槽向外延伸形成改进槽的方法是，得到旋转分度盘的初始槽顶半径s和改进槽顶半径s1，在改进槽顶和初始槽顶之间形成了一段过渡圆弧；其中初始槽顶半径s和改进槽顶半径s1的计算方法如下：
取旋转分度盘与拨盘的中心距为Lmm，旋转分度盘上的轮槽的个数为z；
则，槽轮运动角
Figure FDA0002643236910000011
有：
Figure FDA0002643236910000012
拨盘运动角2α1有：
Figure FDA0002643236910000013
圆销中心轨迹半径R有：
Figure FDA0002643236910000014
取圆销半径为r，且r≥R/6，
原始槽顶半径s有：
Figure FDA0002643236910000015
槽深h有：h＝[s-(L-R-r)]+(3～5mm)；
其中，改进槽顶是由原始槽顶进行向外延伸得到，使得改进槽顶和初始槽顶之间形成一段过渡圆弧，进而使得轮槽向外延伸形成改进槽，轮槽向外延伸形成改进槽的多出的部分则构成过渡缓冲弧槽；对原始槽顶进行向外延伸得到改进槽顶的方法是，保持中心距为Lmm，旋转分度盘上的轮槽的个数为z，槽轮运动角
Figure FDA0002643236910000022
拨盘运动角2α1，圆销中心轨迹半径R；圆销半径为r，槽深h等参数不变，取改进槽顶的半径为s1，且
Figure FDA0002643236910000021
经计算得到s1>s。
2.根据权利要求1所述的稳定性高的刀库旋转分度机构，其特征在于：所述的改进槽的设置满足，当拨盘上其中一个圆销沿着改进槽前端的过渡缓冲弧槽从改进槽中脱离的瞬间，另一个圆销则恰好进入改进槽前端的过渡缓冲弧槽。
3.根据权利要求2所述的稳定性高的刀库旋转分度机构，其特征在于：当所述的拨盘上的两个圆销的连心线，和旋转分度盘的中心与拨盘的中心连线相互垂直时，即其中一个圆销沿着改进槽前端的过渡缓冲弧槽从改进槽中脱离，另一个圆销则恰好进入改进槽前端的过渡缓冲弧槽时，旋转分度盘的旋转起停瞬时角速度ω＝0，圆销与旋转分度盘之间无刚性冲击。
4.根据权利要求1所述的稳定性高的刀库旋转分度机构，其特征在于：其中单圆销的运动系数：τ＝2α1/2π＝(Z-2)/2Z＝0.4372，通过在拨盘上设置两个圆销，使槽轮在拨盘一周内转过
Figure FDA0002643236910000023
的倍数角，则运动系数τ也提高1倍变为0.875，使得在不提高拨盘转速的情况下，提高了运动系数。
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