CN1556340A - 一种弧面分度凸轮机构及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种弧面分度凸轮机构及其加工技术。该凸轮机构的凸轮廓面包括定位段、过渡段和分度段，其特征是所述凸轮廓面的过渡段和分度段为凹面，与之啮合配套的滚子为曲率半径小于所述凸轮廓面凹面曲率半径的鼓型滚子。该加工方法包括凸轮旋转轴z1与刀具旋转轴z2联动工作控制方法，其特征在于该加工方法是单侧面四坐标联动的加工刀位控制方法；即在所述凸轮旋转轴z1与刀具旋转轴z2联动工作的同时，刀具还沿y2和z2坐标做直线移动工作。本发明产品工艺性好、加工方便、磨损小、噪声低、寿命长；本发明方法具有可单侧面加工，使刀具寿命延长，加工精度和效率都提高的优点。

Description

一种弧面分度凸轮机构及其加工方法

技术领域

本发明涉及机械凸轮机构，具体为一种弧面分度凸轮机构及其加工方法，国际专利分类号拟为Int.Cl⁷.F16H 37/00。

背景技术

弧面分度凸轮机构是一种适合于高速、高精度工作场合的最理想分度机构。目前生产和使用的弧面分度凸轮机构基本是圆柱滚子从动件。通过对其机械结构及啮合特点的分析可知，即使在理论啮合状态下，圆柱滚子与凸轮廓面的接触也不可能实现纯滚动。原因是凸轮以等角速度旋转时，离凸轮轴线越远之处，其运动速度就越大，因此啮合滚子与凸轮接触线上某一点处的两侧，会产生相反方向打滑的现象，使接触面、即凸轮廓面定位段、过渡段和分度段各段产生不均匀的磨损或撕裂，其中以分度段的磨损或撕裂最为严重，从而使凸轮机构在运动过程中的振动和噪声增大，也降低了机构的传动精度和使用寿命。究其原因主要有：

1.圆柱滚子从动件与凸轮廓面在运动过程中存在严重的滑动或打滑现象，造成凸轮表面磨损；

2.圆柱滚子从动件与凸轮廓面的线接触对加工误差十分敏感，实际加工后，接触状态难于达到理论设计时的理想接触状态；

3.圆柱滚子从动件与凸轮廓面两侧同时接触，加剧了滚子与凸轮表面的磨损。另外，从加工角度看，传统凸轮廓面的加工由于不能磨削，导致凸轮廓面粗糙度较大，易造成磨损、振动和噪声；使用一段时间后，啮合间隙加大，加剧了磨损、振动和噪声。

目前，制约弧面分度凸轮机构使之难以推广的关键因素就在于弧面分度凸轮机构的精度保证问题。国内生产的凸轮只能适合于中、低速运动场合，而且寿命很短。之所以如此，一方面有弧面分度凸轮机构的设计问题，另一方面弧面分度凸轮的加工方法也是一个重要问题。

弧面分度凸轮廓面加工过去有采用靠模加工、分度划线铣削等方法进行的，这些方法只能大致加工出凸轮廓面，产品很难应用在高速、高精度工作场合。弧面分度凸轮的廓面属于空间不可展变距螺旋面，加工比较困难。从理论上讲，弧面分度凸轮廓面的加工可以采取以下几种方法：

(1)将凸轮廓面按自由曲面来处理，采用端面铣刀或球头刀进行点位式的加工，可以实现廓面的单侧面非等径加工(如图4所示)。这种方法的缺点是凸轮与刀具间已经失去了原来凸轮与滚子间的包络关系，控制过程复杂，铣刀与凸轮廓面是点接触，加工效率低，表面质量差，同时数据处理量大，因而不可避免地造成加工误差大；

(2)在五坐标联动数控加工中心等通用机床上按包络原理进行廓面加工。这种方法的缺点是机床调整比较复杂，成本较高，适合于单件、小批量加工或修配时采用；

(3)用滚齿机或其他机床改造后的专用机床进行弧面分度凸轮的加工。这种方法的缺点是受原有机床精度的影响，所加工的弧面分度凸轮精度低，不能满足高速运动的要求，另外加工能力也有限；

(4)专用数控机床加工(原理如图5所示)。采用专用数控机床加工弧面分度凸轮是提高加工精度和效率的有效途径，将来必将成为弧面分度凸轮的主要加工形式。

目前国内利用专用、通用机床或改造后的机床加工的弧面分度凸轮，只适合于中、低速运动场合。其一般工艺过程是：在粗加工阶段，采取比滚子直径小的铣刀，为提高切削效率，采用大进给量铣削；在最后精铣工序中，使用与滚子直径一样的铣刀，以从动件滚子中心运动轨迹进行编程。这样的加工工艺，凸轮廓面无理论误差存在，加工时不进行刀具补偿。主要原因是空间凸轮的接触线为空间曲线(参见图6)。当刀具的尺寸不等于滚子的尺寸时，刀具与凸轮的实际接触线L_t和滚子与凸轮的理论接触线L_k为分别位于不同圆柱面上的空间曲线，而非直线，因而无法采取刀具半径补偿的方法使之完全重合。凸轮廓面除特殊段以外，其余都不为法向直廓，是不可展空间曲面。在空间凸轮的廓面加工时，只有采用与从动件滚子几何参数一样的刀具才可理论上无误差地加工出凸轮廓面。

依此加工原理，凸轮体槽宽精度完全取决于刀具的刃磨精度，刀具需要特制，而下列因素也必将给加工带来很多困难，有的因素难以克服的：

(1)刀具的磨损：凸轮机构是高副，磨损较快，为了提高其使用寿命，一般凸轮都采用合金钢材料，不但硬度高，而且韧性大，加工过程中刀具磨损较快；

(2)刀库中刀具数量的限制：从动件滚子的尺寸一般为标准尺寸或设计时根据具体结构而确定的尺寸，这样很难完全找到相应的刀具，要订制标准刀具无疑增加了制造成本；

(3)凸轮槽宽尺寸的因素：如果根据具体需要凸轮槽的尺寸很大，那么制造很大的刀具不现实，即使这样的大型刀具能制造出来，加工时也受机床功率和结构的限制；

(4)铣削方式的影响：刀具两侧同时参加铣削，一侧为顺铣，另一侧肯定为逆铣，使得加工后廓面质量不统一或不均匀。一般铣削方式为顺铣时的表面粗糙度和加工精度相对较高，而且可以防止出现加工颤振现象；

(5)切削速度的因素：两坐标联动的加工工艺使刀具的切削速度在凸轮不同曲线段及不同的回转半径上不恒定，因此将严重地影响凸轮的表面质量和刀具的使用寿命；

(6)加工余量难以控制：一般加工余量的确定是根据有关参数，如工件材料和刀具情况等以及试切后才能最终确定。恒速切削，同时较小的切深和进给量可获得较高的加工精度；高速切削和较小的切深和进给量可获得较小的表面粗糙度。按这样要求确定的加工余量，在粗加工、半精加工和精加工中就需多把专门刀具，否则对廓面的加工质量及刀具使用寿命会有很大的影响；

(7)难以实现磨削加工：按前述等径的加工方法很难实现廓面的磨削加工。原因是砂轮由于磨损以及使用一段时间后要修整等因素，砂轮的使用寿命很短，必定增加凸轮的制造成本。更何况按等径加工原理，砂轮同时磨削凸轮的两个侧面，其径向受力很大，砂轮极易被挤碎；廓面两侧余量不均匀也容易使磨头发生偏移，影响磨削精度；冷却的不充分也易使凸轮的表面烧伤等。

如上所述，磨削加工做为空间凸轮的主要精加工形式，按等径加工原理进行空间凸轮内凹槽表面的加工是难以实现的。

国内外比较先进的解决办法是采用行星磨头，如德国SCHIESS.KOPP公司生产的二坐标联动数控磨床就配有这种机构，其工作原理如图7所示：砂轮绕o₂做高速回转进行廓面磨削运动的同时，绕o₁做行星运动，且r_w+o₁o₂＝r，r_w和r分别为砂轮和滚子半径。由于这种机构的加工是非连续的，加工后凸轮廓面存在波纹，公转速度越低，波纹度越大，因此要求公转速度很高；而在高速情况下的偏心机构，极易产生振动，使得可调整量o₁o₂很小；同时行星式磨头的结构非常复杂，价格也十分昂贵，产品的加工成本必然很高，应用推广困难。

随着自动生产线和自动机械的发展，高速、高精度空间凸轮应用逐渐增多，基于以上原因，研究设计巧妙，结构合理，适用于高速运动的弧面分度凸轮机构，以及加工方便，精度高，成本低的加工方法，是十分必要和紧迫的任务。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是设计一种新型的弧面分度凸轮机构，它具有结构简单、加工方便、磨损小、噪声低、寿命长等诸多优点，特别是对加工误差包容性强，有利于保障凸轮机构的分度和定位精度，改善了凸轮机构的运动和动态性能。

本发明要解决的另一个技术问题是设计出所述弧面分度凸轮机构的加工方法，它具有易加工，精度高，调整方便，经济性好、可使用常规设备等优点。

本发明解决所述弧面分度凸轮机构技术问题的技术方案是：设计一种弧面分度凸轮机构，包括凸轮和与之啮合配套的滚子，凸轮廓面包括定位段、过渡段和分度段，其特征在于所述凸轮廓面的过渡段和分度段为凹面，与之啮合配套的滚子为曲率半径小于所述凸轮廓面凹面曲率半径的鼓型滚子。

本发明弧面分度凸轮机构的设计特点是把凸轮廓面的过渡段和分度段设计为凹面，同时把与之啮合配套的从动圆柱滚子相应改为曲率半径小于所述凸轮廓面凹面曲率半径的鼓型滚子。这种设计可以使常规圆柱滚子从动件与凸轮廓面在运动过程中的线啮合运动提升为本发明的点啮合运动，从而使凸轮机构具有点啮合纯滚动副传动对误差包容性强的特点，有利于保障凸轮机构分度和定位的精度，改善其运动和动态性能，也提高了凸轮机构的使用寿命。很明显，这种设计也具有结构简单、加工方便、磨损小、噪声低的优点，同时，这种凸轮廓面凹曲面与鼓型滚子凸曲面的配合设计，对于改善共轭曲面间的润滑和应力状态都有很好的效果，可以进一步使弧面分度凸轮机构的磨损减小，噪声降低，使用寿命延长。

本发明解决的另一个技术问题是同时设计出所述弧面分度凸轮机构的加工方法。该加工方法为加工刀位控制方法，包括凸轮旋转轴z₁与刀具旋转轴z₂联动工作的控制方法，其特征在于该加工方法采用单侧面四坐标联动的加工刀位控制方法；即在所述的凸轮旋转轴z₁与刀具旋转轴z₂联动转动工作的同时，刀具还沿y₂和z₂坐标做直线移动工作；所述直线移动的方程为：

    y₂＝-y₁＝ΔR·cosβ₀

    z₂＝-z₁＝ΔR·sinβ₀，其中：

ΔR为刀具7在滚子2中心的位置上沿 ${\mathrm{\β}}_0=\mathrm{\β}\left(\frac{H}{2}\right)$ 方向移动刀具与滚子半径的差值；

H为滚子2的宽度；

β₀为将刀具7的中心置于滚子2宽度一半的接触角，其值具体为

h₀为设计常数。

本发明弧面分度凸轮机构的加工方法与传统加工方法相比，是采用了单侧面四坐标联动的加工刀位控制方法；即在传统的凸轮旋转轴z₁与刀具旋转轴z₂联动转动工作的同时，设计了刀具还沿y₂和z₂坐标做直线移动工作的单侧面四坐标联动的加工刀位控制方法。这种设计方法由于采用了小刀具，所以可以实现所需的单侧面加工，减少了工件对刀具的毁损，使刀具寿命延长，同时也扩大了刀具使用的范围，提高了加工精度和工作效率。

附图说明

图1为本发明弧面分度凸轮机构的凸轮廓面凹曲面与鼓型滚子凸曲面配合结构的一种实施例示意图；

图2为本发明弧面分度凸轮机构的凸轮廓面凹曲面与鼓型滚子凸曲面配合结构的一种实施例剖面示意图；

图3为弧面分度凸轮机构的凸轮1与滚子2啮合状态示意图；

图4为加工刀具与凸轮廓面的点位式加工原理示意图；

图5为传统两坐标联动工作的加工刀位控制方法示意图；

图6为理论接触曲线与实际接触曲线相互位置示意图；

图7为行星磨削机构的加工原理示意图；

图8为本发明加工方法的单侧面加工刀位控制原理示意图；

图9为本发明加工方法的单侧面加工刀位控制原理示意图；

图10为本发明弧面分度凸轮机构对凸轮廓面4的修形位段示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明：

本发明设计的一种弧面分度凸轮机构，包括凸轮和与之啮合配套的滚子2，凸轮廓面4包括定位段、过渡段和分度段，其特征在于所述凸轮廓面4的过渡段和分度段为凹面，与之啮合配套的滚子2为曲率半径小于所述凸轮廓面4凹面曲率半径的鼓型滚子3(参见图1、2、3和4)。

本发明的这种设计是基于对传统或常规弧面分度凸轮机构理论啮合接触线深入研究的结果：传统或常规弧面分度凸轮机构的凸轮1与滚子2理论啮合接触线为一条空间曲线(参见如图3、5、6)。接触区的应力分布较为平均，但这种理想状态在实际中并不容易实现。原因在于：1.该机构的啮合为线接触，对误差十分敏感：2.在加工和装配过程中，凸轮体及从动盘因多种或某种原因会造成线性或角度误差。其结果都将对凸轮与滚子的实际接触状态产生严重影响，使原来理想的线接触变成实际滚子2边缘的点接触或线接触同时或交替存在，运动状态不稳定。而在滚子2与凸轮边缘接触情况下，滚子2会引起很大的接触应力，使两构件间的润滑状态恶化。实际上此时滚子2不做滚动，而是“楞”或“停滞”在凸轮廓面4上被动地“划动”。这种“划动”极易将凸轮廓面4划伤。这种不良的接触状态，必将使凸轮和滚子两者的使用寿命大为缩短，同时也会使凸轮机构的动态性能变差。

研究还表明，无论从理论分析上，还是在实际的运动中，常规弧面分度凸轮机构都体现出凸轮槽两侧面与滚子均接触的特点，即在啮合过程中，滚子2必须与以r₁和r₂为大小半径的凸轮内外廓面同时接触，也就是说滚子2是在凸轮槽两侧壁中做周期性的滑动。这种接触状态是不良的。这样的滑动会使凸轮1和滚子2的磨损都很快。通过对弧面分度凸轮机构啮合工作特点的分析可知，滚子2与凸轮廓面4实际上只需单面或单边接触就能保证传动及定位精度，因此，可以将凸轮廓面4的非接触区域进行修形减薄处理；再者由于加工及装配时各种误差的存在，凸轮廓面4也必须进行修研后才能进行装配。所以，弧面分度凸轮廓面4的单侧面加工的实现是解决所述问题的关键。

据此，本发明弧面分度凸轮机构的进一步特征是所述凸轮廓面4过渡段和分度段中的mn段、c’e段及fg段沿其法向单边减薄0.02-0.04mm(参见图10)。这意味着凸轮廓面4过渡段和分度段中的ab段及c’d段不做修形处理；或者是所述凸轮廓面4过渡段和分度段中的mn段和eh段沿其法向单边减薄0.02-0.04mm，其余的ab段、ef段及dg段不做修形处理。前者适用于低速凸轮机构设计，后者适用于高速凸轮机构设计。但无论是低速凸轮机构，还是高速凸轮机构，都要保证其加工精度和过渡段顺猾。

这种设计的原理是；在低速运动情况下，从动盘的惯性力小于摩擦阻力，只需精确保证ab段及cd段精度即可，其余段做所述的减薄修形处理，减薄量为0.02-0.04mm。但为保证滚子2与凸轮廓面4啮合有一定的重合度，可将c点延长到c′点，也即c’e段做减薄修形处理，c’d段不做减薄修形处理。c点延长到c′点的距离或着cc′段的长度为ce段长度的1/4-1/5。在高速运动情况下，从动盘的惯性力大于工作阻力，为使机构保持很好的动态性能和防止横越冲击的产生，滚子2在中间槽的位置时尽量不与凸轮廓面4接触，在保证一定重合度的前提下，必须保证ab、ef及dg段的精度，所述其它段做修形减薄处理。减薄量同样为0.02-0.04mm。需要特别说明的是，无论在何种工作情况下，定位段的精度都必须精确保证，而过渡段应当保证顺滑。

弧面分度凸轮机构是线啮合的空间曲面传动。在运动过程中，凸轮与滚子理论上接触线为空间曲线，由于接触线上各点相对速度不等，因此造成凸轮和滚子的不均匀磨损；同时由于线接触传动机构对误差比较敏感，使得理论的线接触在实际传动过程中处于线接触、点接触和边缘接触之间交替或同时进行，运动不稳定，加剧了磨损、振动和噪声，造成使用寿命远低于其设计寿命，定位和分度精度降低，理论的优良性能在实际应用中得不到充分发挥。

本发明提出了新型的点啮合纯滚动副传动的弧面分度机构的设计思想，即：在弧面分度凸轮采用单侧面加工工艺的基础上，吸收鼓形滚子从动件传动对误差包容性强的优点，再配合凸轮廓面的精确修形技术，

根据单侧面加工原理，任意位置上，刀具与凸轮的实际接触线和滚子与凸轮理论接触线在滚子宽度一半处相切，在该点的法向误差Δn＝0，刀具两端误差最大。加工后廓面误差分布有一定的规律，也就是说在除定位段以外的其他位置上，凸轮廓面呈凹型。

根据加工后的廓面形式，若在装配时采用鼓型滚子替代设计时的圆柱型滚子，这样鼓型滚子的凸曲面和凸轮廓面的凹曲面的啮合传动，凸轮廓面采取上述的廓面修形技术，这样就形成了单侧面点接触的纯滚动传动形式，大大地提高了机构对误差的包容性。同时这种凸凹曲面的接触形式有利于形成动态润滑油膜，对于改善两啮合曲面间的润滑状态也有明显的效果。

这种理论的点接触，在外载荷及预紧力的作用下，会变成小椭圆面积接触，减小了接触应力。根据加工后凸轮廓面的曲率情况，可以相应地选择滚子的曲率，使之达到最佳的啮合状态。但鼓形滚子3的最大半径应与设计滚子2的半径相等。单侧面加工原理使定位段的误差为零，这样有利于保障机构的定位精度。结合廓面修形技术，使原来机构线接触的滑动副变成点接触的滚动副。实验表明，本发明的凸轮机构传动效率和使用寿命可获得不同程度的提高，并且运动噪声减小。

本发明所述的加工方法为加工刀位控制方法，包括凸轮旋转轴z₁与刀具旋转轴z₂联动转动控制方法，其特征在于该加工方法采用单侧面四坐标联动的加工刀位控制方法(参见图8、9)；即在所述的凸轮旋转轴z₁与刀具旋转轴z₂联动转动工作的同时，刀具还沿y₂和z₂坐标做直线移动工作；所述直线移动的方程为：

    y₂＝-y₁＝ΔR·cosβ₀

    z₂＝-z₁＝ΔR·sinβ₀，其中：

ΔR为刀具7在滚子2中心的位置上沿 ${\mathrm{\β}}_0=\mathrm{\β}\left(\frac{H}{2}\right)$ 方向移动刀具与滚子半径的差值；

H为滚子2的宽度；

β₀为将刀具7的中心置于滚子2宽度一半的接触角，其值具体为

h₀为设计常数。

这种刀位控制方法使刀具控制方向固定和误差分布有规律性，控制过程简单，也有利于机构结构的改进。

在定位段 接触线为直线，凸轮廓面4为法向直廓，按单侧面加工刀位控制原理，定位段的法向误差Δn＝0。

实验表明，本发明的加工方法对刀具适应性强，损害小，使用寿命长，加工工艺性好，同时可以提高加工精度和效率。

Claims (4)

1.一种弧面分度凸轮机构，包括凸轮1和与之啮合配套的从动件2，凸轮廓面4包括定位段、过渡段和分度段，其特征在于所述凸轮廓面4的过渡段和分度段为凹面，所述滚子3为曲率半径小于所述凸轮廓面凹面4曲率半径的鼓型滚子3。

2.根据权利要求1所述的弧面分度凸轮机构，其特征是所述凸轮廓面4过渡段和分度段中的mn段、c’e段及fg段沿其法向单边减薄0.02-0.04mm。

3.根据权利要求1所述的弧面分度凸轮机构，其特征是所述凸轮廓面1过渡段和分度段中的mn段和eh段沿其法向单边减薄0.02-0.04mm。

4.一种根据权利要求1、2或3所述弧面分度凸轮机构的加工方法，该加工方法为加工刀位控制方法，包括凸轮旋转轴z₁与刀具旋转轴z₂联动工作控制方法，其特征在于该加工方法采用单侧面四坐标联动的加工刀位控制方法；即在所述的凸轮旋转轴z₁与刀具旋转轴z₂联动转动工作的同时，刀具还沿y₂和z₂坐标做直线移动工作；所述直线移动的方程为：

y₂＝-y₁＝ΔR·cosβ₀

z₂＝-z₁＝ΔR·sinβ₀，其中：

ΔR为刀具7在滚子2中心的位置上沿 ${\mathrm{\β}}_0=\mathrm{\β}\left(\frac{H}{2}\right)$ 方向移动刀具与滚子半径的差值；

H为滚子2的宽度；

β₀为将刀具7的中心置于滚子2宽度一半的接触角，其值具体为

h₀为设计常数。

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