弧面凸轮数控加工中心距误差分析方法研究*

龚青山 罗 敏 常治斌 任爱华

(湖北汽车工业学院，湖北 十堰442002)

1 机床及原理分析

弧面凸轮机构是一种性能优良的高速、高精度间歇分度机构，它由弧面分度凸轮和在径向放射状等分装有滚子的从动盘两部分组成，如图1所示。因其具有分度精度高，传动平稳，结构紧凑，传递扭矩大等优点，被广泛应用于各种轻工机械、纺织机械、加工中心等领域。其核心部件弧面凸轮的曲面轮廓要求精度高，形状较复杂，加工制造十分困难，因此课题组对弧面凸轮加工技术进行研究，最终研制成功XK6401弧面凸轮数控加工专用铣床。

XK6401弧面凸轮数控加工专用铣床是一台具有双回转坐标轴联动的五轴铣床，如图2所示。加工弧面分度凸轮时，按照范成原理，成形铣刀相当于从动盘滚子，刀具高速旋转、工件自转同时又以距凸轮中心一定距离的位置点为圆心绕刀具摆动。根据设计要求，设置机床加工参数，启动机床，刀具与工件按照设定的运动规律作相对切削运动，就可以加工出所需廓面弧面凸轮。

范成法加工弧面凸轮廓面，理论上无误差，加工效率高，但由于其机构及误差分析的复杂性且影响廓面误差因素具有多样性，依此加工原理，影响凸轮廓面误差的因素有刀具误差、中心距误差、轴线偏移误差、凸轮体回转误差等。由于弧面凸轮在装配时通过调整中心距消除间隙、产生预压，因此研究中心距误差对机构输出运动的影响，有助于合理地选择中心距调整量进行修形，形成合适的预压，从而提高机构的定位精度、动态性能和运动的平稳性。

XK6401弧面凸轮数控加工专用铣床设置了一个手动控制坐标轴，用于设定所加工弧面凸轮的中心距。该坐标轴根据所设计的弧面凸轮中心距在加工前手动调整设置好后，锁死，在加工过程中不能变动。但是由于弧面凸轮廓面的复杂性，缺乏相应的检测手段对加工产品精度进行检测，尤其是中心距加工误差，大多情况采用装配调整的方法，装配调整法比较麻烦，加工完成后必须将凸轮从机床上取下装配测试。笔者在实践中针对这个问题尝试找到简便方法对所加工凸轮中心距误差进行分析，以便及时进行调整，提高加工精度。实践中笔者采用了通过测量停歇期凸轮凸脊宽度的方法进行分析。

2 中心距误差分析

通过对弧面凸轮相关参数分析，如表1所示，通过添加相应的辅助线建立弧面凸轮误差分析模型，如图3所示。

表1 弧面分度凸轮机构相关参数

作辅助线连接OB、BC，则BC为凸轮顶弧面停歇期凸脊的弦(即检测中便于测量的凸脊宽度)，BC交中心线于D点，则OB=OC=rc，AB=r=ρ，且令∠AOB=α、∠BOD=β、BC=t。

凸脊宽度:

根据式(1)可以求出所给参数下凸轮停歇期宽度的理论值BC与现实实测值BC＇进行比较以判断中心距误差大小，如果BC＇＞BC则中心距偏大，则需要重新调整机床中心距再进行加工;如果BC＇＜BC，则中心距偏小，产品不满足要求。

在加工中为了便于调整，一般如果能通过实测凸轮停歇期凸脊宽度计算出中心距的大小，以方便机床中心距调整，加工出合格的产品。可以通过实测凸脊宽度计算出凸轮顶弧面半径rc与理论值比较间接得出中心距的大小，根据计算结果调整机床消除误差。

通过上面的推导已知:sinα=ρ/rc，sinβ=t/(2rc)，α=π/z-β，则有

最后推导出凸轮顶弧面半径rc计算公式为:

3 加工实例

通过上面分析推导出弧面凸轮停歇期凸脊计算公式和顶弧面半径计算公式。现对设计的弧面凸轮应用XK6401数控铣床进行加工，参数见表2，然后应用所推导公式进行分析，验证所推导公式正确性。

表2 弧面分度凸轮机构参数值

设定好机床XK6401弧面凸轮数控加工专用铣床参数，对毛坯进行加工，加工后装配调试，凸轮卡死，不能正常工作，经检测加工出的凸轮停歇期凸脊宽度为13.5 mm，代入式(2)计算弧面凸轮顶弧面半径实际值rc＇，为

误差分析:δ=rc＇-rc=50.72-49=1.72 mm。

经检测计算得出凸轮加工中心距偏大，δ=1.72 mm，应用机床的手动调整轴将中心距调小1.72 mm，再次装夹后加工，加工完成后经检测尺寸满足要求，将加工好的凸轮不经过修形直接装配试验，凸轮运转灵活，分度箱工作正常。

4 结语

由于弧面凸轮是空间曲面，目前尚无简便的检测手段和仪器对加工凸轮精度进行检测。本文是笔者在实践中总结的一种方法，当然这里计算出的误差不包含其他方面因素的影响，但在现实应用中也不失为一种简便方法，经实际加工验证，该方法有一定的实用价值。笔者还将在以后实践中进一步探讨。

［1］曹巨江，赵云龙.弧面凸轮加工专用数控铣床设计［J］.制造技术与机床，2003(12):26-28.

［2］龚青山，罗敏，任爱华，等.自动换刀装置用多头复杂弧面凸轮参数化设计与动态特性分析［J］.湖北汽车工业学院学报，2011(3):30-33.

［3］罗敏，龚青山.弧面凸轮铣削宏指令的开发［J］.制造业自动化2013，35(5):54-57.

［4］于春玲.弧面凸轮加工和安装中心距误差对运动精度的影响［J］.机电产品开发与创新，2008(4):195-196.