基于Pro/E数控机床回转刀架分度机构的设计与仿真

2020-08-14汤海霞

无线互联科技 2020年10期

汤海霞

（安徽工业经济职业技术学院，安徽合肥 230051）

数控机床刀架分度机构是机床非常关键部件之一，它的分度精度对机床加工精度有很大的影响。随着数控机床的不断发展，数控机床回转刀架分度结构的重要性也越来越突出，要求机床分度机构设计可靠，精度高。文章利用Pro/E软件对机床回转刀架结构进行设计，通过动力学仿真技术（Pro/ Mechanism）进行仿真运动，在计算机上虚拟所设计机构，在虚拟的环境中模拟现实机构运动。

1 利用Pro/E对刀架进行结构设计

当数控机床的数控装置接收到换刀指令后，动静鼠牙盘松开，刀盘换刀，刀盘夹紧[1]。刀盘的正传、反转是将液压马达的连续回转运动转换为刀盘的分度运动，最后实现刀盘的自动换刀。数控回转刀架的分度运动结构就是一种间歇器，种类很多，目的是让机构做间隙运动。机床分度机构很多情况下采用平板分度凸轮机构，主要解决凸轮的轮廓问题。轮廓曲线可以通过Matlab软件输入轮廓曲线程序导出.ibl文件[4]，再通过“插入基准曲线”进行点的拟合而成，也可以通过Pro/E“插入基准曲线”直接通过方程笛卡尔坐标拟合而成，文章采用第二种方式。

平行分度凸轮有些特有的参数，分度数用n表示，指的是从动盘旋转一周停歇的次数。分度角用τb=2π/n，即一个分度转过的角度[2]。凸轮动程角θh=Kd/(1+Kd)×θI，其中，Kd是动静比，θI是凸轮转一周从动件分度的次数[2]。

根据分度的需要，要从从动滚子数m和凸轮头数Gm来设计，一般取Gm=2，Gm=m/n，其中，当通Gm=2时，m为8，即8个滚子数，n为4，即从动盘旋转一周，停歇4次。通过对平行分度凸轮机构数学基本参数进行分析，得到滚子的x，y的函数[3-4]，通过Pro/E“插入基准曲线”从方程选坐标用笛卡尔坐标进入rel.ptd-记事本输入以下方程式后，保存退出。

第一个滚子中心x，y函数方程：

第三个滚子中心x，y函数方程：

通过以上方程式的输入，得到两条轮廓线，通过“草绘”命令和通过“通过边创建图元”“通过偏移边创建图元”绘制出完整的凸轮轮廓。利用方程得出滚子中心位置的运动轨迹，所以凸轮轮廓要向内部偏移一个滚子的半径距离，两个曲线的端点就是半圆弧的直径端点，用草绘圆弧连接起来，如图1所示。

图1 凸轮轮廓线

用“拉伸”绘制第一个平行分度片，用“特征操作”复制一个与第一个平行的分度片，设计好第一个与第二个之间的距离，通过复制的分度片“镜像”出第二个分度片，第二个分度片与之前复制的分度片是独立关系，删除复制分度片，最后设计凸轮轴建全凸轮机构。

2 刀架分度机构的仿真运动

平行分度凸轮机构凸轮的动程角θh=180°[2]，是凸轮在从动件运动时间内转的角度。从动轮滚子半径是r0为10 mm，滚子所在的位置半径是20 mm，从动轮总的滚子数m为8个，4个滚子与另外4个滚子错开22.5°并均布。根据以上尺寸设计从动盘并进行建模，建模好的从动盘与平面分度凸轮进行装配。

在Pro/E装配空间，从动盘和平行分度凸轮都进行销钉连接，建立从动盘和分度凸轮的旋转的基准轴。装配好后，在菜单“应用程序”“机构”里连接方式用凸轮连接，每片分度凸轮都要和4个滚子进行凸轮连接，如图2所示。

图2 刀架分配机构装配

曲面要“自动选取”，选择其中一个曲面，与其相连的其他曲面也会被选取，节约作图时间。凸轮从动机构连接设定启用升高e=0，启用摩擦us=0.3，uk=0.2，如图3所示。

图3 凸轮从动机构连接

设定凸轮电机伺服运动的速度为20 deg/sec，在分析定义对话框里输入终止时间30 s，帧频为10。以上数据建立完成之后进行仿真运动，可以看到从动轮的运行情况。仿真运动发现，当凸轮运行到顶端与滚轮接触时，会有运动失败现象，调整凸轮顶部，用圆角半径为20过渡。图4是从动轮运动情况，水平阶段是从动轮停止阶段，斜线是从动轮运动阶段，第三段线是运动的时间段，运动的角度是90°，即凸轮旋转一周，从动轮旋转90°。