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曲柄滑塊在榫槽側拉床 C 形搖籃機構中的應用

2018-10-24 來源：浙江暢爾智能裝備股份有限公司作者：劉中華，劉普襄，呂曉天

摘要：將曲柄滑塊機構應用于自主研發的榫槽側拉床的 C 形搖籃機構中，從而有效地保證了拉床的精度，又降低了零件加工與裝配的難度，使榫槽側拉床國產代替進口成為可能。

關鍵詞：曲柄；滑塊；機構；精度；拉床

0、引言

榫槽側拉床，是高精密機床，主要用來加工飛機發動機、汽輪機渦流盤及民用透平機械上的榫槽和榫頭，屬于國防工業的尖端裝備，國外擁有該項技術的國家對我國進行技術封鎖。我們開發榫槽側拉床，意義不僅是代替進口，而是體現我國尖端裝備的技術水平，打破西方的技術壁壘和技術封鎖，具有巨大的政治意義和社會效益。曲柄滑塊機構是一種典型的傳動機構，在實際應用中主要用來傳遞動力，例如柴油發動機、蒸汽機等。榫槽的拉削過去常采用在臥式液壓內拉床上進行拉削，由于效率低、質量不穩定、勞動強度大等缺點，已逐步被淘汰。我公司研制的榫槽側拉床采用臥式側向結構，該類結構剛性好，有利于保證產品精度與光潔度。拉削行程設計時可長可短，不受限制。可一次行程變兩種拉削速度，可滿足粗拉和精拉分開，采用兩種拉削速度的特殊要求。臥式側拉床比立拉在操作、維修等方面均較方便。

1、國外先進高速側拉床介紹

國外著名生產榫槽側拉床的企業有英國的拉普波音特、美國的辛辛那提、德國的霍夫曼（機床實體如圖 1）以及日本的不二越公司（機床實體如圖 2）等。榫槽側拉床的關鍵技術就在于驅動 C 形搖籃的角度位置變換的傳動方式，國外先進水平的企業對其一般采用兩種傳動方式：1）齒輪傳動（其中包括直齒和斜齒），如圖 3 結構所示；2）蝸輪蝸桿傳動，如圖 4 所示。因為 C 形滑臺的結構特點，采用齒輪傳動時，大齒輪必然要做成扇形塊；采用蝸輪蝸桿傳動時，蝸輪也必然要做成扇形狀。無論是扇形大齒輪還是扇形蝸輪，在材料力學上都存在這樣的問題：齒形的中間部位，內應力小，張力也小，兩端尖頂部，內應力大，張力也大。所以在扇形的不同位置，扇形齒輪和扇形蝸輪的齒部變形量是不一樣的，必然會影響角度精度。因為機床的精度要求較高，再結合機床的零件比較龐大，致使這兩種傳動方式對加工和裝配要求都很高，在我國現有的技術條件下很難達到，或者說即使達到了，生產成本也是很高，甚至還要付出沉重的代價，因此該機床在我國沒有研發，長期依靠進口，這一技術難題一直未能突破，榫槽側拉床的研制工作一直沒有很大進展。然而，真正的大型高精密榫槽側拉床是進口不到的，我們必須突破這一瓶頸。

圖 1 德國霍夫曼榫槽側拉床實體圖

圖 2 日本不二越榫槽側拉床實體圖

圖 3 齒輪驅動 C 形搖籃機構示意圖

圖 4 蝸輪蝸桿驅動 C 形搖籃機構示意圖

2 、我公司研發榫槽側拉床

C 形搖籃機構所采用的驅動方式基于上述原因，我們公司在研發榫槽側拉床時，另辟蹊徑，將曲柄滑塊機構應用到該機床的 C 形搖籃機構中。曲柄滑塊機構是一種典型的傳動機構，在實際應用中主要用來傳遞動力，例如柴油發動機、蒸汽機等。C 形滑臺是一種榫槽側拉床中 C 形搖籃機構的關鍵部件，在工作時，C 形滑臺須沿著弧形導軌旋轉，與 C 形滑臺中心垂直線（或水平線）形成一定的夾角。這種榫槽側拉床，對 C 形滑臺的旋轉夾角精度要求很高，定位精度：10"，重復定位精度：6"。

從圖 5 中可以看出，C 形滑臺相當于曲柄，形成了曲柄+連桿+滑塊的曲柄滑塊機構。曲柄滑塊機構有兩種驅動方式：第一種：曲軸為主動軸，通過曲軸的曲柄驅動連桿，連桿不間斷地變換角度位置，從而帶動滑塊做往復直線運動；第二種：滑塊為主運動，帶動連桿運動，而連桿通過曲軸的曲柄，不間斷地變換角度位置，從而使曲軸做旋轉運動。從圖 5 中，我們可以看出，機構的動力源在于滑塊側，采用的是第二種驅動方式。其基本工作原理：伺服電動機通過減速機、聯軸器、滾動軸承和滾珠絲杠驅動滑塊，滑塊在導軌內作直線運動，再通過連桿和銷軸 I、銷軸II，帶動 C 形滑臺（相當于曲柄）作圓周運動，從而實現 C形滑臺面的角度偏斜。在設計時，圖 5 中 α 角度取值范圍為 17°~92°，從而有效地避開了連桿運動的拐點（即死點）。

圖 5 曲柄滑塊機構驅動 C 形搖籃機構示意圖

3、數學模型建立

根據曲柄滑塊機構的工作原理并結合實際中的圖 5的工作情況，簡化機構，可以得到滑塊直線位移與 C 形滑臺的旋轉角度位置的對應值，建立數學模型如圖 6 所示。機構設計完成后，OC 的長度 R、BO 的長度 L0以及 AC 的長度 L1即為定值（數值已知），由余弦定理可知：AC2=OA2+OC2-2×OA×OC × cos∠AOC 。代入相應的數值可得L12=（L0-L）2+R2-2×R（L0-L）×cosα 。由曲柄滑塊機構在該機床的應用轉動范圍，可知 α的角度為 17°~92°，根據余弦函數在該區間的是單調的，另外所有的長度尺寸均為正值，且存在 L0＞L 的關系，利用現有設計數據，通過 EXCEL 可擬合 C 形滑臺旋轉角度值 α 與 AB 長度值 L 的函數圖像如圖 7 所示。