曲柄滑塊在榫槽側(cè)拉床 C 形搖籃機(jī)構(gòu)中的應(yīng)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(jī)構(gòu)應(yīng)用于自主研發(fā)的榫槽側(cè)拉床的 C 形搖籃機(jī)構(gòu)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(cè)拉床國(guó)產(chǎn)代替進(jìn)口成為可能。
關(guān)鍵詞：曲柄；滑塊；機(jī)構(gòu)；精度；拉床
0、 引 言
榫槽側(cè)拉床，是高精密機(jī)床，主要用來加工飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)渦流盤及民用透平機(jī)械上的榫槽和榫頭，屬于國(guó)防工業(yè)的尖端裝備，國(guó)外擁有該項(xiàng)技術(shù)的國(guó)家對(duì)我國(guó)進(jìn)行技術(shù)封鎖。我們開發(fā)榫槽側(cè)拉床，意義不僅是代替進(jìn)口，而是體現(xiàn)我國(guó)尖端裝備的技術(shù)水平，打破西方的技術(shù)壁壘和技術(shù)封鎖，具有巨大的政治意義和社會(huì)效益。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是一種典型的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中主要用來傳遞動(dòng)力，例如柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、蒸汽機(jī)等。榫槽的拉削過去常采用在臥式液壓內(nèi)拉床上進(jìn)行拉削，由于效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定、勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺點(diǎn)，已逐步被淘汰。我公司研制的榫槽側(cè)拉床采用臥式側(cè)向結(jié)構(gòu)，該類結(jié)構(gòu)剛性好，有利于保證產(chǎn)品精度與光潔度。拉削行程設(shè)計(jì)時(shí)可長(zhǎng)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(cè)拉床比立拉在操作、維修等方面均較方便。
1、 國(guó)外先進(jìn)高速側(cè)拉床介紹
國(guó)外著名生產(chǎn)榫槽側(cè)拉床的企業(yè)有英國(guó)的拉普波音特、美國(guó)的辛辛那提、德國(guó)的霍夫曼（機(jī)床實(shí)體如圖 1）以及日本的不二越公司（機(jī)床實(shí)體如圖 2）等。榫槽側(cè)拉床的關(guān)鍵技術(shù)就在于驅(qū)動(dòng) C 形搖籃的角度位置變換的傳動(dòng)方式，國(guó)外先進(jìn)水平的企業(yè)對(duì)其一般采用兩種傳動(dòng)方式：1）齒輪傳動(dòng)（其中包括直齒和斜齒），如圖 3 結(jié)構(gòu)所示；2）蝸輪蝸桿傳動(dòng)，如圖 4 所示。因?yàn)?C 形滑臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用齒輪傳動(dòng)時(shí)，大齒輪必然要做成扇形塊；采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)時(shí)，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(xué)上都存在這樣的問題：齒形的中間部位，內(nèi)應(yīng)力小，張力也小，兩端尖頂部，內(nèi)應(yīng)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(huì)影響角度精度。因?yàn)闄C(jī)床的精度要求較高，再結(jié)合機(jī)床的零件比較龐大，致使這兩種傳動(dòng)方式對(duì)加工和裝配要求都很高，在我國(guó)現(xiàn)有的技術(shù)條件下很難達(dá)到，或者說即使達(dá)到了，生產(chǎn)成本也是很高，甚至還要付出沉重的代價(jià)，因此該機(jī)床在我國(guó)沒有研發(fā)，長(zhǎng)期依靠進(jìn)口，這一技術(shù)難題一直未能突破，榫槽側(cè)拉床的研制工作一直沒有很大進(jìn)展。然而，真正的大型高精密榫槽側(cè)拉床是進(jìn)口不到的，我們必須突破這一瓶頸。
圖 1 德國(guó)霍夫曼榫槽側(cè)拉床實(shí)體圖
圖 2 日本不二越榫槽側(cè)拉床實(shí)體圖
圖 3 齒輪驅(qū)動(dòng) C 形搖籃機(jī)構(gòu)示意圖
圖 4 蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng) C 形搖籃機(jī)構(gòu)示意圖
2 、我公司研發(fā)榫槽側(cè)拉床
C 形搖籃機(jī)構(gòu)所采用的驅(qū)動(dòng)方式基于上述原因，我們公司在研發(fā)榫槽側(cè)拉床時(shí)，另辟蹊徑，將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)應(yīng)用到該機(jī)床的 C 形搖籃機(jī)構(gòu)中。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是一種典型的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中主要用來傳遞動(dòng)力，例如柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、蒸汽機(jī)等。C 形滑臺(tái)是一種榫槽側(cè)拉床中 C 形搖籃機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，在工作時(shí)，C 形滑臺(tái)須沿著弧形導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)，與 C 形滑臺(tái)中心垂直線（或水平線）形成一定的夾角。這種榫槽側(cè)拉床，對(duì) C 形滑臺(tái)的旋轉(zhuǎn)夾角精度要求很高，定位精度：10"，重復(fù)定位精度：6"。
從圖 5 中可以看出，C 形滑臺(tái)相當(dāng)于曲柄，形成了曲柄+連桿+滑塊的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)有兩種驅(qū)動(dòng)方式：第一種：曲軸為主動(dòng)軸，通過曲軸的曲柄驅(qū)動(dòng)連桿，連桿不間斷地變換角度位置，從而帶動(dòng)滑塊做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)；第二種：滑塊為主運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)，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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。從圖 5 中，我們可以看出，機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源在于滑塊側(cè)，采用的是第二種驅(qū)動(dòng)方式。其基本工作原理：伺服電動(dòng)機(jī)通過減速機(jī)、聯(lián)軸器、滾動(dòng)軸承和滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)滑塊，滑塊在導(dǎo)軌內(nèi)作直線運(yùn)動(dòng)，再通過連桿和銷軸 I、銷軸II，帶動(dòng) C 形滑臺(tái)（相當(dāng)于曲柄）作圓周運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn) C形滑臺(tái)面的角度偏斜。在設(shè)計(jì)時(shí)，圖 5 中 α 角度取值范圍為 17°~92°，從而有效地避開了連桿運(yùn)動(dòng)的拐點(diǎn) （即死點(diǎn)）。
圖 5 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng) C 形搖籃機(jī)構(gòu)示意圖
3、 數(shù)學(xué)模型建立
根據(jù)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的工作原理并結(jié)合實(shí)際中的圖 5的工作情況，簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，可以得到滑塊直線位移與 C 形滑臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度位置的對(duì)應(yīng)值，建立數(shù)學(xué)模型如圖 6 所示。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，OC 的長(zhǎng)度 R、BO 的長(zhǎng)度 L0以及 AC 的長(zhǎng)度 L1即為定值（數(shù)值已知），由余弦定理可知：AC2=OA2+OC2-2×OA×OC × cos∠AOC 。代入相應(yīng)的數(shù)值可得L12=（L0-L）2+R2-2×R（L0-L）×cosα 。由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)在該機(jī)床的應(yīng)用轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，可知 α的角度為 17°~92°，根據(jù)余弦函數(shù)在該區(qū)間的是單調(diào)的，另外所有的長(zhǎng)度尺寸均為正值，且存在 L0＞L 的關(guān)系，利用現(xiàn)有設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，通過 EXCEL 可擬合 C 形滑臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度值 α 與 AB 長(zhǎng)度值 L 的函數(shù)圖像如圖 7 所示。
圖 6 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)在 C 形搖籃機(jī)構(gòu)中的數(shù)學(xué)模型
圖 7 α 與 L 函數(shù)函數(shù)圖像
從函數(shù)圖像中可以看出，兩個(gè)未知數(shù)（α 與 L）成一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，即知道被加工件的傾斜角度，就可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滑塊調(diào)整位置來實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到所要求的位置。
4 、結(jié) 論
本文介紹了一種驅(qū)動(dòng)榫槽側(cè)拉床 C 形搖籃機(jī)構(gòu)的新方式，巧妙地將圓弧運(yùn)動(dòng)的角度變化轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€方向上的位移變化，實(shí)現(xiàn)了直線位移與角度位移的一一對(duì)應(yīng)。不僅降低了加工成本，還降低了對(duì)裝配的要求，節(jié)約了成本.
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