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（néng）裝備股份有限公司 作者： 劉中（zhōng）華，劉普襄，呂曉天
摘 要：將曲柄滑塊機構應用於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（nán）度，使榫槽（cáo）側（cè）拉床國（guó）產代替進口（kǒu）成為可能。
關鍵詞：曲柄（bǐng）；滑塊；機構；精度；拉床
0、 引 言
榫槽側（cè）拉床，是高精密機床，主要用來加工飛機（jī）發動機、汽輪機渦流盤（pán）及民用透平機械上（shàng）的榫槽和榫頭，屬於國防工業的尖端裝備，國（guó）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（kǒu），而是體現我國尖端裝備（bèi）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（shí）際應用（yòng）中主要用來傳遞動力，例（lì）如柴油（yóu）發動機、蒸汽機等。榫槽的拉削過去常采用在臥式（shì）液壓內拉床上進行拉削，由（yóu）於（yú）效率低、質量不穩（wěn）定、勞動強度大等缺點，已逐步被淘（táo）汰。我公司研製的榫槽側拉床采用臥式側向結構，該類結構剛（gāng）性好，有利於保（bǎo）證產品精度與光潔度。拉削（xuē）行程設（shè）計時可長可短，不（bú）受（shòu）限製。可一次（cì）行程變（biàn）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（de）特殊要求。臥式側（cè）拉床比（bǐ）立拉在操（cāo）作、維修等方麵均較方便。
1、 國外先進高速側（cè）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（měi）國的辛辛那提、德國的霍夫曼（機床（chuáng）實體（tǐ）如圖 1）以及日（rì）本的不二越公司（機床實體如圖 2）等。榫槽側拉床（chuáng）的關鍵技術就（jiù）在於驅動 C 形搖籃的角度位置（zhì）變換的傳動方式，國外（wài）先進水平（píng）的企業對其一般采用兩種（zhǒng）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（shì）；2）蝸（wō）輪蝸杆傳動，如圖 4 所示。因（yīn）為 C 形滑台的結構特點（diǎn），采用齒輪傳動時，大齒輪必然要做成扇形塊；采用（yòng）蝸輪蝸（wō）杆傳動（dòng）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（jiān）部位，內應力小（xiǎo），張力也小，兩端（duān）尖頂部，內應力（lì）大，張力也大。所以在扇形的不同位置，扇形齒輪和扇形蝸輪（lún）的齒（chǐ）部（bù）變形量是不一樣（yàng）的，必然會影響角度精度。因為機（jī）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（zhǒng）傳動方式對加工和裝配要求都很高，在我（wǒ）國現有的技術（shù）條件下很難達到，或者說即（jí）使達到了，生產（chǎn）成本也是（shì）很高，甚至還要付出沉（chén）重（chóng）的代價，因此該機床在我國（guó）沒有研發，長期依靠進口，這一技術難題一（yī）直（zhí）未能突破，榫槽側拉床的研製工作一直沒（méi）有很大進展。然而，真正（zhèng）的大型高精密榫槽側拉床是進口不（bú）到的，我們必（bì）須突破這一瓶頸（jǐng）。
圖 1 德國霍夫曼榫槽側拉床（chuáng）實體（tǐ）圖
圖 2 日本不二越榫槽側拉床實（shí）體圖
圖 3 齒輪驅動 C 形搖籃機構示意圖
圖 4 蝸輪蝸杆驅動 C 形搖籃機構示意圖（tú）
2 、我公司研發榫槽側拉（lā）床
C 形（xíng）搖籃機構所采用的驅動方式（shì）基（jī）於上述原因，我們公司在研發榫槽側（cè）拉床時，另辟蹊徑，將（jiāng）曲柄滑塊機構應用到該機床的 C 形搖（yáo）籃機構中。曲柄滑塊機構是一種典型的（de）傳動機構，在實際（jì）應用中主要用來傳遞動（dòng）力，例如柴油發動機、蒸汽機等。C 形滑台是一種榫槽側拉床中 C 形搖籃機構的（de）關鍵部件，在工作時，C 形滑台須沿著弧形導軌（guǐ）旋轉，與 C 形滑台中心垂直線（或水平線）形成一定的夾角（jiǎo）。這種榫槽側拉床，對 C 形滑台的旋轉夾角精度要求很高，定位精（jīng）度：10"，重複定位精度：6"。
從圖 5 中可以看出，C 形滑（huá）台相當於曲柄，形成了曲柄+連杆+滑塊的（de）曲柄滑（huá）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杆，連杆不間斷地變換角度位（wèi）置，從而帶動滑塊做往複（fù）直線運動；第二種：滑塊（kuài）為主運動，帶動（dòng）連杆運（yùn）動，而（ér）連杆通過曲軸的曲（qǔ）柄（bǐng），不間斷地變換角度（dù）位置，從而使曲軸做旋轉運動。從圖 5 中，我們可以看出（chū），機構的動力源在於滑塊側，采用的是第二種驅動方式。其基本工作原理：伺服電（diàn）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（lián）杆和銷軸 I、銷軸II，帶動 C 形滑台（相當於曲柄）作（zuò）圓周運（yùn）動，從而實現 C形滑台麵的角度偏斜。在設計時，圖 5 中 α 角度取值範圍為 17°~92°，從而（ér）有效地避開了連（lián）杆運動的拐點 （即死點）。
圖（tú） 5 曲柄滑塊機構驅（qū）動 C 形搖籃機構示意（yì）圖
3、 數學模型（xíng）建立
根據曲柄滑塊機構的工作原（yuán）理並結合實（shí）際中的圖 5的工（gōng）作情況，簡化機構，可以得到滑塊直線（xiàn）位移與（yǔ） C 形滑台的旋轉角度位（wèi）置的對應值，建立數學模型如圖 6 所（suǒ）示。機構設計完成後，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（zhī）），由餘弦定理可知：AC2=OA2+OC2-2×OA×OC × cos∠AOC 。代入相（xiàng）應（yīng）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範圍，可知 α的角度為 17°~92°，根據餘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 的關係，利用現有設（shè）計數據，通（tōng）過 EXCEL 可（kě）擬合 C 形滑台旋轉角度值 α 與 AB 長（zhǎng）度值 L 的函數圖像如圖 7 所示。
圖（tú） 6 曲柄滑塊機構在 C 形搖籃機構中的數學模型
圖 7 α 與（yǔ） L 函數函數圖像
從函數圖像中可以看出，兩個未知數（α 與（yǔ） L）成一一對應的關係，即知道被（bèi）加工（gōng）件的傾斜角（jiǎo）度，就可以（yǐ）通過轉動伺服電動機驅動滑塊調整位置來實現（xiàn），以達（dá）到所要（yào）求的位置。
4 、結 論
本文（wén）介（jiè）紹了一種（zhǒng）驅動榫槽側拉床 C 形（xíng）搖籃機構的新方式，巧妙地將圓弧運動的角度變化（huà）轉變為直線方向上的位移變化，實（shí）現（xiàn）了直線位（wèi）移與角度位移的（de）一一對應。不僅降低了加工（gōng）成本，還降低了對裝配的要求（qiú），節約（yuē）了成本.
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