专利名称:摆动成型的数控凸轮磨床的制作方法
本发明属于一种对数控凸轮磨床的改进。
1964年出现了第一台数控凸轮磨床，数控磨床不象靠模式凸轮磨床那样依赖标准凸轮的更换，更不象展成式曲线磨床那样只能加工特定的曲线，而只需改变软件就能变换不同的凸轮线型，灵活性极大。目前数控凸轮磨床如G.N.Portas等的凸轮磨床(Annals of the CIRP Vol.32/1/1983，P331-333)一般都采用砂轮架追随工件转角往复运动而完成表面的成型，因此数控凸轮磨床的生产率较之靠模式凸轮磨床低。由于砂轮架重量较大，不易对数控系统作出快速而又准确的反应，否则由于惯性力大，容易使机床产生换向冲击与振动，从而降低加工精度。此外为提高砂轮架系统的动态性能，一般要采用静压或滚动导轨、滚珠丝杠、双层滑台等，这些是普通磨床很少采用的结构，使得机床零部件的通用化程度降低，制造成本提高，并且难于用现有的磨床改装。
本发明为了提高生产率，用摆动成型机构代替了砂轮架运动成型的机构。本发明所提出的摆动成型机构使工件产生自转和以主轴轴线为中心的摆动两种运动，即工件在旋转的同时，又根据其转角的变化相对砂轮作小半径大摆角的摆动，使工件轴线与砂轮轴线之间距离发生有规律的变化，从而形成凸轮表面。砂轮架只象普通外圆磨床那样做快速进退和粗细进给。
本发明所提出的数控凸轮磨床包括一般数控凸轮磨床具有的数控装置、动力装置、检测装置、床身、工作台、砂轮架、头架、尾座以及中间支撑附件外，还包括本发明的特征部份，主要体现在头架、尾座以及中间支撑附件的改进上(见图1)。其特征是具有在数控动力装置〔2〕的驱动下，以主轴为中心摆动的头架偏心机构和具有偏心锥孔并能作与头架主轴同步运动的尾座轴。头架偏心机构包括具有偏心顶尖锥孔〔32〕的主轴〔5〕和柱销孔盘机构〔12，13，14〕。偏心顶尖锥孔〔32〕位于主轴前端，并且锥孔轴线偏离主轴中心距离为e，主轴前部的外缘表面〔31〕与偏心顶尖锥孔同轴，偏心顶尖锥孔的轴线即是工件旋转轴线。头架上设有拨盘〔12〕和柱销孔盘机构〔13，14〕，孔盘〔14〕通过轴承〔34〕与主轴前段外缘表面〔31〕相配，拨盘〔12〕上装有一组柱销〔13〕，柱销伸入孔盘〔14〕的孔(直径为柱销直径+2e)中。另一套数控动力装置〔1〕经减速系统由拨盘〔12〕通过柱销孔盘机构〔13，14〕驱动工件旋转，以保证工件与数控动力装置〔1〕之间准确的速比关系不受摆动的影响。为达到零点定位和平衡的目的，头架主轴〔5〕的后端装有定位块〔6〕和挡块〔7〕。
尾座轴〔18〕前端的偏心锥孔〔27〕具有和头架主轴锥孔相同的偏心距e，并且尾座轴〔18〕和偏心锥孔〔27〕分别与头架主轴〔5〕和头架主轴偏心锥孔〔32〕同轴，并同步摆动。因此头架主轴〔5〕和尾座轴〔18〕的轴心线重合构成主轴线，而锥孔〔32〕和锥孔〔27〕的轴心线重合机构成偏心轴线(即工件轴线)。在数控装置的驱动下，头架主轴和尾座轴以主轴线为中心作小于180°的往复转动，从而使偏心轴线(即工件轴线)以主轴线为中心摆动。
为保证头架、尾座两者的摆动部份同步工作，可以有三种驱动方式(1)头架主轴、尾座轴分别由两套数控动力装置驱动，运动的同步由数控系统来保证实现电同步。也可以头架尾座共用一套摆动动力装置来实现机械同步。(2)一般可由头架主轴〔5〕通过齿轮〔11，9，10〕，以及传动轴〔36，22(这里为同一根轴)〕以及〔21，23〕等两对1∶1的齿轮驱动尾座轴〔18〕使偏心顶尖摆动。(3)反之，也可以由尾座摆动动力装置〔25〕通过第(2)种方式所述的同步机构驱动头架主轴〔5〕使其和尾座轴实现同步。
当加工细长工件时另加一套中间摆动支撑附件。若是头架尾座分别驱动的方式(1)时，一般可由尾座来带动中间摆动支撑附件，这样负荷均衡一些。即由〔18，23，21，22〕传至中间摆动支撑附件。由于中间支撑附件动力消耗并不大，由头架的动力来驱动也是可以的，也就是从〔5，11，9，10，36〕传至中间摆动支撑附件。当头架尾座按(2)、(3)方式传动时，同步轴〔22，36(同为一根轴)〕穿过中间摆动支撑附件将头架尾座相连，同时也给中间摆动支撑附件提供了动力。
头架和尾座都设有机械零点。头架的定位装置在主轴后端，包括定位块〔6〕，挡块〔7〕。尾座的定位机构位于轴〔50〕或〔24〕的后端。如果检测装置的工作方式为增量式则应每次工作前，数控系统使摆动动力装置〔2〕、〔25〕以小扭矩反靠到定块和挡块接触，并发回定位完毕信号(可将接触面作电接点或用电流继电器等方式实现)，工件旋转系统也应有零点检测装置与在零点停止的功能，系统则以此位置为零点控制成型机构的运行。每次加工完毕应返回零位。如果系统采用的是绝对值式的检测装置，则以检测装置确定的零点为准。定位块只起终点限位的保险作用。由于中间摆动支撑附件和尾座或头架是联动的，所以不必单独考虑零点定位问题。头架和尾座同用一套摆动动力装置的机械同步方式时，由有动力侧决定两侧的零点。
上述摆动成型机构偏心距是固定的。如果要求偏心距可变，则可采取可换偏心顶尖的办法，即主轴〔5〕与锥孔〔32〕，尾座轴〔18〕与锥孔〔27〕是同心的，但顶尖是偏心的并在锥孔上有定位槽与键，更换不同偏心距的顶尖，并通过轴孔用长螺杆拉紧，就改变了偏心距。但此时应把〔41〕、〔48〕、〔37〕等成套换下，而且孔盘的孔径也应随之变化(柱销直径不变)，这样作在使用中的灵活性要大一些。
本发明提出的磨床在运转过程中偏心摆动范围被数控系统以及机械装置严格限制，使工件轴线总是在主轴与砂轮连心线以下作追随工件转角的往复摆动，从而确保摆角加大(减小)，升程变大(小)的严格对应关系。
该磨床配上相应的数控软、硬件就可以加工升程小于2e的盘形凸轮如内燃机配气凸轮等。
成型过程如图2所示，加工开始前主轴与工件均处于数控系统所限定的零位，一旦工件开始转动，则主轴位置就始终与工件转角保持严格的对应关系。当加工凸轮的基圆部分时(如a和b)，只是工件旋转，主轴保持零位，工件不摆动;当工件继续转动，进行到曲线上升段的加工时(如c、d)，工件旋转的同时，数控动力装置使主轴开始转动从而偏心顶尖轴线开始以主轴线O2为中心顺时针摆动，使工件轴线O3与砂轮中心O1距离L逐渐变大，在工件上形成曲线的上升段;当加工到工件曲线最高点(如e)时，工件继续旋转，而主轴转速变为零，此时摆角最大并工件中心与砂轮中心的距离L最大;当越过最高点，进行到工件曲线下降段的加工时(如f)，工件旋转的同时主轴换向使工件轴线作反向摆动，摆角逐渐变小，L也变小，直到工件转动到基圆部分的加工时，只有旋转而停摆。工件旋转360°后上述过程重新开始并不断循环到加工完为止。与此同时，砂轮架做自动或手动的进给，使工件最终磨削到所需尺寸，然后全机回到零位停止，以卸下成品。
摆动起点(即零位)φ0一般可取1°～5°加工精度要求高时取较小值，要求加工速度高时取较大值。因φ0小时，换向冲击等因素造成的摆角误差△φ的方向和工件与砂轮公切线夹角小，在工件升程方向上的投影小，造成的升程误差就小。同理，离φ0越近的对应曲线段加工精度也越高，这与一般对凸轮基圆附近的缓冲过渡段曲线精度要求较高(主要为减小冲击)是一致的。
偏心距e的大小依磨床规格大小而定，例如对于中型磨床，一般可取10毫米，最大不宜超过15毫米，最小不应低于5毫米。因大多数凸轮的升程都在15毫米以下，e＝10已能加工升程近20毫米的工件。
可以看出本发明有如下的优点1.成型机构的动态性能好。由于大多数工件重量在30公斤以下，偏摆机构的转动惯量也小，所以能对数控系统作出较快的反应，可以采用较高的工件转速，从而提高生产率。
2.由于驱动的负载较小，驱动功率也得以降低。可直接由功率步进电机驱动，使系统简化，或选用较小的直流伺服电机等。
3.可提高加工精度，特别是缓冲过渡段的精度。
4.便于用现有机床进行数控改进。机床本体一般只需更换头架和尾座两个部件。也便于和现有普通外圆磨床产品实现零部件通用化。
下面结合附图进一步说明，其中图1为发明构造原理示意;
图2为加工成型过程原理;
图3为头架主轴后端的零点定位、平衡、摆角指示等装置;
图4为尾座轴消除游隙装置;
图5为可换偏心距的实施例三。
实施例一图1是本发明实施例一之示意图。图中头架主轴〔5〕由数控动力装置〔2〕(功率步进电机、电液脉冲马达、油马达、直流伺服电机等)通过减速装置驱动，使偏心机构以主轴线为中心作小于180°的摆动。主轴前端的偏心锥孔〔32〕与主轴〔5〕回转中心有一约10mm的偏心距e，和偏心锥孔〔32〕同心的主轴前段外缘表面〔31〕上安装有轴承〔34〕和与之相配的孔盘〔14〕，主轴外端用止推压环〔33〕锁紧和密封。
另一套动力装置〔1〕通过减速机构由拨盘〔12〕上的一组柱销〔13〕伸入孔盘〔14〕的孔中驱动孔盘〔14〕旋转。孔盘〔14〕外侧有一组T型槽〔35〕，并可将其中一槽作为工件的定位基准(应有明显标记)。槽可用于装夹工件，也可在基准槽内装拨杆等附件拨动工件旋转。头架侧盖的挡圈〔29〕与孔盘上的密封环〔30〕起防水密封作用。孔盘〔14〕可以是图1中所示的单层结构，也可以参照消除齿轮侧隙的办法作成双层结构，并由弹簧撑开以消除侧隙提高精度。
尾座轴〔18〕的前端是锥孔〔27〕，有和头架主轴锥孔〔32〕相同的偏心距，后端为齿轮〔23〕，数控动力装置〔25〕可以通过减速机构与之啮合，从而产生相应的摆动。尾座轴在装夹工件过程中还能作一定的轴向移动，并靠弹簧力顶紧。尾座轴的支撑最好采用静压轴承或滑动轴承。当采用滑动轴承时，为避免在加工后期磨削力变得很小时尾座轴受工件重量与摆动的影响而轴心游动，可如附图4所示在尾座体〔43〕和滑动轴承〔45〕上开一或二个孔，在其中安装浮动瓦块〔46〕并靠弹簧〔44〕压紧在尾座轴〔18〕上。弹簧压力靠螺钉〔47〕调整。螺钉也可调至将浮动瓦块顶死而起锁定作用。浮动瓦块的压力(或合力)方向应和磨削力基本一致，使尾座轴可靠地贴紧一侧。
数控动力与减速装置位于尾座上部。轴〔24〕以及轴〔50〕与尾座轴〔18〕应采取1∶1的速比。尾座轴〔18〕与齿轮〔23〕最好是整体的。
尾座轴〔18〕经两对1∶1的齿轮和同步轴〔21〕相连，同步轴的一端伸出尾座体外，轴上有带键通孔或花键孔，端部有斜槽，传动轴〔22〕插入键孔后靠螺母〔19〕压紧带斜爪的锁套〔20〕产生错动而消除〔21〕与〔22〕之间的间隙。
当磨削细长工件时，使用中间摆动支撑附件。该附件属于平行四边形连杆机构，由传动轴〔22〕将尾座的摆动，同步地传至偏心轮〔16〕上，同时经齿轮机构传至偏心销〔17〕，连杆〔15〕在偏心轮〔16〕与偏心销〔17〕的共同驱动下摆动，与工件接触处为一半圆槽，槽内安装有可随工件不同而更换的半圆衬瓦。也可以由主轴〔5〕经齿轮〔11，9，10〕轴〔36〕驱动中间摆动支撑。
工件转角位置检测装置的发讯元件可装于拨盘〔12〕上。当安装位置不够时可通过齿轮〔28〕、轴〔4〕把检测装置安装于头架箱体后端的〔3〕处。主轴〔5〕后端和该处箱体上可安装定位、锁紧、摆角检测等装置。摆角检测以及工件转角检测可采用光电编码盘等绝对值式发讯装置。
当中间摆动支撑附件由头架驱动时，摆角检测装置也可通过齿轮〔11〕、〔9〕、〔10〕安装于〔8〕处，主轴〔5〕后端安装定位块〔6〕，和轴承座或箱体上的挡块〔7〕配合，可起零点定位和平衡的双重作用(参见附图3)。如配上刻度盘〔42〕，还可指示摆角位置。
尾座轴的摆角检测装置与定位装置可安装于轴〔24〕或轴〔50〕上，定位装置确定的零点应与头架主轴一致。
实施例二当需要利用现有机床作简易改造时，可把主轴〔5〕经齿轮〔11，9，10〕轴〔36，22(为同一根轴)〕齿轮付〔21，23〕和尾座轴〔18〕以及中间摆动支撑附件机械地连在一起，并取消尾座轴〔18〕上部的动力与减速装置。为调整头架、尾座距离和中间摆动支撑附件位置的方便，三者与传动轴〔22〕相配的三处都采用同步轴〔21〕的结构，并共用一套头架上部的摆动动力装置。共用的动力装置也可装于尾座上。
实施例三头架和尾座的偏心部分作成可换的，以便能根据加工对象换用不同的偏心距。如附图5所示，带同心顶尖锥孔的头架主轴〔5〕与尾座轴〔18〕端部(也可以是锥孔部分)有定位键〔38〕、〔39〕，锥孔〔32〕、〔27〕内装有带定位槽的可换偏心顶尖〔41〕、〔37〕，并可由螺杆拉紧。头架的偏心顶尖上安装孔盘机构。孔盘〔48〕上的柱销孔径应随偏心距的不同而改变。柱销〔13〕不更换。为了防止顶尖部分磨损而不便修磨，可在尖部镶进小顶尖〔40〕。
本发明所使用的数控装置可参照一般数控凸轮磨床的数控系统。
权利要求
1.一种包括有数控装置、动力装置、检测装置、砂轮架、头架、尾座以及中间支撑附件的数控凸轮磨床，其特征在于包括在数控动力装置[2]驱动下以主轴线为中心摆动的头架偏心机构和具有偏心顶尖锥孔的尾座轴；头架偏心机构包括具有偏心顶尖锥孔[32]的主轴[5]和柱销孔盘机构[12，13，14]，偏心锥孔位于主轴[5]的前端并锥孔轴线偏离主轴中心5～15毫米，尾座轴[18]和其偏心锥孔[27]分别与头架主轴和主轴偏心锥孔同轴，数控的动力装置[2]驱动头架主轴[5]和尾座轴[18]摆动，由数控的动力装置[1]通过柱销孔盘机构[12，13，14]驱动工件转动。
2.权利要求
1所述的数控凸轮磨床，其特征是头架主轴〔5〕的前部有与偏心锥孔〔32〕同心的外缘表面〔31〕，该表面上安装的轴承〔34〕与孔盘〔14〕相配，最外端装有止推压环〔33〕。
3.权利要求
1、2所述的数控凸轮磨床，其特征在于头架主轴〔5〕的后端装有起平衡和零点定位作用的定位块〔6〕和挡块〔7〕。
4.权利要求
3所述的数控凸轮磨床，其特征在于主轴前端外侧装有由数控动力装置〔1〕所驱动的拨盘〔12〕，拨盘上装有一组柱销〔13〕，柱销伸入孔盘〔14〕中，孔盘外侧有一组安装工件与附具用的T型槽〔35〕，孔盘圆周外部安装有密封环〔30〕。
5.权利要求
4所述的数控凸轮磨床，其特征在于孔盘〔14〕分为能消除侧隙的内外两层。
6.权利要求
1所述的数控凸轮磨床，其特征在于头架主轴上装有齿轮〔11〕并经介轮〔9〕与另一安装在传动轴〔36〕上的齿轮〔10〕啮合。
7.权利要求
1所述的数控凸轮磨床，其特征在于尾座轴〔18〕前端的锥孔〔27〕是偏心的，尾座轴的后端是齿轮〔23〕，并经齿轮机构和数控动力装置〔25〕相连。
8.权利要求
7所述的数控凸轮磨床，其特征在于尾座体〔43〕和轴承〔45〕上有孔，孔内装有浮动瓦块〔46〕，并靠弹簧〔44〕压紧在尾座轴〔18〕上，由螺钉〔47〕调整弹簧压力。
9.权利要求
8所述的数控凸轮磨床，其特征在于尾座轴〔18〕经两对1∶1的齿轮和同步轴〔21〕相连。
10.权利要求
1所述的数控凸轮磨床，其特征在于头架与尾座通过传动轴〔22〕共同使用一套数控动力〔2〕与检测装置。
11.权利要求
1所述的数控凸轮磨床，其特征在于带同心顶尖锥孔的头架主轴〔5〕与尾座轴〔18〕端部(或锥孔)有定位键〔38，39〕，锥孔〔32〕〔27〕内装带定位槽并可换的偏心顶尖〔37〕〔41〕，头架的偏心顶尖上安装有孔盘机构。
12.权利要求
11所述的数控凸轮磨床，其特征在于偏心顶尖〔37〕、〔41〕头部为一可换的小顶尖〔40〕。
专利摘要
本发明中采用了一种以头架主轴为中心的偏心摆动机构来实现凸轮表面的加工成型，可以采用较高的加工速度，精度也可提高，可用现有普通外圆磨床改装。
文档编号B24B19/12GK86102062SQ86102062
公开日1987年10月14日 申请日期1986年3月26日
发明者叶光祖 申请人:叶光祖导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan