CN1088863A - 以四轴数控机床加工分度凸轮的制造方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明系以四轴CNC机床的架构加装一个能 摆动且具滑动进给铣削的摇摆滑动进给铣削机构来 制造滚柱齿轮分度器的圆柱凸轮。其主要制造方法 系将四轴CNC机床的一轴，经特殊运用而传动一个 摆动轴，使铣刀能完全模仿滚柱齿轮分度器的滚柱做 指定的运动曲线的角位移运动，且配合CNC分度台 的同时运动，进而铣切符合理想运动曲线的圆柱凸轮 螺旋肋。

Description

本发明涉及一种以四轴数控（以下简称CNC）机床加工分度凸轮的制造方法及其装置，特别是以四轴数控机床架构加工滚柱齿轮分度的圆柱凸轮的制造方法及其装置。

螺纹的发明提供了两项主要用途：（一）将旋转运动改变成直线运动，（二）利用斜面原理获得较大的力量。而螺纹机构的变形体“蜗杆蜗轮机构”更提供了较大减速比的功能，其广泛应用于减速机构及分度机构，而其运动型式属连续运动。当一种需要具有分度且间歇运动时，滚柱齿轮分度器（Roller    Gear    Index）便发展出来。滚柱齿轮分度器广泛应用于生产线的输送带、食品、药品的填充机构、自动送料等等不同行业。这些场所多半是日夜不停地运转，且不可有差错，这种严格要求使所有电器控制的分度机构均难以达到。

滚柱齿轮分度器的主要零件“圆柱凸轮”的传统制造方法系由数组齿轮组及一组靠模仿削齿轮组所组成。由于靠模板本身难以完全符合理想的运动曲线，再经由此靠模板复制出来的凸轮则更难以符合理想的运动曲线。由于工业界日益严格要求滚柱齿轮分度器须分割速度快且平稳，对于不同行业有不同的运动曲线及分割角度。因此传统的制造方法已无法满足需求。因为精度不够的圆柱凸轮于快速分度时会使输出轴产生剧烈震动。

本发明的目的在于提供一种以四轮CNC机床加工分度凸轮的制造方法及其装置，它采用数值化乃摇摆滑动进给机构：（一）可完全依照理想曲线制造所需凸轮螺旋肋;（二）可任意修改运动曲线及输出分度角及输入分割周期。摇摆滑动进给机构的摆动动力系由CNC机床的任一轴所驱动，藉由数值化控制，其摆动滑座上的主轴刀具能完全符合滚柱齿轮分度器的滚柱运动轨迹。

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明如下：

以四轴CNC机床加工分度凸轮的制造方法，是将具四轴CNC机床的两个控制轴分别驱动一具摆动与滑动进给铣削机构的蜗杆，使铣刀能完全模仿滚柱齿轮分度器的滚柱运动与驱动导螺杆，使铣刀进给与退刀，配合CNC分度台的等速转动，使夹持于主轴机构上的铣刀能完全符合滚柱齿轮分度器的滚柱于被圆柱凸轮分割时的相对关系角位移运动。

以四轴CNC机床加工分度凸轮的制造装置，摆动与滑动进给铣削机构其构造为：一个本体座中心置一摆动轴，且于轴两端由轴承支撑使其于轴向与径向定位，摆动轴上面固定一个蜗轮并且配置一个蜗杆，经蜗杆蜗轮传动而使摆动轴能摆动或转动，于摆动轴一端直径方向固定一个原点位销，使摆动轴能停止于某一固定点，摆动轴一端面固锁一个摆动板，摆动板较长的方向设有滑动轨道，此滑动轨道上配合一件摆动滑座，于摆动板与摆动滑座之间配置一个导螺杆，一个主轴机构固定于摆动滑座上，藉导螺杆的传动，使夹持铣刀的主轴机构随摆动滑座与摆动板的相对滑动而达到铣刀进给退刀。

（1）图示说明：

图1A，图1：本发明主要机构摇摆滑动进给铣销机构剖面侧视图及上视图。

图2：本发明主要机构摇摆滑动进给铣销机构装置固定在机床头部，且将原有部分传动轴马达及主轴马达重新配置，并且将CNC分度台置于工作台上。

图3：将圆柱凸轮胚料以一连接轴固定于CNC分度台与尾座之间。铣刀位于退刀高度H。

图4：本发明主要机构摇摆滑动进给铣销机构已摆动了一个分度角γ，且铣刀进给了一个深度H1。

图5-图12：滚柱齿轮分度器的种类及其加工制造时铣刀不同位置。

图13：滚柱被圆柱凸轮分割时其与CNC分度台（U轴）之间的角度变化关系图。

图14：膨胀圈的详细图。

（2）机构及设备说明：

请参阅图1，图1A：本发明主要机构摇摆滑动进给铣销机构详细构造为：一个本体座1中心置一摆动轴2且于轴心两端由两个轴承3支承，使其能于轴向与径向定位。在摆动轴2上固定一个蜗轮4并于蜗轮4下方配置一个蜗杆5，因此蜗杆轮传动便能使摆动轴2作旋转摆动。于摆动轴2一端固定一个原点定位销6使摆动轴2能停止在某一固定位置。摆动轴2端面固锁一个摆动板8，摆动板于较长的方向设有滑动轨道36，此滑动轨道上配合一件摆动滑座9，于摆动滑座9与摆动板8之间放置一个导螺杆10，藉此导螺杆之传动可使摆动滑座9沿摆动板8相对滑动，而达到铣刀12作进给或退刀。一个主轴机构11固锁于摆动滑座9之上，铣刀12系夹持于主轴机构11上。

请参阅图2：此图说明加工制造圆柱凸轮所需的设备及配置情形。本图所示的设备为一部立式CNC机床，这仅是一个说明例，其他任何具有四轴CNC机床架构的机器，无论是立式、卧式、龙门式等等均可以。本发明主要机构摇摆滑动进给铣销机构系固定于工具机头部主轴端面上，由于任何机床主轴端面均有轴承盖，而轴承壳端面均有数个螺孔供轴承盖锁紧用，因此利用这些螺孔可外接一个轴承盖连接板24而将本体座1固定在此轴承盖连接板上。由于要充分利用原有四轴CNC控制器，因此所使用的方法为：（A）将原来Z轴马达移到摆动板8的端面使其控制铣刀12的轴向进给，（B）将原来的主轴马达17移到主轴机构11旁边，使其控制铣刀12转速。（C）将原来的Y轴马达移到本体座1端面，使其控制摆动板8或铣刀12的摆动，原来的X轴马达保持不变。

由于主轴机构11的轴心已比原来机床的主轴中心更外伸，因此CNC分度台19较难置于工作台21的台面，必须以另一连接板20来连接。由于本案系利用现有未经改装的机床加以说明，若将原来机床头部15改装缩短，则CNC分度台19便可置于工作台21的正中央，而连接板20便不需要，机器刚性也会增强。

（3）滚柱齿轮分度器的种类与名词定义：

滚柱齿轮分度器的圆柱凸轮分夹持单螺旋肋（参阅图5）与夹持双螺旋肋（请参阅图6），输出轴31上相邻两滚柱32所成的夹角为分度角度γ29度当输出轴六等分时分度角为60°，八等分时分度角为45°等等。输入轴圆柱凸轮13亦有分割周期（参阅图13），此图为180度。分割周期可任意设定，然一般均取90°、120°、180°、270°等等。若圆柱凸轮分割周期为180°，则当圆柱凸轮等速转360°时，其中180°将使输出轴31转动一个分度角，而剩下的180°将使输出轴保持不动。

（4）圆柱凸轮加工制造方法与步骤：

请参阅图3，此图为制造圆柱凸轮的准备架设。为求主题清晰已将不必要图形去除。圆柱凸轮13成品一般均为中空状，因此藉一连接轴25及螺帽26将它固定在CNC分度台19盘面上，又为求加工稳固须以尾座27顶住尾端。当圆柱凸轮输胚料固定完成后，必须调整摆动轴2轴心与圆柱凸轮轴心于一固定中心距离C22（参阅图2、3），此中心距离C22由滚柱齿轮分度器的设计所决定，因此须调整原工具机的头部15高低位置。虽然原Z轴马达已被移动，但可由手动或加装感应马达配合原Z轴加装光学尺，可迅速调出中心距离C。由于一个圆柱凸轮加工时间需数小时之久，因此这项工作占整个工时的比例甚微，且一经固定后就不须再变动直到工作制造完成，除非换不同中心距离的圆柱凸轮。而调整圆柱凸轮13与主轴机构11（参阅图2）中心对准动作与上述相同，所不同的是原Y轴经固定后，无论不同中心距离的圆柱凸轮均不须改变原Y轴位置。接着调整铣刀12使其位于圆柱凸轮13左右中央（参阅图3），由于原X轴马达23仍被保留因此不成问题，因为本案的制造方法必须保留与圆柱凸轮13心轴平行的控制轴，以便做为刀具补偿及螺旋肋倒角之用，下面将一一叙述。最后设定铣刀退刀点H28，这可由Z轴控制。此H位置的设定只要铣刀12摆动时不碰到圆柱凸轮即可。于制造过程当中，由于CNC机床原Z轴与原Y轴轨道可不必移动，因此，可将轨道上的嵌条锁紧，以增加机器刚性。当上述工作完成后即可进行铣销工作。首先令摆动板8摆动45°（参阅图4），这是由Y轴马达18所控制，然后令Z轴马达16进刀到H130位置。为了让图形易于了解，假设圆柱凸轮的铣销系一次进刀即完成，事实上是须分很多次进刀才能完成。在进刀前须令铣刀12转动。当进刀完成后，接着便是摆动轴2Y轴与CNC分度台19U轴的同时或不同时的转动铣削。

由于Y轴于控制器上只能以长度单位输入，而实际上的CNC分度台19与摆动轴均是角位移的关系。因此有必要将Y轴的长度单位与角度单位找出相对关系。一般CNC分度的最小单位为0.001°，其内部减速比为90∶1。而X、Y、Z轴最小单位为0.001mm，其滚珠导螺杆导程设为10mm，今令摆动轴2上的蜗杆5蜗轮4（参阅图1）减速比亦为90∶1。则其间的关系如下：当摆动轴2欲走0.001°时，蜗杆5须走90×0.001°＝0.09°，假设Y轴马达18心轴与蜗杆5系直接连接，因此Y轴马达18亦走了0.09°，然而这0.09°在原来Y轴的直线距离为0.09÷360°×10mm＝0.0025mm（一般CNC机床传动马达与滚珠导螺杆的心轴均为直接连接）。因此便得知：欲让摆动轴2转0.001°时，于控制器Y轴输入0.0025mm，0.01°-0.025mm、0.1°-0.25mm、1°-2.5mm等等。

滚柱齿轮分度器的输出轴31所走的运动曲线有多种类型，例如直线（Straight    Line）、抛物线（Parabolic）、简谐运动（Simple    Harmonic）、摆线（Cycloidal）、正弦（Sine）、修正正弦（Modified    Sine）等等。本案所举例的运动曲线为简谐运动，其曲线方程式为

α＝ (γ)/2 （1-COS (π)/(β) θ）

其中α：摆动轴2或铣刀转动角度。

γ：输出轴分度角，本案设为45°。

θ：CNC分度台19U轴转动角度。

β：输入轴分割周期，本案设为180°。

由方程式可得到几个代表性的对应曲线点如下：

于实际的切削过程中，θ必须分割到较小的角度，如1°或0.5°等等，分割愈细愈能得到较平滑的凸轮曲面。

滚柱齿轮分度器分度过程中，输入轴圆柱凸轮13均保持等速转动，而输出轴31（请阅图6）配合着分割周期与静止周期出现间歇性的转动。以本案的例子，当圆柱凸轮13等速转动180°分割周期时，输出轴便被分度而转动，而当圆柱凸轮等速转动后半圈180°时，输出轴保持静止不动，如此重复循环。

请参阅图7～图12，为了清楚表示，仅将铣刀12与圆柱凸轮13表示出来。以下是铣削流程：

U轴角度θ	铣刀角度α（Y轴数值）	说      明
			0°1°2°··180°	0°（0）····0°（0）	将铣刀12摆成45°位置定为Y轴原点（参阅图7）请参阅图8，当U轴从0°－180°，铣刀均保持不动
181°182°··270°··359°360°	0.003°(0.009mm)0.014°(0.034mm)22.5°(56.25mm)44.997°(112.491mm)45°(112.5mm)	请参阅图9，此时铣刀角角度配合着U轴角度转动，其角位移轨迹系为简谐运动曲线。

当U轴CNC分度台19旋转两圈半时，即完成了一次切削循环。请参阅图12，此时的铣刀须退回刀点H28（请参阅图3），而U轴与Y轴均回到原点位置。Z轴再加深进刀，重新从图7开始到图12的循环切削，直到圆柱凸轮13已符合尺寸要求。

当铣削完成后，圆柱凸轮13为了使能更耐摩耗，因此必须再经硬化处理。硬化后的凸轮曲面略有变形且表面粗糙，因此须在经研磨加工。研磨加工的方法与流程均与上面所述一样，只是铣刀换成磨轮。在铣刀或研磨过程中铣刀及磨轮均会磨耗，因此须由X轴左右移动来补偿，使凸轮能符合尺寸要求。另外移动X轴及配合U轴可做螺旋肋33尾端倒角。

于铣削过程中，当铣刀12角度不摆动而保持静止时，为增加摆动板8稳固性，于摆动轴2外径与本体座1之间置一膨胀圈7（请参阅图14），此膨胀圈系由两个U形槽焊接而成，当高压油打入时，膨胀圈7便向内外径方向扩张，而使摆动轴2本体座1及膨胀圈7结合为一体。因此摆动轴2被强大摩擦扭矩限制径向转动。

以上所述为本发明的详细构造与制造方法，希望以此能制造更精密之滚柱齿轮分度器嘉惠于工业界。恳请贵审查委员赐准发明专利为祷。

Claims (4)

1、一种以四轴CNC机床加工分度凸轮的制造方法，其特征在于将具四轴CNC机床的两个控制轴分别驱动一具摆动与滑动进给铣削机构的蜗杆，使铣刀能完全模仿滚柱齿轮分度器的滚柱运动与驱动导螺杆，使铣刀进给与退刀，配合CNC分度台的等速转动，使夹持于主轴机构上的铣刀能完全符合滚柱齿轮分度器的滚柱于被圆柱凸轮分割时的相对关系角位移运动。

2、一种使用权利要求1的方法而专门设计的制造装置，其特征是：在四轴CNC机床上安装有一摆动与滑动进给铣削机构。

3、如权利要求2所述的以四轴CNC机床加工分度凸轮的制造装置，其特征是摆动与滑动进给铣削机构其构造为：一个本体座中心置一摆动轴，且于轴两端由轴承支撑使其于轴向与径向定位，摆动轴上面固定一个蜗轮并且配置一个蜗杆，经蜗杆蜗轮传动而使摆动轴能摆动或转动，于摆动轴一端直径方向固定一个原点位销，使摆动轴能停止于某一固定点，摆动轴一端面固锁一个摆动板，摆动板较长的方向设有滑动轨道，此滑动轨道上配合一件摆动滑座，于摆动板与摆动滑座之间配置一个导螺杆，一个主轴机构固定于摆动滑座上，藉导螺杆的传动，使夹持铣刀的主轴机构随摆动滑座与摆动板的相对滑动而达到铣刀进给退刀。

4、如权利要求3所述的以四轴CNC机床加工分度凸轮的制造装置，其特征是：摆动与滑动进给铣削机构其摆动轴，于直径方向与本体座之间放置一个膨胀圈，当高压油打入膨胀圈时，由于膨胀圈胀大而使摆动轴与本体座暂时无法相对转动，而达到增加铣削刚性的目的。

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