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数控插齿机无冲击让刀机构的凸轮轮廓线设计与计算

摘要：为了提高插齿机冲程频率、提高插齿机运动稳定性和动力学特征，减

小由于让刀运动带来的冲击是让刀机构设计的关键环节；本文针对目前数控插齿

机让刀运动冲击引起的振动较大且影响插齿加工精度、限制冲程次数的问题，提

出了通过凸轮曲线优化设计达到无冲击让刀运动的设计方法。从让刀运动的功能

需求出发，以无冲击为设计目标，首先对双共轭凸轮的主动曲线进行数学建模，

通过求取其外侧等距曲线并利用让刀机构的参数求取被动凸轮的等距曲线，最终

求取被动凸轮曲线，并验证了由此双共轭凸轮驱动的让刀机构的运动关系满足题

设的条件，达到设计目的。全部设计与计算过程借助Mathmatic数学软件，数据

传递明确，结果清晰可辨。设计结果在数控插齿机上得到试验，可向上向下扩展

适用，同时本文寄希望于更好的让刀机构出现。

关键词：数控插齿机；让刀机构；双共轭凸轮；等距曲线；无冲击

1、引言

机床振动是影响机床加工精度和机床稳定性的关键因素，考虑机床大型零件

的动静刚度、机床往复运动与回转运动的频率，进而确定机床的动、静刚度指标，

是机床设计的关键环节。数控插齿机的主轴往复运动和让刀运动是其规则振动的

主要驱动源，改善让刀运动的运动状态和减小由于让刀运动带来的冲击，是让刀

机构设计的一个关键。目前，我厂应用了双共轭凸轮让刀机构，运动平稳性得到

很大提高，为了适应更复杂的机床应用环境，通过优化凸轮曲线，设计不具有刚

性冲击甚至不具有柔性冲击的双共轭凸轮让刀机构迫在眉睫。

YKW51250型液压主驱动数控插齿机由液压缸对刀轴进行驱动提供往复插

齿运动，该机型除了可以进行正常的等速上下往复运动外，还可以满足下行与上

行时间比2：1的冲程运动。由于液压缸活塞杆的影响使得油缸上下油腔面积不

等，可以利用这一特性，改变刀轴下行切削运动和上行空程运动的时间比例，根

据油腔截面积比例将其时间比例改变为1：2，即满足下行切削且快速空程返回，

工作效率得到很大提高。由于让刀运动没有了与主驱动共享的主驱动电机，需要

增加单独的伺服电机对其进行驱动，即应用伺服让刀机构。如果应用传统的让刀

机构满足上述问题，则让刀电机需要频繁的加减速，不利于数控系统的稳定。通

过分析共轭双凸轮让刀机构的运行特性，通过设计凸轮曲线就可以解决上述问

题。

本文以数控插齿机满足等速往复运动的让刀机构为例，对其双共轭凸轮轮廓

线进行设计；满足下行与上行时间比2：1的让刀机构双共轭凸轮轮廓线原理与

其类似，不再赘述。

2、让刀机构功能需求

图１是伺服让刀机构示意图。图中，1-伺服电机，2-减速器，3-联轴器，4-

凸轮轴，5-小偏心轴，6-花键套，7-拨叉，8-让刀拉杆，9-偏心轴。

图１伺服让刀机构示意图

伺服电机驱动的数控插齿机让刀机构采用如下技术方案：伺服电机可以根据

主轴运动的位置进行数控调速，以满足于让刀机构与插齿机构的运动周期同步。

伺服电机通过减速器和联轴器将运动传递到凸轮轴上，共轭双凸轮在任意时刻与

拨叉上的两个滚子均保持接触，共轭双凸轮曲线与各自所对应的滚子的接触点啮

合，其凸轮形状曲线满足让刀机构运动曲线特征。使拨叉进行往复摆动，拨叉带

动偏心轴往复摆动，偏心轴推动让刀拉杆使得让刀拉杆前端做往复移动，从而推

动数控插齿机刀架形成让刀运动。拨叉上的其中一个滚子的轴是小偏心轴，可以

通过它的旋转控制两滚子与共轭凸轮的配合以弥补机加工的误差。与偏心轴相连

的花键套可以松开、旋转180°、再锁紧，以此切换数控插齿机切削内、外齿轮

功能。伺服电机驱动的数控插齿机让刀机构由于采用本技术方案，因而解决了插

齿机构换成液压缸驱动后，让刀机构和插齿机构运动周期无法同步的问题。使得

液压缸代替伺服电机驱动插齿机构，切削大型齿轮可以实现。

3、共轭双凸轮轮廓线设计

3.1中心孔距及基本参数的确定

根据本人对YK51160型数控插齿机让刀机构的设计经验，选择“-12-513”勾

股序列作为本文的参照，该序列可以很方便的上下扩展，根据类比法和让刀力量

的需求计算，选择“-12-513”勾股序列的18倍作为本文的设计参数。

即：凸轮轴与偏心轴的中心孔距：

LCen=13X18=234

凸轮轴与两个滚子的初始距离：

L0=5X18=90

偏心轴与两个滚子的中心矩：