曲柄滑块在榫槽侧拉床 C 形摇篮机构中的应用
2018-10-24 来源：浙江畅尔智能装备股份有限公司 作者： 刘中华，刘普襄，吕晓天
摘 要：将曲柄滑块机构应用于自主研发的榫槽侧拉床的 C 形摇篮机构中，从而有效地保证了拉床的精度，又降低了零件加工与装配的难度，使榫槽侧拉床国产代替进口成为可能。
关键词：曲柄；滑块；机构；精度；拉床
0、 引 言
榫槽侧拉床，是高精密机床，主要用来加工飞机发动机、汽轮机涡流盘及民用透平机械上的榫槽和榫头，属于国防工业的尖端装备，国外拥有该项技术的国家对我国进行技术封锁。我们开发榫槽侧拉床，意义不仅是代替进口，而是体现我国尖端装备的技术水平，打破西方的技术壁垒和技术封锁，具有巨大的政治意义和社会效益。曲柄滑块机构是一种典型的传动机构，在实际应用中主要用来传递动力，例如柴油发动机、蒸汽机等。榫槽的拉削过去常采用在卧式液压内拉床上进行拉削，由于效率低、质量不稳定、劳动强度大等缺点，已逐步被淘汰。我公司研制的榫槽侧拉床采用卧式侧向结构，该类结构刚性好，有利于保证产品精度与光洁度。拉削行程设计时可长可短，不受限制。可一次行程变两种拉削速度，可满足粗拉和精拉分开，采用两种拉削速度的特殊要求。卧式侧拉床比立拉在操作、维修等方面均较方便。
1、 国外先进高速侧拉床介绍
国外著名生产榫槽侧拉床的企业有英国的拉普波音特、美国的辛辛那提、德国的霍夫曼（机床实体如图 1）以及日本的不二越公司（机床实体如图 2）等。榫槽侧拉床的关键技术就在于驱动 C 形摇篮的角度位置变换的传动方式，国外先进水平的企业对其一般采用两种传动方式：1）齿轮传动（其中包括直齿和斜齿），如图 3 结构所示；2）蜗轮蜗杆传动，如图 4 所示。因为 C 形滑台的结构特点，采用齿轮传动时，大齿轮必然要做成扇形块；采用蜗轮蜗杆传动时，蜗轮也必然要做成扇形状。无论是扇形大齿轮还是扇形蜗轮，在材料力学上都存在这样的问题：齿形的中间部位，内应力小，张力也小，两端尖顶部，内应力大，张力也大。所以在扇形的不同位置，扇形齿轮和扇形蜗轮的齿部变形量是不一样的，必然会影响角度精度。因为机床的精度要求较高，再结合机床的零件比较庞大，致使这两种传动方式对加工和装配要求都很高，在我国现有的技术条件下很难达到，或者说即使达到了，生产成本也是很高，甚至还要付出沉重的代价，因此该机床在我国没有研发，长期依靠进口，这一技术难题一直未能突破，榫槽侧拉床的研制工作一直没有很大进展。然而，真正的大型高精密榫槽侧拉床是进口不到的，我们必须突破这一瓶颈。
图 1 德国霍夫曼榫槽侧拉床实体图
图 2 日本不二越榫槽侧拉床实体图
图 3 齿轮驱动 C 形摇篮机构示意图
图 4 蜗轮蜗杆驱动 C 形摇篮机构示意图
2 、我公司研发榫槽侧拉床
C 形摇篮机构所采用的驱动方式基于上述原因，我们公司在研发榫槽侧拉床时，另辟蹊径，将曲柄滑块机构应用到该机床的 C 形摇篮机构中。曲柄滑块机构是一种典型的传动机构，在实际应用中主要用来传递动力，例如柴油发动机、蒸汽机等。C 形滑台是一种榫槽侧拉床中 C 形摇篮机构的关键部件，在工作时，C 形滑台须沿着弧形导轨旋转，与 C 形滑台中心垂直线（或水平线）形成一定的夹角。这种榫槽侧拉床，对 C 形滑台的旋转夹角精度要求很高，定位精度：10"，重复定位精度：6"。
从图 5 中可以看出，C 形滑台相当于曲柄，形成了曲柄+连杆+滑块的曲柄滑块机构。曲柄滑块机构有两种驱动方式：第一种：曲轴为主动轴，通过曲轴的曲柄驱动连杆，连杆不间断地变换角度位置，从而带动滑块做往复直线运动；第二种：滑块为主运动，带动连杆运动，而连杆通过曲轴的曲柄，不间断地变换角度位置，从而使曲轴做旋转运动。从图 5 中，我们可以看出，机构的动力源在于滑块侧，采用的是第二种驱动方式。其基本工作原理：伺服电动机通过减速机、联轴器、滚动轴承和滚珠丝杠驱动滑块，滑块在导轨内作直线运动，再通过连杆和销轴 I、销轴II，带动 C 形滑台（相当于曲柄）作圆周运动，从而实现 C形滑台面的角度偏斜。在设计时，图 5 中 α 角度取值范围为 17°~92°，从而有效地避开了连杆运动的拐点 （即死点）。
图 5 曲柄滑块机构驱动 C 形摇篮机构示意图
3、 数学模型建立
根据曲柄滑块机构的工作原理并结合实际中的图 5的工作情况，简化机构，可以得到滑块直线位移与 C 形滑台的旋转角度位置的对应值，建立数学模型如图 6 所示。机构设计完成后，OC 的长度 R、BO 的长度 L0以及 AC 的长度 L1即为定值（数值已知），由余弦定理可知：AC2=OA2+OC2-2×OA×OC × cos∠AOC 。代入相应的数值可得L12=（L0-L）2+R2-2×R（L0-L）×cosα 。由曲柄滑块机构在该机床的应用转动范围，可知 α的角度为 17°~92°，根据余弦函数在该区间的是单调的，另外所有的长度尺寸均为正值，且存在 L0＞L 的关系，利用现有设计数据，通过 EXCEL 可拟合 C 形滑台旋转角度值 α 与 AB 长度值 L 的函数图像如图 7 所示。
图 6 曲柄滑块机构在 C 形摇篮机构中的数学模型
图 7 α 与 L 函数函数图像
从函数图像中可以看出，两个未知数（α 与 L）成一一对应的关系，即知道被加工件的倾斜角度，就可以通过转动伺服电动机驱动滑块调整位置来实现，以达到所要求的位置。
4 、结 论
本文介绍了一种驱动榫槽侧拉床 C 形摇篮机构的新方式，巧妙地将圆弧运动的角度变化转变为直线方向上的位移变化，实现了直线位移与角度位移的一一对应。不仅降低了加工成本，还降低了对装配的要求，节约了成本.
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