数控加工中心主轴变速齿轮箱换挡互锁机构设计


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1.传动设计

轻载数控加工中心的主轴一般采用直连方式,在高速时加工中心主轴扭矩较小,低速时也不能提供较大的扭矩。对于加工范围大并要求提供主轴低、中、高三挡扭矩的数控加工中心,就需要为主轴设计一个三挡变速箱,将主轴电机的扭矩增大来驱动主轴。这个三挡变速箱传动比最好接近等比数列,这样才比较合理。图1所示是我公司设计的某数控加工中心主轴三挡拨叉齿轮变速箱。

拨叉1向左移动且拨叉2在空位为一挡,传动比/= (52/23) x(46/18) x (31/31) x(52/23 ) = 13.063;拨叉 1在空位且拨叉2向左移动为二挡,传动比/= (52/23) x (34/30) x(31/31 ) x (52/23) =5.793拨叉1向右移动且拨叉2在空位为三挡,传动比/= (39/38) x(31/31) x (52/23) =2.320。

为了保证传动的准确性、平稳性、重载荷及低噪声,此三挡齿轮变速箱传动齿轮采用了斜齿轮传动。这就使普通滑移齿轮的换挡方式行不通,且直齿滑移齿轮的换挡方式传动平稳性差、间隙大、易磨损齿且易打齿。故采用主、从齿轮一直啮合并与轴空套,由离合器控制与轴的传动切换方式,但普通的离合器无法满足髙精度数控加工中心主轴变速箱的要求。此变速箱采用三挡变速斜齿轮通过髙精度轴承空套在m轴上,三组齿轮均一直啮合。拨叉1和拨叉2分别推动两个30齿的直齿滑移外齿轮与30齿的内齿圈充当离合器,滑移齿轮与m轴是花键联接,分别将三个挡位变速传递到m轴。这样的好处是需要变速的齿轮一直啮合,传动精度高、齿轮磨损小且不会打齿,传动平稳。而30齿的内外齿轮充当离合实现转速的切换,由于是全齿啮合,故传动刚性大、间隙小,即使局部齿轮磨损也不会使间隙增大,寿命长,不易打齿,换挡时间短。

2. 互锁机构设计

此变速箱需要两个控制轴来控制两个拨叉实现三挡变速,用多个拨叉来回移动控制多个滑移齿轮离合到达合理位置,来满足多级变速的需要。多个滑移齿轮之间必须满足一定的逻辑关系。多个主传动齿轮同时与同一个轴上多个从动齿轮啮合,若发生多个滑移齿轮离合同时向m轴传递运动的情况,会出现非常严重的后果,轻则导致滑移齿轮损坏,重则会使整个齿轮箱报废。所以必须进行互锁设计,为此该变速齿轮箱专门设计了两层互锁保护,第一层为机械式互锁机构,第二层为电器系统互锁保护,保证变速机构的绝对安全可靠。

该数控加工中心主轴变速箱研发的换挡变速机构增加了互锁圆柱销,如图2所示。在当前的状态下,活塞2左侧供油,则轴1推动拨叉停在中位空挡;若活塞2不供油,活塞1右侧供油,则轴1推动拨叉向左移动至一挡i=13.063;若活塞2不供油,活塞1左侧供油,则轴1推动拨叉向右移动至三挡f=2.320;当轴1换挡时,轴2必须位于空挡位置。由于圆柱销I:端面被轴_1外圆向下顶,正好卡在轴2的120° V形槽处,轴2被完全固定,不能移动。即使在加工中心调试或使用中,电器互锁出现故障以后,两个换挡控制轴均不能违反上述逻辑关系而移动。两个主传动齿轮不能同时将旋转运动传递给轴3,保证了减速箱的安全旋转。同理,当活塞3右侧供油推动轴2向左运动,轴2外圆顶住圆拄销的下端面,圆柱销卡在轴1的120° V形槽里,从而实现轴2移动,轴1必须位于空挡的固定位置。实现轴1和轴2之间的换挡互锁,此时为二挡—5.793。这种互锁换挡装置保证了变速箱在任何情况下,只会通过滑移齿轮将一种运动传递给轴3,确保了整个齿轮箱的安全。

3.  结语

对于有多个拨叉实现换挡变速的齿轮箱,有时它们之间有一定的逻辑关系,若多轴同时换挡,则有可能发生齿轮箱的损坏。为此必须设计换挡互锁装置,保证一个轴上只有一个运动的输入。有的换挡变速齿轮箱,仅设计了一层电器互锁保护,若在电器调试或电器故障时,有可能导致互锁失败,造成变速箱的损坏。我公司某数控加工中心主轴三挡拨叉齿轮变速箱换挡时,不仅有电器换挡互锁,还设计了圆柱销机械互锁装置,结构简单、安全可靠,满足了换挡互锁要求。


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