弧面凸轮廓面三坐标机测量与传动质量评价

　　0　引言

　　分度凸轮机构在自动化机械中占有重要地位,它可以把输入轴的连续回转运动转换为工作执行机构的间歇直动或间歇摆动,主要包括平行分度凸轮机构、圆柱分度凸轮机构和弧面分度凸轮机构三种。其中弧面分度凸轮机构是目前最理想的分度机构,在动态性能、分度精度、啮合刚度与结构等方面均有很好的性能,被广泛应用于加工中心换刀机械手等多工位自动机械[1]。但其弧面凸轮廓面是不可展异型曲面,制造难度较大,加工时的中心距误差、刀具半径误差、刀具转角误差等都会引起凸轮的廓面形状误差,从而造成装配过程中的啮合间隙或干涉,影响高速运动情况下的动态性能,降低从动盘分度与定位的精度,因此探索有效的测量手段,是保证弧面凸轮加工质量和构建闭环制造系统的关键。

　　目前弧面凸轮廓面的测量主要依靠专用测量装置[2],这显然增加了检测成本。文献[3,4]利用凸轮自身的廓面坐标分别反求了平面凸轮和圆柱凸轮的运动曲线,为弧面凸轮传动质量的评价提供了新思路。笔者采用三坐标测量机的扫描功能,实现了对弧面凸轮廓面数据的采集,并把凸轮廓面评价看作是廓面设计的逆过程,利用数据拟合和非线性优化方法得到了实际共轭运动的传动函数,从而实现了弧面凸轮传动质量的评价。

　　1　弧面凸轮廓面的数学模型

　　弧面凸轮机构由弧面凸轮和分度盘组成,其数学模型如图1所示[5],运用回转变量和微分几何,在与凸轮固联的动坐标系即凸轮坐标系ocxcyczc中,可以推导出弧面凸轮理论廓面的参数方程r(l,θ):

　　2　弧面凸轮廓面数据的采集

　　弧面凸轮廓面是一空间螺旋带,如图2所示,由于缺乏精确的检测方法,其轮廓几何形状的误差检测较困难,很多生产厂家都不予检测。本文采用三坐标测量机精密测量弧面凸轮廓面的三维坐标。

　　任一时刻弧面凸轮以线接触方式驱动从动盘滚子共轭运动,由于瞬时接触线上各点的共轭关系均表现为滚子轴线和凸轮轴线的旋转运动,所以任意接触点均能一致反映传动函数τ(θ),那么三坐标测量机对弧面分度凸轮廓面进行的点位测量方式对于评价弧面凸轮廓面的传动质量是可行的。如图2所示,oxyz为采集数据之前建立的测量坐标系,可以从凸轮任意位置开始测量,ocxcyczc为凸轮坐标系,z轴、zc轴重合于凸轮轴,凸轮坐标系的xc轴与测量坐标系的x轴间夹角为β。测量时,考虑到弧面凸轮廓面的凹凸特性,选用星形探针进行测量,测头以给定的某一凸轮轮廓的半径R与凸轮廓面接触,测量数据点是给定半径R的圆柱面与弧面凸轮廓面的交线即等径测绘线上的点,各点沿该交线的间距由坐标测量机在测量时的步长决定。由于弧面凸轮创成曲面属于空间曲面,为了更全面真实地评价传动质量,可以在廓面上测出三条以上的等径曲线。