數控分度工作臺設計

數控分度工作臺設計,數控分度工作臺設計,數控,分度,工作臺,設計 機床數控改造 一、數控系統(tǒng)發(fā)展簡史及趨勢 1946年誕生了世界上第一臺電子計算機，這表明人類創(chuàng)造了可增強和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強體力勞動的工具相比，起了質的飛躍，為人類進入信息社會奠定了基礎。6年后，即在1952年，計算機技術應用到了機床上，在美國誕生了第一臺數控機床。從此，傳統(tǒng)機床產生了質的變化。近半個世紀以來，數控系統(tǒng)經歷了兩個階段和六代的發(fā)展。 1.1、數控（NC）階段（1952～1970年） 早期計算機的運算速度低，對當時的科學計算和數據處理影響還不大，但不能適應機床實時控制的要求。人們不得不采用數字邏輯電路"搭"成一臺機床專用計算機作為數控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數控（HARD-WIRED NC），簡稱為數控（NC）。隨著元器件的發(fā)展，這個階段歷經了三代，即1952年的第一代--電子管；1959年的第二代--晶體管；1965年的第三代--小規(guī)模集成電路。 1.2、計算機數控（CNC）階段（1970年～現在） 到1970年，通用小型計算機業(yè)已出現并成批生產。于是將它移植過來作為數控系統(tǒng)的核心部件，從此進入了計算機數控（CNC）階段（把計算機前面應有的"通用"兩個字省略了）。到1971年，美國INTEL公司在世界上第一次將計算機的兩個最核心的部件--運算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術集成在一塊芯片上，稱之為微處理器（MICROPROCESSOR），又可稱為中央處理單元（簡稱CPU）。 到1974年微處理器被應用于數控系統(tǒng)。這是因為小型計算機功能太強，控制一臺機床能力有富裕（故當時曾用于控制多臺機床，稱之為群控），不如采用微處理器經濟合理。而且當時的小型機可靠性也不理想。早期的微處理器速度和功能雖還不夠高，但可以通過多處理器結構來解決。由于微處理器是通用計算機的核心部件，故仍稱為計算機數控。 到了1990年，PC機（個人計算機，國內習慣稱微機）的性能已發(fā)展到很高的階段，可以滿足作為數控系統(tǒng)核心部件的要求。數控系統(tǒng)從此進入了基于PC的階段。 總之，計算機數控階段也經歷了三代。即1970年的第四代--小型計算機；1974年的第五代--微處理器和1990年的第六代--基于PC（國外稱為PC-BASED）。 還要指出的是，雖然國外早已改稱為計算機數控（即CNC）了，而我國仍習慣稱數控（NC）。所以我們日常講的"數控"，實質上已是指"計算機數控"了。 1.3、數控未來發(fā)展的趨勢 1.3.1　繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展 基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的數控系統(tǒng)生產廠家會走上這條道路。至少采用PC機作為它的前端機，來處理人機界面、編程、聯網通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔數控的任務。PC機所具有的友好的人機界面，將普及到所有的數控系統(tǒng)。遠程通訊，遠程診斷和維修將更加普遍。 1.3.2向高速化和高精度化發(fā)展 這是適應機床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。 1.3.3向智能化方向發(fā)展 隨著人工智能在計算機領域的不斷滲透和發(fā)展，數控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。 （1）應用自適應控制技術 數控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調整系統(tǒng)的有關參數，達到改進系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。 將熟練工人和專家的經驗，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數數據庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。 （2）引入專家系統(tǒng)指導加工 （3）引入故障診斷專家系統(tǒng) （4）智能化數字伺服驅動裝置 可以通過自動識別負載，而自動調整參數，使驅動系統(tǒng)獲得最佳的運行。 二、機床數控化改造的必要性 2.1、微觀看改造的必要性 從微觀上看，數控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。 2.1.1 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。 由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。 2.1.2 可以實現加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高3～7倍。 由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現自動化。數控機床只要更換一個程序，就可實現另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產得以自動化，故被稱為實現了"柔性自動化"。 2.1.3 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要"修配"。 2.1.4 可實現多工序的集中，減少零件 在機床間的頻繁搬運。 2.1.5 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償等多種自律功能，因而可實現長時間無人看管加工。 2.1.6 由以上五條派生的好處。 如：降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少了工裝，縮短了新產品試制周期和生產周期，可對市場需求作出快速反應等等。 以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。此外，機床數控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎。數控技術已經成為制造業(yè)自動化的核心技術和基礎技術。 2.2、宏觀看改造的必要性 從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達國家的軍、民機械工業(yè)，在70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應用數控機床。其本質是，采用信息技術對傳統(tǒng)產業(yè)（包括軍、民機械工業(yè)）進行技術改造。除在制造過程中采用數控機床、FMC、FMS外，還包括在產品開發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產管理中推行MIS（管理信息系統(tǒng)）、CIMS等等。以及在其生產的產品中增加信息技術，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術對國外軍、民機械工業(yè)進行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強。而我們在信息技術改造傳統(tǒng)產業(yè)方面比發(fā)達國家約落后20年。如我國機床擁有量中，數控機床的比重（數控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已達20.8％，因此每年都有大量機電產品進口。這也就從宏觀上說明了機床數控化改造的必要性。 三、機床與生產線數控化改造的市場 3.1、機床數控化改造的市場 我國目前機床總量380余萬臺，而其中數控機床總數只有11.34萬臺，即我國機床數控化率不到3％。近10年來，我國數控機床年產量約為0.6～0.8萬臺，年產值約為18億元。機床的年產量數控化率為6％。我國機床役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機床中，自動/半自動機床不到20％，FMC/FMS等自動化生產線更屈指可數（美國和日本自動和半自動機床占60％以上）?？梢娢覀兊拇蠖鄶抵圃煨袠I(yè)和企業(yè)的生產、加工裝備絕大數是傳統(tǒng)的機床，而且半數以上是役齡在10年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產品普遍存在質量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機床的數控化率。 3.2、進口設備和生產線的數控化改造市場 我國自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進技術、設備和生產線進行技術改造。據不完全統(tǒng)計，從1979～1988年10年間，全國引進技術改造項目就有18446項，大約165.8億美元。 這些項目中，大部分項目為我國的經濟建設發(fā)揮了應有的作用。但是有的引進項目由于種種原因，設備或生產線不能正常運轉，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴重的使企業(yè)陷入困境。一些設備、生產線從國外引進以后，有的消化吸收不好，備件不全，維護不當，結果運轉不良；有的引進時只注意引進設備、儀器、生產線，忽視軟件、工藝、管理等，造成項目不完整，設備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動運行，沒有發(fā)揮應有的作用；有的生產線的產品銷路很好，但是因為設備故障不能達產達標；有的因為能耗高、產品合格率低而造成虧損；有的已引進較長時間，需要進行技術更新。種種原因使有的設備不僅沒有創(chuàng)造財富，反而消耗著財富。 這些不能使用的設備、生產線是個包袱，也是一批很大的存量資產，修好了就是財富。只要找出主要的技術難點，解決關鍵技術問題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產，爭取到最大的經濟效益和社會效益。這也是一個極大的改造市場。 四、數控化改造的內容及優(yōu)缺 4.1、國外改造業(yè)的興起 在美國、日本和德國等發(fā)達國家，它們的機床改造作為新的經濟增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時代。由于機床以及技術的不斷進步，機床改造是個"永恒"的課題。我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數控技術為主的新的行業(yè)。在美國、日本、德國，用數控技術改造機床和生產線具有廣闊的市場，已形成了機床和生產線數控改造的新的行業(yè)。在美國，機床改造業(yè)稱為機床再生（Remanufacturing）業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton機床公司、Devlieg-Bullavd（得寶）服務集團、US設備公司等。美國得寶公司已在中國開辦公司。在日本，機床改造業(yè)稱為機床改裝（Retrofitting）業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大隈工程集團、崗三機械公司、千代田工機公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。 4.2、數控化改造的內容 機床與生產線的數控化改造主要內容有以下幾點： 其一是恢復原功能，對機床、生產線存在的故障部分進行診斷并恢復；其二是NC化，在普通機床上加數顯裝置，或加數控系統(tǒng)，改造成NC機床、CNC機床；其三是翻新，為提高精度、效率和自動化程度，對機械、電氣部分進行翻新，對機械部分重新裝配加工，恢復原精度；對其不滿足生產要求的CNC系統(tǒng)以最新CNC進行更新；其四是技術更新或技術創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技術，在原有基礎上進行較大規(guī)模的技術更新或技術創(chuàng)新，較大幅度地提高水平和檔次的更新改造。 4.3、數控化改造的優(yōu)缺 4.3.1　減少投資額、交貨期短 同購置新機床相比，一般可以節(jié)省60％～80％的費用，改造費用低。特別是大型、特殊機床尤其明顯。一般大型機床改造，只花新機床購置費用的1/3，交貨期短。但有些特殊情況，如高速主軸、托盤自動交換裝置的制作與安裝過于費工、費錢，往往改造成本提高2～3倍，與購置新機床相比，只能節(jié)省投資50％左右。 4.3.2　機械性能穩(wěn)定可靠，結構受限 所利用的床身、立柱等基礎件都是重而堅固的鑄造構件，而不是那種焊接構件，改造后的機床性能高、質量好，可以作為新設備繼續(xù)使用多年。但是受到原來機械結構的限制，不宜做突破性的改造。 4.3.3　熟悉了解設備、便于操作維修 購買新設備時，不了解新設備是否能滿足其加工要求。改造則不然，可以精確地計算出機床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者對機床的特性早已了解，在操作使用和維修方面培訓時間短，見效快。改造的機床一安裝好，就可以實現全負荷運轉。 4.3.4　可充分利用現有的條件 可以充分利用現有地基，不必像購入新設備時那樣需重新構筑地基。 4.3.5　可以采用最新的控制技術 可根據技術革新的發(fā)展速度，及時地提高生產設備的自動化水平和效率，提高設備質量和檔次，將舊機床改成當今水平的機床。 五、數控系統(tǒng)的選擇 數控系統(tǒng)主要有三種類型，改造時，應根據具體情況進行選擇。 5.1、步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng) 該系統(tǒng)的伺服驅動裝置主要是步進電機、功率步進電機、電液脈沖馬達等。由數控系統(tǒng)送出的進給指令脈沖，經驅動電路控制和功率放大后，使步進電機轉動，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅動執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖的數量、頻率以及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運動的位移量、速度和運動方向。這種系統(tǒng)不需要將所測得的實際位置和速度反饋到輸入端，故稱之為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進電機的角位移精度，齒輪絲杠等傳動元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。 該系統(tǒng)結構簡單，調試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。 5.2、異步電動機或直流電機拖動，光柵測量反饋的閉環(huán)數控系統(tǒng) 該系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別是：由光柵、感應同步器等位置檢測裝置測得的實際位置反饋信號，隨時與給定值進行比較，將兩者的差值放大和變換，驅動執(zhí)行機構，以給定的速度向著消除偏差的方向運動，直到給定位置與反饋的實際位置的差值等于零為止。閉環(huán)進給系統(tǒng)在結構上比開環(huán)進給系統(tǒng)復雜，成本也高，對環(huán)境室溫要求嚴。設計和調試都比開環(huán)系統(tǒng)難。但是可以獲得比開環(huán)進給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度，驅動功率更大的特性指標。可根據產品技術要求，決定是否采用這種系統(tǒng)。 5.3、交/直流伺服電機拖動，編碼器反饋的半閉環(huán)數控系統(tǒng) 半閉環(huán)系統(tǒng)檢測元件安裝在中間傳動件上，間接測量執(zhí)行部件的位置。它只能補償系統(tǒng)環(huán)路內部部分元件的誤差，因此，它的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低，但是它的結構與調試都較閉環(huán)系統(tǒng)簡單。在將角位移檢測元件與速度檢測元件和伺服電機作成一個整體時則無需考慮位置檢測裝置的安裝問題。 當前生產數控系統(tǒng)的公司廠家比較多，國外著名公司的如德國SIEMENS公司、日本FANUC公司；國內公司如中國珠峰公司、北京航天機床數控系統(tǒng)集團公司、華中數控公司和沈陽高檔數控國家工程研究中心。 選擇數控系統(tǒng)時主要是根據數控改造后機床要達到的各種精度、驅動電機的功率和用戶的要求。 六、數控改造中主要機械部件改裝探討 一臺新的數控機床，在設計上要達到：有高的靜動態(tài)剛度；運動副之間的摩擦系數小，傳動無間隙；功率大；便于操作和維修。機床數控改造時應盡量達到上述要求。不能認為將數控裝置與普通機床連接在一起就達到了數控機床的要求，還應對主要部件進行相應的改造使其達到一定的設計要求，才能獲得預期的改造目的。 6.1、滑動導軌副 對數控車床來說，導軌除應具有普通車床導向精度和工藝性外，還要有良好的耐摩擦、磨損特性，并減少因摩擦阻力而致死區(qū)。同時要有足夠的剛度，以減少導軌變形對加工精度的影響，要有合理的導軌防護和潤滑。 6.2、齒輪副 一般機床的齒輪主要集中在主軸箱和變速箱中。為了保證傳動精度，數控機床上使用的齒輪精度等級都比普通機床高。在結構上要能達到無間隙傳動，因而改造時，機床主要齒輪必須滿足數控機床的要求，以保證機床加工精度。 6.3、滑動絲杠與滾珠絲杠 絲杠傳動直接關系到傳動鏈精度。絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和拖動扭矩要求。被加工件精度要求不高時可采用滑動絲杠，但應檢查原絲杠磨損情況，如螺距誤差及螺距累計誤差以及相配螺母間隙。一般情況滑動絲杠應不低于6級，螺母間隙過大則更換螺母。采用滑動絲杠相對滾珠絲杠價格較低，但難以滿足精度較高的零件加工。 滾珠絲杠摩擦損失小，效率高，其傳動效率可在90%以上；精度高，壽命長；啟動力矩和運動時力矩相接近，可以降低電機啟動力矩。因此可滿足較高精度零件加工要求。 6.4、安全防護 效率必須以安全為前提。在機床改造中要根據實際情況采取相應的措施，切不可忽視。滾珠絲杠副是精密元件，工作時要嚴防灰塵特別是切屑及硬砂粒進入滾道。在縱向絲杠上也可加整體鐵板防護罩。大拖板與滑動導軌接觸的兩端面要密封好，絕對防止硬質顆粒狀的異物進入滑動面損傷導軌。 七、機床數控改造主要步驟 7.1、改造方案的確定 改造的可行性分析通過以后，就可以針對某臺或某幾臺機床的現況確定改造方案，一般包括： 7.1.1 機械修理與電氣改造相結合 一般來說，需進行電氣改造的機床，都需進行機械修理。要確定修理的要求、范圍、內容；也要確定因電氣改造而需進行機械結構改造的要求、內容；還要確定電氣改造與機械修理、改造之間的交錯時間要求。機械性能的完好是電氣改造成功的基礎。 7.1.2 先易后難、先局部后全局 原系統(tǒng)的拆除必須對照原圖紙，仔細進行，及時在圖紙上作出標記，防止遺漏或過拆(局部改造情況下)。在拆的過程中也會發(fā)現一些新系統(tǒng)設計中的欠缺之處，應及時補充與修正，拆下的系統(tǒng)及零件應分門別類，妥善保管，以備萬一改造不成功或局部失敗時恢復使用。還有一定使用價值的，可作其他機床備件用。切忌大手大腳，亂扔亂放。 7.2 合理安排新系統(tǒng)位置及布線 根據新系統(tǒng)設計圖紙，合理進行新系統(tǒng)配置，包括箱體固定、面板安放、線路走向和固定、調整元器件位置、密封及必要裝飾等。連線工作必須分工明確，有人復查檢驗，以確保連線工藝規(guī)范、線徑合適、正確無誤、可靠美觀。 7.3 調試 調試必須按事先確定的步驟和要求進行。調試人員應頭腦冷靜，隨時記錄，以便發(fā)現和解決問題。調試中首先試安全保護系統(tǒng)靈敏度，防止人身、設備事故發(fā)生。調試現場必須清理干凈，無多余物品；各運動坐標拖板處于全行程中心位置；能空載試驗的，先空載后加載；能模擬試驗的，先模擬后實動；能手動的，先手動后自動。 7.4、驗收及后期工作 驗收工作應聘請有關的人員共同參加，并按已制定的驗收標準進行。改造的后期工作也很重要，它有利于項目技術水平的提高和使設備盡早投產。驗收及后期工作包括： 7.4.1 機床機械性能驗收 經過機械修理和改造以及全面保養(yǎng)，機床的各項機械性能應達到要求，幾何精度應在規(guī)定的范圍內。 7.4.2 電氣控制功能和控制精度驗收 電氣控制的各項功能必須達到動作正常，靈敏可靠?？刂凭葢孟到y(tǒng)本身的功能(如步進尺寸等)與標準計量器具(如激光干涉儀、坐標測量儀等)對照檢查，達到精度范圍之內。同時還應與改造前機床的各項功能和精度作出對比，獲得量化的指標差。 7.4.3 試件切削驗收 可以參照國內外有關數控機床切削試件標準，在有資格的操作工、編程人員配合下進行試切削。試件切削可驗收機床剛度、切削力、噪聲、運動軌跡、關聯動作等，一般不宜采用產品零件作試件使用。 7.4.4 圖紙、資料驗收 機床改造完后，應及時將圖紙(包括原理圖、配置圖、接線圖、梯形圖等)、資料(包括各類說明書)、改造檔案(包括改造前、后的各種記錄)匯總、整理、移交入檔。保持資料的完整、有效、連續(xù)，這對該設備的今后穩(wěn)定運行是十分重要的。 7.4.5 總結、提高 每次改造結束后應及時總結，既有利于提高技術人員的業(yè)務水平，也有利于整個企業(yè)的技術進步。 八、數控改造幾個實例 1、用SIEMENS 810M改造X53銑床 1998年，公司投入20萬元，用德國西門子810M數控系統(tǒng)、611A交流伺服驅動系統(tǒng)對公司的一臺型號為X53的銑床進行X、Y、Z三軸數控改造；保留了原有的主軸系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)；改造的三軸在機械上采用了滾軸絲桿及齒輪傳動機構。整個改造工作包括機械設計、電氣設計、PLC程序的編制與調試、機床大修，最后是整機的安裝和調試。銑床改造后，加工有效行程X/Y/Z軸分別為880/270/280 mm；最大速度X/Y/Z軸分別為5000/1500/800 mm/min；手動速度X/Y/Z軸分別為3000/1000/500 mm/min；機床加工精度達到±0.001mm。機床的三坐標聯動可完成各種復雜曲線或曲面的加工。 2、用GSK980T和步進驅動系統(tǒng)改造C6140車床 1999年，公司投入了8萬元，采用廣州數控設備廠生產的GSK980T數控系統(tǒng)、DY3混合式步進驅動單元對公司的一臺加長C6140車床的X、Z兩軸進行改造；保留了原有的主軸系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)；改造的兩軸在機械上采用了滾軸絲桿及同步帶傳動機構。整個改造工作包括機械設計、電氣設計、機床大修及整機的安裝和調試。車床改造后，加工有效行程X/Z軸分別為390/1400 mm；最大速度X/Z軸分別為1200/3000 mm/min；手動速度為400mm/min；手動快速為X/Z軸分別為1200/3000mm/min；機床最小移動單位為0.001mm。 3、用GSK980T和交流伺服驅動系統(tǒng)改造C6140車床 2000年，用廣州數控設備廠生產的GSK980T數控系統(tǒng)、DA98交流伺服單元及4工位自動刀架對電機分廠的一臺C6140車床X、Z兩軸進行數控改造；保留了原有的主軸系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)；改造的兩軸在機械上采用了滾軸絲桿及同步帶傳動機構。整個改造工作包括機械設計、電氣設計、機床大修及整機的安裝和調試。車床改造后，加工有效行程X/Z軸分別為390/730 mm；最大速度X/Z軸分別為1200/3000 mm/min；手動速度為400mm/min；手動快速為X/Z軸分別為1200/3000 mm/min；機床最小移動單位為0.001mm。 4、用SIEMENS 802S改造X53銑床 2000年，公司投入12萬元，用德國西門子802S數控系統(tǒng)、步進驅動系統(tǒng)對公司的另一臺型號為X53的銑床進行X、Y、Z三軸數控改造；保留了原有的主軸系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)；改造的三軸在機械上采用了滾軸絲桿及齒輪傳動機構。整個改造工作包括機械設計、電氣設計、機床大修，最后是整機的安裝和調試。銑床改造后，加工有效行程X/Y/Z軸分別為630/240/280 mm；最大速度X/Y/Z軸分別為3000/1000/600 mm/min；手動進給速度X/Y/Z軸分別為2000/800/500 mm/min；最小移動單位為0.001mm。 九、數控改造中的問題和建議 通過幾臺機床的數控改造工作后，發(fā)現工作中也存在許多問題，主要表現在： 一是各部門、開發(fā)人員職責不明朗，組織混亂，嚴重影響了改造進度； 二是制定的工作進程和計劃大多只是憑經驗制定，不太合理； 三是相關人員的培訓工作沒有到位，導致機床改造后工藝人員不會編程、操作人員對機床操作不熟練等問題。 綜合以上問題，有幾點建議： 一是負責改造的員工職責明確，獎罰分明，充分調動員工的積極性； 二是培養(yǎng)一批高素質的應用和維護人員，選派人員外出進修，學習先進技術； 三是要注重用戶使用、維護數控系統(tǒng)的技術培訓，建立國內外數控技術資源庫。 8 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 摘要 本論文對數控分度工作臺進行了設計，通過研究分度工作臺的基本原理，結合數控、液壓驅動、齒輪傳動等知識，設計出一種運用于加工中心的液壓式數控分度工作臺。為了提高工作臺的分度精度，本設計采用了多彈性齒減小累積誤差的原理，設計出半彈性齒的工作臺分度裝置。這種彈性齒制造成本低、經濟效益好、分度精度高，今后將會在數控機床上得到廣泛的應用。 關鍵詞 分度工作臺；數控；液壓；齒輪；彈性齒 I Abstract This paper design on the work bench of CNC indexing，it will design a kind of application to the hydraulic CNC dividing workbench through the research on the basic principle of the indexing of workbench, combined with the knowledge of CNC, hydraulic drive of, and gear transmission, and so on. In order to improve the precision and indexing of the workbench, this design makes use of the principle of elastic gear to reducing error and it will design a half elastic indexing equipment of workbench。The cost of this elastic gear is low and the efficiency of the economy is good as well as the indexing and precision, which will apply widely on CNC lathe in the future. Keywords Indexing workbench CNC Hydraulic Gear Elastic gea 目錄 摘要 I Abstract II 目錄 III 緒論 1 1.1前言 1 1.2數控分度工作臺的發(fā)展現狀和趨勢 2 1.2.1我國數控分度工作臺的發(fā)展現狀 2 1.2.2數控分度工作臺的發(fā)展趨勢 3 1.3數控工作臺的研究 3 1.4本課題研究的內容 5 2 數控分度工作臺總體方案設計 6 2.1數控分度工作臺原理設計 7 2.2數控分度工作臺的主要技術參數 9 2.3數控分度工作臺的液壓系統(tǒng)設計 10 2.3.1液壓系統(tǒng)的方案設計 10 2.3.2液壓泵的選擇 11 2.4 數控分度工作臺的數控系統(tǒng)設計 12 3 數控分度工作臺部件設計 13 3.1 工作臺的設計 13 3.1.1工作臺整體尺寸設計 13 3.1.2工作臺T形槽設計 13 3.1.3工作臺中心孔設計 14 3.1.4工作臺螺孔分布設計 14 3.2端齒盤設計 15 3.3中心軸設計 18 3.3.1中心軸尺寸設計 18 3.3.2中心軸軸承選擇 19 3.4活塞設計 20 3.5傳動系統(tǒng)設計 22 3.5.1傳動系統(tǒng)總體方案設計 22 3.5.2齒輪齒條設計計算 24 3.5.4齒圈設計 32 3.6工作臺底座設計 34 3.6.1材料選擇 34 3.6.2壁厚選擇 34 3.6.3鑄造斜度 35 3.6.4加強筋 36 3.6.5定位設計 36 3.7活塞密封塊設計 38 3.8推桿導向塊設計 39 3.9工作臺分度工作原理和結構 39 3.9.1工作臺定位原理和結構 40 3.9.2工作臺松開、夾緊原理和結構 41 3.9.3工作臺分度原理和結構 42 4 液壓式數控分度工作臺受力校核 43 4.1工作臺螺栓受力校核 43 結論 48 致謝 49 參考文獻 50 51 緒論 1.1前言 數控技術及裝備是發(fā)展新興高新技術產業(yè)和尖端工業(yè)（如信息技術及其產業(yè)、生物技術及其產業(yè)、航空、航天等國防工業(yè)產業(yè)）的使能技術和最基本的裝備。馬克思曾經說過“各種經濟時代的區(qū)別，不在于生產什么，而在于怎樣生產，用什么勞動資料生產?！敝圃旒夹g和裝備就是人類生產活動的最基本的生產資料，而數控技術又是當今先進制造技術和裝備最核心的技術。當今世界各國制造業(yè)鋼釩采用數控技術，以提高制造能力和水平，提高對動態(tài)多變市場的適應能力和競爭能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達國家還將數控技術及數控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數控技術及其產業(yè)，而且在“高精尖”數控關鍵技術和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策?？傊罅Πl(fā)展以數控技術為核心的先進制造技術已成為世界各發(fā)達國家加速經濟發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。 數控機床是裝備制造業(yè)的工作母機，是實現制造技術和裝備現代化的基石，是保證高技術產業(yè)發(fā)展和國防軍工現代化的戰(zhàn)略裝備?？v觀振興裝備制造業(yè)的16個關鍵領域，每個領域的振興都需要大批先進的數控機床來裝備，如發(fā)展大型火力發(fā)電和核電機組、制造大型化工設備、開發(fā)大型海洋運輸船舶、研制大型薄板冷熱連軋成套設備、發(fā)展高速列車、新型地鐵和軌道交通車輛等，都需要大批高速、精密、高效和專用數控機床來加工制造。同時，數控機床作為國防軍工的戰(zhàn)略裝備，是各種武器裝備最重要的制造手段，是國防軍工裝備現代化的重要保證。國際上一些發(fā)達國家意志把高性能數控機床作為戰(zhàn)略物資而嚴加控制，限制我國進口高性能數控機床。 目前，由于我國數控機床產業(yè)發(fā)展相對滯后，已經制約了整個裝備制造業(yè)的發(fā)展，直接影響到國防軍工的產業(yè)安全。國內外裝備制造業(yè)的發(fā)展經驗表明，發(fā)展裝備制造業(yè)，數控機床是基礎，因此，全面落實科學發(fā)展觀，加快發(fā)展我國數控機床產業(yè)，具有基礎性、前瞻性、全局性的戰(zhàn)略意義。 1.2數控分度工作臺的發(fā)展現狀和趨勢 1.2.1我國數控分度工作臺的發(fā)展現狀 我國對數控機床及數控技術的研究和開發(fā)始于1958年，一直到20世紀60年代中期還處在研制、開發(fā)時期。1965年，國內開始研制晶體管數控系統(tǒng)。20世紀60年代末至70年代研制成功立式數控銑床、CJK-18數控系統(tǒng)和數控非圓齒輪插齒機。從20世紀70年代開始，我國的數控技術在車、銑、鏜、磨、齒輪加工、電加工等領域全面展開，數控加工中心在上海、北京研制成功。但由于穩(wěn)定性未得到解決，因此沒有得到廣泛推廣。在這一時期，數控線切割機床由于結構簡單、使用方便、價格低廉，在模具數控加工中得到了廣泛應用和推廣。20世紀80年代，我國從日本FANUC公司引進了部分數控系統(tǒng)和直流伺服電動機、直流主軸電機技術，以及從美國、歐洲等發(fā)達國家引進一些新的技術，并進行了國產商品化生產，這些數控系統(tǒng)可靠性高、性能穩(wěn)定、功能齊全，推動了我國數控機床穩(wěn)定發(fā)展，使我國的數控機床在性能和質量上產生了一個質的飛躍。 數控機床包括床身、立柱、工作臺、進給機構等部件。工作臺作為數控機床的重要組成部分，也是影響加工精度的重要環(huán)節(jié)。從一開始為了滿足加工簡單的零件而設計的直線運動的x-y工作臺，到現在為了實現多工位加工而制造的分度工作臺和回轉工作臺等。為了滿足現代制造業(yè)的發(fā)展，也為了環(huán)境的要求，工作臺的驅動裝置從原來的機械驅動變?yōu)橐簤候寗樱F在更多的采用了氣動裝置，更好的保護了環(huán)境，節(jié)約了資源。 數控工作臺作為機床配件的一種，其現狀與機床的配件業(yè)和機床的發(fā)展密切相關。機床配件發(fā)展來進行帶動，這就不得不提到我國機床業(yè)發(fā)展前景，我國機床業(yè)要想進行更穩(wěn)定且快速發(fā)展，必須進行全面數控化改革及創(chuàng)新工作，這樣才能使一系列機床配件業(yè)不斷一起跟進前進。但我國大部分機床配件廠資金還比較緊張，這使技術創(chuàng)新改革帶動了很大影響，這也是我國配件水平未能快速進步重要一點。成為影響到機床業(yè)發(fā)展一個障礙。國產機床配件教國際技術來講，無論技術還質量或性能上還與發(fā)達國家有一定差距。 由于我國經濟穩(wěn)定增長，我國機床配件業(yè)也會呈現穩(wěn)定發(fā)展趨勢，市場份額也將不斷提高，這種帶動作用使我國機床業(yè)不斷發(fā)展，但我國機床配件業(yè)也存著一定不足，當然也有很好發(fā)展空間。 1.2.2數控分度工作臺的發(fā)展趨勢 從20世紀中葉數控技術出現以來，數控機床給機械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數控加工工具有如下特點：加工柔性好，加工精度高，生產率高，減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，有利于生產管理的現代化以及經濟效益的提高。數控機床是一種高度機電一體化的產品，適用于加工多品種小批量零件、結構較復雜、精度要求高的零件、需要頻繁改型的零件、價格昂貴不允許報廢的關鍵零件、要求精密復制的零件、需要縮短生產周期的急需零件以及要求100%檢驗的零件。數控機床的特點及其應用范圍使其成為國民經濟和國防建設發(fā)展的重要設備。 進入21世紀，我國經濟與國際全面接軌，進入了一個蓬勃發(fā)展的良機，也遭遇到加入世界貿易組織后激烈的國際市場競爭的壓力，加速推進數控機床的發(fā)展商還解決機床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個關鍵。隨著制造業(yè)對數控的大量需求以及計算機技術和現代化設計技術的飛速進步，數控分度工作臺高速化、高精度化、復合化、智能化、開放化、網絡化、多軸化、綠色化等發(fā)展趨勢。 1.3數控工作臺的研究 分度工作臺結構形式種類很多，從臺面的定位形式角度出發(fā)，可將其分為三大類：定位銷式分度工作臺，端齒盤式分度定位工作臺，鋼球式定位工作臺。 對于定位銷式分度機構，此機構由于結構簡單，采用一些措施后能獲得較高的定位精度，因此國內外的加工中心分度工作臺多采用。 端齒盤齒輪具有高的分度精度，能傳遞大扭矩，所以廣泛用于數控機床、加工中心機床、轉塔車床和鍵床等分度機構和圓分度工作臺上端齒盤的嚙合相當于一對帶梯形齒的端齒離合器嚙合時由于整個齒面都能達到均勻的接觸，分度精度非常高加工中心機床上采用端齒盤定位的分度工作臺的定位精度一般都在±5絲左右，最高可達1.5絲，而美國莫爾1440齒精密分度盤已達±0.1絲。這是銷定位等機構難于實現的端齒盤在進行高精度范圍分度時，可靠性很高，嚙合剛性很大。因此可以充分承受，切削。如直徑為200mm和300mm的端齒盤工作臺大容許切削力可達15000N。端齒盤還具有以下優(yōu)點：首先，能進行高精度的結合分度。其次，能正確的進行自動對中，嚙合時不需再找正中心。再次，直線齒向對于選擇磨削砂輪的外徑自由度大。最后，具有互換性，耐磨性好，經濟效率高。 鋼球分度定位機構比齒盤定位機構達到更高的定位精度日本社生產的一套鋼球定位分度回轉工作臺最高分度定位精度已達±1絲，為了使工作臺達到高的分度定位精度，須正確布置鋼球，鋼球的精度應控制在真球度為0.3微米以下，各鋼球相互直徑差應不大于0.3微米。分度定位是由裝置上下槽中各部鋼球凹凸部分的分別嚙合來實現。裝置中上下槽內配置的鋼球數目相等。嚙合時，由于多數高精度鋼球同時嚙合，很多誤差都相互抵消了，所以這種裝置的分度精度和中心定位精度都非常高。鋼球定位的分度工作臺式目前分度精度較高（±1絲）的一種分度工作臺。但在目前的加工中心機床上還未得到廣泛采用。 當前數控機床發(fā)展迅猛，向高速、高效、高精、柔性化、環(huán)保方面發(fā)展，與之相應的機床附件也應隨之發(fā)展。數控分度頭未來的發(fā)展趨勢是：在規(guī)格上向兩頭延伸，即開發(fā)小規(guī)格也開發(fā)大規(guī)格的分度頭，同時注意相關技術的開發(fā)；在性能方面將進一步提高剎緊力矩、提高主軸轉速及可靠性方面發(fā)展；要求采用新材料；產品要價格低、操作方便。 1.4本課題研究的內容 隨著數控技術不斷發(fā)展與提高，使機床主機對配件要求與依賴都越來越高。機床配件技術發(fā)展間接決定了機床主機發(fā)展水平，專業(yè)化發(fā)展方向成為我國機床配件業(yè)總體發(fā)展趨勢。為了縮小與國外工業(yè)大國差距，我國各大機床廠應全力配合，企業(yè)本身要加快技術步伐，積極自主創(chuàng)新，并且勇于與國外企業(yè)多多學習。企業(yè)應該努力學習國際先進機床技術，全面開展創(chuàng)新工作，企業(yè)高層也應該鼓勵并且大力支持機床配件創(chuàng)新，從而使我國機床配件業(yè)越做越強。 本畢業(yè)設計是研究解決端齒盤作為分度定位機構的液壓式數控分度工作臺的工作原理和機械結構的設計和計算部分，設計思路是先原理后結構，先整體后局部。 目前端齒盤為分度定位機構的液壓式數控分度工作臺廣泛運用于數控機床和加工中心上。它的總的發(fā)展趨勢是： 1.在規(guī)格上向兩頭延伸，即開發(fā)小型和大型分度工作臺。 2.在性能上研制以鋼為主的齒輪、齒盤，大幅度提高分度工作臺的承載能力。 3.分度定位裝置不斷提高分度工作臺分度時的定位精度。 在各種數控機床和其他機械的制造中，數控端齒盤分度工作臺等分度裝置的應用十分廣泛。近年來，隨著數控技術的進步、自動化程度的普遍提高，加工中心類機床、數控車床、數控銑床的生產和應用日益廣泛，對高精度、高效率的分度裝置的需求也越來越大。隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，為了適應不同產品的加工要求，擴大加工范圍，分度工作臺也將在一定范圍內得到運用。 2 數控分度工作臺總體方案設計 隨著人類生活的物質要求的不斷提高和人類社會的不斷發(fā)展，越來越復雜的零件被設計運用到各個領域。所以對加工她們的機床提出了更高的要求。液壓式數控分度工作臺實現工件的一次裝夾的多工位加工，滿足工件的加工要求。液壓式數控分度工作臺作為加工中心的重要部件，其功能與加工中心的功能有密切關系。 在數控分度工作臺總體設計關鍵是要確定工作臺的參數。加工中心最主要的參數為工作臺尺寸等，根據確定的零件的典型零件進行選擇。工作臺尺寸這是加工中心的主參數，主要取決于典型零件的外廓尺寸、裝夾方式等。應選比典型零件稍大一些的工作臺，以便留出安裝夾具所需的空間，還應考慮工作臺的承載能力，承載能力不足時應考慮加大工作臺尺寸，以提高承載能力。 2.1數控分度工作臺原理設計 圖2.1（a）端齒盤式分度工作臺的結構原理圖 圖2.1（b）端齒盤式分度工作臺的結構原理圖 端齒盤分度工作臺 圖2.1（a）、（b）所示是端齒盤式液壓分度工作臺的結構原理圖。它主要由工作臺、底座、夾緊油缸、分度油缸及端齒盤等部件組成，其工作過程如下： 1、分度工作臺抬起、松開 機床需要分度時，根據數控裝置發(fā)出分度指令，由電磁鐵控制液壓閥（圖中未標出），使壓力油進液壓管道23進入分度工作臺7中央的夾緊油缸的油腔10，并推動活塞6上移動（油缸上腔9的油經管道22排出回油）?；钊?通過推力軸承5（軸承13與之配套使用），使工作臺7抬起，上端齒盤4和下端齒盤3脫離嚙合。在工作臺7向上移動時帶動內齒圈12與齒輪11下部嚙合，完成分度前的準備工作。同時，工總臺7向上抬起時，推桿2在彈簧的作用下向上移動，使推桿1能在彈簧的作用下右移松開微動開關D，發(fā)出松開到位信號。 2、分度工作臺回轉、分度 控制系統(tǒng)在接到松開到位信號后，控制電磁鐵（液壓閥）動作，使壓力油經管道21進入分度油缸左腔19，并推動齒條8右移（分度油腔右腔18的油經管道20排出回油）。齒條8帶動齒輪11做回轉運動，實現工作臺的回轉。改變油腔的行程，即可以改變齒輪11的回轉角度。圖中的分度工作臺為：油缸的行程100mm，齒輪回轉的角度為90°。當齒輪在回轉的過程中，擋塊14放開推桿15；90°回轉到位后，擋塊17壓上推桿16，微動開關E發(fā)出到位信號，回轉動作結束。分度工作臺的回轉速度可以通過液壓系統(tǒng)進行調節(jié)。 3、分度工作臺落下、夾緊 控制系統(tǒng)在接到回轉到位信號后，由電磁鐵控制液壓閥（圖中未標出）,使壓力油經管道22進入分度工作臺的夾緊油缸的油腔9，并推動活塞6下移（油缸下腔10的油經管道23排出回油）?；钊?通過推力軸承5（軸承13與之配套使用），使工作臺7落下，上端齒盤4和下端齒盤3嚙合，夾緊、定位。工作臺夾緊后，壓下推桿2，使推桿1左移，壓上微動開關C動作，發(fā)出夾緊完成信號。 4、分度油缸返回 控制系統(tǒng)在接到夾緊完成信號后，控制電磁鐵（液壓閥）動作使壓力油經管道20進入分度油缸右腔18，并推動8左移（分度油缸左腔19的油經管道21排出回油），齒條8返回。這時，因為齒輪11的內齒圈已經脫開，分度工作臺不動，同時擋塊14壓上推桿15，微動開關C動作，發(fā)出分度結束信號。 2.2數控分度工作臺的主要技術參數 在經過查閱相關資料和進行初步的CAD輔助設計后，液壓式數控分度工作臺根據使用的場合，所需的大小和形狀有很多種類，本人設計的是加工中心上的一個分度工作臺，根據需要本人的工作臺相關參數如下： 表2-1 液壓式數控分度工作臺相關參數 中心高 220（mm） 中心套孔直徑 30（mm） 工作臺面直徑 320(mm) 主軸連接尺寸 136（mm） T型槽寬度 10(mm) 分度角度 90° 使用壓力 2.5MPa 使用流體 液壓油 分度方向 順/逆時針 最大載重量 200kg 分度精度 ±0.2″ 重復精度 ±0.2（mm） 2.3數控分度工作臺的液壓系統(tǒng)設計 2.3.1液壓系統(tǒng)的方案設計 通過液壓式數控分度工作臺的基本原理和動作過程，可以了解到工作臺需要有兩個液壓系統(tǒng)：一個是提供壓力使工作臺實現抬起和下降的動作，而另外一個液壓系統(tǒng)是實現工作臺90°分度回轉的動作。這兩個動作過程都需要液壓系統(tǒng)具有使工作臺平穩(wěn)動作的功能，不要在工作臺抬起、下降、分度的時候產生顫動，影響加工精度。 圖2.2 H型中位機能液壓缸 如圖2.2所示，在液壓缸的兩側油路上都串接一液控單向閥（液壓閥），活塞可以在行程的任何位置上鎖緊，不會因外界的原因而顫動，而其鎖緊精度只受液壓缸的泄漏和油液壓縮性的影響。為了保證鎖緊迅速、準確，換向閥采用了H型中位機能。這種液壓系統(tǒng)能很好的滿足液壓式數控分度工作臺的要求。 2.3.2液壓泵的選擇 根據液壓式數控分度工作臺的基本參數和CAD輔助設計對零部件的設計，可以知道：實現工作臺的分度的液壓系統(tǒng)的壓力遠比實現工作臺上下運動的壓力要小，兩個液壓系統(tǒng)選擇相同的液壓泵，所以選擇液壓泵的時候只要滿足上下運動的即可。 根據工作臺的最大載重量為200kg，不僅需要一定的過載能力，而且工作臺本身也有自重，所以在選擇時液壓系統(tǒng)的最大載重為400kg。根據如圖2.3所示設計的活塞尺寸，活塞的作用面為半徑為32.5mm和半徑為47mm圍成的環(huán)面。計算過程如下： 圖2.3活塞 式(2.1) 式(2.2) 式(2.3) 表2-2 液壓泵參數 型號 流量 [1/min] 壓力 [MPa] 轉速 [rpm] 容積效率 [%] 重量 [kg] 驅動功率 [kw] CB-B4 4 2.5 1450 ≧85 2.8 0.21 2.4 數控分度工作臺的數控系統(tǒng)設計 根據液壓式數控分度工作臺的動作過程，設置了四個數控指示燈，其數控指令的動作順序如表2-3： 表2-3 液壓式數控分度工作臺數控系統(tǒng)動作順序 指令 動作 完成信號 抬起 工作臺抬起，開關D松開 發(fā)出抬起到位信號 分度 擋塊17壓到推桿16，E開關閉合 發(fā)出分度到位信號 下降 工作臺下降，開關D閉合 發(fā)出下降、夾緊信號 返回 擋塊14壓到推桿15，開關C閉合 發(fā)出分度結束信號 3 數控分度工作臺部件設計 3.1 工作臺的設計 3.1.1工作臺整體尺寸設計 液壓式數控分度工作臺作為需要回轉的部件，在其上還會有專業(yè)的夾具。為了滿足其分度的功能，所以工作臺做成圓形件，且根據工作臺的加工零件的范圍：最大載重量為200kg，所以工作臺臺面為320mm，工作臺的高度為75mm。工作臺表面需要T型槽，用于工作臺上的夾具的定位夾緊。為了使工作臺耐用，在工作臺的中心處設計一個中心孔，用于襯套 的安裝。為了使下端面需要與中心轉軸和端齒盤安裝定位，所以要設計一個槽，槽寬和槽深都是根據端齒盤的尺寸來設計確定的。 3.1.2工作臺T形槽設計 工作臺T形槽的作用是用T形螺栓固定工作臺上的夾具。T形槽的布置需要根據工作臺的尺寸確定，根據設計時的方案，T形槽的長度為117.5mm，12條均布在工作臺的上表面。 根據工作臺的結構要求和《機械設計手冊》T形槽及螺栓頭部尺寸（摘自GB/T158-1996）,選擇如下： T形槽|A|基本尺寸/mm：10 T形槽|B|尺寸/mm:16 T形槽|C|尺寸/mm:7 T形槽H|尺寸/mm:17 螺栓選擇 公稱尺寸/mm: M8 圖3.1T型槽 3.1.3工作臺中心孔設計 工作臺的中心孔設計，是根據在中心孔上有一個襯套，襯套的作用是：當襯套磨損了，可以方便更換。如果不用襯套，磨損后，則需要更換工作臺。因其是標準件，加工方便，更換成本低，而且還能起到一定的導向的作用。襯套與工作臺中心孔為小過盈配合。所以根據工作臺的結構要求和襯套的標準規(guī)定可得，工作臺中心孔的孔徑為39mm。 3.1.4工作臺螺孔分布設計 液壓式數控分度工作臺需要中心軸和端齒盤與工作臺具有精度的相對位置。而工作臺是由許多點、線、面組成的一個復雜的空間幾何體。當考慮中心軸和端齒盤在工作臺中占據一正確位置時，在實際安裝，進行零部件定位時需要螺栓的夾緊和定位銷的定位相結合，才能滿足工作臺的動作要求。所以本設計中采用螺栓和定位銷在工作臺上圓周均布，一般采用三個螺栓與兩個定位銷對工作臺及其部件進行定位夾緊。 圖3.2螺栓和定位銷均布工作臺 3.2端齒盤設計 多齒分度臺按其齒根部的切槽深度可分為三種齒形，見圖3.3所示，剛性齒的齒槽很淺，半彈性齒的齒槽介于剛、彈性之間；彈性齒的齒槽深度為齒厚的4~6倍或更深。彈性齒的材料為45號鋼，調制HRC25~28，正火穩(wěn)定性處理。 本裝置采用彈性齒比剛性多齒盤可提高精度2~3倍，彈性多齒分度臺是利用“平均效應”，使精度較低的齒牙盤組裝成精度較高的多齒分度盤，即是利用多定位以提高精度。但必須滿足兩個條件，一是材料符合胡克定律；二是每對齒在齒盤加壓時能均勻嚙合。由于彈性多齒分度臺的累積角度誤差不大于±0.2″，實際上可以成為一個測量基準，彈性多齒分度臺實為360個齒面棱體。 圖3.3多齒分度臺三種齒形 彈性多齒分度臺，其分度精度高，累積角度誤差僅為±0.1″~±0.2″；重復精度好，可達±0.3″；自動定心精度高，中心偏移量可在0.001mm左右；使用壽命長，使用過程也是對研過程，可逐步減少殘余分度誤差。其分度精度不受正反轉的限制，但只能做整度分度，最小分度值為360/Z，其中Z為齒盤的齒數。 本設計中采用的是直線齒端齒盤，直線齒的上、下齒盤的齒形完全一樣，可用一般的銑刀加工，制造比較方便。 端齒盤主要參數計算： （1）由于端齒盤的齒數 Z=360/ 式(3.1) 式中 -需要分度的最小分度角 （°） 在此設計中最小分度角為90°， Z=360/=360/90=4 所以在設計中端齒盤的齒數可以是4的倍數即可，選擇Z=64齒。 （2）端齒盤的直徑可以根據分度臺臺面所需求的尺寸確定，分度工作臺的直徑為320mm，所以選擇D=216mm。 （3）端齒盤的齒形角 =50°~60°，選擇=60°。 （4）端齒盤的齒長 B=(10~15)mm，選擇B=10。 （5）端齒盤內徑 根據結構可以確定為d=140mm。 （6）端齒盤的齒高 在此設計中，運用了多彈性齒的原理，使端齒盤的齒高比普通端齒盤的高一些，h=20.4mm，b=7.6mm，h/b=20.4mm/7.6mm≈2.68所以根據多彈性齒的介紹，已經基本達到了半彈性齒的要求。 （7）大端齒距 式(3.2) （8）理論齒高 式（3.3） （b為大段齒頂寬度，經設計計算為）， 。 （9）有效高度 式（3.4） （為上下齒盤齒頂間距離）， 。 端齒盤的定位使用三個M6的螺釘均布在同一圓周上，同時使M6的定位銷來定位，確保端齒盤的定位精度，滿足工作要求。 綜上所述，可以繪出端齒盤如圖3.4： 圖3.4端齒盤 根據設計的數據，端齒盤的齒形圖如圖3.5所示： 圖3.5端齒盤齒形 3.3中心軸設計 3.3.1中心軸尺寸設計 液壓式數控分度工作臺的中心轉軸其結構尺寸基本上是按照工作臺的整體尺寸確定的，其左端面的螺孔與定位銷孔都是根據工作臺的下端表面的螺孔分布來設計的。其右端面的螺孔是根據與之配合的齒圈設計的，中心軸左端有3mm會嵌進齒圈的中心槽進行定位，再用三個均布的螺栓緊固。 中心軸最重要的部分是其右端面的直徑大小，在工作臺結構允許的條件下，盡可能的使中心軸的支承面大。因為液壓式數控分度工作臺在分度旋轉的時候，需要液壓油頂起活塞，活塞兩端都有推力軸承，通過推力頂起中心軸支撐面，在次過程中工作臺的重物不一定在中心，所以會產生一定的傾覆力。中心軸的支承面越大則產生的傾覆力越小，分度后的中心重復定位精度也將會提高。所以根據工作臺和端齒盤的尺寸，允許中心軸支承面的最大尺寸為136mm。 圖3.6中心軸 3.3.2中心軸軸承選擇 根據中心軸的動作原理，可知需要選擇推力軸承： 推力球軸承，推力球軸承由底座、軸圈和鋼球保持架組件三部分構成。與軸配合的稱軸圈，與外殼配合的稱座圈。推力球軸承種類：接受力情況分單向推力球軸承和雙向推力球軸承。單向推力球軸承，可承受單向軸向負荷。雙向推力球軸承，可承受雙向軸向負荷。雙向推力球軸承，其中圈與軸配合。座圈的安裝面呈球面的軸承，具有調心性能，可以減少安裝誤差的影響。推力球軸承不能承受徑向負荷，極限轉速較低。 推力球軸承的用途：只適用于承受一面軸向負荷、轉速較低的機件上，例如 吊鉤、立式水泵、立式離心機、千斤頂、低速減速器等。軸承的軸圈、座圈和滾動體是分離的，可以分別裝拆。 根據中心軸的軸徑為：上端的軸徑30mm，查《機械設計課程設計手冊》表6-8推力球軸承（GB/T301-1995摘錄）可知，選用軸承代號為：51206 下端的軸徑25mm，查《機械設計課程設計手冊》表6-8推力球軸承（GB/T301-1995摘錄）可知，選用軸承代號為：51205 圖3.7推力球軸承 3.4活塞設計 液壓式數控分度工作臺的活塞的設計，根據軸心轉軸的結構尺寸可以確定活塞中心孔的大小為30mm，在設計中，當兩個接觸面的距離較長時，可以適當減少接觸面的距離，降低加工難度，也提高了精度。如圖活塞的左端面是一個專門的推力軸承的支承槽，推力軸承的外徑為52mm，根據要求在此選擇了支承槽的直徑為56mm?；钊叽缛鐖D3.8所示： 圖3.8活塞 活塞是根據液壓系統(tǒng)的工作壓力確定的，活塞作為液壓油驅動的部件，在其運動過程中難免會發(fā)生泄漏現象，所以也需要密封圈，根據密封圈可以設計出活塞上的密封槽。根據結構要求，活塞需要液壓油進行驅動，根據活塞工作的原理，所以齒條需要密封。密封可分為靜密封和動密封兩大類。靜密封主要有墊密封、密封膠密封和直接接觸密封三大類。根據工作壓力，靜密封又可分為中低壓靜密封和高壓靜密封。中低壓靜密封常用材質較軟寬度較寬的墊密封，高壓靜密封則用材質較硬接觸寬度很窄的金屬墊片。動密封可以分為旋轉密封和往復密封兩種基本類型。按密封件與其作相對運動的零部件是否接觸，可分為接觸式密封和非接觸式密封；按密封件和接觸位置又可分為圓周密封和斷面密封，斷面密封又稱為機械密封。動密封中的離心密封和螺旋密封，是借助機器運轉時給介質以動力得到密封。 經過以上的介紹，可知活塞需要往復的運動，所以需要動密封元件，本設計選擇O型橡膠密封圈，它適用于裝在各種機械設備上，在工作壓力0~70MPa、溫度為-40~+120℃的不同液體和氣體介質中，在固定或運動的情況下起密封作用。根據《機械設計課程設計手冊》表7-13查得適用于活塞的密封圈如圖3.9（a）、（b）： 圖3.9（a）活塞的密封圈 圖3.9（b）活塞的密封圈 3.5傳動系統(tǒng)設計 3.5.1傳動系統(tǒng)總體方案設計 根據液壓式數控分度工作臺的工作原理，在工作臺需要分度的時候，液壓油進入活塞下部將工作臺頂起，同時齒圈和下齒輪嚙合，準備分度。上升到位后，液壓系統(tǒng)將使液壓油進入齒條油腔，推動齒條，齒條與上齒輪嚙合，并帶動上齒輪運動，上齒輪與下齒輪是做成一體的，所以上齒輪帶動下齒輪旋轉。下齒輪與齒圈嚙合在一起，并且齒圈與轉軸是固定的，所以齒條的水平運動將會帶動工作臺的旋轉。 綜上所述，此傳動系統(tǒng)的最主要的作用就是通過齒輪齒條和齒輪齒圈的嚙合使齒條的水平運動轉變?yōu)楣ぷ髋_的分度運動。即為圖3.10所示： 圖3.10傳動系統(tǒng) 經過動作的分析，在此設計中，齒輪齒條的作用只是分度時進行嚙合，而且分度時傳遞的力只是克服中心轉軸與活塞內孔壁摩擦力，此摩擦力比較小，所以齒輪齒條的設計計算主要是根據傳動系統(tǒng)的設計方案和工作臺的具體尺寸確定的。所以，齒條半徑為18mm。齒輪的分度圓半徑為64mm。 液壓泵的工作壓力使2.5MPa。 1、 齒輪齒條轉矩 根據工作臺零部件之間的合理分布，可以確定齒條半徑為18mm，齒條油腔的面積為： 式(3.5) 所以齒條在分度時受液壓缸的推力為： 式（3.6） 齒輪齒條嚙合是，所受的轉矩是克服中心轉軸與活塞內孔壁摩擦力，此摩擦力比較小。假設為： 2、齒輪齒條的轉速 由齒輪齒條的分度圓嚙合條件可知，工作臺實現90°分度時，齒輪需要轉動四分之一圓周，所以 式（3.7） 齒輪轉動的圓周長度也即是齒條分度時需要運動的長度，即為齒條油缸的長度。 所以齒條油缸的體積為： 式(3.8) 選擇的液壓泵的流量為： 所以分度工作臺分度需要的時間為： 式(3.9) 綜上所述，齒條在分度嚙合的時候的速度為： 式(3.10) 齒輪在分度時候的轉速為： 式(3.11) 3.5.2齒輪齒條設計計算 項目 計算（或選擇）依據 計算過程 單位 計算（或確定）結果 1.選齒輪精度等級 查[1]表10-8 選用7級精度 級 7 2.材料選擇 查[1]表10-1 齒條選用45號鋼（正火處理）硬度為200HBS 大齒輪選用45號鋼（正火處理）硬度為200HBS 齒輪200HBS 齒條200HBS 項目 計算（或選擇）依據 計算過程 單位 計算（或確定）結果 3.選擇齒數Z 取 個 選擇：齒輪齒數為：24 齒條齒數為：20 傳動比為：1 1. 按齒面接觸強度設計 （1）試選 =1.2~1.4 取=1.3 =1.3 （2）區(qū)域系數 由[1]圖10-30 =2.433 =2.433 （3）計算齒條傳遞的轉矩 根據上述可知 （4）齒寬 由結構可知 B=15mm B=15mm （5）材料的彈性影響系數 由[1]表10-6 （6）齒輪接觸疲勞強度極限 由[1]圖10-21c 由[2]圖10-21d （7）應力循環(huán)次數N 由[1]式10-13 (8)接觸疲勞強度壽命 由[1]圖10-19 （9）計算接觸疲勞強度許用應力 取失效概率為1%，安全系數為S=1，由[1]式10-12得 （10）試算小齒輪分度圓直徑 按[1]式（10-21）試算 （11）計算圓周速度v （12）模數 度 （13）計算載荷系數K 由[1]表10-2查得使用系數根據，7級精度，由[1]圖10-8查得動載荷系數 由[1]表10-4查得 K=2.2791 （14）按實際的載荷系數校正分度圓直徑 由[1]式10-10a 2. 按齒根彎曲強度設計 （1）計算載荷系數K K=2.167 (2)齒形系數 由[1]表10-5 （3）應力校正系數 由[1]圖10-5 （4）齒輪的彎曲疲勞強度極限 由[1]圖10-20b 由[1]圖10-20c （5）彎曲疲勞強度壽命系數 由[1]圖10-18利用插值法可得 (6)計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞安全系數S=1.3，由式10-12得 (7)計算大小齒輪的并加以比較 結論：齒條和齒輪的系數一樣，所以任選其一都可，此設計選齒輪。 =0.0193 （8）齒根彎曲強度設計計算 由[1]式10-17 結論：對此計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的法面模數大于由齒根彎曲疲勞強度計算的法面模數，取=2mm，已可滿足彎曲強度。但為了同時滿足接觸疲勞強度，須按接觸疲勞強度算得的分度圓直徑=64mm來計算應有的齒數。于是由取，則取 3. 幾何尺寸計算 （1）計算中心距a 根據結構需求 齒輪齒條中心距無窮大 mm a無窮大 （2）計算齒輪的分度圓直徑d 是齒條為無窮大 mm 是齒條為無窮大 （3）計算齒輪的齒根圓直徑d 為齒條齒根圓。所以無窮大 mm 無窮大 （4）計算齒輪寬度B 根據結構需求 圓整后取： mm （5）驗算 所以合適 注：上表依據均來自《機械設計》第十章齒輪傳動 所以，由工作臺的結構尺寸可以確定齒輪的結構尺寸。齒輪的分度齒分布在130°范圍內，且齒數為23齒。齒輪具體結構如圖3.11所示： 圖3.11齒輪 根據結構要求，分度齒條需要液壓油進行驅動，所以在液壓系統(tǒng)中相當于活塞的作用，根據活塞工作的原理，所以齒條需要密封。 經過以上的介紹，可知齒條需要往復的運動，所以需要動密封元件，本設計選擇O型橡膠密封圈，它適用于裝在各種機械設備上，在工作壓力0~70MPa、溫度為-40~+120℃的不同液體和氣體介質中，在固定或運動的情況下起密封作用。根據《液壓設計傳動手冊》表9-4查得適用于此齒條的密封圈如圖3.12： 圖3.12齒條的密封圈 如圖所示：密封圈的公稱外徑 斷面尺寸 內徑 密封圈溝槽設計： 根據上表截面尺寸可以得出密封圈溝槽尺寸。 溝槽深度為 溝槽寬度為 在工作臺分度時，需要轉動90°，齒輪的分度齒分布在130°的范圍內分布23齒，所以與齒輪嚙合的齒條分布長度為140mm，齒數為22齒。 所以齒條的尺寸如圖3.13所示： 圖3.13齒條的尺寸 3.5.4齒圈設計 在分度工作臺進行分度的時候，齒條帶動上齒輪，下齒輪與齒圈嚙合而帶動工作臺和中心軸一起轉動90°。所以在此過程中下齒輪與齒圈的嚙合只是做精確定位的作用并沒有相對的轉動。所以下齒輪和齒圈只是需要按結構尺寸確定即可: 齒圈的分度圓直徑等于下齒輪的分度圓直徑: 112mm 由可知，齒圈分度圓的直徑已知為112mm。 根據工作臺的工作原理，可知下齒輪和齒圈的齒數應為4的倍數才能滿足工作的要求，查《實用機械傳動設計手冊》表1-3，可以推算，當時，根據： ， 式(3.12) 根據選定的，，可以得出： 齒圈的齒頂圓直徑： 式(3.13) ，時， 式(3.14) 所以， 齒圈齒根圓直徑： 式(3.15) 齒圈需要帶動中心軸（工作臺）旋轉，所以需要定位在中心軸上，根據定位原理，中心軸和齒圈需要選定位，之后再用螺栓緊固。在此設計中齒圈與中心軸的定位是在齒圈的中心開一個與中心軸一樣的槽，使中心軸下端嵌進齒圈槽，再用三個螺栓在軸端均布緊固。其具體結構如圖3.14： 圖3.14齒圈 3.6工作臺底座設計 3.6.1材料選擇 工作臺的底座是鑄件經過加工后的一個零部件，工作臺底座的壁厚與選擇的材料有關，所以根據表3-2： 表3-2 鑄造碳鋼機架常用材料 牌號 特點及應用舉例 ZG200-40及ZG230-450 有一定的強度、良好的塑性與韌性，有較高的導熱性、焊接性切削加工性。但排除鋼水中的氣體和雜志比較困難，所以容易氧化和熱裂。常用于模鍛錘鉆座、外殼、機座、軋鋼機機架、鍛錘氣缸體和箱體等。 ZG270-500 它是大型鑄鋼件生產中最常用的碳素鑄鋼、具有良好的鑄造性和焊接性，但易產生較大的鑄造應力引起熱裂，廣泛應用于軋鋼、鍛壓、礦山等設備，如軋鋼機機架、輥道架、連軋機軌座、坯軋機立輥機架、萬能板坯軋機機體，水壓機橫梁和中間底座，水壓機基礎平臺、曲柄壓力機機身、鍛錘。 ZG310-570 用于重要機架。 選擇ZG200-400作為工作臺底座的材料。 3.6.2壁厚選擇 鑄件的壁厚太薄，容易發(fā)生白口和裂紋，故必須結合零件的復雜程度、尺寸大小、材料以及制造工藝來確定。根據《機械設計手冊》鑄件最小允許壁厚可查得，壁厚選擇為12mm。在工作臺底座需要有液壓油管道，所以根據《液壓傳動手冊設計》管道壁厚計算公式： 式（3.16） 式中：——壁厚 d——管道內徑 P——公稱壓力 ——許用應力 工作臺底座管道壁厚的計算，根據《工程材料》表6-7工程用碳素鑄鋼的牌號、含碳量、力學性能與應用。可知ZG200-400的許用應力為：200MPa。 由上式可得： 所以在工作臺的底座設計的液壓油管道與底座壁有0.025mm就不會泄露。為其安全考慮在本設計中一般都大于3mm。 3.6.3鑄造斜度 根據設計的要求工作臺底座需要的鑄造斜度從表3-3可知 表3-3 鑄造斜度 斜度b：h 角度 應用范圍 1:5 h＜25mm時鋼和鐵的鑄件 1:10 h=25~500mm時鋼和鐵的鑄件 1: 20 3° h=25~500mm時鋼和鐵的鑄件 工作臺底座的鑄造斜度選擇第三種，即是鑄造斜度為3°。 3.6.4加強筋 圖3.15工作臺底座加強筋 根據3.15的設計依據，加強筋分布在工作臺底部的外部，所以工作臺的底座加強筋為： 加強筋的分布是按照工作臺底座的結構要求分布的。 3.6.5定位設計 液壓式數控分度工作臺運用于加工中心機床上，所以工作臺底座還需要在機床上的定位與夾緊設計。較常用的機床與工作臺的定位與夾緊是通過T形槽的設計完成的，機床上的T形槽如下： 根據工作臺的結構要求和《機械設計手冊》T形槽及螺栓頭部尺寸（摘自GB/T158-1996），選擇如下： T形槽|A|基本尺寸/mm: 22 T形槽|B|尺寸/mm： 37 T形槽|C|尺寸/mm: 16 T形槽|H|尺寸/mm: 38 螺栓選擇 公稱尺寸/mm: M20 圖3.16T型槽 工作臺底座的設計需要用定位鍵進行定位，選擇M12的螺栓進行固定，所以槽寬為18。螺栓安裝的尺寸中心線為T形槽的間距尺寸，根據《機械設計手冊》T形槽間距尺寸 摘自（GB/T 158-1996） 表3-4形槽間距尺寸 槽寬A 5 6 8 10 12 14 18 22 28 36 42 48 54 （40） （50） （63） （80） 100 125 160 200 250 間距P 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 320 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 320 400 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 320 400 500 由上表可知選擇p=100mm 工作臺底座的其他結構可根據工作臺的功能要求和其他部件的結果尺寸確定，最終可以確定如圖3.17工作臺： 圖3.17工作臺 3.7活塞密封塊設計 分度工作臺的活塞腔有兩部分組成：一是活塞上腔，其作用是在工作臺完成分度后，通液壓油使工作臺下降、端齒盤嚙合；二是活塞下腔，其作用是在工作臺需要分度的時候通液壓油，使工作臺上升，端齒盤脫離嚙合，準備分度。活塞的上腔是由工作臺底座的內壁和活塞形成的，而活塞的下腔是活塞和工作臺底座內壁和活塞密封塊組成的。 活塞密封塊的內壁是根據活塞桿的直徑設計的，在其內壁上需要密封圈，在此選擇O形密封圈75*5.7，根據定位與夾緊原理，密封塊的定位使用定位鍵M6*30,使用螺栓固定。所以根據其他結構和密封塊本身的要求，其結構如圖3.18： 圖3.18活塞密封塊 3.8推桿導向塊設計 推桿導向塊的設計主要是根據工作臺底座的設計尺寸，與分度工作臺分度時需要的角度相結合。因為在工作臺分度的時候是利用擋塊和推桿實現分度信號的傳遞的。所以再設計推桿導向塊時應按擋塊的位置設計推桿孔。 圖3.19推桿導向塊 3.9工作臺分度工作原理和結構 根據設計時的思路完成了工作臺的設計，在本設計中首先我把設計分層了三部分，其中包括：工作臺的定位結構、工作臺的夾緊與松開結構、工作臺的分度結構。 3.9.1工作臺定位原理和結構 圖3.20工作臺定位結構 如上圖3.20所示，在工作臺分度完成后的定位主要是通過端齒盤實現的，也即是下端齒盤2和上端齒盤3的嚙合對工作臺進行定位。而在需要分度的時候，工作臺的定心精度主要是由活塞8、中心軸5和工作臺底座7以及密封塊6安裝固定的。 3.9.2工作臺松開、夾緊原理和結構 圖3.21工作臺松開、夾緊結構 如上圖3.21所示，工作臺需要分度時松開是通過油道1進油使活塞2向上運動，同時推動推力軸承4使中心軸5向上運動，從而工作臺也向上移動，實現上端齒盤6、下端齒盤7的松開，為實現分度動作做好準備。 當工作臺分度完成后，需要下降使工作臺夾緊時，油液會從油道8進入活塞缸上腔，使活塞2向下移動，中心軸5帶動工作臺下降。使上端齒盤6和下端齒盤7嚙合，實現工作臺的夾緊定位。 3.9.3工作臺分度原理和結構 圖3.22工作臺分度結構 液壓式數控分度工作臺設計最重要的結構就是分度部分，此設計中的分度結構如上圖3.22所示，工作臺需要分度時，上升到一定高度，使中心軸5下端的內齒圈12與下齒輪9嚙合，為分度做好準備。數控指令控制油液進入齒條8油腔推動齒條運動，齒條的運動帶動與之嚙合的齒輪9轉動，使齒條8的直線運動轉變?yōu)辇X輪9的旋轉運動。齒輪9的轉動帶動內齒圈12的轉動，因為內齒圈12與工作臺的中心軸5固定，所以齒輪傳動系統(tǒng)的運動會帶動工作臺的轉動，當工作臺轉動到位時發(fā)出數控信號，表示轉動到位，實現了工作臺的90°分度的動作。 4 液壓式數控分度工作臺受力校核 4.1工作臺螺栓受力校核 工作臺的最大承載重量為200kg，（忽略上下齒盤嚙合時候的承載力）在上下齒盤脫離嚙合的時候，工作臺需要承受最大的傾覆力矩和剪切力。假設載重工件的中心在工作中心。 圖4.1工作臺螺栓受力圖 受力分析 螺紋孔的分布設計 采用如圖所示的連接方案，螺釘數為z=6，圓周布置且在兩個不同圓周上。 1.螺栓受力分析 1） 在載荷、的作用下，螺栓組連接承受以下各力和傾覆力矩的作用： 是螺栓組受的轉矩 式(3.17) 工作臺分度時的受力 受力點與工作臺中心距離 軸向力（作用于螺釘組的中心，垂直向下） ==2000N 傾覆力矩順時針方向 式(3.18) 2） 在軸向力的作用下，各螺釘受的工作拉力為: 式(3.19) 因為螺栓組是圓周分布，且工件在工作臺中心，所以螺栓組的工作拉力為：0N 3)在受轉矩的作用下，結合面可能產生滑移，根據結合面不滑移的條件： = 式(3.20) 4)所以每個螺栓的受的總拉力, 式(3.21) 2．確定螺栓直徑 選擇螺栓材料為Q235、性能等級為4.6的螺栓，所以材料的屈服極限為240MPa，安全系數為,故材料的許用應力為: 式(3.22) 根據公式： 式(3.23) 按《機械設計手冊》選擇（其中最小的螺紋小徑）。 3．校核螺栓組連接面的工作能力 1）連接結合面的下端的擠壓應力不應超過允許值，以防止結合面壓碎。 由： 式(3.24) 得： 查《機械設計》表5-6得： 式(3.25) 故連接結合面下端不會壓碎。 2）連接結合面上應具有一定的預緊力，防止工作臺面與中心軸產生間隙，即： 式(3.26) 故連接面處受壓最小處不會產生間隙。 4．校核螺栓的預緊力是否適合。 對碳素鋼螺栓，要求有： 式(3.27) 已知， 式(3.28) 取預緊力下限，即： 式(3.29) 要求的預緊力,小于上值，故滿足要求。 結論