毕业设计（论文）-花键加工专用设备设计.doc

摘要本文介绍了将X62W万能铣床改造为矩形花键轴专用铣床的方法。从理论上分析了该设计方案用做加工矩形花键时的定位精度，并在实践中得到证实。详细阐述了用一种步进电机代替万能分度头来实现等分分度，用液压系统实现自动进给加工的过程及其工艺方案。花键加工工艺采用该系统，可以使原来的花键加工过程变为现在的:进刀铣削、退刀、分度、再进刀的自动循环工艺过程，整个过程无需人工参与，直到一个工件加过完毕后，自动停机。进给工作台采用液压动力滑台，自动循环过程采用了PLC控制，使得机电液联动控制有机地相结合，操作简单方便，通用性强，分度速度快、精度高，大大降低了劳动强度、提高了生产效率，为在铣床上完成花键成型过程创造了一种自动化的条件。关键词 等分分度；液压；花键轴；液压控制；PLC；自动化；工艺装备AbstractThe paper introduces the special methods of mill machine which can change X62W omnipotence milling machine to spline axis. It analyses theoretically the orientation precision when the design is used to process rectangle spline and is validated practically. It also sets forth carefully they whole course and its craftwork in which an electro motion knife rest replace omnipotence division end to realize part division. Hy the adoption of the system the spline craftwork can turn its molding course to automation cycle course including entry sword milling, quitting sword, part division, reentry sword. And in the process no manual power is involved till a workpiece is done with and the machine stopped automatically. The desk adopts hydraulic pressure drive slipway; the self-motion cycle course uses PLC control, which combine the engine-electricity-liquid linkage to make operation easier and more convenient, wider and mort popular, division speed and precision higher, reduce labor intension and provide a condition to improve the efficiency, to create a condition of automation to finish the spline molding by the milling machine.Keywords Part division Electro motion Spline axis Hydraulic pressure control PLC automation Craftwork 目 录1 绪论11.1工程背景和意义11.2 花键加工工艺的发展现状和趋势11.3 设计本课题的内容和方法21.3.1设计内容21.3.2设计方法31.4 本章小结32 花键加工工艺装备的方案设计42.1 引言42.2 分度装置方案设计42.2.1分度装置原理分析42.2.3分度装置方案之二:液压油缸分度装置分析72.2.4 分度装置方案之三：蜗轮-蜗杆分度装置分析82.2.5 分度装置方案之四：电动刀架用作分度机构的原理分析82.2.6 分度方案的选用102.3机械传动系统方案设计102.3.1 传动系统的要求分析102.3.2 丝杠螺母机构的传动分析112.3.3 滚珠丝杠传动分析112.3.4液压动力滑台的方案设计122.3.5 确定进给传动方案132.4 控制系统的方案设计与分析142.4.1 控制系统的要求142.4.2 控制系统方案分析一：继电接触器控制系统分析142.4.3 控制系统方案分析二：微机控制系统分析142.4.4 控制系统方案分析三：PLC控制系统分析152.4.5 选定控制系统方案可编程控制器控制系统1525 本课题采用的方案特点分析152.5.1 分度装置的特点分析162.5.2 进给系统的特点分析162.5.3控制系统的特点分析162.6本章小结173 分度机构的设计183.1引言183.2选用步进电机183.3蜗轮蜗杆计算193.3.1蜗轮-蜗杆设计输入参数193.3.2蜗轮-蜗杆基本参数193.4蜗轮轴设计223.4.1 轴的直径与长度的确定223.4.2轴的校核233.4.3蜗轮与轴的联接设计263.5箱体的设计273.6其他284 液压系统设计294.1引言294.2 液压系统的要求与工况分析294.2.1液压系统的要求294.2.2液压系统的工况分析294.2.3液压系统的动力分析294.2.4液压缸的负载循环图314.3 液压系统原理图的说明314.4 确定液压系统主要参数324.4.1液压缸的设计计算324.4.2活塞杆计算与连接方式324.4.3液压缸的工作行程354.4.4液压缸的流量354.4.5缸筒的设计364.4.6缸盖的设计384.4.7活塞的设计394.5导向环、导向套的选取394.5.1导向环394.5.2导向套394.6密封和防尘394.6.1密封方式的选择394.6.2防尘圈的选择404.7液压泵的确定与所需功率的计算404.7.1液压泵的确定404.7.2确定驱动液压泵的功率404.7.3选择电动机404.8阀类元件的选择414.8.1选择依据414.8.2阀体元件型号确定414.8.3阀的安装414.9管道的设计414.9.1油管类型的选择424.9.2油管尺寸的确定424.9.3管接头的选择434.10油箱的设计434.11液压系统的性能验算444.11.1系统压力损失的验算444.11.2系统发热温升的验算444.12本章小结455 控制系统的设计465.1 引言465.2 工艺条件和控制要求475.2.1 手动控制的要求475.2.2 自动循环控制要求485.3 用户输入/输出设备485.4 PLC的选用及其电气控制元件的主参数设计485.4.1 PLC的选用485.4.2 电源引入开关选用485.4.3 热继电器的选择485.4.4 熔断器的选用495.4.5 接触器选用495.4.6 控制变压器的选用495.5 编制T形图和指令表495.6 输入程序并联机调试505.7 本章小结50结论51致谢52参考文献53附 录541 绪论1.1 工程背景和意义花键是机械制造业中的关键传动零部件和机械要素，其制造工艺水平和产品质量直接影响各类机械的总成质量。我国目前有成批花键产品加工能力的饥饿机械厂约1000余家，其中大中型企业（职工人数500人以上）占半数以上。这些企业分属航空、航天、兵器、船舶、电子、纺织、石化、交通、铁道、轻工、汽车、摩托车、工程机械、冶金矿山、机床、工具、仪器、仪表、建筑机械、通用机械、起重运输机械、农机、印刷等几十个行业。这些企业行政隶属关系复杂，但是花键的制造技术和装备又具有极大的共性。通常外花键材料为40Cr，要求心部硬度要求为HRC2832，花键齿表面硬度要求为HRC4855，结合零件的尺寸精度和形状位置精度要求，确定该零件的加工工艺流程。按照外花键大径磨削加工工艺方案，花键齿部高频感应淬火后对外花键大径进行磨削，以确保花键大径的尺寸、形状和位置精度，由于花键齿部采用高频感应淬火的热处理方式变形量较小，因此，在确定磨削余量时可以不考虑尺寸变形情况，仅考虑有足够的磨量即可。一般情况下，在采用花键轴铣床加工外花键时，花键小径、键侧直接加工到设计尺寸，花键大径单边留有0.150.2mm 的磨削余量即可。在长期的生产过程中，有关花键的成型工艺一直是采用粗车后在X62 W 和X52K 铣床上进行铣削加工。如加工六齿或八齿的花键轴，采用的是下面的工序过程来完成花键轴的齿形加工。装在万能分度头上的三爪卡盘夹持工件一端，手用顶尖顶住另一端，铣削一齿，退刀后松开顶尖(消除蜗轮的轴向力)，手工分度，再顶紧，如此循环六次或八次。这种加工方式具有以下特点:第一，加工工序时间长，如该厂花键传统铣削外径32.5 加工长度为106mm单件大约需要1 分15 秒。第二，齿内纤维不连续，键齿强度比冷挤压加工差，但设备成本较低。第三，分度精度主要由分度头的精度决定。依靠计算分度手柄转过圈数确定分度值，工人在操作时，如出现计算错误，直接产生不可修复的废品。第四，工人劳动强度大，效率低下。成批生产中，工人为追求产量，常常会在分度之前忽略松开顶尖的步骤，分度时旋转的蜗轮承受轴向力，加剧分度头蜗轮一蜗杆副的磨损，分度头的精度下降快，寿命短(实际生产中为35 个月)。1.2 花键加工工艺的发展现状和趋势花键制造技术复杂，制造装备精度高，价格昂贵，是机床中最复杂、最贵重的设备。在机床总台数中齿轮螺纹花键机床的数量虽只占到4%，但其投资额则要占到10%以上，因此了解该类机床及其加工方式的发展趋势，对设计花键成型专用机床或是工艺装备具有很大的指导意义。机床的发展是以制造技术的发展为前提的。花键在机械产品上的应用范围总的趋势是在减少，其原因是数控技术的广泛应用和内装式电机的技术成熟，使行业内采用的齿轮件越来越少，与齿轮配套使用的花键的数量也相应在减少。花键制造业作为常规的机械行业有正在被高新技术所逐渐取代的趋势，它的应用领域日益缩少。因此如何降低花键制造的成本，提高花键生产的效率，是当今花键制造者首先应该考虑的问题。今后半个世纪花键的应用从世界范围看将逐渐减少，但不会消亡，对于中国这样的发展中国家花键的需求量，特别是农用机械上的花键还将有适度增长。就花键成型而言，目前主要的成型方式主要有以下几种方式:花键冷滚轧工艺:目前国内外采用的一种先进的花键冷成型加工方法，与传统切削加工相比，花键的产品性能提高了3 个等级精度，原材料节省10%，效率比滚齿工艺提高30 倍(每件约1520 秒)，工件承载能力比切削件提高40%，粗糙度达Ra0.4 以下。实践应用表明，其运行状态、承载能力、配合精度、耐磨性能和噪音均达到国际同类产品水平。但加工直径小，成本较高。Emst Grob 公司采用C6 和C9 系列冷轧机轧制同M3.5 的齿轮和花键轴，并可轧制斜齿轮。更换程序时间0.5min，更换轧头时间3min，更换夹具时间2min到10min。由于调整时间短，即使是2030 件的小批量生产也是十分经济的。C6 和C9 的改进型12/14NC 和KRM 12/14NC 具有更高的生产效率、精度及可调性。可用于轧制从棒料到有内外齿的自动变速箱离合器罩壳的全过程。轧制X320 的这个零件只需1.5 min/件。用ZSM10 轧机可在25 秒内将薄壁管轧制成转向器的高精度齿条。实体磨削:Edgetek 公司的CNC 磨床采用电镀或陶瓷结合剂CBN 成形砂轮，从棒料上直接磨制出花键轴、汽轮机叶片根部或其他型面。Klingelnberg 公司的HNC35S 蜗杆磨床可从棒料上直接用砂轮强力磨出螺纹或蜗杆。磨-珩联合工艺：Reishauer 公司的RZF 环面蜗杆砂轮成形磨削一外晰工艺联线，可在1.5 min/件左右时间里磨出五级精度的低噪声齿轮，每台RZF的年生产率可达15 万件齿轮，特别适用于轿车变速箱齿轮。车铣中心:Traub-Heckert 公司的TNC42DGY 八轴车铣中心和WFL 公司的Mill-turn M100 多轴车-铣-检测中心都能在一次安装中全部完成壳体、盘，轴类零件的全部机械加工。其机械加工的时间缩减到原来分散工序的三分之一到十五分之一。1.3 设计本课题的内容和方法1.3.1 设计内容根据以上的分析，我个人认为当今花键加工工艺的发展有以下几个特点：1) 设备的价格比较昂贵。随着发展数控铣床的加工精度得到大幅度提高的同时，其设备的代价也随着高涨。使得一些中小型企业承受不起。2) 实用价值不高。就目前情况而言，花键主要用于农用产品，根本不需要如此高的精度。3) 机床操作复杂。由于机床本身的技术含量的提高，工人要学会这类机床的操作必须要经过严格的培训。由于现在的花键成型工艺过程中存在着上述不足之处，在其现有生产条件下，设计一种专用机床或是工艺装备，主要解决以下几个问题就是本课题将要研究的内容。第一、尽量缩短单件花键成型过程时的工序时间，提高生产效率。第二、提高分度的精度，并使得分度精度能长时间的保持稳定，即提高分度精度的稳定性。第三、设计的机床或工艺装备使用方便，操作简单。1.3.2 设计方法要解决生产中出现的上述问题，主要是解决好这样一些关系，产品质量与效率之间的矛盾关系，设备操作简单且成本低下，要求整机改造的费用控制在15000 元左右。花键成型精度的关键取决于分度精度，考虑到时间和资金的关系，在研究过程应该是设计一种能自动工作或易于实现自动控制的机械系统，来完成铣削、退刀、分度、再铣削的花键成型过程。在工厂现有条件下，初步拟订以机电液一体化组合系统设计，将来控制过程比较容易实现铣削过程的自动化。整个设计过程可分为四大部分：一是机、电、液各控制组成要件的方案选择，分别设计或分析现有的方案的优缺点，找出一种适合于现在有工厂条件的合理方案来;二是液压控制系统的具体参数设计，依据现有的工厂实际条件，合理设计一套液压系统;三是分析用端齿盘为定位机构的分度装置的工作原理，建立一种数学模型，用以分析端齿盘机构的定位精度，既而指导同类机构的设计提供依据;四是电气控制系统的参数设计过程，具体介绍该系统的控制系统的设计过程及其控制特点。通过这样的、设计，以期达到提高生产率的目的，即该课题的现实意义。1.4 本章小结本章主要叙述了花键加工工艺的综合发展情况，在纵览全局的基础上，分析了我国花键加工的短处，并且找出解决问题的方法，从而提出本课题设计的具体方案。最后说明了该研究能给花键加工带来的成效。2 花键加工工艺装备的方案设计2.1 引言实际生产过程中存在的问题主要有如下几个方面:分度精度的稳定性较差，单件成型的时间周期长，工人操作过程中劳动强度大。要解决上述问题可以从以下几个方面考虑：分度装置能自动分度，精度和稳定性要提高;工作台可以考虑将原有工作台改造为液压动力，提高其运动的平稳性;控制方式可以考虑采用继电控制或是微机控制或是PLC 控制。2.2 分度装置方案设计在生产中，有些工件具有分布均匀、形状尺寸相同的表面，如均布孔系、槽系等，在加工时要求夹具能进行分度转位，以便在一次装夹中将这些表面全部加工完。在夹具上，能使夹具的某些部分连同工件一起转过一定角度或移动一定距离的装置，称为分度装置。分度装置可分为回转分度装置和直线分度装置两种，他们的分度原理与设计分法基本相同。在本设计中遇到的就是回转分度的问题，因而下面主要讨论回转分度装置。随着科学技术发展，制造技术也在不断发展，精密分度装置在制造中得到较广泛的应用，且对分度精度的要求也越来越高，其中多数分度装置是基于误差平均效应这一分度原理来实现的。误差平均效应原理是指在分度盘精度相同的条件下，由于采用了两圆柱销，同时均匀对定，所产生的分度误差是分度盘上两相邻分度孔位置误差的平均值，从而使转角误差因均分而减少。利用这一原理可以在不提高基准件的条件下，而能获得极小分度转角误差。因而建立合适的分析模型，对基于误差平均效应原理的高精度分度装置分度精度高的成因做出合理的分析、研究，对科研和生产有较高的理论和应用价值。2.2.1 分度装置原理分析回转分度装置中的关键部分是分度盘和定位器，两者合在一起，称为分度副。分度装置的工作精度取决于分度副的结构形式和制造精度。根据分度盘和定位器相互位置的不同，回转分度装置可分为轴向分度和径向分度两种。分度与定位均沿着分度盘回转轴线相平行的方向称为轴向分度。如图2-1 所示。分度和定位沿着分度盘半径方向进行的称为径向分度，如图2-2 所示a当分度盘的直径一定时，分度孔(槽)距分度盘的回转轴线愈远，则由于分度副的间隙所引起的分度转角误差将愈小。径向分度的分度槽比轴向分度的分度孔离回转轴线较远，因此，径向分度的精度要比轴向分度的高。一般高精度分度装置往往要用径向分度，但轴向分度结构紧凑，外形尺寸小，分度副处不易进入污物，制造维修比较容易，因此应用比较广。图2-1轴向分度装置（a） 钢球定位 （b）圆柱销定位 （c）圆锥销定位1- 分度盘 2-定位元件图2-2 径向分度装置（a） 双面斜楔定位 （b）单面斜楔定位 （c）正多面体斜楔定位1-分度盘 2-定位元件分度装置的形式不同，工作精度要求不同，采用的定位器也不同。常见的定位器有如下几种：采用钢球定位：图2-1 a 为用钢球定位的轴向分度装置。在分度盘上加工出相应的分度锥坑，供钢球定位用。由于锥坑的深度不能大于钢球半径，且坑的深度不易控制，因此定位不可靠，仅适用于切削力小，分度精度要求不高的场合。采用圆柱销定位:图2-lb 为圆柱销定位的轴向分度装置。其结构简单，制造容易。其缺点是存在定位副的配合间隙所引起的分度误差。有时圆柱销需在分度盘半径方向上削边，成为削边销，以避免分度时产生过定位。采用圆锥销定位：图2-lc 为圆锥销定位的轴向分度装置。圆锥销与分度孔接触，可以消除孔销的配合间隙，所以分度精度比圆柱销定位高。但圆锥销的锥面上沾有污物时，会影响分度精度，而且其制造也较复杂。采用双面斜楔定位：图2-2a 为双面斜楔定位的径向分度装置。其定位特点与圆锥销定位基本相同，可以消除定位间隙，所以分度精度较高。但也会受分度副间沾污物的影响。采用单面斜楔定位：图2-2b为用单面斜楔定位的径向分度装置。这种装置其定位边始终是分度槽的直边，而分度的转角误差将始终分布在斜面的一侧，因此分度精度比较高，常用于精密分度装置。采用正多面体定位：图2-2c是利用正多面体上每个面进行分度，并用斜楔进行定位，其结构简单，容易制造，但分度精度不高。2.2.2 分度装置方案之一：集成式液压马达分度装置分析集成式液压分度马达将摆线液压马达、凸轮分度机构、顺序控制阀及反馈式液压制动机构集成于一体，可大大简化数控分度的结构，工作可靠、冲击小、控制方便，可实现多刀位换刀的连续回转。它是数控机床的一个重要部件，要求它工作迅速、灵活、可靠性高。图2-3 集成式液压分度马达液压原理图1-电磁阀 2-摆线液压马达 3-顺序控制阀 4-截流阀5-单向截流阀 6-电磁换向阀集成式液压分度马达液压原理见图2-3，电磁阀6 是顺序控制阀3 的先导控制阀，C， L 口通刀架夹紧油缸，当L 为高压时油缸夹紧，C 为高压时油缸松开。电磁阀1 控制马达的旋向。当电磁阀6 收到换刀信号时、其A 端工作，使压力油进入顺序控制阀3 的A 端，推动顺序阀使A 位工作，这时C 口与P口通，L 口与T 口通，使得刀架夹紧油缸松开。电控系统测到刀架松开信号后，使电磁阀1 工作，马达开始回转。当电控系统检测到己转到需要的刀位时，使电磁阀6 的B 位工作，压力油进入顺序控制阀3 的B 端，同时实现马达的机械与液压制动。最后，C 通T, L 通P，使刀架油缸夹紧，换刀完成。油缸夹紧后，电磁阀1 断电。单向节流阀5 起单向缓冲作用。节流阀4 调节液压制动能力。2.2.3 分度装置方案之二:液压油缸分度装置分析液压分度油缸结构如图2-4，液压分度油缸由油缸体6、斜齿轮超越离合器3、刻度尺挡块装置1 三部分组成。图中:h为油缸活塞可调限位行程。由调整挡块I 在副度尺座2上的位置来调节h 行程长。斜齿轮超越离合器3外齿与活塞4 上的斜齿条啮合。星形体5只能逆时针旋转，其芯轴与工作转台刚性联接。在I,II 孔上接通油路后即可使工作台进行分度运动。当一次分度结束后，活塞向左移动到极限位置，斜齿轮空转，超越离合器星形体静止，为下一次分度做准备。如此循环，进行断续分度运动。图2-4 液压油缸分度装置1-挡块 2-刻度尺座 3-超越离合器4-活塞 5-星形体 6-缸体分度油缸的分度精度取决于:分辨率;斜齿轮、齿条、超越离合器制造精度：刻度尺刻线精度及安装精度(安装刻度尺时应尽可能减小因斜齿轮与齿条齿间间隙及超越离合器空行程间隙所产生的差);挡块的固定刚度。油缸两端油路应设置由节流阀与单向阀组成的调速器，调整活塞运动速度，以防止活塞冲击挡块时产生弹性变形而形成分度误差。这种分度方式在使用上的特点是：第一，用于分度运动必须与其它机械运动按设定程序工作的液压传动机构一起工作。第二，该装置只适用于断续分度，且每次分度范围取决于活塞最大行程，对每次大幅度分度的运动不宜采用。2.2.4 分度装置方案之三：蜗轮-蜗杆分度装置分析近年来，在高精度连续分度装置中常采用包络蜗杆正齿轮分度副或包络蜗杆尖齿轮分度副。如图2-5，包络蜗杆的材料一般为青铜，能在使用中磨合，并有吸收法向齿形误差作用。蜗轮-蜗杆分度副的典型特点是能自锁。但其加工成本高，一般低精度生产中不采用此方案。图2-5 蜗轮-蜗杆分度原理2.2.5 分度装置方案之四：电动刀架用作分度机构的原理分析数控机床上使用的电动刀架在工作时，不论有几个工位（即可装刀具的数量），都要求重复定位准确，且不同位置的刀具转到工作位置时，它们的位置必须重合一致。它实际上就是一种高精度的等分分度头。常州某数控设备厂生产的BWD型六工位和八工位电动刀架的工作原理 如图2-6，由机械和电气两部分构成。旋转换位（分度）由蜗轮-蜗杆副驱动，分度角度的精定位和定位后的锁紧是采用内齿盘（3）、外齿盘（4）与定位盘（5）啮合来完成的。分度启动时，电机（10）正向旋转，由于内外齿盘与定齿盘的啮合，安装在内齿盘上的刀盘（图中未画出）不能转动，蜗杆驱动蜗轮，带动芯部结构（2）上的螺纹副（8），使芯部结构向右滑行，齿盘啮合得以脱开。此时，刀盘与芯部结构一起旋转（分度），当旋转到预定位置时，发信机构中的光电耦合电路，如图2-6发信端输出+24V高电频，得此电信号后，控制电路使电机反转，螺纹副带动芯部机构左移，齿盘啮合，实现精定位和锁紧。图2-6 BWD电动刀架工作原理1-箱体 2-芯部机构 3-内齿盘 4-外齿盘 5-定齿盘 6-蜗杆轴7-箱盖 8.9-螺母 10-电动机 11-后盖 12-发信机构图2-7 光电耦合电路这一机构是采用的齿盘作为分度和定位的，具有如下的特点：（1）分度精度高。端齿盘分度装置动齿盘和定齿盘啮合时，由于全部齿牙同时参与啮合定位，多齿啮合的平均效应和弹性过约束原理使端齿盘的啮合分度精度大大高于齿盘的加工分度精度，较以往各种分度装置，其精度提高了一个数量级（目前分度精度已达到0.1”）。（2）重复定位精度高。由于齿盘在任意同心圆上的齿厚和齿槽宽度相等，因此啮合时没有侧间隙存在，其方度精度不受正反转的影响。齿牙的向心性使啮合端齿具有固定的啮合毗连中心。这也是端齿盘分度装置具有很高重复定位精度的主要原因之一（重复定位精度为0.02”）。（3）分度精度稳定。端齿盘分店装置的使用过程恰似端齿盘对研加工过程，正确的良好的使用可以不断改变端齿盘啮合齿面的接触精度，逐渐减少啮合分度误差。在一定范围内，磨损不但不会使精度降低，反而可能有所提高，这是其它分度装置不具有的独特优点。（4）结构刚性好。端齿盘分度装置的动齿盘和定齿盘啮合时，齿牙彼此相嵌，接触面积大，犹如一个整体，当齿盘过度足够时，可以承受很大的载荷和机械加工中的切削力，特别是鼓形齿端齿盘分度装置其刚性相当好。（5）端齿盘分度装置还具有结构简单、紧凑、体积小、工艺性好、易实现自动分度等优点。（6）这种装置的设计、制造、使用、维护较其它的分度装置简单，加工制造不需要特殊设备，几乎所有的机械制造厂都能制造。（7）由于不能进行任意连续分度，分度时至少要转过一个齿，所以一般只能将圆周分成有限的等分度，这使这种分度受到限制。2.2.6 分度方案的选用对于分度机构应该要达到以下要求：第一，应有足够的定位精度和刚度，这一项要求应根据被加工零件的精度要求受力情况来定制。第二，分度过程迅速而平稳，既要缩短分度时间，又提高生产效率，又要避免冲击和振动，以免影响分度精度。第三，能方便地改变分度的角度，以便适应不同工件的加工。第四，定位精度能长期保持稳定。第五，结构简单，工艺性良好。根据以上分度机构的设计要求，利用蜗轮-蜗杆分度副和步进电机的组合使用实现分度，步进电机可以实现任意角度的旋转，从而满足了分度的任意角度。 2.3 机械传动系统方案设计传动方案的好坏对传动系统的工作性能、外廓尺寸、重量、可靠性以及制造、使用和维护成本等影响很大，其设计是一项较为复杂的工作，需要综合运用多方面的技术知识和实践设计经验，从多方面综合分析比较，才能拟定出比较合理的传动系统方案。2.3.1 传动系统的要求分析要完成花键的成形过程，机床的传动系统必须包含主传动、进给传动回转分度运动和其他辅助传动。其中主传动运动是铣刀的旋转运动，切削速度高，而且是多刃连续切削，生产效率高。这里因为是对原有机床的改造，保留原有X62W和X52K铣床的主传动不变，所以，下面不再对其进行讨论。传动系统通常由三大部件构成：原动机、传动系统和工作机。为完成花键成形的工序，出主传动运动的刀具高速旋转外，另一个就是工作台的进给运动。根据花键加工的要求，传动系统性能的要求应该遵循传动系统结构简单、紧凑、传动链短、传动精度高、速度的改变方便快捷、效率高、成本低为原则。初步拟定进给传动的三种方案：保留原有进给传动系统（普通丝杠螺母机构）、用滚珠丝杠替代原来的普通丝杠螺母副、设计一种液压动力滑台来代替。2.3.2 丝杠螺母机构的传动分析丝杠螺母机构又称螺旋传动机构。它主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动，其中用作工作台的进给丝杠是以传递运动为主的。普通丝杠螺母机构实际上是一种运动面间以滑动摩擦为主的传动方式。如图2-8所示，其结构简单、制造成本低、具有自锁功能，但其摩擦阻力矩大、传动效率低（30%-40%）。这样的运动传动形式因螺母本身的旋转自由度被限制，需要导向装置。其结构紧凑。丝杠刚性好，一般适合于工作行程较大的场合。图2-8 普通丝杠传动方式示意图原有机床X52K和X62W铣床都是采用的这一种传动方式。由于原来的机床都是二手机床，而且服役已经很多年了，丝杠螺母副的磨损非常严重，已经不能再继续使用了，所以决定放弃保留原有机床上的进给传动系统。根据花键铀铣削加工的特点，在加工过程中，工作台只要有纵向的移动。所以，把纵向移动的丝杠抽出，保留原有的工作台垂直方向和横向的丝杠，把所有的离合器都拆除，保留这两个方向的手动调节部分，以便在加工过程中进行手动对刀。2.3.3 滚珠丝杠传动分析 滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，其具有螺旋槽的丝杠和螺母之间装有中间传动元件滚珠。图2-9为滚珠丝杠螺母机构组成示意图，从图中可知，它由丝杠3、螺母2、滚珠4和反向器（滚珠循环反向装置）1等四部分组成。当丝杆转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构成滚图2-9 滚珠丝杠副构成原理珠的循环返回通道，从而形成滚珠流动的闭合通路。2.3.4液压动力滑台的方案设计液压传动是以液压油为工作介质传动动力的装置。据其自身的特点，液压传动传递动力大，运动平稳，但由于液体粘性大，在流动过程中阻力损失也大，因而不宜作远距离的传动和控制。机床工作台液压系统方案如图2-10所示。机床工作台液压系统主要由以下几个部分组成：把机械能转换成流体的压力能的能源装置，通常是指液压泵；把流体的压力能转换成机械能的执行装置，这里指的是驱动做直线运动的工作台的油缸；对液压系统中流体的压力、流量和流动方向进行控制和调节的控制调节装置，通常是指液压元件；还有其他的辅助装置和传动介质。从拖动能力来看，与机械和电气系统相比，功率质量比大。这意谓着同样功率的控制系统，液压系统体积小、重量轻。以做直线运动的动力装置来比较，单位面积出力来看，液压缸的出力一般可以达到7003000，而直线电机为30左右。图2-10 机床工作台液压系统方案1-油箱 2-滤油器 3-液压泵 4-缢流阀 5-换向阀6-截止阀 7-换向阀 8-液压缸 9-工作台2.3.5 确定进给传动方案 从上面的分析比较来看，原有的机床进给系统因为使用期限很长，普通的丝杠螺母副精度低不能再继续使用，滚珠丝杠螺母副传动精度高，但价格很贵，最终选择把原有的工作台改造为液压滑台，如图2-11所示。 动力滑台由滑座、滑鞍和驱动装置组成。根据花键铀加工的特点，滑座和滑鞍间的导轨仍然保留原有的机床导轨，只是要拆下重新修磨再继续使用。驱动滑鞍的驱动装置由液压缸完成。图2-11 液压滑台结构图1-滑座 2-滑鞍 3-液压缸 4-活塞杆 5-支架 6-单向阀2.4 控制系统的方案设计与分析 电气控制部分是机械设备的设计工作的一个重要组成部分。通常，电气设计是和机械设计同时进行的，一台机器设备的结构和使用效能与其电气自动化的程度有着十分密切的关系。所以，要从机械系统和液压系统的动作要求来拟定电气控制系统的方案，然后再来进行设计。2.4.1 控制系统的要求从上述分度装置、机械传动和液压系统的分析可知，分度装置的驱动是三相笼型异步电机，有正反转控制；液压系统的控制主要是液压元件的选择，一般为了控制的方便，大多采用了普通的电磁阀，所以控制系统是要求对这些阀上的电磁铁通断电按照一定的时序来进行，从而实现可靠的运行动作。要使机床按预定的方式正常运行，控制系统常用的控制方式有继电接触器控制方式、微机控制方式和可编程控制器控制方式等三种，下面分别比较各自的特点。2.4.2 控制系统方案分析一：继电接触器控制系统分析继电接触控制大量地采用了复合按钮、行程开关和转换开关，使用了大量的机械触头，连线复杂，触头在开闭时易受电弧的损害，寿命短。2.4.3 控制系统方案分析二：微机控制系统分析微机控制系统是由微机、接口、控制方式和动作执行方式等方面构成的。用微机作为机电一体化系统或是产品的控制器，首先是对考虑控制方式是开环控制还是闭环控制。对于这样的一种花键加工系统，无需用到闭环控制；其次要考虑机床的其它控制要求，如电动机、液压阀的动作、行程开关的动作等等，这些元件对系统的可靠性、精度和快速响应性有哪些方面的要求；另外，考量微机在整个控制系统中的作用，是设定计算、直接控制还是数据处理，微机应该承担哪些任务，为完成这些任务微机应该具备哪些功能，需要的输入/输出通道数、配备哪些外设，最后来估算成本。为很面的设计做基础和依据。微机控制系统的最大特点是运算速度快、功能强、价格低、应用范围广。但是也存在着不足之处，微机系统抗干扰能力差，编程复杂，系统的配置麻烦，开发周期长。2.4.4 控制系统方案分析三：PLC控制系统分析可编程序控制器（PLC）是在继电器控制和计算机控制基础上发展起来的新兴工业控制装置，是工业自动化的主导产品。自1969年第一台可编程序控制器面世以来，经过30多年的发展，现在可编程序控制器已经成为最重要、最可靠、应用场合最广泛的工业控制微型计算机。在可编程序控制器中，充分应用了大规模集成电路技术，迅速地从早期的逻辑控制发展进入到位置控制、伺服控制、过程控制等领域。用可编程序控制器已经可以构成包括逻辑控制、过程控制、数据采集与控制、图形工作站等的综合控制系统。（1）控制系统构成简单、灵活由PLC构成的控制系统中，只需在PLC的端子上接入相应的输入和输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的固定电子器件和大量而又繁杂的硬接线线路。当控制要求改变，需要变更控制系统的功能时，可以通过编程器在线（on line）或离线（off line）修改程序来实现。（2）抗干扰能力强、可靠性高PLC采用微电子技术，其无故障工作时间一般都在2万个小时以上（有的PC可达510万小时，如松下电工的FP系列PLC），大量的开关动作由无触点的电子电路来实现，大部分继电器和繁杂的连线被软件程序所取代，如本设计采用PC控制后，控制系统的触头数将减少50%，因此可靠性大大提高。（3）控制系统体积小、维护方便，PLC体积小，重量轻，便于安装。PLC具有自诊断和监测功能，能检查出自身的故障和监测I/O输出，并随时显示给操作人员检查、判断故障迅速方便，且接线少，维护方便。2.4.5 选定控制系统方案可编程控制器控制系统比较上述控制方式，继电接触器控制方式的元件寿命短，故障率高；微机控制方式的抗干扰能力差，开发周期长。所以选定用PLC可编程控制器来对整个机床和液压系统进行控制。2.5 本课题采用的方案特点分析通过以上分析，机械上把原有工作台改造成液压滑台，分度装置采用BWD电动刀架，控制系统采用PLC控制。整机工作原理如图2-12所示。该系统设计完成后具有以下特点。2.5.1 分度装置的特点分析分度装置采用蜗轮-蜗杆分度副。蜗轮的材料一般为青铜，能在使用中磨合，并有吸收法向齿形误差作用。蜗轮-蜗杆分度副的典型特点是能自锁。2.5.2 进给系统的特点分析把原有的工作台经改造，重新设计一种液压缸为执行元件的动力滑台。工作台液压油缸可考虑选用单活塞杆液压油缸。单活塞杆油缸由于活塞两端有效面积不等，如果以相同流量的压力油分别进入液压缸的左、右腔，活塞移动的速度与进油腔的有效面积成反比，即油液进入无杆腔时有效面积大，速度慢，进入有杆腔时有效面积小，速度快；而活塞杆上产生的推力则与进油腔的有效面积成正比。这样在工作过程中可以实现进刀时的大切削力慢速进给，退刀时实现小负载的快速退回。由工况分析可知，该系统的工作压力和流量都不是很大，因此从提高系统的效率，节省能源和降低成本的角度考虑，采用的单个定量汞的供油方式是比较合适的。由工况图可知，该系统在工作进给时速度需要调节，考虑到系统功率小，工作台运动速度低，工作负载变化小，所以采用调速阀的进油节流调速回路。而退刀时，为了提高退刀速度，节省退刀时间，采用了二位二通电磁阀短接调速阀。把X62W和X52K两种铣床的工作台改为液压滑台。由于它具有以下的主要优点：（1）由于液压传动是油管链接，所以借助油管的连接可以方便灵活地布置传动机构，这是比机械传动优越的地方。由于液压缸的推力很大，又加之极易布置，所以用液压油缸来推动工作台，与原来的机械传动机构相比，不仅操作方便，而且外形美观大方。（2）液压传动装置的重量轻、结构紧凑、惯性小。（3）可在大范围内实现无级调速。借助阀或变量磅或是变量马达，可以实现无级调速，调速范围可达1:2000，并可在液压装置运行的过程中进行调速。（4）传递运动平稳，负载变化时速度比较稳定。正因为此特点，正好适合于目前花键加工过程的要求，所以工作台选择用液压传动。（5）液压装置易于实现过载保护借助于元件溢流阀等，同时液压元件能自行润滑，因此使用寿命长。（6）液压传动容易实现自动化借助于各种控制阀，特别是采用液压控制和电气控制结合使用时，能很容易地实现复杂的自动工作循环。（7）液压元件已经实现了标准化、系列化和通用化，便于设计、制造和推广使用。所以本文研究拟定如图2-12所示的液压原理图。2.5.3 控制系统的特点分析由可编程控制器为核心的控制系统，使用方便简单，开发周期短，设备故障率低，元件寿命长。2.6 本章小结通过分析常见的分度类型(包括有径向分度和轴向分度)的工作原理，比较了集成式液压马达分度、液压油缸分度、蜗轮一蜗杆分度等几种装置的特点，最终选定用液压油缸作为分度装置。分析了液压系统中油缸的工作方式、供油方式和调速方式，最后选定用调速阀的进油油路节流调速。通过对继电器控制和PLC 控制方式的比较，最终先用PLC 作为控制系统的核心单元。3 分度机构的设计3.1引言 根据第2章的分析，此次设计的分度机构由蜗轮-蜗杆副和步进电机组成。在这一章，主要介绍蜗轮蜗杆。3.2 选用步进电机 此次设计中电机采用步进电机，通过PLC的控制实现自动旋转固定的角度从而实现系统要求的分度。电机在工件被切削的时候是不运动的，因此所需要的功率和扭矩相对较小，根据以往的经验，选用杭州日升电器设备有限公司生产的86BYG350F系列步进电机，具体型号参数如下 表3-1 技术参数电机型号相数相电流相电阻相电感步距角保持转矩转动惯量重量AmHN.mKg86BYG350FB33.355.4230.6/1.24.02.403表3-2 外形尺寸电机型号Ld健86BYG350FB97124203.3蜗轮蜗杆计算3.3.1蜗轮-蜗杆设计输入参数 1)传动功率 P0.3KW2)蜗杆转速n1960r/min3)传动比i324)传动比误差0.00%5)预定寿命36000H6)原动机类型步进电机7)工作机载荷特性平稳8)润滑方式浸油9)蜗杆类型阿基米德蜗杆3.3.2蜗轮-蜗杆基本参数1) 初选的值设=34m/s，查表13.6，得：当量摩擦系数=0.035，当量摩擦角 在图13.11的i=32的线上选取A点，得： 2) 计算中心距 蜗轮的转矩 式（3.1） 带入数据： 使用系数，查表12.9，取 转速系数式 式（3.2） 带入值，计算得到 弹性系数（根据蜗轮的材料查表13.2） 寿命系数 式（3.3） 带入，计算得到 接触系数（查表13.12线） 接触疲劳最小安全系数 接触疲劳极限（查表13.2）初算中心距a 式（3.4）初算模数 带入a的值，计算得到m的取值范围是3.51-4.13，取此次设计要求蜗轮-蜗杆可以实现自锁，所以蜗杆分度圆直径只可以取，则确定中心距 式（3.5）所以取变位系数 满足-0.5x0.5 式（3.5）蜗杆导程角 式（3.6）3) 蜗轮蜗杆的几何参数蜗杆轴向齿距蜗杆分度圆直径蜗杆齿顶高蜗杆顶隙蜗杆齿根高蜗杆