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分度类零件专用机床的研究与设计 摘要 专用机床是一种专门用于特定零件和特定工序加工的机床，是组成自动化生 产线的机床品种之一。随着生产技术的不断进步，我国很多企业所拥有的大量机 床，其中一部分已经滞后于当前技术发展的需要而处于闲置状态。为充分利用闲 置机床潜在的效能，对其进行设备改造，使其改造成为专用机床具有很大的现实 意义。 本论文在分析了分度类零件加工工艺的基础上，针对普通立式铣床在加工分 度类零件时存在生产效率低、加工柔性差、对工人技能要求高及容易造成操作失 误等现实问题。在x a 5 0 3 2 普通立式铣床的基础上，在比较丝杠螺母传动、滚珠 螺母传动及液压传动的各种性能及优缺点的情况下，把原丝杠螺母进给传动装置 改造成液压传动方式：通过对各种分度方案进行比较分析，其分度装置采用对原 f 1 2 5 普通万能分度头进行数控化改造；利用步进电机驱动，能够根据零件要求实 现自动分度；通过对继电接触器、微机控制、p l c 控制的各方面性能的比较，控 制装置采用p l c 取代原有的继电器控制。改造后的专用机床对分度类零件可以实 现快进减速快进工进快退减速快退分度快进的自动循 环加工。 基于本文改装的分度类零件加工专用机床，可以对牙嵌式离合器、花键、齿 轮等分度类零件实现自动化加工，能够提高零件的加工精度、生产效率，并兼有 投资少、见效快、改装工作量小、改造和调试周期短、旧设备利用率高等特点， 具有很好的市场推广前景。 关键词：专用机床、铣床改造、液压传动、分度头、p l c 控制 a b s t r a c t s p e c i a lp u r p o s em a c h i n et o o l st h a ta r e av a r i e t yo fm a c h i n et o o ll na u t 咖a t l c p r o d u c t i o nl i n e i su s ef o rs p e c i a lc o m p o n e n t s a n ds p e c i a lp r o c e s s e s w 1 t ht h e d e v e l o p m e t a to fp r o d u c et e c h n o l o g y , m a n y o ft h ee n t e r p r i s e si no u rn a t l o n n a v e m e c h a n i c a le q u i p m e n t s t h e s ee q u i p m e n t sa r e f e l lb e h i n dt h ec u r r e n tt e c h n l q u e l tl s m e a n i n g f u l lt or e c o n s t r u c t t h el e i s u r em a c h i n e si n t os p e c i a lm a c h l n e s t h i sp a p e rb a s e do na n a l y z i n gt h ep r o c e s sd i v i d i n gp a r t s - o r d l n a r y v e n l c a i m a c h i n i n gi nt h ep r o c e s s i n go fd i v i d i n gp a r t se x i s t l o we f f i c i e n c y ，p 0 0 rf l e x l b l l i t y r e q u i r i n gh i g ht e c h n i c a la b i l i t yw o r k e r s ，e a s y t oc a u s eo p e r a t i o n a le r r o r sa n ds oo n l n t h i sp a p e r s o m ec o m m o nf e e dd r i v eg e a r i n gs u c ha s l e a d s c r e wn u tb a l ld i v e , g u l d e s c r e wd i v ea n dh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o n a r es t u d i e da n de o m p a r e dr e s p e c t i v e l y m p e r f o r m a n c e t h ef o r m e rf e e dd r i v eg e a r i n gh a s b e e nr e c o n s t r u c t e di n t oh y d r a u l l c t r a n s m i s s i o n d i v i d i n gd e v i c e o fm o d i f i e ds p e c i a lp u r p o s em a c h i n et o o l st h a t w e r e r e c o n s t r u c t e di n t 0n u m e r i c a l c o n t r o ld e v i c e u s i n gf 12 5u n i v e r s a ld 1 v 1 d l n g c a n r e a l i z ea u t o d i v i d i n gt ot h es a t i s f a c t i o no fu s e r s t h r o u g hc o m p a r i n g t h ep e r f o r m a n c e o fr e l a vc o n t a c t o r ，m i c r o c o m p u t e r c o n t r o l ，p l cc o n t r o l a r ec o m p a r e d a t t e r t r a n s f o m a t i o n ，m a c h i n et o o lc o u l dr e a l i z ef a s tt r a v e l - - f a s tt r a v e l o fd e c e l e r a t l o i 卜一 i m p u l s es t r o k e s n a p b a c k 一s n a pb a c ko fd e c e l e r a t i o n 一i v i d i n g f a s t r a v e l c l r c u l 。s t od i v i d i n gp a r t s t h es p e c i a lm a c h i n eo fr e c o n s t r u c t i o nc a n r e a l i z ea u t o m a t i o nt op r o c e s sd 1 v 1 d l n g p a n ss u c ha sja wc l u t c h ，s p l i n ea n dg e a ra n di m p r o v e t h ep r e c i s i o no t 。p r o d u c i n gp a r s ， w h i c hg e tah i g hp r o d u c t i v i t y i th a sm o r ea d v a n t a g e s ，s u c h a sl o wi n v e s t m e n t , q u l c k r e t u r n 1 e s sr e c o n s t r u c t i o n s ，l e s st i m et h a tn e e dt oa s s e m b l i n g a l l dd e b u g g i n g ，h l g h u t i l i z a t i o nr a t i oo fo l dm a c h i n ea n de a s yr e c o v e r y t oo r i g i n a 1 lo ft h e s ea r ev e r y i m p o r t a n tt oi t sp o p u l a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s ：s p e c i a l m a c h i n et 0 0 1 s ；r e c 。n s t r u c t i n gm i l l i n g m a c h i n e ；h y d r a u l i c t r a n s m i s s i o n ；d i v i d i n g ；p l c 1 1 1 - 高校教师硕：j 二学位论文 插图索引 图2 1 矩形齿快慢速转换配对离合器( a ) 5 图2 2 矩形齿快慢速转换配对离合器( b ) 6 图2 3 集成式液压分度马达液压原理图一7 图2 4 棘轮分度机构一8 图2 5 新型分度转台工作原理8 图2 6 精细机械分度机构9 图2 7 非标蜗轮传动多头自动分度机构总图1 0 图2 8 步进电机电气控制系统组成框图1 1 图2 9 减速分度机构方案1 1 图2 1 0 超声波电机结构方案1 2 图2 1 1 蜗轮一蜗杆分度原理1 3 图2 1 2 改造后的分度装置结构示意图1 3 图2 1 3 丝杠传动机构1 4 图2 1 4 普通丝杠传动方式示意图1 4 图2 1 5 滚珠丝杠结构示意图1 6 图2 1 6 滚珠丝杠实物图。1 6 图2 1 7 机床工作台液压系统方案1 8 图2 18 液压滑台结构简图18 图2 1 9 整机动作原理图2 2 图3 1 液压缸负载图2 5 图3 2 液压缸速度图2 5 图3 3 液压缸工况图2 8 图3 4 液压缸的负载循环图2 8 图3 5 活塞杆与活塞联接2 9 图3 6 活塞杆结构2 9 图4 1 万能分度头一3 8 图4 2 光学分度头3 8 图4 3 数控分度头3 8 图4 4 万能分度盘3 9 图4 5 简易型快速分度盘4 0 图4 6 步进电机细分原理图4 6 分度类零件专用机床的研究与设计 图4 7 静态转矩特性图4 7 图4 8 连续运行频率4 8 图4 9 加减速特性j 4 8 图4 1 0 转动惯量图示一4 9 图4 1 1 电机脉冲频率转矩选择图5 0 图4 1 2 接线图5 2 图4 1 3 输入接口电路一5 3 图4 1 4 输入输出接口电路5 3 图5 1 控制系统设计流程图5 4 图5 2 系统控制方式5 5 图5 3p l c 外部接线图5 8 图5 4 离合器加工p l c 梯形图6 0 图5 5 离合器加工p l c 语句表达式6 2 高校教师硕七学位论文 附表索引 表2 1p l c 与继电器控制功能与特点比较2 1 表2 2p l c 与计算机控制系统功能与特点比较2 1 表3 1 液压缸各阶段的负载和推力2 4 表3 2 按负载工作压力2 5 表3 3 各种机械常用的系统工作压力2 6 表3 4 执行元件背压力2 6 表3 5 液压缸在各阶段的压力、流量和功率2 7 表3 6 各工步电磁阀的工作状态2 8 表3 7 具体阀类零件的选择如下表3 3 表3 8 油管内径及液压油箱容积3 5 表4 1 渐开线圆柱齿轮传动设计报告4 1 表4 2 电机型号参数表一5 l 表4 3 步进电机驱动器参数表5 1 表4 4 电气特性( 环境温度x j = 2 5 时) 5 1 表4 5 使用环境及参数5 2 表5 1 输入、输出口分配表5 6 高校教师硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 专用机床的应用及特点 专用机床是一种专门适用于特定零件和特定工序加工的机床，而且往往是组 成自动生产线或生产制造系统中不可缺少的机床品种之一。由于专用机床是一种 “量体裁衣 产品，具有高效自动化的优点，是大批量生产的理想装备。随着制 造技术的进步、数控技术的普及，专用机床的数控化发展也较快。专用机床在生 产实践中占有一定的比重，据有关资料介绍，日本2 0 1 0 年专用机床产值占机床产 值的比达到8 8 左右，台湾省这一数字达到6 9 左右，我国大陆仅为0 6 7 左右。 所以，在当前产品结构调整中，发展专用机床是行业发展中一个值得注意的问题。 专用机床具有两个极其鲜明的特征：一是集成性。用户订购专用机床都是交钥匙 工程，它集加工工艺( 含工艺方法及工艺参数) 、机床、夹具、工具( 包含辅具) 的开 发设计与选择、检验测量( 包括进入机床前的毛坯检验、加工中及成品的检验测量) 物流的输送、切屑和冷却液的防护与处理等于一体。它不仅仅解决其中的某一问 题，而是要解决好涉及较宽的技术领域可能遇到的每一个问题；二是单一性。专 用机床几乎都是单台性生产，要根据用户提出的要求，进行一次性开发，一次性 制造，而且还要尽量保证一次性成功。 专用机床制造有以下八个特点： ( 1 ) 技术难度大。由于它是集加工工艺、机床、夹具、辅具、刀具、检验测 量、物流等于一体，实现交钥匙工程，从而涉及技术领域宽且复杂，又是一次性 制造，要保证一次成功，所以技术难度大。 ( 2 ) 经营风险率高。专用机床( 或自动线) 是根据用户订单“量体裁衣”制 造的，不可能有试制探索过程，要确保一次成功，有相当大的技术风险。由于技 术方案不当，造成局部或整体报废的情况屡见不鲜。由于一次性制造，在制造调 试过程中难保不出现问题，解决这些需要时间，从而按期交货也有一定的风险。 由于装备是专门为某一用户订做的，当该用户因种种原因不能如期付款，甚至无 力付款时，势必造成制造企业的损失。在无法约束对方，产品也无法转让他人的 情况下，经营风险显而易见【lj 。 ( 3 ) 协作困难大。由于是一次性制造，它不像汽车零部件那样大量生产，也 不像通用设备那样批量生产，寻找协作厂家很困难。条件一般的企业，很难保证 一次性制造出合格的产品；条件好的企业，又不愿当配角，对这种委托协作难以 引起重视。 分度类零件专用机床的研究与设计 ( 4 ) 技术依赖性强。专用机床从设计、工艺编制、生产制造到装配调试的全 过程，都需要一批有经验的技术人员和管理人员。 ( 5 ) 利润空间小。在国外不同的生产模式的企业( 指大量生产、批量生产或 单件小批生产) ，其生产产品的效益相差不会太大，但国内这几种生产模式的企业 效益却相差悬殊。如果做一比较，就能说明问题。假如国外的某种产品价格为l ， 相对国内轿车价格则为1 1 5 1 2 5 ，对通用机床国内的价格为0 7 左右，而国内专 用机床的价格仅为0 3 0 4 。 ( 6 ) 技术成长期长。专用机床的设计制造涉及专业面广，要具备较丰富的工 艺知识，要比较熟悉用户的制造工艺，要保证一次成功。培养一名熟练的主管设 计师，要花几年时间，才能做出好的产品设计、好的制造工艺，生产出好的产品， 技术成长期要长。 ( 7 ) 人员流动困难。由于订单不均衡，会引起生产的不均衡，国外除了零部 件外协条件优越外，还有成熟的技术劳动力市场，企业可以根据订单情况输出或 吸收有关劳动力，使之与企业生产相适应。国内则无法做到这一点，虽有时可以 招些临时工，但多数只能承担一些辅助性工作，熟练技工则难以寻求。 ( 8 ) 技术引进困难，与国外合作难。由于专用机床是一次性设计制造，引进 技术若仅供一次使用，则成本太高，很难实现。到目前为止，我国专用机床制造 业没有一家合资成功，虽有接触，但都仅限于某些具体细节项目的合作。 八个特点，八种原因，既相互关联，又各具特性，但确实是影响我国专用机 床制造业发展的重要方面【2 j 。 随着生产技术的不断发展，我国大、中、小企业所拥有的大量机械设备，其 中一部分已经落后于当前技术发展的需要，有必要采取一定的措施，以便进一步 发挥它们潜在的效能，为生产服务。对原有机床设备的改造，是其中最为有力的 措施之一，对原有闲置机床进行技术改造，将其改造成专用机床是很有意义的。 1 2 机械设备改造的基本要求 1 满足生产上的需要 企业提高生产能力有如下有效措施：一是增加企业设备的拥有量；二是购买 更新换代产品；三是进行技术改造。其中，技术改造具有投资少、见效快、旧设 备利用率高等特点。因此，在需要提高企业生产能力时，首先要考虑通过技术改 造的方法，满足生产的需求。设备改造的目的是要从根本上提高企业的加工能力。 在确定设备改造任务时，必须首先了解产品的结构特点、工艺要求等基本情况。 在此基础上再找出影响生产的关键环节，针对需要扩大加工范围或提高生产率与 加工精度的关键设备所存在的问题进行改造，或采用新技术制造简易设备，就可 以获得新的加工手段。 高校教师硕士学位论文 2 先进性与实用性相结合 在设备改造中，如采用先进技术，首先要明确先进是有条件的，并非越先进 越好。从实际出发，能解决生产中关键问题的技术，就应当优先采用，如果不能 发挥作用，再先进的技术也应放弃。例如：本论文要研究的内容，能通过增加机 构和改变结构就能解决问题，就没有必要采购专用机床。所以，在设备改造中， 应遵循经济、实用的基本原则。根据企业的实际，选用合适的先进技术。企业的 技术进步往往会受到其财力、劳动者素质及管理水平的约束。一般，机床经过改 造以后，如果在一年之内就能得到补偿和收益，就表明此项先进技术具有适合本 企业使用。在设备改造中，要重视推广成熟的新技术。对于中、小企业，这样可 以少走弯路，减少人力、财力的投入，较快获取投资收益【3 】。 3 重视设备改造的可行性分析和效益分析 在设备改造前，应充分进行可行性分析和经济效益的评估。可行性分析的主 要内容有：改造设备在发挥经济效益中存在的问题，自身是否具备改造的条件， 改造技术的成熟程度及在其它企业中的使用情况等。对于需要自行设计制造的简 易设备与工艺装备，应调查是否有成功的把握及克服技术困难的有利条件。对于 可能产生的经济效益进行调查时，既要作出改造成本的预测，对增添必要功能或 改善有关功能所需的材料和工时费用进行估算，又要进行改造后的功能分析，作 出与新购类似设备的功能价值比较。另外，还要进行生产需要迫切性的调查，从 产品的外协费用，生产周期，任务的饱满程序，改造后设备的利用率，可能为企 业带来的经济效益与各种利益等方面入手，收集资料进行综合分析。 1 3 设备现状及研究内容 1 设备现状 本论文中用于改进的x a 5 0 3 2 立式升降台铣床，购于上世纪8 0 年代，经对机 床综合考察认为，尽管已经使用了3 0 多年，但机床的底座、工作台等基础件良好， 机床主传动系统工作正常，运转精度等均在技术指标范围之内，进行保养即可， 不需要大修。存在的问题是电气系统老化，控制落后，机床进给系统传动链太长， 工作中存在变速困难，经常发出类似打齿的噪声，升降台机动升降功能已经丧失， 丝杠传动链反向间隙过大，无法保证零件质量，机加工精度大大下降，因经常要 停车检查维修，生产率大受影响，虽经多次维修，但仍不能正常运行，故需对进 给系统、电气控制作彻底的改造。 2 研究内容 从分度类零件的加工方式来看，虽然可以采用数控机床对零件进行加工，但 是设备的价格非常昂贵，且不适合大批量零件的加工。采用普通铣床加工，对普 通分度头或者使用分度台来进行分度，其分度头操作使用不方便，特别是涉及到 分度类零件专用机床的研究与设计 差动分度方法则更加困难，稍有不慎，就会造成次品或者废品。 在其现有生产条件下，将其x a 5 0 3 2 铣床改造为一种加工分度类零件的专用 机床，应主要解决以下几个问题： ( 1 ) 尽量缩短单件分度类零件加工的工序时间，提高生产效率。 ( 2 ) 提高分度的精度，并使得分度精度能长时间的保持稳定；增加分度角度 的柔性化及分度方式的自动化。 ( 3 ) 改造后的专用机床使用方便，操作简单。 ( 4 ) 分度装置通过对f 1 2 5 普通万能分度头的数控化改造实现自动分度。 ( 5 ) 对进给传动装置改造为液压进给传动装置。 ( 6 ) 用p l c 对进给传动装置和分度头实现自动控制。 1 4 本章小结 本章主要介绍了专用机床的现状及应用，机床改造的意义及发展方向，并说 明了本论文研究的目的与意义。探讨了目前制造工艺上的不足之处，同时提出了 本文将要研究的内容就是解决现在生产中出现的问题，给出了分度类零件专用机 床改造的设计思路。该方案的现实意义就是对分度类零件产品加工起到提高生产 效率，能实现自动分度。以降低生产成本，提高改造后的专用机床的市场竞争能 力。 高校教师硕上学位论文 第2 章分度类零件加工专用机床总体方案 用普通铣床加工分度类零件中存在的问题主要有以下几个方面的问题：分度 精度的稳定性不高，零件生产效率低，一线工人劳动强度大，不适合大批量生产。 要解决上述问题可以从以下方面考虑：分度装置可以实现自动分度，且提高其精 度和稳定性要求；把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p l c 实现自动控制。 2 1 分度类零件加工工艺分析 2 1 1 零件图分析 见图2 1 、2 1 为两种结构的矩形齿快慢速转换配对离合器。 形体分析：轴套类零件，可在车床上采用三爪自定心卡盘装夹工件。 材料分析：2 0 c r 切削性能较好，齿部加工后高频淬火，渗碳处理，硬度为5 6 - 6 2 h r c 。 图2 1 矩形齿快慢速转换配对离合器( a ) 分度类零件专用机床的研究与设计 图2 2 矩形齿快慢速转换配对离合器( b ) 齿部尺寸分析：矩形齿齿数z = 7 ，在圆周上均匀分布，每齿中心角为 5 l 。2 5 7 + 1 0 7 ，齿面中心角2 0 0 一- - 4 射o ，齿端无较大的倒角，齿部孔径为妒5 1 m m ，外径为 k 6 5 m m ，齿高为4 m m 。齿形和齿侧加工要求齿槽中心角大于齿面中心角，齿侧要求 通过工件轴线，属于硬齿齿形，齿形离合器齿槽中心角比齿面中心角大 5 1 。2 5 + 1 0 - 2 0 。x 2 = 1 l 。2 5 ，。 2 1 2 加工工艺 根据加工要求和工件外形，采用普通铣床升级改造为分度类零件加工专业机 床，其分度装置针对普通的f 1 2 5 ，进行数控化改造能够实现自动分度，精度和稳 定性都将提高；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 采用p l c 控制。其铣削加工工序为：快进快速慢进工进铣削一个齿 快退自动分度快进的方式来加工。 2 2 分度装置方案设计 在实际生产加工中，有很多零件加工需要夹具有分度的功能，如齿轮、牙嵌 式离合器、花键等，以实现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。在设计该专用机床中遇到的就是回转分度的问题，因而下面主要讨论回转 高校教师硕t 学位论文 分度装置。 2 2 1 分度装置方案一集成式液压马达分度装置 集成式液压马达分度装置将摆线液压马达、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，可实现多工位换刀的连续回转。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。 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l 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。 3456 图2 3 集成式液压分度马达液压原理图 1 三位四通电磁换向阀2 一单向节流阀3 一调速阀 4 一两位五通换向阀5 一液压马达6 一三位四通电磁换向阀 2 2 2 分度装置方案二棘轮快速分度机构 棘轮快速分度机构由棘轮、顶爪、主轴、弹性定位销、楔形板、摇把、挡销、 分度盘、锁紧手柄等组成( 见图2 4 ) 。通过在分度头上安装摆动板、棘轮机构等机 构，实现快速、方便地准确分度定位。分度时，直接扳动摇把到指定挡销位置， 弹性定位销被楔形板抬起，通过棘轮棘爪结构，在摇把退回原位后，楔形板退回， 分度类零件专用机床的研究与设计 弹性定位销准确定位，此时可直接扳动锁紧手柄锁紧分度头4 1 。 图2 4 棘轮分度机构 2 2 3 分度装置方案三新型数控齿式分度转台 如图2 5 所示：首先，下齿盘向下运动，与上齿盘脱开( 图2 s b ) ，然后由动力 驱动装置带动上齿盘回转，从而带动工作台及工件回转( 图2 s e ) ，到一定角度后 下齿盘向上运动，上、下齿盘重新啮合，完成定位( 图2 s d ) 。 工作台工作台 篡一 n ( | 。) 下齿盘脱开 图2 5 新型分度转台工作原理 该结构是将上齿盘、工作台及工件三者的向上抬起改为下齿盘的向下运动。 由于下齿盘重量较之上齿盘、工作台及工件三者的重量轻，驱动也更轻便灵活。 另外，由于上齿盘及工作台只做回转运动，可将其支承于大型滚柱轴承上。承载 能力比原来的大，工件回转稳【5 1 。 2 2 4 分度装置方案四精细机械分度机构 分度机构的基本原理如图2 6 所示： 萝 黼 高校教师硕十学位论文 a 麟j a a 图2 6 精细机械分度机构 1 一转盘2 一压板3 一销仁弹簧5 一定位滑块6 一滚轮销7 一滚轮8 一轴承9 一轴1 0 一齿轮 1 1 一棘轮1 2 一小轴1 3 一小齿轮1 4 一小齿轮轴1 5 一底板1 卜滑座1 7 一螺母18 一电动机 1 9 一杠杆锁2 0 一小弹簧2 1 一杠杆2 2 一棘爪轴2 3 一棘爪2 4 一分度凸轮 电动机1 8 通过齿轮l o 带动分度凸轮2 4 作间歇运动，即每加工一个齿槽，电 动机l8 通过齿1 0 带分度凸轮2 4 转动( 齿轮1 0 转一圈，分度凸轮2 4 转动6 0 度) 。 分度凸轮2 4 通过凸轮中的槽、滚轮7 带动六个定位滑块5 沿径向往复运动，定位 滑块的端部加工有模数0 5 m m 的渐开线齿( 模数太小影响强度、耐磨性和寿命， 太大，则转盘1 的尺寸也大，制造困难) ，当它与转盘1 上的内齿轮啮合时，起到 定位作用。当齿轮1 0 转动时，齿轮1 0 上的偏心凸轮推动杠杆2 1 摆动，从而使 棘爪2 3 推动棘轮1 l 作间歇运动，棘轮1 1 的间歇运动，通过小齿轮1 3 带动转盘 1 作间歇运动。转盘l 上加工模数为0 5 m m ，齿数为8 1 5 的内齿轮。当转盘1 分 度动作完成后，定位滑块5 将在分度凸轮2 4 和弹簧4 的作用下，使定位滑块端部 的齿与转盘1 上的内齿轮啮合，实现定位。分度原理：由于转盘1 上的内齿轮齿 数设计为8 1 5 齿，一组( 3 个) 定位滑块相对应的分度数也只有8 1 5 齿( 若设计1 6 3 0 分度类零件专用机床的研究与设计 齿，则转盘l 的直径尺寸太大；若设计模数为o 2 5 m m 的齿轮，则强度、耐磨性 和寿命都有问题) 。所以再设计一组定位滑块，它与另外一组定位滑块在位置上相 差半个齿数，两组滑块交替工作，可使分度数达到8 1 5 个齿的两倍，这样，既解 决了模数太小影响强度、耐磨性和寿命的问题，也解决了转盘齿数多使转盘1 的 直径尺寸太大的问题，为制造提供了方便。当然此时棘轮1 的齿数应为小齿轮1 3 齿数的两倍。这就是精细机械分度的原理【6 】。 2 2 5 分度装置方案五新型多头自动分度机构 分度机构的机械部件组成部分如图2 7 所示：传动机构为蜗杆和非标蜗轮的 啮合传动，蜗杆将运动传递给多根非标蜗轮轴的运转，可以实现大批量生产。电 机经连接盘、支承架与壳体相连接，并由步进电机的轴与传动机构的转矩输入轴 蜗杆相连接，联轴器采用弹性管联轴器，此联轴器具有高扭矩刚性、高灵敏 度、零回转间隙和超强纠偏性等特点。 5 图2 7 非标蜗轮传动多头自动分度机构总图 卜步进电机2 联轴器3 蜗杆4 非标准涡轮轴5 深沟球轴承 该分度机构是由增设的简单、易操作的电控部分来控制和提供动力，即由常 用的m c s 5 1 系列单片机控制步进电机旋转而达到分度效果。此控制系统主要分 为数控装置和接口驱动器两部分，如图2 8 所示：数控装置是由单片机和基于p c i 总线的单轴分度控制器组成。接口驱动器的作用是接受从控制卡输出的脉冲信号 包括步进脉冲和方向脉冲，通过反向驱动器变成高电平，使光电耦合器导通，经 过细分电路和功率放大电路输出高电平使步进电动机转过一个步距角。连续的脉 冲信号经接口驱动器的功率放大带动步进电机转动一定的角度。在该数控装置中， 系统的编程模块以p c 为上位机硬件平台，以w i n d o w s 为操作系统。该数据装置 具有多任务特性，能完成参数输入、数控编程、译码和解释等实时性要求不高的 任务，并能实现在线管理和与其他系统问的通讯，同时提供人机界面f 7 1 。 高校教师硕十学位论文 图2 8 步进电机电气控制系统组成框图 2 2 6 分度装置方案六机械式减速分度机构的设计 分度的实现如图2 9 所示，输出轴i i i 转动一定的角度，然后停止，需要的时 候再发一个指令，它就继续使输出轴转动一样的角度，再停止，如此往复循环。 为了使该机构实现分度功能，如图所示，对z l 和z 8 齿轮做了特别的设计，分别 在它们的外圆表面加工了数量不等的凹槽，然后在它们之间加上了一个互锁摆杆， 放开z l 齿轮，动力就不输出；若摆杆卡在z l 的凹槽里，z l 不能转动，动力输出。 分度轴上的z 8 齿轮跟着转动，z 8 转动一定角度的时候，摆杆另外一头若能卡在了 z 8 的一个凹槽里，同时z 1 这头摆杆翘起，松开z l ，分度输出停止，z l 空转动； 若要继续分度，通过外力给摆杆轴一个转动，使得摆杆靠近z l 头受向下的力，随 着z l 的转动，z l 将被卡死，同时另外一头翘起，松开z 8 ，这时z 4 转动，动力从 输出轴i i i 输出，同时z 8 跟着转动，转动一定角度，摆杆头将卡在五的凹槽里， 一个分度周期完成。为了实现摆杆左右摆动，可以在图中摆杆轴的外侧加装另外 一个杠杆，一头是弹簧，一头是电磁阀，这样就可以对摆杆的摆动进行控制，也 就是说可以对齿轮z l 或z 8 是否转动进行控制，这样就能实现分度功能邛j 。 图2 9 减速分度机构方案 分度类零件专用机床的研究与设计 2 2 7 分度装置方案七超声波电机驱动的高精度分度头 机械传动系统的结构图如图2 1 0 为分度头的传动系统的结构图。 图2 1 0 超声波电机结构方案 图中l 为分度头的主轴，其输出端可根据用户的需要设计成开放的连接形式， 以满足连接各种不同的夹具，主轴的下部按照图示l 为圆光栅安装要求设计成1 5 。 的圆锥台阶；2 为圆光栅，其圆周上刻有精度很高的光栅，读数头通过此光栅来 确定转角信息，圆光栅2 安装在主轴1 5 。的圆锥面上；3 为超声波电机的压电振 子( 拨动手指) ；4 为超声波电机；5 为接触角1 5 。的角接触式高精度轴承，由于传 动轴要承受轴向和径向力的作用，角接触式轴承即可满足受力要求，也使装配及 维修简单；6 为陶瓷圆盘，固定在主轴圆盘上，超声波电机就是通过此陶瓷盘来 拨动主轴转动7 为非接触式读数头，将圆光栅上的角度信息以脉冲形式输出1 9 】。 2 2 8 分度装置方案八万能分度头的数控化改造 ， f 1 2 5 万能分度头的结构示意图如图2 1 1 所示，一般可以通过分度手柄带动一 对直齿轮和蜗轮蜗杆来传递主轴运动和动力，从而实现主轴的旋转来进行分度。将 其改造后的数控分度头如图2 1 2 所示，其设计特点是工作时无切削力、要求尺寸 尽可能小。因此载荷计算时能够克服工件自重引起的转动摩擦力矩即可。机构的运 动原理是利用步进电机( 图2 1 2 中未示出) 的动力通过步进电机联轴器传给一对 齿轮，再经过蜗轮蜗杆传递给主轴来进行分度。从图中可以知道，由于机械部分要 求传动比较大，通过设计一对传动比较大的齿轮，这样可以提高分度精度【l0 1 。 高校教师硕上学位论文 图2 11 蜗轮一蜗杆分度原理 图2 1 2 改造后的分度装置结构不惹图 1 步进电机联轴器；2 滑动轴承；3 齿轮2 ；4 涡轮；5 空心主轴；6 蜗杆；7 齿轮 2 2 9 分度方案的选用 对于分度机构应达到以下要求： ( 1 ) 应有足够高的定位精度和刚度，该要求要根据被加工零件的精度要求和 受力情况来定制。 ( 2 ) 分度过程迅速而平稳，既要减少分度时间，又能提高生产效率及避免冲 击和振动，以免影响分度精度。 ( 3 ) 能柔性地改变分度角度，以便适应各种分度类工件的加工。 ( 4 ) 定位精度能长期保持高稳定。 虽然前面我们概述了八种分度装置方案，但是前面的七种分度装置方案，还 没有产业化生产，其方案相对来说技术还有待完善。而采用普通万能分度头可以 将工件安装在卡盘、顶尖及其它装卡附件上，用简单分度、差动分度等方法，对 工件实现任意分度，又可和铣床纵向丝杠连接进行各种螺旋加工。但是，其分度 精度低、分度柔性差、对操作人员的劳动强度大。而直接选用数控分度头，准确 可靠又很方便，但投资较大。根据上面分度机构的设计要求，选择分度装置方案 八，对原有的f 1 2 5 普通万能分度头进行数控化的改造。本方案对万能分度头的 分度类零件专用机床的研究与设计 数控化改造。改进后其分度头准确可靠，精度较高，分度柔性大，降低了操作者 的劳动强度且非常经济。这样可以满足分度类零件加工中的分度要求。 2 3 进给传动方案设计 2 3 1 传动系统的要求 机床的传动系统一般包含主传动、迸给传动和其它辅助传动装置。因主传动 运动是铣刀的旋转运动。由于本次专用机床设计是对原有机床的改造，可以保留 原有x 5 0 3 2 铣床的主传动不变。所以，故不再对其进行讨论。为实现分度类零件 成形的工序，除主传动运动的刀具高速旋转运动外，另一个是工作台的进给运动。 进给运动是机床的基本运动之一，对机床的加工质量和生产效率都有一定的影响。 对于有一定加工范围的专用机床，其进给运动还要求能够变速以适应不同的工艺 要求。进给运动同主运动比较，其特点主要是功率和速度较低，而且一般是直线 运动。传动方案的设计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，需要综合运用多方面的知识和实践设计经 验，从各方面综合分析比较，拟定出比较合理的传动系统方案。根据分度类零件 加工的要求，传动系统性能的要求应遵循传动系统结构简单、紧凑、传动链短、 传动精度高、速度的改变快捷、效率高、成本低的原则。 2 3 2 丝杠螺母机构传动分析 螺旋传动是将旋转运动转变成直线运动的一种进给方式，其传动示意图如图 2 1 3 ，2 1 4 所示。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。有以传递能量为主的( 如螺旋压力机、千 斤顶等) ，也有以传递运动为主的如机床工作台的进给丝杠) ，还有调整零件之间 相对位置的螺旋传动机构等。丝杠螺母机构有滑动摩擦机构和滚动摩擦机构之分。 滑动丝杠螺母机构结构简单，加工方便，制造成本低，具有自锁功能，但其摩擦 阻力矩大、传动效率低( 3 0 - - 4 0 ) 。 图2 1 3 丝杠传动机构 图2 1 4 普通丝杠传动方式示意图 1 丝杠2 螺母3 床身4 工作台 高校教师硕士学位论文 原有机床x 5 0 3 2 铣床都是采用这一种传动方式。由于原来的机床都是二手机 床，而且服役已经有很多年了，丝杠螺母副的磨损非常严重，己经不能再继续使 用，所以决定放弃保留原有机床上的进给传动系统。根据分度类零件铣削加工的 特点，在力n - r _ 过程中，工作台只要有纵向的移动。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，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 滚珠丝杠螺母副又称为滚珠螺旋传动机构，其结构如图2 1 5 所示，在丝杠和 螺母滚道之间放入适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。丝杠转动时，带动滚珠 沿螺纹滚道滚动。螺母上设有返向器，与螺纹滚道构成滚珠的循环通道。为了在 滚珠与滚道之间形成无间隙甚至有过盈配合，可设置预紧装置。为延长工作寿命， 可设置润滑件和密封件。滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动或其它直线运动副相比， 有下列特点： ( 1 ) 传动效率高。滚珠丝杠传动系统的传动效率高达9 0 9 8 ，为传统的滑 动丝杠系统的2 4 倍，耗费能量仅为滑动丝杆的1 3 ，所以能以较小的扭矩得到 一 较大的推力。 ( 2 ) 运动平稳。滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小、灵 敏度高、启动时无颤动、低速时无爬行现象，预紧后可消除间隙产生过盈，提高 接触刚度和传动精度，因此可精密地控制微量进给。 ( 3 ) i 作寿命长。滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度( h r c 5 8 6 2 ) 、高精度、 具有较长的工作寿命和精度保持性。寿命约为滑动丝杆副的4 1 0 倍以上。 ( 4 ) 定位精度和重复定位精度高。由于滚珠丝杆副摩擦小、温升小、无爬行、 无间隙，通过预紧进行预拉伸以补偿热膨胀。因此可达到较高的定位精度和重复 定位精度。 ( 5 ) 同步性好。由于运动平稳、反应灵敏、无阻滞、无滑移，用几套相同的滚 珠丝杆副同时传动几个相同的运动部件，可得到较好的同步运动。 ( 6 ) 可靠性高。与其它传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障率很 低，维修保养也较简单，只需进行一般的润滑和防尘。 ( 7 ) 不能自锁。在用于垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。 ( 8 ) n 造工艺复杂。滚珠丝杆和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，制 造成本较高。 分度类零件专用机床的研究与设计 l 2 圉 图2 1 5 滚珠丝杠结构示意图 1 滚珠螺母2 滚珠3 返向器4 。滚珠丝杠 图2 1 6 滚珠丝杠实物图 2 3 4 液压动力滑台方案设计 液压传动是以液压油为工作介质传动动力的装置。具其以下的特点： 优点： ( 1 ) 传动平稳。在液压传动装置中，由于油液的压缩量非常小，在通常压力 下可以认为不可压缩，依靠油液的连续流动进行传动。油液有吸振能力，在油路 中还可以设置液压缓冲装置，故不像机械机构因加工和装配误差会引起振动和撞 击，使传动十分平稳，便于实现频繁的换向；因此它广泛地应用在要求传动平稳 的机械上，例如磨床几乎全都采用了液压传动。 ( 2 ) 质量轻体积小。液压传动与机械、电力等传动方式相比，在输出同样功 率的条件下，体积和质量可以减少很多，因此惯性小、动作灵敏。这对液压仿形、 液压自动控制和要求减轻质量的机器来说是特别重要的。例如我国生产