自动钻铰孔装置设计

1、1 绪论11 自动钻孔技术的现状及发展趋势在机械零件加工作业中，孔加工所占比例相当大，因此与高速铣削相类似的高速、高精度钻削加工已提上议事日程，高效率孔加工对于促使零件生产合理化是不可或缺的重要工艺过程。近年来，零部件生产大都采用以自动化设备为中心的生产形态，进行孔加工时大都采用加工中心、CNC电加工机床等先进设备。机加工的效率、加工质量和加工性能等已成为评价机械加工性能的主要指标1。在孔加工作业中，目前仍大量使用高速钢麻花钻，但各企业之间在孔加工精度和加工效率方面已逐渐拉开了差距。高速钻头切削是一种高速大进给量的发展趋势，类似球头立铣刀切削条件的发展趋势。切削实践表明，提高切削速度有利于切屑

2、形态的合理化和改善加工表面的粗糙度，预计今后仍将沿着高速切削的方向发展；提高进给量对断屑排屑和延长刀具寿命非常有利，因此，今后也仍将沿着大进给的方向不断发展。随着IT相关产业的发展，近年来，光学和电子工业所用装置的零部件产品的需求急速增长，这种增长刺激了微细形状及高精度加工技术的迅速发展。其中，微细孔加工技术的开发应用尤其引人注目。微细孔加工早已在印刷电路板等加工中加以应用，包括钢材在内的多种被加工材料，均可用钻头进行小直径加工，微孔加工是未来趋势所需2。近年来，随着高速铣削的出现，以铣削刀具为中心的切削加工正在进入高速高精度化的加工时期。目前，孔加工的高速化明显滞后于其他切削加工。零件的快捷

3、生产是制造业赖以生存的重要条件，因而孔加工技术不能成为机械加工的瓶颈工艺，它必须沿着切削高速化的方向快速跟进，尽快步入高速高精度化的加工行列。1.2 钻铰孔装置简介该自动钻铰孔装置由钻孔装置、铰孔装置、自动回转工作台及工作台上的夹具和装卸装置部分组成。钻削的主运动是刀具旋转，进给运动是刀具的轴向移动。钻孔和孔口加工能达到的尺寸精度为 IT12IT11,能达到表面粗糙度为 Ra 25 6.3。扩孔的尺寸精度为IT10IT9，表面粗糙度为Ra 6.3 3.2。铰孔的尺寸精度为IT8IT6，表面粗糙度为Ra 1.6 0.4 3-4。因此很容易看出钻孔属于粗加工，而铰孔属于精加工。孔加工的工艺特点有：

4、用钻头在工件实体部位加工孔钻孔时麻花钻刚性较差，钻孔时轴线容易歪斜。由于横刃的影响导致定心不准。钻削时产生轴向力很大5-8。 铰孔在较低的切削速度（c=1.5m/min5m/min）、较大的进给量（f=0.5mm/r3mm/r）和很小的背吃刀量的条件下进行，这样不会产生积积屑瘤，保证孔的质量较好9。夹具部分由定位元件、定位装置、夹紧装置、对刀-导向元件、连接元件、夹具体及其他装置组成10。在钻床上钻孔，重要的工艺要求是孔的位置精度。孔的位置精度用其他方法都不能保证，在成批生产时常使用钻床夹具，通过钻床夹具上的钻套引导刀具进行加工，既保证了位置精度，又可提高刀具的刚性，使加工质量和生产率都得到显

5、著的提高11-13。工件的定位：工件的定位并不是使工件固定，而是使工件占据固定的位置，这些都是通过定位元件完成的。工件定位原理为“六点定位原理”，利用“六点定位原理”定位时需要注意有完全定位、部分定位、欠定位和重复定位的问题。典型定位方式：平面定位（第一、二、三定位基准）；圆柱孔定位（定位心轴、定位销）；外圆柱面定位（定心定位、支承定位、V型块定位）。回转工作台可基本分为普通回转工作台和数控回转工作台。其中普通回转工作台是需要分度装置的控制来完成圆周分度，由不同的分度精度实现各角度的回转。而数控回转工作台则通常是通过直流伺服电机驱动来实现各角度的回转，一般分度精度为，重复精度为 14。该装置的

6、控制是典型的顺序控制，非常适宜用可编程控制器进行控制，采用可编程控制器构成控制系统，可以减小电气控制设备体积，使其工作更加可靠，同时其控制要求易于修改，日常工作中维护量小，其优点是显而易见的15。2 被加工工件的结构特点及技术要求2.1 技术要求毛坯的选择是制订工艺规程中的一项重要内容，选择不同的毛坯就会有不同的加工工艺，采用不同设备、工装，从而影响零件加工的生产率和成本。毛坯选择包括选择毛坯类型和确定毛坯制造方法两方面，应全面考虑机械加工成本和毛坯制造成本，以降低零件制造总成本。毛坯的种类有：铸件、锻件、冲压件、型材、工程塑料、组合件等。毛坯零件材料选择为45钢。毛坯尺寸公差与机械加工余量的

7、确定确定毛坯尺寸公差：根据所需加工工件外圆直径为30mm的圆钢，高20mm。查 得工件最大轮廓尺寸为mm。计算确定毛坯机加工余量：先计算出圆钢的质量mn=d2h,钢才密度，7.85g/cm3。得mn=111g，根据圆钢质量查的尺寸为30mm时的单边加工余量为1mm1.5mm。2.2 装置结构特点被加工件为圆柱形工件所以所设计的夹具需要时以外圆柱面定位方式定位。工件所需加工一个中心孔，所以在回转工作台上还需考虑设计一个槽孔以方便进行钻削。自动钻钻铰孔装置是利用了回转工作台将钻孔与铰孔两道工序高效率的合并成到了一起。同时它也减少了钻孔与铰孔之前的装夹，避免了二次装夹带来的定位误差，因此也相对提高了

8、钻孔铰孔时的加工精度。减少装夹次数也使加工连续性得以保持，提高了加工的速率与效率。装置采用了PLC可编程控制器以此达到了自动化控制。3 切削刀具分析刀具的正确选择对对切削效率的高低和加工质量的好坏有很大的影响。在选择刀具时，需要考虑多种因素的影响，如工件材料、刀具材料、加工性质（粗、精加工）等。制造刀具的材料必须具有很高的高温硬度和耐磨性，必要的抗弯强度、冲击韧性化学惰性，良好的工艺性（切削加工、锻造和热处理等），并且刀具不易变形。通常当材料硬度高时，耐磨性也高；抗弯强度高时，冲击韧性也高。但材料硬度越高，其抗弯强度和冲击韧性就越低。高速钢因具有很高的抗弯强度和冲击韧性，以及良好的可加工性，现

9、代仍是应用最广的刀具材料，其次是硬质合金。3.1 麻花钻钻头是用以在实体材料上钻削出通孔或盲孔，并能对已有的孔扩孔的刀具。常用的钻头主要有麻花钻、扁钻、中心钻、深孔钻和套料钻。麻花钻是应用最广的孔加工工具。通常直径范围为0.25mm80mm。它主要由工作部分、颈部和柄部构成。工作部分有两条螺旋形的沟槽，形似麻花因而得名。为了减小钻孔时导向部分与孔壁间的摩擦，麻花钻自钻尖向柄部方向逐渐减小直径呈倒锥状。麻花钻的材料选择，工作部分采用高速钢。柄部采用价廉的优质碳素钢。工作部分与颈部采用焊连接。随着现在的科学技术的进步与发展，钻头切削部分采用硬质合金及涂层的结构日益增多。从经济角度将钻铰孔精度定为I

10、T9，表面粗糙度为3.21.6。又因为所需加工的孔的直径为15mm，所以选择钻头时因比给它留有一定的孔加工余量。因此，查表选取麻花钻直径为14mm。然后通过铰孔达到15H9的尺寸精度。14h8的麻花钻刀身长为160mm,切削部分长为108mm。图3-1 麻花钻3.2 铰刀的选择铰刀是用于铰削工件上已钻削加工后的孔，主要是为了提高孔的加工精度，降低其表面的粗糙度，是用于孔的精加工和半精加工的刀具，加工余量一般很小。用来加工圆柱形孔的铰刀比较常用。用来加工锥形孔的铰刀是锥形铰刀，比较少用。按使用情况来分有手用铰刀和机用铰刀。就铰刀材料而言，又有高速钢和硬质合金之分。铰孔的尺寸精度为IT8IT6，表

11、面粗糙度为Ra1.6 um 0.4um。机铰刀一般有 6个12个刀齿。机用铰刀使用时应注意铰削速度和走刀量，因为如果铰刀速度过快会导致铰刀出现摇摆和抖动这样会使孔的边缘受到摩擦影响加工的精度。铰孔在较低的切削速度（=1.5 m/min 5m/min） 较大的进给量 （f=0.5 mm/r 3mm/r）和很小的被吃刀量的条件下进行，这样不会产生积屑瘤，保证孔的质量较好。对IT8的孔，一般只铰一次，直径上的铰削余量为0.1 mm 0.3mm。对IT6的孔，在两次机铰以后，还要手铰一次。铰孔时，铰刀是以工件上原有的孔导向的，不能纠正原有孔的位置误差，所以原有孔应有合理的加工精度。铰孔时铰刀不能倒转，

12、否则切削刃会磨钝。所以铰完孔后铰刀要顺着退出，退出孔后再停车。若停车后再退出铰刀的话，孔壁会留有痕迹。铰刀是定尺寸刀具，一把铰刀只能加工一种直径、一种公差公置的孔。浅孔、盲孔、阶梯孔的大孔均不适合于铰削。3.3 钻削用量与参数选择切削速度、进给量、和背吃刀量是金属切削过程中的三个重要参数，总称为切削用量。切削用量的大小不仅关系到刀具的耐用度，而且直接影响到加工质量和生产率，所以，在生产中应正确的选用。切削速度，指钻头主运动的线速度，即单位时间内工件和刀具沿主运动方向相对移动的距离。（见图3-2） = (m/min),式中da钻头直径（mm）;n钻头或工件转速（r/min）。进给量f，钻头每转一

13、转，沿进给方向移动的距离称进给量f（mm/r）。钻头有2个主切削刃，所以每个主切削刃的进给量af = (mm/r)。被吃刀量ap,待加工表面和已加工表面之间的垂直距离，即为背吃刀量，用ap表示，单位为mm.。钻孔的ap为钻头直径的一半。图3-2 钻削用量装置加工要求：直径为15mm的孔,每分钟要求加工20个孔。钻头切削用量确定： 钻孔表面粗糙度为3.2 1.6，应属于半精加工，ap取为0.5mm 2mm。 ap选定以后应尽可能选用较大的f，但增大进给量将增大表面粗糙度。因此进给量是精加工时抑制提高生产率的因素。半精加工和精加工时最大进给量主要受工件加工表面粗糙度的制约。根据装置是钻孔加铰孔的工

14、序查表得钻头直径为14mm，材料为HT200时f为0.25 mm/r 0.3 mm/r，取0.3mm/r。 ap和f确定以后，用查表法得切削速度为0.35m/s。铰刀切削用量确定： 背吃刀量ap取0.1mm 铰刀的进给速度应比钻孔速度快查机用铰刀进给量表得铰刀直径为15，HT200作为零件材料时f为1.0 mm/r 2.0mm/r，取1.0mm/r。 切削速度范围为4 m/min 8 m/min，取6m/min。4 钻铰孔夹具设计在金属切削加工工件时，为了保证加工表面的尺寸、几何形状和相互位置精度，应使工件相对于刀具和装置切削成形运动占有正确的位置，然后将工件夹紧固定以完成安装过程。在机床上用

15、于安装工件的工艺装备称为机床夹具。夹具在工艺装备中占有十分重要的地位，它对保证工件的加工精度、提高生产效率、降低生产成本、扩大机床使用范围等方面具有重要的作用。因此夹具设计是机械加工中一项重要的工艺装备设计工作。4.1 钻铰孔夹具的特点机床夹具种类繁多，结构各异，但他们的工作原理基本相同。在具体研究夹具设计问题时，对各类夹具都可以按照组成件的作用将其划分成既相对独立而又彼此联系的组成部分。1）定位元件及定位装置定位元件及定位装置（由零件构成的装置）的作用是确定工件在夹具中的位置。通过工件定位基准（或定位基面）与其保持接触，使工件加工时相对于刀具和切削成形运动具有正确的位置。2）夹紧装置夹紧装置

16、的作用是保持工件在夹具中的既定位置，使其在加工过程中不因外力而产生位移和振动。3）对刀-导向元件在采用调整法加工时，为了预先调整夹具相对于刀具的位置，在夹具上设有确定刀具（铣刀、刨刀等）位置或导引刀具（孔加工用刀具）运动方向的对刀-导向元件。4）连接元件为了确定夹具在机床上的位置，一般夹具设有供夹具本身在机床上定位和夹紧用的连接元件，如铣床夹具的定向键。图4-1 夹具各组成部分与机床、工件、刀具的相互关系4.2 工件定位夹紧方案工件以外圆柱面定位是孔加工中最常用的定位方法，外圆柱面有三种基本形式：定心定位、支承定位、V型块定位。其中支承定位与V型块定位多用于零件横卧的加工之中。因此自动钻孔装置

17、选择定心定位更为合理。定心定位是以外圆柱面的中心线为定位基准，而夹具定位元件仍与外圆柱面保持接触，将其中心线确定在要求的位置上。常见的定心定位装置有各种形式的自动定心三爪卡盘、弹簧夹头等自动定心装置。V型块定位是圆柱形工件采用最广的一种定位方式。用V型块定位时，主要起对中作用，即它能使工件的定位基准外圆柱面中心线，对中在V型块两斜面的对称平面上。V型块上两斜面的夹角，一般选用60、90和120，其中90应用的最多。V型块的典型结构和尺寸均已标准化。 三爪卡盘方案装置采用自动定心的三爪卡盘,三爪卡盘三个卡爪要保证同时作夹紧运动这样就能达到自动定心的目的的，所以他可以定位于夹紧同时进行。图4-2

18、三爪卡盘的剖视图其中，先将卡爪与滑块用螺钉连接固定在一起，滑块两侧有两条导轨槽，将其插入卡盘台上以方便滑动，并能起到卡爪轴向定位的作用。连杆式用来推动卡爪作夹紧运动的连接件，在每个卡爪下面都有一个连杆。装置使滑动轴上下运动，通过连杆传递力使得卡爪能在径向进行夹紧运动。同时卡盘中心有一个和加工毛坯零件尺寸相近的凹槽，它起到初步给毛坯零件定位的作用。滑动轴的顶面是零件加工的接触面，应此加工滑动轴的顶面时应保持一定的水平精度。图4-3 三爪卡盘俯视图 V型块方案图4-4 V型块结构尺寸V型块基本尺寸有：DV型块的标准心轴直径，即工件定位用的外圆柱直径;HV型块高度；NV型块开口尺寸；TV型块标准定位

19、高度；aV型块斜面夹角。图中对称的两片是加工时起到压紧作用的压板。图4-5 V型块方案回转工作台整体俯视图利用V形块进行定位，然后再利用夹紧元件对工件进行径向夹紧。V型块相对于三爪卡盘来讲，它的定位精度更高，如果对定位精度有一定要求的孔加工采取V型块定位更为合理 定位误差分析定位误差产生的原因是：工件用夹具定位，采用调整法加工，由于工件定位所造成的加工面相对其工序基准的位置误差称为定位误差，以DW表示。在加工一批工件时，夹具相对刀具及切削成型运动的位置调整好后，假若不考虑加工过程中的其他误差因素，则加工面对其工序基准的位置误差必然是工序基准的位置变动所引起的。所以定位误差是一批工件定位时，工序

20、基准在加工要求方向上的最大位置变动量。定位误差由两部分组成：基准位置误差和基准不重合误差。V型块定位精度高而且结构简单因此装置优先考虑V型块方案，所以先分析下V型块的定位误差。因为对一批工件而言，外圆的直径肯定是存在制造误差的，这将引起工件外圆柱中心线在V型块对称平面垂直方向上产生位置偏移，即基准位置误差，但在水平方向没有偏移。图4-6 V型块定位误差分析如图所示，两个极限尺寸的工件放置在V型块上，其中圆心的偏移OO1就是工件定位的基准位置误差，其值为：= = = = = = = 0.023mm从上式可以看出当工件外圆直径的公差Td一定时，基准位置误差 随V型块夹角a增大而减小。在钻孔加工时，

21、加工点在圆心所以工序基准选的是以外圆柱中心线为基准。因此工序基准与定位基准重合，故不存在基准不重合误差即工件定位误差就是基准位置误差：= = 0.023mm。根据加工精度要求同轴度需达到0.08mm，0.023<。因此满足工件的加工精度要求，定位方案可行。4.3 夹紧机构V型块方案中，V型块与卡爪组成了自动定心夹紧机构。这样可以避免了因定位基面的尺寸误差所引起的基准位移误差，如图4-5所示的夹紧装置。夹紧元件由气压控制在工件进行夹紧的时候提供一定的径向力进行夹紧。 夹紧元件的选择在V型块和三爪卡盘方案中都选用了小型卡爪作为夹紧元件，因为其结构原理简单，便于控制，且夹紧效果能满足加工要求。

22、其外形前面的零件图中已经画出，它在零件结构工艺性方面的要求有一个，就是在它的前端与工件接触的地方设计为带纹路的表面要能提供足够的摩擦力，防止加工时发生工件滑动现象。 夹紧元件动力部件的确定三爪卡盘采用的是机械力夹紧，动力部件即为滑动轴与连杆组成的机构。V型块的动力部件可以采用气动部件，可将其安装在钻头装置的支承杆上，这样可以在控制钻头进给动作的同时也兼顾到夹紧元件的一个径向加力夹紧动作。所以钻头的轴向进给控制和夹紧元件的径向夹紧控制可以一起设计完成。 夹紧力的计算在加工过程中，工件受到切削力、惯性力及重力的作用，夹紧力要克服上述力的作用，保证工件的工作位置不变。如果工件在这些力的作用下产生瞬间

23、的少量位移，即为夹紧失效。因此，要以对夹紧最不利的瞬间状态来估算所需的夹紧力。同时，对于受力状态复杂的工件，通常只考虑主要因素的影响，略去次要因素，再考虑安全系数，以使计算过程简化。图4-7 工件夹紧受力分析V型块方案受力情况如上图，为了保证工件夹紧不失效必须保证夹紧力所产生的力矩大于等于工件受钻削力时所产生的力矩。即有，在生产过程中我们还应考虑到，安全系数K，因此式中，f0夹紧元件与工件间的摩擦系数； K安全系数； （查表可得） F0钻削力； R毛坯半径； r所需加工孔的半径； F夹紧力； f摩擦力。但是，在实际生产过程中只要能保证夹紧件提供的力大于F就可以保证工件不发生打滑。所以只要估算出

24、一个大概的夹紧力即可。钻头的切削速度为0.35 m/s。先确定钻削主轴的最大转矩为95N·m。因此必须满足F ，K安全系数；M主轴最大转矩；f摩擦系数；R加工孔半径。其中摩擦系统f取0.3计算，K为安全系数取2计算。根据上述公式估算出夹紧力F至少因为14KN时才能满足加工工件时不发生工件打滑现象。5 回转工作台的方案确定回转工作台是数控铣床，数控钻床，加工中心等数控机床不可缺少的重要部件。它的作用是按照控制装置的信号或指令作回转分度或连续回转进给运动，以使数控机床能完成指定的加工工序。常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。5.1 分度式工作台分度式工作台的功能是完成回转分度运

25、动，即在需要分度时，将工作台及其工件回转一定角度。其作用是加工中自动完成工件的转位换面等。实现工件一次加工完成不同的几个面加工或实现多种加工。由于结构上的原因，通常分度工作台的分度运动只限于某些规定的角度;不能实现0范围内任意角度的分度。为了保证加工精度，分度工作台的定位精度 ( 定心和分度 ) 要求很高。实现工作台转位的机构很难达到分度精度的要求，所以要有专门定位元件来保证。按照采用的定位元件不同，有定位销式分度工作台和鼠齿盘式分度工作台。 定位销式分度工作台定位销式分度工作台采用定位销和定位孔作为定位元件，定位精度取决于定位销和定位孔的精度 ( 位置精度、配合间隙等 ) ，最高可达

26、77;5" 。因此，定位销和定位孔衬套的制造和装配精度要求都很高，硬度的要求也很高，而且耐磨性要好。如图5-1是自动换刀数控卧式镗铣床的定位销式分度工作台。该分度工作台置于长方形工作台中间，在不单独使用分度工作台时，两者可以作为一个整体使用。图5-1 定位销式分度工作台结构1挡块；2工作台；3锥套；4螺钉；5支座；6油缸；7定位衬套；8定位销； 9锁紧油缸；10大齿轮；11长方形工作台；12 上底座；13止推轴承；14滚针轴承；15进油管道；16中央油缸；17活塞； 18 螺栓；19双列圆柱滚子轴承；20下底座；21弹簧；22活塞拉杆工作台2的底部均匀分布着八个( 削边圆柱 )定位销

27、8，在工作台下底座12上有一个定位衬套7以及环形槽。定位时只有一个定位销插入定位衬套的孔中，其余七个则进人环形槽中，因为定位销之间的分布角度为45 °，故只能实现45 °等分的分度运动。定位销式分度工作台作分度运动时，其工作过程分为三个步骤：(1) 松开锁紧机构并拔出定位销当数控装置发出指令时，下底座 20上的六个均布锁紧油缸 9( 图中只示出 一个 ) 卸荷。活塞拉杆22在弹簧21的作用下上升15mm，使工作台2处于松开状态。同时，间隙消除油缸6也卸荷，中央油缸16从管道15进压力油，使活塞17上升，并通过螺栓18、支 5把止推轴承13向上抬起，顶在上底座12上，再通过螺

28、钉4、锥套3使工作台2抬起15mm，圆柱销从定位衬套 7中拔出。 (2) 工作台回转分度当工作台抬起之后发出信号使油马达驱动减速齿轮( 图中未示出 )，带动与工作台 2 底部联接的大齿轮10回转，进行分度运动。在大齿轮 10 上以 45 °的间隔均布八个挡块1，分度时，工作台先快速回转。当定位销即将进入规定位置时， 挡块碰撞第一个限位开关，发出信号使工作台降速， 当挡块碰撞第二个限位开关时，工作台2停止回转，此时相应的定位销 8 正好对准定位衬套 7 。(3) 工作台下降并锁紧分度完毕后，发出信号使中央油缸16卸荷，工作台2靠自重下降，定位销8插入定位衬套7中，在锁紧工作台之前，消除

29、间隙的油缸6通压力油，活塞顶向工作台 2 ，消除径向间隙。然后使锁紧油缸9的上腔通压力油，活塞拉杆22下降，通过拉杆将工作台锁紧。工作台的回转轴支承在加长型双列圆柱滚子轴承 19 和滚针轴承 14 中，轴承 19 的内孔带有 1：12 的锥度，用来调整径向间隙。另外，它的内环可以带着滚柱在加长的外环内作 15mm 的轴向移动。当工作台抬起时，支座 5 的一部分 推力由止推 轴承 13 承受，这将有效地减小分度工作台的回转摩擦阻力矩，使工作台 2 转动灵活。 鼠齿盘式分度工作台鼠齿盘式分度工作台采用 鼠齿盘作为 定位元件。这种工作台有以下特点：(1) 定位精度高，分度精度可达 ±2&q

30、uot; ，最高可达 ±0.4" 。(2) 由于采用多齿重复定位，因而重复定位精度稳定。(3) 因为多齿啮合，一般齿面啮合长度不少于 60%，齿数啮合率不少于 90%，所以定位刚度好，能承受很大外载。(4) 最小分度为 360 ° / Z(Z 为 鼠齿盘的 齿数 ) ，因而分度数目多，适用于多工位分度。(5) 磨损小，且因为齿盘啮合、脱开相当于两齿盘对研过程，所以，随着使用时间的延续，其定位精度不断提高，使用寿命长。(6) 鼠齿盘的制造比较困难。图5-2 鼠齿盘及其齿形结构图5-3 鼠齿盘式分度工作结构1-弹簧； 2-止推轴承； 3-蜗杆； 4-蜗轮； 5，6-齿

31、轮； 7-支承套；8-活塞； 9-工作台； 10，11-止推轴承； 12-升夹油缸； 13，14-上，下齿盘；图5-3 为鼠齿盘式分度工作台的结构，主要由一对分度 鼠齿盘13、14 ，升夹油缸12,活塞 8，液压马达，蜗轮副 3、4 ，减速齿轮副 5、6 等组成。其工作过程如下：(1) 工作台抬起，齿盘脱离啮合当需要分度时，控制系统发出分度指令，压力油进入分度工作台 9 中央 的升夹油缸12的下腔，活塞 8向上移动，通过止推轴承10和11带动工作台9向上抬起，使上、下齿盘13、14脱离啮合，完成分度的准备工作。(2) 回转分度当工作台9抬起后，通过推动杆和微动开关发出信号，启动液压马达旋转，通

32、过蜗轮4和齿轮副5、6带动工作台9进行分度回转运动。工作台分度回转角度由指令给出，共有八个等分，即为 45 ° 的整倍数。当工作台的回转角度接近所要分度的角度时，减速挡块使微动开关动作，发出减速信号使液压马达低速回转，为齿盘准确定位创造条件；当达到要求的角度时，准停挡块压合微动开关发出信号，使液压马达停止转动，工作台便完成回转分度工作。(3) 工作台下降，完成定位夹紧液压马达停止转动的同时，压力油进入升夹油缸12的上腔，推动活塞8带动工作台下降，数控机床的结构与传动种圆弧或与直线坐标轴联动加工曲面，又能作为分度头完成工件的转位换面。由于数控回转工作台的功能要求连续回转进给并与其他坐标

33、轴联动，因此采用伺服驱动系统来实现回转、分度和定位，其定位精度由控制系统决定。根据控制方式，有开环数控回转工作台和闭环数控回转工作台。5.2 开环数控回转工作台开环数控回转工作台采用电液脉冲马达或功率步进电机驱动，图5-4开环数控回转工作台的结构。图5-4 开环数控回转工作台结构1 偏心环； 2 、 6 齿轮； 3 步进电机； 4 蜗杆； 5 橡胶套； 7 调整环 ； 8 、 10 微动开头； 9 、 11 挡块 ； 12 双列短圆柱滚子轴承； 13 滚珠轴承； 14 油缸； 15 蜗轮； 16 柱塞； 17 钢球； 18 、 19 夹紧瓦； 20 弹簧； 21 底座； 22 圆锥滚子轴承；

34、23 调整套； 24 支座工作台由功率步进电机3驱动，经齿轮副2 、6，蜗轮副4、15，带动其作回转进给或分度运动。由于是按控制系统所指定的脉冲数来决定转位角度，因此，对开环数控回转工作台的传动精度要求高，传动间隙应尽量小。为此，在传动结构上采用了消除间隙的措施。步进电机3 由偏心环 1 与底座连接，通过调整 偏心环 消除齿轮 2 和齿轮 6 的啮合间隙。蜗杆 4 为双导程 ( 变齿厚 ) 蜗杆，可以用轴向移动蜗杆的方法来消除蜗杆 4 和蜗轮15的啮合间隙。调整时，只要将调整环 7 的厚度改变，便可使蜗杆 4沿轴向移动。为了消除累积误差，数控回转工作台设有零点。当它作返零控制时，先 由挡块 1

35、1 压合微动开关 10 ，发出从快速回转变为慢速回转信号，工作台慢速回转，再 由挡块 9 压合微动开关 8 进行第二欠减速，然后由无触点行程开关发出从慢速回转变为点动步进信号，最后由步进电机停在某一固定通电相位上，从而使工作台准确地停在零点位置上。当数控回转工作台用于分度时，分度回转结束后，要把工作台夹紧。在蜗轮 15 下部的内、外两面装有夹紧瓦 18 和 19，底座 21 上固定的支座 24 内均布有 6 个油缸 14 。油缸 14 上腔进压力油 ，柱塞 16 下移，并通过钢球 17 推动夹紧瓦 18 和 19 ，将蜗轮夹紧，从而将工作台夹紧。不需要夹紧时，控制系统发出指令，使油缸 14 上

36、腔油液流回油箱，在弹簧 20 的作用下把钢球 17 抬起，于是夹紧瓦 18 和 19 松开蜗轮15，这时启动步进电机，驱动工作台回转进给或分度。该数控回转工作台的圆形导轨采用大型滚珠轴承 13 ，使回转运动灵活，双列短圆柱滚子轴承 12 及圆锥滚子轴承 22 保证回转精度和定心精度。调整轴承12的预紧力，可以消除回转轴的径向间隙，调整轴承22的调整套23的厚度，可以使大型滚珠轴承有适当的预紧力，保证导轨有一定的接触刚度。5.3 闭环数控回转工作台闭环数控回转工作台的结构与开环数控回转工作台基本相同，区别在于闭环数控回转工作台采用直流或交流伺服电机驱动，有转动角度测量元件 ( 圆光栅、圆感应同步

37、器、脉冲编码器等 ) 。测量的结果反馈与指令值进行比较，按闭环控制原理进行工作，使工作台定位精度更高。图5-5 为闭环数控回转工作台结构，该工作台采用直流伺服电机驱动，经两对齿轮副和一对 蜗轮副传动工作台。采用双片齿22消除齿轮啮合间隙，蜗杆为双导程蜗杆，伺服电机带有每转1000 个脉冲信号的编码器作为角度测量反馈元件。分度精度 25'' ，重复精度 4''。工作台导轨为环形平面导轨，工作台与导轨面间粘贴有聚四氟乙烯导轨板 5 ，具有较好的摩擦特性。夹紧工作台时，按控制信号要求，压缩空气从气通管接头 20 通过气液转换装置 11 内的电磁换向阀进入气缸右腔，使气

38、缸里的活塞杆 13 向左移动，油腔14内的压力 油逐渐增压。这时，油缸活塞1压缩弹簧3并带动拉杆4向下移动，将工作台压紧在底座上，同时又移动触头10，压合刹紧信号 开关8，发出夹紧信号。松开工作台时，压缩空气进入气缸左腔，使活塞杆 13 向右移动，油腔 14 内的压力油减压，直至工作台松开，同时触头10压合松开信号开关 12 ，发出信号，伺服电机 17 可开始驱动工作台回转进给或分度。图5-5 闭环数控回转工作台结构1 油缸活塞； 2 储油腔； 3 弹簧； 4 拉杆； 5 氟化乙烯导轨板； 6 工作台； 7 主轴；8 刹紧 信号开关； 9 手摇脉冲发生器； 10 刹紧 、松开触头； 11 气液

39、 转换装置； 12 松开信号开关； 13 气缸活塞杆； 14 油腔； 15 气缸法兰盘； 16 储油管 油腔； 17 伺服电机； 18 伺服电机法兰盘； 19 齿轮； 20 气通 管接头； 21 紧固螺钉； 22 双片齿轮； 23 双导程蜗杆； 24 定位键； 25 螺纹套； 26 调整螺母5.4 双导程蜗杆传动双导程蜗杆传动具有改变啮合侧隙的特点，能够始终保持正确的啮合关系；并且结构紧凑，调整方便，因而在要求连续精确分度的结构中被采用，以便调整啮合侧隙到最小程度。双导程蜗杆副啮合原理与一般的蜗杆副啮合原理相同，蜗杆的轴向截面仍相当于基本齿条，蜗轮则相当于同它啮合的齿轮。双导程蜗杆齿的左、右两

40、侧面具有不同的齿距 ( 导程 ) 或者说齿的左、右两侧面具有不同的模数 m(m=t ) ，但同一侧齿距则是相等的，因此，该蜗杆的齿厚从一端到另一端均匀地逐渐增厚或减薄，故又称变齿厚蜗杆，可用轴向移动蜗杆的方法来消除或调整啮合间隙。因为同一侧面齿距相同，没有破坏啮合条件，所以当轴向移动蜗杆后，也能保证良好的啮合。双导程蜗杆的齿形如图 5-6 所示，图中，t左 、t右分别为蜗杆左、右侧面轴向齿距；t 中为公称轴向齿矩； 左、右 分别为蜗杆左、右侧面齿形角；S为齿厚； C 为齿槽宽。图5-6 双导程蜗杆齿形双导程蜗杆的优点是：啮合间隙可调整得很小，根据实际经验，侧隙调整可以小至 0.01mm0.01

41、5mm ，而普通蜗轮副一般只能达 0.03mm 0.08mm ，因此，双导程蜗杆副能在较小的侧隙下工作，这对提高数控回转工作台的分度精度非常有利。由于普通蜗杆是用蜗杆沿蜗轮径向移动来调整啮合侧隙，因而改变了传动副的中心距 ( 中心距的改变会引起齿面接触情况变差，甚至加剧磨损，不利于保持蜗轮副的精度 ) ；而双导程蜗杆是用蜗杆轴向移动来调整啮合侧隙，不会改变传动副的中心距，可避免上述缺点。双导程蜗杆是用修磨调整环来控制调整量，调整准确，方便可靠；而普通蜗轮副的径向调整量较难掌握，调整时也容易产生蜗杆轴线歪斜。双导程蜗杆的缺点是：蜗杆加工比较麻烦，在车削和磨削蜗杆左、右齿面时，螺纹传动链要选配不同

42、的两套挂轮，而这两种蜗距往往是烦琐的小数，对于精确配算挂轮很费时；同样，在制造加工蜗轮的滚刀时，应根据双导程蜗杆的参数设计制造，通用性差。5.5 回转工作台参数计算装置总体控制系统方案是用PLC控制器控制的，因此回转工作台也可以选择数控回转工作台来进行控制。可以通过PLC的程序控制伺服电机然后通过蜗轮蜗杆的传动来达到工作台的120的分度回转控制。其分度精度可达25''，重复精度可达4''。蜗杆的分度圆直径选择为28mm，蜗轮的分度圆直径为160mm。根据普通蜗杆传动m和d得搭配值表查的涡轮模数m为2.5。d=mz，所以蜗轮齿数z为64。i12= ，其中z2为蜗轮

43、齿数，z1为蜗杆头数。取蜗杆头数为2。得i12=32。装置要求为平均30秒加工完成一个零件。因此初步选定工作台转速为10r/min。因此直流伺服电机只需要达到320r/min 的转速即可。6 装置控制系统设计自动控制系统是在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。自动控制系统是实现自动化的主要手段。自动控制系统按控制原理的不同，自动控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的特性都比较差。开环控制系统中，基于按时序进行逻辑控制的称为顺序控制系统；由顺序控制装置、检测元件、执行机构和被控工业对象

44、所组成。主要应用于机械、化工、物料装卸运输等过程的控制以及机械手和生产自动线。闭环控制系统闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能。闭环控制系统又称反馈控制系统。6.1 PLC装置介绍可编程控制器（PLC）是集计算机技术、自动控制技术、通信网络技术于一体的新型自动控制装置。其性能优越，已被广泛应用于工业控制的各个领域。现在，PLC已成为工业自动化的三大支柱技术（PLC技术、工业机器人技术、CAD/CAM技术）之一，PLC应用已经成为控制领域的一个潮流，随着我国科技水平的不断发展和提高，PLC技术将在我国得到更加全面的推广和应用。由于

45、控制对象的复杂性、运行环境的特殊性和运行工作的连续、长期性，使得PLC在设计、结构上具有许多其他控制器所无法相比的特点：1可靠性高、抗干扰能力强2灵活性和通用性强3编程语言简单易学4PLC与外部设备的连接简单、使用方便5PLC的功能强大6PLC控制系统的设计和调试周期短7PLC体积小、重量轻，易于实现机电一体化目前，在工业控制领域里常见的有下列几种控制方法：传统的继电器-接触器控制、单片机控制、可编程序控制器（PLC）控制、计算机控制（PC）、计算机-单片机控制以及计算机-可编程序控制器控制等，它们各有优缺点，具有各自的适用场合和要求。表6-1 常见控制方法对比PLC是一种特殊的计算机，它的组

46、成与计算机相似。整体式结构的PLC组成如图16所示。其主要组成部分有：1中央处理单元（CPU）CPU是PLC的核心部件，它类似人的大脑，能指挥PLC按照预先编好的系统程序完成各种任务。2存储器存储器一般包括以下三部分：系统程序存储器、用户程序存储器、工作数据存储器。3输入/输出单元输入/输出单元是PLC与外部设备相互联系的窗口。输入单元接收现场设备向PLC提供的信号；输出单元将经过CPU处理的弱电信号通过光电隔离、功率放大等处理，转换成外部设备所需要的强电信号，以驱动各种执行元件，如接触器、电磁阀、调速装置等。4电源部分PLC的电源包括两种电源：一种是外部电源，另一种是内部电源。外部电源一般配

47、有开关式稳压电源为内部电路供电。内部电源是供用户存储器工作的保护电源，保证用户程序在外部电源断开时不致丢失。5I/O扩展端口当主机上的I/O点数或类型不能满足用户需要时，主机可以通过I/O扩展端口连接I/O扩展单元来增加I/O点。另外，通过I/O扩展口还可以连接各种智能单元，扩展PLC的功能。6外设端口每台PLC都有外设端口。通过外设端口，PLC可与外部设备相连接。7编程工具编程工具是开发应用和检查维护PLC以及监控系统运行不可缺少的外部设备。包括专用编程器和计算机辅助编程。图6-1 PLC组成示意图PLC上电后首先进行初始化，然后进入循环扫描工作过程。一次循环扫描过程可归纳为五个工作阶段：自

48、诊阶段、输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段以及通信处理阶段，如图6-2。图6-2 PLC工作过程6.2 系统控制要求本装置要求达到的控制标准为装置先完成工件的装夹然后通过回转工作台的转动将工件带到第一加工工位，控制信号再控制夹紧装置以及压板装置进行夹紧定位。接下来是钻孔装置进行对刀然后进行进给钻削运动。于此同时在装载工件处又需要将第二个待加工件装上工作台等待进入第一工位加工。第一工位加工完成后夹紧定位装置松开控制回转工作台转动到下一个工位，进行铰孔加工。同样的进行铰孔加工时也需要对工件进行定位与夹紧控制以及铰孔加工的进给铰削运动的控制。最后在钻孔与铰孔加工都完成后通过回转工作台让被加工件回到装夹位置卸载。根据对装置的控制要求选择使用闭环控制系统，并确定了总体的加工工艺流程，具体流程如图6-3。图6-3 装置自动控制流程图结 论毕业论文是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相