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機(jī)床數(shù)控改造
一、數(shù)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(jī)，這表明人類創(chuàng)造了可增強(qiáng)和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞動的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進(jìn)入信息社會奠定了基礎(chǔ)。6年后，即在1952年，計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機(jī)床。從此，傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個世紀(jì)以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展。
1.1、數(shù)控（NC）階段（1952～1970年）
早期計算機(jī)的運(yùn)算速度低，對當(dāng)時的科學(xué)計算和數(shù)據(jù)處理影響還不大，但不能適應(yīng)機(jī)床實(shí)時控制的要求。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路"搭"成一臺機(jī)床專用計算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控（HARD-WIRED NC），簡稱為數(shù)控（NC）。隨著元器件的發(fā)展，這個階段歷經(jīng)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(jī)數(shù)控（CNC）階段（1970年～現(xiàn)在）
到1970年，通用小型計算機(jī)業(yè)已出現(xiàn)并成批生產(chǎn)。于是將它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進(jìn)入了計算機(jī)數(shù)控（CNC）階段（把計算機(jī)前面應(yīng)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(jī)的兩個最核心的部件--運(yùn)算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術(shù)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(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。這是因?yàn)樾⌒陀嬎銠C(jī)功能太強(qiáng)，控制一臺機(jī)床能力有富裕（故當(dāng)時曾用于控制多臺機(jī)床，稱之為群控），不如采用微處理器經(jīng)濟(jì)合理。而且當(dāng)時的小型機(jī)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(jié)構(gòu)來解決。由于微處理器是通用計算機(jī)的核心部件，故仍稱為計算機(jī)數(shù)控。
到了1990年，PC機(jī)（個人計算機(jī)，國內(nèi)習(xí)慣稱微機(jī)）的性能已發(fā)展到很高的階段，可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求。數(shù)控系統(tǒng)從此進(jìn)入了基于PC的階段。
總之，計算機(jī)數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代。即1970年的第四代--小型計算機(jī)；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(jī)數(shù)控（即CNC）了，而我國仍習(xí)慣稱數(shù)控（NC）。所以我們?nèi)粘Ｖv的"數(shù)控"，實(shí)質(zhì)上已是指"計算機(jī)數(shù)控"了。
1.3、數(shù)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(diǎn)，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路。至少采用PC機(jī)作為它的前端機(jī)，來處理人機(jī)界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。PC機(jī)所具有的友好的人機(jī)界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程通訊，遠(yuǎn)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(yīng)機(jī)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(jī)領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。
（1）應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)
數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達(dá)到改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的目的。
將熟練工人和專家的經(jīng)驗(yàn)，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(shù)數(shù)據(jù)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(dǎo)加工
（3）引入故障診斷專家系統(tǒng)
（4）智能化數(shù)字伺服驅(qū)動裝置
可以通過自動識別負(fù)載，而自動調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳的運(yùn)行。
二、機(jī)床數(shù)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(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機(jī)的威力。
2.1.1 可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。
由于計算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時準(zhǔn)確地計算出每個坐標(biāo)軸瞬時應(yīng)該運(yùn)動的運(yùn)動量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。
2.1.2 可以實(shí)現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3～7倍。
由于計算機(jī)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(shí)現(xiàn)自動化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個程序，就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。
2.1.5 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)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(qiáng)度，節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機(jī)床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)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(jī)床數(shù)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(jī)集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。
2.2、宏觀看改造的必要性
從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的軍、民機(jī)械工業(yè)，在70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機(jī)械工業(yè)）進(jìn)行技術(shù)改造。除在制造過程中采用數(shù)控機(jī)床、FMC、FMS外，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行MIS（管理信息系統(tǒng)）、CIMS等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)對國外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強(qiáng)。而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家約落后20年。如我國機(jī)床擁有量中，數(shù)控機(jī)床的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已達(dá)20.8％，因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。
三、機(jī)床與生產(chǎn)線數(shù)控化改造的市場
3.1、機(jī)床數(shù)控化改造的市場
我國目前機(jī)床總量380余萬臺，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國機(jī)床數(shù)控化率不到3％。近10年來，我國數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬臺，年產(chǎn)值約為18億元。機(jī)床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為6％。我國機(jī)床役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機(jī)床中，自動/半自動機(jī)床不到20％，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機(jī)床占60％以上）。可見我們的大多數(shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機(jī)床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)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(jī)床的數(shù)控化率。
3.2、進(jìn)口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)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(jìn)技術(shù)、設(shè)備和生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)改造。據(jù)不完全統(tǒng)計，從1979～1988年10年間，全國引進(jìn)技術(shù)改造項(xiàng)目就有18446項(xiàng)，大約165.8億美元。
這些項(xiàng)目中，大部分項(xiàng)目為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮了應(yīng)有的作用。但是有的引進(jìn)項(xiàng)目由于種種原因，設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴(yán)重的使企業(yè)陷入困境。一些設(shè)備、生產(chǎn)線從國外引進(jìn)以后，有的消化吸收不好，備件不全，維護(hù)不當(dāng)，結(jié)果運(yùn)轉(zhuǎn)不良；有的引進(jìn)時只注意引進(jìn)設(shè)備、儀器、生產(chǎn)線，忽視軟件、工藝、管理等，造成項(xiàng)目不完整，設(shè)備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動運(yùn)行，沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用；有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷路很好，但是因?yàn)樵O(shè)備故障不能達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)；有的因?yàn)槟芎母?、產(chǎn)品合格率低而造成虧損；有的已引進(jìn)較長時間，需要進(jìn)行技術(shù)更新。種種原因使有的設(shè)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(shè)備、生產(chǎn)線是個包袱，也是一批很大的存量資產(chǎn)，修好了就是財富。只要找出主要的技術(shù)難點(diǎn)，解決關(guān)鍵技術(shù)問題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產(chǎn)，爭取到最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。這也是一個極大的改造市場。
四、數(shù)控化改造的內(nèi)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(dá)國家，它們的機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時代。由于機(jī)床以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造是個"永恒"的課題。我國的機(jī)床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進(jìn)入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)。在美國、日本、德國，用數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場，已形成了機(jī)床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行業(yè)。在美國，機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)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(jī)床公司、Devlieg-Bullavd（得寶）服務(wù)集團(tuán)、US設(shè)備公司等。美國得寶公司已在中國開辦公司。在日本，機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床改裝（Retrofitting）業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大隈工程集團(tuán)、崗三機(jī)械公司、千代田工機(jī)公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。
4.2、數(shù)控化改造的內(nèi)容
機(jī)床與生產(chǎn)線的數(shù)控化改造主要內(nèi)容有以下幾點(diǎn)：
其一是恢復(fù)原功能，對機(jī)床、生產(chǎn)線存在的故障部分進(jìn)行診斷并恢復(fù)；其二是NC化，在普通機(jī)床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成NC機(jī)床、CNC機(jī)床；其三是翻新，為提高精度、效率和自動化程度，對機(jī)械、電氣部分進(jìn)行翻新，對機(jī)械部分重新裝配加工，恢復(fù)原精度；對其不滿足生產(chǎn)要求的CNC系統(tǒng)以最新CNC進(jìn)行更新；其四是技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或?yàn)榱耸褂眯鹿に嚒⑿录夹g(shù)，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，較大幅度地提高水平和檔次的更新改造。
4.3、數(shù)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(jī)床相比，一般可以節(jié)省60％～80％的費(fèi)用，改造費(fèi)用低。特別是大型、特殊機(jī)床尤其明顯。一般大型機(jī)床改造，只花新機(jī)床購置費(fèi)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(fèi)工、費(fèi)錢，往往改造成本提高2～3倍，與購置新機(jī)床相比，只能節(jié)省投資50％左右。
4.3.2 機(jī)械性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)受限
所利用的床身、立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅(jiān)固的鑄造構(gòu)件，而不是那種焊接構(gòu)件，改造后的機(jī)床性能高、質(zhì)量好，可以作為新設(shè)備繼續(xù)使用多年。但是受到原來機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，不宜做突破性的改造。
4.3.3 熟悉了解設(shè)備、便于操作維修
購買新設(shè)備時，不了解新設(shè)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(jī)床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者對機(jī)床的特性早已了解，在操作使用和維修方面培訓(xùn)時間短，見效快。改造的機(jī)床一安裝好，就可以實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。
4.3.4 可充分利用現(xiàn)有的條件
可以充分利用現(xiàn)有地基，不必像購入新設(shè)備時那樣需重新構(gòu)筑地基。
4.3.5 可以采用最新的控制技術(shù)
可根據(jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度，及時地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì)量和檔次，將舊機(jī)床改成當(dāng)今水平的機(jī)床。
五、數(shù)控系統(tǒng)的選擇
數(shù)控系統(tǒng)主要有三種類型，改造時，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。
5.1、步進(jìn)電機(jī)拖動的開環(huán)系統(tǒng)
該系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置主要是步進(jìn)電機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)、電液脈沖馬達(dá)等。由數(shù)控系統(tǒng)送出的進(jìn)給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路控制和功率放大后，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率以及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運(yùn)動的位移量、速度和運(yùn)動方向。這種系統(tǒng)不需要將所測得的實(shí)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(jìn)電機(jī)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(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。
5.2、異步電動機(jī)或直流電機(jī)拖動，光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)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(yīng)同步器等位置檢測裝置測得的實(shí)際位置反饋信號，隨時與給定值進(jìn)行比較，將兩者的差值放大和變換，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以給定的速度向著消除偏差的方向運(yùn)動，直到給定位置與反饋的實(shí)際位置的差值等于零為止。閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)復(fù)雜，成本也高，對環(huán)境室溫要求嚴(yán)。設(shè)計和調(diào)試都比開環(huán)系統(tǒng)難。但是可以獲得比開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度，驅(qū)動功率更大的特性指標(biāo)?？筛鶕?jù)產(chǎn)品技術(shù)要求，決定是否采用這種系統(tǒng)。
5.3、交/直流伺服電機(jī)拖動，編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)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(bǔ)償系統(tǒng)環(huán)路內(nèi)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(jié)構(gòu)與調(diào)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(jī)作成一個整體時則無需考慮位置檢測裝置的安裝問題。
當(dāng)前生產(chǎn)數(shù)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(nèi)公司如中國珠峰公司、北京航天機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)集團(tuán)公司、華中數(shù)控公司和沈陽高檔數(shù)控國家工程研究中心。
選擇數(shù)控系統(tǒng)時主要是根據(jù)數(shù)控改造后機(jī)床要達(dá)到的各種精度、驅(qū)動電機(jī)的功率和用戶的要求。
六、數(shù)控改造中主要機(jī)械部件改裝探討
一臺新的數(shù)控機(jī)床，在設(shè)計上要達(dá)到：有高的靜動態(tài)剛度；運(yùn)動副之間的摩擦系數(shù)小，傳動無間隙；功率大；便于操作和維修。機(jī)床數(shù)控改造時應(yīng)盡量達(dá)到上述要求。不能認(rèn)為將數(shù)控裝置與普通機(jī)床連接在一起就達(dá)到了數(shù)控機(jī)床的要求，還應(yīng)對主要部件進(jìn)行相應(yīng)的改造使其達(dá)到一定的設(shè)計要求，才能獲得預(yù)期的改造目的。
6.1、滑動導(dǎo)軌副
對數(shù)控車床來說，導(dǎo)軌除應(yīng)具有普通車床導(dǎo)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(dǎo)軌變形對加工精度的影響，要有合理的導(dǎo)軌防護(hù)和潤滑。
6.2、齒輪副
一般機(jī)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(shù)控機(jī)床上使用的齒輪精度等級都比普通機(jī)床高。在結(jié)構(gòu)上要能達(dá)到無間隙傳動，因而改造時，機(jī)床主要齒輪必須滿足數(shù)控機(jī)床的要求，以保證機(jī)床加工精度。
6.3、滑動絲杠與滾珠絲杠
絲杠傳動直接關(guān)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(yīng)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(yīng)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(yùn)動時力矩相接近，可以降低電機(jī)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(hù)
效率必須以安全為前提。在機(jī)床改造中要根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的措施，切不可忽視。滾珠絲杠副是精密元件，工作時要嚴(yán)防灰塵特別是切屑及硬砂粒進(jìn)入滾道。在縱向絲杠上也可加整體鐵板防護(hù)罩。大拖板與滑動導(dǎo)軌接觸的兩端面要密封好，絕對防止硬質(zhì)顆粒狀的異物進(jìn)入滑動面損傷導(dǎo)軌。
七、機(jī)床數(shù)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(jī)床的現(xiàn)況確定改造方案，一般包括：
7.1.1 機(jī)械修理與電氣改造相結(jié)合
一般來說，需進(jìn)行電氣改造的機(jī)床，都需進(jìn)行機(jī)械修理。要確定修理的要求、范圍、內(nèi)容；也要確定因電氣改造而需進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)改造的要求、內(nèi)容；還要確定電氣改造與機(jī)械修理、改造之間的交錯時間要求。機(jī)械性能的完好是電氣改造成功的基礎(chǔ)。
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(xì)進(jìn)行，及時在圖紙上作出標(biāo)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(xiàn)一些新系統(tǒng)設(shè)計中的欠缺之處，應(yīng)及時補(bǔ)充與修正，拆下的系統(tǒng)及零件應(yīng)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(fù)使用。還有一定使用價值的，可作其他機(jī)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(jù)新系統(tǒng)設(shè)計圖紙，合理進(jìn)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(diào)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(fù)查檢驗(yàn)，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(diào)試
調(diào)試必須按事先確定的步驟和要求進(jìn)行。調(diào)試人員應(yīng)頭腦冷靜，隨時記錄，以便發(fā)現(xiàn)和解決問題。調(diào)試中首先試安全保護(hù)系統(tǒng)靈敏度，防止人身、設(shè)備事故發(fā)生。調(diào)試現(xiàn)場必須清理干凈，無多余物品；各運(yùn)動坐標(biāo)拖板處于全行程中心位置；能空載試驗(yàn)的，先空載后加載；能模擬試驗(yàn)的，先模擬后實(shí)動；能手動的，先手動后自動。
7.4、驗(yàn)收及后期工作
驗(yàn)收工作應(yīng)聘請有關(guān)的人員共同參加，并按已制定的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。改造的后期工作也很重要，它有利于項(xiàng)目技術(shù)水平的提高和使設(shè)備盡早投產(chǎn)。驗(yàn)收及后期工作包括：
7.4.1 機(jī)床機(jī)械性能驗(yàn)收
經(jīng)過機(jī)械修理和改造以及全面保養(yǎng)，機(jī)床的各項(xiàng)機(jī)械性能應(yīng)達(dá)到要求，幾何精度應(yīng)在規(guī)定的范圍內(nèi)。
7.4.2 電氣控制功能和控制精度驗(yàn)收
電氣控制的各項(xiàng)功能必須達(dá)到動作正常，靈敏可靠?？刂凭葢?yīng)用系統(tǒng)本身的功能(如步進(jìn)尺寸等)與標(biāo)準(zhǔn)計量器具(如激光干涉儀、坐標(biāo)測量儀等)對照檢查，達(dá)到精度范圍之內(nèi)。同時還應(yīng)與改造前機(jī)床的各項(xiàng)功能和精度作出對比，獲得量化的指標(biāo)差。
7.4.3 試件切削驗(yàn)收
可以參照國內(nèi)外有關(guān)數(shù)控機(jī)床切削試件標(biāo)準(zhǔn)，在有資格的操作工、編程人員配合下進(jìn)行試切削。試件切削可驗(yàn)收機(jī)床剛度、切削力、噪聲、運(yùn)動軌跡、關(guān)聯(lián)動作等，一般不宜采用產(chǎn)品零件作試件使用。
7.4.4 圖紙、資料驗(yàn)收
機(jī)床改造完后，應(yīng)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(shè)備的今后穩(wěn)定運(yùn)行是十分重要的。
7.4.5 總結(jié)、提高
每次改造結(jié)束后應(yīng)及時總結(jié)，既有利于提高技術(shù)人員的業(yè)務(wù)水平，也有利于整個企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。
八、數(shù)控改造幾個實(shí)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(shù)控系統(tǒng)、611A交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)對公司的一臺型號為X53的銑床進(jìn)行X、Y、Z三軸數(shù)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(jī)械上采用了滾軸絲桿及齒輪傳動機(jī)構(gòu)。整個改造工作包括機(jī)械設(shè)計、電氣設(shè)計、PLC程序的編制與調(diào)試、機(jī)床大修，最后是整機(jī)的安裝和調(diào)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(jī)床加工精度達(dá)到±0.001mm。機(jī)床的三坐標(biāo)聯(lián)動可完成各種復(fù)雜曲線或曲面的加工。
2、用GSK980T和步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)改造C6140車床
1999年，公司投入了8萬元，采用廣州數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的GSK980T數(shù)控系統(tǒng)、DY3混合式步進(jìn)驅(qū)動單元對公司的一臺加長C6140車床的X、Z兩軸進(jìn)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(jī)械上采用了滾軸絲桿及同步帶傳動機(jī)構(gòu)。整個改造工作包括機(jī)械設(shè)計、電氣設(shè)計、機(jī)床大修及整機(jī)的安裝和調(diào)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(jī)床最小移動單位為0.001mm。
3、用GSK980T和交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)改造C6140車床
2000年，用廣州數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的GSK980T數(shù)控系統(tǒng)、DA98交流伺服單元及4工位自動刀架對電機(jī)分廠的一臺C6140車床X、Z兩軸進(jìn)行數(shù)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(jī)械上采用了滾軸絲桿及同步帶傳動機(jī)構(gòu)。整個改造工作包括機(jī)械設(shè)計、電氣設(shè)計、機(jī)床大修及整機(jī)的安裝和調(diào)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(jī)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(shù)控系統(tǒng)、步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)對公司的另一臺型號為X53的銑床進(jìn)行X、Y、Z三軸數(shù)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(jī)械上采用了滾軸絲桿及齒輪傳動機(jī)構(gòu)。整個改造工作包括機(jī)械設(shè)計、電氣設(shè)計、機(jī)床大修，最后是整機(jī)的安裝和調(diào)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(jìn)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(shù)控改造中的問題和建議
通過幾臺機(jī)床的數(shù)控改造工作后，發(fā)現(xiàn)工作中也存在許多問題，主要表現(xiàn)在：
一是各部門、開發(fā)人員職責(zé)不明朗，組織混亂，嚴(yán)重影響了改造進(jìn)度；
二是制定的工作進(jìn)程和計劃大多只是憑經(jīng)驗(yàn)制定，不太合理；
三是相關(guān)人員的培訓(xùn)工作沒有到位，導(dǎo)致機(jī)床改造后工藝人員不會編程、操作人員對機(jī)床操作不熟練等問題。
綜合以上問題，有幾點(diǎn)建議：
一是負(fù)責(zé)改造的員工職責(zé)明確，獎罰分明，充分調(diào)動員工的積極性；
二是培養(yǎng)一批高素質(zhì)的應(yīng)用和維護(hù)人員，選派人員外出進(jìn)修，學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)；
三是要注重用戶使用、維護(hù)數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)培訓(xùn)，建立國內(nèi)外數(shù)控技術(shù)資源庫。
8
河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文
摘要
本論文對數(shù)控分度工作臺進(jìn)行了設(shè)計，通過研究分度工作臺的基本原理，結(jié)合數(shù)控、液壓驅(qū)動、齒輪傳動等知識，設(shè)計出一種運(yùn)用于加工中心的液壓式數(shù)控分度工作臺。為了提高工作臺的分度精度，本設(shè)計采用了多彈性齒減小累積誤差的原理，設(shè)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(jīng)濟(jì)效益好、分度精度高，今后將會在數(shù)控機(jī)床上得到廣泛的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞 分度工作臺；數(shù)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(shù)控分度工作臺的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 2
1.2.1我國數(shù)控分度工作臺的發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.2.2數(shù)控分度工作臺的發(fā)展趨勢 3
1.3數(shù)控工作臺的研究 3
1.4本課題研究的內(nèi)容 5
2 數(shù)控分度工作臺總體方案設(shè)計 6
2.1數(shù)控分度工作臺原理設(shè)計 7
2.2數(shù)控分度工作臺的主要技術(shù)參數(shù) 9
2.3數(shù)控分度工作臺的液壓系統(tǒng)設(shè)計 10
2.3.1液壓系統(tǒng)的方案設(shè)計 10
2.3.2液壓泵的選擇 11
2.4 數(shù)控分度工作臺的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計 12
3 數(shù)控分度工作臺部件設(shè)計 13
3.1 工作臺的設(shè)計 13
3.1.1工作臺整體尺寸設(shè)計 13
3.1.2工作臺T形槽設(shè)計 13
3.1.3工作臺中心孔設(shè)計 14
3.1.4工作臺螺孔分布設(shè)計 14
3.2端齒盤設(shè)計 15
3.3中心軸設(shè)計 18
3.3.1中心軸尺寸設(shè)計 18
3.3.2中心軸軸承選擇 19
3.4活塞設(shè)計 20
3.5傳動系統(tǒng)設(shè)計 22
3.5.1傳動系統(tǒng)總體方案設(shè)計 22
3.5.2齒輪齒條設(shè)計計算 24
3.5.4齒圈設(shè)計 32
3.6工作臺底座設(shè)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(qiáng)筋 36
3.6.5定位設(shè)計 36
3.7活塞密封塊設(shè)計 38
3.8推桿導(dǎo)向塊設(shè)計 39
3.9工作臺分度工作原理和結(jié)構(gòu) 39
3.9.1工作臺定位原理和結(jié)構(gòu) 40
3.9.2工作臺松開、夾緊原理和結(jié)構(gòu) 41
3.9.3工作臺分度原理和結(jié)構(gòu) 42
4 液壓式數(shù)控分度工作臺受力校核 43
4.1工作臺螺栓受力校核 43
結(jié)論 48
致謝 49
參考文獻(xiàn) 50
51
緒論
1.1前言
數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)（如信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、航空、航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的使能技術(shù)和最基本的裝備。馬克思曾經(jīng)說過“各種經(jīng)濟(jì)時代的區(qū)別，不在于生產(chǎn)什么，而在于怎樣生產(chǎn)，用什么勞動資料生產(chǎn)?！敝圃旒夹g(shù)和裝備就是人類生產(chǎn)活動的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。當(dāng)今世界各國制造業(yè)鋼釩采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對動態(tài)多變市場的適應(yīng)能力和競爭能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)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(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對我國實(shí)行封鎖和限制政策?？傊?，大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達(dá)國家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。
數(shù)控機(jī)床是裝備制造業(yè)的工作母機(jī)，是實(shí)現(xiàn)制造技術(shù)和裝備現(xiàn)代化的基石，是保證高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國防軍工現(xiàn)代化的戰(zhàn)略裝備?？v觀振興裝備制造業(yè)的16個關(guān)鍵領(lǐng)域，每個領(lǐng)域的振興都需要大批先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床來裝備，如發(fā)展大型火力發(fā)電和核電機(jī)組、制造大型化工設(shè)備、開發(fā)大型海洋運(yùn)輸船舶、研制大型薄板冷熱連軋成套設(shè)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(shù)控機(jī)床來加工制造。同時，數(shù)控機(jī)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(xiàn)代化的重要保證。國際上一些發(fā)達(dá)國家意志把高性能數(shù)控機(jī)床作為戰(zhàn)略物資而嚴(yán)加控制，限制我國進(jìn)口高性能數(shù)控機(jī)床。
目前，由于我國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對滯后，已經(jīng)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(chǎn)業(yè)安全。國內(nèi)外裝備制造業(yè)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)表明，發(fā)展裝備制造業(yè)，數(shù)控機(jī)床是基礎(chǔ)，因此，全面落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，加快發(fā)展我國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)，具有基礎(chǔ)性、前瞻性、全局性的戰(zhàn)略意義。
1.2數(shù)控分度工作臺的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢
1.2.1我國數(shù)控分度工作臺的發(fā)展現(xiàn)狀
我國對數(shù)控機(jī)床及數(shù)控技術(shù)的研究和開發(fā)始于1958年，一直到20世紀(jì)60年代中期還處在研制、開發(fā)時期。1965年，國內(nèi)開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)。20世紀(jì)60年代末至70年代研制成功立式數(shù)控銑床、CJK-18數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控非圓齒輪插齒機(jī)。從20世紀(jì)70年代開始，我國的數(shù)控技術(shù)在車、銑、鏜、磨、齒輪加工、電加工等領(lǐng)域全面展開，數(shù)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(shù)控線切割機(jī)床由于結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價格低廉，在模具數(shù)控加工中得到了廣泛應(yīng)用和推廣。20世紀(jì)80年代，我國從日本FANUC公司引進(jìn)了部分?jǐn)?shù)控系統(tǒng)和直流伺服電動機(jī)、直流主軸電機(jī)技術(shù)，以及從美國、歐洲等發(fā)達(dá)國家引進(jìn)一些新的技術(shù)，并進(jìn)行了國產(chǎn)商品化生產(chǎn)，這些數(shù)控系統(tǒng)可靠性高、性能穩(wěn)定、功能齊全，推動了我國數(shù)控機(jī)床穩(wěn)定發(fā)展，使我國的數(shù)控機(jī)床在性能和質(zhì)量上產(chǎn)生了一個質(zhì)的飛躍。
數(shù)控機(jī)床包括床身、立柱、工作臺、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等部件。工作臺作為數(shù)控機(jī)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(shè)計的直線運(yùn)動的x-y工作臺，到現(xiàn)在為了實(shí)現(xiàn)多工位加工而制造的分度工作臺和回轉(zhuǎn)工作臺等。為了滿足現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，也為了環(huán)境的要求，工作臺的驅(qū)動裝置從原來的機(jī)械驅(qū)動變?yōu)橐簤候?qū)動，現(xiàn)在更多的采用了氣動裝置，更好的保護(hù)了環(huán)境，節(jié)約了資源。
數(shù)控工作臺作為機(jī)床配件的一種，其現(xiàn)狀與機(jī)床的配件業(yè)和機(jī)床的發(fā)展密切相關(guān)。機(jī)床配件發(fā)展來進(jìn)行帶動，這就不得不提到我國機(jī)床業(yè)發(fā)展前景，我國機(jī)床業(yè)要想進(jìn)行更穩(wěn)定且快速發(fā)展，必須進(jìn)行全面數(shù)控化改革及創(chuàng)新工作，這樣才能使一系列機(jī)床配件業(yè)不斷一起跟進(jìn)前進(jìn)。但我國大部分機(jī)床配件廠資金還比較緊張，這使技術(shù)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(jìn)步重要一點(diǎn)。成為影響到機(jī)床業(yè)發(fā)展一個障礙。國產(chǎn)機(jī)床配件教國際技術(shù)來講，無論技術(shù)還質(zhì)量或性能上還與發(fā)達(dá)國家有一定差距。
由于我國經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定增長，我國機(jī)床配件業(yè)也會呈現(xiàn)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(jī)床業(yè)不斷發(fā)展，但我國機(jī)床配件業(yè)也存著一定不足，當(dāng)然也有很好發(fā)展空間。
1.2.2數(shù)控分度工作臺的發(fā)展趨勢
從20世紀(jì)中葉數(shù)控技術(shù)出現(xiàn)以來，數(shù)控機(jī)床給機(jī)械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數(shù)控加工工具有如下特點(diǎn)：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，減輕操作者勞動強(qiáng)度、改善勞動條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟(jì)效益的提高。數(shù)控機(jī)床是一種高度機(jī)電一體化的產(chǎn)品，適用于加工多品種小批量零件、結(jié)構(gòu)較復(fù)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(guān)鍵零件、要求精密復(fù)制的零件、需要縮短生產(chǎn)周期的急需零件以及要求100%檢驗(yàn)的零件。數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及其應(yīng)用范圍使其成為國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)發(fā)展的重要設(shè)備。
進(jìn)入21世紀(jì)，我國經(jīng)濟(jì)與國際全面接軌，進(jìn)入了一個蓬勃發(fā)展的良機(jī)，也遭遇到加入世界貿(mào)易組織后激烈的國際市場競爭的壓力，加速推進(jìn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展商還解決機(jī)床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個關(guān)鍵。隨著制造業(yè)對數(shù)控的大量需求以及計算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代化設(shè)計技術(shù)的飛速進(jìn)步，數(shù)控分度工作臺高速化、高精度化、復(fù)合化、智能化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化、多軸化、綠色化等發(fā)展趨勢。
1.3數(shù)控工作臺的研究
分度工作臺結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)，此機(jī)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)簡單，采用一些措施后能獲得較高的定位精度，因此國內(nèi)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(shù)控機(jī)床、加工中心機(jī)床、轉(zhuǎn)塔車床和鍵床等分度機(jī)構(gòu)和圓分度工作臺上端齒盤的嚙合相當(dāng)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(dá)到均勻的接觸，分度精度非常高加工中心機(jī)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(dá)1.5絲，而美國莫爾1440齒精密分度盤已達(dá)±0.1絲。這是銷定位等機(jī)構(gòu)難于實(shí)現(xiàn)的端齒盤在進(jìn)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(dá)15000N。端齒盤還具有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，能進(jìn)行高精度的結(jié)合分度。其次，能正確的進(jìn)行自動對中，嚙合時不需再找正中心。再次，直線齒向?qū)τ谶x擇磨削砂輪的外徑自由度大。最后，具有互換性，耐磨性好，經(jīng)濟(jì)效率高。
鋼球分度定位機(jī)構(gòu)比齒盤定位機(jī)構(gòu)達(dá)到更高的定位精度日本社生產(chǎn)的一套鋼球定位分度回轉(zhuǎn)工作臺最高分度定位精度已達(dá)±1絲，為了使工作臺達(dá)到高的分度定位精度，須正確布置鋼球，鋼球的精度應(yīng)控制在真球度為0.3微米以下，各鋼球相互直徑差應(yīng)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(shí)現(xiàn)。裝置中上下槽內(nèi)配置的鋼球數(shù)目相等。嚙合時，由于多數(shù)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(jī)床上還未得到廣泛采用。
當(dāng)前數(shù)控機(jī)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(yīng)的機(jī)床附件也應(yīng)隨之發(fā)展。數(shù)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(guān)技術(shù)的開發(fā)；在性能方面將進(jìn)一步提高剎緊力矩、提高主軸轉(zhuǎn)速及可靠性方面發(fā)展；要求采用新材料；產(chǎn)品要價格低、操作方便。
1.4本課題研究的內(nèi)容
隨著數(shù)控技術(shù)不斷發(fā)展與提高，使機(jī)床主機(jī)對配件要求與依賴都越來越高。機(jī)床配件技術(shù)發(fā)展間接決定了機(jī)床主機(jī)發(fā)展水平，專業(yè)化發(fā)展方向成為我國機(jī)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(jī)床廠應(yīng)全力配合，企業(yè)本身要加快技術(shù)步伐，積極自主創(chuàng)新，并且勇于與國外企業(yè)多多學(xué)習(xí)。企業(yè)應(yīng)該努力學(xué)習(xí)國際先進(jìn)機(jī)床技術(shù)，全面開展創(chuàng)新工作，企業(yè)高層也應(yīng)該鼓勵并且大力支持機(jī)床配件創(chuàng)新，從而使我國機(jī)床配件業(yè)越做越強(qiáng)。
本畢業(yè)設(shè)計是研究解決端齒盤作為分度定位機(jī)構(gòu)的液壓式數(shù)控分度工作臺的工作原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計和計算部分，設(shè)計思路是先原理后結(jié)構(gòu)，先整體后局部。
目前端齒盤為分度定位機(jī)構(gòu)的液壓式數(shù)控分度工作臺廣泛運(yùn)用于數(shù)控機(jī)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(shù)控機(jī)床和其他機(jī)械的制造中，數(shù)控端齒盤分度工作臺等分度裝置的應(yīng)用十分廣泛。近年來，隨著數(shù)控技術(shù)的進(jìn)步、自動化程度的普遍提高，加工中心類機(jī)床、數(shù)控車床、數(shù)控銑床的生產(chǎn)和應(yīng)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(yīng)不同產(chǎn)品的加工要求，擴(kuò)大加工范圍，分度工作臺也將在一定范圍內(nèi)得到運(yùn)用。
2 數(shù)控分度工作臺總體方案設(shè)計
隨著人類生活的物質(zhì)要求的不斷提高和人類社會的不斷發(fā)展，越來越復(fù)雜的零件被設(shè)計運(yùn)用到各個領(lǐng)域。所以對加工她們的機(jī)床提出了更高的要求。液壓式數(shù)控分度工作臺實(shí)現(xiàn)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(shù)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(guān)系。
在數(shù)控分度工作臺總體設(shè)計關(guān)鍵是要確定工作臺的參數(shù)。加工中心最主要的參數(shù)為工作臺尺寸等，根據(jù)確定的零件的典型零件進(jìn)行選擇。工作臺尺寸這是加工中心的主參數(shù)，主要取決于典型零件的外廓尺寸、裝夾方式等。應(yīng)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(yīng)考慮工作臺的承載能力，承載能力不足時應(yīng)考慮加大工作臺尺寸，以提高承載能力。
2.1數(shù)控分度工作臺原理設(shè)計
圖2.1（a）端齒盤式分度工作臺的結(jié)構(gòu)原理圖
圖2.1（b）端齒盤式分度工作臺的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jī)床需要分度時，根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)出分度指令，由電磁鐵控制液壓閥（圖中未標(biāo)出），使壓力油進(jìn)液壓管道23進(jìn)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(jīng)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(nèi)齒圈12與齒輪11下部嚙合，完成分度前的準(zhǔn)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(guān)D，發(fā)出松開到位信號。
2、分度工作臺回轉(zhuǎn)、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(jīng)管道21進(jìn)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(jīng)管道20排出回油）。齒條8帶動齒輪11做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)工作臺的回轉(zhuǎn)。改變油腔的行程，即可以改變齒輪11的回轉(zhuǎn)角度。圖中的分度工作臺為：油缸的行程100mm，齒輪回轉(zhuǎn)的角度為90°。當(dāng)齒輪在回轉(zhuǎn)的過程中，擋塊14放開推桿15；90°回轉(zhuǎn)到位后，擋塊17壓上推桿16，微動開關(guān)E發(fā)出到位信號，回轉(zhuǎn)動作結(jié)束。分度工作臺的回轉(zhuǎn)速度可以通過液壓系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
3、分度工作臺落下、夾緊 控制系統(tǒng)在接到回轉(zhuǎn)到位信號后，由電磁鐵控制液壓閥（圖中未標(biāo)出）,使壓力油經(jīng)管道22進(jìn)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(jīng)管道23排出回油）。活塞6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(guān)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(jīng)管道20進(jìn)入分度油缸右腔18，并推動8左移（分度油缸左腔19的油經(jīng)管道21排出回油），齒條8返回。這時，因?yàn)辇X輪11的內(nèi)齒圈已經(jīng)脫開，分度工作臺不動，同時擋塊14壓上推桿15，微動開關(guān)C動作，發(fā)出分度結(jié)束信號。
2.2數(shù)控分度工作臺的主要技術(shù)參數(shù)
在經(jīng)過查閱相關(guān)資料和進(jìn)行初步的CAD輔助設(shè)計后，液壓式數(shù)控分度工作臺根據(jù)使用的場合，所需的大小和形狀有很多種類，本人設(shè)計的是加工中心上的一個分度工作臺，根據(jù)需要本人的工作臺相關(guān)參數(shù)如下：
表2-1 液壓式數(shù)控分度工作臺相關(guān)參數(shù)
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(fù)精度
±0.2（mm）
2.3數(shù)控分度工作臺的液壓系統(tǒng)設(shè)計
2.3.1液壓系統(tǒng)的方案設(shè)計
通過液壓式數(shù)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(shí)現(xiàn)抬起和下降的動作，而另外一個液壓系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工作臺90°分度回轉(zhuǎn)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(chǎn)生顫動，影響加工精度。
圖2.2 H型中位機(jī)能液壓缸
如圖2.2所示，在液壓缸的兩側(cè)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(zhǔn)確，換向閥采用了H型中位機(jī)能。這種液壓系統(tǒng)能很好的滿足液壓式數(shù)控分度工作臺的要求。
2.3.2液壓泵的選擇
根據(jù)液壓式數(shù)控分度工作臺的基本參數(shù)和CAD輔助設(shè)計對零部件的設(shè)計，可以知道：實(shí)現(xiàn)工作臺的分度的液壓系統(tǒng)的壓力遠(yuǎn)比實(shí)現(xiàn)工作臺上下運(yùn)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(yùn)動的即可。
根據(jù)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(jù)如圖2.3所示設(shè)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(shù)
型號
流量
[1/min]
壓力
[MPa]
轉(zhuǎn)速
[rpm]
容積效率
[%]
重量
[kg]
驅(qū)動功率
[kw]
CB-B4
4
2.5
1450
≧85
2.8
0.21
2.4 數(shù)控分度工作臺的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計
根據(jù)液壓式數(shù)控分度工作臺的動作過程，設(shè)置了四個數(shù)控指示燈，其數(shù)控指令的動作順序如表2-3：
表2-3 液壓式數(shù)控分度工作臺數(shù)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(guān)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(guān)閉合
發(fā)出分度到位信號
下降
工作臺下降，開關(guān)D閉合
發(fā)出下降、夾緊信號
返回
擋塊14壓到推桿15，開關(guān)C閉合
發(fā)出分度結(jié)束信號
3 數(shù)控分度工作臺部件設(shè)計
3.1 工作臺的設(shè)計
3.1.1工作臺整體尺寸設(shè)計
液壓式數(shù)控分度工作臺作為需要回轉(zhuǎn)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(jù)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(shè)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(zhuǎn)軸和端齒盤安裝定位，所以要設(shè)計一個槽，槽寬和槽深都是根據(jù)端齒盤的尺寸來設(shè)計確定的。
3.1.2工作臺T形槽設(shè)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(jù)工作臺的尺寸確定，根據(jù)設(shè)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(jù)工作臺的結(jié)構(gòu)要求和《機(jī)械設(shè)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(shè)計
工作臺的中心孔設(shè)計，是根據(jù)在中心孔上有一個襯套，襯套的作用是：當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)件，加工方便，更換成本低，而且還能起到一定的導(dǎo)向的作用。襯套與工作臺中心孔為小過盈配合。所以根據(jù)工作臺的結(jié)構(gòu)要求和襯套的標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計
液壓式數(shù)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(diǎn)、線、面組成的一個復(fù)雜的空間幾何體。當(dāng)考慮中心軸和端齒盤在工作臺中占據(jù)一正確位置時，在實(shí)際安裝，進(jìn)行零部件定位時需要螺栓的夾緊和定位銷的定位相結(jié)合，才能滿足工作臺的動作要求。所以本設(shè)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(jìn)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(shè)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(diào)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(yīng)”，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(shí)際上可以成為一個測量基準(zhǔn)，彈性多齒分度臺實(shí)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(fù)精度好，可達(dá)±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(zhuǎn)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(shù)。
本設(shè)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(shù)計算：
（1）由于端齒盤的齒數(shù) Z=360/ 式(3.1)
式中 -需要分度的最小分度角 （°）
在此設(shè)計中最小分度角為90°，
Z=360/=360/90=4
所以在設(shè)計中端齒盤的齒數(shù)可以是4的倍數(shù)即可，選擇Z=64齒。
（2）端齒盤的直徑可以根據(jù)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(nèi)徑 根據(jù)結(jié)構(gòu)可以確定為d=140mm。
（6）端齒盤的齒高 在此設(shè)計中，運(yùn)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(jù)多彈性齒的介紹，已經(jīng)基本達(dá)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(jīng)設(shè)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(jù)設(shè)計的數(shù)據(jù)，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(shè)計
3.3.1中心軸尺寸設(shè)計
液壓式數(shù)控分度工作臺的中心轉(zhuǎn)軸其結(jié)構(gòu)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(jù)工作臺的下端表面的螺孔分布來設(shè)計的。其右端面的螺孔是根據(jù)與之配合的齒圈設(shè)計的，中心軸左端有3mm會嵌進(jìn)齒圈的中心槽進(jìn)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(jié)構(gòu)允許的條件下，盡可能的使中心軸的支承面大。因?yàn)橐簤菏綌?shù)控分度工作臺在分度旋轉(zhuǎn)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(chǎn)生一定的傾覆力。中心軸的支承面越大則產(chǎn)生的傾覆力越小，分度后的中心重復(fù)定位精度也將會提高。所以根據(jù)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(jù)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(gòu)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(fù)荷。雙向推力球軸承，可承受雙向軸向負(fù)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(diào)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(fù)荷，極限轉(zhuǎn)速較低。
推力球軸承的用途：只適用于承受一面軸向負(fù)荷、轉(zhuǎn)速較低的機(jī)件上，例如 吊鉤、立式水泵、立式離心機(jī)、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(jù)中心軸的軸徑為：上端的軸徑30mm，查《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)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(jī)械設(shè)計課程設(shè)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(shè)計
液壓式數(shù)控分度工作臺的活塞的設(shè)計，根據(jù)軸心轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)尺寸可以確定活塞中心孔的大小為30mm，在設(shè)計中，當(dāng)兩個接觸面的距離較長時，可以適當(dāng)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(jù)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(jù)液壓系統(tǒng)的工作壓力確定的，活塞作為液壓油驅(qū)動的部件，在其運(yùn)動過程中難免會發(fā)生泄漏現(xiàn)象，所以也需要密封圈，根據(jù)密封圈可以設(shè)計出活塞上的密封槽。根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，活塞需要液壓油進(jìn)行驅(qū)動，根據(jù)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(jù)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(zhì)較軟寬度較寬的墊密封，高壓靜密封則用材質(zhì)較硬接觸寬度很窄的金屬墊片。動密封可以分為旋轉(zhuǎn)密封和往復(fù)密封兩種基本類型。按密封件與其作相對運(yùn)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(jī)械密封。動密封中的離心密封和螺旋密封，是借助機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時給介質(zhì)以動力得到密封。
經(jīng)過以上的介紹，可知活塞需要往復(fù)的運(yùn)動，所以需要動密封元件，本設(shè)計選擇O型橡膠密封圈，它適用于裝在各種機(jī)械設(shè)備上，在工作壓力0~70MPa、溫度為-40~+120℃的不同液體和氣體介質(zhì)中，在固定或運(yùn)動的情況下起密封作用。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)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(shè)計
3.5.1傳動系統(tǒng)總體方案設(shè)計
根據(jù)液壓式數(shù)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(jìn)入活塞下部將工作臺頂起，同時齒圈和下齒輪嚙合，準(zhǔn)備分度。上升到位后，液壓系統(tǒng)將使液壓油進(jìn)入齒條油腔，推動齒條，齒條與上齒輪嚙合，并帶動上齒輪運(yùn)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(zhuǎn)。下齒輪與齒圈嚙合在一起，并且齒圈與轉(zhuǎn)軸是固定的，所以齒條的水平運(yùn)動將會帶動工作臺的旋轉(zhuǎn)。
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(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ髋_的分度運(yùn)動。即為圖3.10所示：
圖3.10傳動系統(tǒng)
經(jīng)過動作的分析，在此設(shè)計中，齒輪齒條的作用只是分度時進(jìn)行嚙合，而且分度時傳遞的力只是克服中心轉(zhuǎn)軸與活塞內(nèi)孔壁摩擦力，此摩擦力比較小，所以齒輪齒條的設(shè)計計算主要是根據(jù)傳動系統(tǒng)的設(shè)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(zhuǎn)矩
根據(jù)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(zhuǎn)矩是克服中心轉(zhuǎn)軸與活塞內(nèi)孔壁摩擦力，此摩擦力比較小。假設(shè)為：
2、齒輪齒條的轉(zhuǎn)速
由齒輪齒條的分度圓嚙合條件可知，工作臺實(shí)現(xiàn)90°分度時，齒輪需要轉(zhuǎn)動四分之一圓周，所以
式（3.7）
齒輪轉(zhuǎn)動的圓周長度也即是齒條分度時需要運(yùn)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(zhuǎn)速為：
式(3.11)
3.5.2齒輪齒條設(shè)計計算
項(xiàng)目
計算（或選擇）依據(jù)
計算過程
單位
計算（或確定）結(jié)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(xiàng)目
計算（或選擇）依據(jù)
計算過程
單位
計算（或確定）結(jié)果
3.選擇齒數(shù)Z
取
個
選擇：齒輪齒數(shù)為：24
齒條齒數(shù)為：20
傳動比為：1
1. 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計
（1）試選
=1.2~1.4
取=1.3
=1.3
（2）區(qū)域系數(shù)
由[1]圖10-30
=2.433
=2.433
（3）計算齒條傳遞的轉(zhuǎn)矩
根據(jù)上述可知
（4）齒寬
由結(jié)構(gòu)可知
B=15mm
B=15mm
（5）材料的彈性影響系數(shù)
由[1]表10-6
（6）齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限
由[1]圖10-21c
由[2]圖10-21d
（7）應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N
由[1]式10-13
(8)接觸疲勞強(qiáng)度壽命
由[1]圖10-19
（9）計算接觸疲勞強(qiáng)度許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)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(shù)
度
（13）計算載荷系數(shù)K
由[1]表10-2查得使用系數(shù)根據(jù)，7級精度，由[1]圖10-8查得動載荷系數(shù)
由[1]表10-4查得
K=2.2791
（14）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正分度圓直徑
由[1]式10-10a
2. 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計
（1）計算載荷系數(shù)K
K=2.167
(2)齒形系數(shù)
由[1]表10-5
（3）應(yīng)力校正系數(shù)
由[1]圖10-5
（4）齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限
由[1]圖10-20b
由[1]圖10-20c
（5）彎曲疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù)
由[1]圖10-18利用插值法可得
(6)計算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.3，由式10-12得
(7)計算大小齒輪的并加以比較
結(jié)論：齒條和齒輪的系數(shù)一樣，所以任選其一都可，此設(shè)計選齒輪。
=0.0193
（8）齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計計算
由[1]式10-17
結(jié)論：對此計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算的法面模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計算的法面模數(shù)，取=2mm，已可滿足彎曲強(qiáng)度。但為了同時滿足接觸疲勞強(qiáng)度，須按接觸疲勞強(qiáng)度算得的分度圓直徑=64mm來計算應(yīng)有的齒數(shù)。于是由取，則取
3. 幾何尺寸計算
（1）計算中心距a
根據(jù)結(jié)構(gòu)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(jù)結(jié)構(gòu)需求
圓整后取：
mm
（5）驗(yàn)算
所以合適
注：上表依據(jù)均來自《機(jī)械設(shè)計》第十章齒輪傳動
所以，由工作臺的結(jié)構(gòu)尺寸可以確定齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸。齒輪的分度齒分布在130°范圍內(nèi)，且齒數(shù)為23齒。齒輪具體結(jié)構(gòu)如圖3.11所示：
圖3.11齒輪
根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，分度齒條需要液壓油進(jìn)行驅(qū)動，所以在液壓系統(tǒng)中相當(dāng)于活塞的作用，根據(jù)活塞工作的原理，所以齒條需要密封。
經(jīng)過以上的介紹，可知齒條需要往復(fù)的運(yùn)動，所以需要動密封元件，本設(shè)計選擇O型橡膠密封圈，它適用于裝在各種機(jī)械設(shè)備上，在工作壓力0~70MPa、溫度為-40~+120℃的不同液體和氣體介質(zhì)中，在固定或運(yùn)動的情況下起密封作用。根據(jù)《液壓設(shè)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(nèi)徑
密封圈溝槽設(shè)計：
根據(jù)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(zhuǎn)動90°，齒輪的分度齒分布在130°的范圍內(nèi)分布23齒，所以與齒輪嚙合的齒條分布長度為140mm，齒數(shù)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(shè)計
在分度工作臺進(jìn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動。所以下齒輪和齒圈只是需要按結(jié)構(gòu)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(jù)工作臺的工作原理，可知下齒輪和齒圈的齒數(shù)應(yīng)為4的倍數(shù)才能滿足工作的要求，查《實(shí)用機(jī)械傳動設(shè)計手冊》表1-3，可以推算，當(dāng)時，根據(jù)：
， 式(3.12)
根據(jù)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(zhuǎn)，所以需要定位在中心軸上，根據(jù)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(shè)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(jìn)齒圈槽，再用三個螺栓在軸端均布緊固。其具體結(jié)構(gòu)如圖3.14：
圖3.14齒圈
3.6工作臺底座設(shè)計
3.6.1材料選擇
工作臺的底座是鑄件經(jīng)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(guān)，所以根據(jù)表3-2：
表3-2 鑄造碳鋼機(jī)架常用材料
牌號
特點(diǎn)及應(yīng)用舉例
ZG200-40及ZG230-450
有一定的強(qiáng)度、良好的塑性與韌性，有較高的導(dǎo)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(jī)座、軋鋼機(jī)機(jī)架、鍛錘氣缸體和箱體等。
ZG270-500
它是大型鑄鋼件生產(chǎn)中最常用的碳素鑄鋼、具有良好的鑄造性和焊接性，但易產(chǎn)生較大的鑄造應(yīng)力引起熱裂，廣泛應(yīng)用于軋鋼、鍛壓、礦山等設(shè)備，如軋鋼機(jī)機(jī)架、輥道架、連軋機(jī)軌座、坯軋機(jī)立輥機(jī)架、萬能板坯軋機(jī)機(jī)體，水壓機(jī)橫梁和中間底座，水壓機(jī)基礎(chǔ)平臺、曲柄壓力機(jī)機(jī)身、鍛錘。
ZG310-570
用于重要機(jī)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(jié)合零件的復(fù)雜程度、尺寸大小、材料以及制造工藝來確定。根據(jù)《機(jī)械設(shè)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(jù)《液壓傳動手冊設(shè)計》管道壁厚計算公式：
式（3.16）
式中：——壁厚
d——管道內(nèi)徑
P——公稱壓力
——許用應(yīng)力
工作臺底座管道壁厚的計算，根據(jù)《工程材料》表6-7工程用碳素鑄鋼的牌號、含碳量、力學(xué)性能與應(yīng)用?？芍猌G200-400的許用應(yīng)力為：200MPa。
由上式可得：
所以在工作臺的底座設(shè)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(shè)計中一般都大于3mm。
3.6.3鑄造斜度
根據(jù)設(shè)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(yīng)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(qiáng)筋
圖3.15工作臺底座加強(qiáng)筋
根據(jù)3.15的設(shè)計依據(jù)，加強(qiáng)筋分布在工作臺底部的外部，所以工作臺的底座加強(qiáng)筋為：
加強(qiáng)筋的分布是按照工作臺底座的結(jié)構(gòu)要求分布的。
3.6.5定位設(shè)計
液壓式數(shù)控分度工作臺運(yùn)用于加工中心機(jī)床上，所以工作臺底座還需要在機(jī)床上的定位與夾緊設(shè)計。較常用的機(jī)床與工作臺的定位與夾緊是通過T形槽的設(shè)計完成的，機(jī)床上的T形槽如下：
根據(jù)工作臺的結(jié)構(gòu)要求和《機(jī)械設(shè)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(shè)計需要用定位鍵進(jìn)行定位，選擇M12的螺栓進(jìn)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(jù)《機(jī)械設(shè)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(jié)構(gòu)可根據(jù)工作臺的功能要求和其他部件的結(jié)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(shè)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(zhǔn)備分度。活塞的上腔是由工作臺底座的內(nèi)壁和活塞形成的，而活塞的下腔是活塞和工作臺底座內(nèi)壁和活塞密封塊組成的。
活塞密封塊的內(nèi)壁是根據(jù)活塞桿的直徑設(shè)計的，在其內(nèi)壁上需要密封圈，在此選擇O形密封圈75*5.7，根據(jù)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(jù)其他結(jié)構(gòu)和密封塊本身的要求，其結(jié)構(gòu)如圖3.18：
圖3.18活塞密封塊
3.8推桿導(dǎo)向塊設(shè)計
推桿導(dǎo)向塊的設(shè)計主要是根據(jù)工作臺底座的設(shè)計尺寸，與分度工作臺分度時需要的角度相結(jié)合。因?yàn)樵诠ぷ髋_分度的時候是利用擋塊和推桿實(shí)現(xiàn)分度信號的傳遞的。所以再設(shè)計推桿導(dǎo)向塊時應(yīng)按擋塊的位置設(shè)計推桿孔。
圖3.19推桿導(dǎo)向塊
3.9工作臺分度工作原理和結(jié)構(gòu)
根據(jù)設(shè)計時的思路完成了工作臺的設(shè)計，在本設(shè)計中首先我把設(shè)計分層了三部分，其中包括：工作臺的定位結(jié)構(gòu)、工作臺的夾緊與松開結(jié)構(gòu)、工作臺的分度結(jié)構(gòu)。
3.9.1工作臺定位原理和結(jié)構(gòu)
圖3.20工作臺定位結(jié)構(gòu)
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(shí)現(xiàn)的，也即是下端齒盤2和上端齒盤3的嚙合對工作臺進(jìn)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(jié)構(gòu)
圖3.21工作臺松開、夾緊結(jié)構(gòu)
如上圖3.21所示，工作臺需要分度時松開是通過油道1進(jìn)油使活塞2向上運(yùn)動，同時推動推力軸承4使中心軸5向上運(yùn)動，從而工作臺也向上移動，實(shí)現(xiàn)上端齒盤6、下端齒盤7的松開，為實(shí)現(xiàn)分度動作做好準(zhǔn)備。
當(dāng)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(jìn)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(shí)現(xiàn)工作臺的夾緊定位。
3.9.3工作臺分度原理和結(jié)構(gòu)
圖3.22工作臺分度結(jié)構(gòu)
液壓式數(shù)控分度工作臺設(shè)計最重要的結(jié)構(gòu)就是分度部分，此設(shè)計中的分度結(jié)構(gòu)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(nèi)齒圈12與下齒輪9嚙合，為分度做好準(zhǔn)備。數(shù)控指令控制油液進(jìn)入齒條8油腔推動齒條運(yùn)動，齒條的運(yùn)動帶動與之嚙合的齒輪9轉(zhuǎn)動，使齒條8的直線運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)辇X輪9的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。齒輪9的轉(zhuǎn)動帶動內(nèi)齒圈12的轉(zhuǎn)動，因?yàn)閮?nèi)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(yùn)動會帶動工作臺的轉(zhuǎn)動，當(dāng)工作臺轉(zhuǎn)動到位時發(fā)出數(shù)控信號，表示轉(zhuǎn)動到位，實(shí)現(xiàn)了工作臺的90°分度的動作。
4 液壓式數(shù)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(shè)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(shè)計
采用如圖所示的連接方案，螺釘數(shù)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(zhuǎn)矩
式(3.17)
工作臺分度時的受力
受力點(diǎn)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?yàn)槁菟ńM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(zhuǎn)矩的作用下，結(jié)合面可能產(chǎn)生滑移，根據(jù)結(jié)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(shù)為,故材料的許用應(yīng)力為:
式(3.22)
根據(jù)公式：
式(3.23)
按《機(jī)械設(shè)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(jié)合面的下端的擠壓應(yīng)力不應(yīng)超過允許值，以防止結(jié)合面壓碎。
由：
式(3.24)
得：
查《機(jī)械設(shè)計》表5-6得：
式(3.25)
故連接結(jié)合面下端不會壓碎。
2）連接結(jié)合面上應(yīng)具有一定的預(yù)緊力，防止工作臺面與中心軸產(chǎn)生間隙，即：
式(3.26)
故連接面處受壓最小處不會產(chǎn)生間隙。
4．校核螺栓的預(yù)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(yù)緊力下限，即：
式(3.29)
要求的預(yù)緊力,小于上值，故滿足要求。
結(jié)論