数控分度工作台设计说明

摘要

本论文对数控分度工作台进行了设计，通过研究分度工作台的基本原理，结合数控、液压驱动、齿轮传动等知识，设计出一种运用于加工中心的液压式数控分度工作台。为了提高工作台的分度精度，本设计采用了多弹性齿减小累积误差的原理，设计出半弹性齿的工作台分度装置。这种弹性齿制造成本低、经济效益好、分度精度高，今后将会在数控机床上得到广泛的应用。

关键词分度工作台；数控；液压；齿轮；弹性齿

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

目录

摘要......................................................... I Abstract .................................................... I I 目录....................................................... I II 绪论 (1)

1.1前言 (1)

1.2数控分度工作台的发展现状和趋势 (2)

1.2.1我国数控分度工作台的发展现状 (2)

1.2.2数控分度工作台的发展趋势 (3)

1.3数控工作台的研究 (4)

1.4本课题研究的内容 (5)

2 数控分度工作台总体方案设计 (6)

2.1数控分度工作台原理设计 (7)

2.2数控分度工作台的主要技术参数 (9)

2.3数控分度工作台的液压系统设计 (10)

2.3.1液压系统的方案设计 (10)

2.3.2液压泵的选择 (11)

2.4 数控分度工作台的数控系统设计 (12)

3 数控分度工作台部件设计 (13)

3.1 工作台的设计 (13)

3.1.1工作台整体尺寸设计 (13)

3.1.2工作台T形槽设计 (13)

3.1.3工作台中心孔设计 (14)

3.1.4工作台螺孔分布设计 (14)

3.2端齿盘设计 (15)

3.3中心轴设计 (18)

3.3.1中心轴尺寸设计 (18)

3.3.2中心轴轴承选择 (19)

3.4活塞设计 (20)

3.5传动系统设计 (22)

3.5.1传动系统总体方案设计 (22)

3.5.2齿轮齿条设计计算 (25)

3.5.4齿圈设计 (33)

3.6工作台底座设计 (35)

3.6.1材料选择 (35)

3.6.2壁厚选择 (36)

3.6.3铸造斜度 (37)

3.6.4加强筋 (37)

3.6.5定位设计 (38)

3.7活塞密封块设计 (39)

3.8推杆导向块设计 (40)

3.9工作台分度工作原理和结构 (41)

3.9.1工作台定位原理和结构 (41)

3.9.2工作台松开、夹紧原理和结构 (42)

3.9.3工作台分度原理和结构 (43)

4 液压式数控分度工作台受力校核 (44)

4.1工作台螺栓受力校核 (44)

结论 (49)

致谢 (50)

参考文献 (51)

绪论

1.1前言

数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产。”制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业钢钒采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。

数控机床是装备制造业的工作母机，是实现制造技术和装备现代化的基石，是保证高技术产业发展和国防军工现代化的战略装备。纵观振兴装备制造业的16个关键领域，每个领域的振兴都需要大批先进的数控机床来装备，如发展大型火力发电和核电机组、制造大型化工设备、开发大型海洋运输船舶、研制大型薄板冷热连轧成套设备、发展高速列车、新型地铁和轨道交通车辆等，都需要大批高速、精密、高效和专用数控机床来加工制造。同时，数控机床作为国防军工的战略装备，是各种武器装备最重要的制造手段，是国防军工装备现代化的重要保证。国际上一些发达国家意志把高性能数控机床作为战略物资而严加控制，限制我国进口高性能数控机床。

目前，由于我国数控机床产业发展相对滞后，已经制约了整个装备

制造业的发展，直接影响到国防军工的产业安全。国内外装备制造业的发展经验表明，发展装备制造业，数控机床是基础，因此，全面落实科学发展观，加快发展我国数控机床产业，具有基础性、前瞻性、全局性的战略意义。

1.2数控分度工作台的发展现状和趋势

1.2.1我国数控分度工作台的发展现状

我国对数控机床及数控技术的研究和开发始于1958年，一直到20世纪60年代中期还处在研制、开发时期。1965年，国内开始研制晶体管数控系统。20世纪60年代末至70年代研制成功立式数控铣床、CJK-18数控系统和数控非圆齿轮插齿机。从20世纪70年代开始，我国的数控技术在车、铣、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域全面展开，数控加工中心在上海、北京研制成功。但由于稳定性未得到解决，因此没有得到广泛推广。在这一时期，数控线切割机床由于结构简单、使用方便、价格低廉，在模具数控加工中得到了广泛应用和推广。20世纪80年代，我国从日本FANUC公司引进了部分数控系统和直流伺服电动机、直流主轴电机技术，以及从美国、欧洲等发达国家引进一些新的技术，并进行了国产商品化生产，这些数控系统可靠性高、性能稳定、功能齐全，推动了我国数控机床稳定发展，使我国的数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃。

数控机床包括床身、立柱、工作台、进给机构等部件。工作台作为数控机床的重要组成部分，也是影响加工精度的重要环节。从一开始为了满足加工简单的零件而设计的直线运动的x-y工作台，到现在为了实现多工位加工而制造的分度工作台和回转工作台等。为了满足现代制造业的发展，也为了环境的要求，工作台的驱动装置从原来的机械驱动变为液压驱动，现在更多的采用了气动装置，更好的保护了环境，节约了资源。

数控工作台作为机床配件的一种，其现状与机床的配件业和机床的发展密切相关。机床配件发展来进行带动，这就不得不提到我国机床业发展前景，我国机床业要想进行更稳定且快速发展，必须进行全面数控化改革及创新工作，这样才能使一系列机床配件业不断一起跟进前进。但我国大部分机床配件厂资金还比较紧张，这使技术创新改革带动了很大影响，这也是我国配件水平未能快速进步重要一点。成为影响到机床业发展一个障碍。国产机床配件教国际技术来讲，无论技术还质量或性能上还与发达国家有一定差距。

由于我国经济稳定增长，我国机床配件业也会呈现稳定发展趋势，市场份额也将不断提高，这种带动作用使我国机床业不断发展，但我国机床配件业也存着一定不足，当然也有很好发展空间。

1.2.2数控分度工作台的发展趋势

从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求100%检验的零件。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要设备。

进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展商还解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控的大量需求以及计算机技术和现代化设计技术的飞速进步，数控分度工作台高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、网络化、多轴化、绿色化等发展趋势。

1.3数控工作台的研究

分度工作台结构形式种类很多，从台面的定位形式角度出发，可将其分为三大类：定位销式分度工作台，端齿盘式分度定位工作台，钢球式定位工作台。

对于定位销式分度机构，此机构由于结构简单，采用一些措施后能获得较高的定位精度，因此国内外的加工中心分度工作台多采用。

端齿盘齿轮具有高的分度精度，能传递大扭矩，所以广泛用于数控机床、加工中心机床、转塔车床和键床等分度机构和圆分度工作台上端齿盘的啮合相当于一对带梯形齿的端齿离合器啮合时由于整个齿面都能达到均匀的接触，分度精度非常高加工中心机床上采用端齿盘定位的分度工作台的定位精度一般都在±5丝左右，最高可达1.5丝，而美国莫尔1440齿精密分度盘已达±0.1丝。这是销定位等机构难于实现的端齿盘在进行高精度范围分度时，可靠性很高，啮合刚性很大。因此可以充分承受，切削。如直径为200mm和300mm的端齿盘工作台大容许切削力可达15000N。端齿盘还具有以下优点：首先，能进行高精度的结合分度。其次，能正确的进行自动对中，啮合时不需再找正中心。再次，直线齿向对于选择磨削砂轮的外径自由度大。最后，具有互换性，耐磨性好，经济效率高。

钢球分度定位机构比齿盘定位机构达到更高的定位精度日本社生产的一套钢球定位分度回转工作台最高分度定位精度已达±1丝，为了使工作台达到高的分度定位精度，须正确布置钢球，钢球的精度应控制在真球度为0.3微米以下，各钢球相互直径差应不大于0.3微米。分度定位是由装置上下槽中各部钢球凹凸部分的分别啮合来实现。装置中上下槽内配置的钢球数目相等。啮合时，由于多数高精度钢球同时啮合，很多误差都相互抵消了，所以这种装置的分度精度和中心定位精度都非常高。钢球定位的分度工作台式目前分度精度较高（±1丝）的一种分度工作台。但在目前的加工中心机床上还未得到广泛采用。

当前数控机床发展迅猛，向高速、高效、高精、柔性化、环保方面

发展，与之相应的机床附件也应随之发展。数控分度头未来的发展趋势是：在规格上向两头延伸，即开发小规格也开发大规格的分度头，同时注意相关技术的开发；在性能方面将进一步提高刹紧力矩、提高主轴转速及可靠性方面发展；要求采用新材料；产品要价格低、操作方便。

1.4本课题研究的内容

随着数控技术不断发展与提高，使机床主机对配件要求与依赖都越来越高。机床配件技术发展间接决定了机床主机发展水平，专业化发展方向成为我国机床配件业总体发展趋势。为了缩小与国外工业大国差距，我国各大机床厂应全力配合，企业本身要加快技术步伐，积极自主创新，并且勇于与国外企业多多学习。企业应该努力学习国际先进机床技术，全面开展创新工作，企业高层也应该鼓励并且大力支持机床配件创新，从而使我国机床配件业越做越强。

本毕业设计是研究解决端齿盘作为分度定位机构的液压式数控分度工作台的工作原理和机械结构的设计和计算部分，设计思路是先原理后结构，先整体后局部。

目前端齿盘为分度定位机构的液压式数控分度工作台广泛运用于数控机床和加工中心上。它的总的发展趋势是：

1.在规格上向两头延伸，即开发小型和大型分度工作台。

2.在性能上研制以钢为主的齿轮、齿盘，大幅度提高分度工作台的承载能力。

3.分度定位装置不断提高分度工作台分度时的定位精度。

在各种数控机床和其他机械的制造中，数控端齿盘分度工作台等分度装置的应用十分广泛。近年来，随着数控技术的进步、自动化程度的普遍提高，加工中心类机床、数控车床、数控铣床的生产和应用日益广泛，对高精度、高效率的分度装置的需求也越来越大。随着我国制造业的发展，为了适应不同产品的加工要求，扩大加工范围，分度工作台也将在一定范围内得到运用。

2 数控分度工作台总体方案设计

随着人类生活的物质要求的不断提高和人类社会的不断发展，越来越复杂的零件被设计运用到各个领域。所以对加工她们的机床提出了更高的要求。液压式数控分度工作台实现工件的一次装夹的多工位加工，满足工件的加工要求。液压式数控分度工作台作为加工中心的重要部件，其功能与加工中心的功能有密切关系。

在数控分度工作台总体设计关键是要确定工作台的参数。加工中心最主要的参数为工作台尺寸等，根据确定的零件的典型零件进行选择。工作台尺寸这是加工中心的主参数，主要取决于典型零件的外廓尺寸、装夹方式等。应选比典型零件稍大一些的工作台，以便留出安装夹具所需的空间，还应考虑工作台的承载能力，承载能力不足时应考虑加大工作台尺寸，以提高承载能力。

2.1数控分度工作台原理设计

图2.1（a）端齿盘式分度工作台的结构原理图

图2.1（b）端齿盘式分度工作台的结构原理图

端齿盘分度工作台图2.1（a）、（b）所示是端齿盘式液压分度工作台的结构原理图。它主要由工作台、底座、夹紧油缸、分度油缸及端齿盘等部件组成，其工作过程如下：

1、分度工作台抬起、松开机床需要分度时，根据数控装置发出分度指令，由电磁铁控制液压阀（图中未标出），使压力油进液压管道23进入分度工作台7中央的夹紧油缸的油腔10，并推动活塞6上移动（油缸上腔9的油经管道22排出回油）。活塞6通过推力轴承5（轴承13与之配套使用），使工作台7抬起，上端齿盘4和下端齿盘3脱离啮合。在工作台7向上移动时带动内齿圈12与齿轮11下部啮合，完成分度前的准备工作。同时，工总台7向上抬起时，推杆2在弹簧的作用下向上移动，使推杆1能在弹簧的作用下右移松开微动开关D，发出松开到位信号。

2、分度工作台回转、分度控制系统在接到松开到位信号后，控制电磁铁（液压阀）动作，使压力油经管道21进入分度油缸左腔19，并推动齿条8右移（分度油腔右腔18的油经管道20排出回油）。齿条8带动齿轮11做回转运动，实现工作台的回转。改变油腔的行程，即可以改变齿轮11的回转角度。图中的分度工作台为：油缸的行程100mm，齿轮回转的角度为90°。当齿轮在回转的过程中，挡块14放开推杆15；90°回转到位后，挡块17压上推杆16，微动开关E发出到位信号，回转动作结束。分度工作台的回转速度可以通过液压系统进行调节。

3、分度工作台落下、夹紧控制系统在接到回转到位信号后，由电磁铁控制液压阀（图中未标出）,使压力油经管道22进入分度工作台的夹紧油缸的油腔9，并推动活塞6下移（油缸下腔10的油经管道23排出回油）。活塞6通过推力轴承5（轴承13与之配套使用），使工作台7落下，上端齿盘4和下端齿盘3啮合，夹紧、定位。工作台夹紧后，压下推杆2，使推杆1左移，压上微动开关C动作，发出夹紧完成信号。

4、分度油缸返回控制系统在接到夹紧完成信号后，控制电磁铁（液压阀）动作使压力油经管道20进入分度油缸右腔18，并推动8左移（分度油缸左腔19的油经管道21排出回油），齿条8返回。这时，因为齿轮11的内齿圈已经脱开，分度工作台不动，同时挡块14压上推杆15，微动开关C动作，发出分度结束信号。

2.2数控分度工作台的主要技术参数

在经过查阅相关资料和进行初步的CAD辅助设计后，液压式数控分度工作台根据使用的场合，所需的大小和形状有很多种类，本人设计的是加工中心上的一个分度工作台，根据需要本人的工作台相关参数如下：表2-1 液压式数控分度工作台相关参数

中心高220（mm）中心套孔直径30（mm）工作台面直径320(mm) 主轴连接尺寸136（mm）

T型槽宽度10(mm) 分度角度90°

使用压力 2.5MPa 使用流体液压油

分度方向顺/逆时针最大载重量200kg

±0.2（mm）分度精度±0.2″重复精度

2.3数控分度工作台的液压系统设计

2.3.1液压系统的方案设计

通过液压式数控分度工作台的基本原理和动作过程，可以了解到工

作台需要有两个液压系统：一个是提供压力使工作台实现抬起和下降的

动作，而另外一个液压系统是实现工作台90°分度回转的动作。这两个

动作过程都需要液压系统具有使工作台平稳动作的功能，不要在工作台

抬起、下降、分度的时候产生颤动，影响加工精度。

图2.2 H型中位机能液压缸

如图2.2所示，在液压缸的两侧油路上都串接一液控单向阀（液压

阀），活塞可以在行程的任何位置上锁紧，不会因外界的原因而颤动，而其锁紧精度只受液压缸的泄漏和油液压缩性的影响。为了保证锁紧迅速、准确，换向阀采用了H 型中位机能。这种液压系统能很好的满足液压式数控分度工作台的要求。

2.3.2液压泵的选择

根据液压式数控分度工作台的基本参数和CAD 辅助设计对零部件的设计，可以知道：实现工作台的分度的液压系统的压力远比实现工作台上下运动的压力要小，两个液压系统选择相同的液压泵，所以选择液压泵的时候只要满足上下运动的即可。

根据工作台的最大载重量为200kg ，不仅需要一定的过载能力，而且工作台本身也有自重，所以在选择时液压系统的最大载重为400kg 。根据如图2.3所示设计的活塞尺寸，活塞的作用面为半径为32.5mm 和半径为47mm 围成的环面。计算过程如下：

图2.3活塞

mg F =

式(2.1)

N kg N kg F 39208.9400=?=

)(22r R S -?=π

式(2.2)

22222635.3619)5.3247(14.3)(mm r R S =-?=-?=π S F P =

式(2.3)

MPa m N S F P 083.110635.3619392026=?==

-

表2-2 液压泵参数

型号 流量

[1/min]

压力 [MPa] 转速 [rpm] 容积效率 η[%] 重量 [kg] 驱动功率 [kw] CB-B4 4 2.5 1450 ≧85

2.8 0.21 2.4 数控分度工作台的数控系统设计

根据液压式数控分度工作台的动作过程，设置了四个数控指示灯，其数控指令的动作顺序如表2-3：

表2-3 液压式数控分度工作台数控系统动作顺序

指令

动作 完成信号 抬起

工作台抬起，开关D 松开 发出抬起到位信号 分度

挡块17压到推杆16，E 开关闭合 发出分度到位信号 下降

工作台下降，开关D 闭合 发出下降、夹紧信号 返回

挡块14压到推杆15，开关C 闭合 发出分度结束信号

3 数控分度工作台部件设计

3.1 工作台的设计

3.1.1工作台整体尺寸设计

液压式数控分度工作台作为需要回转的部件，在其上还会有专业的夹具。为了满足其分度的功能，所以工作台做成圆形件，且根据工作台的加工零件的范围：最大载重量为200kg，所以工作台台面为320mm，工作台的高度为75mm。工作台表面需要T型槽，用于工作台上的夹具的定位夹紧。为了使工作台耐用，在工作台的中心处设计一个中心孔，用于衬套的安装。为了使下端面需要与中心转轴和端齿盘安装定位，所以要设计一个槽，槽宽和槽深都是根据端齿盘的尺寸来设计确定的。

3.1.2工作台T形槽设计

工作台T形槽的作用是用T形螺栓固定工作台上的夹具。T形槽的布置需要根据工作台的尺寸确定，根据设计时的方案，T形槽的长度为117.5mm，12条均布在工作台的上表面。

根据工作台的结构要求和《机械设计手册》T形槽及螺栓头部尺寸（摘自GB/T158-1996）,选择如下：

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

螺栓选择公称尺寸/mm: M8

图3.1T型槽

3.1.3工作台中心孔设计

工作台的中心孔设计，是根据在中心孔上有一个衬套，衬套的作用是：当衬套磨损了，可以方便更换。如果不用衬套，磨损后，则需要更换工作台。因其是标准件，加工方便，更换成本低，而且还能起到一定的导向的作用。衬套与工作台中心孔为小过盈配合。所以根据工作台的结构要求和衬套的标准规定可得，工作台中心孔的孔径为39mm。

3.1.4工作台螺孔分布设计

液压式数控分度工作台需要中心轴和端齿盘与工作台具有精度的相对位置。而工作台是由许多点、线、面组成的一个复杂的空间几何体。当考虑中心轴和端齿盘在工作台中占据一正确位置时，在实际安装，进行零部件定位时需要螺栓的夹紧和定位销的定位相结合，才能满足工作台的动作要求。所以本设计中采用螺栓和定位销在工作台上圆周均布，一般采用三个螺栓与两个定位销对工作台及其部件进行定位夹紧。

图3.2螺栓和定位销均布工作台

3.2端齿盘设计

多齿分度台按其齿根部的切槽深度可分为三种齿形，见图3.3所示，刚性齿的齿槽很浅，半弹性齿的齿槽介于刚、弹性之间；弹性齿的齿槽深度为齿厚的4~6倍或更深。弹性齿的材料为45号钢，调制HRC25~28，正火稳定性处理。

本装置采用弹性齿比刚性多齿盘可提高精度2~3倍，弹性多齿分度台是利用“平均效应”，使精度较低的齿牙盘组装成精度较高的多齿分度盘，即是利用多定位以提高精度。但必须满足两个条件，一是材料符合胡克定律；二是每对齿在齿盘加压时能均匀啮合。由于弹性多齿分度台的累积角度误差不大于±0.2″，实际上可以成为一个测量基准，弹性多齿分度台实为360个齿面棱体。