一種采用珠盤定位的分度裝置

安德建奇集團 北京三闊科技有限公司 藏建軍

一種采用珠盤定位的分度裝置

A rotary index table positioned w ith steel balls

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本文介紹一種基于鋼珠定位，從而使誤差得到均化的分度定位裝置。這種珠盤定位結構的分度定位裝置在數控機床上通過了4年近3萬h的實際使用驗證，精度保持良好，故障率幾乎為零。

1 結構原理

1.1 基本結構

珠盤定位基本結構是在旋轉工作臺的定位面上，圍繞旋轉中心的一個圓周上等分鑲嵌n個鋼珠，再在機座同一位置的圓周上等分加工出n個與鋼珠尺寸相同的半球形凹槽。鑲嵌鋼珠的一側包容鋼珠的部分超過鋼珠的半徑，機座一側的半球形凹槽深度小于鋼珠的半徑。旋轉工作臺部分可以軸向脫開和鎖緊，脫開時，可以旋轉到所需要的角度；鎖緊時，旋轉工作臺上的鋼珠嵌入到機座半球形凹槽中。旋轉工作臺與機座之間保持一定的縫隙并不直接接觸，而是通過鋼珠達到接觸定位 （圖1）。

珠盤定位結構是通過立式翻轉卡具實現驗證的。在經過驗證的36套以珠盤作為分度定位的裝置上，分度工作臺圍繞旋轉中心在圓周上均勻鑲嵌著72枚經過篩選的鋼珠，在機座上同樣直徑的圓周上均勻分布著72個與鋼珠尺寸相適應的半球形凹槽。在旋轉分度時，72枚鋼珠同時嵌入到72個凹槽中，從而實現以5°分度定位。

在已經使用的裝置中，除了72個鋼珠，5°分度的轉臺外，還有120個鋼珠，3°分度的轉臺。

1.2 小角度分度

如果需要更小的分度，則可以采用差動分度結構（圖2）。珠盤定位結構可以方便地實現0.2°以下的小分度差動定位。

例如在0.2°小分度的應用場合下，將珠盤制造成獨立的旋轉體，珠盤面向機座的一側鑲嵌72枚鋼珠，與機座的72個凹槽相吻合，最小分度單位為5°。珠盤面向轉臺的一側鑲嵌75枚鋼珠，與轉臺的75個凹槽相吻合，最小分度單位4.8°。

這樣，當處于中間的珠盤相對于機座旋轉5°時，珠盤另一側處于原來位置上的鋼珠則被后一個位置上的鋼珠取代， 并且向前旋動0.2°（5－4.8＝0.2）。因為0.2∶5＝1∶25， 所以， 在珠盤與轉臺之間裝備一個1∶25的傳動裝置即可以方便快捷地實現0.2°小分度操作（圖3）。

按轉臺和珠盤角位移同方向舉例計算，有以下關系式。

（1）計算最小分度單位

其中，θ——最小分度單位

n1——機座一側的半球形凹槽數量

n2——轉臺一側的半球形凹槽數量

當n1＜n2時， 轉臺與珠盤同方向轉動； 當n1＞n2時，轉臺與珠盤的轉動方向相反。

（2）計算角位移比

其中，λ為傳動比。

例如， 0.2°差動分度結構， n1＝72， n2＝75， 則有

珠盤定位結構對于其他最小分度單位也可以十分方便地實現。如144枚鋼珠比150枚鋼珠，兩者分度單位分別為2.5°和2.4°，差動旋轉后可以實現0.1°的最小分度。

在實際應用中，0.1°的小分度結構的珠盤仍然使用的是0.2°分度裝置的珠盤，一面是72枚鋼珠，一面是75枚鋼珠。與0.2°分度裝置所不同的是，在機座上加工半球形凹槽的數量是144個，在轉臺上加工出的半球形凹槽數量是150個，這樣，每相隔一個凹槽嵌入一個鋼珠，從而達到0.1°的最小分度單位。

按照同樣的原理，72枚鋼珠比80枚鋼珠，兩者分度單位分別為5°和4.5°，差動旋轉后可以得到0.5°的最小分度。36枚鋼珠比40枚鋼珠，兩者分度單位分別為10°和9°，差動旋轉后可以得到1°的最小分度，等等。上述的0.5°和1°分度的裝置同樣可以共用相同的珠盤，依此類推。

現在開發并已經投產的小分度裝置結構示意圖如圖4。

這種結構是已經生產的一種。它是將所有鋼珠鑲嵌在珠盤的一側，72∶75在2個圓周上均布，里圈的鋼珠與轉臺上的凹槽相吻合，外圈的鋼珠和機座上的凹槽相吻合。珠盤做軸向位移夾緊和松開，并與轉臺成25∶1的角位移運動關系，從而實現轉臺無軸向位移、最小分度單位為0.2°的旋轉定位。

1.3 誤差分析

高精度是分度裝置的基本要求。在制造過程中，凹槽的位置度是保障精度的關鍵。目前已經總結出了即保障分度精度又能夠實現較低制造成本的位置度允差范圍。由于屬于誤差均化的原理，實際分度誤差極小，完全滿足一般加工要求。

其中，X——總誤差

n——鋼珠總數量

xi——第i個鋼珠的位置誤差。

由于位置誤差具有方向性，屬于矢量范疇，所以，通過加工時特定的工藝將誤差方向離散化，可以得到方向不同的n個鋼珠的位置誤差。如果兩個誤差的數值相同，誤差的方向相反，其矢量和等于零的話，則數量越多、方向不同的位置誤差之和越是趨近于零。再除以n，理論誤差值極小。

因此，如果說端面齒盤 （鼠牙盤）是誤差均化原理的成功應用，則珠盤定位裝置是當今應用誤差均化原理的又一成功典范。與前者相比，后者無論在定位精度、重復定位精度、壽命即精度保持性等各個方面都毫不遜色，而且在抗沖擊特性上更勝一籌。

在制造工藝技術要求方面，珠盤定位結構更加體現出了端面齒盤 （鼠牙盤）所不具有的優勢。在制造珠盤定位裝置的過程中，只要控制鑲嵌鋼珠的半球形凹槽及另外相嚙合半球形凹槽的位置度，控制鋼珠質量，影響精度的基本要素就全都把握住了。如珠盤定位結構的齒形誤差靠鋼珠形狀誤差保證和球形銑刀質量保證，而齒向誤差，由于球形結構的對稱性，珠盤結構不存在此項誤差，其齒距誤差則依靠凹槽位置度保證。

凹槽位置度是指X、Y、Z三維空間的位置精度。Z向深度尤其重要，如采用高精度數控機床加工，則可以方便地滿足工藝要求。

2 珠盤定位結構的性能特點

（1）高剛度耐沖擊

珠盤定位分度裝置接觸面積達到幾十平方厘米，可以承受較大的沖擊載荷，而且通過一段時間的使用后，鋼珠與凹槽更加吻合，接觸剛度大于初始使用時的剛度。用珠盤定位所做成的分度旋轉夾具上，在大切削用量的重載切削和斷續切削工況下，在4年來的實際應用中，表現出了優良的特性。

在4年時間中，同時參與性能及壽命驗證的還有傳統的以端面齒盤 （鼠牙盤）定位的裝置，兩者的精度及保持性沒有可以感覺出來的差別，明顯差別在于端面齒盤 （鼠牙盤）的剛度遠遠不及珠盤定位。

（2）增加剛度的結構靈活

珠盤定位裝置特有的結構可以根據需要增加接觸面積，提高抗沖擊強度。當需要時，可以在不同直徑上增加同樣數量的1圈或2圈鋼珠及凹槽，則抗沖擊強度將成倍增加。當空間限制，增加1圈鋼珠困難時，由于鋼珠鉚固需要一定的相鄰空間，凹槽則可以更加靠近，因此可以每間隔一個位置放置一個鋼珠。同樣也可以起到增強作用。

（3）制造成本的低廉

在珠盤定位裝置的制造中，與端面齒盤 （鼠牙盤）的制造存在明顯的成本差別。在達到要求精度的數控機床上，用球形銑刀分別在機座和轉臺上加工出n個凹槽，鑲嵌鋼珠的一側凹槽深度超過鋼珠的半徑，另一側則小于鋼珠半徑，然后使用專用鉚具，將經過篩選的鋼珠鉚固在轉臺上。加工一對珠盤的成本不及端面齒盤 （鼠牙盤）結構的幾分之一。工藝流程適合流水線生產。

另外，珠盤定位裝置的結構特點還使得制造環節減少，制造周期縮短，生產方式簡潔，檢驗測量方便，質量可控性提高。

（4） 精度高

珠盤定位結構由于成功應用了誤差均化原理，使得最終所表征出來的精度遠比實際加工精度要高的多，每一個加工要素的誤差大部分可被其它加工要素產生的誤差抵消。使得制造環節中各項精度指標的實現變得輕松容易。

（5）易于實現小角度分度

受結構限制，三片式端面齒盤 （鼠牙盤）分度定位裝置很難做到里外齒圈齒數不同。然而，珠盤定位結構里外圈凹槽數量是否相等，在加工成本上沒有任何區別，僅僅是將加工程序的相關參數設定好即可。制造過程中與普通珠盤定位結構沒有不同。如果不考慮實現一定的傳動比的成本，小角度分度與普通分度的成本是一樣的。

（6） 壽命長

珠盤定位結構部分在定位旋轉運動時外力很小，當定位完成后不再存在磨損等情況，再加上鋼珠的硬度和對凹槽的熱處理，使得磨損微乎其微。由于結構上不是點、線接觸，而是面接觸，接觸面積大，局部壓強小，由變化的應力造成材料疲勞產生的點蝕失效很難發生，因此，具有較長的使用壽命。在36套珠盤定位分度裝置的4年3萬小時的驗證過程中，分度定位裝置精度保持性良好，故障率為零，證明了其長壽命特性。

3 珠盤定位裝置制造工藝的特點

3.1 三減少

（1）控制誤差的項目減少

由多項誤差控制變為單一誤差控制。例如在制造端面齒 （鼠牙盤）分度裝置時，齒形誤差、齒距誤差、齒向誤差、等等都需要在制造過程中嚴格控制；尺寸誤差、形狀誤差和位置誤差都需要花費成本加以控制。而珠盤分度裝置的結構特點將形狀誤差的保障交給鋼珠制造廠和刀具制造廠，尺寸誤差靠篩選和刀具質量保證，只有位置誤差是制造環節需要嚴格把控的。

（2）所需要的高精度設備減少

關鍵工序只需要一臺高精度的數控機床即可滿足加工要求。裝備的減少可以大幅度降低固定資產占有量，減少設備投資，降低生產成本。

（3）制造環節減少

就分度結構而言，制造工藝主要有凹槽加工和鋼珠鉚固。凹槽加工體現出來的高效率已經被證明。鋼珠鉚固目前主要還是靠人工，不久有望通過機械化的手段實現。如果分度裝置的結構允許，凹槽和鋼珠直接加工、鉚固在轉臺或基座上，則基準面的加工、銷定位、螺釘緊固等全部都可以省略。不僅僅是制造周期的縮短，直接結果是使制造成本減少。

3.2 減法法則

以往產品表征出來的誤差是各個制造環節制造過程中產生誤差的疊加，遵循加法法則。任何產品最終所表征出來的精度及誤差是用戶最關心的，是對使用產生直接影響的。所以，如何減小產品的最終表征誤差是各個制造商所追求的目標。珠盤定位結構的原理是化解制造環節中產生的誤差，采用誤差均化的原理，使得產品的表征誤差遠遠小于制造環節中產生的各個誤差。正可謂是 “減法法則”。

3.3 質量可控性提高

由于制造環節減少，誤差產生的幾率減少，控制住少數幾項誤差發生的環節就把握住了質量主線，在測量裝置上也比端面齒盤節省了許多。

3.4 簡單

綜合上述各項，所表現出的工藝特點概括為一點：簡單。簡單寓于道理，簡單容易成功，簡單能夠使我們做得更好，簡單可以把事情做到極至。珠盤分度定位結構的工藝就是簡單的體現。

4 應用實例

（1）分度旋轉工作臺

一次裝卡可實現多面、多角度加工，提高加工精度，減少制造成本，減少設備投入，是機械加工企業普遍面臨的問題。在數控加工中，許多工件需要一次裝卡完成多面加工。傳統的做法是用帶有B軸功能的臥式加工中心實現；在立式加工中心上，則需要裝備分度裝置。我們在4年前由于沒有實力裝備臥式加工中心，不得不想辦法在立式加工中心上加工多角度的工件。當時提出了 “把方箱放倒試試看”的口號。因此我們開發了珠盤定位結構用于分度卡具。

這種新的定位分度裝置所提供的功能解決了上述問題，使立式加工中心完成了部分臥式加工中心的功能。就像將臥式加工中心的B軸方箱放倒在立式加工中心的工作臺上一樣，實現了工件的多面加工。

數控分度在旋轉過程中不參與插補和切削。其工作模式與數控旋轉工作臺完全不同。但數控分度裝置所具有的大剛度和耐沖擊特性，是蝸輪蝸桿副形式的傳動機構所無法比擬的。

珠盤鎖緊和放松的結構在手動分度裝置上采用的是螺紋鎖緊。在數控分度轉臺上，采用大節距板式多排鏈板組合，利用正切原理，僅用32mm直徑的氣缸，工作壓力為5bar的情況下，卡緊力就可達到15kN，并且在氣壓波動或失壓的情況下具有機械自鎖功能。

用一對兩節板式鏈條組成的杠桿機構中，氣缸作用在節板鏈條的節點上，氣缸的作用力通過鏈板作用在轉臺軸上，作用力的方向與轉臺軸成α角 （圖5）。鏈板作用于轉臺軸上的力可以分解成平行于轉臺軸方向和垂直于轉臺軸方向的兩個分力，其中垂直方向的分力等于氣缸作用在板式鏈條上的力。當分度工作臺放松時，在氣缸作用下板式鏈條折曲，α角增大，其正切值向趨近于1的方向變化，分度工作臺的軸向推力為400N。當需要鎖緊時，板式鏈條在氣缸作用下伸直，α角減小，其正切值向趨近于零的方向變化，轉臺的軸向推力為15kN。當α角小于8.2°時，機械便已經達到自鎖，板式鏈條可承受80kN的推力。由于不需要壓力保持，分度旋轉支架部件不依賴液壓站等輔助設施工作，充分體現了國家所提倡的節能和環保的要求，安全性也得到了提高。

目前推向市場的產品有ф200mm的雙聯結構分度支架及其副支架，它特別適合3號普通銑床、數控銑床、400mm寬臺面的立式加工中心使用。特點是在機床工作臺的長度方向上并排設計了兩個分度轉臺，如果將工件放在一臺機床上加工，兩個分度轉臺可以分別承擔第一工序和第二工序的加工，可以實現6個面多角度的加工。一臺機床基本可以實現工件的全工序加工。這對于改善生產流程、匹配生產節拍、提高生產效率提供了重要的技術和裝備保障。

數控分度支架可以根據需要選擇不同生產廠家的電機、驅動放大器和控制器。它既可以連接到CNC，按照加工程序的控制指令進行分度操作，也可以用PLC通過按鈕、腳踏開關等輸入形式按一定的順序進行分度定位。由于機械設計使一臺伺服電機可以分時驅動兩個分度轉臺，硬件上采用1帶2的方式，因此，這種設計最大限度地為用戶節省了電氣部分的成本。

如果機床的數控系統比較陳舊，無法加裝分度定位的控制，也可以用手動分度定位裝置。當需要夾具翻轉的動作時，在加工程序中加上M0指令，并在程序段的注釋語句中說明哪個夾具需要翻轉，朝什么方向翻轉多少度。由機床操作人員按照程序中的說明進行相應的操作，雖然時間長一些，但是可以達到同樣的加工效果。

（2）數控車床刀架

“一把鋼珠＋兩節鏈條＝動力刀架”。一種新型的數控車床動力刀架正是利用以上兩個特點使其價格達到了從未有過的新低。

“一把鋼珠”指珠盤定位機構。在刀架定位應用中，選用直徑更大的鋼珠，以提高刀架的抗振動、耐沖擊性能。與傳統的端面齒盤結構比較，采用珠盤定位的刀架在剛度方面毫不遜色，可完全滿足使用要求；而工藝流程卻更加簡捷順暢，成本大幅度下降。我們把刀盤分度定位功能的實現形象地比喻成 “一把鋼珠”的成本。

“兩節鏈條”是指珠盤卡緊和放松的驅動裝置，采用大節距板式多排鏈板組合。利用正切原理實現了僅用ф63mm的氣缸，工作壓力為5bar的情況下，達到卡緊力30kN，并且在氣壓波動或失壓的情況下具有機械自鎖功能。

目前開發的刀架的中心高為100mm，12個工位，可裝20mm×20mm的刀具，鏜刀座ф32mm，換刀時間1.8s，最大鎖緊力30kN（具有機械自鎖功能），伺服電機扭矩12N·m，刀盤最大轉速45r／min，可選擇訂貨徑向、軸向0°～90°動力頭 （特殊訂貨可選擇其它任意角度），動力頭最高轉速3000r／min，最大輸出扭矩12N·m，最大輸出功率3.7kW，副主軸用反刀工位6工位 （選配），可選擇配置徑向、軸向攻絲功能。

用戶可以選配副主軸用反刀刀盤。當配備雙主軸進行兩端復合切削時，以其相配的反刀刀盤可以方便地從反方向對工件的另外一面進行加工。

由于采用了多項新技術，使得動力頭數控刀架的制造成本大幅度降低，為數控車床的普及和發展奠定了技術基礎和價格優勢。

（3）臥式加工中心分度工作臺

臥式加工中心分度工作臺目前使用的端面齒盤（鼠牙盤）直徑越大，價格越貴，一般情況需要數千元一對，而且對安裝基面和安裝方法要求也比較嚴格，加上其它結構原因，使臥式加工中心的價格據高不下。珠盤定位結構可以方便地應用到臥式加工中心分度工作臺中，替代端面齒盤 （鼠牙盤）定位，降低其制造成本。

5 結語

珠盤定位結構 （已申請專利）可以應用到許多需要分度定位的場合。這種新型定位機構具有精度高、壽命長、強度高、耐振動、抗沖擊、小分度、低成本、少工序、結構靈活、制造快捷、生產方式簡潔、數控和手動操作靈活等特點，將在數控機床分度工作臺 （臥式加工中心的B軸）、數控車床刀架、數控和手動分度卡具等諸多方面顯示出獨有的優勢。