數控臥式車床床頭箱翻轉工裝設計應用

張東濤

（寶雞機床集團有限公司，陜西 寶雞721000）

0 引言

在臥式車床生產中，床頭箱組裝一直是保證機床精度的關鍵。傳統的組裝方案費時費力，精度檢測難，并且存在安全隱患，現使用床頭箱翻轉工裝代替人工對床頭箱進行水平、豎直方向的翻轉，使用時只需進行一次水平裝夾就能使零件在工裝上進行各個工位的翻轉。

手工組裝床頭箱時，需要找到專用的支架先將床頭箱人工翻轉90°放置于支架上面，然后將主軸等其余零件逐一安裝，組裝時由于受沖擊，在安裝的過程中很可能導致床頭箱翻倒，造成安全事故，并且組裝完成后需人工利用行車對總成再進行翻轉至水平狀態，由于總成自重比較大，稍有不慎，人工翻轉時就會造成磕碰，導致嚴重影響機床主軸精度，因此床頭箱翻轉工裝的作用不可替代。

1 傳統組裝方案

床頭箱與主軸的傳統組裝工藝分為平裝和豎裝兩種裝配方法，這兩種裝配的方法的優缺點如下：

1）平裝法。是將床頭箱水平放置進行主軸、主軸軸承的裝配，這種方法操作簡便，但受主軸和主軸軸承自身重力影響，會對裝配精度帶來影響，且不能使用熱脹組裝工藝方法，所以一般不采用此方法。

2）豎直裝配法。這種方法先將床頭箱翻轉90°放置于支架上，再進行主軸及軸承裝配，裝配完成后檢查完精度，再將總成人工翻轉至水平方向，這種裝配方法組裝精度高，易于檢驗；但翻轉時操作要求高，效率低，在翻轉過程中容易造成安全隱患，且在翻轉過程中不小心產生磕碰就會造成床頭箱總成精度喪失，需返工進行二次檢查重裝。

2 方案由來及結構設計

2.1 方案由來

為了解決傳統組裝存在的問題，公司專門立項解決這一問題，旨在設計一種能夠快速地將床頭箱由水平狀態翻轉至豎直狀態進行組裝，組裝及檢驗完成后又能安全快速地將總成翻轉至水平狀態，避免人工翻轉時的不安全因素及造成不必要返修的工裝。經過多方面查找資料、構思，最終確定了這款床頭箱組裝專用翻轉工裝；目的在于只需將床頭箱經過一次連接，固定在翻轉工裝上，通過工裝翻轉進行床頭箱水平到豎直方向的翻轉及組裝，組裝完成后再反向翻轉至水平位置。就能有效解決傳統組裝存在的問題，從而提高組裝效率。

2.2 設計思路

由于床頭箱體要在工裝上進行水平、豎直翻轉，因此工裝確定基于秋千原理，將床頭箱繞中心軸通過工裝進行回轉,原理如圖1所示。經過大量分析計算得出，由于床頭箱體質量較大會產生較大的轉矩，以圖1這種結構需要很大的轉矩輸入才能將床頭箱翻轉豎直位置，人工很難將其翻轉，要想減小旋轉轉矩，就須將工件的重心無限接近回轉軸的回轉中心，但由于床頭箱外形會與回轉軸干涉，最終將結構設計成兩段支撐的結構，如圖2所示，這種結構可以自由給定工件重心與回轉軸回轉中心間的距離，合理地控制回轉時所需輸入的轉矩。

圖1 翻轉構思圖

圖2 翻轉原理圖

此次工裝設計需對7種床頭箱進行翻轉，集成性較高，需選取最佳工件重心與回轉中心距，通過對7種床頭箱重心高度對比，選取回轉中心距床頭箱安裝平面距離為250 mm（即回轉軸中心高度），然后將7種床頭箱模型分別放置在工裝模型上，利用三維模擬軟件，測量出每個床頭箱距回轉中心距離及重心水平方向上距回轉中心的距離，得出表1數據，以床頭箱裝在工裝上翻轉至90°時（90°時達到最大力矩）作為計算基礎，進行力矩計算。床頭箱翻轉至90°時，產生的力臂為床頭箱重心距工裝中心高差和床頭箱重心水平方向距回轉中心距離的合成力矩，根據三角形定理，參照圖3計算出每件床頭箱在工裝上回轉至90°方位時的力臂。最后根據力矩計算公式：M=FL[1]，計算出每件床頭箱利用工裝回轉時所需的最大力矩，同時這也是使用工裝翻轉每件床頭箱時所需的最大轉矩（見表1），由表1數據為基礎展開設計表中7種機型翻轉工裝。通過對比及數據分析選取力矩值最大的一組（即床頭箱一）作為基礎進行分析、設計。

表1 力矩計算表

圖3 力臂關系圖

2.3 工裝結構方案確定

根據以上分析得出工裝的方案：工裝分為支撐部分、回轉部分、動力輸入部分。

1）支撐部分。根據三角穩定原理，采用方型鋼管焊接成三角形，為了與回轉機構連接，支架體上部焊接平鋼板作為回轉體螺母支撐面；支架體分回轉工裝支架和動力輸入機構支架，支架兩端各焊接帶孔方形凸臺為鎖緊機構支架。

2）回轉部分（如圖4）。其原理為：通過螺釘和圓柱銷將底座與兩端支承軸法蘭面連接（如圖4中B-B視圖），再將支承軸與螺母座通過軸承（單邊各兩盤）連接，這樣固定螺母座后，回轉體就可以由支承軸帶動作任意回轉。

3）動力輸入部分。根據計算所得，翻轉工裝工作時需要最大轉矩為588.93 N·m，根據人體力學分析，人體自身無法直接通過工裝將床頭箱翻轉，因此需加載一臺減速機（如圖7所示），減輕翻轉時的人力輸入，再配備大直徑的手輪10人力可以輕松地完成翻轉動作。

2.4 核心零部件選取

2.4.1 支承軸結構設計及選取

圖4 回轉體示意圖

圖5 輸入軸結構示意圖

另一端軸結構如圖6所示，也設計成為臺階軸結構，但此處軸只作為支撐軸，其各部分作用為：φ65h6為軸承安裝圓，2.7槽為卡簧槽，與肩面一起限制軸承沿軸向自由度，φ75為與圖4底座配合臺階，φ130外圓為法蘭，在法蘭面上鉆8×φ13/φ20沉孔及2×錐銷孔φ10，將軸與圖4底座通過螺釘、錐銷連接。

2.4.2 軸承的選取

圖6 支承軸示意圖

圖7 翻轉工裝結構示意圖

根據工裝的使用原理，理論上來說，工裝運轉時不受軸向力，且回轉精度要求不高，選擇深溝球軸承就能滿足使用要求；但由于長時間實際使用，可能會導致兩端支撐軸發生輕微彎曲變形，變形后會導致軸承承受軸向力，為了保險起見，本次設計選取角接觸球軸承，該軸承能夠同時承受徑向載荷和軸向載荷，單列角接觸球軸承只能承受一個方向的軸向載荷，在承受徑向載荷時，將引起附加軸向力，因此本次采用成對組合安裝，兩支撐段分別裝兩個軸承，以DB方式安裝，這樣既可避免引起附加軸向力，而其可以在兩個方向使軸限制在軸向游隙范圍內。

2.4.3 減速機的選取

如上文所述，人體自身無法直接通過工裝將床頭箱翻轉，因此需加載一臺減速機，減輕翻轉時的人力輸入，為了安全起見，此處所選的減速機必須帶有自鎖功能，當翻轉到一定角度后，必須停止在當前位置，不能反轉，否則容易發生安全事故，最終經過對比分析，此處選擇一臺減速比為1:100的蝸輪蝸桿減速機，再配備大直徑的手輪10人力可以輕松地完成翻轉動作，為了安全及延長減速機壽命，工裝上設計機械鎖定結構（如圖7），完成翻轉后將鎖緊銷插入孔中即可，這樣既增加了安全系數，又可減少組裝時沖擊對減速機造成的損壞。

3 工作原理

如圖7所示，裝夾工件前須檢查工裝是否完好。裝夾時，將工裝底座2調至水平位置，并用鎖緊銷23鎖緊，防止裝夾零件時發生轉動；再將零件用吊具吊至連接板8上用螺釘將床頭箱體與連接板固定，然后用上、下各兩處的螺釘16將零件頂緊，此時零件與工裝裝夾完成。工裝翻轉時，人工順時針轉動波紋手輪11，通過減速機9傳遞帶動底座繞兩處支撐軸7做回轉運動，當底座翻轉至90°時，利用鎖緊銷將工裝鎖緊然后進行主軸與床頭箱體的裝配。完成主軸箱裝配及精度檢測后，拔掉鎖緊銷，逆時針轉動波紋手輪至水平方位，再用鎖緊銷鎖緊工裝，拆除連接螺釘，利用吊具將床頭箱總成吊離工裝。此時，一次完整的床頭箱裝配檢驗過程完成。

4 結語

通過使用翻轉工裝進行床頭箱體部件裝配，證明了該翻轉工裝大大提高了裝配效率、降低人工勞動強度，增加了操作的安全性，更重要的是該工裝有效解決了床頭箱體裝配過程的精度檢測問題，對主軸與床頭箱裝配過程的產品質量提供了保證措施。

該工裝的設計為以后的工裝夾具設計提供了一種新的思路，通過簡易的設計結構，有效實現了系列產品床頭箱體翻轉的高集成裝配，為后續工裝夾具的設計提供了全新的參考。

該工裝可廣泛應用于生產車間，為更高效地服務于生產，目前正在設計一款電動翻轉工裝，用電動機代替原有的人力手搖提供動力的機構，利用電動機帶動減速機轉動替代人工手搖轉動，達到更加高效省力的效果。