基于Pro/E的交換工作臺(tái)設(shè)計(jì)
——轉(zhuǎn)臺(tái)部件設(shè)計(jì)

云南浩通機(jī)動(dòng)車檢測(cè)有限公司□楊 剛

在柔性生產(chǎn)線中，交換工作臺(tái)是必不可少的部件，其承擔(dān)著攜帶工件進(jìn)行不同工序加工的作用，從而實(shí)現(xiàn)一批次零件多工序定位基準(zhǔn)一致，減少大量裝夾時(shí)間，達(dá)到提高加工精度及生產(chǎn)效率的目的。交換工作臺(tái)裝置按照交換工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方式可分為：移動(dòng)式交換工作臺(tái)裝置和回轉(zhuǎn)式交換工作臺(tái)裝置兩種。本文針對(duì)移動(dòng)式交換工作臺(tái)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)臺(tái)部件，將轉(zhuǎn)臺(tái)作為中間機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的移動(dòng)交換功能。

1 本設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)臺(tái)主要有四個(gè)作用

在柔性生產(chǎn)線中，轉(zhuǎn)臺(tái)作為中間過(guò)渡機(jī)構(gòu)，是交換工作臺(tái)的一個(gè)重要組成部件，它起著承上啟下的作用。其一，支撐工作臺(tái)作用。轉(zhuǎn)臺(tái)是工作臺(tái)直接連接的部件，轉(zhuǎn)臺(tái)承載著工作臺(tái)和工件的重量；其二，固定工作臺(tái)作用。轉(zhuǎn)臺(tái)頂面通過(guò)安裝兩個(gè)定位銷與工作臺(tái)連接，采用“一面兩銷”定位裝置實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)與工作臺(tái)的固定；其三，協(xié)助工作臺(tái)進(jìn)行直線交換運(yùn)動(dòng)，使工作臺(tái)進(jìn)入緩存站、運(yùn)輸小車等；其四，連接齒圈實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)作用。轉(zhuǎn)臺(tái)作為中間構(gòu)件，將齒圈固定于轉(zhuǎn)臺(tái)下部，齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)和工作臺(tái)進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)想

在總設(shè)計(jì)中，使用骨架確定了各部件間的裝配關(guān)系和關(guān)鍵尺寸。轉(zhuǎn)臺(tái)上部與工作臺(tái)配合；轉(zhuǎn)臺(tái)下部為與齒圈和滑座的配合，轉(zhuǎn)臺(tái)中間為與工作臺(tái)主軸配合。所以在轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，要滿足配合要求和實(shí)現(xiàn)功能作用，設(shè)計(jì)關(guān)系如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)流程圖

3 轉(zhuǎn)臺(tái)工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

（1）工作原理

根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)的功用設(shè)計(jì)和連接關(guān)系，其各狀態(tài)下工作原理為：1）固定狀態(tài)時(shí)。使用“一面兩銷”的結(jié)構(gòu)定位，將工作臺(tái)與轉(zhuǎn)臺(tái)固定連接；2）移動(dòng)交換狀態(tài)時(shí)。通過(guò)液壓缸舉升工作臺(tái)，定位銷與工作臺(tái)脫開(kāi)，工作臺(tái)在導(dǎo)軌上進(jìn)行滑動(dòng)，工作臺(tái)與轉(zhuǎn)臺(tái)產(chǎn)生相對(duì)位移；3）通過(guò)與齒圈連接，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

（2）結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

1）支承設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)臺(tái)是工作臺(tái)的直接支撐部件，設(shè)計(jì)時(shí)考慮固定和移動(dòng)功能，結(jié)構(gòu)剛性設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮轉(zhuǎn)臺(tái)的最大承載要求。采用傳統(tǒng)支撐方式接觸面積大，加工困難，難以保證配合精度和受力均勻，所以設(shè)計(jì)幾個(gè)共面的定位面，方便工作臺(tái)的加工和調(diào)整。

2）固定設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)臺(tái)與工作臺(tái)的定位采用“一面兩銷”的工作原理。在轉(zhuǎn)臺(tái)的頂部，需要確定兩個(gè)定位銷的位置，且該位置應(yīng)與工作臺(tái)匹配。

3）直線交換運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)產(chǎn)品調(diào)研和查閱資料，移動(dòng)交換機(jī)構(gòu)采用以下設(shè)計(jì)方案：

在轉(zhuǎn)臺(tái)上以轉(zhuǎn)臺(tái)中心線對(duì)稱分布安裝兩副導(dǎo)軌，用于工作臺(tái)直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向，在導(dǎo)軌上安裝一定數(shù)目的滾輪。導(dǎo)軌安裝在單桿活塞油缸上，油缸安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)頂面。動(dòng)作時(shí)，液壓油通向油缸底部，活塞向上運(yùn)動(dòng)頂起導(dǎo)軌，反方向的運(yùn)動(dòng)則可以依靠卸油、工作臺(tái)和工件的自重來(lái)實(shí)現(xiàn)。工作臺(tái)在固定狀態(tài)時(shí)，滾輪與工作臺(tái)分離；工作臺(tái)在做移動(dòng)交換時(shí)，滾輪與工作臺(tái)做線接觸。

4）回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)原理是：電機(jī)和減速箱固定在滑座上，通過(guò)減速箱輸出軸上的小齒輪與齒圈嚙合，由齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)。為了保證連接的剛性和傳動(dòng)穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)臺(tái)與齒圈的配合時(shí)，可以將轉(zhuǎn)臺(tái)的底部設(shè)計(jì)為一個(gè)與齒圈大小相適應(yīng)的圓形凸臺(tái)。這樣既保證了配合要求，又減輕了轉(zhuǎn)臺(tái)的重量，節(jié)省了材料。

4 轉(zhuǎn)臺(tái)骨架設(shè)計(jì)

（1）骨架建立

本設(shè)計(jì)方案采用Pro/E中的Top-Down設(shè)計(jì)思想，即自頂向下設(shè)計(jì)，將轉(zhuǎn)臺(tái)部件總裝的約束條件通過(guò)子骨架逐級(jí)進(jìn)行子組件、零件的傳遞，使轉(zhuǎn)臺(tái)的參數(shù)設(shè)計(jì)在各級(jí)層設(shè)計(jì)中得到精確的擴(kuò)展，其他零件的設(shè)計(jì)都應(yīng)在該子骨架下完成。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，當(dāng)尺寸發(fā)生修改時(shí)，在元件之間建立起關(guān)系并節(jié)省修改調(diào)整時(shí)間。這使得轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠隨時(shí)滿足工作臺(tái)的需要，又能在更改轉(zhuǎn)臺(tái)尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，使得其他組件的結(jié)構(gòu)尺寸能夠合理的更改，為零部件的設(shè)計(jì)節(jié)省了很大的精力。

（2）子骨架模型建立過(guò)程

轉(zhuǎn)臺(tái)的總骨架是交換工作臺(tái)骨架發(fā)布幾何的復(fù)制，在該骨架中建立各零件子骨架。轉(zhuǎn)臺(tái)零件子骨架建立的主要步驟如下：

第一步：在轉(zhuǎn)臺(tái)骨架中創(chuàng)建所需零件的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)坐標(biāo)系和基準(zhǔn)面；

第二步：細(xì)化設(shè)計(jì)子系統(tǒng)骨架控制的約束條件，創(chuàng)建發(fā)布幾何，根據(jù)不同功能分別創(chuàng)建，按發(fā)布對(duì)象的去向進(jìn)行規(guī)范命名，關(guān)鍵的特征要規(guī)范命名。

第三步：打開(kāi)轉(zhuǎn)臺(tái)件骨架，然后在該骨架里復(fù)制上述發(fā)布的幾何，并在該骨架下來(lái)完成轉(zhuǎn)臺(tái)零件的設(shè)計(jì)繪制。

5 轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)

（1）轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)中有五個(gè)主要設(shè)計(jì)部分，分別是中心孔、兩個(gè)定位銷孔、六個(gè)油缸孔和筋條的布局。根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)工作原理和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，轉(zhuǎn)臺(tái)總體布局為四方體，下部為圓形凸臺(tái)與齒圈配合，中間孔系與工作臺(tái)主軸配合，頂部要留有油缸、油管和導(dǎo)軌的安裝空間。

1）中心孔設(shè)計(jì)

中心孔主要與主軸配合，根據(jù)配合關(guān)系，其結(jié)構(gòu)特征和尺寸需要考慮以下因素：a）分油軸配合尺寸與安裝固定孔；b）與主軸軸套的配合尺寸。

2）定位銷孔設(shè)計(jì)

交換工作臺(tái)中用的定位銷是液壓組合式定位銷，用于連接工作臺(tái)與轉(zhuǎn)臺(tái)。此處定位銷孔用于裝配定位銷，其大小為定位銷大尺寸。定位銷孔尺寸為半徑35mm，兩定位銷孔中心距離為1000mm，位于與中心孔同向的縱向上，兩個(gè)定位銷安裝孔處留有直徑165mm的螺釘安裝臺(tái)階。

3）油缸孔設(shè)計(jì)

油缸作為工作臺(tái)的支撐，其特征尺寸須根據(jù)選用的油缸安裝尺寸確定，同時(shí)在布置油缸時(shí)，須進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)承載狀態(tài)下的受力分析。根據(jù)上述條件，結(jié)合骨架約束，確定轉(zhuǎn)臺(tái)頂部九個(gè)孔的布局。

（2）導(dǎo)軌設(shè)計(jì)

導(dǎo)軌是一種金屬或其它材料制成的槽或脊，可承受、固定、引導(dǎo)移動(dòng)裝置或設(shè)備并減少其摩擦的一種裝置。本設(shè)計(jì)中導(dǎo)軌根據(jù)設(shè)計(jì)要求和交換工作臺(tái)的工作原理，選用滾輪導(dǎo)軌。工作臺(tái)在固定時(shí)，導(dǎo)軌頂面不能與工作臺(tái)接觸，而是以油缸頂面作為工作臺(tái)的支承面；工作臺(tái)做移動(dòng)交換作用時(shí)，導(dǎo)軌對(duì)工作臺(tái)的移動(dòng)起導(dǎo)向作用，導(dǎo)軌上的滾輪與工作臺(tái)做線接觸，使得工作臺(tái)能夠移動(dòng)。

導(dǎo)軌組件的主要零件為滾輪和偏心軸，滾輪在工作臺(tái)交換時(shí)起承載和減小摩擦力的作用，設(shè)計(jì)或選用滾輪時(shí)要查驗(yàn)滾輪的承重參數(shù)。滾輪結(jié)構(gòu)如圖2所示。偏心軸用于滾輪安裝時(shí)滾子的高度調(diào)整，能夠自動(dòng)補(bǔ)償誤差引起的偏心量，保證了工作臺(tái)移動(dòng)時(shí)的平穩(wěn)性。本設(shè)計(jì)中，因要求一條導(dǎo)軌上所有滾輪組件與導(dǎo)軌面高度差保持一致，公差范圍在0.04mm以內(nèi)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 滾輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖3 偏心軸設(shè)計(jì)圖

1）滾輪與偏心軸的配合計(jì)算

根據(jù)滾輪和偏心軸的工作原理，二者的配合為間隙配合，滾輪在偏心軸上滾動(dòng)，滾輪內(nèi)圈與偏心軸無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，取配合間隙在0mm~0.04mm的范圍內(nèi)。

①選擇基準(zhǔn)制

根據(jù)配合制選用的原則，一般情況下應(yīng)優(yōu)先選用基孔制，基本偏差代號(hào)為H。

②確定滾輪、偏心軸的公差等級(jí)，由工作條件可知，滾輪與偏心軸的結(jié)合為間隙配合，其允許的配合公差見(jiàn)式（1）。

因?yàn)門f=Th+Ts=0.04mm，取孔與軸為同級(jí)配合，則結(jié)果見(jiàn)式（2）。

根據(jù)公差查表，基本尺寸為20mm，該尺寸在18mm~30mm范圍內(nèi)，0.02mm介于IT6=0.013mm與IT7=0.021mm公差等級(jí)范圍內(nèi)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求孔比軸低一級(jí)的配合，取滾輪的公差等級(jí)為IT7，偏心軸的公差等級(jí)為IT6。見(jiàn)式 （3）。

IT6+IT7=0.013mm+0.021mm=0.034mm≤Tf（3）

③確定偏心軸（軸）的基本偏差代號(hào)

由于采用的是基孔制配合，所以孔的基本偏差代號(hào)為H7，孔的基本偏差為EI=0，孔的另一個(gè)極限偏差為ES=EI+IT7=（0+0.021）mm=0.021mm。

因?yàn)闈L輪的公差等級(jí)為IT7，公差的數(shù)值比較大，將偏心軸的公差代號(hào)選用為基軸制h，偏心軸的基本偏差代號(hào)為h6，基本偏差為es=0，另一個(gè)極限偏差為ei=es-IT6=0mm-0.013mm=0.013mm。

④選擇的配合

見(jiàn)式（4）。

⑤驗(yàn)算

見(jiàn)式（5）、式（6）。

因此，滿足配合間隙0mm~0.04mm的范圍內(nèi)要求。

2）導(dǎo)軌設(shè)計(jì)

導(dǎo)軌尺寸應(yīng)與轉(zhuǎn)臺(tái)尺寸對(duì)應(yīng)，長(zhǎng)度取

1000mm；根據(jù)支承強(qiáng)度與滾輪安裝高度要求，高度取68mm。為了保證工作臺(tái)的平面精度，導(dǎo)軌與工作臺(tái)連接采用T形槽連接。滾輪對(duì)稱分布在活塞桿兩側(cè)，應(yīng)保證各安裝孔壁厚和工作時(shí)無(wú)干涉現(xiàn)象。安裝時(shí)，調(diào)整偏心軸，使?jié)L輪頂部高出導(dǎo)軌頂面1mm，保證交換時(shí)，工作臺(tái)與導(dǎo)軌為線接觸。

6 轉(zhuǎn)臺(tái)部件裝配

轉(zhuǎn)臺(tái)部件裝配圖如如圖4所示：

圖4 轉(zhuǎn)臺(tái)裝配圖

應(yīng)用Pro/E完成所需零件的設(shè)計(jì)、裝配，最終完成轉(zhuǎn)臺(tái)部件的設(shè)計(jì)。進(jìn)行組件裝配時(shí)，僅需將轉(zhuǎn)臺(tái)各零件通過(guò)骨架坐標(biāo)系裝配導(dǎo)入轉(zhuǎn)臺(tái)組件中，點(diǎn)擊裝配命令，選取相關(guān)具有配合關(guān)系的零件，使用兩組坐標(biāo)系匹配即可完成零件三維模型裝配。