基于Pro/E的交換工作臺設(shè)計
——轉(zhuǎn)臺部件設(shè)計

云南浩通機動車檢測有限公司□楊 剛

在柔性生產(chǎn)線中，交換工作臺是必不可少的部件，其承擔(dān)著攜帶工件進行不同工序加工的作用，從而實現(xiàn)一批次零件多工序定位基準一致，減少大量裝夾時間，達到提高加工精度及生產(chǎn)效率的目的。交換工作臺裝置按照交換工作臺的運動方式可分為：移動式交換工作臺裝置和回轉(zhuǎn)式交換工作臺裝置兩種。本文針對移動式交換工作臺設(shè)計轉(zhuǎn)臺部件，將轉(zhuǎn)臺作為中間機構(gòu)，實現(xiàn)工作臺的移動交換功能。

1 本設(shè)計中轉(zhuǎn)臺主要有四個作用

在柔性生產(chǎn)線中，轉(zhuǎn)臺作為中間過渡機構(gòu)，是交換工作臺的一個重要組成部件，它起著承上啟下的作用。其一，支撐工作臺作用。轉(zhuǎn)臺是工作臺直接連接的部件，轉(zhuǎn)臺承載著工作臺和工件的重量；其二，固定工作臺作用。轉(zhuǎn)臺頂面通過安裝兩個定位銷與工作臺連接，采用“一面兩銷”定位裝置實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺與工作臺的固定；其三，協(xié)助工作臺進行直線交換運動，使工作臺進入緩存站、運輸小車等；其四，連接齒圈實現(xiàn)工作臺回轉(zhuǎn)作用。轉(zhuǎn)臺作為中間構(gòu)件，將齒圈固定于轉(zhuǎn)臺下部，齒圈轉(zhuǎn)動時可帶動轉(zhuǎn)臺和工作臺進行回轉(zhuǎn)運動。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)想

在總設(shè)計中，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)臺上部與工作臺配合；轉(zhuǎn)臺下部為與齒圈和滑座的配合，轉(zhuǎn)臺中間為與工作臺主軸配合。所以在轉(zhuǎn)臺設(shè)計時，要滿足配合要求和實現(xiàn)功能作用，設(shè)計關(guān)系如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)臺設(shè)計流程圖

3 轉(zhuǎn)臺工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

（1）工作原理

根據(jù)轉(zhuǎn)臺的功用設(shè)計和連接關(guān)系，其各狀態(tài)下工作原理為：1）固定狀態(tài)時。使用“一面兩銷”的結(jié)構(gòu)定位，將工作臺與轉(zhuǎn)臺固定連接；2）移動交換狀態(tài)時。通過液壓缸舉升工作臺，定位銷與工作臺脫開，工作臺在導(dǎo)軌上進行滑動，工作臺與轉(zhuǎn)臺產(chǎn)生相對位移；3）通過與齒圈連接，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。

（2）結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

1）支承設(shè)計

轉(zhuǎn)臺是工作臺的直接支撐部件，設(shè)計時考慮固定和移動功能，結(jié)構(gòu)剛性設(shè)計時應(yīng)充分考慮轉(zhuǎn)臺的最大承載要求。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)計幾個共面的定位面，方便工作臺的加工和調(diào)整。

2）固定設(shè)計

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

3）直線交換運動機構(gòu)設(shè)計

經(jīng)過產(chǎn)品調(diào)研和查閱資料，移動交換機構(gòu)采用以下設(shè)計方案：

在轉(zhuǎn)臺上以轉(zhuǎn)臺中心線對稱分布安裝兩副導(dǎo)軌，用于工作臺直線運動導(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)臺頂面。動作時，液壓油通向油缸底部，活塞向上運動頂起導(dǎo)軌，反方向的運動則可以依靠卸油、工作臺和工件的自重來實現(xiàn)。工作臺在固定狀態(tài)時，滾輪與工作臺分離；工作臺在做移動交換時，滾輪與工作臺做線接觸。

4）回轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計

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

4 轉(zhuǎn)臺骨架設(shè)計

（1）骨架建立

本設(shè)計方案采用Pro/E中的Top-Down設(shè)計思想，即自頂向下設(shè)計，將轉(zhuǎn)臺部件總裝的約束條件通過子骨架逐級進行子組件、零件的傳遞，使轉(zhuǎn)臺的參數(shù)設(shè)計在各級層設(shè)計中得到精確的擴展，其他零件的設(shè)計都應(yīng)在該子骨架下完成。在設(shè)計過程中，當尺寸發(fā)生修改時，在元件之間建立起關(guān)系并節(jié)省修改調(diào)整時間。這使得轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠隨時滿足工作臺的需要，又能在更改轉(zhuǎn)臺尺寸設(shè)計時，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)計節(jié)省了很大的精力。

（2）子骨架模型建立過程

轉(zhuǎn)臺的總骨架是交換工作臺骨架發(fā)布幾何的復(fù)制，在該骨架中建立各零件子骨架。轉(zhuǎn)臺零件子骨架建立的主要步驟如下：

第一步：在轉(zhuǎn)臺骨架中創(chuàng)建所需零件的設(shè)計基準坐標系和基準面；

第二步：細化設(shè)計子系統(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)布對象的去向進行規(guī)范命名，關(guān)鍵的特征要規(guī)范命名。

第三步：打開轉(zhuǎn)臺件骨架，然后在該骨架里復(fù)制上述發(fā)布的幾何，并在該骨架下來完成轉(zhuǎn)臺零件的設(shè)計繪制。

5 轉(zhuǎn)臺設(shè)計

（1）轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)

轉(zhuǎn)臺設(shè)計中有五個主要設(shè)計部分，分別是中心孔、兩個定位銷孔、六個油缸孔和筋條的布局。根據(jù)轉(zhuǎn)臺工作原理和機構(gòu)設(shè)計方案，轉(zhuǎn)臺總體布局為四方體，下部為圓形凸臺與齒圈配合，中間孔系與工作臺主軸配合，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

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

交換工作臺中用的定位銷是液壓組合式定位銷，用于連接工作臺與轉(zhuǎn)臺。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，兩個定位銷安裝孔處留有直徑165mm的螺釘安裝臺階。

3）油缸孔設(shè)計

油缸作為工作臺的支撐，其特征尺寸須根據(jù)選用的油缸安裝尺寸確定，同時在布置油缸時，須進行轉(zhuǎn)臺承載狀態(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)臺頂部九個孔的布局。

（2）導(dǎo)軌設(shè)計

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)移動裝置或設(shè)備并減少其摩擦的一種裝置。本設(shè)計中導(dǎo)軌根據(jù)設(shè)計要求和交換工作臺的工作原理，選用滾輪導(dǎo)軌。工作臺在固定時，導(dǎo)軌頂面不能與工作臺接觸，而是以油缸頂面作為工作臺的支承面；工作臺做移動交換作用時，導(dǎo)軌對工作臺的移動起導(dǎo)向作用，導(dǎo)軌上的滾輪與工作臺做線接觸，使得工作臺能夠移動。

導(dǎo)軌組件的主要零件為滾輪和偏心軸，滾輪在工作臺交換時起承載和減小摩擦力的作用，設(shè)計或選用滾輪時要查驗滾輪的承重參數(shù)。滾輪結(jié)構(gòu)如圖2所示。偏心軸用于滾輪安裝時滾子的高度調(diào)整，能夠自動補償誤差引起的偏心量，保證了工作臺移動時的平穩(wěn)性。本設(shè)計中，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)簡圖

圖3 偏心軸設(shè)計圖

1）滾輪與偏心軸的配合計算

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，滾輪內(nèi)圈與偏心軸無相對滑動，取配合間隙在0mm~0.04mm的范圍內(nèi)。

①選擇基準制

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，基本偏差代號為H。

②確定滾輪、偏心軸的公差等級，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式（1）。

因為Tf=Th+Ts=0.04mm，取孔與軸為同級配合，則結(jié)果見式（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公差等級范圍內(nèi)，國家標準要求孔比軸低一級的配合，取滾輪的公差等級為IT7，偏心軸的公差等級為IT6。見式 （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

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

因為滾輪的公差等級為IT7，公差的數(shù)值比較大，將偏心軸的公差代號選用為基軸制h，偏心軸的基本偏差代號為h6，基本偏差為es=0，另一個極限偏差為ei=es-IT6=0mm-0.013mm=0.013mm。

④選擇的配合

見式（4）。

⑤驗算

見式（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

導(dǎo)軌尺寸應(yīng)與轉(zhuǎn)臺尺寸對應(yīng)，長度取

1000mm；根據(jù)支承強度與滾輪安裝高度要求，高度取68mm。為了保證工作臺的平面精度，導(dǎo)軌與工作臺連接采用T形槽連接。滾輪對稱分布在活塞桿兩側(cè)，應(yīng)保證各安裝孔壁厚和工作時無干涉現(xiàn)象。安裝時，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，工作臺與導(dǎo)軌為線接觸。

6 轉(zhuǎn)臺部件裝配

轉(zhuǎn)臺部件裝配圖如如圖4所示：

圖4 轉(zhuǎn)臺裝配圖

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