气动三轴等分式分度头设计.doc

攀枝花学院本科毕业设计

气动三轴等分式分度头设计

学生姓名： 王 鹏 飞
学生学号： 201010601174
院（系）： 机械工程学院
年级专业： 2010级机械设计及其自动化四班
指导教师： 姚必强 教授

二〇一四年五月

攀枝花本科毕业设计（论文） 摘 要

摘要

本文介绍了将普通万能分度头改造为气动的等分式三主轴分度头。从理论上分析了该设计方案用做加工工件时的定位精度，并在实践中得到证实。详细阐述了用一种自动分度器代替万能分度头来实现等分分度的全过程及其工艺方案。而且从以前的万能分度头的单主轴变成三主轴同时分度。整个过程部分需要人工参与，直到一个工件加过完毕后，人工停机。自动循环过程采用了PLC控制，使得机-电气联动控制有机地相结合，操作简单方便，通用性强，分度速度快、精度高，大大降低了劳动强度、提高了生产效率，为在铣床或者数控机床上完成工件加工成型过程创造了一种自动化的条件。

关键词 等分式分度，自动分度器，气压控制，PLC，自动化

I

攀枝花本科毕业设计（论文） Abstract

Abstract

This paper introduces the transform ordinary universal dividing head for pneumatic fraction three axis dividing head, etc. The design scheme is analyzed theoretically the position precision when used for machining, and verified in practice. Elaborated with an automatic protractor instead of universal dividing head to implement etc. During the process of dividing and its process. And from the previous universal dividing head single spindle spindle and dividing into three. The entire process takes some artificial participation, until after an artifact and finished, artificial downtime. Automatic cycle process adopted PLC control, making the machine - electropneumatic control organically unifies, simple and convenient operation, strong commonality, indexing speed, high precision, greatly reduces the labor intensity, improve the production efficiency, for complete artifacts on milling machine or numerical control machine processing molding process conditions created a automation.

Keywords such as fractional indexing, automatic protractor, pressure control, PLC, automation

攀枝花本科毕业设计（论文） 目录

目录
摘要 I
Abstract II
1 绪论 1
1.1工程背景和意义 1
1.2花键加工工艺的发展现状和趋势 2
1.3 设计本课题的内容和方法 3
1.3.1设计的内容 3
1.3.2设计的方法 4
2 气动三轴等分式分度头气动分度原理设计 5
2.1 分度装置结构方案设计及其计算 5
2.1.1分度装置原理分析 5
2.1.2 集成式液压马达分度装置分析 7
2.1.3 液压油缸分度装置分析 8
2.1.4 蜗轮-蜗杆分度装置分析 8
2.1.5 电动刀架用作分度机构的原理分析 9
2.1.6 气动分度装置结构原理设计分析 10
2.2 分度方案的确认 11
3 气动等分式三轴分度头三轴结构设计 13
3.1 普通分度头结构 13
3.1.1 普通分度头结构 13
3.2 气动三轴分度三主轴结构方案 14
3.3 零件结构设计 15
3.3.1主轴设计 15
3.3.2 齿轮的设计 15
4 控制系统的方案设计与分析 18
4.1控制系统分析 18
4.1.1 继电——接触器控制系统分析 18
4.1.2 微机控制系统分析 18
4.1.3 PLC控制系统分析 18
4.2 控制系统的特点分析 19
5 气压系统设计 20
5.1气压系统的要求与设计计算 20
5.1.1气压系统的要求 20
5.1.2气压系统的设计计算 20
6 控制系统设计 25
6.1 工艺条件和控制要求 25
6.2 用户输入/输出设备 25
6.3 PLC的选用及其电气控制元件的主参数设计 25
6.4 输入程序并联机调试 27
6.5 本章小结 27
结论 28
致 谢 29
参考文献 30

攀枝花本科毕业设计（论文） 1 绪论

1 绪论

1.1工程背景和意义
目前许多周转性工件如花键是机械制造业中的关键传动零部件和机械要素，其制造工艺水平和产品质量直接影响各类机械的总成质量。我国目前有成批花键产品加工能力的饥饿机械厂约1000余家，其中大中型企业（职工人数500人以上）占半数以上。这些企业分属航空、航天、兵器、船舶、电子、纺织、石化、交通、铁道、轻工、汽车、摩托车、工程机械、冶金矿山、机床、工具、仪器、仪表、建筑机械、通用机械、起重运输机械、农机、印刷等几十个行业。这些企业行政隶属关系复杂，但是花键的制造技术和装备又具有极大的共性。
通常外花键材料为40Cr，要求心部硬度要求为HRC28～32，花键齿表面硬度要求为HRC48～55，结合零件的尺寸精度和形状位置精度要求，确定该零件的加工工艺流程。按照外花键大径磨削加工工艺方案，花键齿部高频感应淬火后对外花键大径进行磨削，以确保花键大径的尺寸、形状和位置精度，由于花键齿部采用高频感应淬火的热处理方式变形量较小，因此，在确定磨削余量时可以不考虑尺寸变形情况，仅考虑有足够的磨量即可。一般情况下，在采用花键轴铣床加工外花键时，花键小径、键侧直接加工到设计尺寸，花键大径单边留有0.15～0.2mm 的磨削余量即可。在长期的生产过程中，有关花键的成型工艺一直是采用粗车后在X62 W 和X52K 铣床上进行铣削加工。如加工六齿或八齿的花键轴，采用的是下面的工序过程来完成花键轴的齿形加工。装在万能分+度头上的三爪卡盘夹持工件一端，手用顶尖顶住另一端，铣削一齿，退刀后松开顶尖(消除蜗轮的轴向力)，手工分度，再顶紧，如此循环六次或八次。这种加工方式具有以下特点:
第一，加工工序时间长，如某厂花键传统铣削外径32.5 加工长度为106mm单件大约需要1 分15 秒。
第二，齿内纤维不连续，键齿强度比冷挤压加工差，但设备成本较低。
第三，分度精度主要由分度头的精度决定。依靠计算分度手柄转过圈数确定分度值，工人在操作时，如出现计算错误，直接产生不可修复的废品。
第四，工人劳动强度大，效率低下。成批生产中，工人为追求产量，常常会在分度之前忽略松开顶尖的步骤，分度时旋转的蜗轮承受轴向力，加剧分度头蜗轮-蜗杆副的磨损，分度头的精度下降快，寿命短(实际生产中为3～5个月)。

1.2花键加工工艺的发展现状和趋势
花键制造技术复杂，制造装备精度高，价格昂贵，是机床中最复杂、最贵重的设备。在机床总台数中齿轮螺纹花键机床的数量虽只占到4%，但其投资额则要占到10%以上，因此了解该类机床及其加工方式的发展趋势，对设计花键成型专用机床或是工艺装备具有很大的指导意义。
机床的发展是以制造技术的发展为前提的。花键在机械产品上的应用范围总的趋势是在减少，其原因是数控技术的广泛应用和内装式电机的技术成熟，使行业内采用的齿轮件越来越少，与齿轮配套使用的花键的数量也相应在减少。花键制造业作为常规的机械行业有正在被高新技术所逐渐取代的趋势，它的应用领域日益缩少。因此如何降低花键制造的成本，提高花键生产的效率，是当今花键制造者首先应该考虑的问题。今后半个世纪花键的应用从世界范围看将逐渐减少，但不会消亡，对于中国这样的发展中国家花键的需求量，特别是农用机械上的花键还将有适度增长。就花键成型而言，目前主要的成型方式主要有以下几种方式:
花键冷滚轧工艺:目前国内外采用的一种先进的花键冷成型加工方法，与传统切削加工相比，花键的产品性能提高了3个等级精度，原材料节省10%，效率比滚齿工艺提高30倍(每件约15～20 秒)，工件承载能力比切削件提高40%，粗糙度达Ra0.4 以下。实践应用表明，其运行状态、承载能力、配合精度、耐磨性能和噪音均达到国际同类产品水平。但加工直径小，成本较高。
花键制造技术复杂，制造装备精度高，价格昂贵，是机床中最复杂、最贵重的设备。在机床总台数中齿轮螺纹花键机床的数量虽只占到4%，但其投资额则要占到10%以上，因此了解该类机床及其加工方式的发展趋势，对设计花键成型专用机床或是工艺装备具有很大的指导意义。
机床的发展是以制造技术的发展为前提的。花键在机械产品上的应用范围总的趋势是在减少，其原因是数控技术的广泛应用和内装式电机的技术成熟，使行业内采用的齿轮件越来越少，与齿轮配套使用的花键的数量也相应在减少。花键制造业作为常规的机械行业有正在被高新技术所逐渐取代的趋势，它的应用领域日益缩少。因此如何降低花键制造的成本，提高花键生产的效率，是当今花键制造者首先应该考虑的问题。今后半个世纪花键的应用从世界范围看将逐渐减少，但不会消亡，对于中国这样的发展中国家花键的需求量，特别是农用机械上的花键还将有适度增长。就花键成型而言，目前主要的成型方式主要有以下几种方式:
花键冷滚轧工艺:目前国内外采用的一种先进的花键冷成型加工方法，与传统切削加工相比，花键的产品性能提高了3个等级精度，原材料节省10%，效率比滚齿工艺提高30 倍(每件约15～20 秒)，工件承载能力比切削件提高40%，粗糙度达Ra0.4 以下。实践应用表明，其运行状态、承载能力、配合精度、耐磨性能和噪音均达到国际同类产品水平。但加工直径小，成本较高。
公司采用C6 和C9 系列冷轧机轧制同M≤3.5 的齿轮和花键轴，并可轧制斜齿轮。更换程序时间0.5min，更换轧头时间3min，更换夹具时间2min到10min。由于调整时间短，即使是20～30 件的小批量生产也是十分经济的。C6 和C9 的改进型12/14NC 和KRM 12/14NC 具有更高的生产效率、精度及可调性。可用于轧制从棒料到有内外齿的自动变速箱离合器罩壳的全过程。轧制X320 的这个零件只需1.5 min/件。用ZSM10 轧机可在25 秒内将薄壁管轧制成转向器的高精度齿条。
实体磨削:公司的CNC 磨床采用电镀或陶瓷结合剂CBN 成形砂轮，从棒料上直接磨制出花键轴、汽轮机叶片根部或其他型面。公司的HNC35S 蜗杆磨床可从棒料上直接用砂轮强力磨出螺纹或蜗杆。
磨--珩联合工艺：公司的RZF 环面蜗杆砂轮成形磨削一外珩工艺联线，可在1.5 min/件左右时间里磨出五级精度的低噪声齿轮，每台RZF的年生产率可达15 万件齿轮，特别适用于轿车变速箱齿轮。
车铣中心:公司的TNC42DGY 八轴车铣中心和WFL 公司的Mill-turn M100 多轴车-铣-检测中心都能在一次安装中全部完成壳体、盘，轴类零件的全部机械加工。其机械加工的时间缩减到原来分散工序的三分之一到十五分之一。

1.3 设计本课题的内容和方法
1.3.1设计的内容
根据以上的分析，我个人认为当今花键加工工艺的发展有以下几个特点：
1)设备的价格比较昂贵。随着发展数控铣床的加工精度得到大幅度提高的同时，其设备的代价也随着高涨。使得一些中小型企业承受不起。
2)实用价值不高。就目前情况而言，花键主要用于农用产品，根本不需要如此高的精度。
3)机床操作复杂。由于机床本身的技术含量的提高，工人要学会这类机床的操作必须要经过严格的培训。
由于现在的花键成型工艺过程中存在着上述不足之处，在其现有生产条件下，设计一种专用机床或是工艺装备，主要解决以下几个问题就是本课题将要研究的内容。
第一、尽量缩短单件花键成型过程时的工序时间，提高生产效率。
第二、提高分度的精度，并使得分度精度能长时间的保持稳定，即提高分度精度的稳定性。
第三、设计的机床或工艺装备使用方便，操作简单。
1.3.2设计的方法
要解决生产中出现的上述问题，主要是解决好这样一些关系，产品质量与效率之间的矛盾关系，设备操作简单且成本低下，要求整机改造的费用控制在15000 元左右。花键成型精度的关键取决于分度精度，考虑到时间和资金的关系，在研究过程应该是设计一种能自动工作或易于实现自动控制的机械系统，来完成铣削、退刀、分度、再铣削的花键成型过程。
在工厂现有条件下，初步拟订以机-液-体化组合系统设计，将来控制过程比较容易实现铣削过程的自动化。
整个设计过程可分为四大部分：一是机、电、液各控制组成要件的方案选择，分别设计或分析现有的方案的优缺点，找出一种适合于现在有工厂条件的合理方案来;二是液压控制系统的具体参数设计，依据现有的工厂实际条件，合理设计一套液压系统;三是分析用端齿盘为定位机构的分度装置的工作原理，建立一种数学模型，用以分析端齿盘机构的定位精度，既而指导同类机构的设计提供依据;四是电气控制系统的参数设计过程，具体介绍该系统的控制系统的设计过程及其控制特点。
通过这样的、设计，以期达到提高生产率的目的，即该课题的现实意义。

29

攀枝花本科毕业设计（论文） 2 气动三轴等分式分度头气动分度原理设计

2 气动三轴等分式分度头气动分度原理设计

实际生产过程中存在的问题主要有如下几个方面:分度精度的稳定性较差，单件成型的时间周期长，工人操作过程中劳动强度大。要解决上述问题可以从以下几个方面考虑：分度装置能自动分度，精度和稳定性要提高。提高其运动的平稳性;控制方式可以考虑采用继电控制或是微机控制或是PLC 控制。

2.1 分度装置结构方案设计及其计算
在生产中，有些工件具有分布均匀、形状尺寸相同的表面，如均布孔系、槽系等，在加工时要求夹具能进行分度转位，以便在一次装夹中将这些表面全部加工完。在夹具上，能使夹具的某些部分连同工件一起转过一定角度或移动一定距离的装置，称为分度装置。分度装置可分为回转分度装置和直线分度装置两种，他们的分度原理与设计分法基本相同。在本设计中遇到的就是回转分度的问题，因而下面主要讨论回转分度装置。
随着科学技术发展，制造技术也在不断发展，精密分度装置在制造中得到较广泛的应用，且对分度精度的要求也越来越高，其中多数分度装置是基于误差平均效应这一分度原理来实现的。误差平均效应原理是指在分度盘精度相同的条件下，由于采用了两圆柱销，同时均匀对定，所产生的分度误差是分度盘上两相邻分度孔位置误差的平均值，从而使转角误差因均分而减少。利用这一原理可以在不提高基准件的条件下，而能获得极小分度转角误差。因而建立合适的分析模型，对基于误差平均效应原理的高精度分度装置分度精度高的成因做出合理的分析、研究，对科研和生产有较高的理论和应用价值。
2.1.1分度装置原理分析
回转分度装置中的关键部分是分度盘和定位器，两者合在一起，称为分度副。分度装置的工作精度取决于分度副的结构形式和制造精度。根据分度盘和定位器相互位置的不同，回转分度装置可分为轴向分度和径向分度两种。分度与定位均沿着分度盘回转轴线相平行的方向称为轴向分度。如图2.1所示。分度和定位沿着分度盘半径方向进行的称为径向分度，如图2.2 所示当分度盘的直径一定时，分度孔(槽)距分度盘的回转轴线愈远，则由于分度副的间隙所引起的分度转角误差将愈小。径向分度的分度槽比轴向分度的分度孔离回转轴线较远，因此，径向分度的精度要比轴向分度的高。一般高精度分度装置往往要用径向分度，但轴向分度结构紧凑，外形尺寸小，分度副处不易进入污物，制造维修比较容易，因此应用比较广。
分度装置的形式不同，工作精度要求不同，采用的定位器也不同。常见的定位器有如下几种：

图2.1 轴向分度装置
（a） 钢球定位（b） 圆柱销定位 （c）圆锥销定位
1-分读盘 2-定位元件

2.2 径向分度装置
（a）双面斜锲定位（b）单面斜锲定位（c）正多面体斜锲定位
1-分读盘 2-定位元件
采用钢球定位：图2.1a 为用钢球定位的轴向分度装置。在分度盘上加工出相应的分度锥坑，供钢球定位用。由于锥坑的深度不能大于钢球半径，且坑的深度不易控制，因此定位不可靠，仅适用于切削力小，分度精度要求不高的场合。
采用圆柱销定位:图2.lb 为圆柱销定位的轴向分度装置。其结构简单，制造容易。其缺点是存在定位副的配合间隙所引起的分度误差。有时圆柱销需在分度盘半径方向上削边，成为削边销，以避免分度时产生过定位。
采用圆锥销定位：图2.lc 为圆锥销定位的轴向分度装置。圆锥销与分度孔接触，可以消除孔销的配合间隙，所以分度精度比圆柱销定位高。但圆锥销的锥面上沾有污物时，会影响分度精度，而且其制造也较复杂。
采用双面斜楔定位：图2.2a 为双面斜楔定位的径向分度装置。其定位特点与圆锥销定位基本相同，可以消除定位间隙，所以分度精度较高。但也会受分度副间沾污物的影响。
采用单面斜楔定位：图2.2b为用单面斜楔定位的径向分度装置。这种装置其定位边始终是分度槽的直边，而分度的转角误差将始终分布在斜面的一侧，因此分度精度比较高，常用于精密分度装置。
采用正多面体定位：图2.2c是利用正多面体上每个面进行分度，并用斜楔进行定位，其结构简单，容易制造，但分度精度不高。
2.1.2 集成式液压马达分度装置分析
集成式液压分度马达将摆线液压马达、凸轮分度机构、顺序控制阀及反馈式液压制动机构集成于一体，可大大简化数控分度的结构，工作可靠、冲击小、控制方便，可实现多刀位换刀的连续回转。它是数控机床的一个重要部件，要求它工作迅速、灵活、可靠性高。

图2.3 集成式液压分度马达液压原理图
集成式液压分度马达液压原理见图2.3，电磁阀6是顺序控制阀3的先导控制阀，C，L口通刀架夹紧油缸，当L为高压时油缸夹紧，C为高压时油缸松开。电磁阀1 控制马达的旋向。当电磁阀6收到换刀信号时、其A端工作，使压力油进入顺序控制阀3的A端，推动顺序阀使A位工作，这时C口与P口通，L口与T口通，使得刀架夹紧油缸松开。电控系统测到刀架松开信号后，使电磁阀1工作，马达开始回转。当电控系统检测到己转到需要的刀位时，使电磁阀6的B位工作，压力油进入顺序控制阀3的B端，同时实现马达的机械与液压制动。最后，C通T,L通P，使刀架油缸夹紧，换刀完成。油缸夹紧后，电磁阀1断电。单向节流阀5起单向缓冲作用。节流阀4调节液压制动能力。
2.1.3 液压油缸分度装置分析
液压分度油缸结构如图2.4，液压分度油缸由油缸体6、斜齿轮超越离合器3、刻度尺挡块装置1三部分组成。图中:h为油缸活塞可调限位行程。由调整挡块I在副度尺座2上的位置来调节h 行程长。斜齿轮超越离合器3外齿与活塞4上的斜齿条啮合。星形体5只能逆时针旋转，其芯轴与工作转台刚性联接。在I,II孔上接通油路后即可使工作台进行分度运动。当一次分度结束后，活塞向左移动到极限位置，斜齿轮空转，超越离合器星形体静止，为下一次分度做准备。如此循环，进行断续分度运动。

图2.4 液压油缸分度装置
分度油缸的分度精度取决于:①分辨率;②斜齿轮、齿条、超越离合器制造精度：③刻度尺刻线精度及安装精度(安装刻度尺时应尽可能减小因斜齿轮与齿条齿间间隙及超越离合器空行程间隙所产生的差);④挡块的固定刚度。
油缸两端油路应设置由节流阀与单向阀组成的调速器，调整活塞运动速度，以防止活塞冲击挡块时产生弹性变形而形成分度误差。
这种分度方式在使用上的特点是：
第一，用于分度运动必须与其它机械运动按设定程序工作的液压传动机构一起工作。
第二，该装置只适用于断续分度，且每次分度范围取决于活塞最大行程，对每次大幅度分度的运动不宜采用。
2.1.4 蜗轮-蜗杆分度装置分析
近年来，在高精度连续分度装置中常采用包络蜗杆——正齿轮分度副或包络蜗杆——尖齿轮分度副。如图2.5，包络蜗杆的材料一般为青铜，能在使用中磨合，并有吸收法向齿形误差作用。蜗轮-蜗杆分度副的典型特点是能自锁。但其加工成本高，一般低精度生产中不采用此方案。

图2.5 涡轮-蜗杆分度原理
2.1.5 电动刀架用作分度机构的原理分析
数控机床上使用的电动刀架在工作时，不论有几个工位（即可装刀具的数量），都要求重复定位准确，且不同位置的刀具转到工作位置时，它们的位置必须重合一致。它实际上就是一种高精度的等分分度头。常州某数控设备厂生产的BWD型六工位和八工位电动刀

图2.6 BWD电动刀架工作原理图
架的工作原理 如图2.6，由机械和电气两部分构成。旋转换位（分度）由蜗轮-蜗杆副驱动，分度角度的精定位和定位后的锁紧是采用内齿盘（3）、外齿盘（4）与定位盘（5）啮合来完成的。分度启动时，电机（10）正向旋转，由于内外齿盘与定齿盘的啮合，安装在内齿盘上的刀盘（图中未画出）不能转动，蜗杆驱动蜗轮，带动芯部结构（2）上的螺纹副（8），使芯部结构向右滑行，齿盘啮合得以脱开。此时，刀盘与芯部结构一起旋转（分度），当旋转到预定位置时，发信机构中的光电耦合电路，如图2.7发信端输出+24V高电频，得此电信号后，控制电路使电机反转，螺纹副带动芯部机构左移，齿盘啮合，实现精定位和锁紧。

图2.7 光电合电路
这一机构是采用的齿盘作为分度和定位的，具有如下的特点：
（1）分度精度高。端齿盘分度装置动齿盘和定齿盘啮合时，由于全部齿牙同时参与啮合定位，多齿啮合的平均效应和弹性过约束原理使端齿盘的啮合分度精度大大高于齿盘的加工分度精度，较以往各种分度装置，其精度提高了一个数量级（目前分度精度已达到0.1）。
（2）重复定位精度高。由于齿盘在任意同心圆上的齿厚和齿槽宽度相等，因此啮合时没有侧间隙存在，其方度精度不受正反转的影响。齿牙的向心性使啮合端齿具有固定的啮合毗连中心。这也是端齿盘分度装置具有很高重复定位精度的主要原因之一（重复定位精度为0.02）。
（3）分度精度稳定。端齿盘分店装置的使用过程恰似端齿盘对研加工过程，正确的良好的使用可以不断改变端齿盘啮合齿面的接触精度，逐渐减少啮合分度误差。在一定范围内，磨损不但不会使精度降低，反而可能有所提高，这是其它分度装置不具有的独特优点。
（4）结构刚性好。端齿盘分度装置的动齿盘和定齿盘啮合时，齿牙彼此相嵌，接触面积大，犹如一个整体，当齿盘过度足够时，可以承受很大的载荷和机械加工中的切削力，特别是鼓形齿端齿盘分度装置其刚性相当好。
（5）端齿盘分度装置还具有结构简单、紧凑、体积小、工艺性好、易实现自动分度等优点。
（6）这种装置的设计、制造、使用、维护较其它的分度装置简单，加工制造不需要特殊设备，几乎所有的机械制造厂都能制造。
（7）由于不能进行任意连续分度，分度时至少要转过一个齿，所以一般只能将圆周分成有限的等分度，这使这种分度受到限制。
2.1.6 气动分度装置结构原理设计分析
如图2.8所示，当活塞1上升,推动定位分配杆2向上,依靠斜而A推动稍轴3向右,拉出定位齿4,同时,斜面B上升,弹簧6推出分度拉杆8,落在第二分度齿上(拉杆可以围挽稍子7上下摆动),这时,棘爪9依靠弹簧10压住分度盘,使其不致倒棘。当活塞1下降时,斜面B压住稍子7向右,使分度拉杆8落入第二分度齿内,向右分度,棘爪也跟着棘动1齿,斜面A下降,弹簧5推出定位齿4,插入定位盘12搏内定位,分度完毕。
利用机床快速退刀的限位档跌压下(离开)电纽,使其推动电磁铁吸住(推开)气压分配朋按凯,通入(流出)压稀空气,使活塞上升(下降),这样就大大减少操作者的劳动强度。 更换分度盘11、定位盘12和.调节分度拉杆8的长度就可以加工不同齿数的工件。
图2.8气动分度装置

2.2 分度方案的确认
对于分度机构应该要达到以下要求：
第一，应有足够的定位精度和刚度，这一项要求应根据被加工零件的精度要求受力情况来定制。
第二，分度过程迅速而平稳，既要缩短分度时间，又提高生产效率，又要避免冲击和振动，以免影响分度精度。
第三，能方便地改变分度的角度，以便适应不同工件的加工。
第四，定位精度能长期保持稳定。
第五，结构简单，工艺性良好。
根据以上分度机构的设计要求，气动分度装置在实现分度时，除不能满足上述要求的第三项之外，其它四项都能满足。这并不会给生产带来很大的麻烦。因为，同一机床在生产同一类型的零件会有很大的数量，也就是说，分度的角度基本是保持一致不变的。因此本设计选用气动分度装置。

攀枝花本科毕业设计（论文） 3 气动等分式三轴分度头三轴结构设计

3 气动等分式三轴分度头三轴结构设计

我们常见的普通分度头只有一根主轴，只能同时分度一个工件。而这样的分度头工作效率太低，随着科技的发展对加工速度的日益追求。使得我把普通的但主轴分度头设计为三个主轴的高效分度头，这样可以大大加快工件加工效率。

3.1 普通分度头结构
3.1.1 普通分度头结构
1)、主轴
主轴前端可安装三爪自定心卡盘（或顶尖）及其它装卡附件，用以夹持工件。主轴后端可安装锥柄挂轮轴用作差动分度。
2)、本体
本体内安装主轴及蜗轮、蜗杆。本体在支座内可使主轴在垂直平面内由水平位置向上转动 ≤95°，向下转动≤5°。
3)、支座
支承本体部件，通过底面的定位键与铣床工作台中间T型槽连接。用T型螺栓紧固在铣床工作台上。
4）、端盖
端盖内装有两对啮合齿轮及挂轮输入轴，可以使动力输入本体内。
5）、分度盘
分度盘两面都有多行沿圆周均布的小孔，用于满足不同的分度要求。
分度盘随分度头带有两块：
第一块正面孔数依次为：24；25；28；30；34；37。
反面孔数依次为：38；39；41；42；43。
第二块正面孔数依次为：46；47；49；51；53；54。
反面孔数依次为：57；58；59；62；66。
6）、蜗轮副间隙调整及蜗杆脱落机构
拧松蜗杆偏心套压紧螺母（图2），操纵脱落蜗杆手柄使蜗轮与蜗杆脱开，可直接转动主轴，利用调整间隙螺母，可对蜗轮副间隙进行微调。
7）、主轴锁紧机构
用分度头对工件进行切削时，为防止振动，在每次分度后可通过主轴锁紧机构对主轴进行锁紧（图1）。
本结构还可配备尾架、千斤顶、顶尖、拨叉、挂轮架、配换齿轮等常用附件。

图3.1 普通分度头传动系统
以上的普通分度头传动结构，是由分读盘控制蜗杆再传动涡轮连接主轴进行分度的分度头。 显然此结构为单主轴结构，通过这种结构的分析由此我有了设计三轴分度头的一种设计思路。就是加大蜗杆长度使之同时控制三个涡轮。但是这种方法稳定性不好。由此我经过从新的思路整理思考除了新的三轴结构。

3.2 气动三轴分度三主轴结构方案
如图3.2所示是分读盘连接中间大齿轮，中间大齿轮传动两侧等传动比齿轮。三个大齿轮分别传动传动比为1:4的小齿轮，小齿轮分别连接分度头的三根主轴。因此分读盘通过这个结构就能同时控制三根主轴进行准确的分度。
此结构就准确的避开了上述结构的分度不精确、分度不稳定的缺点。而且有效的满足了以下分度头传动要求。
第一，应有足够的定位精度和刚度，这一项要求应根据被加工零件的精度要求受力情况来定制。
第二，分度过程迅速而平稳，既要缩短分度时间，又提高生产效率，又要避免冲击和振动，以免影响分度精度。
第三，能方便地改变分度的角度，以便适应不同工件的加工。
第四，定位精度能长期保持稳定。
第五，结构简单，工艺性良好

图3.2 三主轴结构示意图
根据对以上两种结构方案的比较，以及本设计的结构要求，最终确认选用气动三轴分度三主轴结构方案。

3.3 零件结构设计
如装配图（图号为wpf123—00）所示分度盘通过主轴1带动齿轮，齿轮与传动比为1：1的相同齿轮齿轮传动将传动分度准确的传动给了另外两个主轴2。通过我们所确定的气压控制系统的控制，活塞杆伸出缩入一次就是分度盘分度转一个齿。由于本次设计分度头为特种工件，由于大齿轮和小齿轮的传动比1：4。又知分度盘由气动分度装置控制。缩入和伸入一次所需时间为1s 。即分读盘转动一个齿的时间为1s，设此结构专用加工六边形回转体工件。且分读盘为24齿结构。所以分读盘每转动4个齿，工件回转一次。
3.3.1主轴设计
主轴的设计尺寸如零件图（图号为wpf123—03）所示，由于此轴在传动过程中受力较小所以选用45#作为材料。又上可知传动轴经过轴传动速度较小，传递功率较低的校核计算此设计尺寸完全满足校核要求。由此考虑到设计工艺，特此设计出如图所示结构。
3.3.2 齿轮的设计
如零件图（图号为wpf123—01）所示分读盘通过主轴1带动的齿轮及其两边传动的两个齿轮，其尺寸、模数一样。齿轮选用45#作为材料。其强度极限和屈服极限虽然在所有齿轮材料中很小。但是通过分析机构传动过程可知。整个传动过程转速较低，传动功率极低，因此能完全满足全部要求，我们没必要对其进行强度校核。
小齿轮同样选用45#作为材料。强度极限和屈服极限虽然在所有齿轮材料中很小。但是通过分析机构传动过程可知。整个传动过程转速较低，传动功率极低，因此能完全满足全部要求，我们没必要对其进行强度校核。
精度等级由[机械传动设计手册]表12.6选8级精度
齿数和模数的确定：
初取齿数
由[机械传动设计手册]表12.3，取m=2.5
则 mm
齿宽b=mm
使用系数由[机械传动设计手册]表取用
动载系数由[机械传动设计手册]表取用
齿间载荷分配系数由[机械传动设计手册]表 取用=1.29
齿向载荷分布系数由[机械传动设计手册]表
取A=1.17,B=0.16,C=0.61,

=1.3666
取
载荷系数由[机械传动设计手册]式12.5得

=3.1765
取
弹性系数由[机械传动设计手册]表
节点区域系数由[机械传动设计手册]图取
接触最小安全系数由[机械传动设计手册]图 取
总工作时间th为th=10×300×8×0.4=9600 h
应力循环次数由[机械传动设计手册]图估计则指数,由[机械传动设计手册]式
NL=
可得：

原估计应力循环次数正确

接触寿命系数由[机械传动设计手册]图取，
许用接触应力

验算
=

计算结果表明，接触疲劳强度较为合适，齿轮尺寸无需调整。否则，尺寸调整后还应再进行验算

攀枝花本科毕业设计（论文） 4 控制系统的方案设计与分析

4 控制系统的方案设计与分析

电气控制部分是机械设备的设计工作的一个重要组成部分。通常，电气设计是和机械设计同时进行的，一台机器设备的结构和使用效能与其电气自动化的程度有着十分密切的关系。所以，要从机械系统和气压系统的动作要求来拟定电气控制系统的方案，然后再来进行设计。

4.1控制系统分析
从上述分度装置、机械传动和气压系统的分析可知，分度装置的驱动是三相笼型异步电机，有正反转控制；气压系统的控制主要是气压元件的选择，一般为了控制的方便，大多采用了普通的电磁阀，所以控制系统是要求对这些阀上的电磁铁通断电按照一定的时序来进行，从而实现可靠的运行动作。
要使分度头按预定的方式正常运行，控制系统常用的控制方式有继电接触器控制方式、微机控制方式和可编程控制器控制方式等三种，下面分别比较各自的特点。
4.1.1 继电——接触器控制系统分析
继电接触控制大量地采用了复合按钮、行程开关和转换开关，使用了大量的机械触头，连线复杂，触头在开闭时易受电弧的损害，寿命短。
4.1.2 微机控制系统分析
微机控制系统是由微机、接口、控制方式和动作执行方式等方面构成的。用微机作为机电一体化系统或是产品的控制器，首先是对考虑控制方式是开环控制还是闭环控制。对于这样的一种花键加工系统，无需用到闭环控制；其次要考虑机床的其它控制要求，如电动机、液压阀的动作、行程开关的动作等等，这些元件对系统的可靠性、精度和快速响应性有哪些方面的要求；另外，考量微机在整个控制系统中的作用，是设定计算、直接控制还是数据处理，微机应该承担哪些任务，为完成这些任务微机应该具备哪些功能，需要的输入/输出通道数、配备哪些外设，最后来估算成本。为很面的设计做基础和依据。
微机控制系统的最大特点是运算速度快、功能强、价格低、应用范围广。但是也存在着不足之处，微机系统抗干扰能力差，编程复杂，系统的配置麻烦，开发周期长。
4.1.3 PLC控制系统分析
可编程序控制器（PLC）是在继电器控制和计算机控制基础上发展起来的新兴工业控制装置，是工业自动化的主导产品。自1969年第一台可编程序控制器面世以来，经过30多年的发展，现在可编程序控制器已经成为最重要、最可靠、应用场合最广泛的工业