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(jié)構(gòu)的分度定位裝置在數(shù)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(jié)構(gòu)原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

珠盤定位基本結(jié)構(gòu)是在旋轉(zhuǎn)工作臺的定位面上，圍繞旋轉(zhuǎn)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(cè)包容鋼珠的部分超過鋼珠的半徑，機座一側(cè)的半球形凹槽深度小于鋼珠的半徑。旋轉(zhuǎn)工作臺部分可以軸向脫開和鎖緊，脫開時，可以旋轉(zhuǎn)到所需要的角度；鎖緊時，旋轉(zhuǎn)工作臺上的鋼珠嵌入到機座半球形凹槽中。旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)是通過立式翻轉(zhuǎn)卡具實現(xiàn)驗證的。在經(jīng)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(zhuǎn)中心在圓周上均勻鑲嵌著72枚經(jīng)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(yīng)的半球形凹槽。在旋轉(zhuǎn)分度時，72枚鋼珠同時嵌入到72個凹槽中，從而實現(xiàn)以5°分度定位。

在已經(jīng)使用的裝置中，除了72個鋼珠，5°分度的轉(zhuǎn)臺外，還有120個鋼珠，3°分度的轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)（圖2）。珠盤定位結(jié)構(gòu)可以方便地實現(xiàn)0.2°以下的小分度差動定位。

例如在0.2°小分度的應(yīng)用場合下，將珠盤制造成獨立的旋轉(zhuǎn)體，珠盤面向機座的一側(cè)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(zhuǎn)臺的一側(cè)鑲嵌75枚鋼珠，與轉(zhuǎn)臺的75個凹槽相吻合，最小分度單位4.8°。

這樣，當(dāng)處于中間的珠盤相對于機座旋轉(zhuǎn)5°時，珠盤另一側(cè)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(zhuǎn)臺之間裝備一個1∶25的傳動裝置即可以方便快捷地實現(xiàn)0.2°小分度操作（圖3）。

按轉(zhuǎn)臺和珠盤角位移同方向舉例計算，有以下關(guān)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(cè)的半球形凹槽數(shù)量

n2——轉(zhuǎn)臺一側(cè)的半球形凹槽數(shù)量

當(dāng)n1＜n2時， 轉(zhuǎn)臺與珠盤同方向轉(zhuǎn)動； 當(dāng)n1＞n2時，轉(zhuǎn)臺與珠盤的轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)， n1＝72， n2＝75， 則有

珠盤定位結(jié)構(gòu)對于其他最小分度單位也可以十分方便地實現(xiàn)。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(zhuǎn)后可以實現(xiàn)0.1°的最小分度。

在實際應(yīng)用中，0.1°的小分度結(jié)構(gòu)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(shù)量是144個，在轉(zhuǎn)臺上加工出的半球形凹槽數(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)在開發(fā)并已經(jīng)投產(chǎn)的小分度裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖4。

這種結(jié)構(gòu)是已經(jīng)生產(chǎn)的一種。它是將所有鋼珠鑲嵌在珠盤的一側(cè)，72∶75在2個圓周上均布，里圈的鋼珠與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)臺成25∶1的角位移運動關(guān)系，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺無軸向位移、最小分度單位為0.2°的旋轉(zhuǎn)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(guān)鍵。目前已經(jīng)總結(jié)出了即保障分度精度又能夠?qū)崿F(xiàn)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(shù)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(shù)值相同，誤差的方向相反，其矢量和等于零的話，則數(shù)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(yīng)用，則珠盤定位裝置是當(dāng)今應(yīng)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(fù)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(shù)要求方面，珠盤定位結(jié)構(gòu)更加體現(xiàn)出了端面齒盤 （鼠牙盤）所不具有的優(yōu)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(zhì)量，影響精度的基本要素就全都把握住了。如珠盤定位結(jié)構(gòu)的齒形誤差靠鋼珠形狀誤差保證和球形銑刀質(zhì)量保證，而齒向誤差，由于球形結(jié)構(gòu)的對稱性，珠盤結(jié)構(gòu)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(shù)控機床加工，則可以方便地滿足工藝要求。

2 珠盤定位結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)夾具上，在大切削用量的重載切削和斷續(xù)切削工況下，在4年來的實際應(yīng)用中，表現(xiàn)出了優(yōu)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(tǒng)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(jié)構(gòu)靈活

珠盤定位裝置特有的結(jié)構(gòu)可以根據(jù)需要增加接觸面積，提高抗沖擊強度。當(dāng)需要時，可以在不同直徑上增加同樣數(shù)量的1圈或2圈鋼珠及凹槽，則抗沖擊強度將成倍增加。當(dāng)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(shù)控機床上，用球形銑刀分別在機座和轉(zhuǎn)臺上加工出n個凹槽，鑲嵌鋼珠的一側(cè)凹槽深度超過鋼珠的半徑，另一側(cè)則小于鋼珠半徑，然后使用專用鉚具，將經(jīng)過篩選的鋼珠鉚固在轉(zhuǎn)臺上。加工一對珠盤的成本不及端面齒盤 （鼠牙盤）結(jié)構(gòu)的幾分之一。工藝流程適合流水線生產(chǎn)。

另外，珠盤定位裝置的結(jié)構(gòu)特點還使得制造環(huán)節(jié)減少，制造周期縮短，生產(chǎn)方式簡潔，檢驗測量方便，質(zhì)量可控性提高。

（4） 精度高

珠盤定位結(jié)構(gòu)由于成功應(yīng)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(chǎn)生的誤差抵消。使得制造環(huán)節(jié)中各項精度指標(biāo)的實現(xiàn)變得輕松容易。

（5）易于實現(xiàn)小角度分度

受結(jié)構(gòu)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(shù)不同。然而，珠盤定位結(jié)構(gòu)里外圈凹槽數(shù)量是否相等，在加工成本上沒有任何區(qū)別，僅僅是將加工程序的相關(guān)參數(shù)設(shè)定好即可。制造過程中與普通珠盤定位結(jié)構(gòu)沒有不同。如果不考慮實現(xiàn)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(jié)構(gòu)部分在定位旋轉(zhuǎn)運動時外力很小，當(dāng)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(jié)構(gòu)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(yīng)力造成材料疲勞產(chǎn)生的點蝕失效很難發(fā)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?yōu)閱我徽`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(jié)構(gòu)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(zhì)量保證，只有位置誤差是制造環(huán)節(jié)需要嚴格把控的。

（2）所需要的高精度設(shè)備減少

關(guān)鍵工序只需要一臺高精度的數(shù)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(chǎn)占有量，減少設(shè)備投資，降低生產(chǎn)成本。

（3）制造環(huán)節(jié)減少

就分度結(jié)構(gòu)而言，制造工藝主要有凹槽加工和鋼珠鉚固。凹槽加工體現(xiàn)出來的高效率已經(jīng)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(xiàn)。如果分度裝置的結(jié)構(gòu)允許，凹槽和鋼珠直接加工、鉚固在轉(zhuǎn)臺或基座上，則基準(zhǔn)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(jié)果是使制造成本減少。

3.2 減法法則

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

3.3 質(zhì)量可控性提高

由于制造環(huán)節(jié)減少，誤差產(chǎn)生的幾率減少，控制住少數(shù)幾項誤差發(fā)生的環(huán)節(jié)就把握住了質(zhì)量主線，在測量裝置上也比端面齒盤節(jié)省了許多。

3.4 簡單

綜合上述各項，所表現(xiàn)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(jié)構(gòu)的工藝就是簡單的體現(xiàn)。

4 應(yīng)用實例

（1）分度旋轉(zhuǎn)工作臺

一次裝卡可實現(xiàn)多面、多角度加工，提高加工精度，減少制造成本，減少設(shè)備投入，是機械加工企業(yè)普遍面臨的問題。在數(shù)控加工中，許多工件需要一次裝卡完成多面加工。傳統(tǒng)的做法是用帶有B軸功能的臥式加工中心實現(xiàn)；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(dāng)時提出了 “把方箱放倒試試看”的口號。因此我們開發(fā)了珠盤定位結(jié)構(gòu)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(xiàn)了工件的多面加工。

數(shù)控分度在旋轉(zhuǎn)過程中不參與插補和切削。其工作模式與數(shù)控旋轉(zhuǎn)工作臺完全不同。但數(shù)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(gòu)所無法比擬的。

珠盤鎖緊和放松的結(jié)構(gòu)在手動分度裝置上采用的是螺紋鎖緊。在數(shù)控分度轉(zhuǎn)臺上，采用大節(jié)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(jié)板式鏈條組成的杠桿機構(gòu)中，氣缸作用在節(jié)板鏈條的節(jié)點上，氣缸的作用力通過鏈板作用在轉(zhuǎn)臺軸上，作用力的方向與轉(zhuǎn)臺軸成α角 （圖5）。鏈板作用于轉(zhuǎn)臺軸上的力可以分解成平行于轉(zhuǎn)臺軸方向和垂直于轉(zhuǎn)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(dāng)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(dāng)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(zhuǎn)臺的軸向推力為15kN。當(dāng)α角小于8.2°時，機械便已經(jīng)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(zhuǎn)支架部件不依賴液壓站等輔助設(shè)施工作，充分體現(xiàn)了國家所提倡的節(jié)能和環(huán)保的要求，安全性也得到了提高。

目前推向市場的產(chǎn)品有ф200mm的雙聯(lián)結(jié)構(gòu)分度支架及其副支架，它特別適合3號普通銑床、數(shù)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(shè)計了兩個分度轉(zhuǎn)臺，如果將工件放在一臺機床上加工，兩個分度轉(zhuǎn)臺可以分別承擔(dān)第一工序和第二工序的加工，可以實現(xiàn)6個面多角度的加工。一臺機床基本可以實現(xiàn)工件的全工序加工。這對于改善生產(chǎn)流程、匹配生產(chǎn)節(jié)拍、提高生產(chǎn)效率提供了重要的技術(shù)和裝備保障。

數(shù)控分度支架可以根據(jù)需要選擇不同生產(chǎn)廠家的電機、驅(qū)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(guān)等輸入形式按一定的順序進行分度定位。由于機械設(shè)計使一臺伺服電機可以分時驅(qū)動兩個分度轉(zhuǎn)臺，硬件上采用1帶2的方式，因此，這種設(shè)計最大限度地為用戶節(jié)省了電氣部分的成本。

如果機床的數(shù)控系統(tǒng)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(dāng)需要夾具翻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，朝什么方向翻轉(zhuǎn)多少度。由機床操作人員按照程序中的說明進行相應(yīng)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(shù)控車床刀架

“一把鋼珠＋兩節(jié)鏈條＝動力刀架”。一種新型的數(shù)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(gòu)。在刀架定位應(yīng)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(tǒng)的端面齒盤結(jié)構(gòu)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(xiàn)形象地比喻成 “一把鋼珠”的成本。

“兩節(jié)鏈條”是指珠盤卡緊和放松的驅(qū)動裝置，采用大節(jié)距板式多排鏈板組合。利用正切原理實現(xiàn)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(fā)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dāng)配備雙主軸進行兩端復(fù)合切削時，以其相配的反刀刀盤可以方便地從反方向?qū)ぜ牧硗庖幻孢M行加工。

由于采用了多項新技術(shù)，使得動力頭數(shù)控刀架的制造成本大幅度降低，為數(shù)控車床的普及和發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)和價格優(yōu)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(shù)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(jié)構(gòu)原因，使臥式加工中心的價格據(jù)高不下。珠盤定位結(jié)構(gòu)可以方便地應(yīng)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(jié)語

珠盤定位結(jié)構(gòu) （已申請專利）可以應(yīng)用到許多需要分度定位的場合。這種新型定位機構(gòu)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(jié)構(gòu)靈活、制造快捷、生產(chǎn)方式簡潔、數(shù)控和手動操作靈活等特點，將在數(shù)控機床分度工作臺 （臥式加工中心的B軸）、數(shù)控車床刀架、數(shù)控和手動分度卡具等諸多方面顯示出獨有的優(yōu)勢。