基于Pro/E的交换工作台设计——转台部件设计

云南浩通机动车检测有限公司□杨 刚

在柔性生产线中，交换工作台是必不可少的部件，其承担着携带工件进行不同工序加工的作用，从而实现一批次零件多工序定位基准一致，减少大量装夹时间，达到提高加工精度及生产效率的目的。交换工作台装置按照交换工作台的运动方式可分为：移动式交换工作台装置和回转式交换工作台装置两种。本文针对移动式交换工作台设计转台部件，将转台作为中间机构，实现工作台的移动交换功能。

1 本设计中转台主要有四个作用

在柔性生产线中，转台作为中间过渡机构，是交换工作台的一个重要组成部件，它起着承上启下的作用。其一，支撑工作台作用。转台是工作台直接连接的部件，转台承载着工作台和工件的重量；其二，固定工作台作用。转台顶面通过安装两个定位销与工作台连接，采用“一面两销”定位装置实现转台与工作台的固定；其三，协助工作台进行直线交换运动，使工作台进入缓存站、运输小车等；其四，连接齿圈实现工作台回转作用。转台作为中间构件，将齿圈固定于转台下部，齿圈转动时可带动转台和工作台进行回转运动。

2 结构设想

在总设计中，使用骨架确定了各部件间的装配关系和关键尺寸。转台上部与工作台配合；转台下部为与齿圈和滑座的配合，转台中间为与工作台主轴配合。所以在转台设计时，要满足配合要求和实现功能作用，设计关系如图1所示。

图1 转台设计流程图

3 转台工作原理和结构设计方案

（1）工作原理

根据转台的功用设计和连接关系，其各状态下工作原理为：1）固定状态时。使用“一面两销”的结构定位，将工作台与转台固定连接；2）移动交换状态时。通过液压缸举升工作台，定位销与工作台脱开，工作台在导轨上进行滑动，工作台与转台产生相对位移；3）通过与齿圈连接，实现回转运动。

（2）结构方案设计

1）支承设计

转台是工作台的直接支撑部件，设计时考虑固定和移动功能，结构刚性设计时应充分考虑转台的最大承载要求。采用传统支撑方式接触面积大，加工困难，难以保证配合精度和受力均匀，所以设计几个共面的定位面，方便工作台的加工和调整。

2）固定设计

转台与工作台的定位采用“一面两销”的工作原理。在转台的顶部，需要确定两个定位销的位置，且该位置应与工作台匹配。

3）直线交换运动机构设计

经过产品调研和查阅资料，移动交换机构采用以下设计方案：

在转台上以转台中心线对称分布安装两副导轨，用于工作台直线运动导向，在导轨上安装一定数目的滚轮。导轨安装在单杆活塞油缸上，油缸安装在转台顶面。动作时，液压油通向油缸底部，活塞向上运动顶起导轨，反方向的运动则可以依靠卸油、工作台和工件的自重来实现。工作台在固定状态时，滚轮与工作台分离；工作台在做移动交换时，滚轮与工作台做线接触。

4）回转机构设计

转台的回转原理是：电机和减速箱固定在滑座上，通过减速箱输出轴上的小齿轮与齿圈啮合，由齿圈转动带动转台回转。为了保证连接的刚性和传动稳定性，在设计转台与齿圈的配合时，可以将转台的底部设计为一个与齿圈大小相适应的圆形凸台。这样既保证了配合要求，又减轻了转台的重量，节省了材料。

4 转台骨架设计

（1）骨架建立

本设计方案采用Pro/E中的Top-Down设计思想，即自顶向下设计，将转台部件总装的约束条件通过子骨架逐级进行子组件、零件的传递，使转台的参数设计在各级层设计中得到精确的扩展，其他零件的设计都应在该子骨架下完成。在设计过程中，当尺寸发生修改时，在元件之间建立起关系并节省修改调整时间。这使得转台的结构设计能够随时满足工作台的需要，又能在更改转台尺寸设计时，使得其他组件的结构尺寸能够合理的更改，为零部件的设计节省了很大的精力。

（2）子骨架模型建立过程

转台的总骨架是交换工作台骨架发布几何的复制，在该骨架中建立各零件子骨架。转台零件子骨架建立的主要步骤如下：

第一步：在转台骨架中创建所需零件的设计基准坐标系和基准面；

第二步：细化设计子系统骨架控制的约束条件，创建发布几何，根据不同功能分别创建，按发布对象的去向进行规范命名，关键的特征要规范命名。

第三步：打开转台件骨架，然后在该骨架里复制上述发布的几何，并在该骨架下来完成转台零件的设计绘制。

5 转台设计

（1）转台结构设计实现

转台设计中有五个主要设计部分，分别是中心孔、两个定位销孔、六个油缸孔和筋条的布局。根据转台工作原理和机构设计方案，转台总体布局为四方体，下部为圆形凸台与齿圈配合，中间孔系与工作台主轴配合，顶部要留有油缸、油管和导轨的安装空间。

1）中心孔设计

中心孔主要与主轴配合，根据配合关系，其结构特征和尺寸需要考虑以下因素：a）分油轴配合尺寸与安装固定孔；b）与主轴轴套的配合尺寸。

2）定位销孔设计

交换工作台中用的定位销是液压组合式定位销，用于连接工作台与转台。此处定位销孔用于装配定位销，其大小为定位销大尺寸。定位销孔尺寸为半径35mm，两定位销孔中心距离为1000mm，位于与中心孔同向的纵向上，两个定位销安装孔处留有直径165mm的螺钉安装台阶。

3）油缸孔设计

油缸作为工作台的支撑，其特征尺寸须根据选用的油缸安装尺寸确定，同时在布置油缸时，须进行转台承载状态下的受力分析。根据上述条件，结合骨架约束，确定转台顶部九个孔的布局。

（2）导轨设计

导轨是一种金属或其它材料制成的槽或脊，可承受、固定、引导移动装置或设备并减少其摩擦的一种装置。本设计中导轨根据设计要求和交换工作台的工作原理，选用滚轮导轨。工作台在固定时，导轨顶面不能与工作台接触，而是以油缸顶面作为工作台的支承面；工作台做移动交换作用时，导轨对工作台的移动起导向作用，导轨上的滚轮与工作台做线接触，使得工作台能够移动。

导轨组件的主要零件为滚轮和偏心轴，滚轮在工作台交换时起承载和减小摩擦力的作用，设计或选用滚轮时要查验滚轮的承重参数。滚轮结构如图2所示。偏心轴用于滚轮安装时滚子的高度调整，能够自动补偿误差引起的偏心量，保证了工作台移动时的平稳性。本设计中，因要求一条导轨上所有滚轮组件与导轨面高度差保持一致，公差范围在0.04mm以内，其结构如图3所示。

图2 滚轮结构简图

图3 偏心轴设计图

1）滚轮与偏心轴的配合计算

根据滚轮和偏心轴的工作原理，二者的配合为间隙配合，滚轮在偏心轴上滚动，滚轮内圈与偏心轴无相对滑动，取配合间隙在0mm~0.04mm的范围内。

①选择基准制

根据配合制选用的原则，一般情况下应优先选用基孔制，基本偏差代号为H。

②确定滚轮、偏心轴的公差等级，由工作条件可知，滚轮与偏心轴的结合为间隙配合，其允许的配合公差见式（1）。

因为Tf=Th+Ts=0.04mm，取孔与轴为同级配合，则结果见式（2）。

根据公差查表，基本尺寸为20mm，该尺寸在18mm~30mm范围内，0.02mm介于IT6=0.013mm与IT7=0.021mm公差等级范围内，国家标准要求孔比轴低一级的配合，取滚轮的公差等级为IT7，偏心轴的公差等级为IT6。见式 （3）。

IT6+IT7=0.013mm+0.021mm=0.034mm≤Tf（3）

③确定偏心轴（轴）的基本偏差代号

由于采用的是基孔制配合，所以孔的基本偏差代号为H7，孔的基本偏差为EI=0，孔的另一个极限偏差为ES=EI+IT7=（0+0.021）mm=0.021mm。

因为滚轮的公差等级为IT7，公差的数值比较大，将偏心轴的公差代号选用为基轴制h，偏心轴的基本偏差代号为h6，基本偏差为es=0，另一个极限偏差为ei=es-IT6=0mm-0.013mm=0.013mm。

④选择的配合

见式（4）。

⑤验算

见式（5）、式（6）。

因此，满足配合间隙0mm~0.04mm的范围内要求。

2）导轨设计

导轨尺寸应与转台尺寸对应，长度取

1000mm；根据支承强度与滚轮安装高度要求，高度取68mm。为了保证工作台的平面精度，导轨与工作台连接采用T形槽连接。滚轮对称分布在活塞杆两侧，应保证各安装孔壁厚和工作时无干涉现象。安装时，调整偏心轴，使滚轮顶部高出导轨顶面1mm，保证交换时，工作台与导轨为线接触。

6 转台部件装配

转台部件装配图如如图4所示：

图4 转台装配图

应用Pro/E完成所需零件的设计、装配，最终完成转台部件的设计。进行组件装配时，仅需将转台各零件通过骨架坐标系装配导入转台组件中，点击装配命令，选取相关具有配合关系的零件，使用两组坐标系匹配即可完成零件三维模型装配。