数控卧式车床床头箱翻转工装设计应用

网址： 电邮：*******************2021年第3期
数控卧式车床床头箱翻转工装设计应用
张东涛
（宝鸡机床集团有限公司，陕西宝鸡721000）
0引言
在卧式车床生产中，床头箱组装一直是保证机床精度的关键。

传统的组装方案费时费力，精度检测难，并且存在安全隐患，现使用床头箱翻转工装代替人工对床头箱进行水平、竖直方向的翻转，使用时只需进行一次水平装夹就能使零件在工装上进行各个工位的翻转。

手工组装床头箱时，需要找到专用的支架先将床头箱人工翻转90°放置于支架上面，然后将主轴等其余零件逐一安装，组装时由于受冲击，在安装的过程中很可能导致床头箱翻倒，造成安全事故，并且组装完成后需人工利用行车对总成再进行翻转至水平状态，由于总成自重比较大，稍有不慎，人工翻转时就会造成磕碰，导致严重影响机床主轴精度，因此床头箱翻转工装的作用不可替代。

1传统组装方案
床头箱与主轴的传统组装工艺分为平装和竖装两种装配方法，这两种装配的方法的优缺点如下：
1）平装法。

是将床头箱水平放置进行主轴、主轴轴承的装配，这种方法操作简便，但受主轴和主轴轴承自身重力影响，会对装配精度带来影响，且不能使用热胀组装工艺方法，所以一般不采用此方法。

2）竖直装配法。

这种方法先将床头箱翻转90°放置于支架上，再进行主轴及轴承装配，装配完成后检查完精度，再将总成人工翻转至水平方向，这种装配方法组装精度高，易于检验；但翻转时操作要求高，效率低，在翻转过程中容易造成安全隐患，且在翻转过程中不小心产生磕碰就会造成床头箱总成精度丧失，需返工进行二次检查重装。

2方案由来及结构设计2.1方案由来
为了解决传统组装存在的问题，公司专门立项解决
这一问题，旨在设计一种能够快速地将床头箱由水平状态翻转至竖直状态进行组装，组装及检验完成后又能安全快速地将总成翻转至水平状态，避免人工翻转时的不安全因素及造成不必要返修的工装。

经过多方面查找资料、构思，最终确定了这款床头箱组装专用翻转工装；目的在于只需将床头箱经过一次连接，固定在翻转工装上，通过工装翻转进行床头箱水平到竖直方向的翻转及组装，组装完成后再反向翻转至水平位置。

就能有效解决传统组装存在的问题，从而提高组装效率。

2.2设计思路
由于床头箱体要在工装上进行水平、竖直翻转，因此工装确定基于秋千原理，将床头箱绕中心轴通过工装进行回转,原理如图1所示。

经过大量分析计算得出，由于床头箱体质量较大会产生较大的转矩，以图1这种结构需要很大的转矩输入才能将床头箱翻转竖直位置，人工很难将其翻转，要想减小旋转转矩，就须将工件的重心无限接近回转轴的回转中心，但由于床头箱外形会与回转轴干涉，最终将结构设计成两段支撑的结构，如图2所示，这种结构可以自由给定工件重心与回转轴回转中心间的距离，合理地控制回转时所需输入的转矩。

此次工装设计需对7种床头箱进行翻转，集成性较高，需选取最佳工件重心与回转中心距，通过对7种床头箱重心高度对比，选取回转中心距床头箱安装平面距离
摘要：传统主轴箱部件装配采用平装及人工翻转方法，劳动强度大、效率低且存在安全隐患。

文中介绍了一种翻转工装
的设计及应用，通过对主轴箱的翻转完成主轴部件立装工序，实现高效安全的组装。

关键词：主轴箱；装配；工装设计；高效安全
中图分类号:TH 162；TH 122
文献标志码:A
文章编号：1002-2333（2021）03-0021-03
Design and Application of Turning Tooling for CNC Horizontal Lathe Headstock
ZHANG Dongtao
(Baoji Machine Tool Group Co.,Ltd.,Baoji 721000,China)
Abstract:The assembly of traditional headstock components adopts flat mounting and manual overturning methods,which are labor-intensive,low-efficiency,and have potential safety hazards.This paper introduces the design and application of
a turning tooling.The vertical assembly process of spindle components is completed by turning the spindle box to achieve efficient and safe assembly.
Keywords:headstock;assembly;tooling design;high efficiency and safety
图1翻转构思图工件
回转轴
工装
工件
回转轴工装
图2翻转原理图
21
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为250mm （即回转轴中心高度），然后将7种床头箱模型
分别放置在工装模型上，利用三维模拟软件，测量出每个床头箱距回转中心距离及重心水平方向上距回转中心的距离，得出表1数据，以床头箱装在工装上翻转至90°时（90°时达到最大力矩）作为计算基础，进行力矩计算。

床头箱翻转至90°时，产生的力臂为床头箱重心距工装中心高差和床头箱重心水平方向距回转中心距离的合成力矩，根据三角形定理，参照图3计算出每件床头箱在工装上回转至90°方位时的力臂。

最后根据力矩计算公式：M =FL [1]，计算出每件床头箱利用工装回转时所需的最大力矩，同时这也是使用工装翻转每件床头箱时所需的最大转矩（见表1），由表1数据为基础展开设计表中7种机型翻转工装。

通过对比及数据分析选取力矩值最大的一组（即床头箱一）作为基础进行分析、设计。

2.3工装结构方案
确定
根据以
上分析得出工装的方案：工装分为支撑部分、回转部
分、动力输入部分。

1）支撑部分。

根据三角稳定原理，采用方型钢管焊接成三角形，为了与回转机构连接，支架体上部焊接平钢板作为回转体螺母支撑面；支架体
分回转工装支架和动力输入机构支架，支架两端
各焊接带孔方形凸台为锁紧机构支架。

2）回转部分（如图4）。

其原理为：通过螺钉和圆柱销将底座与两端支承轴法兰面连接（如图4中B -B 视图），再将支承轴与螺母座通过轴承（单边各两盘）连接，这样固定螺母座后，回转体就可以由支承轴带动作任意回转。

3）动力输入部分。

根据计算所得，翻转工装工作时需要最大转矩为588.93N ·m ，根据人体力学分析，人体自身无法直接通过工装将床头箱翻转，因此需加载一台减速机（如图7所示），减轻翻转时的人力输入，再配备大直径的手轮10人力可以轻松地完成翻转动作。

2.4核心零部件选取
2.4.1支承轴结构设计及选取
根据材料力学[2]分析，此处支承轴的材料选取45钢，
其具有强度较高、塑性及韧性好、切削加工性能优良[3]、材料来源方便等特点，完全满足工装的使用需求。

根据材料力学d ≥
5T [τ]
3
√
及日常使用经验确定出支撑轴直径最小
处为ϕ50，支撑轴输入轴结构如图5所示。

本次将轴设计成台阶轴，作用分别为：ϕ50g6[3]为轴与减速机连接圆，为传递转矩，设计14N9键槽，ϕ60为过渡台阶，ϕ65h6处装轴承，2.7槽为卡簧槽，与肩面一起限制轴承沿轴向自由度，ϕ75为与图4底座配合台阶，ϕ130外圆为法兰，在法兰面上钻8×ϕ13/ϕ20沉孔及2×锥销孔ϕ10，将轴与图4底座通过螺钉、锥销连接，此处轴不仅为支撑轴，同时也是动力输入轴。

另一端轴结构如图6所示，也设计成为台阶轴结构，但此处轴只作为支撑轴，其各部分作用为：ϕ65h6为轴承安装圆，2.7槽为卡簧槽，与肩面一起限制轴承沿轴向自由度，ϕ75为与图4底座配合台阶，ϕ130外圆为法兰，在法兰面上钻8×ϕ13/ϕ20沉孔及2×锥销孔ϕ10，将轴与图4底座通过螺钉、锥销连接。

2.4.2轴承的选取
根据工装的使用原理，理论上来说，工装运转时不受轴向力，且回转精度要求不高，选择深沟球轴承就能满足
表1
力矩计算表
序号机型中心高/mm 中心高
差值/mm 中心位移/mm 力臂/mm 质量/kg 力矩/
（N ·m ）1床头箱一35010010101595588.932床头箱二220-306067261171.373床头箱三240-10202320746.664床头箱四290401042351144.475床头箱五220-30203622579.386床头箱六180-702073146104.457
床头箱七
210
-40
3050
219107.31
说明：工装安装面距回转中心距离为250mm 。

图3力臂关系图
工装回转中心
L 1
中心位移L 2
力臂L
床头箱重心
支承轴1支承轴2
螺母座轴承
B
底座
A
B
A B-B
图4回转体示意图
图5输入轴结构示意图
ϕ13
2013EQS 1.6
2×锥销孔ϕ10配铰
22.50°
A-A
1:2
14N9(-0.04
)
A 1.6
1.6
2.70
+0.14G48
36536-0.14
045°45°
55
25A
350
30
120+0.80+0.30
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使用要求；但由于长时间实际使用，可能会导致两端支撑轴发生轻微弯曲变形，变形后会导致轴承承受轴向力，为了保险起见，本次设计选取角接触球轴承，该轴承能够同时承受径向载荷和轴向载荷，单列角接触球轴承只能承受一个方向的轴向载荷，在承受径向载荷时，将引起附加轴向力，因此本次采用成对组合安装，两支撑段分别装两个轴承，以DB 方式安装，这样既可避免引起附加轴向力，而其可以在两个方向使轴限制在轴向游隙范围内。

2.4.3减速机的选取
如上文所述，人体自身无法直接通过工装将床头箱
翻转，因此需加载一台减速机，减轻翻转时的人力输入，为了安全起见，此处所选的减速机必须带有自锁功能，当翻转到一定角度后，必须停止在当前位置，不能反转，否则容易发生安全事故，最终经过对比分析，此处选择一台减速比为1:100的蜗轮蜗杆减速机，再配备大直径的手轮10人力可以轻松地完成翻转动作，为了安全及延长减速机寿命，工装上设计机械锁定结构（如图7），完成翻转后将锁紧销插入孔中即可，这样既增加了安全系数，又可减少组装时冲击对减速机造成的损坏。

3工作原理
如图7所示，装夹工件前须检查工装是否完好。

装夹时，将工装底座2调至水平位置，并用锁紧销23锁紧，防止装夹零件时发生转动；再将零件用吊具吊至连接板8上用螺钉将床头箱体与连接板固定，然后用上、下各两处的螺钉16将零件顶紧，此时零件与工装装夹完成。

工装翻转时，人工顺时针转动波纹手轮11，通过减速机9传递带动底座绕两处支撑轴7做回转运动，当底座翻转至90°时，利用锁紧销将工装锁紧然后进行主轴与床头箱体的装配。

完成主轴箱装配及精度检测后，拔掉锁紧销，逆时针转动波纹手轮至水平方位，再用锁紧销锁紧工装，拆除连接螺钉，利用吊具将床头箱总成吊离工装。

此时，一次完整的床头箱装配检验过程完成。

4结语
通过使用翻转工装进行床头箱体部件装配，证明了该翻转工装大大提高了装配效率、降低人工劳动强度，增加了操作的安全性，更重要的是该工装有效解决了床头箱体装配过程的精度检测问题，对主轴与床头箱装配过程的产品质量提供了保证措施。

该工装的设计为以后的工装夹具设计提供了一种新的思路，通过简易的设计结构，有效实现了系列产品床头箱体翻转的高集成装配，为后续工装夹具的设计提供了全新的参考。

该工装可广泛应用于生产车间，为更高效地服务于生产，目前正在设计一款电动翻转工装，用电动机代替原有的人力手摇提供动力的机构，利用电动机带动减速机转动替代人工手摇转动，达到更加高效省力的效果。

[参考文献]
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[3]
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（编辑
马忠臣）
作者简介：张东涛（1990—），男，本科，助理工程师，主要从事机械设
计制造工艺及工装设计工作。

收稿日期：2020-08-20
1.支架
2.底座3，4.轴承座5.端盖6，7.支撑轴8.连接板9.减
速机10.波纹手轮11.转动手柄12~17.内六角圆柱头螺钉18，19.内螺纹圆柱销20.轴用弹性挡圈21.平键22.角接触球轴承23.锁紧销
B
1327A-A 1:10
B-B 1:10
1
2
6
7109
23
8416
A
A 5
3
141915
11
222013
12
211817
图7翻转工装结构示意图
图6支承轴示意图
13EQS
22.50°
ϕ2×10H7
44.93°
44.91°
2.7+0.140
G4859 1.6A
36-0.14
0A
0.01140
3.2
其余
倒角C B
（上接第20页）
学,2013.
[8]王巍,张莹莹,阿利由.自动制孔设备离线编程与仿真系统[J].机械工程师,2017(9):21-23,27.[9]张莹莹.自动制孔设备离线编程与仿真[D].沈阳:沈阳航空航天大学,2017.
[10]王明阳,侯志霞,潘青,等.自动制孔照相测量定位离线编程技术研究[J].航空制造技术,2015(21):112-115.
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任瑞敏,秦现生,李树军,等.基于激光距离传感器的机器人自
动制孔设备的曲面法向找正方法研究[J].机械制造,2014,52(7):
57-60.
（编辑邵明涛）
作者简介：王巍（1965—），女，硕士，教授，硕士生导师，主要研究方向
为数字化飞机制造技术、飞机装配工装的通用性及模块化设计；
周星宇（1995—），男，硕士研究生，研究方向为数字化飞机制造技术、飞机装配工装设计。

收稿日期：2020-09-15
23。