精密分度工作台的设计与研究

第１７卷第６期　茂名学院学报　ＪＯＩ『ＲＮＡＩ。ＯＦ　ＭＡ０Ｍ　Ｇ　Ｉ　Ｉ、，ＥＲＳｎＹ　Ｖ０１．１７　Ｎｏ．６　Ｄｅｃ．２００ｒ７　２ＯＯ７年１２月　精密分度工作台的设计与研究　王安民　，肖日增　，黄振卫　（Ｉ．茂名学院机电工程学院，广东茂名５２５０００；２．茂名职业技术学院，广东茂名５Ｚ．￣００）　摘要：通过对差动分度原理的研究，提出了一种最小分度值达　的分度方法，并对精密分度工作台的结构进行了优化设计。　同时，还阐述了端齿盘的易位对研工艺，对分度精度作了分析。为了便于计算和检测齿盘转过的齿数，使分度工作台的操　作更加简便，设计了单片机系统结合光电断路器的电路，并且编写了单片机程序。　关键词：差动分度；分度工作台；精密分度；单片机　阜中图分类号：１Ｈ１６１　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１—６５９０（２００７）０６一ＯＯ２４—０５　０　引言　分度装置在机械加工、航空工业、精密仪器和计量部门等国民经济和国防建设领域中有着广泛的应　用。随着科学技术的不断发展，越来越多的产品不仅要求有较高的分度精度，也要求有较小的分度值。　利用差动分度原理设计的分度台，在现有条件和工艺水平下，可获得足够小的分度角，就能够较好地　解决传统端齿分度台存在的上述问题。差动端齿分度工作台是采用两对或多对端齿盘叠合在一起，利用　各对齿盘之间的齿数差来进行角度细分的一种高精度的圆分度装置。理论上可以利用三对或三对以上的　齿盘进行多级差动分度，得到极小而且精确的最小分度角，但因其结构复杂，操作麻烦，难以实现，没有实　用价值。另外，端齿盘采用弹性齿可以补偿加工误差的影响，以改善啮合状态，提高分度精度。［１】　１差动分度的原理　工作台抬起式的端齿分度台（如图Ｉ所示）在分度时，工作台需抬起一个齿高，使上、下齿盘脱离啮合　后，才能转动工作台进行分度。这样不仅影响端齿分度台本身的工作质量，而且在使用中常会带来很多麻　烦甚至无法克服的问题，使端齿分度台的进一步扩大使用受到限制。采用工作台不抬起的端齿分度台（如　图２所示），能较好地解决这一问题。故本设计采用工作台不抬起式的结构方案。　Ａ　上组齿盘　下组齿盘　图Ｉ工作台抬起式端齿分度台示意图　图２工作台不抬起式端齿分度台示意图　在本研究中（如图２所示），齿盘Ａ与齿盘Ｂ合称为上组齿盘；齿盘ｃ与齿盘Ｄ合称为下组齿盘。齿　收稿日期：２００７—０９—０１；修回日期：２００７一１０—２７　作者简介：王安民（１９僻一），男，湖南祁阳县人，本科，教授，从事机电一体化教学和研究。　维普资讯 http://www.cqvip.com 第６期　王安民等：精密分度工作台的设计与研究　盘Ａ与齿盘Ｄ合称为内组齿盘；齿盘Ｂ与齿盘Ｃ合称为外组齿盘。　差动端齿分度工作台（如图１所示）采用两对（或多对）端齿盘叠合在一起，利用各对齿盘之间的齿数　差来进行角度细分。假设上组齿盘的齿数ｚ】＝３６，下组齿盘的齿数ｚ２＝４０。首先使上组齿盘脱离啮合，　当上组齿盘的上齿盘相对于下齿盘顺时针转过一个齿时，转角为口　＝　＝　＝１０＂。这时，使上组齿　盘重新啮合，然后使下组齿盘脱离啮合。当下组齿盘的上齿盘相对于下齿盘逆时针转过一个齿时，转角为　口：＝　３６＿０＇＝　＝　。此时，工件获得了较小的转角，顺时针转过了口。＝口　一口：＝１（ｙ，一　＝１。。显然，通　过两组齿盘的差动，实现了角度细分。　为了方便阐述，以上是用工作台抬起式端齿分度台来说明差动分度原理的，其最小分度角通式如下：　口。：［０　粤一一　］　ｊ．‘３ｊ６　０Ｐ　（１）　式中：Ⅳ】为上组齿盘顺时针相对转过的齿数；Ⅳ２为下组齿盘逆时针相对转过的齿数。ｚ】为上组齿盘副　的齿数；ｚ２为下组齿盘副的齿数。　工作台不抬起式端齿分度台最小分度角通式也是一样的，此时，Ⅳ】为外组齿盘的下齿盘顺时针转过　的齿数；Ｎ２为内组齿盘的上齿盘逆时针转过的齿数；ｚ】为外组齿盘副的齿数；ｚ２为内组齿盘副的齿数。　２　内外组齿盘应转过的齿数的计算　为了使本分度工作台具有较广泛的通用性，同时其又能够在目前的工艺水平下被方便地设计和制造，　取ａ。＝　。另外，为了使该分度工作台既能进行差动分度，又能方便地进行非差动分度，令其中的一组齿　盘的齿数为３６０的倍数。通过对差动分度原理的研究，经过计算，取外组齿盘副的齿数ｚ】＝９０１，内组齿　盘副的齿数　＝７２０。对于任意一个分度角度值ａ，内、外组齿盘应转过的齿数的计算公式如下：　当Ｏ≤口　＜口１／２时　ｌ＝　Ⅳ　一　ｚ】　（２）　：＝一（　Ⅳ２一　ｚ：）　（３）　当口１，２≤口。＜口ｌ时　一（　Ｎ　一　ｚ】）　（４）　（　Ⅳ２　ｚ２）＋　（５）　在各式中：ｎ　为外组下齿盘需转过的齿数（正为顺时针，负为逆时针）；ｎ：为内组上齿盘需转过的齿　数（正为顺时针，负为逆时针）；ａ。为差分角度值，即不足内齿盘一齿所对应的角度值（＜３０，）；口。为分度工　作台的最小细分角度值，ａ。：　；ａ　为内齿盘一齿所对应的角度值，ａｌ＝３０＇；Ｋ　为当Ｏ≤ａ。＜ａ　，２时，取　（　Ｎ】）／ｚ　的整数值，当ａ　，２≤ａ。＜ａ　时，取（　云　Ⅳ】）／ｚ　的整数值；　为当ｏ≤ａ。＜ａ　／２时，取（　Ⅳ２），ｚ２的整数值，当ａ　，２≤ａ。＜ａ　时，取（　云　Ⅳ２），ｚ２的整数值；Ⅳ】为差动最小分度角ａ。＝　时外组　齿盘的下齿盘转过的齿数，Ｎ　＝２２４；Ｎ　为差动最小分度角ａ。＝　时内组齿盘的上齿盘转过的齿数，Ｎ２＝　１７９；ｚ１为外组齿盘副的齿数，ｚ１＝９０１；ｚ，为内组齿盘副的齿数。ｚ’＝７２０。　维普资讯 http://www.cqvip.com 茂名学院学报　２００７年　３分度工作台结构的设计计算　３．１端齿盘的设计计算　经过设计计算，端齿盘的参数确定见表１。　表１端齿盘的参数　３．２升降系统的设计　本分度工作台采用工作台不抬起式的结构，在差动分度前，内组上齿盘和外组上齿盘需要升起；在差　动分度完成后，内组上齿盘和外组上齿盘需要下降，与下组齿盘在预紧力的作用下紧密啮合。为此，要设　计升降机构，以实现上组齿盘的升降与产生足够的预紧力。Ｌ４　实现上组齿盘的升降可以采用两种方案，一是用螺纹来升降；－－是用偏心轴来实现升降。它们都是利　用手柄的角位移转变成升降轴的直线位移。梯形螺纹的工艺性好，加工比较容易，牙根强度高，螺纹副对　中性好，传动性能可靠。经过比较，采用梯形螺纹升降方案。另外，还计算了手柄的旋转力矩和旋转力，并　对梯形螺纹副的自锁性能进行了校核。　４精度分析　端齿盘的分度精度之所以很高，是由工艺过程（易位对研）误差平均效应、多齿啮合误差平均效应及齿　的弹性补偿误差效应三者共同作用的结果。目前我国的端齿盘加工精度已达到很高的水平。本精密分度　工作台在非差动分度时，分度精度可达±０．ｒ；在差动分度时，总分度误差为±１．　。本分度工作台在差动　分度时，能接近高精度；而在非差动分度即常规分度时，却能达到超高精度。　５单片机电路的设计　５．１提出问题　问题Ｉ。在差动分度原理的设计计算中，研究出了最小分度值达到　的分度方法。对于某一具体的　分度角，在差动分度前，先要用公式（２）、（３）或（４）、（５）计算出内、外组齿盘转过的齿数ｎ。、ｎ：，然后才能进　行分度。但公式（２）、（３）、（４）、（５）都比较复杂，对于普通使用者来说比较难掌握，在计算时容易算错。这　样一来，操作不仅不方便，而且效率低，还容易出错，将极大地影响分度台的实际应用。　问题Ⅱ。在计算出内、外组齿盘应转过的齿数ｎ。、ｎ：后，才能根据ｎ。、ｎ：来转动上下刻度圈进行分度　操作。转动刻度圈时，要一边转动一边观察是否转过了ｎ。或ｎ：个齿，以确定是否转到了预定位置。但由　于ｎ．、ｎ　的数值往往较大，上下刻度圈要转过的齿数也就较多。如此，同样也容易出错，难以准确把握。　５．２分析解决问题　为了解决第一个问题，经过分析与研究，本设计采用单片机系统来计算内、外组齿盘转过的齿数ｎ．、　，ｌ　。首先对（２）、（３）、（４）、（５）式作分析，研究出解决计算ｎ．、ｎ：的程序算法，然后把（２）、（３）、（４）、（５）式的　数学关系编写出相应的单片机程序，同时在电路中，根据需要设计出键盘电路和数码显示器电路。分度　前，在键盘中输入分度值，然后运行程序便可以计算出ｎ。、ｎ：。ｎ。、ｎ：的值算出后存储在数据存储器中，　接着立即输出到数码管显示出来。　为了解决第二个问题，本设计采用光电断路器，同时结合单片机的外部中断来对转过的齿数进行计　维普资讯 http://www.cqvip.com 第６期　王安民等：精密分度工作台的设计与研究　２７　数。在分度之前，先通过键盘输入分度值，运行程序计算出内、外组齿盘应相对转过的齿数ｎ　、ｎ：后存储　到数据存储器。然后转动刻度圈，刻度圈带动齿盘旋转，光电断路器检测转过的齿数，并将脉冲信号输入　到单片机的中断入口，单片机对脉冲信号进行计数，计数值就是转过的齿数。然后通过程序对该计数值分　别与保存在数据存储区的ｎ　、ｎ：进行代数运算，计算出余下的齿数并显示在数码管上。直到显示值为零，　则内、外组齿盘相对转过了ｎ　、ｎ：，即分度完成。　通过设计出单片机系统结合光电断路器，用程序计算出ｎ　、ｎ：，并用光电断路器检测电路检测出转过　的齿数，同时由单片机自动计算出剩下的齿数，以判断是否分度完毕，更方便分度工作台方便操作。［６　】　５．３电路设计　为了检测出齿盘转过的齿数，本设计采用反射型光电断路器来作为检测元件，它由红外发光二极管和　光敏三极管互成一定角度封装成一体，其交点在距离器件５　ａｒｉｎ处。工作时，红外发光二极管发出约　９２０　Ｒ１ＴＩ左右波长的红外光向前方空间发射，若被前方的齿所遮挡，红外光将被反射回来并被光敏三极管　接收，从而使光敏三极管导通。如果前方是齿槽，则无物体遮挡，光敏三极管就处于截止状态。　齿数计数电路如图３所示。反射型光电断路器的输出各自经过一个电阻与反相器的输入端直接耦　合。各路信号经过反相器后，到达集成双Ｄ型触发器ＣＣＡＯ１３的Ｄ输入端及ＣＰ输入端，再经过Ｄ型触发　器及与非门之后，分别送至８０５１的外部中断０、１和计数器中断的，ＩＤ、Ｔ１端。　当外组下齿盘顺时针转时，光电断路器Ｅ１不断检测转过的齿数，将脉冲信号输入到单片机的外部中　断Ｏ，在脉冲信号的下降沿，通过８０５１的中断响应对转过的齿数进行加一计数；此时，由于Ｄ型触发器的　作用，外部中断１的输入端一直保持为高电平，光电断路器Ｅ２不计数。当外组下齿盘逆时针转时，光电断　路器Ｅ２检测到转过的齿数，把脉冲信号输入单片机的外部中断１，对反转过的齿数进行累加计数；此时，　同样由于Ｄ型触发器的作用，光电断路器Ｅ１不计数。图４为对外组下齿盘顺时针转动计数时的脉冲波形　图，图中显示了光电断路器相对齿的９个计数位置，同时在其上画出了对应的脉冲信号。正反计数值之差　就是齿盘转过的总齿数。内组上齿盘正反转的齿数计数原理也是一样的。　　．　。自岔仓凸凸企自自　△Ｅ２　图３齿数计数电路　图４齿数检测波形图　６结论　本精密分度工作台，采用基于弹性齿的差动分度原理，既能用来差动分度，又能用于常规分度，最小分　度值达２”的在分度时工作台不用抬起，同时采用单片机技术使工作台操作起来更加方便。　［参考文献］　［１］徐峰，李庆祥．精密机械设计［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００５．　［２］金令诚．精密弹性多齿分度台的结构与设计［Ｊ］．仪表技术与传感器，１９８８（３）：８—１１．　［３］徐金武．关于端齿盘的对定原理和分度精度问题［Ｊ］．机电工程，１９９５（１）：３９—４１．　维普资讯 http://www.cqvip.com ２８　茂名学院学报　２ＯＯ７年　［４］南欢，许春香．端齿盘的参数设计与应用［Ｊ］．机械传动，２０Ｏ６（５）：７．　［５］金令诚．端齿盘齿面研磨工艺的探讨［Ｊ］．现代制造工程，１９８７（１２）：６—９．　［６］胡乾斌．单片微型计算机原理与应用［Ｍ］．武汉：华中科技大学出版社，２ｏ０５．　［７］孟凤果，曹振军．单片机应用自学通［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００５．　［８］吴桂秀．传感器应用制作入门［Ｍ］．杭州：浙江科学技术出版社，２ＯＯ４．　Ｔｈｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｐｒｅｃｉｓｅ　Ｉｎｄｅｘｉｎｇ　Ｔａｂｌｅ　ＷＡＮＧ　Ａｎ—ｒａｉｎ１，ＸＩＡＯ　Ｒｉ—ｚｅｎｇ，ＨＵＡＮＧ　Ｚｈｅｎ—ｗｅｉ　（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ａｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ＥｒＩ　，ＭａｉｍｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，№ｌ０｜ＩｌｉｒＩｇ　５２５０００，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｎａｏｍｉｎｇ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｍａｉｍｉｎｇ　５２５０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓ　：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　０ｆｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｉｎｄｅｘｉｎｇ，ｔｈｅ　ａｕｔｈｏｒｓ　ｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ　ａｎ　ｉＩｌｄｅ　唱ｍｅｔｈｏｄ　ｗｈｌｅｈｉｎｄｅｘｉｎｇ　ａｗ，ｌｅ　ｃａＩＩ　ｒｅａｃｈ　ａ８缶　ａｓ　２，，，ａｎｄ　ｏｐｔｉｍ￣ｔｈｅ　ｓｌａ＇ｕｅｔｕｒｅ　０ｆｔｈｅ　ｐｒｅｃｉｓｅ　ｉｒ，ａｅｘｉｎｇ　ｔａｂｌｅ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　０ｆ嘶　０ｎ　ｌ印曲　０ｆｅｎｄ—ｔｏｏｔｈ　ｐｌａｔｅ　ｉｓ　ｒｅｐｏｒｔ－　ｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅｉｎｄｅｘｉｎｇ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｉｓ　ａｎ．１ｒ￣．Ｎｏｒｅｏｖｅｒ，ｉｎｏｒｄｅｒｔｏ　ｃａｌｃｕｌａｔｅ　ａｎｄ　ｄｅｔｅｃｔ　ｔｈｅ　ｒｏｔａｔｅｄ　ｔｏｏｔｈ　ｎｌｍｌｂｅｌｒ　０ｆｔｈｅ　ｅｎｄ—ｔｏｏｔｈ　ｐｌａｔｅ　ｅ，ｌｆｍ‘－　ｌｙ。ａｎｄｉｎｔｌｋｅｔｈｅｉｎｄｅｘｉｎｇｔａｂｌｅ　ｃａｐａｂｌｅｔＯ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｌｙ，ａ　ｃｉｒｃｕｉｔ　０ｆ　ｓｉｎｇｌｅ—ｃｈｉｐ　ｒｎｌｅｒｏｅｏｍｐｕｔｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈ　ｐｈｏｔｏｄｏｅ－　ｔｒｉｅ　ｂｒｅａｋｅｒｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．ａｎｄｉｔｓ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｈａｓ　ａｌｓｏ　ｂｅｅｎｗｒｉｔｔｅｎ　ＯＵｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｉｆｅｒｅｎ￣ａｌ　ｉｎｄｅｘｉｎｇ；ｉｎｄｅｘｉｎｇｔａｂｌｅ；ｐｒｅｃｉｓｅ　ｉｎｄｅｘｉｎｇ；ｓｉｎｇｌｅ—ｃｈｉｐ　ｍｌｅｒｏｅｏｍｐｕｔｅｒ　（上接第１９页）　增长最主要的区域，经济还要发展，但对发展的内容和方向必须重新选择确定。今后应根据制约区域经济　发展的主要因素，因地制宜、因势利导地选择发展方向，不能不加区别地盲目发展高耗能、高耗水、高污染　产业。必须转变经济增长方式，摆脱传统的工业化模式，走科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污　染少、人力资源优势能得到充分发挥的新型工业化路子，把经济结构的战略性调整作为发展经济的主线。　［参考文献］　［１］青海２ｏ０５年统计年鉴［Ｍ］．北京：中国统计出版社，２ｏ０５．　［２］赵宏利．三江源特色产业发展构想［Ｊ］．开发研究，２００４（３）：２８—３０．　［３］陈修文．青海省牧业县特色产业发展总体思路［Ｊ］．中国农业资源与区划，２００３（６）：５８—６２．　［４］青海省农业资源区划办公室．青海省农业生态环境［Ｍ］．西宁：青海人民出版社２００２：５８．　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｃｌｕｓｔｅｒ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｉｎ　Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　ＣＨＥＮ　Ｘｉｕ—ｗｅｎ　，ＺＨＡＯ　Ｈｏｎｇ—ｌｉ　，ＷＵ　Ｊｉａｎ—ｈａｉ２，ＺＨＡＮＧ　Ｃｈｕｎ—ｌａｎ２，ＳＨＩ　Ｘｉｎ—ｆａｎｇ２，ＺＨＡＯ　Ｃｈｅｒｌｇ—ｌｏｎｇ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ａｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｍａｏｍｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｍａｏｍｉｎｇ　５２５０００，（１ｔｉｎａ￣　２．Ｐｌａｔｅａｕ　Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ａｆ　Ｑｉｎ０１＂￣Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｘｉｎｉｎｇ　８１０００３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｌ＇￣＿，Ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ　ｄｉｖｉｓｉｏｎ　ｃａＩＩ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｔｈｅ　ｄｅｃｉｓｉｏｎ—ｍａｋｅ：ｒ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒａｔｉｏｎａｌ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　０ｆ　ｓ０愀，ａｄｊｕｓｔ＿　ｍｅｒｉｔ　ａｎｄ　ｏｖｅｒａｌｌ　ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ　０ｆｉｎｄｕｓｔｒｙ．ａｎｄ　ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｏｃｉｅｔｙ　ａｎｄ　ｅｃｏｎｏｌＴｌｉｃｓ．Ｃｌｕｓｔｅｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｓ　ａｐｐｌｌｅａ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ．ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｅｘｐｅｃｔｅｄ　ｔｏ　ｂｅ　ｈｅｌｐｆｕｌ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　０ｆｔｈｅ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｒｅｇｉｏｎａｌ　ｅｃｏｎｏｍｉｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆａｃｔｏｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｄｕｓｔｅｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ　ｄｉｖｉｓｉｏｎ