某设备偏心转动机构改进设计分析

2014-05-10余东满刘旸杨峰

机床与液压 2014年22期

余东满，刘旸，杨峰

(河南工业职业技术学院，河南南阳473000)

近二十余年来，随着世界光电产品技术的迅猛发展与进步，高、中、低端光电产品制造数量和品种在急剧膨胀，产品制造的重心也朝着亚洲和中国方面转移，导致光学设备的引进、研发和生产也随之高速发展起来。光学产品的品种、数量和精度要求越来越高，光学加工机床的数量、效率、精度也必然要随之得到提高，这就涉及到此类机床设备关键零部件的加工、装配精度和生产效率的问题。迫使相关的工程技术人员要不断去学习借鉴、研究国外先进的光学设备的设计和加工技术，设计、改进相应的零部件和整机，在更短的时间周期内，生产数量更多的、质优价廉的装备投入到生产中去。

在这类设备当中，偏心转动机构是传递动力的重要部件，要在保证传递动力足够的前提下，灵活、平稳、连续不断地把足够的动力传递出去，来保证机床连续不断地运转工作。

现就对偏心转动机构运转过程中，在保证使用性能不改变的前提下，以原有机床结构设计为基础，如何改进设计的问题，进行探讨、研究和分析。

设计改进的目的，在不降低原机构性能的前提下，结构尽可能简单优化，降低零件加工难度，方便装配，降低生产成本，提高生产效率。

下面就此类设计问题展开，对现有的结构设计和改进设计进行对比说明，以期得到加工效率更高、周期更短、成本更低、更合适、更经济的设计方法。

1 原偏心转动机构

20世纪90年代初期，国内引进的国外此类先进设备，设备价格当时为15 万人民币左右，其中偏心转动机构如图1所示。

图1 原偏心转动机构

在引进国外先进设备的基础上，消化吸收、改进设计、制造批量此类设备，每台设备造价在4 万多元，还不到进口设备价格的1/3。在国内光学设备市场，有很大的推广和应用价值。

偏心转动机构，转动用轴承沿用原机，为进口调心球轴承，型号2203，内、外径尺寸分别为20、40 mm，轴承宽度尺寸为16 mm。

在制造和装配该偏心转动机构的过程中，发现以下两种问题:

(1)2203 轴承内、外圈分别和T 型套5、轴承套2 过渡配合。间隙过大，会带来转动过程中的噪声，并影响其转动和传动的精度;过盈量过大，影响调心球轴承调心作用和转动的灵活性，进而导致此机构转动中的阻力、卡滞现象。其中轴承外圈和轴承套内孔的过盈量尤应被重视、控制，否则运转不灵活，不但会影响零件的加工质量，严重的还会伤及机器本身的有关零部件，使之寿命大幅下降，并遭受破坏。所以，间隙宁可稍大点，也不可使其过盈量偏大。

(2)轴承安装在轴承套2 内，用孔用弹性挡圈8定位卡紧。其中对应轴承厚度尺寸16 mm，轴承套深度尺寸16 mm 和安装孔用挡圈的尺寸必需要保证。尺寸大，轴承上下窜动，影响机构的转动;尺寸小，孔用弹性挡圈无法装配安装，轴承也就无法固定。

针对第一个问题，要严格控制轴承内、外圈的配合尺寸公差，并保证轴承套孔的圆度和圆柱度，使装配过程在不太大的外力下就可顺利进行，以保证此结构的转动灵活性。

图2 轴承套

对于第二个问题，在先测量确定孔用挡圈厚度尺寸的基础上，再来控制轴承套上孔用弹性挡圈槽孔的上沿离下面调心球轴承定位台距离M的尺寸公差，如图2所示。此处尺寸M的公差必须确保。

为保证上面两个问题中的尺寸公差问题，零件在加工过程中，效率宁可低一些，也要必须保证其尺寸公差，为后续的装配过程提供必要的前提准备和物质基础。

通过对进口设备的多部件反复拆卸、装配，以上两方面问题在进口设备中基本不存在。考虑到，同时期国外的现代化工业水平发展较高，国外的数控机床在当时已大量普及应用，零件加工过程的尺寸公差，通过数控机床比较容易控制，并且效率较高。所以以上两个问题，也就不可能存在。用数控机床加工，成本虽然高，但进口设备的售价特别高，所以适当增加一些成本也是必然的。

2 首次改进的偏心转动机构

对原进口设备的偏心转动机构，要保证其转动的灵活性和传动的精度。必须认真对待上面提到的两种问题，这不但增加了加工的难度，提高加工成本，还大大降低了生产效率。

同时，这也为下一步的改进设计提出了新的问题。怎样在不改变原结构工作性能的前提下，降低加工的难度，提高生产效率。

其中，对于上面提到的第二个问题，由于购买的孔用弹性挡圈，不同的批次、不同的生产厂家，厚度尺寸不一样，相差0.1～0.4 mm。本来轴承套尺寸M的公差就不好控制保证，这下，不好控制的尺寸M又成了一个变动的数值，就更加难以保证。不但难度大大增加，装配有时也变得无章可循。

在这样的情况下，通过不断了解加工和装配过程出现的问题，改进设计，最后确定的设计方案如图3所示。

图3 首次改进的偏心转动机构

方案的具体实施办法是:从轴承套和孔用弹性挡圈入手，在不改变其他零件的基础上，去掉厚度尺寸变化的孔用弹性挡圈，减小轴承套的高度，增加一个压紧调心球轴承外圈的端盖，和孔用弹性挡圈所起的作用一样。

增加一个零件端盖2，轴承套上端面增加4 个均布的M5 螺纹孔，和另外的4 个装内六角圆柱头螺钉M6 的螺钉沉孔错开，成均布的45°夹角。

这种改进设计，在保证原机构的功能特性的前提下，虽然成本略有增加，但零件加工的难度却大大降低，装配也变得比较容易、顺畅，生产效率大幅度提升，加工周期大大降低，因而在现实生产过程中，得到大量的推广和应用。使用时间大概持续有十余年，生产数量初步统计在70 000～90 000 余套，创造出不少的价值。原偏心转动结构只使用了短短的两年左右，便被淘汰，从不再用。

3 最新改进偏心转动机构

由于第一次改进后的结构，零件的加工难度降低，生产效率提高，生产周期缩短，生产又比较顺畅，再加上平时的生产任务又重，所以也就没有人再动改进设计的念头，以致使得这一次不大的改进持续应用十多年。

近十年来，该种设备生产技术越来越成熟，市场的需求量也急剧膨胀，再加上同行的竞争压力也很大，该型设备已从20世纪90年代初的4 万多，降到现在的2 万多，竞争的残酷性可想而知。

怎样才能在保证产品性能质量不变的前提下，大幅度降低生产成本，缩短生产周期，提高供货能力，短时间内给用户提供质优价廉的设备，无疑是亟待解决的关键性、综合性的一大难题。

机械设备是为了完成既定的某些功能，有多种零、部件有机组合。机械零件的数量越多，结构越复杂，尺寸公差要求越严，加工时间就越长，加工成本就会增加，加工周期也自然变长。

图4 最新改进偏心转动连接机构

零件结构越简单，零件数量越少，零件精度越低，能买到的尽量买通用件、标准件，这样在理论上讲，可以大幅度降低成本，缩短加工周期。

长时间伴随着这种理念和想法，便有了下面更简单的改进设计。具体设计见图4。

在这种改进设计里面，基本上看不到加工的零件，零件简单，数量极少，最大限度地借用常用件、标准件。具体分述如下:

T 型套1 是这次设计里面唯一的一个加工零件，简单。同时，也可用几个叠加组合的平垫圈和一个放在上面的弹簧垫圈替代，但要求高度要和T 型套1 的高度基本一致。

T 型螺钉2 为标准件，M12 ×70，价格1 元左右，可代替方头螺栓——原来设计中为加工零件。

关节轴承(PHS12)3 直接购买，价格不到5元，大约是原来调心球轴承2203 价格的1/8。

通过查轴承手册，选用的关节轴承PHS12 要比原调心球轴承2203 的动载荷数值大30%以上，静载荷数值大300%以上。因该结构的转动速度理论数值为72 r/min，所以极限转速也就不须再考虑。

通过以上的分析可得到以下的结论:

在成本方面。改进设计后，4 个品种4 个件，基本没有加工周期，随时都可以大量采购到，价格成本也仅有8～10 元，只有原设计结构造价的1/15 左右。

在装配方面。因为结构的简化设计，装配更加方便、省心。就螺钉而言，3 个品种共12 个螺钉全部省略。同时，原结构的零件分别有5 处和6 处的配合关系，也全部省略掉。对于仅有的4 个件，既没有配合关系的要求，也没有装配的精度要求，装配的时间肯定大大缩短。对装配人员的个人技能和装配工具的要求更加简单，人力、物力的成本自然大幅度降低。

在加工方面。原设计结构有6 个零件，其中4 个工序复杂，还有1 个铸造件。改进设计后，零件数量也仅有1 个(也可以说没有，用标准件替代)，且比较简单，没有加工难度。比起以往的设计，加工周期变得很短，已经可以忽略不计;同时，相关的制造成本也大幅度降低，以致于忽略不计。

综上分析，最新的偏心转动机构设计的关键点，也是该设计的亮点，就是杆端关节轴承PHS12 的选用。通过选用这一常用件轴承，一切问题都迎刃而解。结果是，一套常见的、便宜的关节轴承代替比较少见的、昂贵的调心球轴承，同时又甩掉了绝大多数比较难加工、并且有配合关系的零件，也把相关的固定螺丝全部省略，节约了人力、物力成本，节约了零件加工、装配时间，大大缩短了加工周期，为该产品在市场竞争中争得了最大的优势和机会。

此结构设计好后，在短时间内，已批量生产，大量应用在生产设备中。同时，也有不少厂家开始关注、仿制此结构。此结构自设计出来到现在的两年时间里，已在社会上得到了认可，大量的推广和应用，已经和正在产生着更大的社会经济效益。