羅煜林，陳懷民

(集美大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，福建廈門 361021)

隨著人類社會(huì)不斷進(jìn)步，工業(yè)水平和科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，人們?cè)絹碓蕉嗟卦谏a(chǎn)過程中利用先進(jìn)技術(shù)將自己從繁重、乏味的工作中解脫出來。現(xiàn)在，工業(yè)加工過程中，自動(dòng)化已經(jīng)成為人們追逐的目標(biāo)，自動(dòng)化設(shè)備不僅可以提高工人的勞動(dòng)生產(chǎn)效率、節(jié)省人力資源、降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，而且還可提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量。因此，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)自動(dòng)化將成為未來的一種必然的趨勢(shì)。

為提高設(shè)備自動(dòng)化程度，改善設(shè)備柔性，需使用到一些機(jī)械裝置。例如機(jī)械手、升降機(jī)構(gòu)等。機(jī)械手柔性好，在處理復(fù)雜的工藝時(shí)效率高。但是，機(jī)械手成本高，中小型企業(yè)由于經(jīng)濟(jì)性，不會(huì)考慮使用機(jī)械手。而且在簡單動(dòng)作構(gòu)成的工序中，機(jī)械手的使用價(jià)值就大打折扣了。這時(shí)專用自動(dòng)化加工設(shè)備在提高自動(dòng)化程度上就顯得尤為重要。

升降機(jī)構(gòu)作為大部分自動(dòng)化設(shè)備所必須具備的機(jī)構(gòu)，是提高自動(dòng)化水平的重要手段，它可以用于物料的傳送、零件的定位等。它不僅可以提高設(shè)備的自動(dòng)化程度，還能改善設(shè)備的加工柔性。目前市場上存在的升降機(jī)構(gòu)有蝸輪絲桿升降機(jī)、升降臺(tái)、絲桿螺母升降機(jī)構(gòu)、齒輪齒條升降機(jī)構(gòu)、錐齒輪升降機(jī)構(gòu)、皮帶升降、鏈條升降等。但由于自動(dòng)化的工作環(huán)境千差萬別，市場已有的升降機(jī)構(gòu)并不能完全滿足所有升降環(huán)境。

在自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)中，會(huì)存在市場上已有的產(chǎn)品不能適用的情況，需要根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)出符合工作要求的輔助裝置。同時(shí)，為提高自動(dòng)化加工設(shè)備的加工范圍，需要設(shè)備具有柔性。作者的出發(fā)點(diǎn)是:設(shè)計(jì)的自動(dòng)化設(shè)備的加工對(duì)象是一系列具有不同規(guī)格尺寸、精度較高的零件，要求升降裝置具有一定的穩(wěn)定性和高的精度。但是市場上沒有合適的通用機(jī)構(gòu)能滿足這種工藝要求。從這個(gè)角度出發(fā)，提出一種新型升降裝置。由于考慮到設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，它不僅可以手動(dòng)控制，而且可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)升降。它承載能力高、穩(wěn)定性好。但缺點(diǎn)在于能調(diào)節(jié)的高度范圍比較小。

1 裝置的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)和功能

文中提出的裝置從上到下主要由以下幾個(gè)部件構(gòu)成:2對(duì)T型槽傳動(dòng)裝置、T型螺母、4副圓導(dǎo)軌、1根帶有正反螺紋的螺桿、1個(gè)蝸輪蝸桿減速器、1副手輪。此裝置兩端呈對(duì)稱分布，T型槽傳動(dòng)裝置安裝在頂端，下面聯(lián)接著T型螺母，T型螺母與螺桿配合傳動(dòng)，螺桿聯(lián)接蝸輪蝸桿減速器的蝸輪零件。當(dāng)手輪帶動(dòng)蝸輪蝸桿減速器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，同時(shí)帶動(dòng)螺桿螺母傳動(dòng)，螺母與T型槽傳動(dòng)裝置相互聯(lián)接，由此帶動(dòng)兩端T型槽的運(yùn)動(dòng)，由于螺桿攻有正反螺紋，所以T型槽傳動(dòng)裝置會(huì)朝著相反方向運(yùn)動(dòng)。利用T型槽傳動(dòng)裝置的斜面可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的升降。

圖1 升降裝置三視圖

1.1 T型槽傳動(dòng)裝置

T型槽傳動(dòng)裝置是由兩種不同參數(shù)且具有一定斜度的鐵塊組成，利用鐵塊的斜面可以調(diào)整裝置的高度。體積較大的鐵塊材料是45號(hào)鋼，其結(jié)構(gòu)參數(shù)為:底面長寬300 mm×120 mm，兩側(cè)邊長邊高度75.68 mm，短邊高度32 mm。斜面與水平面成20°角，在距離側(cè)邊30 mm處加工2個(gè)對(duì)稱的T型槽，T型槽的方向與斜面平行。T型槽主要參數(shù)A×B×C為18 mm×32 mm×14 mm，具體參數(shù)可以參照機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).使用兩個(gè)帶有T型凸塊的小楔形鐵塊來配套T型槽，小鐵塊的參數(shù):底面長寬為100 mm×68.69 mm;兩側(cè)邊高度，長高為40 mm，短高為15 mm。

T型槽傳動(dòng)裝置中的斜鐵塊表面經(jīng)過調(diào)制處理，表面粗糙度要達(dá)到0.8 μm，具體如圖2所示。

圖2 T型槽傳動(dòng)裝置

1.2 螺母和螺桿

將一對(duì)T型、螺紋方向相反的螺母和兩端攻有正反螺紋的螺桿組成傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。螺母的兩肩攻兩個(gè)螺紋孔，用于將螺母鎖緊在大楔形鐵塊下方，利用蝸輪蝸桿減速器帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)來帶動(dòng)整個(gè)裝置的運(yùn)動(dòng)。螺桿長度為900 mm，兩端螺紋長度為150 mm，規(guī)格M18×2.0。軸上加工一軸頭，與蝸桿蝸輪配合，其直徑與蝸輪孔徑相同，為25 mm。軸頭長度為92 mm，軸頭上加工一鍵槽，鍵槽的尺寸規(guī)格為8 mm×92 mm。見圖3。

圖3 螺母螺桿三視圖

1.3 圓導(dǎo)軌

所設(shè)計(jì)裝置不需要高速運(yùn)動(dòng)，行程較短，考慮到經(jīng)濟(jì)性，在此處選用標(biāo)準(zhǔn)件圓導(dǎo)軌。圓導(dǎo)軌安裝在大楔形鐵塊兩側(cè)，是通過直線軸承在光軸上滾動(dòng)或滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的。由于小滾珠直接和光軸接觸，需要良好的防塵措施來保持清潔。

1.4 蝸輪蝸桿減速機(jī)

因?yàn)檠b置需要有自鎖功能，所以選擇了蝸輪蝸桿減速機(jī)。蝸輪蝸桿減速機(jī)還具有以下優(yōu)勢(shì):(1)機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊、體積輕巧、小型高效;(2)熱交換性能好，散熱快;(3)安裝簡易、靈活輕捷、性能優(yōu)越、易于維護(hù);(4)傳動(dòng)速比大、扭矩大、承受過載能力高;(5)運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲小，經(jīng)久耐用;(6)適用性強(qiáng)、安全可靠性大。此裝置的優(yōu)點(diǎn)在于可用于空間位置緊湊的工作環(huán)境，所以要求減速機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比大、扭矩大、承受過載能力高。

2 裝置主要結(jié)構(gòu)的受力分析

2.1 自鎖現(xiàn)象

根據(jù)力學(xué)原理，如果所有作用力的合力位于摩擦角之內(nèi)，則無論力多大，物塊都將保持平衡狀態(tài)，所以必須計(jì)算T型槽傳動(dòng)裝置中斜鐵塊的摩擦角是否會(huì)發(fā)生自鎖現(xiàn)象。因?yàn)檎麄€(gè)裝置是對(duì)稱分布的，所以只需取其中一個(gè)角來分析即可，其受力簡圖見圖4。

圖4 斜鐵塊受力簡圖部分

經(jīng)查閱可得45號(hào)鋼之間的靜摩擦因數(shù)fs=0.15(沒有加潤滑油的情況)，根據(jù)自鎖原理當(dāng)tanα＜fs時(shí)，無論P(yáng)有多大，物塊始終不動(dòng)?？芍?20°，經(jīng)計(jì)算:

tanα =tan20°=0.364

tanα＞fs=0.15

所以裝置不會(huì)自鎖。

2.2 摩擦力和所需推力

裝置不會(huì)自鎖，還需計(jì)算大小斜鐵塊之間的摩擦力，以及需要多大的力才能將裝置推動(dòng)。因?yàn)閷?duì)稱，取其中一個(gè)作為分析對(duì)象即可，受力簡圖如圖5所示。

圖5 楔形鐵塊受力簡圖

由受力分析可知，當(dāng)物塊在快開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，還處于平衡狀態(tài)，則:

式中:FN為小楔形鐵塊受到的法向作用力，N;

Q為推動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)所需的作用力，N;

Fmax為裝置開始運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的最大摩擦力，N;

P為裝置所承受的重力，N;

α為楔形鐵塊斜面與水平之間的角度;

fs為45號(hào)鋼之間的靜摩擦因數(shù)，為0.15(不加潤滑油)。

將P=1 000 N、fs=0.15、α=20°代入可得:Q=544 N，F(xiàn)max=140.95 N。

因?yàn)橛?個(gè)相同的裝置，所以Q總=2 176 N。選取的蝸輪蝸桿減速器的傳動(dòng)比為1∶7.5，傳動(dòng)效率為82%。所輸入的力大約為:

成年人可使出的力平均為702N，所以符合手動(dòng)用途。當(dāng)裝置用于自動(dòng)時(shí)，需要計(jì)算伺服電機(jī)額定功率。這樣可以更好地選取伺服電機(jī)，以免選取功率過高造成浪費(fèi)，或是選取功率過低損害伺服電機(jī)。但計(jì)算出的一般都是理論功率值，所以還需計(jì)算實(shí)際功率值。

2.2.1 升降裝置伺服電機(jī)功率理論值計(jì)算

升降時(shí)所需的功率為:

式中:Ps為升降時(shí)所需功率的理論值，kW;

P為升降裝置承受的載荷，N;

vs為升降裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度，m/s;vs=0.01 m/s;

η1為伺服電機(jī)的效率，一般取η1=0.9;

η2為機(jī)械效率，一般取η2=0.75。

2.2.2 升降裝置伺服電機(jī)功率實(shí)際值計(jì)算

電機(jī)的理論值與實(shí)際值有差距，存在這些差距的主要原因是:機(jī)構(gòu)之間存在的各種摩擦力，T型槽傳動(dòng)裝置、螺母、螺桿的加工誤差，傳動(dòng)過程中的功率損耗等，所以升降裝置的功率增加20%。升降裝置的實(shí)際功率為:

求得升降裝置伺服電機(jī)所需的功率為0.02 kW，可以選取額定電機(jī)功率為0.05 kW。

其他都是經(jīng)過經(jīng)驗(yàn)計(jì)算求得的，這里不做說明。

3 結(jié)束語

升降機(jī)構(gòu)在自動(dòng)化設(shè)備中會(huì)經(jīng)常使用到，是提高設(shè)備自動(dòng)化水平的重要手段，而且在選用升降機(jī)構(gòu)上也比較靈活，并不是所有升降機(jī)構(gòu)都可以適用于所有環(huán)境，所以有時(shí)在選用升降機(jī)構(gòu)時(shí)要懂得適當(dāng)?shù)刈兺ǎO(shè)計(jì)出新的、合理的機(jī)構(gòu)。

該裝置的優(yōu)點(diǎn)在于:裝置所占用的空間小，而且升降高度的精度較高，適合用于安裝空間較小、精度要求高、但高度調(diào)整范圍不需要很大的場合。經(jīng)過試驗(yàn)，文中所介紹的裝置是完全可行的，為設(shè)備自動(dòng)化中的升降提供了一種新型方法。

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