聶小春，卜福財(cái)，高 琴

（1.廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510925；2.佛山市皇派門(mén)業(yè)有限公司，廣東 佛山 528100；3.北京科技大學(xué)高等工程師學(xué)院，北京 100089）

在一家公司指導(dǎo)學(xué)生實(shí)訓(xùn)時(shí)，有學(xué)生在暗花刻繪崗位上實(shí)習(xí)，通過(guò)操作暗花刻繪設(shè)備刻繪時(shí)發(fā)現(xiàn)有精度方面的誤差，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善。本文對(duì)該公司的立式暗花刻繪機(jī)現(xiàn)行結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，提出改進(jìn)設(shè)計(jì)方案使設(shè)備工作安全穩(wěn)定并且可靠，暗花的刻繪精度得到大大提高。暗花立式刻繪機(jī)廣泛應(yīng)用在各種玻璃圖案工藝品的制作上。

1 暗花立式刻繪機(jī)現(xiàn)狀

暗花立式刻繪機(jī)是在貼了膠紙的玻璃上刻繪各種各樣的圖案的設(shè)備，主要由進(jìn)給裝置1、刻繪裝置2、控制裝置3 和刻繪機(jī)本體等部分組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

圖1 暗花立式刻繪機(jī)

該暗花立式刻繪機(jī)工作原理如下：人工將貼了膠紙的玻璃板放至刻繪機(jī)的平臺(tái)上，然后控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)給裝置1 進(jìn)行自動(dòng)化控制，進(jìn)給裝置1 帶動(dòng)刻繪裝置2 按照編好的刻繪程序進(jìn)行暗花的刻繪。此刻繪機(jī)刻繪的精度受控制系統(tǒng)和本身的機(jī)械精度影響，本文只研究本身的機(jī)械精度影響。

2 改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

2.1 進(jìn)給動(dòng)力傳輸機(jī)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

現(xiàn)行刻繪機(jī)的進(jìn)給傳動(dòng)裝置的動(dòng)力是由進(jìn)給電機(jī)帶動(dòng)同步帶來(lái)傳動(dòng)的，如圖2 所示。雖然同步帶具有傳動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)比準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，但其對(duì)安裝時(shí)的中心距要求等方面極其嚴(yán)格，制造工藝復(fù)雜導(dǎo)致制造成本高。且由于本刻繪機(jī)行程范圍大，所選同步帶較長(zhǎng)，同步帶材料有彈性等，在生產(chǎn)中會(huì)出現(xiàn)同步帶的齒無(wú)法精密地和帶輪嚙合，經(jīng)常出現(xiàn)卡死和亂步現(xiàn)象，導(dǎo)致刻繪出來(lái)的暗花圖案偏移或少刻。為了避免此種現(xiàn)象，將進(jìn)給傳動(dòng)裝置改為齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖3 所示。齒輪齒條機(jī)構(gòu)剛度好，傳動(dòng)精度高，刻繪時(shí)不會(huì)錯(cuò)步，能夠很好地解決暗花圖案刻偏或刻少的問(wèn)題。

圖2 暗花立式刻繪機(jī)的進(jìn)給動(dòng)力傳輸裝置

圖3 齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

2.2 進(jìn)給機(jī)構(gòu)導(dǎo)軌排列方式改進(jìn)設(shè)計(jì)

此刻繪機(jī)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向采用的是雙導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，雙導(dǎo)軌可以保證裝置的準(zhǔn)確定位以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡的精確控制。現(xiàn)刻繪機(jī)的雙導(dǎo)軌排列如圖4 所示，其導(dǎo)軌1 和導(dǎo)軌2 為相互垂直排列方式，對(duì)導(dǎo)軌本身的精度及安裝精度要求很高[1]。導(dǎo)軌的安裝精度直接影響著刻繪機(jī)的運(yùn)行精度，從而影響到刻繪暗花圖案的精度[2]。因此本文將其改進(jìn)設(shè)計(jì)為同向排列安裝方式，如圖5 所示。

圖4 垂直排列的導(dǎo)軌

圖5 同向排列導(dǎo)軌示意圖

2.3 刻繪裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)

如圖6 所示，該刻繪裝置的螺母絲杠副為單端固定支撐，這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝較為方便，但當(dāng)絲杠受力時(shí)易傾斜，導(dǎo)致刻繪機(jī)無(wú)法準(zhǔn)確刻繪，使得暗花的刻繪精度存在誤差。由此將其改進(jìn)為兩端固定支撐，如圖7 所示，此支撐結(jié)構(gòu)比單端固定支撐方式的軸向剛度高[3]。

圖6 單端固定支撐

圖7 兩端固定支撐示意圖

3 刻繪裝置滾珠絲杠副選型計(jì)算

根據(jù)暗花立式刻繪機(jī)的實(shí)際使用情況，為了提高暗花刻繪的精度，其刻繪裝置的傳動(dòng)方式選擇滾珠絲杠副。

3.1 滾珠絲杠副的導(dǎo)程計(jì)算

按照企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)情況及需求，控制電機(jī)選用了86YG350BL-SAKSML-0601 型號(hào)，此電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為1500r/min。需刻繪裝置絲杠最大進(jìn)給速度為5m/min，電機(jī)與絲杠副的絲杠通過(guò)聯(lián)軸器連接，傳動(dòng)比取i=0.99。絲杠導(dǎo)程為

實(shí)際取Ph=4 mm，可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.2 滾珠絲杠副的載荷及轉(zhuǎn)速計(jì)算

滾動(dòng)導(dǎo)軌承重時(shí)的滑動(dòng)摩擦系數(shù)最大為0.004，靜摩擦系數(shù)與滑動(dòng)摩擦系數(shù)差別不大，此處計(jì)算取靜摩擦系數(shù)為0.006。則導(dǎo)軌靜摩擦力為

式中：m為工件及工作臺(tái)質(zhì)量，經(jīng)計(jì)算約為20 kg；f為導(dǎo)軌滑塊密封阻力，按4 個(gè)滑塊，每個(gè)滑塊密封阻力1 N。

暗花立式刻繪機(jī)主要是在封了膠紙的玻璃上刻繪各種形狀的圖案，絲杠工作時(shí)受到的切削力可忽略不計(jì)，其阻力主要是自身刻繪機(jī)構(gòu)的重量及導(dǎo)軌滑塊的摩擦力。

可計(jì)算滾珠絲杠副的工作載荷為[4]

式中：G為移動(dòng)部件重量，經(jīng)計(jì)算約為196 N。

滾珠絲杠副的當(dāng)量載荷為

滾珠絲杠副的當(dāng)量轉(zhuǎn)速為

3.3 滾珠絲桿副額定動(dòng)載荷計(jì)算

本文根據(jù)預(yù)期工作時(shí)間來(lái)計(jì)算額定動(dòng)載荷[5]

式中：Lh為預(yù)期工作時(shí)間，此處取20 000 h；fw為負(fù)荷系數(shù)，平穩(wěn)無(wú)沖擊為1；fa為精度系數(shù)，2 級(jí)精度為1；fc為可靠性系數(shù)，一般為1。

3.4 滾珠絲杠副的基本參數(shù)

根據(jù)以上計(jì)算出的絲杠導(dǎo)程和動(dòng)載荷，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第六版）》表13-1-33 選用2004-3 型滾珠絲桿副，其為內(nèi)循環(huán)固定反向器雙螺母墊片預(yù)緊式滾珠絲杠副，其技術(shù)規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1。

3.5 滾珠絲杠副臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)算

絲杠可能會(huì)發(fā)生共振，這時(shí)需要驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速nc，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第六版）》表13-1-43 中式（16）得

式中：f為支承系數(shù)，因兩端固定，取21.9；d2為絲杠底徑；絲杠的支撐一端為深溝球軸承，一端為背對(duì)背角接觸球軸承的配置形式，軸承的中心距L=300 mm，絲杠的有效行程取150 mm，經(jīng)計(jì)算可得Lc2為225 mm。合格。

3.6 滾珠絲杠副穩(wěn)定性的驗(yàn)算

根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第六版）》表13-1-43 中式（17）得

式中：K1為安全系數(shù)，絲杠水平安裝取1/3；K2為支承系數(shù)，兩端固定取4；Lc1=Lc2=225 mm。

由此可見(jiàn)不會(huì)失穩(wěn)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.7 滾珠絲杠副剛度的校驗(yàn)

1）滾珠絲杠副的拉壓剛度是隨螺母在絲杠上的位置變化而變化的，最大值在端部（螺母至固定支承距離最大時(shí)，即a=75 mm 處），而螺母處于2 支承點(diǎn)中部（即a=150 mm）時(shí)剛度最小。由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第六版）》表13-1-43 中式（21′）得

2）支承軸承的組合剛度：由軸承樣本dw=2.381 mm，軸承滾動(dòng)體個(gè)數(shù)=26 個(gè)，由軸承接觸角β＝45°等資料得RB0=90.18 N/μm。由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第六版）》表13-1-49，對(duì)兩端固定并預(yù)緊的軸承Rb=2RB0=2×90.18=180.36 N/μm。

3）滾珠絲杠副滾珠和滾道的接觸剛度按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第六版）》表13-1-43 中式（22′）得

4）由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第六版）》表13-1-43 中式（20）可得R的最大與最小值為

5）傳動(dòng)系統(tǒng)的最小剛度（空載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)）為

式中：重復(fù)定位精度即反向差值，為10 μm。

Rmin=97.28＞0.83 N/μm，滿(mǎn)足重復(fù)定位要求。

根據(jù)以上驗(yàn)算可知，選用2004-3 型的滾珠絲杠副，符合設(shè)計(jì)的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)市場(chǎng)實(shí)際需求和現(xiàn)有暗花立式刻繪機(jī)的不足，改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)更合理的新型暗花立式刻繪機(jī)，對(duì)該設(shè)備進(jìn)給裝置的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和刻繪裝置的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，對(duì)刻繪裝置的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)滾珠絲桿副進(jìn)行了選型及驗(yàn)算，大大提高了暗花刻繪的精度和生產(chǎn)效率。該設(shè)計(jì)已得到了公司的認(rèn)可。