一種錨板開槽的專用鋸床設(shè)計(jì)

李華雷，李福靖，烏日?qǐng)D

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051)

制造技術(shù)是各國經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)的重要支柱之一，經(jīng)濟(jì)的成功在很大程度上得益于先進(jìn)的制造技術(shù)，而機(jī)床是機(jī)械制造技術(shù)重要的載體，它標(biāo)志著一個(gè)國家的生產(chǎn)能力和技術(shù)水平。機(jī)床工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的一個(gè)重要先行部門，擔(dān)負(fù)著為國民經(jīng)濟(jì)各部門提供現(xiàn)代化技術(shù)裝備的任務(wù)。然而在制造業(yè)中，專用機(jī)床有著不可替代作用。它是以通用部件為基礎(chǔ)，配以按工件特定形狀和加工工藝設(shè)計(jì)的專用部件和夾具，組成的半自動(dòng)或自動(dòng)專用機(jī)床。由于通用部件已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，可根據(jù)需要靈活配置，能縮短設(shè)計(jì)和制造周期［1－2］。

預(yù)應(yīng)力錨具是工程建設(shè)過程中混凝土預(yù)應(yīng)力張拉工具，由于性能卓越，已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外橋梁建設(shè)、預(yù)應(yīng)力混凝土、鋼結(jié)構(gòu)、高速公路建設(shè)、高層建筑、礦山、巖土錨固、邊坡治理、水電核電建設(shè)等領(lǐng)域［3］。施工時(shí)預(yù)先將錨具定位安裝，然后澆筑混凝土，埋在混凝土構(gòu)件的兩端，也就是波紋管的兩個(gè)端頭，是為了張拉時(shí)千斤頂?shù)姆€(wěn)定作用而設(shè)置的端面。文中設(shè)計(jì)的專用鋸床是對(duì)M15-19孔錨板(如圖1所示)進(jìn)行應(yīng)力的消除，加工4 mm寬槽。主要對(duì)牛頭刨床進(jìn)行以下4個(gè)方面改進(jìn)和創(chuàng)新:(1)水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì);(2)抬刀裝置設(shè)計(jì);(3)專用夾具設(shè)計(jì);(4)電氣控制裝置。

1 水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的改進(jìn)

考慮到鋸床在工作時(shí)的狀態(tài)及其他各方面因素，專用鋸床的水平運(yùn)動(dòng)可以有勻速和變速兩種。傳統(tǒng)牛頭刨床主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性是無法實(shí)現(xiàn)滑枕往復(fù)等速運(yùn)動(dòng)的，正因?yàn)榛碓谂傧餍谐讨械乃俣炔痪鶆蛐?，無法提供對(duì)滑枕的恒定推力［4］。而對(duì)牛頭刨床機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)可以實(shí)現(xiàn)滑枕往復(fù)等速運(yùn)動(dòng)，從機(jī)械設(shè)計(jì)角度分析方法可謂多種多樣，但從經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性、可靠性等角度綜合分析，比較簡(jiǎn)單易行且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法是采用機(jī)械傳動(dòng)式，即用齒輪齒條傳動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)牛頭刨床滑枕恒推動(dòng)力和等速直線運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)方案［5］，如圖2所示。

圖2 牛頭刨床滑枕恒推動(dòng)力和等速直線運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖

2 抬刀裝置設(shè)計(jì)

結(jié)合零件的加工過程，最終確定刀架機(jī)構(gòu)如圖3所示。老式刨床上刀架與滑枕為螺柱連接方式，則在返回刨削行程中，切削力的反作用力必然對(duì)刀架產(chǎn)生拉扯的后果，時(shí)間一長就會(huì)使連接螺栓松動(dòng)，最終造成刨削精度下降，更為嚴(yán)重的則會(huì)致使螺栓被扯斷，從而刀架掉落造成事故。所以，在鋸床刀架的改進(jìn)設(shè)計(jì)中，刀架的滑枕方向用燕尾槽導(dǎo)軌定位，刀架的豎直方向用絲桿螺母副定位。凸輪能調(diào)節(jié)刀架在一定范圍內(nèi)在垂直方向上下移動(dòng)。這樣就很好地解決上述問題。該方案存在的問題:由于改進(jìn)設(shè)計(jì)中采用了燕尾槽導(dǎo)軌方案，受燕尾槽導(dǎo)軌占用的空間限制，導(dǎo)致托板不能再另行設(shè)計(jì)成像老式單向牛頭刨床上的托板那樣能在垂直工作臺(tái)平面旋轉(zhuǎn)。

圖3 刀架機(jī)構(gòu)圖

該方案采用伺服電機(jī)作為動(dòng)力源，用行程開關(guān)來控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)軸通過聯(lián)軸器帶動(dòng)圓柱凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪上連接有連桿，帶動(dòng)刀架上升或下降，來實(shí)現(xiàn)在工進(jìn)時(shí)鋸刀始終與工件接觸，回程時(shí)凸輪刀架抬起，減少鋸條與工件之間的磨損，延長鋸條的壽命。電動(dòng)抬刀裝置見圖4。

圖4 電動(dòng)抬刀裝置

3 專用夾具設(shè)計(jì)

機(jī)床夾具設(shè)計(jì)［6－7］是工藝裝備設(shè)計(jì)的重要組成部分。機(jī)床的夾具應(yīng)能夠達(dá)到可靠地保證零件的加工質(zhì)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)工藝好、便于制造及維修，成本低，操作方便、安全、省力和排屑方便等要求。在M15-19錨板加工4 mm寬槽時(shí)，刀具材料選用W18Cr4V。

工件已加工孔徑分別為φ36 mm和φ18 mm，厚度為68 mm。在加工槽口時(shí)，槽口的寬度由刀具直接保證，而槽口的深度和位置則和設(shè)計(jì)的夾具有關(guān)。槽口的位置要求:槽口的中心面應(yīng)通過φ36 mm孔的中心線。

利用文中設(shè)計(jì)夾具主要用來鋸槽，該槽側(cè)面對(duì)錨板的中心線要滿足尺寸要求以及垂直度要求。在加工槽時(shí)，其他都是未加工表面。為了保證技術(shù)要求，關(guān)鍵是找到定位基準(zhǔn)。同時(shí)，應(yīng)考慮如何提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

由零件圖 (圖1)可知:該槽對(duì)錨板的中心線有尺寸要求及垂直度要求，其設(shè)計(jì)基準(zhǔn)為錨板的中心線。為了使定位誤差在要求的范圍之內(nèi)，在此選用特制錐度心軸找中心線，這種定位在結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)單易操作。采用心軸定心平面定位的方式，保證槽加工的技術(shù)要求。

如前所述，應(yīng)該注意提高生產(chǎn)率，但該夾具設(shè)計(jì)時(shí)采用了手動(dòng)夾緊方式，在夾緊和松開工件時(shí)比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力。由于該工件體積小、工件材料易切削、切削力不大，經(jīng)過認(rèn)真分析和比較，選用了手動(dòng)夾緊方式(螺旋夾緊機(jī)構(gòu))。這類夾緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、夾緊可靠、通用性大，在機(jī)床夾具中被廣泛應(yīng)用。

此外，當(dāng)夾具有制造誤差、工作過程出現(xiàn)磨損，以及零件尺寸變化時(shí)，將影響定位、夾緊的可靠。為防止此類現(xiàn)象，削邊銷軸采用可換的，以便隨時(shí)根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整。

結(jié)合以上所有因素，最終夾具結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 夾具結(jié)構(gòu)

4 電氣控制裝置

考慮到零件本身存在孔徑，在加工過程中影響加工效率，故用PLC來實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的上下運(yùn)動(dòng)控制。同時(shí)，在滑枕上加裝行程開關(guān)來控制抬刀裝置的上下運(yùn)動(dòng)，便可達(dá)到定位目的。

采用PLC控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)定位控制，硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、方便、快捷，編程語言形象直觀，容易掌握［8］。步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電機(jī)，是控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件。因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)繞組通電的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)精確定位。該定位過程中步進(jìn)電機(jī)的工作過程如圖6所示。刀具由起始位置A移到終點(diǎn)D，AD=18 mm，脈沖當(dāng)量取0.01 mm/步，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)為4，脈沖上限頻率為10 kHz，則走完全程共需7 200個(gè)脈沖。建立包絡(luò)表如表1所示。

圖6 步進(jìn)電機(jī)工作原理

表1 包絡(luò)表內(nèi)容

該系統(tǒng)包絡(luò)表的子程序［9］SBR_1如下:

5 總結(jié)

通過一些技術(shù)可行、改進(jìn)成本較低的改進(jìn)方案，對(duì)老舊機(jī)床做一些相應(yīng)的改造，讓其加工一些批量大、加工精度要求相對(duì)較低的零件，還是有很多市場(chǎng)前景的。例如文中所改造的刨床。通過對(duì)老舊機(jī)床的改造讓其重新煥發(fā)青春，不僅可以節(jié)約資源，而且還可以變廢為寶，這應(yīng)該是值得提倡的。

【1】馮辛安.機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)［M］.3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010:1－5.

【2】李洪.實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1999:481－507.

【3】http://www.hudong.com/wiki/%E9%A2%84%E5%BA%94%E5%8A%9B%E9%94%9A%E5%85%B7.

【4】李書平，朱揆慶，蔡昶.牛頭刨床雙向刨削機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)及改造［J］.煤礦機(jī)械，2008(12):152－154.

【5】王鳳蘭，沙玉章.雙向刨削牛頭刨床的機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2007(11):48 －49.

【6】余光國，馬俊，張興發(fā).機(jī)床夾具設(shè)計(jì)［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，1995:231－235.

【7】林祖正，胡義華，張樹林.某型號(hào)電動(dòng)機(jī)機(jī)座專用夾具的設(shè)計(jì)［J］.裝備制造技術(shù)，2012(4):30－32.

【8】王立紅.基于PLC的步進(jìn)電機(jī)控制［J］.控制與檢測(cè)，2008(11):44－46.

【9】潘國先，欒元恒.PLC變行程控制程序編制［J］.電子技術(shù)與應(yīng)用，2003(2):51－52.