電動(dòng)升降桿的設(shè)計(jì)與加工

崔立紅

摘 要 北京朗日科技有限公司顯微取證檢測(cè)系統(tǒng)中的電動(dòng)升降桿的設(shè)計(jì)與加工中，通過對(duì)產(chǎn)品現(xiàn)狀調(diào)研中發(fā)現(xiàn)問題，確定了解決方案，從升降桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、支撐架的加工、部分零件、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新等方面進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)加工，最終客戶滿意已批量生產(chǎn)，使本人從理論到實(shí)踐獲益匪淺。

關(guān)鍵詞 升降桿設(shè)計(jì)加工優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TH21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）10-0010-02

1 產(chǎn)品現(xiàn)狀

經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的產(chǎn)品有以下幾大問題。

1）多為手動(dòng)控制升降，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)大都采用齒輪齒條、同步帶和鏈等。這些結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，人工手動(dòng)升降，定位精度和穩(wěn)定性較差。

2）有效行程多在400 mm以下，無法滿足大行程工作的需要。

3）一般只有兩個(gè)固定的硬限位，不能靈活的控制檢測(cè)裝置與被測(cè)物品的安全距離，一旦損壞到被測(cè)物品，后果將不堪設(shè)想。

2 問題解決方案

經(jīng)過市場(chǎng)的前期調(diào)查和客戶的實(shí)際需要，我們從以下幾方面對(duì)該部件進(jìn)行升級(jí)改造，解決存在的問題。

1）將原有人力驅(qū)動(dòng)升級(jí)為電力驅(qū)動(dòng)。選用42加強(qiáng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)力，結(jié)構(gòu)簡單重量輕，結(jié)合采用滾珠絲杠副傳動(dòng)，可以精確的移動(dòng)與定位。

2）根據(jù)客戶的需要，將升降桿有效行程由400 mm，增加到700 mm，增加了設(shè)備的適用范圍。

3）設(shè)計(jì)加裝一個(gè)可移動(dòng)的光電式限位裝置，能靈活控制安全距離，更好的保障側(cè)頭和被測(cè)物體的安全。

4）把升降桿與大底板連接板設(shè)計(jì)成了可移動(dòng)的結(jié)構(gòu)?？梢愿鶕?jù)被測(cè)物體的需要調(diào)節(jié)升降桿的位置。

3 設(shè)計(jì)改進(jìn)的主要內(nèi)容

根據(jù)解決方案，主要針對(duì)以下內(nèi)容進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)加工。

3.1 升降桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于滾珠絲杠副傳動(dòng)摩擦力小傳動(dòng)精度高，尺寸標(biāo)準(zhǔn)化安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，選擇滾珠絲杠副傳動(dòng)?？蛻粢螅禇U移動(dòng)最大速度25 mm/s，電機(jī)最快轉(zhuǎn)速nmax為3000rpm，即絲杠Vmax1500mm/min。電機(jī)輸出端與滾珠絲杠副采用直連，即傳動(dòng)比為1：1。

1）確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程。根據(jù)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和升降桿最大速度計(jì)算絲杠導(dǎo)程。導(dǎo)程Ph=Vmax/i·nmax=1500/1x3000=0.5 mm，實(shí)際Ph取4 mm，可滿足速度要求。

2）滾珠絲杠副的載荷及轉(zhuǎn)速計(jì)算。由于該設(shè)備垂直放置，主要用于拍照檢測(cè)取證無切削力，其載荷主要來源于工作臺(tái)設(shè)備重力和導(dǎo)軌、滑塊的摩擦力，此處計(jì)算取靜載荷摩擦系數(shù)為0.006，則導(dǎo)軌靜摩擦力：

F0=M·g+μ0·M·g+4x5=10x9.8+0.006x10x9.8+4x5=119N

由于該設(shè)備主要用于拍照檢測(cè)取證，運(yùn)動(dòng)接近勻速，則有Fm=（2Fmax+Fmin）/3≈F0=119N，nm=（nmax+nmin）/2=375rpm

3）計(jì)算滾珠絲杠額定動(dòng)載荷。

按預(yù)期工作時(shí)間計(jì)算：

Cam=·Fmfw/100fafc=x119x1/100x1x1=671.90N

按滾珠絲杠副預(yù)加的最大負(fù)荷計(jì)算：

Cam=feFmax=6.7x119=797.3N

取較大值Cam=797.3N為滾珠絲杠副預(yù)期額定動(dòng)載荷

4）估算滾珠絲杠副的螺紋底徑d2m。

最大允許軸向變動(dòng)量：

δm≤（1/3～1/4）=1/4x0.005=0.00125 mm

兩個(gè)支撐最大距離：

L≈（1.1～1.2）·ι+（10～14）Ph=1.2x700+14x4=896 mm

按絲杠安裝方式為軸向兩端固定，則有絲杠螺紋底徑：

d2m≥0.039==11.3 mm

5）確定滾珠絲杠副規(guī)格代號(hào)。按照滾珠絲杠Ph、d2m、Cam等因素，選擇基本導(dǎo)程Ph=4 mm，公稱直徑d0=16 mm，查得額定動(dòng)載荷Ca=5120N>Cam=797.3N。滿足長徑比小于等于30。經(jīng)過試驗(yàn)運(yùn)行滿足負(fù)載要求。

3.2 支撐架的加工

由于升降桿選用的型材的長度達(dá)1080 mm，而我校的數(shù)控銑床最大加工量為850 mm，這樣便無法在一次裝夾中完成所有加工。我們?cè)O(shè)計(jì)用一個(gè)工裝和兩個(gè)定位銷來做工件坐標(biāo)系的翻轉(zhuǎn)，保證加工孔的精度。具體方案是：用一塊1000 mm×250 mm×30 mm的工裝用壓板裝夾在銑床X向工作臺(tái)上，型材裝夾在右端的極限位置。從型材右端加工所有加工的元素，加工完成后，在型材的中心線上距型材右端面240 mm（孔1）和540 mm（孔2）處各做一Φ10H7的定位銷孔，作為翻轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的定位孔。卸下型材后在X-840 mm處，做工裝Φ10H7的定位銷孔3。這樣翻轉(zhuǎn)加工時(shí)，將型材的定位孔2與工裝的定位孔2重合插入定位銷，在將型材的定位孔1與工裝的定位孔3重合插入定位銷，完成了坐標(biāo)系的翻轉(zhuǎn)。

通過一面兩銷定位，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的翻轉(zhuǎn)，解決了加工過程中機(jī)床行程不夠的問題，有效的保障了工件的精度，提高了生產(chǎn)效率。

3.3 零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

1）軸承座的優(yōu)化。優(yōu)化前的軸承座結(jié)構(gòu)如圖4，此時(shí)的軸承座結(jié)構(gòu)簡單，外形為一簡單長方體，基本能滿足軸承座的一般需要，但是軸承座安裝接觸面較小，且與型材的連接固定只有兩個(gè)螺釘，顯單薄不穩(wěn)固。

優(yōu)化后的軸承座結(jié)構(gòu)，底部增加了一倍的安裝接觸面積，同時(shí)底部增加了一個(gè)螺紋安裝孔，使三個(gè)螺紋安裝孔成三角型穩(wěn)固分布，使軸承座型材的連接更加牢固，能承受更大的載荷工作。

2）底座連接的優(yōu)化。由于原來的升降桿在XY面內(nèi)是固定不動(dòng)的，影響了設(shè)備的測(cè)量范圍，于是我們特設(shè)計(jì)了活動(dòng)的“靴子”，通過四塊固定鋼板和過渡板將電動(dòng)升降桿固定。過渡板上有螺紋孔，可以使過渡板在大托板上移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在XY面內(nèi)的位置移動(dòng)。

3.4 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

本部件的創(chuàng)新之處是添加了一套光電式活動(dòng)限位機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)利用光直線傳播和反射原理，安裝一個(gè)光電式的活動(dòng)限位。

活動(dòng)限位由一個(gè)激光發(fā)射器、激光接收器、擋光板和兩塊平面鏡組成。支撐板上平行安裝激光發(fā)射器與激光接收器，在托板的下面安裝一個(gè)擋光桿。滑塊上安裝腰底為45°的等腰梯形活動(dòng)限位板，兩腰上安裝了光的反射回路的鏡子。當(dāng)托板向下移動(dòng)到擋光桿穿過活動(dòng)限位孔時(shí)，擋光桿阻斷激光，信號(hào)動(dòng)作，托板停止移動(dòng)，保證了被測(cè)物體和測(cè)頭的安全距離。在活動(dòng)限位板兩側(cè)各有一個(gè)螺紋孔，可靈活控制限位板的位置。

4 總結(jié)

經(jīng)過多次與客戶的交流溝通，完成了電動(dòng)升降桿的設(shè)計(jì)與加工裝配調(diào)試，經(jīng)過多次的試驗(yàn)改進(jìn)優(yōu)化，我們的產(chǎn)品趨于完善?？蛻艚o予的評(píng)價(jià)是該產(chǎn)品的整體外觀簡潔大方，各部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的巧妙合理，較為滿意，表示會(huì)繼續(xù)合作。現(xiàn)此產(chǎn)品經(jīng)過試驗(yàn)已經(jīng)達(dá)到要求，正批量生產(chǎn)。總之，通過親自參與該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)加工，對(duì)現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)和加工機(jī)械有了更深刻的認(rèn)識(shí)，更深入了解了生產(chǎn)實(shí)際的需求，同時(shí)自身的專業(yè)綜合能力得到了很大的提高。

參考文獻(xiàn)

[1]趙松年，張奇鵬.機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社，1996.endprint