壽命校核在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用

呂東梅，李文斌，劉建功

（1.太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西太原030024；2.太原風(fēng)華信息裝備股份有限公司，山西太原030024）

壽命校核在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用

呂東梅12，李文斌1，劉建功12

（1.太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西太原030024；2.太原風(fēng)華信息裝備股份有限公司，山西太原030024）

在中大尺寸菲林（film）觸摸屏制造過程中，精準(zhǔn)貼合是控制的關(guān)鍵。小尺寸菲林貼合工藝一般采用平面貼合方式。中大尺寸菲林貼合過程中，若采用傳統(tǒng)平面貼合方式，機(jī)構(gòu)過于龐大，設(shè)備效率和可靠性難以保證。采用立式翻轉(zhuǎn)貼合方式，結(jié)構(gòu)緊湊，需要精確控制翻轉(zhuǎn)角度和貼合位置。研究使用伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)絲杠導(dǎo)軌副完成翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，通過對(duì)比分析和數(shù)值計(jì)算，設(shè)計(jì)出合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)，滿足效率和可靠性要求。

貼合；翻轉(zhuǎn)；設(shè)備可靠性

先進(jìn)工藝設(shè)備，對(duì)各個(gè)方面有著綜合要求，一套工藝設(shè)備，能大規(guī)模推進(jìn)應(yīng)用，最基本的要求是系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性、可靠性。

下面，結(jié)合自己在項(xiàng)目開發(fā)中遇到的實(shí)際問題，就機(jī)構(gòu)的壽命校核問題進(jìn)行分析。

1　項(xiàng)目的基本情況

1.1相關(guān)工藝要求

該項(xiàng)目是應(yīng)客戶定制要求，在現(xiàn)有設(shè)施內(nèi)與不同廠商設(shè)備組裝成生產(chǎn)線，所以設(shè)備須和現(xiàn)有廠房設(shè)施匹配。

設(shè)備要求：

（1）工作臺(tái)面800 mm，組線接口950 mm

（2）產(chǎn)品尺寸920 mm×730 mm

（3）要求工藝流程：

前段玻璃流進(jìn)→接料定位翻轉(zhuǎn)（精確角度，角度可調(diào)）→上膜定位翻轉(zhuǎn)→貼合→下料翻轉(zhuǎn)→定位流出

1.2關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

（1）在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大尺寸玻璃的定位，翻轉(zhuǎn)，立體貼合。

（2）翻轉(zhuǎn)角度精確可調(diào)。翻轉(zhuǎn)后的貼合角度能夠方便調(diào)整，能適應(yīng)不同的貼合角度要求。

2　機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

機(jī)械設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)完成后，翻轉(zhuǎn)部件大致結(jié)構(gòu)如圖1～圖3所示。

設(shè)計(jì)完成后，相關(guān)的重要基本參數(shù)：連桿1中心高度為220 mm，連桿2中心高度為250 mm，推桿中心距為424 mm。

由于機(jī)構(gòu)整體保持高度一定，上述3個(gè)尺寸互相影響，如果其中一個(gè)改變，另兩個(gè)也必須改變，才能保證工作高度800 mm，這3個(gè)尺寸的改變會(huì)另外導(dǎo)致在整個(gè)部件的寬度，但是這個(gè)寬度變化被限制在很小范圍內(nèi)。更重要的是，3個(gè)尺寸的微小改變，導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)過程中，接料平臺(tái)部件對(duì)絲杠導(dǎo)軌副施加的力和扭矩會(huì)發(fā)生較大變化。所以，設(shè)計(jì)過程中，必須對(duì)絲杠導(dǎo)軌副進(jìn)行壽命校核。

圖1　基本結(jié)構(gòu)

圖2　初始狀態(tài)

圖3　貼合狀態(tài)

2.1壽命核算

2.1.1水平校核（關(guān)聯(lián)狀態(tài)如圖4所示）

連桿尺寸220 mm和250 mm載重150 kg（部件質(zhì)量）

圖4　水平關(guān)聯(lián)狀態(tài)

水平載荷壽命計(jì)算：推桿推力：

F1=1312.5 N力矩平衡

其中：

Fa：承載軸向負(fù)載

μ：導(dǎo)向面摩擦系數(shù)

Ph：滾珠絲杠導(dǎo)程

η：滾珠絲杠效率

Ca：基本動(dòng)額定負(fù)荷

fw：負(fù)荷系數(shù)

每分鐘往返4次（要求30 s一片）每次500 mm（行程），一天運(yùn)行千米數(shù)：

壽命BNK2520絲杠N=7280/（2.88×360）= 7.02（年）

壽命滿足使用要求

圖5　豎直關(guān)聯(lián)狀態(tài)

2.1.2豎直校核（關(guān)聯(lián)狀態(tài)如圖5所示）

千米壽命L=6.66×107×20×10-6=1322（km）

每分鐘往返4次，每次500 mm，

一天運(yùn)行的千米數(shù)：4×500×60×24×10-6= 2.88（km）

壽命N=1322/（2.88×360）=1.28（年）

以上校核，使用壽命只有1年多，顯然該結(jié)構(gòu)尺寸不具有使用價(jià)值，需重新設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)，同時(shí)對(duì)接料平臺(tái)部件進(jìn)行輕量化優(yōu)化，以減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

經(jīng)綜合設(shè)計(jì)后，連桿1尺寸調(diào)整為170 mm，連桿2尺寸調(diào)整為300 mm，載重120 kg（部件質(zhì)量），同時(shí)推桿尺寸調(diào)整為437 mm，部件寬度增加，在寬度界限內(nèi)。

更改設(shè)計(jì)后，需要重新校核絲杠壽命。

2.1.3水平校核

推桿推力：F1×180.4=120×10×120

F1=799.4 N力矩平衡

絲杠軸向力：F2=F1×cosθ=799.4×cos 19.95= 751.43（N）

徑向力：F3=F1×sinθ=799.4×sin19.95=272.76（N）絲杠軸向載荷（BNK2520絲杠）

Fa=F2+μ×F3=751.4+0.005×272.76=752.8（N）

絲杠扭矩：

T1=Fa×Ph/（2π×η）=752.8×20/（2π×0.9）= 2.67（N·m）

壽命計(jì)算：

L=（Ca/Fa×fw）3×106=（10500/752.8×1.2）3× 106=1.57×109（總轉(zhuǎn)數(shù)）

千米壽命：

L=1.57×106×20×10-6=31400（km）

每分鐘往返4次，每次500 mm，

一天千米數(shù)：4×500×60×24×10-6=2.88（km）

壽命：N=31400/（2.88×360）=30.28（年）

2.1.4豎直校核

推桿推力：F1×101.58=120×10×170 F1=2008.3 N（力矩平衡）

絲杠軸向力：F2=F1×cosθ=2008.3×cos 51.98= 1237（N）

徑向力：F3=F1×sinθ=2008.3×sin 51.98= 1582.1（N）

絲杠軸向載荷（BNK2520絲杠）：

Fa=F2+μ×F3=1237+0.005×1582.1=1244.9（N）

絲杠扭矩：

T1=Fa×Ph/（2π×η）=1244.9×20/（2π×0.9）= 4.4（N·m）

壽命計(jì)算：

L=（Ca/Fa×fw）3×106=（10500/1244.9×1.2）3× 106=3.47×108（總轉(zhuǎn)數(shù)）

L=3.47×108×20×10-6=6940（km）

每分鐘往返4次，每次500 mm，

一天公里數(shù)：4×500×60×24×10-6=2.88 km壽命（BNK2520絲杠）：

N=6940/（2.88×360）=6.69（年）

通過調(diào)整并重新計(jì)算后，最低使用壽命為6.69年，考慮到實(shí)際生產(chǎn)中，設(shè)備不會(huì)360天×24小時(shí)使用，使用壽命會(huì)更長。對(duì)比前后兩組校核數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)連桿尺寸的調(diào)整，使得水平壽命從7.02年跳躍到30.28年。外部尺寸的微小變化，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部力學(xué)性能發(fā)生巨量變化，更凸顯出壽命校核的至關(guān)重要性

3　結(jié)論

壽命校核是項(xiàng)目開發(fā)環(huán)節(jié)中很重要的一項(xiàng)工作，它一方面可以檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，確保相關(guān)機(jī)構(gòu)能夠正常工作，具有實(shí)用推廣價(jià)值，另一方面更重要的是，通過計(jì)算，確定機(jī)構(gòu)外部尺寸和內(nèi)部力學(xué)的相互影響和制約關(guān)系，為項(xiàng)目開發(fā)設(shè)計(jì)提供正確的理論支持。

［1］馬增剛.玻璃結(jié)構(gòu)電容式觸摸屏邦定工藝及設(shè)備［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2012，41（6）：50-54.

［2］鐘毅芳.機(jī)械設(shè)計(jì)原理與方法［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2004.

［3］孫桓，機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京：高等教育出版社，2006.

The Application of Service Life Checking in Mechanical Design

LV Dongmei1，2，Li Wenbin1，LIU Jiangong1，2
（1.Mechanical Engineering College of Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China；2.Taiyuan Fenghua Information Equipment Co，Taiyuan 030024，China）

During the manufacturing of large size film touch panel，the key for process controling is precision attaching Small size film attach process generally uses the plane-laminating way.If traditional plane-laminating way was adopted，the institution is so large that equipment's efficiency and reliability are difficult to be guaranteed in large size film attach process.Meanwhile，the structure is complicated and we should control the flip angle and joint position accurately.if the vertical flip joint method is used.Therefore，the research about using servo system to drive lead screw guide screw to complete the flip action is essential.With comparative analysis and numerical calculation，design reasonable mechanical structure can be designed.The efficiency and reliability can also meet the requirements.

Attach process；Flip；Machine reliability

TH123+.3

B

1004-4507（2016）01-0047-04

2015-10-26

呂東梅（1980-），男，太原理工大學(xué)工程碩士，從事方向?yàn)殡娮訉Ｓ迷O(shè)備的研發(fā)設(shè)計(jì)。

隨著信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，信息產(chǎn)品制造產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)正在朝著技術(shù)密集、資金密集、自動(dòng)化密集的高新技術(shù)方向發(fā)展，對(duì)生產(chǎn)工藝及相關(guān)設(shè)備的要求也趨向高自動(dòng)化、高精度、高可靠性方向發(fā)展。在該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中專用工藝設(shè)備起到了關(guān)鍵作用，可以說沒有先進(jìn)的工藝設(shè)備支撐就沒有今天信息產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展。