工件自動(dòng)帶動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

姜佳琦

（上海機(jī)床廠有限公司 上海 200093）

1 引言

外圓磨床是磨床中應(yīng)用廣泛的一種機(jī)床，其切削加工運(yùn)動(dòng)包括砂輪架上砂輪主軸驅(qū)動(dòng)的砂輪回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、頭架帶動(dòng)工件進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等，其中砂輪回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)有滾動(dòng)軸承、動(dòng)壓軸承和靜壓軸承三種主要主軸支承結(jié)構(gòu)，相關(guān)結(jié)構(gòu)較為成熟。頭架帶動(dòng)工件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的帶動(dòng)裝置中傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有三爪卡盤、四爪卡盤、Z型板等[1]。目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上數(shù)控外圓磨床的工件帶動(dòng)裝置適用面窄，針對(duì)的零件單一，此類裝置應(yīng)用時(shí)對(duì)磨床的整體結(jié)構(gòu)性能要求高。針對(duì)這種狀況，出現(xiàn)了一些適用自動(dòng)化的帶動(dòng)裝置，如自動(dòng)卡盤類裝置，此時(shí)需要機(jī)床頭架具備主軸回轉(zhuǎn)功能，在頭架內(nèi)部設(shè)置一個(gè)旋轉(zhuǎn)油缸，由旋轉(zhuǎn)油缸經(jīng)一套拉桿機(jī)構(gòu)作用在卡盤上；也有利用摩擦角自鎖的離心卡盤，雖然它不需要油缸類額外動(dòng)力，但需要頭架電機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來配合夾緊松開。

針對(duì)當(dāng)前工件帶動(dòng)裝置通用性不強(qiáng)的缺陷，在已有的自動(dòng)帶動(dòng)裝置基礎(chǔ)上新研發(fā)了一種通用性更強(qiáng)的工件帶動(dòng)裝置[2-3]，其總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，它結(jié)合工件旋轉(zhuǎn)的啟動(dòng)條件，運(yùn)用油缸特性和彈簧力的作用原理可實(shí)現(xiàn)工件自動(dòng)夾緊、松開和旋轉(zhuǎn)，并且裝置的結(jié)構(gòu)能匹配多種工件驅(qū)動(dòng)，或者更換少數(shù)零件就能適用大部分工件。

本文在上述總體技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行傳力相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算、核心零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及針對(duì)典型工件進(jìn)行拓展應(yīng)用。

2 參數(shù)計(jì)算

圖1所示的工件自動(dòng)帶動(dòng)裝置由夾緊機(jī)構(gòu)和頂開機(jī)構(gòu)構(gòu)成，夾緊機(jī)構(gòu)由V型夾緊組件、螺釘柱、矩形彈簧、準(zhǔn)停塊、夾緊塊等零部件組成，頂開機(jī)構(gòu)設(shè)在夾緊機(jī)構(gòu)的外側(cè)，由頂塊、機(jī)械臂、油缸桿、齒條、頂開油缸體、連接底座、浮動(dòng)接頭、連接板、油缸底座、油缸、底板、限位塊、直線導(dǎo)軌等組成。夾緊機(jī)構(gòu)中的V型夾緊組件兩端設(shè)有通孔，外側(cè)設(shè)有斜面，中間段沿對(duì)稱軸方向設(shè)有一個(gè)腰形孔，螺釘柱通過矩形彈簧后經(jīng)兩V型夾緊組件通孔后由螺母將兩V型夾緊組件面對(duì)面連接；兩個(gè)V型夾緊組件的腰形孔內(nèi)分別連接有帶動(dòng)柱；頂開機(jī)構(gòu)的底板上面左下方通過油缸底座連接油缸，右上方通過直線導(dǎo)軌及安裝在直線導(dǎo)軌的滑塊上的連接底座連接浮動(dòng)接頭，油缸的活塞上方通過連接板連接浮動(dòng)接頭，連接底座下方固定連接頂開油缸，頂開油缸兩側(cè)的伸縮桿分別固定連接機(jī)械臂，機(jī)械臂下端內(nèi)側(cè)固定連接頂塊。

節(jié)點(diǎn)反映了旅游者停留的位置，位置與位置之間的移動(dòng)次序就成為了旅游路線，因而在水利風(fēng)景區(qū)解說系統(tǒng)規(guī)劃中，要確定每個(gè)級(jí)別節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。

圖2中M是由矩形彈簧夾緊且?guī)?dòng)工件旋轉(zhuǎn)而在工件端部產(chǎn)生的帶動(dòng)力矩，M1是啟動(dòng)或停止過程中因剛體繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)形成的慣性力矩，M2是在頂緊力的作用下工件與尾架頂尖之間接觸位置因摩擦產(chǎn)生的摩擦力矩，M3是磨削加工時(shí)要克服磨削力而所需的加工力矩。

自動(dòng)帶動(dòng)裝置的夾緊機(jī)構(gòu)需要提供穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)剛性來帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，同時(shí)由于要跟著工件旋轉(zhuǎn)需要重量較輕，考慮到夾緊組件中的V型夾緊板形狀復(fù)雜，作為核心零件需要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化是根據(jù)給定的載荷工況、約束條件和性能指標(biāo)等，在給定的區(qū)域內(nèi)對(duì)材料分布進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種形式，通過拓?fù)鋬?yōu)化可以得到最優(yōu)的傳力路徑以滿足規(guī)定的減少材料量的同時(shí)最大化結(jié)構(gòu)剛度的結(jié)構(gòu)形式。拓?fù)鋬?yōu)化可以在概念設(shè)計(jì)階段就得到最優(yōu)零件形狀，大大縮短了設(shè)計(jì)初期時(shí)間。這里用SOLIDWORS Simulation拓?fù)鋬?yōu)化來實(shí)現(xiàn)夾緊板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

習(xí)近平總書記在全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議上強(qiáng)調(diào)“要堅(jiān)持把立德樹人作為中心任務(wù)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程”，這就要求高職教育必須堅(jiān)持育人為本，加強(qiáng)職業(yè)人文素質(zhì)培養(yǎng)。英語作為一門語言，是人類溝通的紐帶。全球化時(shí)代，作為素質(zhì)教育的必要組成部分，高職英語是大學(xué)生可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，是信息時(shí)代的必備手段。在此背景下，筆者在長(zhǎng)期的英語教學(xué)實(shí)踐和改革中，把英語語言教學(xué)與職業(yè)人文素質(zhì)培養(yǎng)相結(jié)合，不斷探索如何在英語課程中提升高職學(xué)生的職業(yè)人文素質(zhì)，總結(jié)出了以職業(yè)人文素質(zhì)為導(dǎo)向的高職英語教學(xué)的五位一體教學(xué)模式。

帶動(dòng)力矩M是在矩形彈簧彈簧力F的作用下使安裝在夾緊組件上的夾緊塊與工件產(chǎn)生的夾緊力F1而在傳動(dòng)過程中因靜摩擦而形成的摩擦力矩，對(duì)于軸端為圓柱體的工件來說，建立圖3所示的力學(xué)模型，此時(shí)彈簧力F與夾緊力F1之間的夾角為θ/2，根據(jù)力學(xué)平衡方程以及帶動(dòng)力矩等式則有

圖3 F、F1、F2、夾角θ1和夾角θ2示意圖

以320系列機(jī)床的通用試磨件Φ80mm為例，按上述計(jì)算過程，計(jì)算選取了 Misumi矩形螺旋彈簧SWL 25-55，其彈簧力F為824N，頂開油缸的缸徑為Φ40 mm。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

帶動(dòng)裝置更換工件時(shí)，頂開機(jī)構(gòu)的頂塊在頂開油缸體的作用下使得夾緊機(jī)構(gòu)的兩V型夾緊組件產(chǎn)生分離而使夾緊塊與工件脫離；磨削加工時(shí)，頂開機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離夾緊機(jī)構(gòu)，兩夾緊組件在矩形彈簧的作用下使夾緊塊與工件產(chǎn)生壓緊力，為了使帶動(dòng)裝置在頭架驅(qū)動(dòng)下無打滑的啟動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、停止，建立圖2所示的力學(xué)模型。

通過以上例子不難發(fā)現(xiàn)，《報(bào)告》在時(shí)間軸上是以特朗普總統(tǒng)正式上臺(tái)執(zhí)政的時(shí)間為指示中心（When I came into office），其他時(shí)間狀語大多都圍繞這一時(shí)間點(diǎn)展開，時(shí)間距離大多不超過一年。這就意味著，說話者有意強(qiáng)調(diào)或者縮小句中所涉及實(shí)體在時(shí)間上與指示中心的距離。時(shí)間軸上距離較近的句子大都提到了外部威脅和挑戰(zhàn)，也就是《報(bào)告》所塑造的敵對(duì)實(shí)體（rogue regimes，nuclear weapons，serious challenges，the rise of China），并且在心理空間上將這些外部實(shí)體表征為不斷迫近的威脅，從而喚起公眾的恐懼情緒。

根據(jù)SOLIDWORS Simulation中形成工件帶動(dòng)裝置的裝配環(huán)境，指定模型材料，定義約束條件、工作載荷以及其他所需參數(shù)[6]，SOLIDWORS Simulation會(huì)自動(dòng)進(jìn)行迭代直到找出最優(yōu)結(jié)果。設(shè)定相關(guān)參數(shù)，考慮相關(guān)件安裝部分和加工工藝設(shè)定保留區(qū)域，在優(yōu)化過程中禁止被去除，設(shè)置完成的模型樹如圖4所示，隨后選擇默認(rèn)的Intel Sparse解算器，它具有更快的性能，在運(yùn)算拓?fù)渌憷皶?huì)進(jìn)行靜態(tài)分析，在多次迭代運(yùn)算后數(shù)據(jù)趨于收斂。夾緊板一共進(jìn)行了12次迭代運(yùn)算從第8次開始數(shù)據(jù)收斂，如圖5所示。夾緊板零件的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖6所示，根據(jù)結(jié)果獲得優(yōu)化后的夾緊板三維模型如圖7所示。

圖4 夾緊板Simulation模型樹

圖5 優(yōu)化迭代收斂曲線

圖6 夾緊板Simulation拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

圖7 拓?fù)鋬?yōu)化前后的夾緊板三維模型

4 典型工件運(yùn)用

如圖8所示，當(dāng)軸類工件軸端形狀改變時(shí)更換夾緊塊來適應(yīng)其他形狀工件的帶動(dòng)要求。對(duì)于圖8（a）的工件，其軸端有貫穿通孔，此時(shí)用一個(gè)夾緊塊采用圓柱銷，它可插入孔中，夾緊板經(jīng)過圓柱銷側(cè)面直接將力傳給工件，此時(shí)帶動(dòng)能力更強(qiáng)，因而式（2）中的安全系數(shù)不用增加。對(duì)于圖8（b）所示的工件，工件軸端為花鍵或齒輪或鍵槽類形狀，此時(shí)夾緊塊選用的是2個(gè)輔助圓弧塊和一個(gè)與工件凹槽形狀一致的帶動(dòng)塊，與工件凹槽形狀一致的帶動(dòng)塊插入工件軸端的凹槽內(nèi)，這個(gè)帶動(dòng)塊依靠側(cè)面的接觸壓力直接帶動(dòng)工件，也比利用靜摩擦帶動(dòng)的帶動(dòng)能力要強(qiáng)，也不用式（2）中選用更大的安全系數(shù)。對(duì)于圖8(c)所示軋輥行業(yè)典型的軋輥零件,工件軸端由兩段圓弧和兩個(gè)平面組成，此時(shí)帶動(dòng)是選用頭部具有平面形狀的夾緊塊，通過兩個(gè)夾緊塊的平面抵在工件兩側(cè)平面上而帶動(dòng)工件，雖然此時(shí)夾緊塊的平面與工件的接觸力為非均勻狀態(tài)，但其接觸力呈圖中形狀，是直接參與帶動(dòng)的，帶動(dòng)能力也很強(qiáng)，因此不用考慮增大式（2）中的的安全系數(shù)。同理，也可以針對(duì)一些其他典型工件進(jìn)行分析，如果帶動(dòng)能力減弱就需要增大式（2）中的的安全系數(shù)。

安排專業(yè)技能訓(xùn)練教學(xué)，學(xué)生分小組強(qiáng)化訓(xùn)練臨床基本技能。醫(yī)院專業(yè)指導(dǎo)教師對(duì)學(xué)生開展真實(shí)病例教學(xué)，學(xué)生直接接觸患者進(jìn)行臨床實(shí)踐，突出人才培養(yǎng)的針對(duì)性和開放性，實(shí)現(xiàn)教學(xué)過程與臨床實(shí)踐過程對(duì)接。在醫(yī)院在崗4O周的實(shí)習(xí)，在培養(yǎng)學(xué)生的操作技能的同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生具有良好醫(yī)德、醫(yī)風(fēng)和綜合職業(yè)能力。

圖8 針對(duì)不同工件軸端安裝不同的夾緊塊

經(jīng)過上面的參數(shù)計(jì)算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，結(jié)合公司用戶磨削圓柱軸端工件試制了一套自動(dòng)帶動(dòng)裝置，制造完工經(jīng)使用，效果很好，不存在夾緊機(jī)構(gòu)與工件之間打滑的現(xiàn)象，裝置如圖9所示。

圖9 試制帶動(dòng)裝置

5 結(jié)語

本文以數(shù)控外圓磨床加工為應(yīng)用場(chǎng)景，針對(duì)多數(shù)軸類零件的磨削自動(dòng)化進(jìn)行了工件自動(dòng)帶動(dòng)裝置傳力相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵件拓?fù)鋬?yōu)化和典型應(yīng)用。首先根據(jù)裝置的工作原理，考慮了安全因素，建立了矩形彈簧的最小彈簧力和頂開機(jī)構(gòu)頂開油缸所需施加的頂開力與工作所需的以剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)所需的慣性力矩、尾架頂尖與工件頂尖接觸部位因滑動(dòng)摩擦形成的摩擦力矩和磨削加工時(shí)的加工力矩三者之間的傳力數(shù)學(xué)關(guān)系，并根據(jù)320系列機(jī)床進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算；接著采用SolidWorks Simulation軟件對(duì)V型夾緊板零件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，去除掉非傳力的部分，減輕了質(zhì)量，提升了帶動(dòng)裝置的動(dòng)態(tài)性能；最后根據(jù)三種典型軸類零件的特性通過夾緊塊與工件之間的相互關(guān)系說明直接由接觸傳力比摩擦傳力更可靠，不用增大傳力時(shí)設(shè)置的安全系數(shù)，同時(shí)根據(jù)用戶需求試制了一套自適應(yīng)圓柱軸端的工件自動(dòng)帶動(dòng)裝置，經(jīng)使用，帶動(dòng)過程中沒有出現(xiàn)滑動(dòng)現(xiàn)象，表明文中給出的計(jì)算公式可行，相關(guān)應(yīng)用研究成果可為軸類零件的自動(dòng)化磨削加工提供一定的參考。