基于蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床電動推桿式防護(hù)門設(shè)計

陳詩贈，胡真清，蔣修華，王有亮，賀國建

（喬鋒智能裝備股份有限公司，廣東 東莞 523000）

0 引言

數(shù)控機(jī)床有“工業(yè)母機(jī)”之稱，為制造業(yè)的生產(chǎn)提供了各種各樣的機(jī)械加工設(shè)備，是衡量一個國家工業(yè)水平的重要指標(biāo)。我國目前加大了工業(yè)母機(jī)的核心技術(shù)公關(guān)力度，積極出臺了一系列政策扶持?jǐn)?shù)控機(jī)床企業(yè)發(fā)展。根據(jù)資料預(yù)測，接下來幾年，我國數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)規(guī)模將會不斷遞增，2026年我國數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)到6 200 億元。隨著科技水平和生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，對數(shù)控機(jī)床的加工精度、功能部件的壽命、人性化操作、工藝美學(xué)等方面提出了更高的要求，數(shù)控機(jī)床也逐步實現(xiàn)了自動化、柔性化、集成化發(fā)展，從而為企業(yè)的產(chǎn)品加工帶來了高效生產(chǎn)模式［1］。

數(shù)控機(jī)床在加工零件過程中，都會出現(xiàn)大量的切屑，部分零件加工需要噴灑切削液，從而導(dǎo)致切屑和切削液大量飛濺，因此，數(shù)控機(jī)床都會設(shè)計有安全防護(hù)罩。目前，市面上的數(shù)控機(jī)床防護(hù)門主要通過人工進(jìn)行開關(guān)門，自動防護(hù)門未能普及使用［2］。使用時間過長時容易出現(xiàn)滾輪與導(dǎo)軌配合誤差過大、滾輪卡死、穩(wěn)定性能差等問題。本文針對以上問題，設(shè)計開發(fā)出電動推桿式防護(hù)門。該自動防護(hù)門可以結(jié)合采用機(jī)械手替代人工取放工件，實現(xiàn)高效生產(chǎn)，杜絕安全隱患。安全防護(hù)門的整體電動推桿運(yùn)行裝置采用塑料外殼進(jìn)行封閉設(shè)計，相比傳統(tǒng)的敞開設(shè)計，能更好地避免切屑附著在傳動機(jī)構(gòu)上，減少切削液腐蝕內(nèi)部電路和傳動結(jié)構(gòu)。該電動推桿式防護(hù)門在實際生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)穩(wěn)定性能好，配合機(jī)器手取放工件可大大提高生產(chǎn)效率，制作和后期維護(hù)成本低，可推廣應(yīng)用于注塑機(jī)、折彎機(jī)、剪切機(jī)等機(jī)械裝備上的防護(hù)門。

1 設(shè)計原理

該電動推桿式防護(hù)門的基本工作原理：電機(jī)帶動蝸桿旋轉(zhuǎn)，蝸輪蝸桿的減速箱組進(jìn)行減速，蝸輪帶動螺桿，由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動的形式，從而實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床防護(hù)門的開、關(guān)門動作。該電動推桿式防護(hù)門主要由驅(qū)動電機(jī)、減速齒輪箱組、螺桿、觸點(diǎn)開關(guān)、防水塑料外殼等零部件組成，設(shè)計方案如圖1 所示。其中，減速箱組是電動推桿裝置的核心樞紐部分，整個電動推桿運(yùn)行和工作依靠減速箱組連接和帶動。由于該防護(hù)門在實際工作環(huán)境中經(jīng)常會被切屑和切削液帶來影響，更容易老化而縮短使用壽命，為了達(dá)到不影響外觀和使用壽命的目的，在這個情況下，核心零部件需要做抗氧化處理。減速裝置上采用的是蝸輪蝸桿傳動結(jié)構(gòu)，其在有限的運(yùn)行空間內(nèi)能起到相對高的減緩作用，傳動噪聲較?。?］。該裝置需要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)：推桿負(fù)載大于或等于60 kg，推桿速度需大于或等于20 mm／s。

圖1 電動推桿式防護(hù)門模型

2 硬件結(jié)構(gòu)

2.1 電動推桿的螺桿設(shè)計

2.1.1 螺桿參數(shù)

在電動推桿裝置傳動機(jī)構(gòu)中，采用滾珠絲杠，該類型的絲桿在活動座內(nèi)部和螺桿磨擦的接觸面上使用鋼珠，活動座內(nèi)部和螺桿的運(yùn)動方式從接觸滑動變?yōu)闈L動摩擦，精密度更高。同時采用梯形螺紋，其耐磨損強(qiáng)度更高，因此在考慮電動推桿的使用抗剪切強(qiáng)度和抗彎娶強(qiáng)度狀態(tài)下，設(shè)計使用的螺桿類型為梯形螺紋［4］。根據(jù)設(shè)計方案的初步計算，螺桿參數(shù)初步選用牙數(shù)為4，節(jié)圓直徑為16.10 mm，軸直角節(jié)距T1＝4.45 mm，齒型角（徑度）α1＝30°。

2.1.2 螺桿效率

根據(jù)裝置采用的螺桿型號，查閱相關(guān)資料［5］，得出其外徑為17.8 mm，導(dǎo)程為17.8 mm，牙數(shù)為4，圓直徑為16.1，根據(jù)螺桿的導(dǎo)程角公式：

式中D為螺桿節(jié)圓直徑。

因此得出：

該裝置在實際運(yùn)行中，所承受的負(fù)載為60 kg，該負(fù)載作用于螺桿上，所需要的轉(zhuǎn)矩為：

設(shè)定裝置活動底座與螺桿的動摩擦因數(shù)為0.1，因此得出：

當(dāng)裝置運(yùn)行負(fù)載為60 kg 時，螺桿所需的轉(zhuǎn)矩為Mt。

2.1.3 電動推桿的螺桿抗剪切強(qiáng)度校核

根據(jù)裝置中螺桿型號參數(shù)，查閱資料［6］得出螺紋公稱直徑d ＝17.8 mm，螺紋牙數(shù)n ＝4，工作扭矩T ＝2.34 N·m，螺距P ＝17.8 mm，螺紋中徑d2＝16.1 mm。對螺桿而言，抗剪切強(qiáng)度校核應(yīng)滿足。查閱相關(guān)資料［7］，得出表1 所示各參數(shù)值。

表1 抗剪切強(qiáng)度校核相關(guān)計算結(jié)果

2.1.4 電動推桿的螺桿抗彎曲強(qiáng)度校核

該裝置選用的螺桿和螺母材質(zhì)均一致，但是螺母的抗彎曲強(qiáng)度要高于螺桿，因此需要校核螺桿的抗彎曲強(qiáng)度。計算時，一般可將螺桿的一小圈螺紋當(dāng)成一副懸臂梁，如圖2 所示，沿著螺紋小徑展開［8］。當(dāng)裝置帶有負(fù)荷時，螺桿上的螺紋所得的平均作用力F／z 加載于中徑d2的圓周上，因此，對于螺桿而言，其螺紋根部容易斷裂界面A-A的抗彎曲強(qiáng)度參數(shù)為：

圖2 螺桿的一圈螺紋懸臂梁示意圖

其中b為螺紋牙底寬度，b ＝0.5 p。根據(jù)螺桿參數(shù)和螺桿抗剪切強(qiáng)度計算表1 可得：軸向力F ＝12.5 MPa，結(jié)合圈數(shù)z ＝1，外徑d 為?17.8 mm，節(jié)徑d2為?16.1 mm，底徑d1為?14.03，p ＝17.8 mm 可算出σb＝152 MPa≤［σb］＝420 MPa。所以其彎曲強(qiáng)度符合要求。

2.2 渦輪蝸桿參數(shù)設(shè)計

2.2.1 電動推桿的螺桿參數(shù)設(shè)計

在機(jī)械裝置中，若存在空間互相垂直連軸的傳遞運(yùn)動，通常使用蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)，如圖3所示。在減速傳動中，選擇軸交角為90°的空間互相垂直連軸的減速運(yùn)動為最常用，在此傳動條件下能獲得較大的單級傳動比的性能［9］。在傳遞動力時，傳動比取值i一般為5 ～80之間，而在實際的應(yīng)用中，通常選擇范圍為15 ～50。在此機(jī)構(gòu)中，蝸輪蝸桿起到傳遞運(yùn)動的作用，根據(jù)經(jīng)驗值，傳動比i值可達(dá)到1 000。它能實現(xiàn)較大的傳動比，使得各結(jié)構(gòu)的配合更加緊湊；在運(yùn)動過程中傳動平穩(wěn)，使用時噪聲很小。

圖3 蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)

在設(shè)計過程中，幾何參數(shù)的選擇是設(shè)計在傳動的蝸桿首要步驟，然后再計算得出蝸桿傳動的各項幾何尺寸［10］。確定選取的蝸桿傳動主要的幾何參數(shù)為：模數(shù)m，壓力角α，傳動比i12，蝸桿直徑系數(shù)q，蝸桿頭數(shù)Z1，蝸輪齒數(shù)Z2，蝸桿導(dǎo)程角γ，中心距a，齒數(shù)比u，蝸輪變位系數(shù)X2。關(guān)于模數(shù)m標(biāo)準(zhǔn)值的選取，由于考慮的到使用空間及強(qiáng)度問題，本裝置選取蝸桿齒數(shù)Z1＝1，蝸輪蝸桿的模數(shù)m ＝1.25，蝸輪齒數(shù)為Z2＝39。

根據(jù)蝸輪蝸桿的計算公式，可得出蝸桿的牙數(shù)為1，壓力角為14.5°，節(jié)圓為14 mm，導(dǎo)程為3.927 mm，導(dǎo)程角為5.1°，外圓直徑為16.5 mm。而渦輪的軸直角模數(shù)為1.25，齒數(shù)為39，軸向壓力角為14.5°，法向壓力角為14.75°，螺旋角為5.102°，節(jié)圓為48.75 mm。

2.2.2 渦輪與蝸桿的受力關(guān)系

查閱相關(guān)資料［11］，得出齒間正向力、渦輪蝸桿切線力的計算公式分別如下。

式中：Pn為齒間的正向力；Pt為蝸輪的切線力；Pcw為蝸桿的切線力；γ為螺旋角；α為法向壓力角。

則有：Pt＝9.61 kg。假設(shè)μ ＝0.10，則有Pn＝10.07 kg，Pcw＝1.87 kg。

3 測試驗證與結(jié)果分析

安全防護(hù)門的整體電動推桿中的各零部件制造完成后，對其進(jìn)行裝配和測試。經(jīng)測試，機(jī)構(gòu)中的螺桿運(yùn)動方式為右旋，其上端的螺帽必須使用左旋螺紋，否則在螺桿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，上端螺帽會很容易脫落［12］。機(jī)床加工測試過程中大量的切削液飛濺到電動推桿裝上，如果螺桿組件沒有密封，螺桿傳動機(jī)構(gòu)會生銹，降低該裝置的使用壽命，因此該整體電動推桿運(yùn)行裝置采用防水塑料外殼進(jìn)行保護(hù)，如圖4所示。為延長裝置在后期測試的使用壽命，該裝置須安裝到數(shù)控機(jī)床防護(hù)門的頂部位置［13］。

圖4 防水塑料外殼電動推桿裝置

在本電動推桿裝置的后期測試中，發(fā)現(xiàn)蝸桿的部分齒根有少量的磨損。因為該裝置的蝸桿采取開式傳動形式，而蝸桿齒根的磨損、彎曲和折斷，是開式蝸桿傳動的主要失效形式。針對該類問題，后期研發(fā)人員對蝸輪蝸桿的表面進(jìn)行潤滑和對其粗糙度進(jìn)行約束，考慮到加工成本和使用性能的要求，將粗糙度測定為小于或等于0.8；與此同時，作為螺旋齒形式的螺桿，蝸輪的材質(zhì)強(qiáng)度比螺桿低，從而根據(jù)材料性能和失效形式進(jìn)行分析，蝸輪結(jié)構(gòu)是傳動失效的主要產(chǎn)生來源。為避免該問題，研發(fā)人員將蝸輪材質(zhì)加硬，同時適當(dāng)增加齒厚，使變形量得以控制［14］。經(jīng)過優(yōu)化后重新測試，渦輪蝸桿和螺桿運(yùn)行穩(wěn)定，相比于傳統(tǒng)的拉桿式氣缸裝置進(jìn)行開關(guān)門動作，噪聲和振動明顯減少。同時，在本電動推桿裝置設(shè)計中，由于所選取的蝸桿傳動類型為普通圓柱蝸桿傳動。經(jīng)測試，該圓柱蝸桿傳動的傳動效率大于或等于90%，承受負(fù)載的能力通常比一般的圓柱蝸桿傳動高出50%～150%，并且擁有體積小、質(zhì)量輕、搬取較輕便、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)［15］，該裝置各功能參數(shù)如表2 所示。

4 結(jié)束語

電動式推桿裝置是整個電動推桿式開門器的主要核心，本文進(jìn)行了電動推桿的蝸輪蝸桿及螺桿的設(shè)計，并對電動推桿式防護(hù)門關(guān)鍵零部件進(jìn)行尺寸計算，從而實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床防護(hù)門的開、關(guān)門動作。安全防護(hù)門的整體電動推桿運(yùn)行裝置采用塑料外殼進(jìn)行封閉設(shè)計，相比傳統(tǒng)的敞開設(shè)計，能更好的避免切屑附著在傳動機(jī)構(gòu)上，減少切削液腐蝕內(nèi)部電路和傳動結(jié)構(gòu)。該裝置可有效促進(jìn)自動化管理和數(shù)字化管理，大大提高了工作效率；該電動推桿式防護(hù)門在實際生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)穩(wěn)定性能好，配合機(jī)器手取放工件可大大提高生產(chǎn)效率，制作和后期維護(hù)成本低，具備良好的安全性能、方便維修、制造成本低等特點(diǎn)，可推廣應(yīng)用于注塑機(jī)、折彎機(jī)、剪切機(jī)等機(jī)械裝備上的防護(hù)門，為同行業(yè)的相關(guān)數(shù)控機(jī)床安全防護(hù)門設(shè)計提供了借鑒。