一種錨板開槽的專用鋸床設計

李華雷，李福靖，烏日圖

(內蒙古工業大學機械學院，內蒙古呼和浩特 010051)

制造技術是各國經濟競爭的重要支柱之一，經濟的成功在很大程度上得益于先進的制造技術，而機床是機械制造技術重要的載體，它標志著一個國家的生產能力和技術水平。機床工業是國民經濟的一個重要先行部門，擔負著為國民經濟各部門提供現代化技術裝備的任務。然而在制造業中，專用機床有著不可替代作用。它是以通用部件為基礎，配以按工件特定形狀和加工工藝設計的專用部件和夾具，組成的半自動或自動專用機床。由于通用部件已經標準化和系列化，可根據需要靈活配置，能縮短設計和制造周期［1－2］。

預應力錨具是工程建設過程中混凝土預應力張拉工具，由于性能卓越，已廣泛應用于國內外橋梁建設、預應力混凝土、鋼結構、高速公路建設、高層建筑、礦山、巖土錨固、邊坡治理、水電核電建設等領域［3］。施工時預先將錨具定位安裝，然后澆筑混凝土，埋在混凝土構件的兩端，也就是波紋管的兩個端頭，是為了張拉時千斤頂的穩定作用而設置的端面。文中設計的專用鋸床是對M15-19孔錨板(如圖1所示)進行應力的消除，加工4 mm寬槽。主要對牛頭刨床進行以下4個方面改進和創新:(1)水平運動機構設計;(2)抬刀裝置設計;(3)專用夾具設計;(4)電氣控制裝置。

1 水平運動機構的改進

考慮到鋸床在工作時的狀態及其他各方面因素，專用鋸床的水平運動可以有勻速和變速兩種。傳統牛頭刨床主傳動機構的曲柄搖桿機構的運動特性是無法實現滑枕往復等速運動的，正因為滑枕在刨削行程中的速度不均勻性，無法提供對滑枕的恒定推力［4］。而對牛頭刨床機構進行改進可以實現滑枕往復等速運動，從機械設計角度分析方法可謂多種多樣，但從經濟性、技術性、可靠性等角度綜合分析，比較簡單易行且經濟實用的方法是采用機械傳動式，即用齒輪齒條傳動方式實現牛頭刨床滑枕恒推動力和等速直線運動的設計方案［5］，如圖2所示。

圖2 牛頭刨床滑枕恒推動力和等速直線運動的設計簡圖

2 抬刀裝置設計

結合零件的加工過程，最終確定刀架機構如圖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刀架產生拉扯的后果，時間一長就會使連接螺栓松動，最終造成刨削精度下降，更為嚴重的則會致使螺栓被扯斷，從而刀架掉落造成事故。所以，在鋸床刀架的改進設計中，刀架的滑枕方向用燕尾槽導軌定位，刀架的豎直方向用絲桿螺母副定位。凸輪能調節刀架在一定范圍內在垂直方向上下移動。這樣就很好地解決上述問題。該方案存在的問題:由于改進設計中采用了燕尾槽導軌方案，受燕尾槽導軌占用的空間限制，導致托板不能再另行設計成像老式單向牛頭刨床上的托板那樣能在垂直工作臺平面旋轉。

圖3 刀架機構圖

該方案采用伺服電機作為動力源，用行程開關來控制電機的運轉。電機軸通過聯軸器帶動圓柱凸輪轉動，凸輪上連接有連桿，帶動刀架上升或下降，來實現在工進時鋸刀始終與工件接觸，回程時凸輪刀架抬起，減少鋸條與工件之間的磨損，延長鋸條的壽命。電動抬刀裝置見圖4。

圖4 電動抬刀裝置

3 專用夾具設計

機床夾具設計［6－7］是工藝裝備設計的重要組成部分。機床的夾具應能夠達到可靠地保證零件的加工質量，提高勞動生產率，降低勞動強度，結構工藝好、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，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，槽口的寬度由刀具直接保證，而槽口的深度和位置則和設計的夾具有關。槽口的位置要求:槽口的中心面應通過φ36 mm孔的中心線。

利用文中設計夾具主要用來鋸槽，該槽側面對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，其他都是未加工表面。為了保證技術要求，關鍵是找到定位基準。同時，應考慮如何提高勞動生產率和降低勞動強度。

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

如前所述，應該注意提高生產率，但該夾具設計時采用了手動夾緊方式，在夾緊和松開工件時比較費時費力。由于該工件體積小、工件材料易切削、切削力不大，經過認真分析和比較，選用了手動夾緊方式(螺旋夾緊機構)。這類夾緊機構結構簡單、夾緊可靠、通用性大，在機床夾具中被廣泛應用。

此外，當夾具有制造誤差、工作過程出現磨損，以及零件尺寸變化時，將影響定位、夾緊的可靠。為防止此類現象，削邊銷軸采用可換的，以便隨時根據情況進行調整。

結合以上所有因素，最終夾具結構如圖5所示。

圖5 夾具結構

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來實現工作臺的上下運動控制。同時，在滑枕上加裝行程開關來控制抬刀裝置的上下運動，便可達到定位目的。

采用PLC控制步進電機實現定位控制，硬件電路設計簡單、方便、快捷，編程語言形象直觀，容易掌握［8］。步進電機又稱為脈沖電機，是控制系統中的一種執行元件。因此只要控制輸入脈沖的數量、頻率及電動機繞組通電的相序，便可獲得所需的轉角、轉速及轉動方向，實現精確定位。該定位過程中步進電機的工作過程如圖6所示。刀具由起始位置A移到終點D，AD=18 mm，脈沖當量取0.01 mm/步，步進電機細分數為4，脈沖上限頻率為10 kHz，則走完全程共需7 200個脈沖。建立包絡表如表1所示。

圖6 步進電機工作原理

表1 包絡表內容

該系統包絡表的子程序［9］SBR_1如下:

5 總結

通過一些技術可行、改進成本較低的改進方案，對老舊機床做一些相應的改造，讓其加工一些批量大、加工精度要求相對較低的零件，還是有很多市場前景的。例如文中所改造的刨床。通過對老舊機床的改造讓其重新煥發青春，不僅可以節約資源，而且還可以變廢為寶，這應該是值得提倡的。

【1】馮辛安.機械制造裝備設計［M］.3版.北京:機械工業出版社，2010:1－5.

【2】李洪.實用機床設計手冊［M］.沈陽:遼寧科學技術出版社，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構創新設計及改造［J］.煤礦機械，2008(12):152－154.

【5】王鳳蘭，沙玉章.雙向刨削牛頭刨床的機構創新設計［J］.機械設計，2007(11):48 －49.

【6】余光國，馬俊，張興發.機床夾具設計［M］.重慶:重慶大學出版社，1995:231－235.

【7】林祖正，胡義華，張樹林.某型號電動機機座專用夾具的設計［J］.裝備制造技術，2012(4):30－32.

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

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