電動升降桿的設計與加工

崔立紅

摘 要 北京朗日科技有限公司顯微取證檢測系統中的電動升降桿的設計與加工中，通過對產品現狀調研中發現問題，確定了解決方案，從升降桿傳動結構的設計、支撐架的加工、部分零件、結構設計優化、結構創新等方面進行改進設計加工，最終客戶滿意已批量生產，使本人從理論到實踐獲益匪淺。

關鍵詞 升降桿設計加工優化

中圖分類號：TH21 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）10-0010-02

1 產品現狀

經過市場調研，發現現有的產品有以下幾大問題。

1）多為手動控制升降，傳動機構大都采用齒輪齒條、同步帶和鏈等。這些結構較復雜，人工手動升降，定位精度和穩定性較差。

2）有效行程多在400 mm以下，無法滿足大行程工作的需要。

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

2 問題解決方案

經過市場的前期調查和客戶的實際需要，我們從以下幾方面對該部件進行升級改造，解決存在的問題。

1）將原有人力驅動升級為電力驅動。選用42加強步進電動機作為原動力，結構簡單重量輕，結合采用滾珠絲杠副傳動，可以精確的移動與定位。

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

3）設計加裝一個可移動的光電式限位裝置，能靈活控制安全距離，更好的保障側頭和被測物體的安全。

4）把升降桿與大底板連接板設計成了可移動的結構?？梢愿鶕粶y物體的需要調節升降桿的位置。

3 設計改進的主要內容

根據解決方案，主要針對以下內容進行了改進設計加工。

3.1 升降桿傳動結構設計

由于滾珠絲杠副傳動摩擦力小傳動精度高，尺寸標準化安裝方便等優點，選擇滾珠絲杠副傳動?？蛻粢?，升降桿移動最大速度25 mm/s，電機最快轉速nmax為3000rpm，即絲杠Vmax1500mm/min。電機輸出端與滾珠絲杠副采用直連，即傳動比為1：1。

1）確定滾珠絲杠副的導程。根據電機額定轉速和升降桿最大速度計算絲杠導程。導程Ph=Vmax/i·nmax=1500/1x3000=0.5 mm，實際Ph取4 mm，可滿足速度要求。

2）滾珠絲杠副的載荷及轉速計算。由于該設備垂直放置，主要用于拍照檢測取證無切削力，其載荷主要來源于工作臺設備重力和導軌、滑塊的摩擦力，此處計算取靜載荷摩擦系數為0.006，則導軌靜摩擦力：

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

由于該設備主要用于拍照檢測取證，運動接近勻速，則有Fm=（2Fmax+Fmin）/3≈F0=119N，nm=（nmax+nmin）/2=375rpm

3）計算滾珠絲杠額定動載荷。

按預期工作時間計算：

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

按滾珠絲杠副預加的最大負荷計算：

Cam=feFmax=6.7x119=797.3N

取較大值Cam=797.3N為滾珠絲杠副預期額定動載荷

4）估算滾珠絲杠副的螺紋底徑d2m。

最大允許軸向變動量：

δm≤（1/3～1/4）=1/4x0.005=0.00125 mm

兩個支撐最大距離：

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）確定滾珠絲杠副規格代號。按照滾珠絲杠Ph、d2m、Cam等因素，選擇基本導程Ph=4 mm，公稱直徑d0=16 mm，查得額定動載荷Ca=5120N>Cam=797.3N。滿足長徑比小于等于30。經過試驗運行滿足負載要求。

3.2 支撐架的加工

由于升降桿選用的型材的長度達1080 mm，而我校的數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。我們設計用一個工裝和兩個定位銷來做工件坐標系的翻轉，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，作為翻轉坐標系的定位孔。卸下型材后在X-840 mm處，做工裝Φ10H7的定位銷孔3。這樣翻轉加工時，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，完成了坐標系的翻轉。

通過一面兩銷定位，實現坐標系的翻轉，解決了加工過程中機床行程不夠的問題，有效的保障了工件的精度，提高了生產效率。

3.3 零件結構設計優化

1）軸承座的優化。優化前的軸承座結構如圖4，此時的軸承座結構簡單，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螺釘，顯單薄不穩固。

優化后的軸承座結構，底部增加了一倍的安裝接觸面積，同時底部增加了一個螺紋安裝孔，使三個螺紋安裝孔成三角型穩固分布，使軸承座型材的連接更加牢固，能承受更大的載荷工作。

2）底座連接的優化。由于原來的升降桿在XY面內是固定不動的，影響了設備的測量范圍，于是我們特設計了活動的“靴子”，通過四塊固定鋼板和過渡板將電動升降桿固定。過渡板上有螺紋孔，可以使過渡板在大托板上移動，實現在XY面內的位置移動。

3.4 結構創新

本部件的創新之處是添加了一套光電式活動限位機構，該機構利用光直線傳播和反射原理，安裝一個光電式的活動限位。

活動限位由一個激光發射器、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射器與激光接收器，在托板的下面安裝一個擋光桿?；瑝K上安裝腰底為45°的等腰梯形活動限位板，兩腰上安裝了光的反射回路的鏡子。當托板向下移動到擋光桿穿過活動限位孔時，擋光桿阻斷激光，信號動作，托板停止移動，保證了被測物體和測頭的安全距離。在活動限位板兩側各有一個螺紋孔，可靈活控制限位板的位置。

4 總結

經過多次與客戶的交流溝通，完成了電動升降桿的設計與加工裝配調試，經過多次的試驗改進優化，我們的產品趨于完善?？蛻艚o予的評價是該產品的整體外觀簡潔大方，各部件結構設計的巧妙合理，較為滿意，表示會繼續合作?，F此產品經過試驗已經達到要求，正批量生產。總之，通過親自參與該產品的設計加工，對現代機械設計和加工機械有了更深刻的認識，更深入了解了生產實際的需求，同時自身的專業綜合能力得到了很大的提高。

參考文獻

[1]趙松年，張奇鵬.機電一體化機械系統設計[M].北京機械工業出版社，1996.endprint