電動升降桿的設(shè)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(tǒng)中的電動升降桿的設(shè)計與加工中，通過對產(chǎn)品現(xiàn)狀調(diào)研中發(fā)現(xiàn)問題，確定了解決方案，從升降桿傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計、支撐架的加工、部分零件、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新等方面進行改進設(shè)計加工，最終客戶滿意已批量生產(chǎn)，使本人從理論到實踐獲益匪淺。

關(guān)鍵詞 升降桿設(shè)計加工優(yōu)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(chǎn)品現(xiàn)狀

經(jīng)過市場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的產(chǎn)品有以下幾大問題。

1）多為手動控制升降，傳動機構(gòu)大都采用齒輪齒條、同步帶和鏈等。這些結(jié)構(gòu)較復雜，人工手動升降，定位精度和穩(wěn)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(shè)想。

2 問題解決方案

經(jīng)過市場的前期調(diào)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(qū)動升級為電力驅(qū)動。選用42加強步進電動機作為原動力，結(jié)構(gòu)簡單重量輕，結(jié)合采用滾珠絲杠副傳動，可以精確的移動與定位。

2）根據(jù)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(shè)備的適用范圍。

3）設(shè)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(cè)頭和被測物體的安全。

4）把升降桿與大底板連接板設(shè)計成了可移動的結(jié)構(gòu)?？梢愿鶕?jù)被測物體的需要調(diào)節(jié)升降桿的位置。

3 設(shè)計改進的主要內(nèi)容

根據(jù)解決方案，主要針對以下內(nèi)容進行了改進設(shè)計加工。

3.1 升降桿傳動結(jié)構(gòu)設(shè)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(yōu)點，選擇滾珠絲杠副傳動?？蛻粢螅禇U移動最大速度25 mm/s，電機最快轉(zhuǎn)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(jù)電機額定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速計算。由于該設(shè)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(shè)備重力和導軌、滑塊的摩擦力，此處計算取靜載荷摩擦系數(shù)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(shè)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(guī)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(jīng)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(shù)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(shè)計用一個工裝和兩個定位銷來做工件坐標系的翻轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)。

通過一面兩銷定位，實現(xiàn)坐標系的翻轉(zhuǎn)，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(chǎn)效率。

3.3 零件結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

1）軸承座的優(yōu)化。優(yōu)化前的軸承座結(jié)構(gòu)如圖4，此時的軸承座結(jié)構(gòu)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(wěn)固。

優(yōu)化后的軸承座結(jié)構(gòu)，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(wěn)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(yōu)化。由于原來的升降桿在XY面內(nèi)是固定不動的，影響了設(shè)備的測量范圍，于是我們特設(shè)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(xiàn)在XY面內(nèi)的位置移動。

3.4 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

本部件的創(chuàng)新之處是添加了一套光電式活動限位機構(gòu)，該機構(gòu)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(fā)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(fā)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(cè)各有一個螺紋孔，可靈活控制限位板的位置。

4 總結(jié)

經(jīng)過多次與客戶的交流溝通，完成了電動升降桿的設(shè)計與加工裝配調(diào)試，經(jīng)過多次的試驗改進優(yōu)化，我們的產(chǎn)品趨于完善?？蛻艚o予的評價是該產(chǎn)品的整體外觀簡潔大方，各部件結(jié)構(gòu)設(shè)計的巧妙合理，較為滿意，表示會繼續(xù)合作?，F(xiàn)此產(chǎn)品經(jīng)過試驗已經(jīng)達到要求，正批量生產(chǎn)?？傊?，通過親自參與該產(chǎn)品的設(shè)計加工，對現(xiàn)代機械設(shè)計和加工機械有了更深刻的認識，更深入了解了生產(chǎn)實際的需求，同時自身的專業(yè)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(tǒng)設(shè)計[M].北京機械工業(yè)出版社，1996.endprint