用于直線滾動導軌垂直安裝鎖緊裝置的設計分析

漢川數控機床股份公司 潘少平 童國榮 郭 軍 王 雷

用于直線滾動導軌垂直安裝鎖緊裝置的設計分析

漢川數控機床股份公司 潘少平 童國榮 郭 軍 王 雷

為直線滾動導軌用于垂直導向運動設計一種鎖緊裝置，該裝置避免了因鎖緊狀態而對導軌本體的損傷和運動精度的影響，對數控機床的定位精度起到了很好的保證作用。

在機床的運動系統中，垂直運動坐標的定位由于受到部件自身重力的影響而產生不可靠因素，故輔助的定位鎖緊裝置是保證坐標定位精度不可忽視的重要手段。細數一下通常的導軌鎖緊機構，無論是利用凸輪、楔塊、摩擦片等制動元件，還是選用手動或液壓等不同方式來實現，對于傳統的滑動導軌來說，可以將鎖緊制動力直接作用于導軌之上實現穩定可靠的鎖緊而又不會對導軌產生不利的影響，故鎖緊機構的設計和配置相對容易一些。而對于現在更有利于運動系統精度實現的滾珠絲杠加直線滾動導軌配置的結構，鎖緊機構不僅因滾動導軌的特殊性難于布置和設計，而且對實現鎖緊的功能和可靠性提出了更高的要求。

本文就是針對這一難點，給出了一個解決大型機床在垂直運動方向使用直線滾動導軌時隨機定位鎖緊的設計應用方案。

1. 問題的提出

作為起承載和導向作用的導軌，在機床領域的使用過程中，其運動精度是最關鍵的指標。這就要求導軌不但具備運動的平穩性，而且要滿足精確的導向和定位，不合理的導軌定位鎖緊往往會對它的運動精度產生不利影響。

傳統的滑動導軌副垂直坐標鎖緊是將夾緊力直接作用在導軌上，依靠靜摩擦力使升降部件與固定部件相對靜止。這種鎖緊方式的前提是導軌不但能夠承受足夠的運動載荷，還要在外加鎖緊力的狀態下保持自身良好的幾何精度不變。這兩個基本要求對于直線滾動導軌副來說，由于其導軌截型面積相對于普通滑動導軌較小，而且截型復雜、幾何精度很高，如果將鎖緊力直接施加在導軌體上，將會產生既不能保證可靠的鎖緊狀態又會損傷導軌機體，造成幾何精度和運動精度兩敗俱傷的嚴重后果。這是我們在應用直線滾動導軌中必須加以注意和避免的，也是在垂直安裝方向更好地使用直線滾動導軌需要亟待解決的問題。

2 .鎖緊機構的設計思路與結構

筆者所在的公司是專業從事研發生產大型龍門式加工中心的企業，為解決其中一款橫梁升降式龍門機床的橫梁部件在使用直線滾動導軌承載導向的鎖緊問題時，我們重點關注了直線滾動導軌鎖緊機構設計中應該避免的核心要點，分析了直線滾動導軌安裝使用時空間結構緊湊的特點，為其設計出相適應的鎖緊機構。

圖1 鎖緊機構結構圖

這種用于直線滾動導軌的鎖緊機構在方案確定和設計過程中，我們重點考慮了以下幾個方面：

（1）基于直線滾動導軌體不能直接受到夾緊外力的作用，把外加鎖緊載荷進行了轉移。

（2）由于直線滾動導軌使用的空間所限，要滿足結構緊湊且夾緊力足夠，取得“以小博大”的使用效果。

（3）用于鎖緊的輸出力持續恒定，不會因外部的突變因素而出現大的波動或泄力。

（4）易于數控設備的實時控制，以占用最少的系統資源達到控制準確可靠。

（5）便于裝配制造和批量化生產，達到獨立成為部件，滿足通用化、系列化的要求。

完成設計的鎖緊機構如圖1所示。整個機構主體是建立在杠桿機構的原理上，利用剛性極好的組合碟簧來提供鎖緊力來源，由自適應的終端鎖緊塊完成鎖緊動作。鎖緊原理和過程如下：

當運動部件3需要與固定部件1相對靜止處于定位狀態時，控制系統發出指令，液壓系統電磁閥執行動作使液壓缸體7上部的油液通過液壓油口10排出，此時組合碟簧8施加彈力推動活塞桿9向上移動，該力通過杠桿臂11和支點螺桿6所組成的杠桿機構按比例放大后形成夾緊力，借助擺動壓塊13和調整支塊5作用于鎖緊板4上，在這三者之間產生的靜摩擦力來保持它們之間的相對靜止，即保證了運動部件和固定部件之間的相對位置不再因受力作用而發生偏移，完成靜態定位。

當垂直坐標得到運動指令時，控制系統首先給鎖緊裝置發出解除鎖緊狀態指令，液壓系統電磁閥動作給液壓缸體上部快速進油，液壓力克服碟簧彈力推動活塞向下運動，活塞桿帶動杠桿系統完成松開動作。

由于液壓缸的進出油口為同一個，所以在設計液壓系統時，需要有兩種基本回路，即壓力控制回路和方向控制回路。壓力控制回路實現增壓和卸荷，方向控制回路控制油路中液流的接通、切斷或變向。有了液壓系統的支持，鎖緊裝置便能有效地進行控制和運行。

3. 細節設計分析

該鎖緊裝置在設計過程中，為了解決杠桿機構在受力發生微量偏轉過程中，各施力點、受力點和支點位置不會因力的方向發生變化而受到剛性破壞，我們在細節上對這些位置采取了如下的“柔性化”處理，保證了機構的可靠性。

圖2 受力點的細節設計

圖2a為鎖緊力輸出作用到杠桿的細節設計。當碟簧輸出的彈力頂起活塞桿向上作用于杠桿時，杠桿受力必然產生一個翻轉力矩。將調整杠桿動力臂行程的調整螺釘端面設計為半球面形狀，這樣，即使杠桿不斷改變受力方向也不會致使液壓油缸因杠桿的翻轉而影響其直線運動狀態。

圖2b為杠桿機構的理論支點使用了球面墊片來自動調整位置，使杠桿在支點的受力始終保持與其垂直并均勻分布。

圖2c為夾緊端的細節設計。夾緊端要產生可靠的靜摩擦力，夾緊塊與夾緊片之間充分的貼合是產生最大靜摩擦力的前提。固定式的夾緊塊也會因杠桿機構的翻轉運動影響與夾緊片的接觸面積，故我們將夾緊塊設計為圖示中可擺動的形式，這樣就使得在夾緊狀態下，夾緊塊與夾緊片之間始終保持一種自適應的最佳貼合狀態，另外在擺動壓塊與鎖緊板接觸的面上固定了一層銅板，起到了耐磨損和保證鎖緊時產生最大靜摩擦力的有效接觸面積。

4.鎖緊機構的力學分析

我們可以把杠桿鎖緊機構的受力情況簡化為如圖3示：

圖3 受力簡圖

圖示中：P為擺動壓塊作用于鎖緊板上的壓力；

T為杠桿所受的動力；

Q為液壓油作用在活塞上的推力；

N為組合碟簧作用在活塞桿上的推力。

設計計算中我們用“倒推法”由所需夾緊力（即正壓力P），根據設計空間結構調整杠桿動力臂b和阻力臂a的分配，最終計算出碟簧輸出力N的大小及松開夾緊時液壓系統所提供的推力Q。

通常情況下，對大型機床垂直運動部件的鎖緊方式都采用兩組導軌多點式對稱布置，而且這樣既可保證鎖緊的可靠，也可將鎖緊力進行分解，使單個鎖緊機構在緊湊的設計尺寸下同樣滿足強度要求。

（1）假設分解到單個鎖緊機構上需要克服的垂直載荷力為F，即單個機構所要產生的靜摩擦力f與F為大小相等、方向相反。那么單個機構所要求產生的夾緊力為：

P＝f/μ＝－F/μ

（2）杠桿的受力計算：

假設杠桿機構所處的狀態如圖3所示，此時杠桿所受的動力為T，所受的阻力W與正壓力P大小相等，方向相反，即W＝－P。根據杠桿的計算公式有：

T*b＝W*a

即：T*b＝-P*a

根據鎖緊機構在部件使用中所具有的空間尺寸，合理調整動力臂b和阻力臂a的尺寸，計算出鎖緊動力T值，也就是需要碟形彈簧所提供的彈力N值。

（3）碟形彈簧的計算說明：

由于碟形彈簧具有軸向尺寸小、承載能力大以及非線性的載荷與變形特性等特點，非常適合本機構緊湊、輸出大載荷的設計要求，故選用組合式碟形彈簧為機構提供穩定可靠的動力來源。

首先明確組合碟形彈簧在達到自由高度時的總載荷Fz=N=T，依據設計空間位置和運動行程來選用合適的碟簧尺寸，計算確定碟簧的組合方式、疊合片數和尺寸總變形量fz及組合碟簧的自由高度Hz。此計算過程是碟形彈簧設計最基本的計算，在此不再累述。

（4）液壓系統的作用力。

液壓系統所提供的液壓力Q與碟簧對活塞的壓力N相互作用，實現鎖緊機構的松開與鎖緊，所以液壓系統提供的最大油壓必須滿足Q＞N。

5. 結語

高精度直線滾動導軌和大螺距精密滾珠絲杠組合，被稱為數控設備在承載導向和運動驅動方面的“最佳拍檔”。即使這種最佳組合在被大型數控機床用于垂直運動部件安裝時，其不可自鎖且必須依靠其它手段才能實現位置確定的“短板”顯現出并不完美的缺憾。我們在分析問題明確目標后所設計出獨立可靠的鎖緊裝置，可以說是小設計解決了大問題，使直線滾動導軌在垂直安裝應用過程中實現了“揚長補短”的實際效果。 □

文獻參考

①機械設計手冊編委會. 機械設計手冊第2卷. 機械工業出版社，2004.

②王積偉、章宏甲、黃誼.液壓與氣壓傳動 第2版．機械工業出版社，2006.

③聞邦椿.機械設計手冊.機械工業出版社，2010.

資訊

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