暗花立式刻繪機改進設計研究

聶小春，卜福財，高 琴

（1.廣州工程技術(shù)職業(yè)學院機電工程學院，廣州 510925；2.佛山市皇派門業(yè)有限公司，廣東 佛山 528100；3.北京科技大學高等工程師學院，北京 100089）

在一家公司指導學生實訓時，有學生在暗花刻繪崗位上實習，通過操作暗花刻繪設備刻繪時發(fā)現(xiàn)有精度方面的誤差，需要對其結(jié)構(gòu)進行改善。本文對該公司的立式暗花刻繪機現(xiàn)行結(jié)構(gòu)進行分析，提出改進設計方案使設備工作安全穩(wěn)定并且可靠，暗花的刻繪精度得到大大提高。暗花立式刻繪機廣泛應用在各種玻璃圖案工藝品的制作上。

1 暗花立式刻繪機現(xiàn)狀

暗花立式刻繪機是在貼了膠紙的玻璃上刻繪各種各樣的圖案的設備，主要由進給裝置1、刻繪裝置2、控制裝置3 和刻繪機本體等部分組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

圖1 暗花立式刻繪機

該暗花立式刻繪機工作原理如下：人工將貼了膠紙的玻璃板放至刻繪機的平臺上，然后控制系統(tǒng)對進給裝置1 進行自動化控制，進給裝置1 帶動刻繪裝置2 按照編好的刻繪程序進行暗花的刻繪。此刻繪機刻繪的精度受控制系統(tǒng)和本身的機械精度影響，本文只研究本身的機械精度影響。

2 改進方案設計

2.1 進給動力傳輸機構(gòu)改進設計

現(xiàn)行刻繪機的進給傳動裝置的動力是由進給電機帶動同步帶來傳動的，如圖2 所示。雖然同步帶具有傳動平穩(wěn)、傳動比準確、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，但其對安裝時的中心距要求等方面極其嚴格，制造工藝復雜導致制造成本高。且由于本刻繪機行程范圍大，所選同步帶較長，同步帶材料有彈性等，在生產(chǎn)中會出現(xiàn)同步帶的齒無法精密地和帶輪嚙合，經(jīng)常出現(xiàn)卡死和亂步現(xiàn)象，導致刻繪出來的暗花圖案偏移或少刻。為了避免此種現(xiàn)象，將進給傳動裝置改為齒輪齒條傳動機構(gòu)，如圖3 所示。齒輪齒條機構(gòu)剛度好，傳動精度高，刻繪時不會錯步，能夠很好地解決暗花圖案刻偏或刻少的問題。

圖2 暗花立式刻繪機的進給動力傳輸裝置

圖3 齒輪齒條傳動機構(gòu)示意圖

2.2 進給機構(gòu)導軌排列方式改進設計

此刻繪機進給機構(gòu)的導向采用的是雙導軌結(jié)構(gòu)，雙導軌可以保證裝置的準確定位以實現(xiàn)運動軌跡的精確控制。現(xiàn)刻繪機的雙導軌排列如圖4 所示，其導軌1 和導軌2 為相互垂直排列方式，對導軌本身的精度及安裝精度要求很高[1]。導軌的安裝精度直接影響著刻繪機的運行精度，從而影響到刻繪暗花圖案的精度[2]。因此本文將其改進設計為同向排列安裝方式，如圖5 所示。

圖4 垂直排列的導軌

圖5 同向排列導軌示意圖

2.3 刻繪裝置改進設計

如圖6 所示，該刻繪裝置的螺母絲杠副為單端固定支撐，這種結(jié)構(gòu)簡單，安裝較為方便，但當絲杠受力時易傾斜，導致刻繪機無法準確刻繪，使得暗花的刻繪精度存在誤差。由此將其改進為兩端固定支撐，如圖7 所示，此支撐結(jié)構(gòu)比單端固定支撐方式的軸向剛度高[3]。

圖6 單端固定支撐

圖7 兩端固定支撐示意圖

3 刻繪裝置滾珠絲杠副選型計算

根據(jù)暗花立式刻繪機的實際使用情況，為了提高暗花刻繪的精度，其刻繪裝置的傳動方式選擇滾珠絲杠副。

3.1 滾珠絲杠副的導程計算

按照企業(yè)的實際生產(chǎn)情況及需求，控制電機選用了86YG350BL-SAKSML-0601 型號，此電機最高轉(zhuǎn)速為1500r/min。需刻繪裝置絲杠最大進給速度為5m/min，電機與絲杠副的絲杠通過聯(lián)軸器連接，傳動比取i=0.99。絲杠導程為

實際取Ph=4 mm，可滿足設計要求。

3.2 滾珠絲杠副的載荷及轉(zhuǎn)速計算

滾動導軌承重時的滑動摩擦系數(shù)最大為0.004，靜摩擦系數(shù)與滑動摩擦系數(shù)差別不大，此處計算取靜摩擦系數(shù)為0.006。則導軌靜摩擦力為

式中：m為工件及工作臺質(zhì)量，經(jīng)計算約為20 kg；f為導軌滑塊密封阻力，按4 個滑塊，每個滑塊密封阻力1 N。

暗花立式刻繪機主要是在封了膠紙的玻璃上刻繪各種形狀的圖案，絲杠工作時受到的切削力可忽略不計，其阻力主要是自身刻繪機構(gòu)的重量及導軌滑塊的摩擦力。

可計算滾珠絲杠副的工作載荷為[4]

式中：G為移動部件重量，經(jīng)計算約為196 N。

滾珠絲杠副的當量載荷為

滾珠絲杠副的當量轉(zhuǎn)速為

3.3 滾珠絲桿副額定動載荷計算

本文根據(jù)預期工作時間來計算額定動載荷[5]

式中：Lh為預期工作時間，此處取20 000 h；fw為負荷系數(shù)，平穩(wěn)無沖擊為1；fa為精度系數(shù)，2 級精度為1；fc為可靠性系數(shù)，一般為1。

3.4 滾珠絲杠副的基本參數(shù)

根據(jù)以上計算出的絲杠導程和動載荷，查《機械設計手冊（第六版）》表13-1-33 選用2004-3 型滾珠絲桿副，其為內(nèi)循環(huán)固定反向器雙螺母墊片預緊式滾珠絲杠副，其技術(shù)規(guī)格參數(shù)見表1。

3.5 滾珠絲杠副臨界轉(zhuǎn)速的驗算

絲杠可能會發(fā)生共振，這時需要驗算其臨界轉(zhuǎn)速nc，根據(jù)《機械設計手冊（第六版）》表13-1-43 中式（16）得

式中：f為支承系數(shù)，因兩端固定，取21.9；d2為絲杠底徑；絲杠的支撐一端為深溝球軸承，一端為背對背角接觸球軸承的配置形式，軸承的中心距L=300 mm，絲杠的有效行程取150 mm，經(jīng)計算可得Lc2為225 mm。合格。

3.6 滾珠絲杠副穩(wěn)定性的驗算

根據(jù)《機械設計手冊（第六版）》表13-1-43 中式（17）得

式中：K1為安全系數(shù)，絲杠水平安裝取1/3；K2為支承系數(shù)，兩端固定取4；Lc1=Lc2=225 mm。

由此可見不會失穩(wěn)，滿足設計要求。

3.7 滾珠絲杠副剛度的校驗

1）滾珠絲杠副的拉壓剛度是隨螺母在絲杠上的位置變化而變化的，最大值在端部（螺母至固定支承距離最大時，即a=75 mm 處），而螺母處于2 支承點中部（即a=150 mm）時剛度最小。由《機械設計手冊（第六版）》表13-1-43 中式（21′）得

2）支承軸承的組合剛度：由軸承樣本dw=2.381 mm，軸承滾動體個數(shù)=26 個，由軸承接觸角β＝45°等資料得RB0=90.18 N/μm。由《機械設計手冊（第六版）》表13-1-49，對兩端固定并預緊的軸承Rb=2RB0=2×90.18=180.36 N/μm。

3）滾珠絲杠副滾珠和滾道的接觸剛度按《機械設計手冊（第六版）》表13-1-43 中式（22′）得

4）由《機械設計手冊（第六版）》表13-1-43 中式（20）可得R的最大與最小值為

5）傳動系統(tǒng)的最小剛度（空載運轉(zhuǎn)時）為

式中：重復定位精度即反向差值，為10 μm。

Rmin=97.28＞0.83 N/μm，滿足重復定位要求。

根據(jù)以上驗算可知，選用2004-3 型的滾珠絲杠副，符合設計的要求。

4 結(jié)束語

根據(jù)市場實際需求和現(xiàn)有暗花立式刻繪機的不足，改進設計了一種結(jié)構(gòu)更合理的新型暗花立式刻繪機，對該設備進給裝置的動力傳動機構(gòu)和刻繪裝置的傳動機構(gòu)進行了改進設計，對刻繪裝置的傳動機構(gòu)滾珠絲桿副進行了選型及驗算，大大提高了暗花刻繪的精度和生產(chǎn)效率。該設計已得到了公司的認可。