基于蝸輪蝸桿結構的數控機床電動推桿式防護門設計

陳詩贈，胡真清，蔣修華，王有亮，賀國建

（喬鋒智能裝備股份有限公司，廣東 東莞 523000）

0 引言

數控機床有“工業母機”之稱，為制造業的生產提供了各種各樣的機械加工設備，是衡量一個國家工業水平的重要指標。我國目前加大了工業母機的核心技術公關力度，積極出臺了一系列政策扶持數控機床企業發展。根據資料預測，接下來幾年，我國數控機床生產規模將會不斷遞增，2026年我國數控機床的產業規模將達到6 200 億元。隨著科技水平和生產技術的不斷發展，對數控機床的加工精度、功能部件的壽命、人性化操作、工藝美學等方面提出了更高的要求，數控機床也逐步實現了自動化、柔性化、集成化發展，從而為企業的產品加工帶來了高效生產模式［1］。

數控機床在加工零件過程中，都會出現大量的切屑，部分零件加工需要噴灑切削液，從而導致切屑和切削液大量飛濺，因此，數控機床都會設計有安全防護罩。目前，市面上的數控機床防護門主要通過人工進行開關門，自動防護門未能普及使用［2］。使用時間過長時容易出現滾輪與導軌配合誤差過大、滾輪卡死、穩定性能差等問題。本文針對以上問題，設計開發出電動推桿式防護門。該自動防護門可以結合采用機械手替代人工取放工件，實現高效生產，杜絕安全隱患。安全防護門的整體電動推桿運行裝置采用塑料外殼進行封閉設計，相比傳統的敞開設計，能更好地避免切屑附著在傳動機構上，減少切削液腐蝕內部電路和傳動結構。該電動推桿式防護門在實際生產過程中，系統穩定性能好，配合機器手取放工件可大大提高生產效率，制作和后期維護成本低，可推廣應用于注塑機、折彎機、剪切機等機械裝備上的防護門。

1 設計原理

該電動推桿式防護門的基本工作原理：電機帶動蝸桿旋轉，蝸輪蝸桿的減速箱組進行減速，蝸輪帶動螺桿，由旋轉運動轉化為直線運動的形式，從而實現數控機床防護門的開、關門動作。該電動推桿式防護門主要由驅動電機、減速齒輪箱組、螺桿、觸點開關、防水塑料外殼等零部件組成，設計方案如圖1 所示。其中，減速箱組是電動推桿裝置的核心樞紐部分，整個電動推桿運行和工作依靠減速箱組連接和帶動。由于該防護門在實際工作環境中經常會被切屑和切削液帶來影響，更容易老化而縮短使用壽命，為了達到不影響外觀和使用壽命的目的，在這個情況下，核心零部件需要做抗氧化處理。減速裝置上采用的是蝸輪蝸桿傳動結構，其在有限的運行空間內能起到相對高的減緩作用，傳動噪聲較小［3］。該裝置需要達到的技術指標：推桿負載大于或等于60 kg，推桿速度需大于或等于20 mm／s。

圖1 電動推桿式防護門模型

2 硬件結構

2.1 電動推桿的螺桿設計

2.1.1 螺桿參數

在電動推桿裝置傳動機構中，采用滾珠絲杠，該類型的絲桿在活動座內部和螺桿磨擦的接觸面上使用鋼珠，活動座內部和螺桿的運動方式從接觸滑動變為滾動摩擦，精密度更高。同時采用梯形螺紋，其耐磨損強度更高，因此在考慮電動推桿的使用抗剪切強度和抗彎娶強度狀態下，設計使用的螺桿類型為梯形螺紋［4］。根據設計方案的初步計算，螺桿參數初步選用牙數為4，節圓直徑為16.10 mm，軸直角節距T1＝4.45 mm，齒型角（徑度）α1＝30°。

2.1.2 螺桿效率

根據裝置采用的螺桿型號，查閱相關資料［5］，得出其外徑為17.8 mm，導程為17.8 mm，牙數為4，圓直徑為16.1，根據螺桿的導程角公式：

式中D為螺桿節圓直徑。

因此得出：

該裝置在實際運行中，所承受的負載為60 kg，該負載作用于螺桿上，所需要的轉矩為：

設定裝置活動底座與螺桿的動摩擦因數為0.1，因此得出：

當裝置運行負載為60 kg 時，螺桿所需的轉矩為Mt。

2.1.3 電動推桿的螺桿抗剪切強度校核

根據裝置中螺桿型號參數，查閱資料［6］得出螺紋公稱直徑d ＝17.8 mm，螺紋牙數n ＝4，工作扭矩T ＝2.34 N·m，螺距P ＝17.8 mm，螺紋中徑d2＝16.1 mm。對螺桿而言，抗剪切強度校核應滿足。查閱相關資料［7］，得出表1 所示各參數值。

表1 抗剪切強度校核相關計算結果

2.1.4 電動推桿的螺桿抗彎曲強度校核

該裝置選用的螺桿和螺母材質均一致，但是螺母的抗彎曲強度要高于螺桿，因此需要校核螺桿的抗彎曲強度。計算時，一般可將螺桿的一小圈螺紋當成一副懸臂梁，如圖2 所示，沿著螺紋小徑展開［8］。當裝置帶有負荷時，螺桿上的螺紋所得的平均作用力F／z 加載于中徑d2的圓周上，因此，對于螺桿而言，其螺紋根部容易斷裂界面A-A的抗彎曲強度參數為：

圖2 螺桿的一圈螺紋懸臂梁示意圖

其中b為螺紋牙底寬度，b ＝0.5 p。根據螺桿參數和螺桿抗剪切強度計算表1 可得：軸向力F ＝12.5 MPa，結合圈數z ＝1，外徑d 為?17.8 mm，節徑d2為?16.1 mm，底徑d1為?14.03，p ＝17.8 mm 可算出σb＝152 MPa≤［σb］＝420 MPa。所以其彎曲強度符合要求。

2.2 渦輪蝸桿參數設計

2.2.1 電動推桿的螺桿參數設計

在機械裝置中，若存在空間互相垂直連軸的傳遞運動，通常使用蝸輪蝸桿傳動機構，如圖3所示。在減速傳動中，選擇軸交角為90°的空間互相垂直連軸的減速運動為最常用，在此傳動條件下能獲得較大的單級傳動比的性能［9］。在傳遞動力時，傳動比取值i一般為5 ～80之間，而在實際的應用中，通常選擇范圍為15 ～50。在此機構中，蝸輪蝸桿起到傳遞運動的作用，根據經驗值，傳動比i值可達到1 000。它能實現較大的傳動比，使得各結構的配合更加緊湊；在運動過程中傳動平穩，使用時噪聲很小。

圖3 蝸輪蝸桿結構

在設計過程中，幾何參數的選擇是設計在傳動的蝸桿首要步驟，然后再計算得出蝸桿傳動的各項幾何尺寸［10］。確定選取的蝸桿傳動主要的幾何參數為：模數m，壓力角α，傳動比i12，蝸桿直徑系數q，蝸桿頭數Z1，蝸輪齒數Z2，蝸桿導程角γ，中心距a，齒數比u，蝸輪變位系數X2。關于模數m標準值的選取，由于考慮的到使用空間及強度問題，本裝置選取蝸桿齒數Z1＝1，蝸輪蝸桿的模數m ＝1.25，蝸輪齒數為Z2＝39。

根據蝸輪蝸桿的計算公式，可得出蝸桿的牙數為1，壓力角為14.5°，節圓為14 mm，導程為3.927 mm，導程角為5.1°，外圓直徑為16.5 mm。而渦輪的軸直角模數為1.25，齒數為39，軸向壓力角為14.5°，法向壓力角為14.75°，螺旋角為5.102°，節圓為48.75 mm。

2.2.2 渦輪與蝸桿的受力關系

查閱相關資料［11］，得出齒間正向力、渦輪蝸桿切線力的計算公式分別如下。

式中：Pn為齒間的正向力；Pt為蝸輪的切線力；Pcw為蝸桿的切線力；γ為螺旋角；α為法向壓力角。

則有：Pt＝9.61 kg。假設μ ＝0.10，則有Pn＝10.07 kg，Pcw＝1.87 kg。

3 測試驗證與結果分析

安全防護門的整體電動推桿中的各零部件制造完成后，對其進行裝配和測試。經測試，機構中的螺桿運動方式為右旋，其上端的螺帽必須使用左旋螺紋，否則在螺桿旋轉運動時，上端螺帽會很容易脫落［12］。機床加工測試過程中大量的切削液飛濺到電動推桿裝上，如果螺桿組件沒有密封，螺桿傳動機構會生銹，降低該裝置的使用壽命，因此該整體電動推桿運行裝置采用防水塑料外殼進行保護，如圖4所示。為延長裝置在后期測試的使用壽命，該裝置須安裝到數控機床防護門的頂部位置［13］。

圖4 防水塑料外殼電動推桿裝置

在本電動推桿裝置的后期測試中，發現蝸桿的部分齒根有少量的磨損。因為該裝置的蝸桿采取開式傳動形式，而蝸桿齒根的磨損、彎曲和折斷，是開式蝸桿傳動的主要失效形式。針對該類問題，后期研發人員對蝸輪蝸桿的表面進行潤滑和對其粗糙度進行約束，考慮到加工成本和使用性能的要求，將粗糙度測定為小于或等于0.8；與此同時，作為螺旋齒形式的螺桿，蝸輪的材質強度比螺桿低，從而根據材料性能和失效形式進行分析，蝸輪結構是傳動失效的主要產生來源。為避免該問題，研發人員將蝸輪材質加硬，同時適當增加齒厚，使變形量得以控制［14］。經過優化后重新測試，渦輪蝸桿和螺桿運行穩定，相比于傳統的拉桿式氣缸裝置進行開關門動作，噪聲和振動明顯減少。同時，在本電動推桿裝置設計中，由于所選取的蝸桿傳動類型為普通圓柱蝸桿傳動。經測試，該圓柱蝸桿傳動的傳動效率大于或等于90%，承受負載的能力通常比一般的圓柱蝸桿傳動高出50%～150%，并且擁有體積小、質量輕、搬取較輕便、結構緊湊等優點［15］，該裝置各功能參數如表2 所示。

4 結束語

電動式推桿裝置是整個電動推桿式開門器的主要核心，本文進行了電動推桿的蝸輪蝸桿及螺桿的設計，并對電動推桿式防護門關鍵零部件進行尺寸計算，從而實現數控機床防護門的開、關門動作。安全防護門的整體電動推桿運行裝置采用塑料外殼進行封閉設計，相比傳統的敞開設計，能更好的避免切屑附著在傳動機構上，減少切削液腐蝕內部電路和傳動結構。該裝置可有效促進自動化管理和數字化管理，大大提高了工作效率；該電動推桿式防護門在實際生產過程中，系統穩定性能好，配合機器手取放工件可大大提高生產效率，制作和后期維護成本低，具備良好的安全性能、方便維修、制造成本低等特點，可推廣應用于注塑機、折彎機、剪切機等機械裝備上的防護門，為同行業的相關數控機床安全防護門設計提供了借鑒。