張海強　宋　杰

(①蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅 蘭州 730314；②天水星火機床有限責任公司技術(shù)中心，甘肅 天水 741024)

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車床絲光杠機動托架

張海強①宋杰②

(①蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅 蘭州 730314；②天水星火機床有限責任公司技術(shù)中心，甘肅 天水 741024)

確定機架和活動構(gòu)件數(shù)及組成運動副兩構(gòu)件間的相對運動特性。

定位準確；安全可靠；高效

在現(xiàn)代金屬切削機床中，工作臺(溜板箱)進給中，常常由于機床絲杠和光杠(以下簡稱兩杠)因其自重而產(chǎn)生彎曲變形，從而影響機床的加工精度以及產(chǎn)生爬行等現(xiàn)象。統(tǒng)計資料表明，當兩杠長度為5 m時，因其彎曲變形而產(chǎn)生的下垂量約為6 mm;當兩杠長度為8 m時，因其彎曲變形而產(chǎn)生的下垂量約為12 mm。兩杠彎曲變形，不僅影響傳遞運動的精度和平穩(wěn)性，而且對機床的使用壽命也十分不利，是產(chǎn)品設(shè)計中不容忽視的重要因素。為了解決這一問題，須在兩杠下部適當部位增加輔助支撐以提高其剛度。輔助支撐有多種形式，如：手動托架、隨動托架和機動托架。其中以機動托架為最佳，它能在溜板箱接近時自動地脫開兩杠，縮進機床床身內(nèi)，當溜板箱遠離后又自動地伸出并重新托住兩杠，整個過程完全自動，既保證了運動的性能，又減輕了操作者的勞動強度。因此，機動托架在長規(guī)格臥式車床上得到了廣泛的應(yīng)用。

1　托瓦運動軌跡

根據(jù)機動托架功能，托架上托瓦的運動軌跡如圖1所示。

其中：A→B，托瓦下降脫開兩杠；B→C，托瓦縮進床身內(nèi)。當溜板箱遠離托架一定距離后，托瓦的運動軌跡與上述相反，即：C′→B′,托瓦伸出床身外；B′→A′，托瓦上升托住兩杠。

當B′→A′托瓦上升復(fù)位后，托瓦重新托住兩杠。由于運動軌跡有一個明顯的轉(zhuǎn)折，故一般的四連桿機構(gòu)(平面)不易實現(xiàn)，我公司大型產(chǎn)品上的機動托架為一個六連桿機構(gòu)，如圖2所示。

(1)托瓦下降

托架動作過程，選定構(gòu)件1為主動(起始)構(gòu)件，當其向右移動時，如設(shè)法使構(gòu)件5不動，則構(gòu)件2必然順時針旋轉(zhuǎn)，構(gòu)件3逆時針旋轉(zhuǎn)，構(gòu)件4以D為中心逆時針旋轉(zhuǎn)，使E轉(zhuǎn)到E′位置，即由實線位置移至虛線位置，如圖2a所示，即實現(xiàn)了托瓦下降，脫開兩杠。

(2)托瓦縮進

當構(gòu)件1繼續(xù)向右移動并推動構(gòu)件2沿順時針繼續(xù)轉(zhuǎn)動時，迫使構(gòu)件3與構(gòu)件4合為一體，此時構(gòu)件便由六連桿轉(zhuǎn)化為五連桿，構(gòu)成一個四連桿基本桿組，如適當選取各構(gòu)件的長度(使其成為一個平行四連桿機構(gòu))，即可實現(xiàn)托瓦的后退，縮到床身內(nèi)適當位置，如圖2b所示。

2　托架設(shè)計要點

我們知道，要使平面連桿機構(gòu)按正確的運動規(guī)律動作，其充分必要的條件是在全部運動過程中機構(gòu)的自由度數(shù)與起始構(gòu)件(主動件)數(shù)相等。對此機構(gòu)來說，起始構(gòu)件數(shù)為1個，所以在整個過程中，其自由度數(shù)必須始終保持1。為了實現(xiàn)托瓦下降及后退的軌跡，機構(gòu)在運動中存在一個由六連桿轉(zhuǎn)化為五連桿機構(gòu)的過程，所以必須設(shè)計這樣一種約束。它只在機構(gòu)運動過程中的某一部分起約束作用，而在另一部分應(yīng)失去約束作用，以使運動全過程中機構(gòu)的自由度始終保持為1，從而確保運動的準確、可靠。

3　機動托架工作原理

本機動托架安裝在床身上，并由安裝在溜板箱下面的控制板7(如圖3)來控制托瓦的下降離開兩杠，或上升托住兩杠。當軸1向右移動時，使托瓦下降并縮進床身內(nèi)；當溜板箱移過機動托架后，軸1向左移動，使托瓦伸出床身并上升托住兩杠。

我公司大型臥式車床上所采用的伸縮式機動托架，經(jīng)過不斷改進和多年使用，實踐證明，這種托架是目前較為理想的一種結(jié)構(gòu)，其工作原理如圖3所示。

大拖板在運動過程中，當溜板箱接近兩杠托架時，固定在溜板箱上的控制板7，首先觸動滾子2，使軸1向右移動。此時，機構(gòu)為一平面六連桿機構(gòu)，其中軸1、連桿3、連桿4、托架5、連桿9為5個活動構(gòu)件，相當于圖2a中構(gòu)件1、2、3、4、5。即A、B、C、D、E、F為6個平面低副，G點為一高副。撞塊6固定在托架5上(可調(diào))，螺栓8和10固定在床身上，螺栓8只限制撞塊6，同時也限制托架5水平向右移動，而螺栓10只限制連桿9水平向左移動。因此，撞塊6、螺栓8和10共同構(gòu)成了一個高副，限制了機構(gòu)水平方向的一個自由度。所以，機構(gòu)的自由度為：

F=3×n-2×p5-1×p4

式中：n=5，p5=6，p4=2，則

F=3×5-2×6-1×2=1

此時，當軸1推動連桿3，使其順時針轉(zhuǎn)動時，連桿9不動，所以，連桿4逆時針轉(zhuǎn)動，托架5逆時針轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)了托瓦的下降，脫開兩杠。在托架5上設(shè)計有一小凸臺，通過計算，使其位置滿足這樣的條件：當托瓦脫開兩杠時，撞塊6有3.2 mm以上下降量，這時，使連桿4相對于托架5不可能繼續(xù)轉(zhuǎn)動，而視為一體，機構(gòu)則轉(zhuǎn)化為五連桿機構(gòu)，活動構(gòu)件數(shù)為4個，即軸1、連桿3、連桿4(或托架5)和連桿9，低副數(shù)為5個，即圖2b中構(gòu)件1、2、3(或4)、5。即A、B、C、D和F點。由于此時撞塊6和螺栓8已脫離接觸，而連桿9的運動趨勢是順時針轉(zhuǎn)動，故螺栓10對它失去約束作用，所以此時只剩G點一個高副，機構(gòu)的自由度數(shù)仍為：

F=3×n-2×p5-1×p4

式中：n=4，p5=5，p4=1,則

F=3×4-2×5-1×1=1

所以，當軸1繼續(xù)向右移動而推動連桿3順時針轉(zhuǎn)動時，由于連桿3、托架5、連桿9及機架構(gòu)成一個平行四連桿機構(gòu)，故托瓦沿一斜線后移，直到移至床身內(nèi)的預(yù)定位置。

當溜板箱移過托架位置后，控制板7向相反的方向推動滾子2，而在彈簧11的作用下也使軸1向左移動，與此同時，連桿4與托架5仍靠在一起，機構(gòu)的自由度仍為1。所以，軸1帶動連桿3逆時針轉(zhuǎn)動，并通過托架5帶動連桿9逆時針轉(zhuǎn)動，使托瓦移出床身。當托瓦移至兩杠下方后，連桿9與螺栓10接觸，使連桿9不能繼續(xù)轉(zhuǎn)動，連桿3在軸1的帶動下繼續(xù)逆時針轉(zhuǎn)動，使連桿4和托架5順時針轉(zhuǎn)動，托瓦抬起并重新托住兩杠。這樣就完成了一個動作循環(huán)。

4　結(jié)語

車床絲光杠機動托架，經(jīng)過我公司多年實踐驗證，自動控制性能穩(wěn)定，無沖擊，無振動，系統(tǒng)剛性強，加工零件精度高，質(zhì)量好，為操作者解脫了繁重的勞動，生產(chǎn)效率高。

[1]戴曙.金屬切削機床[M].北京:機械工業(yè)出版社,1994.

[2]《機床設(shè)計手冊》編寫組.機床設(shè)計手冊(3)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1997.

[3]徐灝.機械設(shè)計手冊 [M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

[4]CW61100臥式車床[Z].天水星火機床有限責任公司，2000.

(編輯汪藝)

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Powered brackets of ballscrew and lead screw in lathe

ZHANG Haiqiang①, SONG Jie②

(①Lanzhou LS Energy Equipment Engineering Institute Co., Ltd., Lanzhou 730314, CHN; ②Tianshui SPARK Machine Tool Co.,Ltd., Tianshui 741024, CHN)

This article defines the numbers of bracket and mobile parts, and introduces relatively motion characters between two parts composed of motion set.

accurate positioning; reliability; high efficiency

TH122

B

張海強，男，1976年生，高級工程師，主要研究方向為機械設(shè)計，已發(fā)表論文3篇，獲得實用新型專利5項。

2015-09-09)

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