陳詩贈(zèng)，胡真清，蔣修華，王有亮，賀國(guó)建

（喬鋒智能裝備股份有限公司，廣東 東莞 523000）

0 引言

數(shù)控機(jī)床有“工業(yè)母機(jī)”之稱，為制造業(yè)的生產(chǎn)提供了各種各樣的機(jī)械加工設(shè)備，是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平的重要指標(biāo)。我國(guó)目前加大了工業(yè)母機(jī)的核心技術(shù)公關(guān)力度，積極出臺(tái)了一系列政策扶持?jǐn)?shù)控機(jī)床企業(yè)發(fā)展。根據(jù)資料預(yù)測(cè)，接下來幾年，我國(guó)數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)規(guī)模將會(huì)不斷遞增，2026年我國(guó)數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)到6 200 億元。隨著科技水平和生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)數(shù)控機(jī)床的加工精度、功能部件的壽命、人性化操作、工藝美學(xué)等方面提出了更高的要求，數(shù)控機(jī)床也逐步實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、柔性化、集成化發(fā)展，從而為企業(yè)的產(chǎn)品加工帶來了高效生產(chǎn)模式［1］。

數(shù)控機(jī)床在加工零件過程中，都會(huì)出現(xiàn)大量的切屑，部分零件加工需要噴灑切削液，從而導(dǎo)致切屑和切削液大量飛濺，因此，數(shù)控機(jī)床都會(huì)設(shè)計(jì)有安全防護(hù)罩。目前，市面上的數(shù)控機(jī)床防護(hù)門主要通過人工進(jìn)行開關(guān)門，自動(dòng)防護(hù)門未能普及使用［2］。使用時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)容易出現(xiàn)滾輪與導(dǎo)軌配合誤差過大、滾輪卡死、穩(wěn)定性能差等問題。本文針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)開發(fā)出電動(dòng)推桿式防護(hù)門。該自動(dòng)防護(hù)門可以結(jié)合采用機(jī)械手替代人工取放工件，實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)，杜絕安全隱患。安全防護(hù)門的整體電動(dòng)推桿運(yùn)行裝置采用塑料外殼進(jìn)行封閉設(shè)計(jì)，相比傳統(tǒng)的敞開設(shè)計(jì)，能更好地避免切屑附著在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上，減少切削液腐蝕內(nèi)部電路和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。該電動(dòng)推桿式防護(hù)門在實(shí)際生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)穩(wěn)定性能好，配合機(jī)器手取放工件可大大提高生產(chǎn)效率，制作和后期維護(hù)成本低，可推廣應(yīng)用于注塑機(jī)、折彎?rùn)C(jī)、剪切機(jī)等機(jī)械裝備上的防護(hù)門。

1 設(shè)計(jì)原理

該電動(dòng)推桿式防護(hù)門的基本工作原理：電機(jī)帶動(dòng)蝸桿旋轉(zhuǎn)，蝸輪蝸桿的減速箱組進(jìn)行減速，蝸輪帶動(dòng)螺桿，由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的形式，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床防護(hù)門的開、關(guān)門動(dòng)作。該電動(dòng)推桿式防護(hù)門主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速齒輪箱組、螺桿、觸點(diǎn)開關(guān)、防水塑料外殼等零部件組成，設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。其中，減速箱組是電動(dòng)推桿裝置的核心樞紐部分，整個(gè)電動(dòng)推桿運(yùn)行和工作依靠減速箱組連接和帶動(dòng)。由于該防護(hù)門在實(shí)際工作環(huán)境中經(jīng)常會(huì)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(dá)到不影響外觀和使用壽命的目的，在這個(gè)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(dòng)結(jié)構(gòu)，其在有限的運(yùn)行空間內(nèi)能起到相對(duì)高的減緩作用，傳動(dòng)噪聲較?。?］。該裝置需要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)：推桿負(fù)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(dòng)推桿式防護(hù)門模型

2 硬件結(jié)構(gòu)

2.1 電動(dòng)推桿的螺桿設(shè)計(jì)

2.1.1 螺桿參數(shù)

在電動(dòng)推桿裝置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，采用滾珠絲杠，該類型的絲桿在活動(dòng)座內(nèi)部和螺桿磨擦的接觸面上使用鋼珠，活動(dòng)座內(nèi)部和螺桿的運(yùn)動(dòng)方式從接觸滑動(dòng)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，精密度更高。同時(shí)采用梯形螺紋，其耐磨損強(qiáng)度更高，因此在考慮電動(dòng)推桿的使用抗剪切強(qiáng)度和抗彎娶強(qiáng)度狀態(tài)下，設(shè)計(jì)使用的螺桿類型為梯形螺紋［4］。根據(jù)設(shè)計(jì)方案的初步計(jì)算，螺桿參數(shù)初步選用牙數(shù)為4，節(jié)圓直徑為16.10 mm，軸直角節(jié)距T1＝4.45 mm，齒型角（徑度）α1＝30°。

2.1.2 螺桿效率

根據(jù)裝置采用的螺桿型號(hào)，查閱相關(guān)資料［5］，得出其外徑為17.8 mm，導(dǎo)程為17.8 mm，牙數(shù)為4，圓直徑為16.1，根據(jù)螺桿的導(dǎo)程角公式：

式中D為螺桿節(jié)圓直徑。

因此得出：

該裝置在實(shí)際運(yùn)行中，所承受的負(fù)載為60 kg，該負(fù)載作用于螺桿上，所需要的轉(zhuǎn)矩為：

設(shè)定裝置活動(dòng)底座與螺桿的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.1，因此得出：

當(dāng)裝置運(yùn)行負(fù)載為60 kg 時(shí)，螺桿所需的轉(zhuǎn)矩為Mt。

2.1.3 電動(dòng)推桿的螺桿抗剪切強(qiáng)度校核

根據(jù)裝置中螺桿型號(hào)參數(shù)，查閱資料［6］得出螺紋公稱直徑d ＝17.8 mm，螺紋牙數(shù)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(duì)螺桿而言，抗剪切強(qiáng)度校核應(yīng)滿足。查閱相關(guān)資料［7］，得出表1 所示各參數(shù)值。

表1 抗剪切強(qiáng)度校核相關(guān)計(jì)算結(jié)果

2.1.4 電動(dòng)推桿的螺桿抗彎曲強(qiáng)度校核

該裝置選用的螺桿和螺母材質(zhì)均一致，但是螺母的抗彎曲強(qiáng)度要高于螺桿，因此需要校核螺桿的抗彎曲強(qiáng)度。計(jì)算時(shí)，一般可將螺桿的一小圈螺紋當(dāng)成一副懸臂梁，如圖2 所示，沿著螺紋小徑展開［8］。當(dāng)裝置帶有負(fù)荷時(shí)，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(duì)于螺桿而言，其螺紋根部容易斷裂界面A-A的抗彎曲強(qiáng)度參數(shù)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(jù)螺桿參數(shù)和螺桿抗剪切強(qiáng)度計(jì)算表1 可得：軸向力F ＝12.5 MPa，結(jié)合圈數(shù)z ＝1，外徑d 為?17.8 mm，節(jié)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(qiáng)度符合要求。

2.2 渦輪蝸桿參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 電動(dòng)推桿的螺桿參數(shù)設(shè)計(jì)

在機(jī)械裝置中，若存在空間互相垂直連軸的傳遞運(yùn)動(dòng)，通常使用蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖3所示。在減速傳動(dòng)中，選擇軸交角為90°的空間互相垂直連軸的減速運(yùn)動(dòng)為最常用，在此傳動(dòng)條件下能獲得較大的單級(jí)傳動(dòng)比的性能［9］。在傳遞動(dòng)力時(shí)，傳動(dòng)比取值i一般為5 ～80之間，而在實(shí)際的應(yīng)用中，通常選擇范圍為15 ～50。在此機(jī)構(gòu)中，蝸輪蝸桿起到傳遞運(yùn)動(dòng)的作用，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，傳動(dòng)比i值可達(dá)到1 000。它能實(shí)現(xiàn)較大的傳動(dòng)比，使得各結(jié)構(gòu)的配合更加緊湊；在運(yùn)動(dòng)過程中傳動(dòng)平穩(wěn)，使用時(shí)噪聲很小。

圖3 蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)過程中，幾何參數(shù)的選擇是設(shè)計(jì)在傳動(dòng)的蝸桿首要步驟，然后再計(jì)算得出蝸桿傳動(dòng)的各項(xiàng)幾何尺寸［10］。確定選取的蝸桿傳動(dòng)主要的幾何參數(shù)為：模數(shù)m，壓力角α，傳動(dòng)比i12，蝸桿直徑系數(shù)q，蝸桿頭數(shù)Z1，蝸輪齒數(shù)Z2，蝸桿導(dǎo)程角γ，中心距a，齒數(shù)比u，蝸輪變位系數(shù)X2。關(guān)于模數(shù)m標(biāo)準(zhǔn)值的選取，由于考慮的到使用空間及強(qiáng)度問題，本裝置選取蝸桿齒數(shù)Z1＝1，蝸輪蝸桿的模數(shù)m ＝1.25，蝸輪齒數(shù)為Z2＝39。

根據(jù)蝸輪蝸桿的計(jì)算公式，可得出蝸桿的牙數(shù)為1，壓力角為14.5°，節(jié)圓為14 mm，導(dǎo)程為3.927 mm，導(dǎo)程角為5.1°，外圓直徑為16.5 mm。而渦輪的軸直角模數(shù)為1.25，齒數(shù)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(jié)圓為48.75 mm。

2.2.2 渦輪與蝸桿的受力關(guān)系

查閱相關(guān)資料［11］，得出齒間正向力、渦輪蝸桿切線力的計(jì)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(shè)μ ＝0.10，則有Pn＝10.07 kg，Pcw＝1.87 kg。

3 測(cè)試驗(yàn)證與結(jié)果分析

安全防護(hù)門的整體電動(dòng)推桿中的各零部件制造完成后，對(duì)其進(jìn)行裝配和測(cè)試。經(jīng)測(cè)試，機(jī)構(gòu)中的螺桿運(yùn)動(dòng)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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，上端螺帽會(huì)很容易脫落［12］。機(jī)床加工測(cè)試過程中大量的切削液飛濺到電動(dòng)推桿裝上，如果螺桿組件沒有密封，螺桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)會(huì)生銹，降低該裝置的使用壽命，因此該整體電動(dòng)推桿運(yùn)行裝置采用防水塑料外殼進(jìn)行保護(hù)，如圖4所示。為延長(zhǎng)裝置在后期測(cè)試的使用壽命，該裝置須安裝到數(shù)控機(jī)床防護(hù)門的頂部位置［13］。

圖4 防水塑料外殼電動(dòng)推桿裝置

在本電動(dòng)推桿裝置的后期測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)蝸桿的部分齒根有少量的磨損。因?yàn)樵撗b置的蝸桿采取開式傳動(dòng)形式，而蝸桿齒根的磨損、彎曲和折斷，是開式蝸桿傳動(dòng)的主要失效形式。針對(duì)該類問題，后期研發(fā)人員對(duì)蝸輪蝸桿的表面進(jìn)行潤(rùn)滑和對(duì)其粗糙度進(jìn)行約束，考慮到加工成本和使用性能的要求，將粗糙度測(cè)定為小于或等于0.8；與此同時(shí)，作為螺旋齒形式的螺桿，蝸輪的材質(zhì)強(qiáng)度比螺桿低，從而根據(jù)材料性能和失效形式進(jìn)行分析，蝸輪結(jié)構(gòu)是傳動(dòng)失效的主要產(chǎn)生來源。為避免該問題，研發(fā)人員將蝸輪材質(zhì)加硬，同時(shí)適當(dāng)增加齒厚，使變形量得以控制［14］。經(jīng)過優(yōu)化后重新測(cè)試，渦輪蝸桿和螺桿運(yùn)行穩(wěn)定，相比于傳統(tǒng)的拉桿式氣缸裝置進(jìn)行開關(guān)門動(dòng)作，噪聲和振動(dòng)明顯減少。同時(shí)，在本電動(dòng)推桿裝置設(shè)計(jì)中，由于所選取的蝸桿傳動(dòng)類型為普通圓柱蝸桿傳動(dòng)。經(jīng)測(cè)試，該圓柱蝸桿傳動(dòng)的傳動(dòng)效率大于或等于90%，承受負(fù)載的能力通常比一般的圓柱蝸桿傳動(dòng)高出50%～150%，并且擁有體積小、質(zhì)量輕、搬取較輕便、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)［15］，該裝置各功能參數(shù)如表2 所示。

4 結(jié)束語

電動(dòng)式推桿裝置是整個(gè)電動(dòng)推桿式開門器的主要核心，本文進(jìn)行了電動(dòng)推桿的蝸輪蝸桿及螺桿的設(shè)計(jì)，并對(duì)電動(dòng)推桿式防護(hù)門關(guān)鍵零部件進(jìn)行尺寸計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床防護(hù)門的開、關(guān)門動(dòng)作。安全防護(hù)門的整體電動(dòng)推桿運(yùn)行裝置采用塑料外殼進(jìn)行封閉設(shè)計(jì)，相比傳統(tǒng)的敞開設(shè)計(jì)，能更好的避免切屑附著在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上，減少切削液腐蝕內(nèi)部電路和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。該裝置可有效促進(jìn)自動(dòng)化管理和數(shù)字化管理，大大提高了工作效率；該電動(dòng)推桿式防護(hù)門在實(shí)際生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)穩(wěn)定性能好，配合機(jī)器手取放工件可大大提高生產(chǎn)效率，制作和后期維護(hù)成本低，具備良好的安全性能、方便維修、制造成本低等特點(diǎn)，可推廣應(yīng)用于注塑機(jī)、折彎?rùn)C(jī)、剪切機(jī)等機(jī)械裝備上的防護(hù)門，為同行業(yè)的相關(guān)數(shù)控機(jī)床安全防護(hù)門設(shè)計(jì)提供了借鑒。