參考的設(shè)計(jì)說明---高速木工多軸鉆床設(shè)計(jì)及加工工藝研究

1、 高速木工多軸鉆床設(shè)計(jì)及加工工藝研究王昆上海徽亞實(shí)業(yè)有限公司摘 要家具出現(xiàn)了便于大批量生產(chǎn)的32mm系統(tǒng)板式家具。其中，木工鉆床常用于最后一道加工工序，顯著影響著板式家具的裝配精度與整體美觀性。本課題設(shè)計(jì)了自動(dòng)化程度更高的高速木工多軸十排鉆床：（1）分析了多軸鉆床氣壓進(jìn)給模型，建立了氣壓工進(jìn)微分方程組；（2）進(jìn)行了多軸鉆床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括機(jī)架系統(tǒng)、鉆排系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、夾緊與定位系統(tǒng)；（3）通過實(shí)驗(yàn)研究加工參數(shù)對(duì)鉆孔質(zhì)量的影響。文中設(shè)計(jì)的高速木工多軸鉆床是集機(jī)、電、氣一體化的設(shè)備，具有高精度、集成化、自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。該鉆床的成功研制對(duì)于提高我國木工機(jī)床的整體技術(shù)水平有著重要的意義。關(guān)鍵詞：木工機(jī)

2、床，氣壓傳動(dòng)，PLC，破邊因子，響應(yīng)面，方差分析1、研究背景與研究現(xiàn)狀家具企業(yè)人工成本的顯著上升和對(duì)加工精度提高的迫切需求使中國木工機(jī)械行業(yè)的發(fā)展面臨歷史性機(jī)遇。同時(shí)，政府在國家戰(zhàn)略層面也已經(jīng)將高端裝備制造業(yè)列為推動(dòng)整個(gè)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展轉(zhuǎn)型升級(jí)的的重要抓手。本項(xiàng)目面向木工機(jī)械行業(yè)，聚焦于智能化木工設(shè)備的研發(fā)生產(chǎn)，服務(wù)于傳統(tǒng)家具行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)。在現(xiàn)代家具行業(yè)中，板式家具占據(jù)著舉足輕重的作用。板式家具是以人造板為基材加工成板件后采用各種連接件拼接的家具。板式家具的出現(xiàn)，使家具生產(chǎn)走向了工業(yè)化的道路。標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化是其最大的三個(gè)特征，也是使板式家具能夠大批量生產(chǎn)的主要原因。板式家具以32mm技術(shù)

3、為基礎(chǔ)，采用標(biāo)準(zhǔn)件將各板式部件連接起來構(gòu)成產(chǎn)品，各板式部件采用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)板塊及標(biāo)準(zhǔn)鉆孔模式。因此，此類家具又稱為32mm系統(tǒng)家具。32mm系統(tǒng)是板式部件孔位設(shè)計(jì)以及加工的依據(jù)，也即是孔間距為32mm或其整數(shù)倍。而孔又是32mm系統(tǒng)接口的三要素（孔、塞孔螺母或嵌裝件、緊固螺釘）之一。如圖1.1所示，無論是木板正面還是側(cè)面的孔，相鄰兩孔孔距為32mm或是其整數(shù)倍。大多板式部件都需要鉆孔，而且孔的數(shù)目較多，類型不一，規(guī)格孔徑可能也不同，加工尺寸精度要求高，為解決這一系列難題，設(shè)計(jì)師們便設(shè)計(jì)出了木工多軸鉆床。木工多軸鉆床被認(rèn)為是32mm系統(tǒng)家具生產(chǎn)中最為專業(yè)化的設(shè)備之一，幾乎所有的結(jié)構(gòu)孔與系統(tǒng)孔的加工

4、都可以由它來完成。在安裝此類家具時(shí)，只要用連接件將孔連接即可，如圖1.2所示。這種安裝方式方便又快捷，且處于零件狀態(tài)的家具便于運(yùn)輸，在生產(chǎn)加工時(shí)更有利于大批量工業(yè)化生產(chǎn)，32mm系統(tǒng)板式家具必將成為家具行業(yè)的主流產(chǎn)品。但是，現(xiàn)有的多軸鉆床存在兩大先天缺陷：（1）機(jī)床設(shè)備精度普遍較低，振動(dòng)較大，鉆孔質(zhì)量普遍不好；（2）自動(dòng)化程度普遍不高，非常依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)，機(jī)器使用不方便。在對(duì)加工效率和加工質(zhì)量都很敏感的家具行業(yè)，上述木工多軸鉆床的兩大缺陷是本行業(yè)內(nèi)所有客戶急切想解決的共性問題。 圖1.1木板加工圖 圖1.2板式家具組裝圖更為先進(jìn)的數(shù)控設(shè)備漸漸受規(guī)模企業(yè)青睞，除了能夠提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的原因之

5、外，還因?yàn)閿?shù)控設(shè)備基本上杜絕了工傷事故的發(fā)生。在過去，家具企業(yè)的工傷成本相對(duì)較低，如果解聘因?yàn)楣鴮?dǎo)致10級(jí)傷殘員工的成本僅需2萬元人民幣左右；而在今天，員工的法律意識(shí)提高，各地傷殘賠償補(bǔ)助因?yàn)樽畹凸べY標(biāo)準(zhǔn)水漲船高，企業(yè)為員工10級(jí)傷殘所支付的賠償費(fèi)用已經(jīng)提升了3倍左右。由于許多家具企業(yè)的生產(chǎn)任務(wù)繁重，長(zhǎng)期加班導(dǎo)致工人疲勞操作，工傷事故時(shí)有發(fā)生，由此招致的各種麻煩已經(jīng)讓企業(yè)主不勝其擾。 本項(xiàng)目在充分了解客戶對(duì)木工鉆床的共性需求的基礎(chǔ)上，研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售精度更高、自動(dòng)化程度更高、操作更方便的智能型木工數(shù)控多軸鉆床系列通用設(shè)備，可對(duì)家具行業(yè)的鉆孔設(shè)備進(jìn)行全面的升級(jí)換代，為客戶提升利潤(rùn)空間，并

6、顯著降低人工成本。2、理論分析與研究方法木工多軸鉆床是一種常見的木工機(jī)床，也稱為多排鉆。其中，每排鉆盒由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，鉆盒內(nèi)的鉆軸中心距為32毫米或其倍數(shù)。鉆盒內(nèi)相鄰鉆軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，采用左旋與右旋鉆頭在木板上加工通孔或盲孔。鉆孔工序常作為板式家具生產(chǎn)的最后一道工序，對(duì)于鉆孔質(zhì)量有較高的要求，因此對(duì)機(jī)床精度提出了更高的需求。多軸鉆床一般以三排、六排居多，一般都分為水平鉆排與垂直鉆排，依據(jù)鉆削孔徑大小以及板質(zhì)硬度，可調(diào)整氣流節(jié)流量來選擇適宜的鉆削進(jìn)給速度，鉆孔深度亦可調(diào)節(jié)，并可對(duì)板件進(jìn)行垂直與水平兩個(gè)方向同時(shí)鉆孔。多軸鉆床操作方便靈活，一機(jī)多用，效率高，加工工件尺寸范圍大，因此多軸鉆床是家具加工廠

7、、櫥柜加工廠及其它木業(yè)公司不可缺少的設(shè)備。但是，多數(shù)多軸鉆床存在先天缺陷，在設(shè)計(jì)上鉆削電機(jī)沒有通過變速箱而是直接與鉆盒相連，且將電機(jī)當(dāng)作剛性柱來使用，這加劇了電機(jī)的損壞。同時(shí)機(jī)床整體質(zhì)量較輕，振動(dòng)較大，鉆孔質(zhì)量普遍不是很好。因此，提高設(shè)備加工精度，提高自動(dòng)化水平，優(yōu)化鉆孔加工工藝是各大企業(yè)增加競(jìng)爭(zhēng)力的有效途徑。本項(xiàng)目基于氣動(dòng)流體力學(xué)的基本理論推導(dǎo)多軸鉆床加工時(shí)氣動(dòng)進(jìn)給的數(shù)學(xué)模型。采用Matlab軟件進(jìn)行模擬仿真，得出在空載與負(fù)載時(shí)驅(qū)動(dòng)氣缸內(nèi)的壓力變化曲線，以及鉆頭位移與工進(jìn)速度曲線。從理論上分析整個(gè)加工過程中氣缸腔室的壓力變化情況，以及鉆頭在撞擊到木板時(shí)的速度變化情況。同時(shí)，對(duì)不同的氣源壓力進(jìn)

8、行仿真研究，為后續(xù)的加工工藝分析提供理論依據(jù)。由于氣壓傳動(dòng)中會(huì)有多個(gè)腔室，為了便于描述，在文中用編號(hào)標(biāo)注腔室。如腔室1為工作腔，則下標(biāo)1表示腔室1中的氣體參數(shù)；腔室2為排氣腔，下標(biāo)2表示腔室2中氣體參數(shù)。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，需作如下假設(shè)：1.動(dòng)作時(shí)間相對(duì)熱交換時(shí)間很短，腔室內(nèi)氣體與外界無熱交換；2.氣源通過氣閥供氣壓力恒定，氣源溫度為環(huán)境溫度；3.氣缸腔室中氣體熱交換過程為準(zhǔn)靜態(tài)過程；4.氣缸的氣體泄漏較小可忽略不計(jì)；5.忽略除活塞與缸筒以外的所有摩擦；6.忽略過渡齒輪的角加速時(shí)間，認(rèn)為整個(gè)過程中過渡齒輪轉(zhuǎn)速恒定。如圖2.1氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)示意圖，為了與下一章機(jī)械設(shè)計(jì)的坐標(biāo)相呼應(yīng)，以氣缸桿軸線方向?yàn)?/p>

9、Z軸，活塞與氣缸桿軸線相交處為坐標(biāo)原點(diǎn)，豎直向上為Y軸方向，建立笛卡爾坐標(biāo)系。則所要求的工進(jìn)速度即為鉆盒在Y方向上的速度。由于氣缸桿齒條與垂直齒條的參數(shù)是一致的，不難看出在Z方向的位移與在Y方向上的位移是一樣的，且速度大小也是完全相等的。鉆 盒電 機(jī)變速箱過渡齒輪氣缸桿齒條升降座齒條Y12Z圖2.1 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖氣缸腔室的充、放氣過程為變質(zhì)量系統(tǒng)的熱力過程，在上述假設(shè)條件下，對(duì)于工作腔室1，根據(jù)恒定氣源向有限容積絕熱充氣的能量方程，即和 可得 （2.1）式中 p1工作腔室中氣體的絕對(duì)壓力，Pa； V1=A1*Z+V10=A1(Z+Z10)工作腔容積，m3； V10=A1*Z10工作腔的起

10、始容積，等于工作腔余隙容積，m3；Z，Z10活塞的位移和起始坐標(biāo)，m；A1工作腔側(cè)活塞面積，m2；T氣源溫度，K；Qm1氣源經(jīng)進(jìn)氣道流入工作腔1的質(zhì)量流量，kg/s。將V1代入式（2.1），可得： （2.2）對(duì)于排氣腔2，根據(jù)有限容積絕熱放氣的能量方程式和排氣腔2通過排氣管道向大氣放氣的質(zhì)量流量方程式以及排氣腔2的容積，其中A2為排氣腔側(cè)活塞面積，L為活塞的行程，Z20為排氣腔余隙坐標(biāo)，可得排氣腔壓力變化方程式為： （2.3）文中的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)視為初始有壓差的傳動(dòng)系統(tǒng)，排氣初始?jí)毫閜20，即為大氣壓力，初始溫度為環(huán)境溫度T，有，代入式（2.3）可得初始有壓差傳動(dòng)系統(tǒng)的排氣腔壓力變化方程為：

11、 （2.4）根據(jù)牛頓第二定律對(duì)整套系統(tǒng)受力分析得方程： （2.5）式中 M1垂直部件的質(zhì)量，kg；M2活塞與活塞桿的質(zhì)量，kg；J0過渡齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；d0齒輪分度圓直徑，m；力負(fù)載，除壓縮空氣外，作用在活塞上所有力的合力，N。又假設(shè)齒輪質(zhì)量相對(duì)整個(gè)系統(tǒng)可忽略不計(jì)，且整個(gè)角加速過程時(shí)間很短，可認(rèn)為勻速上升，則上式中的。則可對(duì)式（2.5）進(jìn)行簡(jiǎn)化，并加入邊界條件，可得 （2.6）式中 M運(yùn)動(dòng)部件的總質(zhì)量，即M=M1+M2，kg；在工程計(jì)算中，常常認(rèn)為通過進(jìn)氣管道向進(jìn)氣腔1充氣的質(zhì)量流量Qm1以及排氣腔2向大氣放氣的質(zhì)量流量Qm2均可用流量公式（2.7）與（2.8）計(jì)算。 （

12、2.7） （2.8）式中 Ae為進(jìn)氣與排氣管道系統(tǒng)總有效面積，m2； b為臨界壓力比；T1，pu，pe管系的上游溫度，K；上游壓力和下游壓力，Pa。聯(lián)立式（2.2），（2.4），（2.6）（2.8）就是本文要建立的氣壓進(jìn)給數(shù)學(xué)模型。3、研究?jī)?nèi)容與對(duì)策3.1 總體方案設(shè)計(jì)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)主要是根據(jù)市場(chǎng)需求設(shè)計(jì)鉆頭夾具鉆盒的運(yùn)動(dòng)情況。根據(jù)企業(yè)需要，以及以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)26，要求 鉆盒應(yīng)具有4個(gè)自由度，即X、Y、Z三個(gè)方向上的平動(dòng)，以及繞Y軸旋轉(zhuǎn)90度的轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)床的總體尺寸為4935×2300×2180，結(jié)構(gòu)上主要包括機(jī)架系統(tǒng)、鉆排系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、定位與夾緊系統(tǒng)等主要系統(tǒng)組成。機(jī)床

13、的結(jié)構(gòu)形式根據(jù)工件加工工藝方案與運(yùn)動(dòng)方案的不同而差異較大。機(jī)床常見的結(jié)構(gòu)形式如圖3.1所示，有門架式、懸臂式、龍門式、C型和長(zhǎng)懸臂式。圖3.1 機(jī)床常見結(jié)構(gòu)形式XYZ根據(jù)本設(shè)計(jì)的具體情況，考慮到需要一個(gè)控制箱和一個(gè)氣動(dòng)箱，以及從木工機(jī)床美學(xué)設(shè)計(jì)的角度來說，認(rèn)為選用門架式方案較為合理。根據(jù)右手坐標(biāo)系原理28，X、Y、Z方向如圖3.2所示。圖3.2 機(jī)床坐標(biāo)方向示意圖根據(jù)現(xiàn)有木工多軸鉆床的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)鉆排工進(jìn)模塊時(shí)，將每排設(shè)計(jì)成都一樣即鉆排模塊，有利于批量生產(chǎn)。水平鉆排工進(jìn)模塊與垂直鉆排工進(jìn)模塊是一樣的，只是水平鉆排多了夾持部分。在設(shè)計(jì)整臺(tái)機(jī)床時(shí)，采用上部四個(gè)鉆排組倒掛的形式，下部四個(gè)鉆排組正

14、常放置，左右各一個(gè)水平鉆排組共十個(gè)鉆排組，故又稱為十排鉆床。文中所述的多軸十排鉆床，采用上四下四兩水平的結(jié)構(gòu)。在加工深孔時(shí)，往往單獨(dú)一個(gè)鉆排無法實(shí)現(xiàn)打穿，于是便可采用上下兩組鉆排先后打孔，則本鉆床鉆削木板的厚度可為一般鉆床的兩倍。在設(shè)計(jì)時(shí)將左水平鉆排設(shè)計(jì)成固定鉆排，消除其在X方向上的自由度，這樣就可以以左水平鉆排為基準(zhǔn)。右水平鉆排可沿導(dǎo)軌滑動(dòng)，取消兩個(gè)水平鉆排的分配盤機(jī)構(gòu)，即取消其繞主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，使鉆盒始終保持與Z方向平行。在鉆排沿X軸驅(qū)動(dòng)方面，考慮到成本及客戶需求，鉆排沿X軸方向的滑動(dòng)主要通過手動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條機(jī)構(gòu)來完成。沿Z方向的平動(dòng)也是通過手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)絲桿使整個(gè)減速箱電機(jī)與鉆盒組件沿Z方向移動(dòng)。

15、如有必要可改進(jìn)設(shè)計(jì)，可安裝步進(jìn)電機(jī)，編寫程序，即可升級(jí)為數(shù)控鉆床。沿Y方向上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)由于非常頻繁且運(yùn)動(dòng)間隔時(shí)間短，故采用氣壓驅(qū)動(dòng)方式，繞Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)由于只是實(shí)現(xiàn)0度和90度兩個(gè)方向故也是靠手動(dòng)，因此需進(jìn)行分配盤的設(shè)計(jì)。同時(shí)還需要設(shè)計(jì)物料傳輸系統(tǒng)以便將木板傳輸?shù)竭m當(dāng)?shù)募庸の恢?，以及定位夾緊系統(tǒng)精確定位并快速有效的完成夾緊，確保加工質(zhì)量。綜合以上分析，機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面主要包括機(jī)架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、鉆排系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及定位夾緊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。3.2 機(jī)架系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.2.1 機(jī)架系統(tǒng)總體方案機(jī)架系統(tǒng)的主體框架是由一個(gè)控制箱和一個(gè)氣動(dòng)箱以及兩根導(dǎo)軌梁組成，構(gòu)成門架式結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)方便合理，能大大降低

16、成本。機(jī)架系統(tǒng)提供了X方向上的移動(dòng)自由度，主要通過導(dǎo)軌與滑塊來實(shí)現(xiàn)該方向上的平動(dòng)。上下兩根主導(dǎo)軌梁長(zhǎng)4m，分別分布著4個(gè)鉆排組，每個(gè)鉆排組均可在導(dǎo)軌上自由滑動(dòng)，機(jī)架三維模型如圖3.3所示。主導(dǎo)軌梁由Q235A鋼板焊接而成，再進(jìn)行機(jī)加工，最后安裝上直線導(dǎo)軌。在板材鉆削過程中，可能用到的鉆排組或多或少，在工進(jìn)系統(tǒng)工進(jìn)完成加工返回時(shí)，會(huì)對(duì)主導(dǎo)軌梁有沖擊。因此可能會(huì)引起主導(dǎo)軌梁的振動(dòng)，若達(dá)到共振，會(huì)有非常嚴(yán)重的后果，因此有必要對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析。1231. 控制箱 2. 導(dǎo)軌梁 3. 氣動(dòng)箱圖3.3 機(jī)架三維模型3.2.2 導(dǎo)軌梁的模態(tài)分析模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析過程中必不可少的步驟之一。模態(tài)分析用于確定設(shè)

17、計(jì)機(jī)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，它們是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，同時(shí)也可以作為其他動(dòng)力學(xué)分析問題的起點(diǎn)，例如瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、諧響應(yīng)分析和譜分析。根據(jù)有限元分析理論，主導(dǎo)軌梁的動(dòng)力學(xué)方程如式（3.1）： （3.1）式中 M、K、C分別為總體質(zhì)量、剛度、阻尼矩陣，x(t)、F(t) 分別為節(jié)點(diǎn)的位移和外力向量。固有頻率只與系統(tǒng)本身的特性（質(zhì)量、剛度和阻尼）有關(guān)，模態(tài)分析即是求解振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率和振型29。當(dāng)彈性體的動(dòng)力基本方程中的外力向量F(t)=0時(shí)，略去阻尼，便可得到系統(tǒng)的自由振動(dòng)方程 （3.2）解得其特征方程為式（3.3）： （3.3）式中即為系統(tǒng)的固有頻率。由

18、于有限元軟件建模能力比較差，本文先用Solidworks軟件建立主導(dǎo)軌梁的三維模型，然后再導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行模態(tài)分析。采用Solid187單元對(duì)主導(dǎo)軌梁進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后加載求解。主導(dǎo)軌梁的材料為Q235A，其主要物理性能參數(shù)如表3.1。表3.1 Q235A鋼主要性能參數(shù)楊氏模量E (Gpa)密度（kg/m3）泊松比質(zhì)量(kg)21078300.3578分析得出前五階振動(dòng)模型如圖3.4（a）1階振型 （b）2階振型 （c）3階振型 （d）4階振型 （e）5階振型 圖3.4 導(dǎo)軌梁前5階振型得出各階固有頻率如表3.2。表3.2 各階固有頻率階數(shù)頻率（Hz）振型描述最大振幅（mm）177.02

19、45側(cè)向彎曲0.06642115.27側(cè)向彎曲0.06553202.063垂直彎曲0.08944207.864垂直彎曲0.08865277.981垂直彎曲0.0627如圖3.4（a）（e）所示，當(dāng)頻率為77.024Hz時(shí)，導(dǎo)軌梁的的振幅較小，側(cè)向形變均勻；當(dāng)頻率為115.27Hz時(shí)，側(cè)向振幅繼續(xù)變大，形變程度更大；繼續(xù)增大頻率，達(dá)到202.063Hz時(shí)，振型發(fā)生變化，由側(cè)向彎曲變?yōu)榇怪睆澢掖藭r(shí)振幅達(dá)到一個(gè)較大值；當(dāng)頻率為207.864Hz時(shí)，振幅有所減?。划?dāng)頻率達(dá)到277.981Hz時(shí)，振幅大為減小。從上面分析的結(jié)果來看，振幅較大的是第三階與第四階，對(duì)應(yīng)的頻率為202.063Hz與207.

20、864Hz。而導(dǎo)軌梁的主要激勵(lì)來源于鉆排的上下運(yùn)動(dòng)，此激勵(lì)多在2Hz（每2秒4個(gè)工進(jìn)模塊落下一次）以下，對(duì)導(dǎo)軌梁影響較大的頻率錯(cuò)開了這一頻率，所以說導(dǎo)軌梁的結(jié)構(gòu)是基本合理的。3.2.3 直線導(dǎo)軌副的設(shè)計(jì)導(dǎo)軌的主要功能是支撐和引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件，使其沿預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)且保證運(yùn)動(dòng)精度。導(dǎo)軌承受運(yùn)動(dòng)部件的重量以及力負(fù)載，其質(zhì)量和性能的優(yōu)劣很大程度上決定機(jī)床的剛度、精度、承載能力和使用壽命，目前數(shù)控機(jī)床主要使用滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌三類。如圖3.5為本次設(shè)計(jì)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的安裝位置，可以看出整個(gè)鉆排機(jī)體的重量都?jí)涸趦蓚€(gè)滑塊上。1. 機(jī)體 2. 升降座齒條 3. 平臺(tái) 4. 氣缸 5. 氣缸桿齒條6. 過渡齒輪

21、 7. 滑塊 8. 鎖緊氣缸 9. 導(dǎo)軌梁 10. X向齒條11. 齒輪軸 12. 導(dǎo)軌 13. 安裝座 14. 緩沖器圖3.5 鉆排系統(tǒng)全剖視圖直線導(dǎo)軌通常根據(jù)所用設(shè)備的精度要求、剛度要求、承載能力、承載方式、行程大小、運(yùn)動(dòng)速度及加速度大小、使用頻率和使用壽命來選擇。文中設(shè)計(jì)的高速木工多軸鉆床采用的直線導(dǎo)軌副屬于滾動(dòng)導(dǎo)軌，導(dǎo)軌長(zhǎng)3200mm。滾動(dòng)直線導(dǎo)軌除了有抗上下左右四個(gè)方向的力外，還能承受左右扭轉(zhuǎn)、前后翻轉(zhuǎn)和平面扭轉(zhuǎn)三個(gè)方向的扭矩。其特點(diǎn)是：剛度足、承載大、精度高還可高速運(yùn)行，結(jié)構(gòu)緊湊，拆裝調(diào)試方便。本設(shè)計(jì)中，滾動(dòng)直線導(dǎo)軌通過內(nèi)六角螺釘固定在導(dǎo)軌梁上，導(dǎo)軌滑塊固定在鉆排模塊上。本設(shè)計(jì)選用

22、臺(tái)灣PMI直線導(dǎo)軌，表3.3 給出了該直線導(dǎo)軌的型號(hào)及主要技術(shù)參數(shù)。表3.3 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌型號(hào)及主要參數(shù)型號(hào)基本負(fù)載率/N靜態(tài)力矩/N·m重量MSA25LE基本動(dòng)負(fù)載率C(kN)基本靜負(fù)載率C0(kN)MROMPOMro滑塊kg導(dǎo)軌kg/m34.456.66306706700.822.4對(duì)于直線導(dǎo)軌，人們關(guān)心的是其使用壽命，因此對(duì)其進(jìn)行使用壽命的估算有著重要的意義。直線導(dǎo)軌副的壽命有著這樣衡量標(biāo)準(zhǔn)，即：在允許的環(huán)境條件下，承受的負(fù)載等于動(dòng)載荷C(kN)時(shí)，連續(xù)導(dǎo)向行程達(dá)到50km(基準(zhǔn)行程壽命)時(shí)有95%（基準(zhǔn)可靠度）不產(chǎn)生疲勞破壞30。依此直線導(dǎo)軌副額定行程壽命L可由式（3.4）計(jì)

23、算： （3.4）式中： fH為硬度系數(shù)；fT為溫度系數(shù)；fC為接觸系數(shù)；fw為負(fù)荷系數(shù)；C為基本額定動(dòng)負(fù)荷；PC為為外加負(fù)荷。各系數(shù)均為常數(shù)可從文獻(xiàn)中查得31，代入式（3.4），最后得從最后的結(jié)果中可以看出，導(dǎo)軌的壽命完全能夠滿足使用要求。3.2.4 齒輪齒條副的設(shè)計(jì)高速木工多軸鉆床X向的運(yùn)動(dòng)采用齒輪齒條的傳動(dòng)方式?？紤]到導(dǎo)軌梁較長(zhǎng)（約4m），為了降低加工制造成本，擬定在導(dǎo)軌梁上安裝齒條時(shí)，采用多段拼接的方式，每段齒條長(zhǎng)500mm，通過內(nèi)六角螺釘固定在導(dǎo)軌梁的一側(cè)，齒條拼接后總長(zhǎng)為3500mm。齒輪采用齒輪軸的形式。齒輪齒條副的結(jié)構(gòu)形式如圖3.6，采用單邊齒輪齒條驅(qū)動(dòng)的形式。齒輪齒條設(shè)計(jì)參數(shù)如

24、表3.4。齒輪軸X向齒條圖3.6 齒輪齒條副表3.4 X向移動(dòng)齒輪齒條設(shè)計(jì)參數(shù)名稱符號(hào)齒輪（z1）齒條（z2）模數(shù)m1.51.5齒數(shù)Z12100壓力角20°20°齒頂高系數(shù)ha*11頂隙系數(shù)c*0.250.253.3 鉆排系統(tǒng)設(shè)計(jì)鉆排系統(tǒng)能夠提供三個(gè)自由度，即：Y、Z方向的平動(dòng)以及繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。本木工鉆床的每個(gè)鉆排都可做為一個(gè)獨(dú)立的加工單元，是批量生產(chǎn)多軸鉆床的關(guān)鍵，因此對(duì)其進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)便是非常重要的。根據(jù)木工機(jī)床加工實(shí)際需要以及對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件鉆盒的調(diào)研，本文設(shè)計(jì)的每個(gè)鉆排系統(tǒng)可以在每排上裝載兩個(gè)鉆盒，這樣就需要兩套驅(qū)動(dòng)與變速裝置。鉆排系統(tǒng)三維視圖（機(jī)體隱藏）如圖3.7所示，兩

25、套變速與傳動(dòng)系統(tǒng)安裝在平臺(tái)6上，兩套裝置可由絲桿15驅(qū)動(dòng)，并可沿氣缸桿8軸線方向移動(dòng)。鉆排系統(tǒng)采用氣壓工進(jìn)的方式，工進(jìn)氣缸為水平放置，因此需要將氣缸桿的水平運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成鉆盒的垂直運(yùn)動(dòng)。由于整個(gè)垂直部件落下時(shí)會(huì)有巨大的沖擊，為避免損壞機(jī)體，安裝了緩沖器13。同時(shí)在鉆排中安裝限位開關(guān)12，來控制鉆孔深度。每個(gè)鉆排包含兩個(gè)安裝座9，用于連接鉆排機(jī)體與滑塊10，滑塊與安裝在導(dǎo)軌梁上的導(dǎo)軌配合。安裝座上分別有兩個(gè)孔供升降座齒條14做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)通過。加工過程中，工進(jìn)一般選用氣壓工進(jìn)，鉆削則采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。為節(jié)省空間，電機(jī)的形狀一般為四方形。1. 麻花鉆 2. 分配盤組件 3. 鉆盒 4. 變速箱 5. 電機(jī)

26、6. 平臺(tái)7. 氣缸 8. 氣缸桿齒條 9. 安裝座 10. 滑塊 11. 過渡齒輪12. 限位開關(guān) 13. 緩沖器 14. 升降座齒條 15. 絲桿圖3.7 鉆排三維模型視圖3.3.1 電機(jī)的選擇由于加工要求，鉆削電機(jī)不能采用一般外形的三相電機(jī)，為此定制了四方形電機(jī)。本文所選用的電機(jī)參數(shù)如表3.5所示。表3.5 電機(jī)參數(shù)電機(jī)類別轉(zhuǎn)速（rpm）質(zhì)量（kg）功率(kw)鉆削電機(jī)2950100.15傳輸電機(jī)143080.18木板切削比金屬切削更加容易實(shí)現(xiàn)，因此鉆削電機(jī)功率不用很大。本文所選用功率為0.15kw的電機(jī)能滿足要求。3.3.2 鉆削傳動(dòng)的設(shè)計(jì)文中選用弧齒錐齒輪作為主要傳動(dòng)零件，通過一次齒

27、輪加速后達(dá)到所需鉆削轉(zhuǎn)速，即4000r/min以上?；↓X錐齒輪是一種能夠以穩(wěn)定傳動(dòng)比平穩(wěn)、低噪音傳動(dòng)的傳動(dòng)件。由于弧齒錐齒輪的齒形是圓弧形狀，而且一般都是呈錐狀，像傘形，所以又叫螺旋傘齒輪、弧齒傘齒輪、圓弧錐齒輪、螺旋錐齒輪等?；↓X錐齒輪傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)比穩(wěn)定，圓弧重疊系數(shù)大，承載能力高，傳動(dòng)平穩(wěn)，工作可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)能省料，節(jié)省空間，耐磨損，壽命長(zhǎng)，噪音小。在各種機(jī)械傳動(dòng)中，以弧齒錐齒輪的傳動(dòng)效率最高，對(duì)各類傳動(dòng)尤其是大功率傳動(dòng)具有很大的經(jīng)濟(jì)效益；傳遞同等扭矩時(shí)需要的傳動(dòng)件傳動(dòng)副最省空間，比皮帶、鏈傳動(dòng)所需的空間尺寸要小的多；傳動(dòng)比永久穩(wěn)定，傳動(dòng)比穩(wěn)定往往是各類機(jī)械設(shè)備傳動(dòng)中對(duì)傳動(dòng)性能的基

28、本要求；工作可靠，壽命長(zhǎng)。傳動(dòng)示意圖如圖3.8所示。主動(dòng)齒輪從動(dòng)齒輪圖3.8 弧齒錐齒輪傳動(dòng)三維視圖初步設(shè)定傳動(dòng)比i=0.7。鉆頭轉(zhuǎn)速為n2=n1/i=2950/0.7=4214rpm。滿足轉(zhuǎn)速不小于4000rpm的要求。如表3.6為本設(shè)計(jì)所用格里森制弧齒錐齒輪的主要參數(shù)。由于轉(zhuǎn)速高，摩擦溫度高，所以材料擬用20CrMoTi。表3.6 弧齒錐齒輪主要參數(shù)名稱弧齒錐齒輪B（從動(dòng)）弧齒錐齒輪A（主動(dòng)）齒數(shù)2130大端模數(shù)1.53齒寬8.4齒頂高系數(shù)0.85頂隙系數(shù)0.188壓力角20°工作齒高2.6軸交角90°螺旋角35°螺旋方向左旋右旋大端分度圓32.1345.9分

29、錐角35°55°外錐距28齒頂高1.61齒頂間隙0.29全齒高2.89齒根高1.291.89頂錐角38.86°57.64°根錐角32.36°51.14°3.3.3 工進(jìn)組件的設(shè)計(jì)要設(shè)計(jì)工進(jìn)組件，即是要完成Z方向的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)。為了將氣缸的水平直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為工進(jìn)系統(tǒng)的垂直運(yùn)動(dòng)，本設(shè)計(jì)運(yùn)用了兩次齒輪齒條傳動(dòng)，如圖3.8所示。本文設(shè)計(jì)的氣缸桿較長(zhǎng)，中間兩段部分有齒槽與過渡齒輪配合。兩根升降座有相同模數(shù)的齒槽與過渡齒輪配合，這樣就可將氣缸桿的水平運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為工進(jìn)部件的垂直運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)的巧妙之處在于利用齒輪齒條的空間交錯(cuò)極大的節(jié)省了空間，也是減少機(jī)體

30、橫向尺寸的有效方法。如圖3.9就是齒輪齒條傳動(dòng)的部分視圖。四根升降座齒條安裝在平臺(tái)上，氣缸桿齒條作為主動(dòng)件在中間，利用齒輪齒條傳動(dòng)將氣缸桿齒條的水平運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為升降座齒條的垂直運(yùn)動(dòng)。1. 升降座齒條 2. 氣缸桿齒條 3. 過渡齒輪圖3.9 齒輪齒條傳動(dòng)3.3.4 絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)于Z方向的運(yùn)動(dòng)，即鉆盒沿氣缸軸線方向的運(yùn)動(dòng)，文中設(shè)計(jì)了絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，來完成這個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。通過轉(zhuǎn)動(dòng)絲桿驅(qū)動(dòng)變速箱中的螺母，使整個(gè)變速箱電機(jī)組件能沿Z軸方向移動(dòng)。圖3.10為絲桿傳動(dòng)示意圖，圖3.11為絲桿傳動(dòng)實(shí)物圖。采用滑動(dòng)絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)優(yōu)點(diǎn)有：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，成本低廉，最重要的是具有自鎖功能。本文采用簡(jiǎn)單易行的摩

31、擦自鎖方式，能夠在不引入其它機(jī)構(gòu)的情況下很好的完成自鎖功能。本設(shè)計(jì)在考慮制造成本與使用目的的情況，決定采用手動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)絲桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，這樣驅(qū)動(dòng)扭矩就不能太大，所以需要進(jìn)行驅(qū)動(dòng)扭矩的驗(yàn)算。圖3.10 絲桿傳動(dòng)示意圖1234561. 平臺(tái) 2. 絲桿 3. 電機(jī) 4. 變速箱 5. 分配盤 6. 鉆盒圖3.11 絲桿傳動(dòng)實(shí)物圖驅(qū)動(dòng)絲桿螺母移動(dòng)的最小力矩由三部分組成，即螺紋摩擦力矩，徑向軸承摩擦力矩，軸向軸承摩擦力矩。在粗略的計(jì)算中后兩項(xiàng)可以忽略。則計(jì)算公式為: （3.5）其中：F為軸向載荷； 為螺紋升角，P為導(dǎo)程； d2為螺紋中徑； 為當(dāng)量摩擦角，且，f為摩擦系數(shù)，為牙型角；又知，需要移動(dòng)的部件總質(zhì)

32、量為m=65kg，可得到摩擦力F=mg=0.15×65×10=97.5N代入式（3.5）得轉(zhuǎn)動(dòng)絲桿的最小扭矩為可以看出所需扭矩是很小的，人力完全能夠?qū)崿F(xiàn)。從計(jì)算中還可以看出該絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)完全符合自鎖條件。當(dāng)某次加工給定時(shí)，需要設(shè)定鉆盒在Z方向上的準(zhǔn)確位置，設(shè)定完成后，利用摩擦自鎖使絲桿機(jī)構(gòu)鎖死在該位置上。3.3.5 分配盤設(shè)計(jì)要設(shè)計(jì)分配盤，就是要完成Y向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的設(shè)計(jì)。當(dāng)鉆盒安裝到機(jī)器上時(shí)，可繞鉆削主軸旋轉(zhuǎn)90度，并能在0度和90度方向上自鎖，為滿足這一要求，設(shè)計(jì)了分配盤。1234561. 旋轉(zhuǎn)座 2. 彈簧 3. 轉(zhuǎn)動(dòng)銷 4. 固定座 5. 蓋板 6. 軸用擋圈圖3.1

33、2 分配盤全剖三維模型如圖3.12所示，固定座4與與變速箱固聯(lián)在一起，而鉆盒則是安裝在旋轉(zhuǎn)座1上。固定座4上均勻分布著四個(gè)大小相等的凹槽。蓋板5與軸用擋圈6配合使用以限制軸向自由度。當(dāng)有必要旋轉(zhuǎn)鉆盒時(shí)，只需瞬間施加一定的力，轉(zhuǎn)動(dòng)銷3就會(huì)被擠出固定座上的凹槽。整個(gè)旋轉(zhuǎn)座1連同上面的鉆盒便可繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。到達(dá)下一個(gè)凹槽時(shí)在彈簧2的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)銷3就會(huì)擠入到凹槽中去，旋轉(zhuǎn)座1便被固定在此位置，于是便產(chǎn)生了繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。3.4 傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.4.1 傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求文中設(shè)計(jì)的高速木工多軸鉆床傳輸系統(tǒng)部分，除了能夠像以前普通鉆床一樣實(shí)現(xiàn)木板的傳輸和精確定位之外，為了提高加工效率與自動(dòng)化程度以及適

34、應(yīng)不同產(chǎn)品的鉆孔，對(duì)于傳輸系統(tǒng)提出了更高的要求，具體而言傳輸系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）傳輸：需要將待加工的木板傳送到鉆床上的指定位置，整個(gè)過程要求傳輸穩(wěn)定而迅速，且在傳輸過程中不能劃傷木板表面。而在傳輸木條時(shí)，為防止木條傾覆，速度不能過快，所以需要傳輸速度可控。（2）檢測(cè)：利用光電傳感器和接近開關(guān)來檢測(cè)是否有木板在機(jī)床上，同時(shí)給主控制器（PLC）加工信號(hào)，完成一系列的加工動(dòng)作。（3）定位：要求木板在被加工時(shí)，能夠在機(jī)床上進(jìn)行精確定位，從而保證加工精度，本次設(shè)計(jì)擬定采用氣缸推動(dòng)擋塊來實(shí)現(xiàn)定位。（4）Z向夾緊：要求木板到達(dá)指定位置后，完成Z方向夾緊，限制木板在Z方向上的位移。本次設(shè)計(jì)中，傳輸部分

35、擬定采用氣缸推動(dòng)帶彈簧的擋塊來實(shí)現(xiàn)夾緊，配合機(jī)床上其他部分的夾緊部件，共同完成工件的夾緊工作。特別要注意的是，考慮到本文設(shè)計(jì)的鉆床有高速加工的設(shè)計(jì)要求，所以需要考慮如何快速而高效的完成夾緊。（5）復(fù)位：在一塊木板加工完畢后，要把它傳輸出去，同時(shí)機(jī)床各個(gè)部件復(fù)位，等待加工下一塊木板。3.4.2 傳輸系統(tǒng)總體布局根據(jù)以上要求，擬定采用皮帶傳輸，為滿足加工大尺寸木板，以及傳輸?shù)姆€(wěn)定性，使用左、右兩套傳輸機(jī)構(gòu)對(duì)稱分布。如圖3.13所示，傳輸系統(tǒng)由電機(jī)2配合減速器1提供動(dòng)力，為達(dá)到傳輸速度可變的目的，在電機(jī)電路中接入變頻器來調(diào)控電機(jī)轉(zhuǎn)速。利用光電傳感器4與接近開關(guān)3兩類傳感器來檢測(cè)傳輸帶上是否有木板或木

36、條，然后給主控制器發(fā)送加工指令。同時(shí)傳輸機(jī)構(gòu)還需完成部分定位和夾緊工作，故在傳輸機(jī)構(gòu)中安裝了擋點(diǎn)氣缸5，當(dāng)左右兩個(gè)擋點(diǎn)氣缸升起時(shí)就形成了兩個(gè)定位點(diǎn)。同樣左右傳輸機(jī)構(gòu)各安裝有一個(gè)Z向夾緊氣缸，且該氣缸長(zhǎng)徑比較大，進(jìn)氣管直徑較大，這有利于Z向的快速夾緊。皮帶張緊由張緊輪6來完成。1. 減速器 2. 電機(jī) 3. 接近開關(guān) 4. 光電開關(guān) 5. 擋點(diǎn)氣缸6. 張緊輪 7. Z向夾緊氣缸圖3.13 傳輸機(jī)構(gòu)三維示意圖3.5 定位夾緊系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.5.1 定位工件在空間具有六個(gè)自由度，即沿X、Y、Z三個(gè)直角坐標(biāo)軸方向的平動(dòng)自由度以及繞這三個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。因此，要完全確定工件的位置，就必須消除這6個(gè)自由

37、度，如圖3.14（a）所示，通常用6個(gè)支承（定位元件）來限制工件的六個(gè)自由度，如圖3.14（b）所示，此方法稱為六點(diǎn)定位原理。 （a）空間物體自由度 （b）六點(diǎn)定位原理圖圖3.14 定位原理在實(shí)際中夾緊木板（工件）即運(yùn)用了該定位方式，如圖3.15所示，左固定鉆排提供兩個(gè)支承，即圖3.14（b）中的4和5。左、右傳輸帶以及輔助條提供3個(gè)支承，即1、2和3。而左右擋點(diǎn)提供最后一個(gè)支承，即6點(diǎn)。這樣木板便被完全定位。1231. 左右擋點(diǎn)氣缸 2. 左水平鉆排 3. 傳輸帶圖3.15 木板定位示意圖3.5.2 夾緊夾緊方式與位置如圖3.16所示。機(jī)床上電后，左右擋點(diǎn)升起，木板或木條在傳輸帶上傳送，傳送到指定位置時(shí)被左右擋點(diǎn)阻擋，同時(shí)觸發(fā)光電開關(guān)或接近開關(guān)，此時(shí)Z向夾緊氣缸動(dòng)作，完成Z方向的夾緊。然后右推氣缸動(dòng)作，完成左右水平夾緊。接著下壓氣缸動(dòng)作，完成Y方向的夾緊。最后下壓輔助氣缸動(dòng)作，完成Y向輔助夾緊。Y向夾緊Y向輔助夾緊Y向夾緊Z向夾