精密扇形陶瓷件傳動(dòng)定位與裝夾方式的研究

苗磊，王留留，楊國(guó)詩(shī)

（淮南師范學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，安徽淮南 232038）

精密扇形陶瓷件傳動(dòng)定位與裝夾方式的研究

苗磊，王留留，楊國(guó)詩(shī)

（淮南師范學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，安徽淮南 232038）

對(duì)一特殊扇形陶瓷件的傳動(dòng)定位方式及夾具進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)蝸桿傳動(dòng)和圓弧導(dǎo)軌傳動(dòng)相結(jié)合的傳動(dòng)定位平臺(tái)與活動(dòng)扒爪的夾緊機(jī)構(gòu)，通過(guò)對(duì)活動(dòng)扒爪機(jī)構(gòu)的受力分析，計(jì)算得到其運(yùn)動(dòng)的臨界壓力角，不僅使刀具在銑削過(guò)程中與裝夾機(jī)構(gòu)不發(fā)生干涉，而且為加工扇形陶瓷件提供所需夾緊力。從而簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)定位方式，降低成本，提高陶瓷件的加工精度等。對(duì)后期具體設(shè)計(jì)制作具有很強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值。

扇形陶瓷件；扇形槽；扒爪；蝸桿傳動(dòng)

前言

工程陶瓷材料是一種新型材料，擁有優(yōu)良的物理和化學(xué)性能，在航空、航天、石油化工、機(jī)械及現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用①于思遠(yuǎn)：《工程陶瓷材料的加工技術(shù)及其應(yīng)用》，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008年。。本文對(duì)一種特殊扇形陶瓷件加工中的關(guān)鍵問題進(jìn)行分析與研究，該扇形陶瓷件是CT機(jī)中的關(guān)鍵零部件，但因其硬度高、脆性大、導(dǎo)熱率低，加工精度要求高，目前國(guó)內(nèi)沒有該零件有效的加工手段，因此對(duì)其加工方式的研究，有助于推動(dòng)CT機(jī)國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。

1 扇形陶瓷件介紹

扇形陶瓷件具體尺寸參數(shù)如圖1所示。其中320個(gè)溝槽的延長(zhǎng)線均通過(guò)扇形陶瓷件的圓心，每個(gè)槽均勻間隔0.03140625度，加工位置誤差要求在±10um以內(nèi)。因工件小、半徑大、精度高，所以要設(shè)計(jì)一種科學(xué)合理的裝夾定位方案。

圖1 陶瓷件

2 傳動(dòng)定位工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方案討論

方案一：將扇形陶瓷件裝夾在與其圓弧半徑相等的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)角度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)320個(gè)溝槽的傳動(dòng)定位。由于其半徑大，導(dǎo)致工作臺(tái)制造安裝精度難以保證，通過(guò)齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)上述大直徑小角度高精度定位要求具有一定困難。

方案二：在方案一的基礎(chǔ)上，改為通過(guò)小直徑工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)與平移運(yùn)動(dòng)合成大直徑的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。雖然工作臺(tái)半徑減小，但傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在原來(lái)齒輪傳動(dòng)的基礎(chǔ)上加上滾珠絲杠平移傳動(dòng)②成大先：《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)鏈接與緊固》，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010年。，增加了傳動(dòng)定位的復(fù)雜性，其制造安裝難度和成本都將提高③陳宇鵬：《精密陶瓷件加工中關(guān)鍵問題的探討》，《機(jī)械制造》2009第15期，第32-35頁(yè)。。

方案三：為解決上述難題，方便加工，提出蝸桿與圓弧導(dǎo)軌傳動(dòng)定位方案。把大直徑小角度高精度定位轉(zhuǎn)化為蝸桿傳動(dòng)帶動(dòng)圓弧滑塊的平移定位，這種方案不僅減小了工作臺(tái)尺寸，降低了傳動(dòng)定位方式的復(fù)雜性，提高了傳動(dòng)定位精度，還降低了制造安裝難度和成本。其精度高低取決于蝸桿傳動(dòng)副的精度④龐振基，黃其圣：《精密機(jī)械設(shè)計(jì)》，北京：北京機(jī)械工業(yè)出版社,1999。。具體分析如下。

圖2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，蝸桿3在伺服電機(jī)5的旋轉(zhuǎn)下，通過(guò)蝸桿傳動(dòng)副6帶動(dòng)圓弧滑塊2在圓弧導(dǎo)軌1上做圓弧運(yùn)動(dòng)，圓弧滑塊的行程角Ψ不小于20.1度，即扇形陶瓷件展角的2倍。扇形陶瓷件裝夾在圓弧滑塊上，其尺寸與陶瓷件大小相同，展角θ為10.05度。

根據(jù)陶瓷件的尺寸，要加工的320個(gè)槽均勻分布在10.05度，兩個(gè)槽間隔0.03140625度，對(duì)應(yīng)于半徑為1125.5mm的間隔為0.6150mm。要定位到每一個(gè)槽，即要求蝸桿傳動(dòng)每次帶動(dòng)圓弧滑塊移動(dòng)0.6150mm。本設(shè)計(jì)選用伺服電機(jī)的編碼器線數(shù)為2500P/R，蝸桿導(dǎo)程為5mm，可得伺服電機(jī)每一個(gè)脈沖通過(guò)蝸桿傳動(dòng)對(duì)應(yīng)于圓弧滑塊在圓弧導(dǎo)軌上的位移為：x=(5/360)×(360/2500)=0.002mm=2um。因此其理論定位誤差為±2um＜±10um，滿足320個(gè)槽的定位精度。定位每個(gè)槽所需伺服電機(jī)脈沖數(shù)為：

式中：n——槽的序號(hào)，1-320

由上述分析可知，此蝸桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，通過(guò)蝸桿傳動(dòng)簡(jiǎn)化了傳動(dòng)定位方式。

3 裝夾方案的討論

由于該工件尺寸小，且整個(gè)上平面都是加工面，因此一般采用膠結(jié)方式，把待加工扇形陶瓷件粘結(jié)在加工臺(tái)上，這種方案簡(jiǎn)單可靠，但粘結(jié)強(qiáng)度、均勻性影響加工精度，而且難以拆卸。而采用氣動(dòng)吸盤夾具，雖然方便裝夾與拆卸，但管路與吸盤的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，其真空泵也增加了成本，尤其銑削過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵等雜物會(huì)被吸入管路中，嚴(yán)重影響吸盤夾具的裝夾質(zhì)量，需要停機(jī)來(lái)清洗管路，降低了加工效率，增加了維護(hù)成本。綜合上述因素，這里采用活動(dòng)扒爪的裝夾方式，同時(shí)加大扒爪與扇形陶瓷件的接觸面積，防止壓裂、壓碎陶瓷件。設(shè)計(jì)4對(duì)撥爪及其導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)，避免銑削加工過(guò)程中扒爪與刀具產(chǎn)生的干涉，并能為扇形陶瓷件提供所需的夾緊力。具體分析如下。

3.1 夾緊力計(jì)算

夾緊力大小對(duì)扇形陶瓷件加工非常重要，過(guò)松會(huì)導(dǎo)致工件松動(dòng)，影響加工精度，過(guò)緊會(huì)損壞工件。因此，需要計(jì)算出合適的夾緊力。由于刀具是縱向銑削，所需夾緊力可由下式計(jì)算：

式中：f1——陶瓷件與夾緊元件間的摩擦系數(shù)

f2——夾具支撐面與陶瓷件間的摩擦系數(shù)

P——銑削力，P=Cpt0.86Sx0.72D-0.86BKp

CP——陶瓷材料及銑刀類型系數(shù)，取82.4

他心中生起了一股寒意，分神之下，忽視了周圍潛在的危險(xiǎn)。背后偷襲的土狼王幾乎要了他的命，他在狼吻下掙扎，然后莫明其妙地冒出了一個(gè)念頭：如果自己擁有黑袍人那樣強(qiáng)大的翅膀，還需要懼怕一只惡狼嗎？

t——銑削深度，取0.9mm

SX——每各齒的進(jìn)給量，取0.005mm

D——銑刀直徑，取10mm

B——銑刀寬度，取0.17mm

δ——許用壓應(yīng)力，取400MPa

計(jì)算得到：Q夾緊力=34.0927kgf=334.1089N。

3.2 扒爪夾具設(shè)計(jì)

圖3 扒爪機(jī)構(gòu)示意圖

扇形陶瓷件在圓弧導(dǎo)軌上傳動(dòng)定位時(shí)，為了讓移入到刀具下方的扒爪展開，移出刀具下方的扒爪重新壓緊，設(shè)計(jì)了如圖4所示倒三角導(dǎo)軌，其中用4對(duì)扒爪夾緊扇形陶瓷件，當(dāng)扒爪夾具從左往右在圓弧導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)時(shí)，右邊第一對(duì)扒爪與倒三角導(dǎo)軌接觸，在倒三角導(dǎo)軌左斜面的作用下，使扒爪緩慢張開到α角，然后保持，避免刀具在銑削時(shí)與扒爪產(chǎn)生干涉，然后在倒三角導(dǎo)軌右斜面的作用下，使扒爪緩慢收攏到夾緊位置，隨后右邊第二對(duì)、第三對(duì)、第四對(duì)扒爪依次按上述方式對(duì)扇形陶瓷件進(jìn)行裝夾。這樣不僅避免了刀具在銑削過(guò)程中與扒爪產(chǎn)生干涉，而且4對(duì)扒爪是依次展開收攏，為扇形陶瓷件提供夾緊力的同時(shí)，其裝夾精度不會(huì)受到影響。其三維傳動(dòng)模型如圖5所示①王策選,劉紅兵：《SolidWorks 2009中文版三維設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與實(shí)踐教程》，北京：電子工業(yè)出版社，2009年。。

圖4 倒三角導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)示意圖

圖5 傳動(dòng)模型

3.3 最小壓力角計(jì)算

如何保證每對(duì)扒爪能夠順利展開與收攏，其展開角α能夠讓扒爪與刀具避免干涉至關(guān)重要。如圖6所示，扒爪在展開收攏時(shí)有兩個(gè)主要的滑動(dòng)摩擦副，即扒爪在展開收攏時(shí)分別與倒三角導(dǎo)軌之間、與扇形擋板之間的滑動(dòng)摩擦副，當(dāng)?shù)谷菍?dǎo)軌的傾斜角β從小逐漸增大時(shí)，兩個(gè)摩擦副產(chǎn)生的摩擦力增大，對(duì)應(yīng)扒爪的展開角α增大，彈簧的變形也將增大，要求蝸桿傳動(dòng)副要提供足夠的推動(dòng)力，而當(dāng)β增大到一定程度時(shí)，再大的推動(dòng)力也無(wú)法推動(dòng)圓弧滑塊讓扒爪展開和收攏。因此求出β的臨界角對(duì)研制本設(shè)備至關(guān)重要。

扒爪在展開收攏時(shí)，與倒三角導(dǎo)軌之間滑動(dòng)摩擦副是沿倒三角導(dǎo)軌傾斜面滑動(dòng)，與扇形擋板之間滑動(dòng)摩擦副是沿扇形擋板面垂直滑動(dòng)②朱炳麟：《理論力學(xué)》，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005年。，因此對(duì)兩個(gè)滑動(dòng)摩擦副進(jìn)行力學(xué)分析，找出β的臨界角關(guān)系式，具體受力分析如下：

圖6 傳動(dòng)模型

如圖6所示，F(xiàn)推是蝸桿傳動(dòng)副通過(guò)扇形擋板給扒爪的水平推力，F(xiàn)彈是彈簧對(duì)扒爪的拉緊阻力，F(xiàn)f2是扒爪展開時(shí)扇形擋板對(duì)扒爪的摩擦阻力，F(xiàn)f1、FN分別是倒三角導(dǎo)軌對(duì)扒爪的摩擦阻力和彈力。要使扒爪能順利展開，對(duì)兩個(gè)滑動(dòng)摩擦副分別建立力學(xué)方程。

通過(guò)matlab輔助計(jì)算得到β的臨界角為72度。從而為設(shè)計(jì)倒三角導(dǎo)軌提供依據(jù)，即在保證扒爪展開α角后不與加工刀具產(chǎn)生干涉的前提下，盡量使倒三角導(dǎo)軌的傾斜角β盡可能的小。

4 結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，高精度陶瓷件的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)越來(lái)廣，對(duì)加工設(shè)備的要求也越來(lái)越高，因此設(shè)計(jì)一個(gè)科學(xué)合理的加工平臺(tái)方案，直接影響到設(shè)備生產(chǎn)制造的成本和難度，及其所加工陶瓷件的質(zhì)量。而本文根據(jù)扇形陶瓷件的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了蝸桿傳動(dòng)與圓弧導(dǎo)軌傳動(dòng)相結(jié)合的傳動(dòng)定位方案和活動(dòng)扒爪的裝夾方式來(lái)簡(jiǎn)化原有的方案，可實(shí)現(xiàn)扇形陶瓷件的加工要求的同時(shí)，減小了加工平臺(tái)的尺寸，降低了制造難度與成本，而且維護(hù)簡(jiǎn)單方便。所以本設(shè)計(jì)方案是可行的。

Research on drive positioning and clamping of the precision fan-shaped ceramic parts

MIAO Lei，WANG Liuliu，YANG Guoshi

This article made research on drive positioning mode and fixture in order to machine a special fan-shaped ceramic parts.A drive positioning platform was designed by combining worm drive with circular rail drive and a dexterous claw mechanism was designed for clamping this fan-shaped ceramic parts.Through stress analysis of the dexterous claw mechanism,the zero pressure angle was calculated during the movement.This dexterous claw mechanism not only avoid interfering with the tool during milling，but also provided clamping force for machining this fan-shaped ceramic parts.In summary this can simplify the positioning and movement mode,reduce the cost,improve the machining precision of ceramic parts and so on.It has a strong the actual application significance for the manufacturing.

fan-shaped ceramic parts;radial slot;dexterous claw;worm Drive

TH122

A

1009-9530（2014）05-0069-03

2014-04-09

安徽高校省級(jí)科學(xué)研究項(xiàng)目“大直徑輻射槽陶瓷件定位平臺(tái)設(shè)計(jì)”（KJ2012Z369）；淮南師范學(xué)院校級(jí)青年項(xiàng)目“大直徑輻射槽陶瓷件定位平臺(tái)設(shè)計(jì)模型”（2011LK949）

苗磊（1984-），男，淮南師范學(xué)院電氣信息工程學(xué)院助教，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械電子。