用于直線滾動導軌垂直安裝鎖緊裝置的設(shè)計分析

漢川數(shù)控機床股份公司 潘少平 童國榮 郭 軍 王 雷

用于直線滾動導軌垂直安裝鎖緊裝置的設(shè)計分析

漢川數(shù)控機床股份公司 潘少平 童國榮 郭 軍 王 雷

為直線滾動導軌用于垂直導向運動設(shè)計一種鎖緊裝置，該裝置避免了因鎖緊狀態(tài)而對導軌本體的損傷和運動精度的影響，對數(shù)控機床的定位精度起到了很好的保證作用。

在機床的運動系統(tǒng)中，垂直運動坐標的定位由于受到部件自身重力的影響而產(chǎn)生不可靠因素，故輔助的定位鎖緊裝置是保證坐標定位精度不可忽視的重要手段。細數(shù)一下通常的導軌鎖緊機構(gòu)，無論是利用凸輪、楔塊、摩擦片等制動元件，還是選用手動或液壓等不同方式來實現(xiàn)，對于傳統(tǒng)的滑動導軌來說，可以將鎖緊制動力直接作用于導軌之上實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的鎖緊而又不會對導軌產(chǎn)生不利的影響，故鎖緊機構(gòu)的設(shè)計和配置相對容易一些。而對于現(xiàn)在更有利于運動系統(tǒng)精度實現(xiàn)的滾珠絲杠加直線滾動導軌配置的結(jié)構(gòu)，鎖緊機構(gòu)不僅因滾動導軌的特殊性難于布置和設(shè)計，而且對實現(xiàn)鎖緊的功能和可靠性提出了更高的要求。

本文就是針對這一難點，給出了一個解決大型機床在垂直運動方向使用直線滾動導軌時隨機定位鎖緊的設(shè)計應(yīng)用方案。

1. 問題的提出

作為起承載和導向作用的導軌，在機床領(lǐng)域的使用過程中，其運動精度是最關(guān)鍵的指標。這就要求導軌不但具備運動的平穩(wěn)性，而且要滿足精確的導向和定位，不合理的導軌定位鎖緊往往會對它的運動精度產(chǎn)生不利影響。

傳統(tǒng)的滑動導軌副垂直坐標鎖緊是將夾緊力直接作用在導軌上，依靠靜摩擦力使升降部件與固定部件相對靜止。這種鎖緊方式的前提是導軌不但能夠承受足夠的運動載荷，還要在外加鎖緊力的狀態(tài)下保持自身良好的幾何精度不變。這兩個基本要求對于直線滾動導軌副來說，由于其導軌截型面積相對于普通滑動導軌較小，而且截型復(fù)雜、幾何精度很高，如果將鎖緊力直接施加在導軌體上，將會產(chǎn)生既不能保證可靠的鎖緊狀態(tài)又會損傷導軌機體，造成幾何精度和運動精度兩敗俱傷的嚴重后果。這是我們在應(yīng)用直線滾動導軌中必須加以注意和避免的，也是在垂直安裝方向更好地使用直線滾動導軌需要亟待解決的問題。

2 .鎖緊機構(gòu)的設(shè)計思路與結(jié)構(gòu)

筆者所在的公司是專業(yè)從事研發(fā)生產(chǎn)大型龍門式加工中心的企業(yè)，為解決其中一款橫梁升降式龍門機床的橫梁部件在使用直線滾動導軌承載導向的鎖緊問題時，我們重點關(guān)注了直線滾動導軌鎖緊機構(gòu)設(shè)計中應(yīng)該避免的核心要點，分析了直線滾動導軌安裝使用時空間結(jié)構(gòu)緊湊的特點，為其設(shè)計出相適應(yīng)的鎖緊機構(gòu)。

圖1 鎖緊機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

這種用于直線滾動導軌的鎖緊機構(gòu)在方案確定和設(shè)計過程中，我們重點考慮了以下幾個方面：

（1）基于直線滾動導軌體不能直接受到夾緊外力的作用，把外加鎖緊載荷進行了轉(zhuǎn)移。

（2）由于直線滾動導軌使用的空間所限，要滿足結(jié)構(gòu)緊湊且夾緊力足夠，取得“以小博大”的使用效果。

（3）用于鎖緊的輸出力持續(xù)恒定，不會因外部的突變因素而出現(xiàn)大的波動或泄力。

（4）易于數(shù)控設(shè)備的實時控制，以占用最少的系統(tǒng)資源達到控制準確可靠。

（5）便于裝配制造和批量化生產(chǎn)，達到獨立成為部件，滿足通用化、系列化的要求。

完成設(shè)計的鎖緊機構(gòu)如圖1所示。整個機構(gòu)主體是建立在杠桿機構(gòu)的原理上，利用剛性極好的組合碟簧來提供鎖緊力來源，由自適應(yīng)的終端鎖緊塊完成鎖緊動作。鎖緊原理和過程如下：

當運動部件3需要與固定部件1相對靜止處于定位狀態(tài)時，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，液壓系統(tǒng)電磁閥執(zhí)行動作使液壓缸體7上部的油液通過液壓油口10排出，此時組合碟簧8施加彈力推動活塞桿9向上移動，該力通過杠桿臂11和支點螺桿6所組成的杠桿機構(gòu)按比例放大后形成夾緊力，借助擺動壓塊13和調(diào)整支塊5作用于鎖緊板4上，在這三者之間產(chǎn)生的靜摩擦力來保持它們之間的相對靜止，即保證了運動部件和固定部件之間的相對位置不再因受力作用而發(fā)生偏移，完成靜態(tài)定位。

當垂直坐標得到運動指令時，控制系統(tǒng)首先給鎖緊裝置發(fā)出解除鎖緊狀態(tài)指令，液壓系統(tǒng)電磁閥動作給液壓缸體上部快速進油，液壓力克服碟簧彈力推動活塞向下運動，活塞桿帶動杠桿系統(tǒng)完成松開動作。

由于液壓缸的進出油口為同一個，所以在設(shè)計液壓系統(tǒng)時，需要有兩種基本回路，即壓力控制回路和方向控制回路。壓力控制回路實現(xiàn)增壓和卸荷，方向控制回路控制油路中液流的接通、切斷或變向。有了液壓系統(tǒng)的支持，鎖緊裝置便能有效地進行控制和運行。

3. 細節(jié)設(shè)計分析

該鎖緊裝置在設(shè)計過程中，為了解決杠桿機構(gòu)在受力發(fā)生微量偏轉(zhuǎn)過程中，各施力點、受力點和支點位置不會因力的方向發(fā)生變化而受到剛性破壞，我們在細節(jié)上對這些位置采取了如下的“柔性化”處理，保證了機構(gòu)的可靠性。

圖2 受力點的細節(jié)設(shè)計

圖2a為鎖緊力輸出作用到杠桿的細節(jié)設(shè)計。當?shù)奢敵龅膹椓斊鸹钊麠U向上作用于杠桿時，杠桿受力必然產(chǎn)生一個翻轉(zhuǎn)力矩。將調(diào)整杠桿動力臂行程的調(diào)整螺釘端面設(shè)計為半球面形狀，這樣，即使杠桿不斷改變受力方向也不會致使液壓油缸因杠桿的翻轉(zhuǎn)而影響其直線運動狀態(tài)。

圖2b為杠桿機構(gòu)的理論支點使用了球面墊片來自動調(diào)整位置，使杠桿在支點的受力始終保持與其垂直并均勻分布。

圖2c為夾緊端的細節(jié)設(shè)計。夾緊端要產(chǎn)生可靠的靜摩擦力，夾緊塊與夾緊片之間充分的貼合是產(chǎn)生最大靜摩擦力的前提。固定式的夾緊塊也會因杠桿機構(gòu)的翻轉(zhuǎn)運動影響與夾緊片的接觸面積，故我們將夾緊塊設(shè)計為圖示中可擺動的形式，這樣就使得在夾緊狀態(tài)下，夾緊塊與夾緊片之間始終保持一種自適應(yīng)的最佳貼合狀態(tài)，另外在擺動壓塊與鎖緊板接觸的面上固定了一層銅板，起到了耐磨損和保證鎖緊時產(chǎn)生最大靜摩擦力的有效接觸面積。

4.鎖緊機構(gòu)的力學分析

我們可以把杠桿鎖緊機構(gòu)的受力情況簡化為如圖3示：

圖3 受力簡圖

圖示中：P為擺動壓塊作用于鎖緊板上的壓力；

T為杠桿所受的動力；

Q為液壓油作用在活塞上的推力；

N為組合碟簧作用在活塞桿上的推力。

設(shè)計計算中我們用“倒推法”由所需夾緊力（即正壓力P），根據(jù)設(shè)計空間結(jié)構(gòu)調(diào)整杠桿動力臂b和阻力臂a的分配，最終計算出碟簧輸出力N的大小及松開夾緊時液壓系統(tǒng)所提供的推力Q。

通常情況下，對大型機床垂直運動部件的鎖緊方式都采用兩組導軌多點式對稱布置，而且這樣既可保證鎖緊的可靠，也可將鎖緊力進行分解，使單個鎖緊機構(gòu)在緊湊的設(shè)計尺寸下同樣滿足強度要求。

（1）假設(shè)分解到單個鎖緊機構(gòu)上需要克服的垂直載荷力為F，即單個機構(gòu)所要產(chǎn)生的靜摩擦力f與F為大小相等、方向相反。那么單個機構(gòu)所要求產(chǎn)生的夾緊力為：

P＝f/μ＝－F/μ

（2）杠桿的受力計算：

假設(shè)杠桿機構(gòu)所處的狀態(tài)如圖3所示，此時杠桿所受的動力為T，所受的阻力W與正壓力P大小相等，方向相反，即W＝－P。根據(jù)杠桿的計算公式有：

T*b＝W*a

即：T*b＝-P*a

根據(jù)鎖緊機構(gòu)在部件使用中所具有的空間尺寸，合理調(diào)整動力臂b和阻力臂a的尺寸，計算出鎖緊動力T值，也就是需要碟形彈簧所提供的彈力N值。

（3）碟形彈簧的計算說明：

由于碟形彈簧具有軸向尺寸小、承載能力大以及非線性的載荷與變形特性等特點，非常適合本機構(gòu)緊湊、輸出大載荷的設(shè)計要求，故選用組合式碟形彈簧為機構(gòu)提供穩(wěn)定可靠的動力來源。

首先明確組合碟形彈簧在達到自由高度時的總載荷Fz=N=T，依據(jù)設(shè)計空間位置和運動行程來選用合適的碟簧尺寸，計算確定碟簧的組合方式、疊合片數(shù)和尺寸總變形量fz及組合碟簧的自由高度Hz。此計算過程是碟形彈簧設(shè)計最基本的計算，在此不再累述。

（4）液壓系統(tǒng)的作用力。

液壓系統(tǒng)所提供的液壓力Q與碟簧對活塞的壓力N相互作用，實現(xiàn)鎖緊機構(gòu)的松開與鎖緊，所以液壓系統(tǒng)提供的最大油壓必須滿足Q＞N。

5. 結(jié)語

高精度直線滾動導軌和大螺距精密滾珠絲杠組合，被稱為數(shù)控設(shè)備在承載導向和運動驅(qū)動方面的“最佳拍檔”。即使這種最佳組合在被大型數(shù)控機床用于垂直運動部件安裝時，其不可自鎖且必須依靠其它手段才能實現(xiàn)位置確定的“短板”顯現(xiàn)出并不完美的缺憾。我們在分析問題明確目標后所設(shè)計出獨立可靠的鎖緊裝置，可以說是小設(shè)計解決了大問題，使直線滾動導軌在垂直安裝應(yīng)用過程中實現(xiàn)了“揚長補短”的實際效果。 □

文獻參考

①機械設(shè)計手冊編委會. 機械設(shè)計手冊第2卷. 機械工業(yè)出版社，2004.

②王積偉、章宏甲、黃誼.液壓與氣壓傳動 第2版．機械工業(yè)出版社，2006.

③聞邦椿.機械設(shè)計手冊.機械工業(yè)出版社，2010.

資訊

車床分會七屆二次理事（擴大）會議總結(jié)

2017年11月23日，中國機床工具工業(yè)協(xié)會車床分會在云南昆明召開了車床分會七屆二次理事(擴大)會議。本次會議旨在更加清晰了解行業(yè)所面臨的形勢，增強企業(yè)間的相互了解，增強分會會員凝聚力。安陽鑫盛機床股份有限公司董事長呂安相主持會議，40余家會員企業(yè)參加會議。

中國機床工具工業(yè)協(xié)會執(zhí)行副理事長郭長城出席會議并介紹了機床行業(yè)運行和機床協(xié)會職能轉(zhuǎn)換的相關(guān)情況，車床分會秘書長李憲凱與大家分享了車床行業(yè)與產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展趨勢，解讀了國家相關(guān)的政策，剖析了2017年機床行業(yè)形勢大好的幾個潛在原因；車床分會副秘書長陳洪軍為大家做了車床分會工作報告及行業(yè)運行分析，用詳實的數(shù)據(jù)，闡述了車床行業(yè)幾年來的產(chǎn)銷情況和進出口情況；寧波偉立機器人科技股份有限公司副總喬名揚做了智能制造的專題報告，用具體真實的案例，為大家闡述了客戶的智能化需求和應(yīng)用情況，使得與會代表更加明確了智能化的前進方向。

在參會代表交流過程中，云南CY集團董事長常寶強、安陽鑫盛機床股份有限公司董事長呂安相、天水星火機床黨委書記蔣俊、寶雞機床企業(yè)代表及部分與會代表與大家分享了企業(yè)近年來的發(fā)展經(jīng)驗以及對現(xiàn)階段行業(yè)發(fā)展的認識。

會議同期，車床分會還與鉆鏜床分會、數(shù)控機床技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟聯(lián)合舉辦了“2017年數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)智能制造技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展論壇”。

本次論壇中，安排了7個主旨報告。中國機床工具工業(yè)協(xié)會執(zhí)行副理事長郭長城等7位專家圍繞著“智能制造”，從國家政策層面、學術(shù)研究層面、技術(shù)發(fā)展層面和實際應(yīng)用層面等多個角度進行了論述。