參考的設計說明---高速木工多軸鉆床設計及加工工藝研究

1、 高速木工多軸鉆床設計及加工工藝研究王昆上?；諄唽崢I(yè)有限公司摘 要家具出現了便于大批量生產的32mm系統板式家具。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。本課題設計了自動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給模型，建立了氣壓工進微分方程組；（2）進行了多軸鉆床機械結構設計，包括機架系統、鉆排系統、傳輸系統、夾緊與定位系統；（3）通過實驗研究加工參數對鉆孔質量的影響。文中設計的高速木工多軸鉆床是集機、電、氣一體化的設備，具有高精度、集成化、自動化等優(yōu)點。該鉆床的成功研制對于提高我國木工機床的整體技術水平有著重要的意義。關鍵詞：木工機

2、床，氣壓傳動，PLC，破邊因子，響應面，方差分析1、研究背景與研究現狀家具企業(yè)人工成本的顯著上升和對加工精度提高的迫切需求使中國木工機械行業(yè)的發(fā)展面臨歷史性機遇。同時，政府在國家戰(zhàn)略層面也已經將高端裝備制造業(yè)列為推動整個國家經濟發(fā)展轉型升級的的重要抓手。本項目面向木工機械行業(yè)，聚焦于智能化木工設備的研發(fā)生產，服務于傳統家具行業(yè)的產業(yè)升級。在現代家具行業(yè)中，板式家具占據著舉足輕重的作用。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，使家具生產走向了工業(yè)化的道路。標準化、通用化、系列化是其最大的三個特征，也是使板式家具能夠大批量生產的主要原因。板式家具以32mm技術

3、為基礎，采用標準件將各板式部件連接起來構成產品，各板式部件采用標準的工業(yè)板塊及標準鉆孔模式。因此，此類家具又稱為32mm系統家具。32mm系統是板式部件孔位設計以及加工的依據，也即是孔間距為32mm或其整數倍。而孔又是32mm系統接口的三要素（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面的孔，相鄰兩孔孔距為32mm或是其整數倍。大多板式部件都需要鉆孔，而且孔的數目較多，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，設計師們便設計出了木工多軸鉆床。木工多軸鉆床被認為是32mm系統家具生產中最為專業(yè)化的設備之一，幾乎所有的結構孔與系統孔的加工

4、都可以由它來完成。在安裝此類家具時，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)的家具便于運輸，在生產加工時更有利于大批量工業(yè)化生產，32mm系統板式家具必將成為家具行業(yè)的主流產品。但是，現有的多軸鉆床存在兩大先天缺陷：（1）機床設備精度普遍較低，振動較大，鉆孔質量普遍不好；（2）自動化程度普遍不高，非常依賴于操作人員的經驗，機器使用不方便。在對加工效率和加工質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的數控設備漸漸受規(guī)模企業(yè)青睞，除了能夠提高勞動生產率的原因之

5、外，還因為數控設備基本上杜絕了工傷事故的發(fā)生。在過去，家具企業(yè)的工傷成本相對較低，如果解聘因為工傷而導致10級傷殘員工的成本僅需2萬元人民幣左右；而在今天，員工的法律意識提高，各地傷殘賠償補助因為最低工資標準水漲船高，企業(yè)為員工10級傷殘所支付的賠償費用已經提升了3倍左右。由于許多家具企業(yè)的生產任務繁重，長期加班導致工人疲勞操作，工傷事故時有發(fā)生，由此招致的各種麻煩已經讓企業(yè)主不勝其擾。 本項目在充分了解客戶對木工鉆床的共性需求的基礎上，研發(fā)設計、生產、銷售精度更高、自動化程度更高、操作更方便的智能型木工數控多軸鉆床系列通用設備，可對家具行業(yè)的鉆孔設備進行全面的升級換代，為客戶提升利潤空間，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床，也稱為多排鉆。其中，每排鉆盒由電動機驅動，鉆盒內的鉆軸中心距為32毫米或其倍數。鉆盒內相鄰鉆軸轉動方向相反，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的最后一道工序，對于鉆孔質量有較高的要求，因此對機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，依據鉆削孔徑大小以及板質硬度，可調整氣流節(jié)流量來選擇適宜的鉆削進給速度，鉆孔深度亦可調節(jié)，并可對板件進行垂直與水平兩個方向同時鉆孔。多軸鉆床操作方便靈活，一機多用，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)公司不可缺少的設備。但是，多數多軸鉆床存在先天缺陷，在設計上鉆削電機沒有通過變速箱而是直接與鉆盒相連，且將電機當作剛性柱來使用，這加劇了電機的損壞。同時機床整體質量較輕，振動較大，鉆孔質量普遍不是很好。因此，提高設備加工精度，提高自動化水平，優(yōu)化鉆孔加工工藝是各大企業(yè)增加競爭力的有效途徑。本項目基于氣動流體力學的基本理論推導多軸鉆床加工時氣動進給的數學模型。采用Matlab軟件進行模擬仿真，得出在空載與負載時驅動氣缸內的壓力變化曲線，以及鉆頭位移與工進速度曲線。從理論上分析整個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的速度變化情況。同時，對不同的氣源壓力進

8、行仿真研究，為后續(xù)的加工工藝分析提供理論依據。由于氣壓傳動中會有多個腔室，為了便于描述，在文中用編號標注腔室。如腔室1為工作腔，則下標1表示腔室1中的氣體參數；腔室2為排氣腔，下標2表示腔室2中氣體參數。為了簡化計算，需作如下假設：1.動作時間相對熱交換時間很短，腔室內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靜態(tài)過程；4.氣缸的氣體泄漏較小可忽略不計；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間，認為整個過程中過渡齒輪轉速恒定。如圖2.1氣壓傳動系統傳動示意圖，為了與下一章機械設計的坐標相呼應，以氣缸桿軸線方向為

9、Z軸，活塞與氣缸桿軸線相交處為坐標原點，豎直向上為Y軸方向，建立笛卡爾坐標系。則所要求的工進速度即為鉆盒在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 氣壓傳動系統示意圖氣缸腔室的充、放氣過程為變質量系統的熱力過程，在上述假設條件下，對于工作腔室1，根據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，m；A1工作腔側活塞面積，m2；T氣源溫度，K；Qm1氣源經進氣道流入工作腔1的質量流量，kg/s。將V1代入式（2.1），可得： （2.2）對于排氣腔2，根據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量流量方程式以及排氣腔2的容積，其中A2為排氣腔側活塞面積，L為活塞的行程，Z20為排氣腔余隙坐標，可得排氣腔壓力變化方程式為： （2.3）文中的氣壓傳動系統應視為初始有壓差的傳動系統，排氣初始壓力為p20，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系統的排氣腔壓力變化方程為：

11、 （2.4）根據牛頓第二定律對整套系統受力分析得方程： （2.5）式中 M1垂直部件的質量，kg；M2活塞與活塞桿的質量，kg；J0過渡齒輪的轉動慣量，kg·m2；d0齒輪分度圓直徑，m；力負載，除壓縮空氣外，作用在活塞上所有力的合力，N。又假設齒輪質量相對整個系統可忽略不計，且整個角加速過程時間很短，可認為勻速上升，則上式中的。則可對式（2.5）進行簡化，并加入邊界條件，可得 （2.6）式中 M運動部件的總質量，即M=M1+M2，kg；在工程計算中，常常認為通過進氣管道向進氣腔1充氣的質量流量Qm1以及排氣腔2向大氣放氣的質量流量Qm2均可用流量公式（2.7）與（2.8）計算。 （

12、2.7） （2.8）式中 Ae為進氣與排氣管道系統總有效面積，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。聯立式（2.2），（2.4），（2.6）（2.8）就是本文要建立的氣壓進給數學模型。3、研究內容與對策3.1 總體方案設計在機械結構設計時主要是根據市場需求設計鉆頭夾具鉆盒的運動情況。根據企業(yè)需要，以及以往的設計經驗26，要求 鉆盒應具有4個自由度，即X、Y、Z三個方向上的平動，以及繞Y軸旋轉90度的轉動。機床的總體尺寸為4935×2300×2180，結構上主要包括機架系統、鉆排系統、傳輸系統、定位與夾緊系統等主要系統組成。機床

13、的結構形式根據工件加工工藝方案與運動方案的不同而差異較大。機床常見的結構形式如圖3.1所示，有門架式、懸臂式、龍門式、C型和長懸臂式。圖3.1 機床常見結構形式XYZ根據本設計的具體情況，考慮到需要一個控制箱和一個氣動箱，以及從木工機床美學設計的角度來說，認為選用門架式方案較為合理。根據右手坐標系原理28，X、Y、Z方向如圖3.2所示。圖3.2 機床坐標方向示意圖根據現有木工多軸鉆床的設計經驗，在設計鉆排工進模塊時，將每排設計成都一樣即鉆排模塊，有利于批量生產。水平鉆排工進模塊與垂直鉆排工進模塊是一樣的，只是水平鉆排多了夾持部分。在設計整臺機床時，采用上部四個鉆排組倒掛的形式，下部四個鉆排組正

14、常放置，左右各一個水平鉆排組共十個鉆排組，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構。在加工深孔時，往往單獨一個鉆排無法實現打穿，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。在設計時將左水平鉆排設計成固定鉆排，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。右水平鉆排可沿導軌滑動，取消兩個水平鉆排的分配盤機構，即取消其繞主軸的轉動，使鉆盒始終保持與Z方向平行。在鉆排沿X軸驅動方面，考慮到成本及客戶需求，鉆排沿X軸方向的滑動主要通過手動驅動齒輪齒條機構來完成。沿Z方向的平動也是通過手動轉動絲桿使整個減速箱電機與鉆盒組件沿Z方向移動。

15、如有必要可改進設計，可安裝步進電機，編寫程序，即可升級為數控鉆床。沿Y方向上的往復運動由于非常頻繁且運動間隔時間短，故采用氣壓驅動方式，繞Y方向的轉動由于只是實現0度和90度兩個方向故也是靠手動，因此需進行分配盤的設計。同時還需要設計物料傳輸系統以便將木板傳輸到適當的加工位置，以及定位夾緊系統精確定位并快速有效的完成夾緊，確保加工質量。綜合以上分析，機械系統設計方面主要包括機架系統的設計、鉆排系統的設計、傳輸系統的設計以及定位夾緊系統的設計。3.2 機架系統設計3.2.1 機架系統總體方案機架系統的主體框架是由一個控制箱和一個氣動箱以及兩根導軌梁組成，構成門架式結構。此結構方便合理，能大大降低

16、成本。機架系統提供了X方向上的移動自由度，主要通過導軌與滑塊來實現該方向上的平動。上下兩根主導軌梁長4m，分別分布著4個鉆排組，每個鉆排組均可在導軌上自由滑動，機架三維模型如圖3.3所示。主導軌梁由Q235A鋼板焊接而成，再進行機加工，最后安裝上直線導軌。在板材鉆削過程中，可能用到的鉆排組或多或少，在工進系統工進完成加工返回時，會對主導軌梁有沖擊。因此可能會引起主導軌梁的振動，若達到共振，會有非常嚴重的后果，因此有必要對其進行模態(tài)分析。1231. 控制箱 2. 導軌梁 3. 氣動箱圖3.3 機架三維模型3.2.2 導軌梁的模態(tài)分析模態(tài)分析是動力學分析過程中必不可少的步驟之一。模態(tài)分析用于確定設

17、計機構或機器部件的振動特性，即結構的固有頻率和振型，它們是承受動態(tài)載荷結構設計中的重要參數，同時也可以作為其他動力學分析問題的起點，例如瞬態(tài)動力學分析、諧響應分析和譜分析。根據有限元分析理論，主導軌梁的動力學方程如式（3.1）： （3.1）式中 M、K、C分別為總體質量、剛度、阻尼矩陣，x(t)、F(t) 分別為節(jié)點的位移和外力向量。固有頻率只與系統本身的特性（質量、剛度和阻尼）有關，模態(tài)分析即是求解振動系統的固有頻率和振型29。當彈性體的動力基本方程中的外力向量F(t)=0時，略去阻尼，便可得到系統的自由振動方程 （3.2）解得其特征方程為式（3.3）： （3.3）式中即為系統的固有頻率。由

18、于有限元軟件建模能力比較差，本文先用Solidworks軟件建立主導軌梁的三維模型，然后再導入到ANSYS中進行模態(tài)分析。采用Solid187單元對主導軌梁進行網格劃分，然后加載求解。主導軌梁的材料為Q235A，其主要物理性能參數如表3.1。表3.1 Q235A鋼主要性能參數楊氏模量E (Gpa)密度（kg/m3）泊松比質量(kg)21078300.3578分析得出前五階振動模型如圖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 各階固有頻率階數頻率（Hz）振型描述最大振幅（mm）177.02

19、45側向彎曲0.06642115.27側向彎曲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，當頻率為77.024Hz時，導軌梁的的振幅較小，側向形變均勻；當頻率為115.27Hz時，側向振幅繼續(xù)變大，形變程度更大；繼續(xù)增大頻率，達到202.063Hz時，振型發(fā)生變化，由側向彎曲變?yōu)榇怪睆澢?，且此時振幅達到一個較大值；當頻率為207.864Hz時，振幅有所減小；當頻率達到277.981Hz時，振幅大為減小。從上面分析的結果來看，振幅較大的是第三階與第四階，對應的頻率為202.063Hz與207.

20、864Hz。而導軌梁的主要激勵來源于鉆排的上下運動，此激勵多在2Hz（每2秒4個工進模塊落下一次）以下，對導軌梁影響較大的頻率錯開了這一頻率，所以說導軌梁的結構是基本合理的。3.2.3 直線導軌副的設計導軌的主要功能是支撐和引導運動部件，使其沿預定軌跡運動且保證運動精度。導軌承受運動部件的重量以及力負載，其質量和性能的優(yōu)劣很大程度上決定機床的剛度、精度、承載能力和使用壽命，目前數控機床主要使用滑動導軌、滾動導軌和靜壓導軌三類。如圖3.5為本次設計滾動導軌副的安裝位置，可以看出整個鉆排機體的重量都壓在兩個滑塊上。1. 機體 2. 升降座齒條 3. 平臺 4. 氣缸 5. 氣缸桿齒條6. 過渡齒輪

21、 7. 滑塊 8. 鎖緊氣缸 9. 導軌梁 10. X向齒條11. 齒輪軸 12. 導軌 13. 安裝座 14. 緩沖器圖3.5 鉆排系統全剖視圖直線導軌通常根據所用設備的精度要求、剛度要求、承載能力、承載方式、行程大小、運動速度及加速度大小、使用頻率和使用壽命來選擇。文中設計的高速木工多軸鉆床采用的直線導軌副屬于滾動導軌，導軌長3200mm。滾動直線導軌除了有抗上下左右四個方向的力外，還能承受左右扭轉、前后翻轉和平面扭轉三個方向的扭矩。其特點是：剛度足、承載大、精度高還可高速運行，結構緊湊，拆裝調試方便。本設計中，滾動直線導軌通過內六角螺釘固定在導軌梁上，導軌滑塊固定在鉆排模塊上。本設計選用

22、臺灣PMI直線導軌，表3.3 給出了該直線導軌的型號及主要技術參數。表3.3 滾動直線導軌型號及主要參數型號基本負載率/N靜態(tài)力矩/N·m重量MSA25LE基本動負載率C(kN)基本靜負載率C0(kN)MROMPOMro滑塊kg導軌kg/m34.456.66306706700.822.4對于直線導軌，人們關心的是其使用壽命，因此對其進行使用壽命的估算有著重要的意義。直線導軌副的壽命有著這樣衡量標準，即：在允許的環(huán)境條件下，承受的負載等于動載荷C(kN)時，連續(xù)導向行程達到50km(基準行程壽命)時有95%（基準可靠度）不產生疲勞破壞30。依此直線導軌副額定行程壽命L可由式（3.4）計

23、算： （3.4）式中： fH為硬度系數；fT為溫度系數；fC為接觸系數；fw為負荷系數；C為基本額定動負荷；PC為為外加負荷。各系數均為常數可從文獻中查得31，代入式（3.4），最后得從最后的結果中可以看出，導軌的壽命完全能夠滿足使用要求。3.2.4 齒輪齒條副的設計高速木工多軸鉆床X向的運動采用齒輪齒條的傳動方式?？紤]到導軌梁較長（約4m），為了降低加工制造成本，擬定在導軌梁上安裝齒條時，采用多段拼接的方式，每段齒條長500mm，通過內六角螺釘固定在導軌梁的一側，齒條拼接后總長為3500mm。齒輪采用齒輪軸的形式。齒輪齒條副的結構形式如圖3.6，采用單邊齒輪齒條驅動的形式。齒輪齒條設計參數如

24、表3.4。齒輪軸X向齒條圖3.6 齒輪齒條副表3.4 X向移動齒輪齒條設計參數名稱符號齒輪（z1）齒條（z2）模數m1.51.5齒數Z12100壓力角20°20°齒頂高系數ha*11頂隙系數c*0.250.253.3 鉆排系統設計鉆排系統能夠提供三個自由度，即：Y、Z方向的平動以及繞Z軸的轉動。本木工鉆床的每個鉆排都可做為一個獨立的加工單元，是批量生產多軸鉆床的關鍵，因此對其進行模塊化設計便是非常重要的。根據木工機床加工實際需要以及對標準件鉆盒的調研，本文設計的每個鉆排系統可以在每排上裝載兩個鉆盒，這樣就需要兩套驅動與變速裝置。鉆排系統三維視圖（機體隱藏）如圖3.7所示，兩

25、套變速與傳動系統安裝在平臺6上，兩套裝置可由絲桿15驅動，并可沿氣缸桿8軸線方向移動。鉆排系統采用氣壓工進的方式，工進氣缸為水平放置，因此需要將氣缸桿的水平運動轉換成鉆盒的垂直運動。由于整個垂直部件落下時會有巨大的沖擊，為避免損壞機體，安裝了緩沖器13。同時在鉆排中安裝限位開關12，來控制鉆孔深度。每個鉆排包含兩個安裝座9，用于連接鉆排機體與滑塊10，滑塊與安裝在導軌梁上的導軌配合。安裝座上分別有兩個孔供升降座齒條14做往復運動時通過。加工過程中，工進一般選用氣壓工進，鉆削則采用電機驅動。為節(jié)省空間，電機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

26、6. 平臺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 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 電機的選擇由于加工要求，鉆削電機不能采用一般外形的三相電機，為此定制了四方形電機。本文所選用的電機參數如表3.5所示。表3.5 電機參數電機類別轉速（rpm）質量（kg）功率(kw)鉆削電機2950100.15傳輸電機143080.18木板切削比金屬切削更加容易實現，因此鉆削電機功率不用很大。本文所選用功率為0.15kw的電機能滿足要求。3.3.2 鉆削傳動的設計文中選用弧齒錐齒輪作為主要傳動零件，通過一次齒

27、輪加速后達到所需鉆削轉速，即4000r/min以上?；↓X錐齒輪是一種能夠以穩(wěn)定傳動比平穩(wěn)、低噪音傳動的傳動件。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。弧齒錐齒輪傳動效率高，傳動比穩(wěn)定，圓弧重疊系數大，承載能力高，傳動平穩(wěn)，工作可靠，結構緊湊，節(jié)能省料，節(jié)省空間，耐磨損，壽命長，噪音小。在各種機械傳動中，以弧齒錐齒輪的傳動效率最高，對各類傳動尤其是大功率傳動具有很大的經濟效益；傳遞同等扭矩時需要的傳動件傳動副最省空間，比皮帶、鏈傳動所需的空間尺寸要小的多；傳動比永久穩(wěn)定，傳動比穩(wěn)定往往是各類機械設備傳動中對傳動性能的基

28、本要求；工作可靠，壽命長。傳動示意圖如圖3.8所示。主動齒輪從動齒輪圖3.8 弧齒錐齒輪傳動三維視圖初步設定傳動比i=0.7。鉆頭轉速為n2=n1/i=2950/0.7=4214rpm。滿足轉速不小于4000rpm的要求。如表3.6為本設計所用格里森制弧齒錐齒輪的主要參數。由于轉速高，摩擦溫度高，所以材料擬用20CrMoTi。表3.6 弧齒錐齒輪主要參數名稱弧齒錐齒輪B（從動）弧齒錐齒輪A（主動）齒數2130大端模數1.53齒寬8.4齒頂高系數0.85頂隙系數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 工進組件的設計要設計工進組件，即是要完成Z方向的運動設計。為了將氣缸的水平直線運動轉換為工進系統的垂直運動，本設計運用了兩次齒輪齒條傳動，如圖3.8所示。本文設計的氣缸桿較長，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的齒槽與過渡齒輪配合，這樣就可將氣缸桿的水平運動轉化為工進部件的垂直運動。本設計的巧妙之處在于利用齒輪齒條的空間交錯極大的節(jié)省了空間，也是減少機體

30、橫向尺寸的有效方法。如圖3.9就是齒輪齒條傳動的部分視圖。四根升降座齒條安裝在平臺上，氣缸桿齒條作為主動件在中間，利用齒輪齒條傳動將氣缸桿齒條的水平運動轉化為升降座齒條的垂直運動。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3.3.4 絲桿螺母傳動機構對于Z方向的運動，即鉆盒沿氣缸軸線方向的運動，文中設計了絲桿傳動機構，來完成這個方向的運動。通過轉動絲桿驅動變速箱中的螺母，使整個變速箱電機組件能沿Z軸方向移動。圖3.10為絲桿傳動示意圖，圖3.11為絲桿傳動實物圖。采用滑動絲桿螺母傳動優(yōu)點有：結構簡單，加工方便，成本低廉，最重要的是具有自鎖功能。本文采用簡單易行的摩

31、擦自鎖方式，能夠在不引入其它機構的情況下很好的完成自鎖功能。本設計在考慮制造成本與使用目的的情況，決定采用手動方式驅動絲桿機構運動，這樣驅動扭矩就不能太大，所以需要進行驅動扭矩的驗算。圖3.10 絲桿傳動示意圖1234561. 平臺 2. 絲桿 3. 電機 4. 變速箱 5. 分配盤 6. 鉆盒圖3.11 絲桿傳動實物圖驅動絲桿螺母移動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。在粗略的計算中后兩項可以忽略。則計算公式為: （3.5）其中：F為軸向載荷； 為螺紋升角，P為導程； d2為螺紋中徑； 為當量摩擦角，且，f為摩擦系數，為牙型角；又知，需要移動的部件總質

32、量為m=65kg，可得到摩擦力F=mg=0.15×65×10=97.5N代入式（3.5）得轉動絲桿的最小扭矩為可以看出所需扭矩是很小的，人力完全能夠實現。從計算中還可以看出該絲桿傳動機構完全符合自鎖條件。當某次加工給定時，需要設定鉆盒在Z方向上的準確位置，設定完成后，利用摩擦自鎖使絲桿機構鎖死在該位置上。3.3.5 分配盤設計要設計分配盤，就是要完成Y向轉動自由度的設計。當鉆盒安裝到機器上時，可繞鉆削主軸旋轉90度，并能在0度和90度方向上自鎖，為滿足這一要求，設計了分配盤。1234561. 旋轉座 2. 彈簧 3. 轉動銷 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與與變速箱固聯在一起，而鉆盒則是安裝在旋轉座1上。固定座4上均勻分布著四個大小相等的凹槽。蓋板5與軸用擋圈6配合使用以限制軸向自由度。當有必要旋轉鉆盒時，只需瞬間施加一定的力，轉動銷3就會被擠出固定座上的凹槽。整個旋轉座1連同上面的鉆盒便可繞軸線轉動。到達下一個凹槽時在彈簧2的作用下轉動銷3就會擠入到凹槽中去，旋轉座1便被固定在此位置，于是便產生了繞Y軸轉動的自由度。3.4 傳輸系統設計 3.4.1 傳輸系統的設計要求文中設計的高速木工多軸鉆床傳輸系統部分，除了能夠像以前普通鉆床一樣實現木板的傳輸和精確定位之外，為了提高加工效率與自動化程度以及適

34、應不同產品的鉆孔，對于傳輸系統提出了更高的要求，具體而言傳輸系統需要實現以下功能：（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，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：利用光電傳感器和接近開關來檢測是否有木板在機床上，同時給主控制器（PLC）加工信號，完成一系列的加工動作。（3）定位：要求木板在被加工時，能夠在機床上進行精確定位，從而保證加工精度，本次設計擬定采用氣缸推動擋塊來實現定位。（4）Z向夾緊：要求木板到達指定位置后，完成Z方向夾緊，限制木板在Z方向上的位移。本次設計中，傳輸部分

35、擬定采用氣缸推動帶彈簧的擋塊來實現夾緊，配合機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，考慮到本文設計的鉆床有高速加工的設計要求，所以需要考慮如何快速而高效的完成夾緊。（5）復位：在一塊木板加工完畢后，要把它傳輸出去，同時機床各個部件復位，等待加工下一塊木板。3.4.2 傳輸系統總體布局根據以上要求，擬定采用皮帶傳輸，為滿足加工大尺寸木板，以及傳輸的穩(wěn)定性，使用左、右兩套傳輸機構對稱分布。如圖3.13所示，傳輸系統由電機2配合減速器1提供動力，為達到傳輸速度可變的目的，在電機電路中接入變頻器來調控電機轉速。利用光電傳感器4與接近開關3兩類傳感器來檢測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。同時傳輸機構還需完成部分定位和夾緊工作，故在傳輸機構中安裝了擋點氣缸5，當左右兩個擋點氣缸升起時就形成了兩個定位點。同樣左右傳輸機構各安裝有一個Z向夾緊氣缸，且該氣缸長徑比較大，進氣管直徑較大，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 3. 接近開關 4. 光電開關 5. 擋點氣缸6. 張緊輪 7. Z向夾緊氣缸圖3.13 傳輸機構三維示意圖3.5 定位夾緊系統設計3.5.1 定位工件在空間具有六個自由度，即沿X、Y、Z三個直角坐標軸方向的平動自由度以及繞這三個坐標軸的轉動自由度。因此，要完全確定工件的位置，就必須消除這6個自由

37、度，如圖3.14（a）所示，通常用6個支承（定位元件）來限制工件的六個自由度，如圖3.14（b）所示，此方法稱為六點定位原理。 （a）空間物體自由度 （b）六點定位原理圖圖3.14 定位原理在實際中夾緊木板（工件）即運用了該定位方式，如圖3.15所示，左固定鉆排提供兩個支承，即圖3.14（b）中的4和5。左、右傳輸帶以及輔助條提供3個支承，即1、2和3。而左右擋點提供最后一個支承，即6點。這樣木板便被完全定位。1231. 左右擋點氣缸 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。機床上電后，左右擋點升起，木板或木條在傳輸帶上傳送，傳送到指定位置時被左右擋點阻擋，同時觸發(fā)光電開關或接近開關，此時Z向夾緊氣缸動作，完成Z方向的夾緊。然后右推氣缸動作，完成左右水平夾緊。接著下壓氣缸動作，完成Y方向的夾緊。最后下壓輔助氣缸動作，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