高速木工四排鉆床系統的機械結構設計

羅永方 陳曙光 楊宗尚 田颯颯 田景志 周勝利

（河南航天液壓氣動技術有限公司，河南鄭州 451150）

0 引言

21 世紀以來，我國木工機械行業呈現跨越式發展，木工機械行業GDP 從世界第五轉變為世界第二，但是我國木工機械的數控化率非常低[1-3]。木工機床是家具制造業和木材加工業的基礎，多排鉆床作為木工機床的一部分，在木材打孔加工領域有不可替代的作用。其中四排鉆床具有定位靈活、操作方便等優點，是板式家具生產中常見的鉆孔設備[4-7]。

本文旨在設計一種高速木工四排鉆的機械結構，根據工件的主要加工工藝方案選擇機床的結構形式，并根據工件定位和物料傳輸方案設計機床的總體布局。同時，對導軌梁是機床結構中重要的承重部件，使用有限元分析軟件ANSYS 進行模態分析，檢驗其動態承載能力，分析結構合理性。

1 機床總體布局和機架子系統

高速木工四排鉆床系統由機架子系統、鉆排子系統、傳輸和定位夾緊子系統以及控制系統組成，除控制系統外，均屬于機械結構設計的范疇。現代機床的常見結構形式包括門架式、懸臂式、龍門式、C 型和長懸臂式等幾類。考慮到木工多排鉆的工作方式和機床設計的美學需求，擬選擇門架式作為本機床結構形式。考察現有木工多排鉆的結構和加工方式，鉆排系統可由數個相互獨立的鉆排組成。依照模塊化設計的思想，每個鉆排結構相似，均可獨立工作、維護和調整，便于實現批量生產。高速木工四排鉆中包含1 個水平鉆排和3 個垂直鉆排。其中水平鉆排固定在機架上，用作工件在X 方向上的定位基準，3 個垂直鉆排置于直線導軌上，可由齒輪齒條副實現X 方向上的平移運動。機床的總體布局如圖1 所示。

圖1 機床的總體結構

2 鉆排子系統設計

為實現完整的鉆孔加工功能，鉆排系統需提供4 個自由度，即機床坐標系X、Y、Z 三個方向上的平行移動和繞Y 軸的轉動。其中沿X 方向的直線運動由前述直線導軌副實現，Y 方向上的垂直運動由齒輪齒條傳動機構實現，而絲桿螺母機構用于實現在Z 方向上的平移，分配盤用于完成繞Z 軸的旋轉。根據過往設計經驗，并考察現有設備結構，結合產品功能需求，確定鉆排系統結構，如圖2 所示。

圖2 鉆排子系統結構圖

鉆削傳動用于實現從鉆削電機到加工鉆盒的傳動，是本機床中最重要的傳動機構，其傳動性能的優劣將直接影響機床的加工性能，擬采用螺旋傘齒輪作為鉆削傳動件。螺旋傘齒輪，又稱作弧齒錐齒輪、螺旋錐齒輪等，常用作兩相交軸之間的傳動，是傳動效率最高的傳動件之一，螺旋傘齒輪與準雙曲面錐齒輪是汽車主減速器中主要采用的傳動方式。

由于鉆排系統的尺寸限制，氣缸推桿的運動方向與鉆盒運動方向相垂直，需要使用傳動機構實現運動方向的轉換。齒輪齒條傳動用于實現氣缸沿Z 方向水平直線運動到工進系統沿Y 方向垂直運動的轉換。此處使用水平齒條、齒輪與垂直齒條的組合形成二次齒輪齒條傳動，實現直線運動方向的轉換。這一方案極大地節省了空間，減小了機床的橫向尺寸。同時，齒輪齒條傳動具有確定的傳動比，能夠保證工進組件在Y 方向上的運動精度。

絲桿螺母傳動機構的作用是實現鉆盒在Z 方向上的直線運動。絲桿螺母傳動機構具有良好的自鎖性，結構簡單，加工成本低廉，并且可實現精確位移。驅動絲桿移動的力矩可分解為3 個部分，即螺紋的摩擦力矩、軸承的徑向力矩和軸向力矩。由于此處使用的滾珠軸承摩擦力矩較小，忽略不計。則螺紋的摩擦力矩：

式中，F為軸向載荷；λ為螺紋升角，。

P為導程；d2為螺紋中徑；ρv為當量摩擦角。

代入式（1）得到絲桿的驅動扭矩：

可見驅動絲桿所需的扭矩較小，可實現人工操作。同時，可知絲桿螺母傳動機構滿足自鎖條件，在加工過程中可保持在正確的位置上不移動。

3 傳輸和定位夾緊子系統

傳輸系統使用了一組水平傳輸帶，上料時由工人手工推進，傳輸系統的工作方式與定位夾緊系統密切相關。在本設計中，為實現工件完全定位，使用左側固定組件、垂直鉆排上的工件支撐架以及支架定位器分別提供6 個約束。左側固定組件結構圖如圖3 所示，由左水平鉆排及傳輸帶組成。

圖3 傳輸和定位夾緊子系統結構圖

當工件置于機床上的正確位置后，由工件支撐架、夾緊氣缸共同完成Y 方向上的夾緊；左側固定組件、支架定位器完成X 方向的夾緊。

4 機床導軌梁的模態分析

模態分析是一種重要的動力學分析手段，主要目的是獲得機器部件或設計結構的振動特性。通過有限元分析軟件ANSYS 可對機械部件進行模態分析，得到其振動特性，確定結構件承受動態載荷的能力，從而檢驗結構的安全性和合理性。

對機床導軌梁進行模態分析。載荷包括邊界條件和外部或內部的作用力函數，可分為自由度約束、集中載荷、面載荷、體載荷、慣性載荷以及耦合場載荷六大類。由于模態分析求解的是自由振動，只需要添加自由度約束。在導軌梁的兩端添加固定約束，求解得到導軌梁的前4 階振型，如圖4 所示。各階頻率和振幅見表1。

表1 導軌梁前4階振動頻率

圖4 機床導軌梁的前4階振型

由表1 可知，導軌梁的前4 階頻率落在125.31 ～ 372.6Hz的范圍內，其中在第3 階頻率300.42Hz 處振幅最小。考慮到在本機床工作時，導軌梁主要接受的激勵來自垂直鉆排在Y 方向上的往復運動，而由于鉆排模塊上下運動一次的頻率約為2s/次，因此該激勵應在2Hz 以下，與對導軌梁影響較大的各階頻率相異。因此，可認為導軌梁能夠滿足機床加工對其動態承載能力的要求，結構基本合理。

4 結論

本文設計了一種高速木工四排鉆，根據加工方式設計了機床的具體結構和功能模塊。通過考察多種典型機械傳動機構的特性，充分利用齒輪齒條、直線導軌、絲桿螺母等傳動機構的優點，實現了較高精度、高效率的機床加工功能。同時，對其中涉及的關鍵性能參數進行了計算檢驗。根據模塊化設計思想，將鉆排系統作為獨立的功能模塊進行設計，使得產品便于批量生產和升級優化。運用有限元分析軟件ANSYS 對關鍵承載部件導軌梁進行模態分析，獲得其振動特性，檢驗了其結構的合理性和安全性。