一種新型升降裝置的設計

羅煜林，陳懷民

(集美大學機械工程學院，福建廈門 361021)

隨著人類社會不斷進步，工業水平和科學技術不斷發展，人們越來越多地在生產過程中利用先進技術將自己從繁重、乏味的工作中解脫出來。現在，工業加工過程中，自動化已經成為人們追逐的目標，自動化設備不僅可以提高工人的勞動生產效率、節省人力資源、降低產品的生產成本，而且還可提高產品的加工質量。因此，實現工業化生產自動化將成為未來的一種必然的趨勢。

為提高設備自動化程度，改善設備柔性，需使用到一些機械裝置。例如機械手、升降機構等。機械手柔性好，在處理復雜的工藝時效率高。但是，機械手成本高，中小型企業由于經濟性，不會考慮使用機械手。而且在簡單動作構成的工序中，機械手的使用價值就大打折扣了。這時專用自動化加工設備在提高自動化程度上就顯得尤為重要。

升降機構作為大部分自動化設備所必須具備的機構，是提高自動化水平的重要手段，它可以用于物料的傳送、零件的定位等。它不僅可以提高設備的自動化程度，還能改善設備的加工柔性。目前市場上存在的升降機構有蝸輪絲桿升降機、升降臺、絲桿螺母升降機構、齒輪齒條升降機構、錐齒輪升降機構、皮帶升降、鏈條升降等。但由于自動化的工作環境千差萬別，市場已有的升降機構并不能完全滿足所有升降環境。

在自動化設備設計中，會存在市場上已有的產品不能適用的情況，需要根據設計對象的實際需要，設計出符合工作要求的輔助裝置。同時，為提高自動化加工設備的加工范圍，需要設備具有柔性。作者的出發點是:設計的自動化設備的加工對象是一系列具有不同規格尺寸、精度較高的零件，要求升降裝置具有一定的穩定性和高的精度。但是市場上沒有合適的通用機構能滿足這種工藝要求。從這個角度出發，提出一種新型升降裝置。由于考慮到設備的經濟性，它不僅可以手動控制，而且可以實現自動升降。它承載能力高、穩定性好。但缺點在于能調節的高度范圍比較小。

1 裝置的主要機械結構和功能

文中提出的裝置從上到下主要由以下幾個部件構成:2對T型槽傳動裝置、T型螺母、4副圓導軌、1根帶有正反螺紋的螺桿、1個蝸輪蝸桿減速器、1副手輪。此裝置兩端呈對稱分布，T型槽傳動裝置安裝在頂端，下面聯接著T型螺母，T型螺母與螺桿配合傳動，螺桿聯接蝸輪蝸桿減速器的蝸輪零件。當手輪帶動蝸輪蝸桿減速器轉動時，同時帶動螺桿螺母傳動，螺母與T型槽傳動裝置相互聯接，由此帶動兩端T型槽的運動，由于螺桿攻有正反螺紋，所以T型槽傳動裝置會朝著相反方向運動。利用T型槽傳動裝置的斜面可以實現整個裝置的升降。

圖1 升降裝置三視圖

1.1 T型槽傳動裝置

T型槽傳動裝置是由兩種不同參數且具有一定斜度的鐵塊組成，利用鐵塊的斜面可以調整裝置的高度。體積較大的鐵塊材料是45號鋼，其結構參數為:底面長寬300 mm×120 mm，兩側邊長邊高度75.68 mm，短邊高度32 mm。斜面與水平面成20°角，在距離側邊30 mm處加工2個對稱的T型槽，T型槽的方向與斜面平行。T型槽主要參數A×B×C為18 mm×32 mm×14 mm，具體參數可以參照機械設計手冊.使用兩個帶有T型凸塊的小楔形鐵塊來配套T型槽，小鐵塊的參數:底面長寬為100 mm×68.69 mm;兩側邊高度，長高為40 mm，短高為15 mm。

T型槽傳動裝置中的斜鐵塊表面經過調制處理，表面粗糙度要達到0.8 μm，具體如圖2所示。

圖2 T型槽傳動裝置

1.2 螺母和螺桿

將一對T型、螺紋方向相反的螺母和兩端攻有正反螺紋的螺桿組成傳動機構。螺母的兩肩攻兩個螺紋孔，用于將螺母鎖緊在大楔形鐵塊下方，利用蝸輪蝸桿減速器帶動螺桿轉動來帶動整個裝置的運動。螺桿長度為900 mm，兩端螺紋長度為150 mm，規格M18×2.0。軸上加工一軸頭，與蝸桿蝸輪配合，其直徑與蝸輪孔徑相同，為25 mm。軸頭長度為92 mm，軸頭上加工一鍵槽，鍵槽的尺寸規格為8 mm×92 mm。見圖3。

圖3 螺母螺桿三視圖

1.3 圓導軌

所設計裝置不需要高速運動，行程較短，考慮到經濟性，在此處選用標準件圓導軌。圓導軌安裝在大楔形鐵塊兩側，是通過直線軸承在光軸上滾動或滑動實現直線運動的。由于小滾珠直接和光軸接觸，需要良好的防塵措施來保持清潔。

1.4 蝸輪蝸桿減速機

因為裝置需要有自鎖功能，所以選擇了蝸輪蝸桿減速機。蝸輪蝸桿減速機還具有以下優勢:(1)機械結構緊湊、體積輕巧、小型高效;(2)熱交換性能好，散熱快;(3)安裝簡易、靈活輕捷、性能優越、易于維護;(4)傳動速比大、扭矩大、承受過載能力高;(5)運行平穩，噪聲小，經久耐用;(6)適用性強、安全可靠性大。此裝置的優點在于可用于空間位置緊湊的工作環境，所以要求減速機的結構緊湊、傳動比大、扭矩大、承受過載能力高。

2 裝置主要結構的受力分析

2.1 自鎖現象

根據力學原理，如果所有作用力的合力位于摩擦角之內，則無論力多大，物塊都將保持平衡狀態，所以必須計算T型槽傳動裝置中斜鐵塊的摩擦角是否會發生自鎖現象。因為整個裝置是對稱分布的，所以只需取其中一個角來分析即可，其受力簡圖見圖4。

圖4 斜鐵塊受力簡圖部分

經查閱可得45號鋼之間的靜摩擦因數fs=0.15(沒有加潤滑油的情況)，根據自鎖原理當tanα＜fs時，無論P有多大，物塊始終不動。可知α=20°，經計算:

tanα =tan20°=0.364

tanα＞fs=0.15

所以裝置不會自鎖。

2.2 摩擦力和所需推力

裝置不會自鎖，還需計算大小斜鐵塊之間的摩擦力，以及需要多大的力才能將裝置推動。因為對稱，取其中一個作為分析對象即可，受力簡圖如圖5所示。

圖5 楔形鐵塊受力簡圖

由受力分析可知，當物塊在快開始運動時，還處于平衡狀態，則:

式中:FN為小楔形鐵塊受到的法向作用力，N;

Q為推動裝置運動所需的作用力，N;

Fmax為裝置開始運動時受到的最大摩擦力，N;

P為裝置所承受的重力，N;

α為楔形鐵塊斜面與水平之間的角度;

fs為45號鋼之間的靜摩擦因數，為0.15(不加潤滑油)。

將P=1 000 N、fs=0.15、α=20°代入可得:Q=544 N，Fmax=140.95 N。

因為有4個相同的裝置，所以Q總=2 176 N。選取的蝸輪蝸桿減速器的傳動比為1∶7.5，傳動效率為82%。所輸入的力大約為:

成年人可使出的力平均為702N，所以符合手動用途。當裝置用于自動時，需要計算伺服電機額定功率。這樣可以更好地選取伺服電機，以免選取功率過高造成浪費，或是選取功率過低損害伺服電機。但計算出的一般都是理論功率值，所以還需計算實際功率值。

2.2.1 升降裝置伺服電機功率理論值計算

升降時所需的功率為:

式中:Ps為升降時所需功率的理論值，kW;

P為升降裝置承受的載荷，N;

vs為升降裝置運動時的速度，m/s;vs=0.01 m/s;

η1為伺服電機的效率，一般取η1=0.9;

η2為機械效率，一般取η2=0.75。

2.2.2 升降裝置伺服電機功率實際值計算

電機的理論值與實際值有差距，存在這些差距的主要原因是:機構之間存在的各種摩擦力，T型槽傳動裝置、螺母、螺桿的加工誤差，傳動過程中的功率損耗等，所以升降裝置的功率增加20%。升降裝置的實際功率為:

求得升降裝置伺服電機所需的功率為0.02 kW，可以選取額定電機功率為0.05 kW。

其他都是經過經驗計算求得的，這里不做說明。

3 結束語

升降機構在自動化設備中會經常使用到，是提高設備自動化水平的重要手段，而且在選用升降機構上也比較靈活，并不是所有升降機構都可以適用于所有環境，所以有時在選用升降機構時要懂得適當地變通，設計出新的、合理的機構。

該裝置的優點在于:裝置所占用的空間小，而且升降高度的精度較高，適合用于安裝空間較小、精度要求高、但高度調整范圍不需要很大的場合。經過試驗，文中所介紹的裝置是完全可行的，為設備自動化中的升降提供了一種新型方法。

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