雙鉆頭自動鉆孔加工裝置的結構設計

王春,丁學彬,林盛

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)*

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雙鉆頭自動鉆孔加工裝置的結構設計

王春,丁學彬,林盛

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)*

研究了一套能自動進給、自動定位、可重復安裝使用的便攜式鉆孔裝置，以實現某導彈發射筒的自動化鉆孔加工.通過對發射筒鉆孔加工條件與要求的分析，提出了一種雙鉆頭同步加工的設計方案，并完成了對該裝置的主軸結構、主軸驅動機構、氣液阻尼缸進給機構以及伺服驅動的齒輪齒條直線定位單元的機械結構設計.

雙鉆頭；同步加工；氣液阻尼缸；直線定位

0 引言

在現代軍事領域，武器裝備的輕量化、小型化、智能化發展已經占有越來越重要的地位，碳纖維復合材料由于其密度小，比強度、比模量高等特性[1]，在火箭及導彈武器系統中的應用越來越多，復合材料導彈發射筒在戰略和戰術型號上被國外廣泛采用.由于復合材料發射筒相對于金屬材料而言，結構質量大幅度減輕，使戰略導彈的機動靈活成為可能.目前我國在某些導彈型號上也采用了復合材料儀器艙和發射筒，并取得了良好的應用效果[2].

某碳纖維復合材料導彈發射筒的結構如圖1所示，發射筒橫截面為邊長500 mm左右的方形結構，其筒身長數米，內部筋板上設計有兩列中心對稱安裝孔，孔中心距為C，直徑為D，沿發射筒筒身長度方向非等距排列.由于該發射筒尺寸較長，加工孔較多，且加工空間狹小，給孔加工帶來很多不便，加工難度很大.在常規的生產加工過程中，采用與發射筒同樣長度的鉆模板進行加工.加工時，先將鉆模板送入發射筒內部，定位固定在筋板上，加工人員爬入發射筒內部，利用手電鉆在鉆套的導向作用下逐一加工各個安裝孔.這種加工方法不但費時、費力、加工效率低，且工人的工作強度較大，工作環境惡劣.為了解決上述問題，研究設計了一套雙鉆頭自動鉆孔加工裝置，對實現發射筒內部安裝孔的自動化加工具有實際意義，本文主要介紹該裝置的機械結構設計.

圖1 發射筒結構示意圖

1 總體方案設計

由于該發射筒筋板鉆孔操作需要在發射筒內部進行,要求整套裝置在加工過程中能夠保持良好穩定性，具有便攜、易于重復安裝定位等特點.為了實現筒身長度方向的非等距排列安裝孔的自動加工，要求整套裝置具有可自動進給和沿筒身長度方向自動定位的功能.為了保證裝置在移動和安裝定位過程不影響整套設備的加工精度，整套裝置即要具有較輕的重量，又要具有足夠的剛性.結合該導彈發射筒的結構特點以及實際的加工要求，提出了同時加工同一排兩個中心對稱安裝孔的設計方案.

該雙鉆頭自動鉆孔加工裝置的總體方案如圖2所示，主要包括主軸驅動模塊、進給機構以及直線定位系統三部分，可以實現裝置主軸的自轉(主運動)、沿Z軸的進給以及整套裝置沿X軸即筒身方向的自動定位.主軸驅動模塊由主軸電機驅動，通過同步齒形帶傳動來實現兩個鉆頭的同步旋轉，并且能夠滿足同排兩安裝孔的中心距精度要求；主軸進給則通過并聯式氣液阻尼缸驅動沿Z軸運動，實現鉆孔所需的進給運動與快速返回運動；主軸驅動模塊及進給機構固定安裝在帶筋板的支撐側板上，支撐側板安裝固定在滑塊上;

圖2 總體方案圖

直線定位系統采用伺服電機驅動齒輪齒條傳動，整套裝置沿導軌在X軸方向運動，實現筒身長度方向的自動定位功能.由于該發射筒內部空間的尺寸限制，整套設備結構尺寸的合理化設計將是設計的關鍵，其中主軸結構、主軸傳動以及Z軸鉆頭進給機構是本文設計重點.

2 具體結構設計

2.1 主軸結構及主軸驅動模塊的設計

圖3 主軸結構

主軸套筒背面安裝有滑塊，與固定在支撐側板上的直線導軌構成微型直線運動單元，見圖4所示，對主軸的進給運動起導向作用，保證孔的加工精度和同排兩對稱孔的中心距離精度.考慮到加工空間有限的問題，主軸與鉆頭之間采用莫氏錐孔連接，鉆頭選擇帶有莫氏錐柄的麻花鉆，主軸軸端開有與鉆頭錐柄相同錐度號的莫氏錐孔，可直接與鉆頭連接，節省空間的同時達到連接可靠的目的.

為了實現雙孔的同步加工，分析對比幾種常用傳動方式，本裝置主軸傳動系統采用同步齒形帶傳動.同步齒形帶傳動是一種嚙合型傳動，由于它綜合了帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的優點，且帶和帶輪之間沒有相對滑動，使主動輪和從動輪的傳動達到同步，具有傳動平穩、傳動比恒定、傳動效率高、噪音低且不需潤滑等特點[4- 6]，利于實現雙主軸的同步轉動.

(a) (b)

圖4 同步齒形帶傳動

主軸驅動電機選用型號為SXD6- 10675X的電動機，其額定功率為750 W，額定轉速3 100 r/min,且質量只有6.45 kg，質量較小的同時具有較大的輸出動率，十分適合本套裝置使用，采用機座底腳安裝，固定在支撐側板上.同步帶選用周節制L型同步帶，節線公稱尺723.9 mm，長度代號285.主動帶輪和兩個從動帶輪呈三角形分布，見圖4.電動機通過平鍵與主動帶輪連接，電動機帶動主動帶輪旋轉，轉矩經由同步齒形帶同時傳遞給兩個從動帶輪，從動帶輪分別通過滾動軸承安裝在支撐側板的兩個耳板上，從動帶輪旋轉的同時通過花鍵將轉矩傳遞給兩個主軸，實現兩個主軸的同步轉動.

2.2 進給運動機構的設計

根據工作要求，主軸進給基本動作流程如下：主軸快進→工進→停留→快退→快退停止，為了滿足這一運動要求，實現自動進給，這里采用氣液阻尼缸驅動[7- 8].氣液阻尼缸又叫氣液穩速缸，一般分為整體串聯式和并聯式(也稱分體式)，實際是由氣缸和油缸組合而成，氣缸作為驅動提供推力，油缸作為阻尼進行調速，結合了氣動和液壓的優點[9].由于單向閥和節流閥的作用，氣液阻尼缸速度穩定，操作簡便，調速范圍廣，可以實現快進、快退、慢進、慢退及中途變速等多種運動形式，從而達到穩速和精密調速的功能.為了節省空間、減小氣液阻尼缸的Z向尺寸，故選用并聯式氣液阻尼缸.氣液阻尼缸的選型與普通氣缸的選型相同，經驗算選用型號為并聯式氣液阻尼缸，采用軸向支座安裝，固定安裝在支撐側板上.

氣液阻尼缸與主軸連接方式如下：主軸套筒上有伸出的連接板，氣液阻尼缸的伸出軸經一塊連板與主軸套筒的伸出連接板通過螺栓連接，這樣主軸套筒就會與氣液阻尼缸伸出軸同步運動，從而達到通過對氣液阻尼缸的控制來實現雙主軸自動進給的效果，如圖5所示.

圖5 氣液阻尼缸與主軸連接

2.3 直線定位機構

為了實現裝置鉆孔的自動定位，直線定位系統采用伺服電機驅動齒輪齒條嚙合傳動.由于實際工作的有效行程較大，對于長行程應用來說，相對于同步帶和滾珠絲杠，采用齒輪齒條傳動更容易保持較高的傳動精度，承受相對較大的負載，而且齒輪齒條傳動成本也比較低、動態響應速度較高.

根據使用要求，本次直線定位機構選用型號為ELZQ80S的齒輪齒條直線運動單元，有效行程5 000 mm，最大運行速度20 m/min，重復定位精度±0.01 mm.該運動單元由側裝硬質圓柱鋼滑軌的方形鋁材結構組成，滑塊通過滑輪與滑軌耦合，傳動齒輪由電機驅動，使滑塊沿齒條實現直線運動，能在保持較高傳動精度的情況下，提供大行程導軌.搬運時應盡量讓整套裝置遠離導軌的中心位置，偏向兩端，減小搬運過程中的變形，這樣可以使其對導軌自身的精度影響降到最小.

根據折算到電機軸上的負載轉矩和負載慣量等參數，確定齒輪齒條驅動電機選用HF-KP73型三菱伺服電機，質量1.5 kg.考慮到工作空間及電機的安裝方便，伺服電機與齒輪齒條直線運動單元的齒輪伸出軸之間采用聯軸器連接，見圖6，這里選用米思米(MISUMI)膜片式夾持型聯軸器，型號CPDW40- 14- 20(適用伺服馬達型).膜片式聯軸器結構比較簡單、緊湊，不用潤滑，維護方便，且質量小、強度高，使用壽命長，適用于載荷較平穩的高速傳動，是伺服系統中常用的一種聯軸器[10].為了增強連接的穩定性，提高連接精度，伺服電機與直線定位單元之間通過一個支撐法蘭連接(圖6).這樣，通過對伺服電機的精確控制就可以實現整套設備的快速精確定位，多工位鉆孔加工，從而實現發射筒的自動加工.

圖6 伺服電機與齒輪的連接

2.4 其它相關結構

在鉆孔加工過程中，裝置的加工安全性很重要，為了提高加工過程中的安全性能，在支撐側板上安裝有限位開關，主軸套筒的側面設有弧形固定擋塊，通過限位開關可以限制微型直線導軌滑塊的運動范圍，從而實現限制主軸進給行程范圍的作用，提高孔加工的安全性能，如圖7所示.

圖7 自動鉆孔加工裝置中限位結構

為了方便整套裝置的運輸放置，根據發射筒的內部結構，在設備直線導軌的兩端分別添加滾輪機構.在設備安裝時，通過導軌兩端滾輪的滑動使設備更容易放入發射筒中并完成定位固定，同時也有利于對發射筒內部表面以及設備本身的保護.將整套裝置放入發射筒中后，通過定位銷及發射筒兩端面底面中部的定位孔(見圖1)與裝置導軌底部的定位孔安裝固定，從而保證裝置的定位精度.總裝配圖見圖8.

圖8 總裝配圖

3 結論

本文所設計的發射筒自動鉆孔加工裝置，利

用同步齒形帶傳動實現雙鉆頭的同步旋轉，具有結構簡單、傳動比恒定、傳動平穩的特點；進給運動采用氣液阻尼缸驅動，輸出力大、速度穩定、調速范圍廣，可以很好的實現主軸的自動進給和快速返回；同時發射筒筒身方向采用伺服驅動的齒輪齒條直線運動單元傳動，由于齒輪齒條傳動具有動態響應速度快，承載力大，工作平穩，傳動精度高以及適于大行程傳動的特點，使整套裝置可以完成自動定位，實現了發射筒安裝孔的自動加工.本自動鉆孔加工裝置總質量只有約為75 kg左右，整機較輕，實現了便攜、易于移動、可重復定位安裝的要求，同時提高了加工效率，改善了加工環境，降低了工人勞動強度.

[1]唐見茂.航空航天復合材料發展現狀及前景[J].航天器環境工程,2013(4):352- 359.

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[10]濮良貴,紀名剛.機械設計[M].8版，北京：高等教育出版社，2006.

Design and Study of Missile Launch Tube Automatic Drilling Device with Double Drills

WANG Chun,DING Xuebin,LIN Sheng

(School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

In order to realize the automatic drilling of a missile launch tube, a set of automatic drilling device with features of automatic feed, automatic positioning, repeatable installation and portable is introduced. According to the analysis of the processing condition and requirements, a double drills synchronous machining scheme was proposed, and the mechanical structures of the automatic drilling device including spindle structure, double drills driving mechanism, gas-liquid damping cylinder feed mechanism, as well as servo driven rack and pinion transmission linear positioning unit are completed.

double drills; synchronous machining; gas-liquid damping cylinder; linear positioning

1673- 9590(2017)01- 0067- 04

2016- 02- 23

王春(1963-)，男，教授，博士，主要從事數控及數字化制造技術方面的研究

E-mail:chunw@djtu.edu.cn.

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