玻璃切割機(jī)傳動(dòng)齒輪及夾具的設(shè)計(jì)應(yīng)用

王艷華

煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264670

科技水平的發(fā)展使得特種加工方法的使用越來(lái)越廣泛，市面上出現(xiàn)了一系列的玻璃切割機(jī)，如激光玻璃切割機(jī)等[1]。傳統(tǒng)意義上的手動(dòng)或者人工切割機(jī)的比重相對(duì)減少，工業(yè)中切割的質(zhì)量和精度要求也是越來(lái)越高，這就要求玻璃切割機(jī)的功能發(fā)展要求也需要不斷的進(jìn)步[2]。其中，傳動(dòng)系統(tǒng)與夾具是玻璃切割機(jī)的關(guān)鍵，良好的運(yùn)作方式能夠大大提升產(chǎn)品的質(zhì)量與工作效率[3]。王永娟等人設(shè)計(jì)了齒輪齒條機(jī)構(gòu)和螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，從力學(xué)波動(dòng)方面分析傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求[4]。李海泉等人提出了一種伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)算法，大大改善了LCD 玻璃切割機(jī)的傳動(dòng)效果[5]。本文設(shè)計(jì)用于玻璃制品切割或者打磨的豎直工件進(jìn)給機(jī)構(gòu)，即傳動(dòng)方式的選擇與設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)對(duì)總體結(jié)構(gòu)和進(jìn)給機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析選擇，選取最好的方案，結(jié)合機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)等理論知識(shí)進(jìn)行進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，并用三維繪圖軟件SW 進(jìn)行零部件建模與裝配。

1 基礎(chǔ)理論

1.1 總體設(shè)計(jì)要求

玻璃切割機(jī)總體布局要求：玻璃切割機(jī)在運(yùn)作過(guò)程對(duì)于控制的精度非常高，直接影響產(chǎn)品加工的質(zhì)量。所以，在玻璃切割機(jī)的總體布局上對(duì)進(jìn)給量、轉(zhuǎn)動(dòng)精度、平穩(wěn)性、夾具力度、裝配工藝性提出具體要求，其具體指標(biāo)詳見(jiàn)設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)玻璃切割機(jī)的主要加工范圍，具體設(shè)計(jì)要求如下：

豎直進(jìn)給速度：30mm/s；夾具夾持范圍：10mm-200mm；進(jìn)給范圍：200mm；工進(jìn)速度：1mm/s。

1.2 總體設(shè)計(jì)組成

此機(jī)構(gòu)主要是有：齒輪齒條、豎直方向的導(dǎo)軌、步進(jìn)電機(jī)、夾具、聯(lián)軸器等部分組成，各個(gè)主要部分的功能分別為：

控制系統(tǒng)：根據(jù)計(jì)算機(jī)傳輸?shù)膱D形信息，控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)：通過(guò)與齒輪過(guò)盈安裝來(lái)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，嚙合的齒輪齒條相對(duì)運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)滑臺(tái)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)夾具的圓周運(yùn)動(dòng)。豎直方向的導(dǎo)軌：為滑臺(tái)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行導(dǎo)向，使得裝在滑臺(tái)上的機(jī)構(gòu)能夠豎直運(yùn)動(dòng)。

2 玻璃切割機(jī)進(jìn)給部分機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 齒輪與齒條的傳動(dòng)設(shè)計(jì)

2.1.1 材料的選擇

2.1.2 調(diào)整齒輪模數(shù)

（1）計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)的準(zhǔn)備工作

（3）通過(guò)計(jì)算得實(shí)際載荷系數(shù)算得的齒輪模數(shù)

綜上所述，齒輪目數(shù)m 為0.562mm，為便于設(shè)計(jì)選擇四舍五入選擇整數(shù)，即m=1mm。通過(guò)接觸疲勞強(qiáng)度算出的分度圓直徑為=18.04mm，從而算得齒輪的齒數(shù)為。取=20

2.1.3 幾何尺寸計(jì)算

計(jì)算分度圓直徑

計(jì)算齒輪寬度

考慮到在實(shí)際工況中齒輪的安裝存在誤差，為了確保齒輪的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，將齒輪的寬度擴(kuò)大5～10mm，即

圖1 齒輪與齒條工作示意圖

根據(jù)給定的工作要求，所用的齒輪齒條式不允許發(fā)生任何的失效形式。因此，為了防止發(fā)生以上的失效問(wèn)題，本文著重考慮了齒面疲勞彎曲強(qiáng)度問(wèn)題。

2.1.4 齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核

由計(jì)算結(jié)果得出齒面接觸疲勞強(qiáng)度可以滿(mǎn)足要求，而且齒面接觸應(yīng)力比標(biāo)準(zhǔn)齒輪有所下降。

2.1.5 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核

由計(jì)算結(jié)果得出齒根彎曲疲勞強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，而且齒輪抵抗彎曲疲勞破壞的能力大于齒條。

2.2 定心夾具設(shè)計(jì)

本文選擇車(chē)床中的三爪卡盤(pán)作為定心夾具，其對(duì)圓柱形零件可以三爪聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)夾緊加工，方便使用。由于此次設(shè)計(jì)主要是加工玻璃杯，玻璃杯直徑在50mm-80mm，而所需的夾緊力也不是很大。若使用三爪卡盤(pán)，其自身的重力以及成本造價(jià)較大。綜合考慮，根據(jù)多功能三爪取碗夾的結(jié)構(gòu)原理來(lái)設(shè)計(jì)夾具。

2.2.1 各部件設(shè)計(jì)原理

軸套上裝有卡，卡和手柄之間裝有彈簧；軸上設(shè)有卡槽，卡槽成角度；底板和軸用緊定螺釘固定，爪和軸套采用銷(xiāo)釘和開(kāi)口銷(xiāo)裝配并且爪裝入底板槽內(nèi)。此外，為了能夠方便快捷使得其能夠夾緊和放開(kāi)，在軸套上還設(shè)有板卡爪是為了夾緊玻璃杯。為了起到很好的定心作用，采用三個(gè)爪，三個(gè)爪在圓周上等角度裝配。

2.2.2 夾具工作原理當(dāng)三爪聯(lián)動(dòng)夾緊時(shí)：只需拉著軸套沿著軸向上滑動(dòng)即可，由于卡槽的角度關(guān)系使得卡與卡槽之間可以順利滑動(dòng)，爪就會(huì)往內(nèi)夾緊。停止滑動(dòng)后，彈簧的彈力使得卡入卡槽，使得夾緊玻璃杯。當(dāng)三爪聯(lián)動(dòng)松開(kāi)：若需要夾具松開(kāi)卡爪，則用手捏住手柄，往外輕輕拉出，此時(shí)卡與卡槽分離，軸套就會(huì)往下滑落，卡爪在底板槽邊的作用下慢慢松開(kāi)。

2.3 總裝及其工作原理

2.3.1 機(jī)構(gòu)的組成

圖2 齒輪齒條式豎直進(jìn)給機(jī)構(gòu)及定心夾具的總裝示意圖

通過(guò)上述所有零部件的設(shè)計(jì)以及機(jī)構(gòu)部分的計(jì)算，按照一定的裝配方法和要求將它們有序的組裝在一起，構(gòu)成此次設(shè)計(jì)所需的機(jī)構(gòu)的總裝。如圖2 所示。

2.3.2 機(jī)構(gòu)的工作原理

豎直方向的運(yùn)動(dòng)：齒條固定在機(jī)架上，步進(jìn)電機(jī)安裝板以及齒輪這三者配合后，在通過(guò)對(duì)電機(jī)控制后，齒輪與齒條嚙合，就可以將齒輪的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為這三者通過(guò)滑臺(tái)在導(dǎo)軌上作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。此外，通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及方向來(lái)控制進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度。圓周方向的運(yùn)動(dòng)：通過(guò)對(duì)夾具所用的電機(jī)進(jìn)行控制，就可以將電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)聯(lián)軸器傳遞給夾具從而實(shí)現(xiàn)夾具回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，完成所需要的工作。

3 結(jié)論

現(xiàn)有的玻璃杯加工機(jī)器一般采用的是水平滾動(dòng)加工方式進(jìn)行深入加工，加工過(guò)程中夾具缺乏靈活性。本文根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際的需求，設(shè)計(jì)了齒輪齒條式垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)與三爪聯(lián)動(dòng)夾具，不僅具有優(yōu)異的工作壽命，并且能夠在保證玻璃杯安全的情況下實(shí)現(xiàn)最大程度的抓緊度，有效保障了玻璃杯加工的效率。同時(shí)，在一定程度上確保了加工精度，實(shí)現(xiàn)了玻璃切割機(jī)多元化的發(fā)展。