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銑鉆汽車“十字”軸的組合機床設計 鄭建喜 （ 福建工程學院，福建 福州 350014 ） 1 前 言 汽車萬向節(jié)上的“ 十字”軸零件，屬于易損件，在汽車 生產配套及汽車配件市場上都有著較大需求量，已成為 某些汽車配件廠的拳頭產品。如圖 1 所示，各種汽車所用 的“ 十字”軸零件在尺寸上有所差別，但結構基本相同，其 中 L 尺寸一般在 40 ～ 140mm ， D 尺寸一般在 φ 10~ φ 40mm 。 某汽車配件公司各種型號“ 十字”軸零件的月需求總量為 2 萬套，為了實現(xiàn)零件加工高效、高質，更換加工不同型號 零件時方便、快捷的目的，本人為其設計了一臺數(shù)控組合 機床，完成“ 十字”軸零件的銑削端面、鉆頂尖孔工序任務。 2 機床結構及工作原理 組合機床的外形結構如圖 2 所示。整機主要由 2 臺 ZX250 型銑削頭、 1 套經(jīng)濟型車床數(shù)控系統(tǒng)、 1 個數(shù)控驅 動工作臺、 1 臺數(shù)控轉位刀架、 1 套工裝、 2 套鉆孔機構等 組成。 具體工作流程如下：將“ 十字”軸零件固定到工裝上 后，按壓啟動按扭，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令，驅動 Z 向步進電 機快進，帶動工作臺快速移動到位后轉為工進，同時兩側 銑削頭啟動，左側銑削頭逆時針旋轉，右側銑削頭順時針 旋轉（ 銑削旋向），開始銑削工件兩側端面。工件兩端面銑 完后，工作臺帶動工件快進，至工件軸中心對準中心鉆中 心（ 即銑削頭回轉中心）時停止。此時數(shù)控系統(tǒng)驅動兩側 X 向步進電機轉動，通過絲桿螺母機構推動鉆孔機構工 進，同時左側銑削頭轉為順時針旋轉（ 鉆削旋向），與右側 銑削頭分別帶動兩側中心鉆旋轉，產生中心鉆主切削運 動，對工件兩側端面鉆削中心孔。中心孔鉆削到尺寸要求 后，兩側 X 向步進電機快速反轉帶動鉆孔機構快退到原 位。然后兩側銑削頭停轉，工作臺快退到原位。最后，數(shù)控 轉位刀架轉位 90 °并自動鎖緊，工作臺快進，機床再按前 述程序完成另外兩側端面銑削加工，及兩中心孔鉆削加 工，則 1 個工件加工完畢。 上述工作中，兩銑削頭銑刀之間的距離決定了工件 的 L 尺寸，這可以通過移動銑削頭套筒的位置來調整。其 余如工作臺的快速移動、工進、停止，兩側滑套的快速移 動、工進、停止，數(shù)控轉位刀架的轉位等均由用戶對數(shù)控 系統(tǒng)進行編程控制，可以適應“ 十字”零件不同型號的加 工。機床柔性高，調整方便快捷。 3 中心孔鉆削機構 為了減少工作臺位移距離，達到提高效率的目的，將 鉆孔機構安裝在銑削頭中心，主運動由銑削頭驅動， X 向 步進電機帶動絲桿螺母機構實現(xiàn)中心鉆快進、工進、快退 等動作，完成中心孔鉆削加工。結構如圖 3 所示。銑刀固 定在銑削頭主軸端部，其內孔與滑套配合，并用鍵聯(lián)接， 61 機械工程師 2006 年第 2 期 摘 要： 將數(shù)控功能部件納入組合機床的設計，充分提高組合機床的柔性及與制造信息化接口的能力，將是組合機床發(fā) 展的一個新方向。文中介紹了汽車“ 十字”軸零件銑鉆工序組合機床的設計結構及控制方案，探討了經(jīng)濟型數(shù)控功能部 件在該組合機床設計中的應用方案，對拓寬組合機床設計思路具有一定的指導意義。 關鍵詞： 組合機床；汽車“ 十字”軸；數(shù)控 中圖分類號： TH122 文獻標識碼： A 文章編號： 1002- 2333 （ 2006 ） 02- 0061- 03 Mechanical Design 機 械 設 計 使 滑 套 既 可 以 在 孔 內 沿 軸 向 滑 動 ， 還 能 在 銑 刀 的 帶 動 下 作 圓 周 運 動 。 滑 套 與 絲 桿 之 間 用 一 套 向 心 球 軸 承 和 端 面 軸 承 聯(lián) 接 ， 絲 桿 用 導 鍵 限 制 其 轉 動 ， 使 絲 桿 只 能 沿 軸 向 推 動 滑 套 進 退 ， 但 不 隨 其 轉 動 。 絲 桿 螺 母 安 裝 在 X 向 減 速 箱 內 ， 由 X 向 步 進 電 機 通 過 齒 輪 帶 動 旋 轉 。 選 擇 X 向 步 進 電 機 型 號 為 1 1 0 B F - 0 0 3 ， 其 步 距 角 δ 為 0 . 7 5 ° ， 絲 桿 螺 母 副 按 結 構 設 計 螺 距 T 確 定 為 4 m m ， 若 使 脈 沖 當 量 θ 為 0 . 0 1 m m ， 則 X 向 減 速 箱 減 速 比 i = T δ 3 6 0 θ = 4 × 0 . 7 5 3 6 0 × 0 . 0 1 = 5 6 所 以 取 齒 輪 I 齒 數(shù) Z 1 = 9 0 ， 齒 輪 I I 齒 數(shù) Z 2 = 7 5 。 另 外 ， 工 作 臺 的 移 位 驅 動 部 件 直 接 選 用 南 京 大 方 數(shù) 控 有 限 公 司 J B F - 8 型 減 速 步 進 電 機 ， 并 配 螺 距 為 6 m m 的 滾 珠 絲 桿 裝 配 而 成 ， 其 脈 沖 當 量 也 為 0 . 0 1 m m 。 4 控 制 系 統(tǒng) 為 了 降 低 機 床 的 成 本 ， 數(shù) 控 控 制 系 統(tǒng) 選 用 國 產 的 簡 易 數(shù) 控 系 統(tǒng) 。 由 于 本 機 床 要 求 有 3 個 移 位 運 動 控 制（ 工 作 臺 移 動 、 兩 鉆 削 滑 套 的 移 位 ） ， 且 要 有 1 個 轉 位 控 制 。 一 般 銑 床 簡 易 數(shù) 控 系 統(tǒng) 中 ， 只 有 三 座 標 移 位 運 動 控 制 而 無 轉 位 控 制 功 能 ， 而 車 床 簡 易 數(shù) 控 系 統(tǒng) 中 ， 有 數(shù) 控 刀 架 轉 位 控 制 功 能 ， 但 只 有 2 個 移 位 運 動 控 制 。 分 析 本 機 床 的 控 制 要 求 ， 其 中 兩 鉆 削 滑 套 的 移 位 都 是 同 時 進 行 ， 且 運 動 方 式 一 樣 ， 故 考 慮 選 用 車 床 簡 易 數(shù) 控 系 統(tǒng) ， 用 其 中 的 Z 向 移 位 運 動 控 制 驅 動 Z 向 步 進 電 機 ， 控 制 工 作 臺 移 動 ， X 向 運 動 控 制 接 兩 塊 電 機 驅 動 板 ， 分 別 驅 動 兩 臺 X 向 步 進 電 機 工 作 ， 以 實 現(xiàn) 兩 鉆 削 滑 套 的 移 位 控 制 。 為 了 實 現(xiàn) 兩 鉆 削 滑 套 在 手 動 時 能 夠 獨 立 調 節(jié) ， 在 數(shù) 控 系 統(tǒng) 中 加 裝 一 個 手 動 切 換 開 關 ， 當 手 動 切 換 開 關 置 于 I 位 時 ， 右 側 X 向 步 進 電 機 驅 動 ， 左 側 不 能 動 作 ， 可 獨 立 調 節(jié) 右 側 中 心 鉆 的 初 始 位 置 ； 當 手 動 切 換 開 關 置 于 Ⅲ 位 ， 左 側 X 向 步 進 電 機 驅 動 ， 右 側 不 能 動 作 ， 可 獨 立 調 節(jié) 左 側 中 心 鉆 的 初 始 位 置 ； 當 手 動 切 換 開 關 置 于 Ⅱ 位 ， 則 兩 側 X 向 步 進 電 機 同 時 工 作 。 本 機 床 的 轉 位 架 選 用 電 動 四 工 位 轉 位 刀 架 改 裝 ， 根 據(jù) 四 工 位 刀 架 的 出 廠 轉 位 精 度 標 準 ， 完 全 可 以 達 到 本 機 床 的 9 0 ° 轉 位 要 求 。 控 制 系 統(tǒng) 原 理 圖 如 圖 4 。 5 編 程 示 例 根 據(jù) 以 上 控 制 要 求 ， 對 于 L 尺 寸 為 1 0 0 m m ， 直 徑 為 1 6 m m 的“ 十 字 ” 軸 零 件 ， 數(shù) 控 編 程 如 下 ： T 1 0 / / 轉 位 刀 架 回 到 一 工 位 G 0 0 W - 2 0 / / 工 作 臺 快 進 M 0 3 / / 兩 銑 削 頭 啟 動（ 銑 削 轉 向 ） G 0 1 W - 2 0 F 6 0 0 / / 工 作 臺 工 進 ， 進 行 端 面 銑 削 加 工 M 0 4 / / 左 側 銑 削 頭 換 向（ 鉆 削 轉 向 ） G 0 0 W - 1 3 / / 工 作 臺 快 進 ， 使 工 件 中 心 對 準 中 心 鉆 中 心 G 0 1 U - 5 F 5 0 0 / / 鉆 兩 側 中 心 孔 U - 3 F 3 0 0 / / 鉆 兩 側 6 0 ° 錐 G 0 0 X 0 M 0 5 / / 鉆 削 滑 套 快 退 到 原 位 ， 同 時 銑 削 頭 停 轉 Z 0 / / 工 作 臺 快 退 回 原 位 T 2 0 / / 轉 位 刀 架 旋 轉 9 0 ° 準 備 加 工 另 兩 側 面 G 0 0 W - 2 0 / / 工 作 臺 快 進 M 0 3 / / 兩 銑 削 頭 啟 動（ 銑 削 轉 向 ） G 0 1 W - 2 0 F 6 0 0 / / 工 作 臺 工 進 ， 進 行 端 面 銑 削 加 工 M 0 4 / / 左 側 銑 削 頭 換 向（ 鉆 削 轉 向 ） G 0 0 W - 1 3 / / 工 作 臺 快 進 ， 使 工 件 中 心 對 準 中 心 鉆 中 心 G 0 1 U - 5 F 4 0 0 / / 鉆 兩 側 中 心 孔 W - 3 F 2 0 0 / / 鉆 兩 側 6 0 ° 錐 G 0 0 X 0 M 0 5 / / 鉆 削 滑 套 快 退 到 原 位 ， 同 時 銑 削 頭 停 轉 G 2 6 / / 工 作 臺 快 退 回 原 位 M 0 2 / / 一 個 工 件 加 工 完 畢 6 工 效 計 算 根 據(jù) 上 面 的 編 程 示 例 ， 取 系 統(tǒng) G 0 0 快 進 速 度 為 3 0 0 0 ， 則 ： 快 進 、 快 退 總 行 程 為 ：（ 2 0 + 1 3 + 3 3 + 8 ） × 2 = 1 4 8 m m 總 消 耗 工 時 為 ： 6 0 × 1 4 3 / 3 0 0 0 = 2 . 8 6 s 工 進 工 時 為 ： 2 × 6 0 ×（ 2 0 / 6 0 0 + 5 / 5 0 0 + 3 / 3 0 0 ） = 6 . 4 s 數(shù) 控 轉 位 刀 架 轉 位 時 間 ： 2 × 3 = 6 s 工 件 裝 夾 時 間 ： 1 0 s 所 以 ， 單 件 總 工 時 為 ： 2 . 8 6 + 6 . 4 + 6 + 1 0 = 2 5 . 2 6 s 按 每 天 工 作 時 間 為 8 h ， 每 月 上 班 2 2 天 算 ， 則 每 月 總 產 量 為 ： 2 2 × 8 × 6 0 × 6 0 / 2 5 . 2 6 = 2 5 0 8 3 件 ， 達 到 每 月 產 量 2 萬 件 以 上 的 目 標 。 6 2 機 械 工 程 師 2 0 0 6 年 第 2 期 機 械 設 計 M e c h a n i c a l D e s i g n 電 機 與 變 壓 器 中 判 定 同 名 端 的 方 法 賀 占 杰 （ 陜 西 省 機 電 工 程 學 校 ， 陜 西 咸 陽 7 1 2 0 2 5 ） 1 前 言 “ 電 機 與 變 壓 器 ” 是 一 門 實 踐 性 很 強 的 專 業(yè) 基 礎 課 ， 在 整 個 專 業(yè) 課 程 體 系 中 起 著 承 上 啟 下 的 作 用 。 其 中 變 壓 器 和 三 相 異 步 電 動 機 是 本 課 程 中 的 重 要 內 容 。 在 生 產 實 踐 中 ， 若 變 壓 器 同 名 端 判 定 錯 誤 ， 將 會 使 變 壓 器 無 法 正 常 工 作 ； 若 三 相 異 步 電 動 機 同 名 端 判 斷 錯 誤 ， 將 會 使 其 不 產 生 旋 轉 磁 場 ， 電 動 機 不 旋 轉 。 為 了 保 證 變 壓 器 或 三 相 異 步 電 動 機 的 正 常 運 行 ， 需 要 正 確 判 定 其 同 名 端 ， 而 判 定 同 名 端 時 常 常 會 出 現(xiàn) 判 定 結 果 混 淆 的 情 況 。 在 此 用 相 同 的 判 定 方 法 來 歸 納 、 比 較 其 判 定 結 果 的 差 異 ， 避 免 其 結 果 發(fā) 生 混 淆 ， 以 便 使 學 生 更 好 地 掌 握 其 判 定 方 法 。 2 變 壓 器 與 三 相 異 步 電 動 機 同 名 端 的 判 定 方 法 常 用 同 名 端 判 定 的 方 法 ： 直 流 法 ， 即 用 電 池（ 3 V 、 6 V 、 9 V ） 和 萬 用 表 判 定 其 同 名 端 。 （ 1 ） 變 壓 器 同 名 端 的 判 定（ 如 圖 1 所 示 ） 變 壓 器 的 一 次 側 接 電 池 ， 1 U 1 經(jīng) 開 關 K（ K 斷 狀 態(tài) ） 接 電 池 正 極 ， 1 U 2 接 電 池 負 極 ， 2 U 1 接 萬 用 表 正 表 筆 ， 2 U 2 接 萬 用 表 負 表 筆 ， 此 時 萬 用 表 置 直 流 毫 安 檔 。 當 開 關 K 閉 合 的 瞬 間 ， 觀 察 萬 用 表 表 針 的 偏 轉 情 況 ， 若 正 偏 ， 則 1 U 1 和 2 U 1 或 1 U 2 和 2 U 2 為 同 名 端 ； 若 反 偏 ， 則 1 U 1 和 2 U 2 或 1 U 2 和 2 U 1 為 同 名 端 。 （ 2 ） 三 相 異 步 電 動 機 同 名 端 判 定（ 如 圖 2 所 示 ） 取 任 意 一 相 為 參 照 相 ， 按 圖 2 所 示 接 線 ， 當 開 關 K 閉 合 的 瞬 間 ， 若 表 針 正 偏 ， 則 U 1 和 W 2 或 U 2 和 W 1 為 同 名 端 （ U 1 和 W 2 或 U 2 和 W 2 即 為 首 端 或 尾 端 ） ； 若 反 偏 ， 則 U 1 和 W 1 或 U 2 和 W 2 為 同 名 端 （ U 1 和 W 1 或 U 2 和 W 2 即 為 首 端 或 尾 端 ） 。 3 判 定 結 果 的 比 較（ 如 下 表 所 示 ） 顯 然 ， 用 相 同 的 方 法 判 定 變 壓 器 與 三 相 異 步 電 動 機 的 同 名 端 ， 其 結 果 是 截 然 不 同 的 。 總 之 ， 判 定 變 壓 器 和 三 相 異 步 電 動 機 的 同 名 端 在 實 際 應 用 中 尤 為 重 要 ， 所 以 在 其 同 名 端 的 判 定 實 踐 教 學 中 ， 應 充 分 注 意 到 判 定 結 果 的 差 異 ， 從 而 加 深 對 同 名 端 判 定 方 法 的 理 解 及 其 判 定 結 果 的 正 確 認 定 ， 以 免 影 響 變 壓 器 或 三 相 異 步 電 動 機 的 正 常 運 行 。 （ 編 輯 昊 天 ） 作 者 簡 介 ： 賀 占 杰（ 1 9 7 1 - ） ， 男 ， 助 理 實 驗 師 。 收 稿 日 期 ： 2 0 0 5 - 1 1 - 1 4 6 3 機 械 工 程 師 2 0 0 6 年 第 2 期 摘 要 ： 如 何 判 定 變 壓 器 和 三 相 異 步 電 動 機 同 名 端 是 容 易 混 淆 的 問 題 ， 文 中 從 判 定 的 方 法 及 判 定 結 果 的 差 異 入 手 ， 對 其 做 了 有 益 的 探 討 ， 以 期 在 教 學 過 程 中 使 學 生 易 于 掌 握 ， 便 于 判 定 。 關 鍵 詞 ： 同 名 端 ； 判 定 方 法 ； 結 果 差 異 中 圖 分 類 號 ： T M 3 4 3 . 2 文 獻 標 識 碼 ： B 文 章 編 號 ： 1 0 0 2 - 2 3 3 3（ 2 0 0 6 ） 0 2 - 0 0 6 3 - 0 1 類 別 變 壓 器 三 相 異 步 電 動 機 萬 用 表 指 針 偏 轉 情 況 正 偏 反 偏 正 偏 反 偏 同 名 端 1 U 1 和 2 U 1 或 1 U 2 和 2 U 2 1 U 1 和 2 U 2 或 1 U 2 和 2 U 1 U 1 和 W 2 或 U 2 和 W 1 U 1 和 W 1 或 U 2 和 W 2 !!!!!!!!!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!!!!!!!!! 7 結 論 在 傳 統(tǒng) 機 械 制 造 業(yè) 中 ， 組 合 機 床 仍 然 是 完 成 批 量 生 產 任 務 的 首 選 設 備 。 通 過 采 購 現(xiàn) 有 的 機 床 功 能 部 件 ， 并 進 行 適 當 改 造 ， 在 盡 可 能 短 的 時 間 內 制 造 出 符 合 功 能 要 求 的 機 床 ， 是 跟 上 現(xiàn) 代 企 業(yè) 快 節(jié) 奏 的 一 種 有 效 方 法 。 而 隨 著 數(shù) 控 技 術 的 發(fā) 展 ， 數(shù) 控 系 統(tǒng) 及 各 種 執(zhí) 行 部 件 已 經(jīng) 成 為 成 熟 的 部 件 ， 選 購 方 便 ， 用 戶 服 務 也 有 較 好 的 保 證 。 選 用 數(shù) 控 設 備 進 行 組 合 機 床 設 計 ， 既 可 以 使 控 制 系 統(tǒng) 設 計 簡 單 ， 工 作 穩(wěn) 定 可 靠 ， 還 可 以 實 現(xiàn) 組 合 機 床 在 一 定 范 圍 內 的 柔 性 調 整 ， 所 以 數(shù) 控 組 合 機 床 將 是 組 合 機 床 設 計 的 一 個 新 突 破 點 。 ［ 參 考 文 獻 ］ ［ 1 ］ ［ 加 ］ Y u s u f A l t i n t a s . 數(shù) 控 技 術 與 制 造 自 動 化［ M ］ . 羅 學 科 譯 . 北 京 ： 化 學 工 業(yè) 出 版 社 ， 2 0 0 2 . （ 編 輯 黃 荻 ） 作 者 簡 介 ： 鄭 建 喜（ 1 9 7 3 - ） ， 男 ， 現(xiàn) 任 福 建 工 程 學 院 臺 鉆 廠 技 術 副 廠 長 ， 工 程 師 ， 工 程 碩 士 研 究 生 ， 主 要 研 究 方 向 為 機 械 設 計 、 機 電 一 體 化 和 虛 擬 樣 機 。 收 稿 日 期 ： 2 0 0 5 - 0 8 - 3 1 經(jīng) 驗 借 鑒P r a c t i c a l E x p e r i e n c e