王春,丁學(xué)彬,林盛

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

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雙鉆頭自動(dòng)鉆孔加工裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王春,丁學(xué)彬,林盛

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

研究了一套能自動(dòng)進(jìn)給、自動(dòng)定位、可重復(fù)安裝使用的便攜式鉆孔裝置，以實(shí)現(xiàn)某導(dǎo)彈發(fā)射筒的自動(dòng)化鉆孔加工.通過(guò)對(duì)發(fā)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(shè)計(jì)方案，并完成了對(duì)該裝置的主軸結(jié)構(gòu)、主軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、氣液阻尼缸進(jìn)給機(jī)構(gòu)以及伺服驅(qū)動(dòng)的齒輪齒條直線定位單元的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

雙鉆頭；同步加工；氣液阻尼缸；直線定位

0 引言

在現(xiàn)代軍事領(lǐng)域，武器裝備的輕量化、小型化、智能化發(fā)展已經(jīng)占有越來(lái)越重要的地位，碳纖維復(fù)合材料由于其密度小，比強(qiáng)度、比模量高等特性[1]，在火箭及導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越多，復(fù)合材料導(dǎo)彈發(fā)射筒在戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)型號(hào)上被國(guó)外廣泛采用.由于復(fù)合材料發(fā)射筒相對(duì)于金屬材料而言，結(jié)構(gòu)質(zhì)量大幅度減輕，使戰(zhàn)略導(dǎo)彈的機(jī)動(dòng)靈活成為可能.目前我國(guó)在某些導(dǎo)彈型號(hào)上也采用了復(fù)合材料儀器艙和發(fā)射筒，并取得了良好的應(yīng)用效果[2].

某碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)彈發(fā)射筒的結(jié)構(gòu)如圖1所示，發(fā)射筒橫截面為邊長(zhǎng)500 mm左右的方形結(jié)構(gòu)，其筒身長(zhǎng)數(shù)米，內(nèi)部筋板上設(shè)計(jì)有兩列中心對(duì)稱安裝孔，孔中心距為C，直徑為D，沿發(fā)射筒筒身長(zhǎng)度方向非等距排列.由于該發(fā)射筒尺寸較長(zhǎng)，加工孔較多，且加工空間狹小，給孔加工帶來(lái)很多不便，加工難度很大.在常規(guī)的生產(chǎn)加工過(guò)程中，采用與發(fā)射筒同樣長(zhǎng)度的鉆模板進(jìn)行加工.加工時(shí)，先將鉆模板送入發(fā)射筒內(nèi)部，定位固定在筋板上，加工人員爬入發(fā)射筒內(nèi)部，利用手電鉆在鉆套的導(dǎo)向作用下逐一加工各個(gè)安裝孔.這種加工方法不但費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、加工效率低，且工人的工作強(qiáng)度較大，工作環(huán)境惡劣.為了解決上述問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)了一套雙鉆頭自動(dòng)鉆孔加工裝置，對(duì)實(shí)現(xiàn)發(fā)射筒內(nèi)部安裝孔的自動(dòng)化加工具有實(shí)際意義，本文主要介紹該裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

圖1 發(fā)射筒結(jié)構(gòu)示意圖

1 總體方案設(shè)計(jì)

由于該發(fā)射筒筋板鉆孔操作需要在發(fā)射筒內(nèi)部進(jìn)行,要求整套裝置在加工過(guò)程中能夠保持良好穩(wěn)定性，具有便攜、易于重復(fù)安裝定位等特點(diǎn).為了實(shí)現(xiàn)筒身長(zhǎng)度方向的非等距排列安裝孔的自動(dòng)加工，要求整套裝置具有可自動(dòng)進(jìn)給和沿筒身長(zhǎng)度方向自動(dòng)定位的功能.為了保證裝置在移動(dòng)和安裝定位過(guò)程不影響整套設(shè)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(jié)合該導(dǎo)彈發(fā)射筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及實(shí)際的加工要求，提出了同時(shí)加工同一排兩個(gè)中心對(duì)稱安裝孔的設(shè)計(jì)方案.

該雙鉆頭自動(dòng)鉆孔加工裝置的總體方案如圖2所示，主要包括主軸驅(qū)動(dòng)模塊、進(jìn)給機(jī)構(gòu)以及直線定位系統(tǒng)三部分，可以實(shí)現(xiàn)裝置主軸的自轉(zhuǎn)(主運(yùn)動(dòng))、沿Z軸的進(jìn)給以及整套裝置沿X軸即筒身方向的自動(dòng)定位.主軸驅(qū)動(dòng)模塊由主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)同步齒形帶傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)鉆頭的同步旋轉(zhuǎn)，并且能夠滿足同排兩安裝孔的中心距精度要求；主軸進(jìn)給則通過(guò)并聯(lián)式氣液阻尼缸驅(qū)動(dòng)沿Z軸運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鉆孔所需的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)與快速返回運(yùn)動(dòng)；主軸驅(qū)動(dòng)模塊及進(jìn)給機(jī)構(gòu)固定安裝在帶筋板的支撐側(cè)板上，支撐側(cè)板安裝固定在滑塊上;

圖2 總體方案圖

直線定位系統(tǒng)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條傳動(dòng)，整套裝置沿導(dǎo)軌在X軸方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)筒身長(zhǎng)度方向的自動(dòng)定位功能.由于該發(fā)射筒內(nèi)部空間的尺寸限制，整套設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸的合理化設(shè)計(jì)將是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，其中主軸結(jié)構(gòu)、主軸傳動(dòng)以及Z軸鉆頭進(jìn)給機(jī)構(gòu)是本文設(shè)計(jì)重點(diǎn).

2 具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主軸結(jié)構(gòu)及主軸驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)

圖3 主軸結(jié)構(gòu)

主軸套筒背面安裝有滑塊，與固定在支撐側(cè)板上的直線導(dǎo)軌構(gòu)成微型直線運(yùn)動(dòng)單元，見圖4所示，對(duì)主軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)起導(dǎo)向作用，保證孔的加工精度和同排兩對(duì)稱孔的中心距離精度.考慮到加工空間有限的問(wèn)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(hào)的莫氏錐孔，可直接與鉆頭連接，節(jié)省空間的同時(shí)達(dá)到連接可靠的目的.

為了實(shí)現(xiàn)雙孔的同步加工，分析對(duì)比幾種常用傳動(dòng)方式，本裝置主軸傳動(dòng)系統(tǒng)采用同步齒形帶傳動(dòng).同步齒形帶傳動(dòng)是一種嚙合型傳動(dòng)，由于它綜合了帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，且?guī)Ш蛶л喼g沒有相對(duì)滑動(dòng)，使主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的傳動(dòng)達(dá)到同步，具有傳動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)比恒定、傳動(dòng)效率高、噪音低且不需潤(rùn)滑等特點(diǎn)[4- 6]，利于實(shí)現(xiàn)雙主軸的同步轉(zhuǎn)動(dòng).

(a) (b)

圖4 同步齒形帶傳動(dòng)

主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用型號(hào)為SXD6- 10675X的電動(dòng)機(jī)，其額定功率為750 W，額定轉(zhuǎn)速3 100 r/min,且質(zhì)量只有6.45 kg，質(zhì)量較小的同時(shí)具有較大的輸出動(dòng)率，十分適合本套裝置使用，采用機(jī)座底腳安裝，固定在支撐側(cè)板上.同步帶選用周節(jié)制L型同步帶，節(jié)線公稱尺723.9 mm，長(zhǎng)度代號(hào)285.主動(dòng)帶輪和兩個(gè)從動(dòng)帶輪呈三角形分布，見圖4.電動(dòng)機(jī)通過(guò)平鍵與主動(dòng)帶輪連接，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)帶輪旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩經(jīng)由同步齒形帶同時(shí)傳遞給兩個(gè)從動(dòng)帶輪，從動(dòng)帶輪分別通過(guò)滾動(dòng)軸承安裝在支撐側(cè)板的兩個(gè)耳板上，從動(dòng)帶輪旋轉(zhuǎn)的同時(shí)通過(guò)花鍵將轉(zhuǎn)矩傳遞給兩個(gè)主軸，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)主軸的同步轉(zhuǎn)動(dòng).

2.2 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)工作要求，主軸進(jìn)給基本動(dòng)作流程如下：主軸快進(jìn)→工進(jìn)→停留→快退→快退停止，為了滿足這一運(yùn)動(dòng)要求，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)給，這里采用氣液阻尼缸驅(qū)動(dòng)[7- 8].氣液阻尼缸又叫氣液穩(wěn)速缸，一般分為整體串聯(lián)式和并聯(lián)式(也稱分體式)，實(shí)際是由氣缸和油缸組合而成，氣缸作為驅(qū)動(dòng)提供推力，油缸作為阻尼進(jìn)行調(diào)速，結(jié)合了氣動(dòng)和液壓的優(yōu)點(diǎn)[9].由于單向閥和節(jié)流閥的作用，氣液阻尼缸速度穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)便，調(diào)速范圍廣，可以實(shí)現(xiàn)快進(jìn)、快退、慢進(jìn)、慢退及中途變速等多種運(yùn)動(dòng)形式，從而達(dá)到穩(wěn)速和精密調(diào)速的功能.為了節(jié)省空間、減小氣液阻尼缸的Z向尺寸，故選用并聯(lián)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(jīng)驗(yàn)算選用型號(hào)為并聯(lián)式氣液阻尼缸，采用軸向支座安裝，固定安裝在支撐側(cè)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(jīng)一塊連板與主軸套筒的伸出連接板通過(guò)螺栓連接，這樣主軸套筒就會(huì)與氣液阻尼缸伸出軸同步運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到通過(guò)對(duì)氣液阻尼缸的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)雙主軸自動(dòng)進(jìn)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(jī)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)裝置鉆孔的自動(dòng)定位，直線定位系統(tǒng)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條嚙合傳動(dòng).由于實(shí)際工作的有效行程較大，對(duì)于長(zhǎng)行程應(yīng)用來(lái)說(shuō)，相對(duì)于同步帶和滾珠絲杠，采用齒輪齒條傳動(dòng)更容易保持較高的傳動(dòng)精度，承受相對(duì)較大的負(fù)載，而且齒輪齒條傳動(dòng)成本也比較低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較高.

根據(jù)使用要求，本次直線定位機(jī)構(gòu)選用型號(hào)為ELZQ80S的齒輪齒條直線運(yùn)動(dòng)單元，有效行程5 000 mm，最大運(yùn)行速度20 m/min，重復(fù)定位精度±0.01 mm.該運(yùn)動(dòng)單元由側(cè)裝硬質(zhì)圓柱鋼滑軌的方形鋁材結(jié)構(gòu)組成，滑塊通過(guò)滑輪與滑軌耦合，傳動(dòng)齒輪由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使滑塊沿齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，能在保持較高傳動(dòng)精度的情況下，提供大行程導(dǎo)軌.搬運(yùn)時(shí)應(yīng)盡量讓整套裝置遠(yuǎn)離導(dǎo)軌的中心位置，偏向兩端，減小搬運(yùn)過(guò)程中的變形，這樣可以使其對(duì)導(dǎo)軌自身的精度影響降到最小.

根據(jù)折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩和負(fù)載慣量等參數(shù)，確定齒輪齒條驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用HF-KP73型三菱伺服電機(jī)，質(zhì)量1.5 kg.考慮到工作空間及電機(jī)的安裝方便，伺服電機(jī)與齒輪齒條直線運(yùn)動(dòng)單元的齒輪伸出軸之間采用聯(lián)軸器連接，見圖6，這里選用米思米(MISUMI)膜片式夾持型聯(lián)軸器，型號(hào)CPDW40- 14- 20(適用伺服馬達(dá)型).膜片式聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、緊湊，不用潤(rùn)滑，維護(hù)方便，且質(zhì)量小、強(qiáng)度高，使用壽命長(zhǎng)，適用于載荷較平穩(wěn)的高速傳動(dòng)，是伺服系統(tǒng)中常用的一種聯(lián)軸器[10].為了增強(qiáng)連接的穩(wěn)定性，提高連接精度，伺服電機(jī)與直線定位單元之間通過(guò)一個(gè)支撐法蘭連接(圖6).這樣，通過(guò)對(duì)伺服電機(jī)的精確控制就可以實(shí)現(xiàn)整套設(shè)備的快速精確定位，多工位鉆孔加工，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)射筒的自動(dòng)加工.

圖6 伺服電機(jī)與齒輪的連接

2.4 其它相關(guān)結(jié)構(gòu)

在鉆孔加工過(guò)程中，裝置的加工安全性很重要，為了提高加工過(guò)程中的安全性能，在支撐側(cè)板上安裝有限位開關(guān)，主軸套筒的側(cè)面設(shè)有弧形固定擋塊，通過(guò)限位開關(guān)可以限制微型直線導(dǎo)軌滑塊的運(yùn)動(dòng)范圍，從而實(shí)現(xiàn)限制主軸進(jìn)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(dòng)鉆孔加工裝置中限位結(jié)構(gòu)

為了方便整套裝置的運(yùn)輸放置，根據(jù)發(fā)射筒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在設(shè)備直線導(dǎo)軌的兩端分別添加滾輪機(jī)構(gòu).在設(shè)備安裝時(shí)，通過(guò)導(dǎo)軌兩端滾輪的滑動(dòng)使設(shè)備更容易放入發(fā)射筒中并完成定位固定，同時(shí)也有利于對(duì)發(fā)射筒內(nèi)部表面以及設(shè)備本身的保護(hù).將整套裝置放入發(fā)射筒中后，通過(guò)定位銷及發(fā)射筒兩端面底面中部的定位孔(見圖1)與裝置導(dǎo)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(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的發(fā)射筒自動(dòng)鉆孔加工裝置，利

用同步齒形帶傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)雙鉆頭的同步旋轉(zhuǎn)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)比恒定、傳動(dòng)平穩(wěn)的特點(diǎn)；進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用氣液阻尼缸驅(qū)動(dòng)，輸出力大、速度穩(wěn)定、調(diào)速范圍廣，可以很好的實(shí)現(xiàn)主軸的自動(dòng)進(jìn)給和快速返回；同時(shí)發(fā)射筒筒身方向采用伺服驅(qū)動(dòng)的齒輪齒條直線運(yùn)動(dòng)單元傳動(dòng)，由于齒輪齒條傳動(dòng)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，承載力大，工作平穩(wěn)，傳動(dòng)精度高以及適于大行程傳動(dòng)的特點(diǎn)，使整套裝置可以完成自動(dòng)定位，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射筒安裝孔的自動(dòng)加工.本自動(dòng)鉆孔加工裝置總質(zhì)量只有約為75 kg左右，整機(jī)較輕，實(shí)現(xiàn)了便攜、易于移動(dòng)、可重復(fù)定位安裝的要求，同時(shí)提高了加工效率，改善了加工環(huán)境，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度.

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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(shù)控及數(shù)字化制造技術(shù)方面的研究

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

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