姜佳琦

（上海機床廠有限公司 上海 200093）

1 引言

外圓磨床是磨床中應(yīng)用廣泛的一種機床，其切削加工運動包括砂輪架上砂輪主軸驅(qū)動的砂輪回轉(zhuǎn)運動、頭架帶動工件進行的旋轉(zhuǎn)運動等，其中砂輪回轉(zhuǎn)運動有滾動軸承、動壓軸承和靜壓軸承三種主要主軸支承結(jié)構(gòu)，相關(guān)結(jié)構(gòu)較為成熟。頭架帶動工件進行旋轉(zhuǎn)運動的帶動裝置中傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有三爪卡盤、四爪卡盤、Z型板等[1]。目前國內(nèi)外市場上數(shù)控外圓磨床的工件帶動裝置適用面窄，針對的零件單一，此類裝置應(yīng)用時對磨床的整體結(jié)構(gòu)性能要求高。針對這種狀況，出現(xiàn)了一些適用自動化的帶動裝置，如自動卡盤類裝置，此時需要機床頭架具備主軸回轉(zhuǎn)功能，在頭架內(nèi)部設(shè)置一個旋轉(zhuǎn)油缸，由旋轉(zhuǎn)油缸經(jīng)一套拉桿機構(gòu)作用在卡盤上；也有利用摩擦角自鎖的離心卡盤，雖然它不需要油缸類額外動力，但需要頭架電機正反轉(zhuǎn)運動來配合夾緊松開。

針對當(dāng)前工件帶動裝置通用性不強的缺陷，在已有的自動帶動裝置基礎(chǔ)上新研發(fā)了一種通用性更強的工件帶動裝置[2-3]，其總體設(shè)計方案如圖1所示，它結(jié)合工件旋轉(zhuǎn)的啟動條件，運用油缸特性和彈簧力的作用原理可實現(xiàn)工件自動夾緊、松開和旋轉(zhuǎn)，并且裝置的結(jié)構(gòu)能匹配多種工件驅(qū)動，或者更換少數(shù)零件就能適用大部分工件。

本文在上述總體技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，對其進行傳力相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)計算、核心零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及針對典型工件進行拓展應(yīng)用。

2 參數(shù)計算

圖1所示的工件自動帶動裝置由夾緊機構(gòu)和頂開機構(gòu)構(gòu)成，夾緊機構(gòu)由V型夾緊組件、螺釘柱、矩形彈簧、準停塊、夾緊塊等零部件組成，頂開機構(gòu)設(shè)在夾緊機構(gòu)的外側(cè)，由頂塊、機械臂、油缸桿、齒條、頂開油缸體、連接底座、浮動接頭、連接板、油缸底座、油缸、底板、限位塊、直線導(dǎo)軌等組成。夾緊機構(gòu)中的V型夾緊組件兩端設(shè)有通孔，外側(cè)設(shè)有斜面，中間段沿對稱軸方向設(shè)有一個腰形孔，螺釘柱通過矩形彈簧后經(jīng)兩V型夾緊組件通孔后由螺母將兩V型夾緊組件面對面連接；兩個V型夾緊組件的腰形孔內(nèi)分別連接有帶動柱；頂開機構(gòu)的底板上面左下方通過油缸底座連接油缸，右上方通過直線導(dǎo)軌及安裝在直線導(dǎo)軌的滑塊上的連接底座連接浮動接頭，油缸的活塞上方通過連接板連接浮動接頭，連接底座下方固定連接頂開油缸，頂開油缸兩側(cè)的伸縮桿分別固定連接機械臂，機械臂下端內(nèi)側(cè)固定連接頂塊。

節(jié)點反映了旅游者停留的位置，位置與位置之間的移動次序就成為了旅游路線，因而在水利風(fēng)景區(qū)解說系統(tǒng)規(guī)劃中，要確定每個級別節(jié)點的準確位置。

圖2中M是由矩形彈簧夾緊且?guī)庸ぜD(zhuǎn)而在工件端部產(chǎn)生的帶動力矩，M1是啟動或停止過程中因剛體繞定軸轉(zhuǎn)動形成的慣性力矩，M2是在頂緊力的作用下工件與尾架頂尖之間接觸位置因摩擦產(chǎn)生的摩擦力矩，M3是磨削加工時要克服磨削力而所需的加工力矩。

自動帶動裝置的夾緊機構(gòu)需要提供穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)剛性來帶動工件旋轉(zhuǎn)，同時由于要跟著工件旋轉(zhuǎn)需要重量較輕，考慮到夾緊組件中的V型夾緊板形狀復(fù)雜，作為核心零件需要對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。拓撲優(yōu)化是根據(jù)給定的載荷工況、約束條件和性能指標等，在給定的區(qū)域內(nèi)對材料分布進行優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種形式，通過拓撲優(yōu)化可以得到最優(yōu)的傳力路徑以滿足規(guī)定的減少材料量的同時最大化結(jié)構(gòu)剛度的結(jié)構(gòu)形式。拓撲優(yōu)化可以在概念設(shè)計階段就得到最優(yōu)零件形狀，大大縮短了設(shè)計初期時間。這里用SOLIDWORS Simulation拓撲優(yōu)化來實現(xiàn)夾緊板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調(diào)“要堅持把立德樹人作為中心任務(wù)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程”，這就要求高職教育必須堅持育人為本，加強職業(yè)人文素質(zhì)培養(yǎng)。英語作為一門語言，是人類溝通的紐帶。全球化時代，作為素質(zhì)教育的必要組成部分，高職英語是大學(xué)生可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，是信息時代的必備手段。在此背景下，筆者在長期的英語教學(xué)實踐和改革中，把英語語言教學(xué)與職業(yè)人文素質(zhì)培養(yǎng)相結(jié)合，不斷探索如何在英語課程中提升高職學(xué)生的職業(yè)人文素質(zhì)，總結(jié)出了以職業(yè)人文素質(zhì)為導(dǎo)向的高職英語教學(xué)的五位一體教學(xué)模式。

帶動力矩M是在矩形彈簧彈簧力F的作用下使安裝在夾緊組件上的夾緊塊與工件產(chǎn)生的夾緊力F1而在傳動過程中因靜摩擦而形成的摩擦力矩，對于軸端為圓柱體的工件來說，建立圖3所示的力學(xué)模型，此時彈簧力F與夾緊力F1之間的夾角為θ/2，根據(jù)力學(xué)平衡方程以及帶動力矩等式則有

圖3 F、F1、F2、夾角θ1和夾角θ2示意圖

以320系列機床的通用試磨件Φ80mm為例，按上述計算過程，計算選取了 Misumi矩形螺旋彈簧SWL 25-55，其彈簧力F為824N，頂開油缸的缸徑為Φ40 mm。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

帶動裝置更換工件時，頂開機構(gòu)的頂塊在頂開油缸體的作用下使得夾緊機構(gòu)的兩V型夾緊組件產(chǎn)生分離而使夾緊塊與工件脫離；磨削加工時，頂開機構(gòu)遠離夾緊機構(gòu)，兩夾緊組件在矩形彈簧的作用下使夾緊塊與工件產(chǎn)生壓緊力，為了使帶動裝置在頭架驅(qū)動下無打滑的啟動、旋轉(zhuǎn)、停止，建立圖2所示的力學(xué)模型。

通過以上例子不難發(fā)現(xiàn)，《報告》在時間軸上是以特朗普總統(tǒng)正式上臺執(zhí)政的時間為指示中心（When I came into office），其他時間狀語大多都圍繞這一時間點展開，時間距離大多不超過一年。這就意味著，說話者有意強調(diào)或者縮小句中所涉及實體在時間上與指示中心的距離。時間軸上距離較近的句子大都提到了外部威脅和挑戰(zhàn)，也就是《報告》所塑造的敵對實體（rogue regimes，nuclear weapons，serious challenges，the rise of China），并且在心理空間上將這些外部實體表征為不斷迫近的威脅，從而喚起公眾的恐懼情緒。

根據(jù)SOLIDWORS Simulation中形成工件帶動裝置的裝配環(huán)境，指定模型材料，定義約束條件、工作載荷以及其他所需參數(shù)[6]，SOLIDWORS Simulation會自動進行迭代直到找出最優(yōu)結(jié)果。設(shè)定相關(guān)參數(shù)，考慮相關(guān)件安裝部分和加工工藝設(shè)定保留區(qū)域，在優(yōu)化過程中禁止被去除，設(shè)置完成的模型樹如圖4所示，隨后選擇默認的Intel Sparse解算器，它具有更快的性能，在運算拓撲算例之前會進行靜態(tài)分析，在多次迭代運算后數(shù)據(jù)趨于收斂。夾緊板一共進行了12次迭代運算從第8次開始數(shù)據(jù)收斂，如圖5所示。夾緊板零件的拓撲優(yōu)化結(jié)果如圖6所示，根據(jù)結(jié)果獲得優(yōu)化后的夾緊板三維模型如圖7所示。

圖4 夾緊板Simulation模型樹

圖5 優(yōu)化迭代收斂曲線

圖6 夾緊板Simulation拓撲優(yōu)化結(jié)果

圖7 拓撲優(yōu)化前后的夾緊板三維模型

4 典型工件運用

如圖8所示，當(dāng)軸類工件軸端形狀改變時更換夾緊塊來適應(yīng)其他形狀工件的帶動要求。對于圖8（a）的工件，其軸端有貫穿通孔，此時用一個夾緊塊采用圓柱銷，它可插入孔中，夾緊板經(jīng)過圓柱銷側(cè)面直接將力傳給工件，此時帶動能力更強，因而式（2）中的安全系數(shù)不用增加。對于圖8（b）所示的工件，工件軸端為花鍵或齒輪或鍵槽類形狀，此時夾緊塊選用的是2個輔助圓弧塊和一個與工件凹槽形狀一致的帶動塊，與工件凹槽形狀一致的帶動塊插入工件軸端的凹槽內(nèi)，這個帶動塊依靠側(cè)面的接觸壓力直接帶動工件，也比利用靜摩擦帶動的帶動能力要強，也不用式（2）中選用更大的安全系數(shù)。對于圖8(c)所示軋輥行業(yè)典型的軋輥零件,工件軸端由兩段圓弧和兩個平面組成，此時帶動是選用頭部具有平面形狀的夾緊塊，通過兩個夾緊塊的平面抵在工件兩側(cè)平面上而帶動工件，雖然此時夾緊塊的平面與工件的接觸力為非均勻狀態(tài)，但其接觸力呈圖中形狀，是直接參與帶動的，帶動能力也很強，因此不用考慮增大式（2）中的的安全系數(shù)。同理，也可以針對一些其他典型工件進行分析，如果帶動能力減弱就需要增大式（2）中的的安全系數(shù)。

安排專業(yè)技能訓(xùn)練教學(xué)，學(xué)生分小組強化訓(xùn)練臨床基本技能。醫(yī)院專業(yè)指導(dǎo)教師對學(xué)生開展真實病例教學(xué)，學(xué)生直接接觸患者進行臨床實踐，突出人才培養(yǎng)的針對性和開放性，實現(xiàn)教學(xué)過程與臨床實踐過程對接。在醫(yī)院在崗4O周的實習(xí)，在培養(yǎng)學(xué)生的操作技能的同時培養(yǎng)學(xué)生具有良好醫(yī)德、醫(yī)風(fēng)和綜合職業(yè)能力。

圖8 針對不同工件軸端安裝不同的夾緊塊

經(jīng)過上面的參數(shù)計算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，結(jié)合公司用戶磨削圓柱軸端工件試制了一套自動帶動裝置，制造完工經(jīng)使用，效果很好，不存在夾緊機構(gòu)與工件之間打滑的現(xiàn)象，裝置如圖9所示。

圖9 試制帶動裝置

5 結(jié)語

本文以數(shù)控外圓磨床加工為應(yīng)用場景，針對多數(shù)軸類零件的磨削自動化進行了工件自動帶動裝置傳力相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、關(guān)鍵件拓撲優(yōu)化和典型應(yīng)用。首先根據(jù)裝置的工作原理，考慮了安全因素，建立了矩形彈簧的最小彈簧力和頂開機構(gòu)頂開油缸所需施加的頂開力與工作所需的以剛體定軸轉(zhuǎn)動所需的慣性力矩、尾架頂尖與工件頂尖接觸部位因滑動摩擦形成的摩擦力矩和磨削加工時的加工力矩三者之間的傳力數(shù)學(xué)關(guān)系，并根據(jù)320系列機床進行了參數(shù)計算；接著采用SolidWorks Simulation軟件對V型夾緊板零件進行了結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化，去除掉非傳力的部分，減輕了質(zhì)量，提升了帶動裝置的動態(tài)性能；最后根據(jù)三種典型軸類零件的特性通過夾緊塊與工件之間的相互關(guān)系說明直接由接觸傳力比摩擦傳力更可靠，不用增大傳力時設(shè)置的安全系數(shù)，同時根據(jù)用戶需求試制了一套自適應(yīng)圓柱軸端的工件自動帶動裝置，經(jīng)使用，帶動過程中沒有出現(xiàn)滑動現(xiàn)象，表明文中給出的計算公式可行，相關(guān)應(yīng)用研究成果可為軸類零件的自動化磨削加工提供一定的參考。