电动升降杆的设计与加工

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摘 要 北京朗日科技有限公司显微取证检测系统中的电动升降杆的设计与加工中，通过对产品现状调研中发现问题，确定了解决方案，从升降杆传动结构的设计、支撑架的加工、部分零件、结构设计优化、结构创新等方面进行改进设计加工，最终客户满意已批量生产，使本人从理论到实践获益匪浅。

关键词 升降杆设计加工优化

中图分类号：TH21 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）10-0010-02

1 产品现状

经过市场调研，发现现有的产品有以下几大问题。

1）多为手动控制升降，传动机构大都采用齿轮齿条、同步带和链等。这些结构较复杂，人工手动升降，定位精度和稳定性较差。

2）有效行程多在400 mm以下，无法满足大行程工作的需要。

3）一般只有两个固定的硬限位，不能灵活的控制检测装置与被测物品的安全距离，一旦损坏到被测物品，后果将不堪设想。

2 问题解决方案

经过市场的前期调查和客户的实际需要，我们从以下几方面对该部件进行升级改造，解决存在的问题。

1）将原有人力驱动升级为电力驱动。选用42加强步进电动机作为原动力，结构简单重量轻，结合采用滚珠丝杠副传动，可以精确的移动与定位。

2）根据客户的需要，将升降杆有效行程由400 mm，增加到700 mm，增加了设备的适用范围。

3）设计加装一个可移动的光电式限位装置，能灵活控制安全距离，更好的保障侧头和被测物体的安全。

4）把升降杆与大底板连接板设计成了可移动的结构。可以根据被测物体的需要调节升降杆的位置。

3 设计改进的主要内容

根据解决方案，主要针对以下内容进行了改进设计加工。

3.1 升降杆传动结构设计

由于滚珠丝杠副传动摩擦力小传动精度高，尺寸标准化安装方便等优点，选择滚珠丝杠副传动。客户要求，升降杆移动最大速度25 mm/s，电机最快转速nmax为3000rpm，即丝杠Vmax1500mm/min。电机输出端与滚珠丝杠副采用直连，即传动比为1：1。

1）确定滚珠丝杠副的导程。根据电机额定转速和升降杆最大速度计算丝杠导程。导程Ph=Vmax/i・nmax=1500/1x3000=0.5 mm，实际Ph取4 mm，可满足速度要求。

2）滚珠丝杠副的载荷及转速计算。由于该设备垂直放置，主要用于拍照检测取证无切削力，其载荷主要来源于工作台设备重力和导轨、滑块的摩擦力，此处计算取静载荷摩擦系数为0.006，则导轨静摩擦力：

F0=M・g+μ0・M・g+4x5=10x9.8+0.006x10x9.8+4x5=119N

由于该设备主要用于拍照检测取证，运动接近匀速，则有Fm=（2Fmax+Fmin）/3≈F0=119N，nm=（nmax+nmin）/2=375rpm

3）计算滚珠丝杠额定动载荷。

按预期工作时间计算：

Cam=・Fmfw/100fafc=x119x1/100x1x1=671.90N

按滚珠丝杠副预加的最大负荷计算：

Cam=feFmax=6.7x119=797.3N

取较大值Cam=797.3N为滚珠丝杠副预期额定动载荷

4）估算滚珠丝杠副的螺纹底径d2m。

最大允许轴向变动量：

δm≤（1/3～1/4）=1/4x0.005=0.00125 mm

两个支撑最大距离：

L≈（1.1～1.2）・ι+（10～14）Ph=1.2x700+14x4=896 mm

按丝杠安装方式为轴向两端固定，则有丝杠螺纹底径：

d2m≥0.039==11.3 mm

5）确定滚珠丝杠副规格代号。按照滚珠丝杠Ph、d2m、Cam等因素，选择基本导程Ph=4 mm，公称直径d0=16 mm，查得额定动载荷Ca=5120N>Cam=797.3N。满足长径比小于等于30。经过试验运行满足负载要求。

3.2 支撑架的加工

由于升降杆选用的型材的长度达1080 mm，而我校的数控铣床最大加工量为850 mm，这样便无法在一次装夹中完成所有加工。我们设计用一个工装和两个定位销来做工件坐标系的翻转，保证加工孔的精度。具体方案是：用一块1000 mm×250 mm×30 mm的工装用压板装夹在铣床X向工作台上，型材装夹在右端的极限位置。从型材右端加工所有加工的元素，加工完成后，在型材的中心线上距型材右端面240 mm（孔1）和540 mm（孔2）处各做一Φ10H7的定位销孔，作为翻转坐标系的定位孔。卸下型材后在X-840 mm处，做工装Φ10H7的定位销孔3。这样翻转加工时，将型材的定位孔2与工装的定位孔2重合插入定位销，在将型材的定位孔1与工装的定位孔3重合插入定位销，完成了坐标系的翻转。

通过一面两销定位，实现坐标系的翻转，解决了加工过程中机床行程不够的问题，有效的保障了工件的精度，提高了生产效率。

3.3 零件结构设计优化

1）轴承座的优化。优化前的轴承座结构如图4，此时的轴承座结构简单，外形为一简单长方体，基本能满足轴承座的一般需要，但是轴承座安装接触面较小，且与型材的连接固定只有两个螺钉，显单薄不稳固。

优化后的轴承座结构，底部增加了一倍的安装接触面积，同时底部增加了一个螺纹安装孔，使三个螺纹安装孔成三角型稳固分布，使轴承座型材的连接更加牢固，能承受更大的载荷工作。

2）底座连接的优化。由于原来的升降杆在XY面内是固定不动的，影响了设备的测量范围，于是我们特设计了活动的“靴子”，通过四块固定钢板和过渡板将电动升降杆固定。过渡板上有螺纹孔，可以使过渡板在大托板上移动，实现在XY面内的位置移动。

3.4 结构创新

本部件的创新之处是添加了一套光电式活动限位机构，该机构利用光直线传播和反射原理，安装一个光电式的活动限位。

活动限位由一个激光发射器、激光接收器、挡光板和两块平面镜组成。支撑板上平行安装激光发射器与激光接收器，在托板的下面安装一个挡光杆。滑块上安装腰底为45°的等腰梯形活动限位板，两腰上安装了光的反射回路的镜子。当托板向下移动到挡光杆穿过活动限位孔时，挡光杆阻断激光，信号动作，托板停止移动，保证了被测物体和测头的安全距离。在活动限位板两侧各有一个螺纹孔，可灵活控制限位板的位置。

4 总结

经过多次与客户的交流沟通，完成了电动升降杆的设计与加工装配调试，经过多次的试验改进优化，我们的产品趋于完善。客户给予的评价是该产品的整体外观简洁大方，各部件结构设计的巧妙合理，较为满意，表示会继续合作。现此产品经过试验已经达到要求，正批量生产。总之，通过亲自参与该产品的设计加工，对现代机械设计和加工机械有了更深刻的认识，更深入了解了生产实际的需求，同时自身的专业综合能力得到了很大的提高。

参考文献

[1]赵松年，张奇鹏.机电一体化机械系统设计[M].北京机械工业出版社，1996.