第 29 卷第 12 期 煤 矿 机 械 2008 年 12 月 Coal Mine Machinery Dec .20 0 8 Vol. 29No. 12 牛头刨床双向刨削机构创新设计及改造 李书平 1 , 朱揆庆 1 , 蔡 昶 2 ( 1. 广西工学院 , 广西 柳州 545006 ;2 . 上海钦龙游艺机厂 , 上海 200439) 摘 要: 传统牛头刨床有返程空行程 、 切削速度和切削力不均匀以及加工效率低等几个缺陷 , 可以通过对牛头刨床进行机构创新设计及改造 , 使改造后的刨床实现双向 、 匀速 、恒力刨削 。 在此 基础上 , 通过设计安装一些简单 、 可行的机构 , 使滑枕不但能实现柔性换向 , 还能使刨床停止工作后 回到一个给定的初始位置 。 关键词 : 牛头刨床 ;空行程 ;加工效率 ; 双向刨削 ;柔性换向 中图分类号 : TP242. 1 文献标志码 : A 文章编号 : 1003 -0794( 2008) 12-015203 Mechanism Innovative Design and Reconstruction for Bi -directional Planning Shaper LI Shu-ping1 , ZHU Kui -qing1 , CAI Chang2 ( 1. Guangxi Technology College , Liuzhou 545006 , China ; 2. Qinlong -SH Co . , Ltd . , Shanghai 200439 , China) Abstract : Aimed at the tw o defects of idle motion and low working efficiency of the traditional shaper , the mechanism innovative design and reconstruction were carried out on the shaper by adopting the working style of mechanical transmission and made the improved shaper could not only realize constant force plane but also made the ram do even speed linear movement . Therefore , it could both eliminate the idle motion and change the unidirectional plane shaper into the bidirectional plane shaper as well and thus not only gained flexible reversion of ram but also made shaper back when it stopped . Key words : shaper ; idle motion ; working efficiency ; bidirectional plane ; flexible reversion 0 前言 动电阻的平均消耗功率 。 ( 1) 制动力矩 ( J M +J L) ( n 1 -n 2) TB = -TL 9. 55 ts ( 2) 制动电阻 R B 应满足的条件为 R min R B R OB 式中 Rmin = U C IC , R OB = U C [ 0. 104 7( TB 0. 2 TM ) n1] ( 3) 制动电阻的平均消耗功率 -3 P RO =0 . 104 7 × 10 ( TB 0. 2 TM ) n1 n2 式中 p— — —磁极对数 ; s— — —转差率 ; PM — — —负载要求的电动机输出功率 ; η — — —电动机效率 ; cos φ — — —电动机功率因素 ; k— — —电流波形补偿系数 ; UE — — —电动机额定电压 ; IE — — —电动机额定电流 ; JM — — —电动机转动惯量 ; JL — — —折算至电动机轴的负载转动惯量 ; ts — — —减速时间 ; TL — — —负载转矩 ; n1 — — —减速开始速度 ; 2 某游艺机厂需要进行大量的小平面加工 , 为了 n2 — — —减速结束速度 ; R OB — — —制动电阻最大值 ; TM — — —电动机额定转矩 。 3 结语 利用 PLC 和变频器技术对 Z3040 摇臂钻床自动 控制系统进行改造 , 经实践检验具有如下特点 : ( 1) 电气控制柜结构简单 , 质量轻 、加工制造容 易。 ( 2) 主马达可以根据不同的工作要求选择不同 的工作速度 , 具有很大的灵活性 。 ( 3) 电气控制采用 PLC , 工作可靠 , 适应性好 , 维 修方便 。 ( 4) 生产实践证明 , 机床改造后 , 性能稳定 , 生产 效率高 , 具有较高的性价比 。 参考文献 : [1 ] 李振安 . 工 厂电 气控 制技 术 [ M] . 1 版. 重庆: 重 庆大 学 出版 社 , 2004 . [ 2] 吴启红 . 变频器 、可编程控制器及触摸屏综合应用技术[ M] . 1 版. 北京 : 机械工业出版社 , 2008. 作者简介 :杨庆煊( 1972 ) , 江西吉安人 , 2005 年江西理工大 学 机电专业硕士毕业 , 现在井冈山大 学工学院 任教 , 讲师 , 从事液压 传 动 、PLC 以及单片机的教学与应用研究 , 已发表文章 5 篇 , 电子信 箱 : yangqingxuan2008 @126. com . 收稿日 期 : 2008 -07 -08 — 152 — 第 29 卷第 12 期 牛头刨床双向刨削机构创新设计及改造 — — — 李书平 , 等 Vol. 29No. 12 提高生产效率 , 经常将几块板料一起夹紧加工 , 每次 刨削的切削深度为 10 mm 左右 , 稍深一点就会停车 , 公司曾经通过加大电机功率来提高效率 , 但是效果 不明显 , 且不符合国家规范 。 传统的牛头刨床存在 返程空行程和刨削力不均匀( 对机械传动式) 2 个缺 点 , 导致牛头刨床在实际生产中的应用受到很大的 限制 。 如果牛头刨床在切削运动中能消除空行程 , 变单向刨削为双向刨削 , 同时提供稳定均衡的刨削 力 , 则游艺厂提高小平面加工效率的问题就可以得 到解决 , 并将带来一定的经济效益与社会效益 。 1 滑枕恒力等速运动机构设计及改造 传统牛头刨床主传动机构的曲柄摇杆机构的运 动特性是无法实现滑枕往复等速运动的 , 因而滑枕 无法获得恒定的推力 。 如果要实现双向刨削 , 必须 要求实现恒力等速运动 。 综合游艺厂实际情况 , 决 定采用简单易行且经济实用的机械传动式 。 ( 1)恒力等速机构 用齿轮齿条传动方式实现牛头刨床滑枕恒推力 和等速直线 所示 。 其设计思 路采用机构运动简图方式来描述运动 。 传动原理如 下: 电机带动大齿轮以恒定速度 ω逆时针转动 , 传 动经换向齿轮 、介轮 、小齿轮将运动传给齿条 , 使得 滑枕向右滑动 ; 当滑枕滑动至挡铁碰到行程开 关 2 时 , 电磁铁通电并发生动作 , 然后拉动换向齿轮 , 使 换向齿轮脱离与介轮的啮合并使换向齿轮与小齿轮 啮合 , 使小齿轮反转促使滑枕换向 。 当滑枕向左移 动直至挡铁碰到行程开关 1 时 , 电磁铁通电并发生 动作 , 然后推动换向齿 轮 , 使换 向齿轮与小齿 轮脱 开 , 同时使换向齿轮与介轮啮合 , 使小齿轮反转 , 最 终使滑枕换向 。 周而复始 , 滑枕就实现了匀速 、 恒力 的往返直线运动 。 滑枕的往复运动由齿轮齿条传动系统提供 。 齿 轮齿条传动属于定比机械传动 。 当各级齿轮传动的 传动比都确定后 , 齿条的运动方向和线速度是不会 改变的 。 一旦加装在齿条和齿轮之间的介轮执行其 换向功能时 , 介轮在和其他齿轮啮合之前 , 如果和齿 条安装在一起的滑枕没有停止运动 , 则会造成齿轮 打齿 。 这样不仅会造成机床的剧烈振动而影响机床 的加工精度 , 而且会造成 齿轮变形甚至把 齿打断 。 这样既影响了加工零件精度又降低了传动系统的使 用寿命 。 决定在双向牛头刨床的改进项目里设计一 个柔性换向机构 。 实现柔性换向的原理如图 1 所示 : 滑枕和齿条 安装成一整体 。 滑枕沿导轨直线滑动 。 两行程开关 离压缩弹簧工作端面的距离 a = 1 2H ( H 为压缩弹 簧工作长度) 。 行程开关 1 通电时 , 只能控制电磁铁 向右推动换向齿轮直至与介轮啮合 。 行程开关 2 通 电时 , 只能控制电磁铁向左拉动换向齿轮直至与小 齿轮啮合 。必威体育官网 2 个行程开关与电磁铁之间都加装一个 延时控制器 。 延时器的作用是调整换向齿轮从脱离 介轮到啮合小齿轮的时间长短 。 压缩弹簧可以专门 设计 。 这个柔性换向机构对压缩弹簧的要求是 : 在 刨床用最大刨削速度进行刨削时 , 滑枕能在弹簧的 1 2 H 位置停止下来 。 滑枕以 v 速度向右进行刨削 , 当挡铁碰到压缩 弹簧 2 时 , 弹簧开始压缩蓄能 , 此时滑枕继续前进 , 直到挡铁碰到行程开关 2 时 , 电磁铁接通 , 经过时间 t , 换向齿轮完成与小齿轮的啮合 。 然后 , 弹簧蓄积 的能量把滑枕反推 , 使滑枕迅速达到换向前的速度 。 因此 , 此时小齿轮的旋转方向与换向齿轮的转向相 反 , 故换向齿轮在短时间内完成了滑枕的柔性换向 。 滑枕向左刨削时的工作情况刚好与滑枕向右刨削时 相反 。 这套简易的柔性换向装置不仅能使滑枕在短 时间内 、 小冲击环境下循环稳定地工作 , 而且由于有 压缩弹簧的蓄能而节约了能源 。 ( 3)滑枕停车复位机构 根据公司设备维护规范 , 滑枕能够实现停车复 位 。 滑枕的停车复位装置的实现原理如图 1 所示 。 图 1 牛头刨床双向刨削机构创新设计简图 1. 滑枕 2. 行程开关 1 3 . 压缩 弹簧 1 4 . 拉 伸弹簧 5 . 棘轮 卡爪 6. 棘轮 7 . 挡铁 8 . 小齿轮 9. 压缩弹簧 2 10 . 行程开关 2 11. 床 身 12 . 齿条 13 . 介轮 14 . 换向 齿 轮 15. 大 齿 轮 16. 电磁阀 1 17 . 电磁阀 2 在刨床工作的任何时候按下控制电磁阀 2 的机床外 部手动按钮 , 使电磁阀和行程开关 2 接通 。 当安装 在滑枕 上的挡铁 随滑枕移 动直至碰 到行程开 关 2 时 , 电磁阀 2 通电 , 拉动与棘爪连接的连杆 , 使棘爪 与棘轮啮合 。 滑枕继续反向滑动直至安装在滑枕上 的挡铁碰到行程开关 1 , 然后行程开关 1 断开整个 — 153 — ( 2)柔性换向机构 Vol. 29No. 12 牛头刨床双向刨削机构创新设计及改造 — — — 李书平 , 等 第 29 卷第 12 期 刨床电源 。 此时 , 由于有压缩弹簧 1 推力作用和棘 轮及棘爪的自锁作用使滑枕停住 , 整个电控系统可 以由一个 PLC 编程电路控制 。 2 刨刀架的设计及改造 ( 1)刀架设计与改造 传统牛头刨床的滑枕和刀架通过螺栓联接 。必威体育官网, 在 刨削行程中 , 刀架受压方向与螺栓预紧力方向相同 。 在返程中 , 刨床没有切削工作 , 因此刀架不承受任何 刨削力 。 因此 , 在整个滑枕的工作过程中 , 刀架和滑 枕不会因为切削力的影响而出现松动现象 。 牛头刨床实现双向刨削时 , 则在返回的刨削行 程中 , 刀架受拉力而导致螺栓松动 , 最终造成刨削精 度下降 , 如果螺栓被拉断导致刀架坠落会造成事故 。 决定重新设计刀架和滑枕如图 2 所示 : 滑枕与刨头 设计成一个整体 ; 刀架与刨头通过燕尾导轨的移动 副连接 。 工作原理 : 左夹套和左托板的组合以及右 夹套和右托板组合的功能跟传统牛头刨床上的夹套 和托板的功能一样 , 都是为了夹紧刀具而设计 。 左 右托板 、 刀架和传统刨削牛头刨床一样 , 都是分别用 2 个螺栓联接 。 同时托板能绕螺栓做局部旋转实现 抬刀 。 而双向刨刀架改为 : 刀架的水平方向用燕尾 槽导轨定位 , 刀架 的竖直方向用丝 杠螺母副定位 。 竖直方向通过丝杠调节 。 工件的距离大 。 工作原理为 : 当刨床向左刨削时 , 左 刨刀正常刨削工件 , 当左卡爪碰到工件表面时 , 它受 到工件的阻力而逆时针旋转 , 因而不会影响刨削工 件 。 当右卡爪碰到工件表面时 , 由于它受到工件表 面的阻力而逆时针旋转时受到挡销的阻挡而把整个 刀架托板抬起 。 当刨床向右刨削时 , 此时刀架的工 作刚好与向左刨削时相反 。 由于有挡销的作用 , 在 刨削过程中 2 把刀具独 自工作而不会 产生相互干 扰。 卡爪材料为低碳钢 , 硬度较低 , 并与工件接触的 表面较宽 , 所以 , 当卡爪擦过工件表面时 , 不会有任 何痕迹 , 并且起到刀具副切削刃的作用 , 从而改善了 工件的表面加工质量 。 2 把刀对定的问题可以通过在工作台上放一块 对刀块来解决 。 方法如下 : 在工作台上水平安放一 块标准的对刀块 , 通过手轮调整刀架升降丝杆分别 松开夹紧刀杆的螺栓 , 当 2 把刀的刀尖都接触到对 刀块时 , 拧紧螺栓即可完成 2 把刀的对定 。 因为 2 把刀实现了恒力等速切削 , 故 2 把刀的 磨损程度相当 。 如果 2 把刀磨损不一致 , 通过差动 螺栓可轻易实现 。 3 结语 通过双向进刀恒力切削的牛头刨床机构的创新 与改造 , 可以达到以下效果 : ( 1) 单向刨削改双向刨 削 , 加工效率提高了 70 %; ( 2) 利用压缩弹簧的蓄能 可以节约能源 ; ( 3) 简易抬刀架的设计可以提高工件 的表面加工质量 ; ( 4) 弹簧与棘轮棘爪机构的设计可 以实现停车复位 。 参考文献 : [1 ] 杨家 军 . 机 械系 统 创新 设计 [ M ] . 武汉: 华中 理工 大 学出 版 社 , 2000 . 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