玻璃切割机传动齿轮及夹具的设计应用

王艳华

烟台职业学院，山东 烟台 264670

科技水平的发展使得特种加工方法的使用越来越广泛，市面上出现了一系列的玻璃切割机，如激光玻璃切割机等[1]。传统意义上的手动或者人工切割机的比重相对减少，工业中切割的质量和精度要求也是越来越高，这就要求玻璃切割机的功能发展要求也需要不断的进步[2]。其中，传动系统与夹具是玻璃切割机的关键，良好的运作方式能够大大提升产品的质量与工作效率[3]。王永娟等人设计了齿轮齿条机构和螺旋传动机构动力学模型，从力学波动方面分析传动机构的设计要求[4]。李海泉等人提出了一种伺服驱动机构的设计算法，大大改善了LCD 玻璃切割机的传动效果[5]。本文设计用于玻璃制品切割或者打磨的竖直工件进给机构，即传动方式的选择与设计。设计过程中通过对总体结构和进给机构进行分析选择，选取最好的方案，结合机械原理、机械设计等理论知识进行进给系统的设计计算，并用三维绘图软件SW 进行零部件建模与装配。

1 基础理论

1.1 总体设计要求

玻璃切割机总体布局要求：玻璃切割机在运作过程对于控制的精度非常高，直接影响产品加工的质量。所以，在玻璃切割机的总体布局上对进给量、转动精度、平稳性、夹具力度、装配工艺性提出具体要求，其具体指标详见设计要求。

根据玻璃切割机的主要加工范围，具体设计要求如下：

竖直进给速度：30mm/s；夹具夹持范围：10mm-200mm；进给范围：200mm；工进速度：1mm/s。

1.2 总体设计组成

此机构主要是有：齿轮齿条、竖直方向的导轨、步进电机、夹具、联轴器等部分组成，各个主要部分的功能分别为：

控制系统：根据计算机传输的图形信息，控制步进电机的运转。步进电机：通过与齿轮过盈安装来带动齿轮转动，啮合的齿轮齿条相对运动从而带动滑台的直线运动，带动夹具的圆周运动。竖直方向的导轨：为滑台的运动进行导向，使得装在滑台上的机构能够竖直运动。

2 玻璃切割机进给部分机械结构设计

2.1 齿轮与齿条的传动设计

2.1.1 材料的选择

2.1.2 调整齿轮模数

（1）计算实际载荷系数的准备工作

（3）通过计算得实际载荷系数算得的齿轮模数

综上所述，齿轮目数m 为0.562mm，为便于设计选择四舍五入选择整数，即m=1mm。通过接触疲劳强度算出的分度圆直径为=18.04mm，从而算得齿轮的齿数为。取=20

2.1.3 几何尺寸计算

计算分度圆直径

计算齿轮宽度

考虑到在实际工况中齿轮的安装存在误差，为了确保齿轮的正常运转，将齿轮的宽度扩大5～10mm，即

图1 齿轮与齿条工作示意图

根据给定的工作要求，所用的齿轮齿条式不允许发生任何的失效形式。因此，为了防止发生以上的失效问题，本文着重考虑了齿面疲劳弯曲强度问题。

2.1.4 齿面接触疲劳强度校核

由计算结果得出齿面接触疲劳强度可以满足要求，而且齿面接触应力比标准齿轮有所下降。

2.1.5 齿根弯曲疲劳强度校核

由计算结果得出齿根弯曲疲劳强度满足要求，而且齿轮抵抗弯曲疲劳破坏的能力大于齿条。

2.2 定心夹具设计

本文选择车床中的三爪卡盘作为定心夹具，其对圆柱形零件可以三爪联动实现夹紧加工，方便使用。由于此次设计主要是加工玻璃杯，玻璃杯直径在50mm-80mm，而所需的夹紧力也不是很大。若使用三爪卡盘，其自身的重力以及成本造价较大。综合考虑，根据多功能三爪取碗夹的结构原理来设计夹具。

2.2.1 各部件设计原理

轴套上装有卡，卡和手柄之间装有弹簧；轴上设有卡槽，卡槽成角度；底板和轴用紧定螺钉固定，爪和轴套采用销钉和开口销装配并且爪装入底板槽内。此外，为了能够方便快捷使得其能够夹紧和放开，在轴套上还设有板卡爪是为了夹紧玻璃杯。为了起到很好的定心作用，采用三个爪，三个爪在圆周上等角度装配。

2.2.2 夹具工作原理当三爪联动夹紧时：只需拉着轴套沿着轴向上滑动即可，由于卡槽的角度关系使得卡与卡槽之间可以顺利滑动，爪就会往内夹紧。停止滑动后，弹簧的弹力使得卡入卡槽，使得夹紧玻璃杯。当三爪联动松开：若需要夹具松开卡爪，则用手捏住手柄，往外轻轻拉出，此时卡与卡槽分离，轴套就会往下滑落，卡爪在底板槽边的作用下慢慢松开。

2.3 总装及其工作原理

2.3.1 机构的组成

图2 齿轮齿条式竖直进给机构及定心夹具的总装示意图

通过上述所有零部件的设计以及机构部分的计算，按照一定的装配方法和要求将它们有序的组装在一起，构成此次设计所需的机构的总装。如图2 所示。

2.3.2 机构的工作原理

竖直方向的运动：齿条固定在机架上，步进电机安装板以及齿轮这三者配合后，在通过对电机控制后，齿轮与齿条啮合，就可以将齿轮的圆周运动转化为这三者通过滑台在导轨上作直线运动。此外，通过电机转速以及方向来控制进给运动的速度。圆周方向的运动：通过对夹具所用的电机进行控制，就可以将电机的回转运动通过联轴器传递给夹具从而实现夹具回转运动，完成所需要的工作。

3 结论

现有的玻璃杯加工机器一般采用的是水平滚动加工方式进行深入加工，加工过程中夹具缺乏灵活性。本文根据生产实际的需求，设计了齿轮齿条式垂直进给机构与三爪联动夹具，不仅具有优异的工作寿命，并且能够在保证玻璃杯安全的情况下实现最大程度的抓紧度，有效保障了玻璃杯加工的效率。同时，在一定程度上确保了加工精度，实现了玻璃切割机多元化的发展。