高速木工四排钻床系统的机械结构设计

罗永方 陈曙光 杨宗尚 田飒飒 田景志 周胜利

（河南航天液压气动技术有限公司，河南郑州 451150）

0 引言

21 世纪以来，我国木工机械行业呈现跨越式发展，木工机械行业GDP 从世界第五转变为世界第二，但是我国木工机械的数控化率非常低[1-3]。木工机床是家具制造业和木材加工业的基础，多排钻床作为木工机床的一部分，在木材打孔加工领域有不可替代的作用。其中四排钻床具有定位灵活、操作方便等优点，是板式家具生产中常见的钻孔设备[4-7]。

本文旨在设计一种高速木工四排钻的机械结构，根据工件的主要加工工艺方案选择机床的结构形式，并根据工件定位和物料传输方案设计机床的总体布局。同时，对导轨梁是机床结构中重要的承重部件，使用有限元分析软件ANSYS 进行模态分析，检验其动态承载能力，分析结构合理性。

1 机床总体布局和机架子系统

高速木工四排钻床系统由机架子系统、钻排子系统、传输和定位夹紧子系统以及控制系统组成，除控制系统外，均属于机械结构设计的范畴。现代机床的常见结构形式包括门架式、悬臂式、龙门式、C 型和长悬臂式等几类。考虑到木工多排钻的工作方式和机床设计的美学需求，拟选择门架式作为本机床结构形式。考察现有木工多排钻的结构和加工方式，钻排系统可由数个相互独立的钻排组成。依照模块化设计的思想，每个钻排结构相似，均可独立工作、维护和调整，便于实现批量生产。高速木工四排钻中包含1 个水平钻排和3 个垂直钻排。其中水平钻排固定在机架上，用作工件在X 方向上的定位基准，3 个垂直钻排置于直线导轨上，可由齿轮齿条副实现X 方向上的平移运动。机床的总体布局如图1 所示。

图1 机床的总体结构

2 钻排子系统设计

为实现完整的钻孔加工功能，钻排系统需提供4 个自由度，即机床坐标系X、Y、Z 三个方向上的平行移动和绕Y 轴的转动。其中沿X 方向的直线运动由前述直线导轨副实现，Y 方向上的垂直运动由齿轮齿条传动机构实现，而丝杆螺母机构用于实现在Z 方向上的平移，分配盘用于完成绕Z 轴的旋转。根据过往设计经验，并考察现有设备结构，结合产品功能需求，确定钻排系统结构，如图2 所示。

图2 钻排子系统结构图

钻削传动用于实现从钻削电机到加工钻盒的传动，是本机床中最重要的传动机构，其传动性能的优劣将直接影响机床的加工性能，拟采用螺旋伞齿轮作为钻削传动件。螺旋伞齿轮，又称作弧齿锥齿轮、螺旋锥齿轮等，常用作两相交轴之间的传动，是传动效率最高的传动件之一，螺旋伞齿轮与准双曲面锥齿轮是汽车主减速器中主要采用的传动方式。

由于钻排系统的尺寸限制，气缸推杆的运动方向与钻盒运动方向相垂直，需要使用传动机构实现运动方向的转换。齿轮齿条传动用于实现气缸沿Z 方向水平直线运动到工进系统沿Y 方向垂直运动的转换。此处使用水平齿条、齿轮与垂直齿条的组合形成二次齿轮齿条传动，实现直线运动方向的转换。这一方案极大地节省了空间，减小了机床的横向尺寸。同时，齿轮齿条传动具有确定的传动比，能够保证工进组件在Y 方向上的运动精度。

丝杆螺母传动机构的作用是实现钻盒在Z 方向上的直线运动。丝杆螺母传动机构具有良好的自锁性，结构简单，加工成本低廉，并且可实现精确位移。驱动丝杆移动的力矩可分解为3 个部分，即螺纹的摩擦力矩、轴承的径向力矩和轴向力矩。由于此处使用的滚珠轴承摩擦力矩较小，忽略不计。则螺纹的摩擦力矩：

式中，F为轴向载荷；λ为螺纹升角，。

P为导程；d2为螺纹中径；ρv为当量摩擦角。

代入式（1）得到丝杆的驱动扭矩：

可见驱动丝杆所需的扭矩较小，可实现人工操作。同时，可知丝杆螺母传动机构满足自锁条件，在加工过程中可保持在正确的位置上不移动。

3 传输和定位夹紧子系统

传输系统使用了一组水平传输带，上料时由工人手工推进，传输系统的工作方式与定位夹紧系统密切相关。在本设计中，为实现工件完全定位，使用左侧固定组件、垂直钻排上的工件支撑架以及支架定位器分别提供6 个约束。左侧固定组件结构图如图3 所示，由左水平钻排及传输带组成。

图3 传输和定位夹紧子系统结构图

当工件置于机床上的正确位置后，由工件支撑架、夹紧气缸共同完成Y 方向上的夹紧；左侧固定组件、支架定位器完成X 方向的夹紧。

4 机床导轨梁的模态分析

模态分析是一种重要的动力学分析手段，主要目的是获得机器部件或设计结构的振动特性。通过有限元分析软件ANSYS 可对机械部件进行模态分析，得到其振动特性，确定结构件承受动态载荷的能力，从而检验结构的安全性和合理性。

对机床导轨梁进行模态分析。载荷包括边界条件和外部或内部的作用力函数，可分为自由度约束、集中载荷、面载荷、体载荷、惯性载荷以及耦合场载荷六大类。由于模态分析求解的是自由振动，只需要添加自由度约束。在导轨梁的两端添加固定约束，求解得到导轨梁的前4 阶振型，如图4 所示。各阶频率和振幅见表1。

表1 导轨梁前4阶振动频率

图4 机床导轨梁的前4阶振型

由表1 可知，导轨梁的前4 阶频率落在125.31 ～ 372.6Hz的范围内，其中在第3 阶频率300.42Hz 处振幅最小。考虑到在本机床工作时，导轨梁主要接受的激励来自垂直钻排在Y 方向上的往复运动，而由于钻排模块上下运动一次的频率约为2s/次，因此该激励应在2Hz 以下，与对导轨梁影响较大的各阶频率相异。因此，可认为导轨梁能够满足机床加工对其动态承载能力的要求，结构基本合理。

4 结论

本文设计了一种高速木工四排钻，根据加工方式设计了机床的具体结构和功能模块。通过考察多种典型机械传动机构的特性，充分利用齿轮齿条、直线导轨、丝杆螺母等传动机构的优点，实现了较高精度、高效率的机床加工功能。同时，对其中涉及的关键性能参数进行了计算检验。根据模块化设计思想，将钻排系统作为独立的功能模块进行设计，使得产品便于批量生产和升级优化。运用有限元分析软件ANSYS 对关键承载部件导轨梁进行模态分析，获得其振动特性，检验了其结构的合理性和安全性。