轴承内外圈加工专用机床上料机构设计

I 摘 要 本文是根据无锡迪奥机械厂轴承内外圈生产线改造项目要求，针对工人手工上料易出现危险，且效率较低的问题，设计一套轴承内外圈加工专用机床上料机构，使其能够代替工人手工上料，保证工人操作的安全性，并提高生产效率。 论文根据轴承内外圈的特点，对其上料机构进行了合理的设计。此上料机构主要实现了坯料的自动定位、夹紧以及工件的回放等功能。这一系列运动都是由气缸驱动获得。本设计中的设计部分主要包括：上料机构设计；料道设计；夹紧机构设计；驱动系统等。确定了上料机构的具体尺寸后，利用 UG 软件对上料机构的零件进行参数 化建模，并对整体结构进行虚拟装配。然后将装配体导入 UG 软件的运动仿真界面，并利用软件进行运动学仿真和动力学仿真。分析仿真结果，得出相应结论。最后对轴承内外圈加工专用机床上料机构进行优化设计，提高其稳定性，可靠性，让本设计能够真正的投入到日常生产操作中，使其切实能够为轴承厂的生产线改造做出贡献。 关键词： 上料机构；参数化建模；虚拟装配；运动仿真 II Abstract This article is based on the requirements of the bearings inside and outside circle line renovation project of the wuxi dior machinery, and it aims to solve the problem that the manual feeding by workers which is dangerous for workers, and it has low efficiency, therefore a set of bearing inner and outer circle machining machine tool feeding mechanism is designed to replace the manual feeding of workers, and ensure the security of workers when operating, and improving producing efficiency. This paper provides a reasonable design of the feeding mechanism according to the characteristics of the bearing inner and outer circle. The feeding mechanism mainly achieves the following functions: the automatically positioning, clamping and artifact-play backing of the billet, etc. This series of movement is driven by cylinder. The design part of this design mainly includes: the design portion of feeding mechanism； material design； the design of Clamping mechanism； Drive systems, etc. The method is: firstly determining the dimensions of the feeding mechanism, and then using UG software for parametric modeling of parts of the feeding mechanism, after that, doing virtual assembly to the overall structure； then importing the assembly body to the motion simulation interface of UG software, and using the software to do kinematics simulation and dynamics simulation. Thereafter, analyzing the simulation results, and getting the corresponding conclusions. Finally the optimization design of bearing inner and outer circle machining machine tool feeding mechanism is done, to improve its stability, reliability, and to make the design truly enter into the daily production operation, make it practical and able to contribute to bearing factory production line modification. Key words: feeding agencies； parametric modeling； virtual assembly； motion simulation V 目 录 摘 要 . I Abstract . II 目 录 . V 1 绪论 . 1 1.1 上料机构设计的研究内容和意义 . 1 1.2 上料机构国内外发展现状 . 1 1.3 本课题应达到的要求 . 2 2 总体方案设计 . 4 2.1 上料机构的类型 . 4 2.2 设计方案 . 5 2.2.1 设计要求 . 5 2.2.2 整体结构设计方案 . 6 2.2.3 上料机构各部分的设计与计算 . 7 2.3 本章小结 . 14 3 基于 UG 的上料机构三维建模与虚拟装配 . 15 3.1 UG 软件介绍 . 15 3.2 三维建模 . 16 3.2.1 主要部件及其相互关系 . 16 3.2.2 主要零部件的三维建模 . 16 3.3 上料机构的虚拟装配 . 21 3.3.1 基于 UG 的高级装配功能 . 21 3.3.2 上料机构的虚拟装配 . 22 3.4 本章小结 . 24 4 基于 UG 的运动仿真 . 25 4.1 运动仿真的工作界面 . 25 4.1.1 UG 的接口问题 . 25 4.1.2 打开运动仿真主界面 . 26 4.1.3 运动仿真工作界面介 绍 . 26 4.2 上料机构的运动仿真 . 27 4.2.1 连杆特性的建立 . 28 4.2.2 运动副特性的建立 . 30 4.2.3 施加运动 . 31 4.2.4 分析验证 . 33 4.3 本章小结 . 34 5 结论与展望 . 35 5.1 结论 . 35 5.2 不足之处与展望 . 35 VI 致 谢 . 36 参考文献 . 37 轴 承内外圈加工专用机床上料机构设计 11 绪论 1.1 上料机构设计的研究内容和意义 本课题来源于无锡迪奥机械厂生产线改造项目。 本论文的主要内容包括： (1)根据企业实际生产设备和技术要求，提出轴承内外圈加工专用机床上料机构的结构方案，并对各个零部件进行设计。 (2)对轴承内外圈加工专用机床上料机构利用 UG 软件进行三维建模。 (3)对轴承内外圈加工专用机床上料机构进行虚拟装配，对虚拟样机进行干涉检验，并进一步完善样机。 (4)将装配部件导入 UG 软件运动仿真界面，并在 UG 中对机构进行运动仿真分析，检验所选取方案及其模型的合理性，并对机构进行优化设计。 上料机构设计的意义： 轴承内外圈加工专用机床上料机构是利用压缩空气作为动力源，取之不尽，用之不竭，可以节约能源， 气体不易堵塞流动通道，用过后可随时排出，不污染环境，成本较低，维护保养容易，气动动作迅速，反应快，气动机械手与气动夹具相互配合工作，能够实现数控车床的自动连续工作，从而提高了零件的加工成本，降低了工人的劳动强度。轴承内外圈加工专用机床上料机构作为前沿的产品和自动化生产线更新的需求，可以大量代替单调重复或要求高精度的工作，并提供多机床看管的可能性，因此能够大大的提高公司的劳动生产率。 1.2 上料机构国内外发展现状 上料是加工必备之步骤，因此上料是机械设备中必要之工序，并且上料在国内用途较为广泛。 1、机械冶 金工业用途 物流产业如今将产业效率提高到了一定的程度，因此对于物料运输这一块过程，在机械产业链中是不可或缺的一部分，也是成为提高生产效率的有效手段之一。 传送带式 (功用包括提升、加料、整物件运输、删选、检验、抽取、出仓等 )适用于各种货物运输与协调，因其处于平面传送，但作用面积及其占地面积非常巨大，所以用在空旷且运输通畅的厂房之中较为合适。加上振动机构，或者将传送装置曲线化，可以进行检测及其检验工作。而其主要技术参数决定其具体适用方面，角度及其长度，速度及其平稳度。 因此使用范围由“平面输送”到“斗式运输”方 式，关于适用环境我们便可根据自己的使用条件加以调节，这也是一种趋势，节约资源、空间、时间，所以如此看来，传送带机械设备跟其他机械设备相同，同样具有灵活性的特点。 螺旋输送设备设计参数复杂，难于设计，而又适合密封，密封以便于防止尘埃，所以在条件要求苛刻的、无尘密封式机械设备易于使用，利于推力及其密封包装的摩擦来达到运输目的。适用性广泛，但其比较适用于细小的零件的传送。传送距离较传送带而言较为无锡太湖学院学士学位论文 2 短，而设备事故处理由于封闭性限制，设计方法具有很大的控制性，所以选择时应注意。 气压流体传输方式限制较为苛刻，一般用在颗 粒可悬浮物件，或为流体物件，机械结构需要密封，清理较为繁琐，而且需要确定定期更换腐蚀物件重要性。 有关其他运输机、传送机在机械领域中的应用，是对适合场合特定环境的特有机械，矿车、钢索等上料机构改装后会具有传动系统的特征，因此是分类的集合。 2、农业等日常生活用途 日常生活中，传输上料为生活不可或缺之模式。而机械设备，便是将其简单化，将其人性化，将其细致准确化的必要手段。从人力到物力，农业生产过程是单一繁琐而耗时的，通过传输设备使此种劳动机械化，节约化，实效化。 传送带为农业最为常用之手段，其占地广，输送距离 长能够适用多种作用的上料功用，例脱皮、加工、检验、提升种种功用，是令人力节约化的有力设备。而日常生活中，提供作为改变事物传统定义的传输机械设备，令人更为节省劳动力，实现长时间舒适活动的便有：自动扶梯、自动人行道等便捷行走攀登的传输设备。电梯也属于广义上的运输机构，因此传送机构帮助日常生活的行走、攀爬、检验、运输等方面贡献巨大。 3、其他用途 既然有其他必定是人们少于接触的领域，最近看了一篇关于大陆架浅海开采石油矿井类运输系统，石油运输油管输送设备，其实细细归类应算上是气压流体类运输体系统，但这里讲的是新型用 途，所以就不详细追究关于适合新型运输材料的系统的归类问题了。 还有的特别用途，个人觉得是医用化学用途，运输材料具有特定性质，此性质关系到污染程度及其成活率，所以运输需要特有材质与环境保护，上料的概念个人认为体现在实验与运输过程之中，相信这个过程不仅仅需要人员心思缜密，还需要准确精密的设备来保证，而这段上料的设备主要依靠的动力源仍然可以是电力与点击回转驱动的系统，例如机械手臂 1。 上料机构国外的发展现状： 机械手上料机构首先是从美国开始研制的。 1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体 上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓取机构，控制系统是示教形的。 1962 年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。 1962 年美国机械制造公司也实验成功一种叫 Vewrsatran 机械手。 1978 年美国 Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种 Unimate-Vicarm 型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于 1 毫米。联邦德国 KnKa 公司还生产一种电焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械发展最快、应用最多的国家。自 1969 年美国引用两种机械手后大力从事机械手的研究。 1.3 上料机构设计应达到的要求 本课题应该达到以下几个要求： (1)分析原始材料，查阅相关资料，收集整理有关上料机构设计、成型工艺、设备、机械加工等的资料。 轴 承内外圈加工专用机床上料机构设计 3(2)对机床进行系统分析和功能分析，并在此基础上确定上料机构的设计方案。 (3)完成上料机构的零件设计以及整体设计，对各个上料机构的所有零件进行三维建模与虚拟装配。 (4)对上料机构的装配体进行分析。 (5)对上料机构的装配体进行运动仿真分析，得出结论，分析其运动过程。 无锡太湖学院学士学位论文 4 2 总体方案设计 2.1 上料机构的类型 1、卧式平行四杆上料机构工作原理及结构 该上料机构采用卧式平行四杆机构，减少了顶杆与导套间的力矩，使顶杆运动更加平稳。它较好的解决了将水平直线运动转化为垂直直线运动的问题。因为水平撞杆可以脱离拨叉，该机构调整起来十分方便。相对齿轮齿条而言，该机构造价低廉，调整方便，对环境要求低。实践证明该机构安全可靠，简便实用 2。 工件水平放置，上料机构用气缸推动自动上料，并通过模具加以整形。图 2.1 即为其机构简图，图 2.2 为其运动简图和工件图。 图 2.1 自动上料机构简图 图 2.2 机构运动 简图和工件图 2、碗槽开启式上料机构工作原理及结构 碗槽开启式上料机构通过两组平行的长轴安装在托架上，碗槽靠轴承座固定在长轴上，两个连接杆的一端分别与两组长轴相连，另一端与减速机。电机相连，电机频繁启动来实现碗槽的开启。 图 2.3 为碗槽开启式上料机构简图。其支架结构为焊接结构，用以托住托架；支架与托架的连接板用螺栓紧固，两组平行的沿轧制线左右均布的长轴，由轴承座固定在托架上。轴 承内外圈加工专用机床上料机构设计 5长轴与长轴之间靠花键套连接，用于传递扭矩。每三个碗槽一组用轴承座与长轴固定，为便于碗槽开启，轴承座内部装有铜套。两个连接杆一端用关节轴 承与长轴相连，另一端与偏心轮相连，以实现左、右碗槽分别开启，偏心轮装在减速机上，减速机为双出轴，每根出轴上装有一个偏心轮，每个偏心轮内部装有两盘轴承，偏心轮上带有增量式编码器，用于控制开启的角度，左、右碗槽中间带有自循环冷却水槽，用于降低碗槽及轧件的温度。工作时轧件经倍尺剪切后，由剪后夹送锟夹送至碗槽，碗槽开启使轧件落在矫直板上，倍尺剪后设有钢导向器，使轧件能顺利进入左、右碗槽 3。 图 2.3 碗槽开启式上料机构简图 2.2 设计方案 2.2.1 设计要求 轴承内外圈一般是在常温下利用模具冲压钢板 而成，其加工工艺的特点是：冲压加工靠模具和设备完成加工过程，工件形状和尺寸精度、表面质量均能得到保证，能加工复杂的轴承内外圈，生产效率高，成本低，但模具制造复杂、周期长。 冲压轴承内外圈的加工一般包括冲裁、弯曲、拉延、成形等工艺，其中成形加工有缩口、翻边、胀形、整形、校形等。轴承内外圈其冲压工艺过程主要有： 剪料：按工艺计算毛坯尺寸在龙门剪床上剪切所需要的条料。 切料、成形、冲装置孔：借助复合模在压力机上一次完成切料、成形、冲装置孔。 车端面：在车床上采用专用夹具夹紧轴承内外圈，车削端面，一般 0.3 0.5mm。 扩张：借助扩张模具在压力机上将轴承内外圈内腔扩大一些。 辅助工序：窜光、酸洗、清理和涂油包装 4。目前轴承厂工人生产内外圈均为手动上无锡太湖学院学士学位论文 6 料。手动上料不仅工作效率低，而且随着劳动时间增加、劳动强度增加，工人在疲惫的生产中，疏忽大意，容易产生误操作，造成肢体损伤等一些事故的发生。如图 2.4 所示。 本文研究的轴承内外圈加工专用机床上料机构主要用在轴承内外圈车端面的工序中，要求其能够代替工人直接用手将内外圈安装到高速模具上的工作，而通过送料机构完成向高速机床的上料任务。上料装置以一定的速度和频率不断地将内外圈 送到高速机床上。在生产中，工人只需将内外圈毛坯放置在上料机构的料道上。与以往手工上料相比，可以大大降低工人的劳动强度和危险系数，同时提高公司的生产效率，降低成本。 图 2.4 工人手动上料过程 2.2.2 整体结构设计方案 通过上文对两种上料机构的介绍，因为考虑到机构的简便性、经济性、工作环境等多种因素，所以选用第一种上料机构。 上料机构的设计思路可以用框图形式更加直观地表达，如图 2.5 所示。 轴 承内外圈加工专用机床上料机构设计 7 图 2.5 总体设计思路框图 轴承内外圈加工专用机床上料机构的上料工作应由装料系统和送料系统两部分完成，工人将工件放入装料系统，工件由自身重力滑入夹具，当工件就位后， PLC 控制送料系统将工件送向高速车床的工作台上。下文主要对方案中的各部件做具体分析和设计计算，力求做出一套能够切实代替工人手工上料的、高效的上料机构。 2.2.3 上料机构各部分的设计与计算 1、上料机构外形轮廓确定 目前，轴承厂的生产设备主要采用自动化机床。该机床主要用于印刷、造币、电机制造等行业，它是提高机床精度，降低工件成本，提高生产率的理想工作机器。床身采用开式结构，刚性超负荷保险，干式组合摩擦离合器与制动器，采用气囊平衡缸。采用集中 稀有统一润滑、电气采用 PLC 控制。当行程次数超过 250 次 /分时，可选配电脑电子凸轮控制器，该控制器可实现自动停止死点功能。可装配光保护装置，可搭配开卷、校平。自动送料装置，实现压力机自动化作业，能够替代进口的产品。轴承内外圈加工专用机床，如图 2.6 所示。 无锡太湖学院学士学位论文 8 图 2.6 轴承内外圈专用机床 轴承内外圈加工专用机床的主要技术参数如表 2-1 所示。 表 2-1 轴承内外圈加工专用机床的技术参数表 项目 要求 最大工件回转直径 80mm 最大车削长度 50mm 中心高 180mm 主轴头行程 10mm 主轴锥 孔 -安装基准孔 100mm 主轴孔径 30mm 主轴转速范围 1200-1700 机床轮廓尺寸 1200X550X1760 主轴线与机床边缘间距 275mm 主轴线距地面高度 1046mm 床头箱长度 327mm 由表 2-1 可知，轴承内外圈加工专用机床的轮廓尺寸为，轴承内外圈直径为 80mm，上料机构底座下表面与工作台表面平齐，所以确定夹具高度为 167mm；考虑到安装空间和可靠性等因素，确定底座尺寸为 mmmmmm 18165360 ，上料机构 L 型板的尺寸为 mmmmmm 300150315 。 2、上料机构距离确定 上料机构必须安装在专用机床工作台之外，由此可以确定机构到专用机床工作台中心的上料距离必须大于 160mm。根据夹具装置实际尺寸和越过物料所需要的最小距离，确定自动上料每次行程在 180mm，其数值可以在后续仿真中进一步确定。 3、夹具装置设计 轴 承内外圈加工专用机床上料机构设计 9(1)夹紧手指的尺寸设计 夹紧手指的夹持误差不超过 1.5mm； 工件半径 mmR 402/80 ； 取手指长度为 2 倍的工件平均半径 mmRL CP 802 ，这时夹持误差最小。 取夹角为 1202 ，偏转角 按最佳偏转角确定： 8.4360s i n120/75a r c c o ss i n/a r c c o s LR mmLR 8.938.43c o s60s i n150c o ss i n1 min0max RRR mmRR 28s i n1s i n/c o s21s i n/1 21m a x2m a x21 mmRR 26s i n/c o s21s i n/1 21m a x2m i n21 mm27 夹持误差满足设计要求。 (2)弹簧选择 应具有适当的夹紧力，力量过大会损坏工件，力量过小则工件容易脱落。所以在确定握力时，除了考虑工件重量外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件夹持安全可靠 5。由上述材料可知，内外圈直径为 80mm。再根据夹具尺寸，所以选择普通圆柱螺旋拉伸弹簧，长度不大于 80mm。 (3)定位元件 工件以平面为定位基准，在夹具上定位的主要形式是支承定位。当毛坯质量不高，或不同批的毛坯尺寸差别较大时，使用可调支承调节支承点位置。在产品系列化情况下，用同一夹具加工结构相 同而尺寸规格不同的零件时，也可以通过适当调整支承来完成。根据以上所述，选择定位元件为可调定位销。在机械手将毛坯送至夹紧装置加工的过程中，毛坯的定位需限制 5 个自由度，所以要加上上料 V 形铁加以定位。 (4)导向杆的设计 不同配置和不同导向截面形状，其摩擦阻力不同，要根据具体情况进行估算。该自动上料机械手机构采用的导向杆截面形状为圆柱状，导向杆安装在夹具的后部，起导引作用。启动时，导向装置的摩擦阻力较大，计算如下： 0MA baFLG 总 aLGFb /总 (2.1) 0Y ab FFG (2.2) aaLGF a / 总 (2.3) 无锡太湖学院学士学位论文 10 baba FFFFF 摩摩摩 (2.4) aaLGF /2 总摩 (2.5) 式中： 总G 参与运动的零部件所受的重力； L 手臂参与运动的零部件的总量的重心到导向支撑前端的长度； a 导向支撑的长度； 当量 摩擦系数，其值与导向支撑的截面形状有关，对于圆柱面： 57.127.12/4 ， (其中， 是摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时，铜对青铜取 为 0.1 0.15，铜对铸铁取 18.0 0.3)。 4、驱动装置的选 取 选择哪一种驱动装置，要根据上料机构的工作要求，性能规范，控制功能，维护的复杂程度，运动的功耗，性能与价格比以及现有条件等综合因素加以考虑。目前主要有三类驱动装置可供选择，分别为液压驱动、气压驱动、电力驱动。 (1)液压驱动的特点 功率质量比大，即在同等功率下，液压装置的体积小，质量小；无极调速；工作平稳，与电器装置配合，易于实现系统的远程操纵和自动控制；易于过载保护；标准化、系列化程度较高，通用性好，便于选择使用，缩短设计、制造周期 6。 (2)气压驱动的特点 气压传动使用的压缩空气取自大气，无传动介 质成本。将用过的气体直接排入大气，不会污染环境；压缩空气的工作压力较低，对元件材料和制造精度的要求较低；空气的黏度很小，在管路流动过程中的压力损失远远小于液压传动，压缩空气便于集中供应和远程传输；使用方便、安全、维护简单。 (3)电力驱动的特点 可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度 ,从而达到调速的目的 .误差不会长期积累 ,控制性能好 .与其它驱动相比 ,电力驱动是系统性与通用性最强的 ,它还是一种无污染的清洁能源 ,它的低成本和使用上的方便都是其他方式无法比拟的。 通过分析各类驱动系统特点，充分论证合理性 、可行性、经济性及可靠性后，最终选用气压驱动 7。 5、气缸的设计 (1)负载率的概念 负载率 Q=气缸实际负载 /气缸理论输出力 其中 Q 是一个选择值，与气缸的负载性能、密封状况及运动速度有关。其选取原则是速度愈小， Q 值越大，反之则小。对于惯性负载和以下等速度运动的气缸 Q 值选取 0.5 较合适，当系统对气缸无确定速度要求时， Q 值取 0.8，气缸高速运动时 Q 值一般为 0.35 以下。确定了气缸负载率 Q，即可确定气缸的理