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机械手 设计 CAD

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小型立式加工中心无机械手自动换刀装置的设计曹秋霞(河南机电高等专科学校, 新乡 453002)摘要: 主要介绍了 MCV2520小型立式加工中心无机械手自动换刀装置设计过程。重点阐述了无机械手自动换刀装置主要组成部分刀库的设计计算方法。关键词: 加工中心; 无机械手自动换刀; 刀库中图分类号:TG659? ? 文献标识码:B? ? 文章编号:1001- 3881 (2006)9- 054- 3Design on No?finger Automatic Tool Changer ofM iniature VerticalM achining CenterCAO Qiuxia( HenanMechanic and Electric Engineering College , Xinxiang Henan 453002,China)Abstract : The designing process on no?finger auto matic tool changer ofMCV2520 miniature verticalmachining center was intro?duced?The designing and calculating methods ofmajor co mponentpart toolmagazine ofno?finger auto matic toolchangerwere expounded.K eywords :M achining center ; No- finger auto matic tool changer ; Toolmagazine0? 引言MCV2520小型立式加工中心体积小、结构紧凑、生产效率高、精度 较高,能完成 铣、钻、扩、铰、锪、攻丝等多种加工工序, 能进行小型板类、盘类、壳类、模具类等复杂零件的多品种中小批量加工。主轴采用高速电主轴; 工作台采用的是 X - Y 双向精密数控工作台; 可以实现 X、Y、 Z三个方向的进给;有自动换刀装置, 可以安装各类钻、铣类刀具并自动换刀。MCV2520小型立式加工中心总体结构布局如图 1所示。1?床身? 2?X- Y 精密数控工作台?3?刀库移动部件4?刀库? 5?Z向进给部件?6?立柱?7?电主轴图 1? MCV2520小型立式加工中心总体结构示意图为使加工中心的结构紧凑, 减小加工中心的外形尺寸, 降低成本, 在设计自动换刀装置时, 应在满足使用要求的前提下, 尽量使其结构简单紧凑, 价格低廉, 易制造, 拆卸、装配维修方便, 备件容易得到。加工中心自动换刀装置有两种形式 1: 有机械手换刀和无机械手换刀。加工中心的自动换刀装置, 大都采用有机械手换刀方式。它是由机械手把刀库上的刀具送到主轴上,再把主轴上已用过的刀具返送到刀库上。换刀时间短, 但其机械结构比较复杂 1。无机械手换刀方式是直接在刀库与主轴(或刀架 ) 之间换刀的自动换刀方式。因无机械手,所以结构简单。换刀时必须首先将用过的刀具送回刀库,然后再从刀库中取出新刀具, 这两个动作不能同时进行, 所以换刀过程较为复杂, 换刀时间较长。但是刀库回转是在工步与工步之间, 即非切削时进行的, 因此可免去刀库回转时的振动对加工精度的影响。无机械手换刀方式适用于 40号以下刀柄的小型加工中心或换刀次数少的用重型刀具的重型机床 1。考虑到所设计的小型加工中心主要用于中小批量生产, 且主要用来加工小型零件上的孔和平面等, 刀库容量较小, 无须过多考虑换刀时间的长短, 且采用的是 30号刀柄, 综合考虑, 刀库宜选择无机械手换刀方式。1? 无机械手换刀装置刀库的设计1?1? 刀库形式的选取无机械手换刀方式中, 刀库可以是圆盘形、直线排列式, 也可以是格子箱式等。直线排列式和格子箱式刀库结构相比较复杂, 适用于刀库容量较大的加工中心; 圆盘形刀库容量较小, 刀库结构简单紧凑, 刀库转位、换刀方便, 易控制 1。且所设计的加工中心主要用来加工小型零件上孔和平面等, 不必在刀库里放太多刀具, 因此选用圆盘式刀库。1?2? 刀库的放置立式加工中心无机械手换刀方式的圆盘形刀库的放置有两种形式: 刀库置于立柱侧面的横梁上和置于工作台上。由于采用的是标准的精密数控工作台, 所以选用刀库置于立柱侧面的横梁上。此结构简单, 且?54? 机床与液压 2006?No?9不会发生刀库和主轴的干涉现象, 但刀库的支承刚性较差, 须增强立柱的刚度, 以减小横梁弯扭矩的影响。在立柱左边安装一横梁, 在横梁上有导轨, 导轨上安装有滑座, 将刀库安装在滑座上, 通过刀库沿横梁移动到主轴端, 由主轴来实现换刀, 如图 1所示。1?3? 刀库的组成图 2? 刀库结构组成示意图刀库由刀盘部件、轴承、轴承套、轴、 箱 盖、 拨 销、锁止盘、电机、槽轮、箱 体 等 组 成,结构 组 成 示意 图,如图 2所示。1?4? 刀库主要参数的确定( 1) 刀库容量本加工中心主要用来加工小型零件或多孔零件上的小孔和小平面,所以刀库上主要安装一些孔加工刀具(如钻头、扩孔钻等 ) 和加工小平面用的立铣刀及小直径的面铣刀; 同时又考虑到所选用电主轴轴端的尺寸及刀盘直径等的限制; 再考虑到主要用于中小批生产及教学实验等, 刀具的品种不宜过多, 以免造成不必要的浪费和刀库尺寸过大, 采用 8把刀。( 2) 刀具最大直径和长度立铣刀的最大直径定为 40mm, 钻头的最大直径定为 10mm, 最大工作部分长度定为 150mm。( 3) 刀具最大重量为 1kg。( 4) 刀具最大运动线速度为 22 30m /m in。1?5? 刀盘部分的设计图 3? 刀盘部件图1?5?1? 刀盘尺寸的确定刀盘采用轮辐式结构,这样既能满足使用的要求, 又能保证刀盘的强度。在整个设计的过程中要保证各个尺寸在换刀过程中不发生干涉即可, 刀盘直径为 210mm。1?5?2? 刀爪尺寸的设计刀爪的外型尺寸根据 30号刀柄设计。1?5?3? 夹块的设计夹块在刀爪抓刀时插入到键下半部中, 以及刀具在刀库中时夹块一直插在键中,起准确定位的作用。因此, 夹块的宽度尺寸精度要求很高。夹块宽度的尺寸主要由键的宽度来决定。1?6? 刀库转动定位机构的设计1?6?1? 刀库转动定位机构的选择目前圆盘式刀库大多采用的是单头双导程蜗轮蜗杆传动, 此传动机构在使用中可随时调整蜗轮蜗杆的传动间隙, 实现准确的转位分度, 保证刀库工作的可靠性, 但此传动机构较复杂, 而且单头双导程蜗轮和蜗杆的加工较困难 1。槽轮机构具有冲击小, 工作平稳性较高, 机械效率高, 可以在较高转速下工作, 且结构简单, 易制造等优点, 在目前生产的鼓轮式刀库的加工中心机床上, 通常采用槽轮机构来驱动刀库的分度回转运动。但此机构定位精度不够高, 为提高其定位精度可采用带制动器的交流伺服电机, 从而可保证较高的定位精度。1?6?2? 槽轮机构的工作原理图 4? 外啮合槽轮机构? ? 的工作原理图槽轮机 构(又 称马尔他机构 ) 能把主动轴的匀速连续运动转换为从动轴的周期性间歇运动,常用 于各种分度转位机构中。槽轮机构有三种基本类型: 外 啮合槽轮 机构、内啮合槽轮机构和球面槽轮机构 2 , 4。刀库即可采用外啮合槽轮机构也可采用内啮合槽轮机构。设计中采用外啮合槽轮机构。外啮合槽轮机构的工作原理如图 4所示, 它由主动曲柄、槽轮、拨销和锁止盘组成。外啮合槽轮机构的主动曲柄回转轴线与槽轮回转轴线平行, 通常主动曲柄作等速回转, 当主动曲柄上的拨销进入槽中, 就拨动槽轮作反向转位运动, 当拨销从槽中脱出, 槽轮即静止不动, 并由锁止盘定位。当只有一个拨销时, 主动曲柄转一周, 槽轮作转一个角度的步进运动, 从而实现转位、分度和定位 2。1?6?3? 槽轮机构参数计算槽轮槽数 Z 可根据刀库容量选取,但不同槽数时外啮合槽轮的角速度和角加速度的变化不同, 槽数越小。则角加速度的变化越大, 由此产生的冲击和磨损也就越大。因此在用外啮合槽轮机构作为刀库转动?55? 机床与液压 2006?No?9定位机构时, 槽数不应小于 8。设计中刀库容量为 8把刀。槽轮机构的其它参数可由表 1 2求出。表 1? 槽轮机构的参数参数名称计算公式槽间角 2?22?2= 360? /Z槽轮每次转位时曲柄的转角 2?12?1= 180?- 2?2槽轮与锁止盘间的中心距 L选用时考虑转位定位机构强度和刚度, 并使其结构紧凑主动曲柄长度 R1R1= Lsin?2槽轮半径 R2R2= Lcos?2圆销半径 rr= R1/6槽底高 bb= L- (R1+ r) - ( 3 5)槽深 hh= R2- b锁止弧半径 RxRx= R1- r- e? 式中:e= ( 0?6 0?8)r,且必须大于 3 5mm? ? 根据以上参数可设计出槽轮和锁止盘的尺寸。当槽轮机构进入和脱出槽口的瞬时位置, 主动曲柄中心与槽的中心线垂直, 使槽轮转位起、停瞬时的角速度等于零, 避免了刚性冲击。但是槽轮转位起、停时的角加速度变化较大, 且在转位过程的前半阶段与后半阶段的角加速度方向不同, 因此, 当槽与滚子之间存在间隙时, 会产生一定冲击, 为减小冲击可采取以下方法 3:(1) 减小或消除拨销和槽之间的间隙;(2) 消除拨销开始进入槽时的间隙, 应使槽轮的实际外圆半径 R2a略大于槽轮的名义外圆半径 R2,取 R22a= R22+ r2, 式中 r为拨销半径。(3) 回转轴采用空心结构, 减小槽轮组件的转动惯量。(4) 增加轴承的预紧力, 使轴承的间隙为零,从而增加槽轮组件的回转阻尼。1?7? 刀库转动电机的选择刀库的回转驱动电机的选择时, 须考虑由摩擦引起的负载转矩和各负载的转动惯量 1。1?7?1? 负载的转动惯量 JLC和刀库系统转动惯量 JCJLC= ? Ji(ninm)2(1)JC= JmC+ JLC(2)式中:Ji为各旋转件的转动惯量,kg ?m2;? ni为各旋转件的转速,r/min;? JmC为电机的转动惯量,kg ?m2;? nmC为电机的转速,r/min。JLC= (JDP+ JZ+ JCL+ JSP) (nCnmC)2(3)式中:JDP、JZ、JCL、JSP分别为刀盘、轴、槽轮和锁止盘的转动惯量,kg ?m2;nC为刀盘的转速,r/min。JDP=?32?7?8 ? 10- 12D4DPLDP(4)式中: DDP为刀盘直径,mm;LDP为刀盘厚度,mm。nC=v ? 1000? DDP(5)式中:v为刀具的最大运动线速度, m /min。JmC?JLC3初选电机, 其额定转矩、最大转矩、转动惯量JmC均可选定。即可计算JC= JmC+ JLC1?7?2? 摩擦引起的负载转矩计算由重力产生的摩擦力矩 TFC(N?m)TFC? ? GCRSP(6)式中:?为槽轮和锁止盘间摩擦系数, 取 0?15;? GC为刀盘、轴、槽轮等的重量,N;? RSP为滚子中心到锁止盘中心的距离。如果 TFC? 电机的额定转矩, 则符合要求。1?7?3? 最大加速转矩 Tcam当电机从静止升至 nmax时Tcam= JC2?nCmax60tCa(7)式中:nCmax为电机最高转速,r/m in;?tCa为加速时间 ( s), 取 0?2s。1?7?4? 电机的最大启动转矩TCr= Tcam+ TFC(8)如果 TCr? 电机的最大转矩, 则符合要求。最终确定电机型号、输出功率。相应的伺服驱动器选择与电机相匹配的型号。1?8? 刀库移动部分的设计1?8?1? 刀库支承横梁和导轨的设计横梁支撑着刀库的整个重量, 因此, 它的强度和刚度要求较高。且为了实现刀库的移动, 在横梁上要设计可使刀库移动的导轨, 根据床身的整体高度及立柱的形状来考虑, 横梁的端面与立柱的联接断面应成长方形。连接处的凸缘与立柱用螺栓来连接, 由定位销定位, 在装配时配作。根据刀库的行程, 再加上滑台的尺寸和刀盘尺寸等, 确定静导轨的总长度, 两端各装一减振器, 目的是为了消除滑台到两端时的冲击力。考虑刀库移动电机和丝杠的安装尺寸等, 确定静导轨的高度和宽度;考虑到刀库支承部分的尺寸, 确定滑座和动导轨的长度; 考虑静导轨的宽度和刀库支承部分在该方向的尺寸, 确定滑座的宽度和高度。(下转第 108页 )?56? 机床与液压 2006?No?9所得初 始子 模型 如图 6。分析 结果:最大 应变 =0?814mm, 最大应力 = 177?4MPa , 重量 = 32?56t 。( 3) 结果评价。该模型的许用应变为 1?08mm,许用应力为 162?5M Pa , 所求最大应力为应力集中,焊接后可消除, 则强度、刚度满足设计要求。但该结构的典型特点为台面尺寸大, 仍取原 13m2模型所使用的油缸时, 油缸直径太小, 容易导致上滑块下行不平稳。( 4) 修 改结构。根 据设计经验 取油缸直 径为?650mm。修改后的上梁子模型如图 7 。修改结构后, 最大应变 = 0?971mm, 最大应力 =175?6MPa , 重量 = 32?33t 。修改前后分析结果比较见表 3。表 3?16m2、 10000kN上梁模型修改前后分析结果对比最大应变最大应力重量初始子模型0?814mm177?4MPa32?56t修改后子模型0?971mm175?6MPa32?33t变化量+ 19?3%- 1?0 %- 0?7%? ? 尽管修改后的应变有所增大, 但仍然小于许用应变, 且克服了上述上滑块下行不平稳的缺点, 同时又使筋板布局更趋均匀。同样的方法可以扩展液压机中的其它模块, 从而形成各种柔性模块族表。各个模块独立设计完成之后, 根据模块的接口信息, 进行整机拼合, 从而完成液压机产品的快速设计。3? 结束语液压机产品的设计与制造快速响应市场能力对企业的国际竞争力有着重要的影响, 而液压机主机设计是影响该类产品设计的关键。由于其主机结构变化多样, 传统的模块化设计理论和方法已不能满足设计需求, 基于柔性模块的快速设计理论, 给模块化设计赋予了新的涵义, 通过对柔性模块的参数化、变量化设计、以及产品族的规划, 依照一定的模块和产品扩展原则可快速设计出个性化的、符合用户需求的产品。参考文献【1】徐丽萍 ? 面向产品族的液压机广义模块化设计研究 D ?天津大学,2004?1?【2】钟伟弘 ?面向产品族的液压机广义模块化快速设计技术 D ?天津大学,2004?8?【3】徐燕申, 侯亮 ?液压机广义模块化设计原理及其应用 J ?机械设计,2001 ( 7): 1- 4?【4】童时中 ?模块化原理设计方法及应用 J ?北京: 中国标准出版社,2000?作者简介: 黎旭( 1972?), 男,天津工业大学教师,多年从事制造业自动化、 CI M S 、快速设计 /制造等方面的研究, 发表论文多篇。黄艳群( 1972?),女, 天津大学博士, 讲师, 主要从事 CI M S、CAPP等研究, 发表论文 30余篇。