換刀機械手設計帶CAD圖
換刀機械手設計帶CAD圖,機械手,設計,CAD
小型立式加工中心無機械手自動換刀裝置的設計曹秋霞(河南機電高等專科學校, 新鄉(xiāng) 453002)摘要: 主要介紹了 MCV2520小型立式加工中心無機械手自動換刀裝置設計過程。重點闡述了無機械手自動換刀裝置主要組成部分刀庫的設計計算方法。關鍵詞: 加工中心; 無機械手自動換刀; 刀庫中圖分類號:TG659? ? 文獻標識碼:B? ? 文章編號: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小型立式加工中心體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、生產(chǎn)效率高、精度 較高,能完成 銑、鉆、擴、鉸、锪、攻絲等多種加工工序, 能進行小型板類、盤類、殼類、模具類等復雜零件的多品種中小批量加工。主軸采用高速電主軸; 工作臺采用的是 X - Y 雙向精密數(shù)控工作臺; 可以實現(xiàn) X、Y、 Z三個方向的進給;有自動換刀裝置, 可以安裝各類鉆、銑類刀具并自動換刀。MCV2520小型立式加工中心總體結(jié)構(gòu)布局如圖 1所示。1?床身? 2?X- Y 精密數(shù)控工作臺?3?刀庫移動部件4?刀庫? 5?Z向進給部件?6?立柱?7?電主軸圖 1? MCV2520小型立式加工中心總體結(jié)構(gòu)示意圖為使加工中心的結(jié)構(gòu)緊湊, 減小加工中心的外形尺寸, 降低成本, 在設計自動換刀裝置時, 應在滿足使用要求的前提下, 盡量使其結(jié)構(gòu)簡單緊湊, 價格低廉, 易制造, 拆卸、裝配維修方便, 備件容易得到。加工中心自動換刀裝置有兩種形式 1: 有機械手換刀和無機械手換刀。加工中心的自動換刀裝置, 大都采用有機械手換刀方式。它是由機械手把刀庫上的刀具送到主軸上,再把主軸上已用過的刀具返送到刀庫上。換刀時間短, 但其機械結(jié)構(gòu)比較復雜 1。無機械手換刀方式是直接在刀庫與主軸(或刀架 ) 之間換刀的自動換刀方式。因無機械手,所以結(jié)構(gòu)簡單。換刀時必須首先將用過的刀具送回刀庫,然后再從刀庫中取出新刀具, 這兩個動作不能同時進行, 所以換刀過程較為復雜, 換刀時間較長。但是刀庫回轉(zhuǎn)是在工步與工步之間, 即非切削時進行的, 因此可免去刀庫回轉(zhuǎn)時的振動對加工精度的影響。無機械手換刀方式適用于 40號以下刀柄的小型加工中心或換刀次數(shù)少的用重型刀具的重型機床 1?？紤]到所設計的小型加工中心主要用于中小批量生產(chǎn), 且主要用來加工小型零件上的孔和平面等, 刀庫容量較小, 無須過多考慮換刀時間的長短, 且采用的是 30號刀柄, 綜合考慮, 刀庫宜選擇無機械手換刀方式。1? 無機械手換刀裝置刀庫的設計1?1? 刀庫形式的選取無機械手換刀方式中, 刀庫可以是圓盤形、直線排列式, 也可以是格子箱式等。直線排列式和格子箱式刀庫結(jié)構(gòu)相比較復雜, 適用于刀庫容量較大的加工中心; 圓盤形刀庫容量較小, 刀庫結(jié)構(gòu)簡單緊湊, 刀庫轉(zhuǎn)位、換刀方便, 易控制 1。且所設計的加工中心主要用來加工小型零件上孔和平面等, 不必在刀庫里放太多刀具, 因此選用圓盤式刀庫。1?2? 刀庫的放置立式加工中心無機械手換刀方式的圓盤形刀庫的放置有兩種形式: 刀庫置于立柱側(cè)面的橫梁上和置于工作臺上。由于采用的是標準的精密數(shù)控工作臺, 所以選用刀庫置于立柱側(cè)面的橫梁上。此結(jié)構(gòu)簡單, 且?54? 機床與液壓 2006?No?9不會發(fā)生刀庫和主軸的干涉現(xiàn)象, 但刀庫的支承剛性較差, 須增強立柱的剛度, 以減小橫梁彎扭矩的影響。在立柱左邊安裝一橫梁, 在橫梁上有導軌, 導軌上安裝有滑座, 將刀庫安裝在滑座上, 通過刀庫沿橫梁移動到主軸端, 由主軸來實現(xiàn)換刀, 如圖 1所示。1?3? 刀庫的組成圖 2? 刀庫結(jié)構(gòu)組成示意圖刀庫由刀盤部件、軸承、軸承套、軸、 箱 蓋、 撥 銷、鎖止盤、電機、槽輪、箱 體 等 組 成,結(jié)構(gòu) 組 成 示意 圖,如圖 2所示。1?4? 刀庫主要參數(shù)的確定( 1) 刀庫容量本加工中心主要用來加工小型零件或多孔零件上的小孔和小平面,所以刀庫上主要安裝一些孔加工刀具(如鉆頭、擴孔鉆等 ) 和加工小平面用的立銑刀及小直徑的面銑刀; 同時又考慮到所選用電主軸軸端的尺寸及刀盤直徑等的限制; 再考慮到主要用于中小批生產(chǎn)及教學實驗等, 刀具的品種不宜過多, 以免造成不必要的浪費和刀庫尺寸過大, 采用 8把刀。( 2) 刀具最大直徑和長度立銑刀的最大直徑定為 40mm, 鉆頭的最大直徑定為 10mm, 最大工作部分長度定為 150mm。( 3) 刀具最大重量為 1kg。( 4) 刀具最大運動線速度為 22 30m /m in。1?5? 刀盤部分的設計圖 3? 刀盤部件圖1?5?1? 刀盤尺寸的確定刀盤采用輪輻式結(jié)構(gòu),這樣既能滿足使用的要求, 又能保證刀盤的強度。在整個設計的過程中要保證各個尺寸在換刀過程中不發(fā)生干涉即可, 刀盤直徑為 210mm。1?5?2? 刀爪尺寸的設計刀爪的外型尺寸根據(jù) 30號刀柄設計。1?5?3? 夾塊的設計夾塊在刀爪抓刀時插入到鍵下半部中, 以及刀具在刀庫中時夾塊一直插在鍵中,起準確定位的作用。因此, 夾塊的寬度尺寸精度要求很高。夾塊寬度的尺寸主要由鍵的寬度來決定。1?6? 刀庫轉(zhuǎn)動定位機構(gòu)的設計1?6?1? 刀庫轉(zhuǎn)動定位機構(gòu)的選擇目前圓盤式刀庫大多采用的是單頭雙導程蝸輪蝸桿傳動, 此傳動機構(gòu)在使用中可隨時調(diào)整蝸輪蝸桿的傳動間隙, 實現(xiàn)準確的轉(zhuǎn)位分度, 保證刀庫工作的可靠性, 但此傳動機構(gòu)較復雜, 而且單頭雙導程蝸輪和蝸桿的加工較困難 1。槽輪機構(gòu)具有沖擊小, 工作平穩(wěn)性較高, 機械效率高, 可以在較高轉(zhuǎn)速下工作, 且結(jié)構(gòu)簡單, 易制造等優(yōu)點, 在目前生產(chǎn)的鼓輪式刀庫的加工中心機床上, 通常采用槽輪機構(gòu)來驅(qū)動刀庫的分度回轉(zhuǎn)運動。但此機構(gòu)定位精度不夠高, 為提高其定位精度可采用帶制動器的交流伺服電機, 從而可保證較高的定位精度。1?6?2? 槽輪機構(gòu)的工作原理圖 4? 外嚙合槽輪機構(gòu)? ? 的工作原理圖槽輪機 構(gòu)(又 稱馬爾他機構(gòu) ) 能把主動軸的勻速連續(xù)運動轉(zhuǎn)換為從動軸的周期性間歇運動,常用 于各種分度轉(zhuǎn)位機構(gòu)中。槽輪機構(gòu)有三種基本類型: 外 嚙合槽輪 機構(gòu)、內(nèi)嚙合槽輪機構(gòu)和球面槽輪機構(gòu) 2 , 4。刀庫即可采用外嚙合槽輪機構(gòu)也可采用內(nèi)嚙合槽輪機構(gòu)。設計中采用外嚙合槽輪機構(gòu)。外嚙合槽輪機構(gòu)的工作原理如圖 4所示, 它由主動曲柄、槽輪、撥銷和鎖止盤組成。外嚙合槽輪機構(gòu)的主動曲柄回轉(zhuǎn)軸線與槽輪回轉(zhuǎn)軸線平行, 通常主動曲柄作等速回轉(zhuǎn), 當主動曲柄上的撥銷進入槽中, 就撥動槽輪作反向轉(zhuǎn)位運動, 當撥銷從槽中脫出, 槽輪即靜止不動, 并由鎖止盤定位。當只有一個撥銷時, 主動曲柄轉(zhuǎn)一周, 槽輪作轉(zhuǎn)一個角度的步進運動, 從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)位、分度和定位 2。1?6?3? 槽輪機構(gòu)參數(shù)計算槽輪槽數(shù) Z 可根據(jù)刀庫容量選取,但不同槽數(shù)時外嚙合槽輪的角速度和角加速度的變化不同, 槽數(shù)越小。則角加速度的變化越大, 由此產(chǎn)生的沖擊和磨損也就越大。因此在用外嚙合槽輪機構(gòu)作為刀庫轉(zhuǎn)動?55? 機床與液壓 2006?No?9定位機構(gòu)時, 槽數(shù)不應小于 8。設計中刀庫容量為 8把刀。槽輪機構(gòu)的其它參數(shù)可由表 1 2求出。表 1? 槽輪機構(gòu)的參數(shù)參數(shù)名稱計算公式槽間角 2?22?2= 360? /Z槽輪每次轉(zhuǎn)位時曲柄的轉(zhuǎn)角 2?12?1= 180?- 2?2槽輪與鎖止盤間的中心距 L選用時考慮轉(zhuǎn)位定位機構(gòu)強度和剛度, 并使其結(jié)構(gòu)緊湊主動曲柄長度 R1R1= Lsin?2槽輪半徑 R2R2= Lcos?2圓銷半徑 rr= R1/6槽底高 bb= L- (R1+ r) - ( 3 5)槽深 hh= R2- b鎖止弧半徑 RxRx= R1- r- e? 式中:e= ( 0?6 0?8)r,且必須大于 3 5mm? ? 根據(jù)以上參數(shù)可設計出槽輪和鎖止盤的尺寸。當槽輪機構(gòu)進入和脫出槽口的瞬時位置, 主動曲柄中心與槽的中心線垂直, 使槽輪轉(zhuǎn)位起、停瞬時的角速度等于零, 避免了剛性沖擊。但是槽輪轉(zhuǎn)位起、停時的角加速度變化較大, 且在轉(zhuǎn)位過程的前半階段與后半階段的角加速度方向不同, 因此, 當槽與滾子之間存在間隙時, 會產(chǎn)生一定沖擊, 為減小沖擊可采取以下方法 3:(1) 減小或消除撥銷和槽之間的間隙;(2) 消除撥銷開始進入槽時的間隙, 應使槽輪的實際外圓半徑 R2a略大于槽輪的名義外圓半徑 R2,取 R22a= R22+ r2, 式中 r為撥銷半徑。(3) 回轉(zhuǎn)軸采用空心結(jié)構(gòu), 減小槽輪組件的轉(zhuǎn)動慣量。(4) 增加軸承的預緊力, 使軸承的間隙為零,從而增加槽輪組件的回轉(zhuǎn)阻尼。1?7? 刀庫轉(zhuǎn)動電機的選擇刀庫的回轉(zhuǎn)驅(qū)動電機的選擇時, 須考慮由摩擦引起的負載轉(zhuǎn)矩和各負載的轉(zhuǎn)動慣量 1。1?7?1? 負載的轉(zhuǎn)動慣量 JLC和刀庫系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量 JCJLC= ? Ji(ninm)2(1)JC= JmC+ JLC(2)式中:Ji為各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動慣量,kg ?m2;? ni為各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)速,r/min;? JmC為電機的轉(zhuǎn)動慣量,kg ?m2;? nmC為電機的轉(zhuǎn)速,r/min。JLC= (JDP+ JZ+ JCL+ JSP) (nCnmC)2(3)式中:JDP、JZ、JCL、JSP分別為刀盤、軸、槽輪和鎖止盤的轉(zhuǎn)動慣量,kg ?m2;nC為刀盤的轉(zhuǎn)速,r/min。JDP=?32?7?8 ? 10- 12D4DPLDP(4)式中: DDP為刀盤直徑,mm;LDP為刀盤厚度,mm。nC=v ? 1000? DDP(5)式中:v為刀具的最大運動線速度, m /min。JmC?JLC3初選電機, 其額定轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動慣量JmC均可選定。即可計算JC= JmC+ JLC1?7?2? 摩擦引起的負載轉(zhuǎn)矩計算由重力產(chǎn)生的摩擦力矩 TFC(N?m)TFC? ? GCRSP(6)式中:?為槽輪和鎖止盤間摩擦系數(shù), 取 0?15;? GC為刀盤、軸、槽輪等的重量,N;? RSP為滾子中心到鎖止盤中心的距離。如果 TFC? 電機的額定轉(zhuǎn)矩, 則符合要求。1?7?3? 最大加速轉(zhuǎn)矩 Tcam當電機從靜止升至 nmax時Tcam= JC2?nCmax60tCa(7)式中:nCmax為電機最高轉(zhuǎn)速,r/m in;?tCa為加速時間 ( s), 取 0?2s。1?7?4? 電機的最大啟動轉(zhuǎn)矩TCr= Tcam+ TFC(8)如果 TCr? 電機的最大轉(zhuǎn)矩, 則符合要求。最終確定電機型號、輸出功率。相應的伺服驅(qū)動器選擇與電機相匹配的型號。1?8? 刀庫移動部分的設計1?8?1? 刀庫支承橫梁和導軌的設計橫梁支撐著刀庫的整個重量, 因此, 它的強度和剛度要求較高。且為了實現(xiàn)刀庫的移動, 在橫梁上要設計可使刀庫移動的導軌, 根據(jù)床身的整體高度及立柱的形狀來考慮, 橫梁的端面與立柱的聯(lián)接斷面應成長方形。連接處的凸緣與立柱用螺栓來連接, 由定位銷定位, 在裝配時配作。根據(jù)刀庫的行程, 再加上滑臺的尺寸和刀盤尺寸等, 確定靜導軌的總長度, 兩端各裝一減振器, 目的是為了消除滑臺到兩端時的沖擊力?？紤]刀庫移動電機和絲杠的安裝尺寸等, 確定靜導軌的高度和寬度;考慮到刀庫支承部分的尺寸, 確定滑座和動導軌的長度; 考慮靜導軌的寬度和刀庫支承部分在該方向的尺寸, 確定滑座的寬度和高度。(下轉(zhuǎn)第 108頁 )?56? 機床與液壓 2006?No?9所得初 始子 模型 如圖 6。分析 結(jié)果:最大 應變 =0?814mm, 最大應力 = 177?4MPa , 重量 = 32?56t 。( 3) 結(jié)果評價。該模型的許用應變?yōu)?1?08mm,許用應力為 162?5M Pa , 所求最大應力為應力集中,焊接后可消除, 則強度、剛度滿足設計要求。但該結(jié)構(gòu)的典型特點為臺面尺寸大, 仍取原 13m2模型所使用的油缸時, 油缸直徑太小, 容易導致上滑塊下行不平穩(wěn)。( 4) 修 改結(jié)構(gòu)。根 據(jù)設計經(jīng)驗 取油缸直 徑為?650mm。修改后的上梁子模型如圖 7 。修改結(jié)構(gòu)后, 最大應變 = 0?971mm, 最大應力 =175?6MPa , 重量 = 32?33t 。修改前后分析結(jié)果比較見表 3。表 3?16m2、 10000kN上梁模型修改前后分析結(jié)果對比最大應變最大應力重量初始子模型0?814mm177?4MPa32?56t修改后子模型0?971mm175?6MPa32?33t變化量+ 19?3%- 1?0 %- 0?7%? ? 盡管修改后的應變有所增大, 但仍然小于許用應變, 且克服了上述上滑塊下行不平穩(wěn)的缺點, 同時又使筋板布局更趨均勻。同樣的方法可以擴展液壓機中的其它模塊, 從而形成各種柔性模塊族表。各個模塊獨立設計完成之后, 根據(jù)模塊的接口信息, 進行整機拼合, 從而完成液壓機產(chǎn)品的快速設計。3? 結(jié)束語液壓機產(chǎn)品的設計與制造快速響應市場能力對企業(yè)的國際競爭力有著重要的影響, 而液壓機主機設計是影響該類產(chǎn)品設計的關鍵。由于其主機結(jié)構(gòu)變化多樣, 傳統(tǒng)的模塊化設計理論和方法已不能滿足設計需求, 基于柔性模塊的快速設計理論, 給模塊化設計賦予了新的涵義, 通過對柔性模塊的參數(shù)化、變量化設計、以及產(chǎn)品族的規(guī)劃, 依照一定的模塊和產(chǎn)品擴展原則可快速設計出個性化的、符合用戶需求的產(chǎn)品。參考文獻【1】徐麗萍 ? 面向產(chǎn)品族的液壓機廣義模塊化設計研究 D ?天津大學,2004?1?【2】鐘偉弘 ?面向產(chǎn)品族的液壓機廣義模塊化快速設計技術 D ?天津大學,2004?8?【3】徐燕申, 侯亮 ?液壓機廣義模塊化設計原理及其應用 J ?機械設計,2001 ( 7): 1- 4?【4】童時中 ?模塊化原理設計方法及應用 J ?北京: 中國標準出版社,2000?作者簡介: 黎旭( 1972?), 男,天津工業(yè)大學教師,多年從事制造業(yè)自動化、 CI M S 、快速設計 /制造等方面的研究, 發(fā)表論文多篇。黃艷群( 1972?),女, 天津大學博士, 講師, 主要從事 CI M S、CAPP等研究, 發(fā)表論文 30余篇。電話:13821893956 ,E- mai:lh_2000 eyou?co m。收稿日期:2005- 08- 02(上接第 56頁 )為了加強它的剛度, 還設有加強肋板。導軌用滑動導軌, 滑動導軌采用雙矩形形式的整體 HT300鑄鐵導軌,并采用中頻淬火, 淬火后的硬度為 HRC50 55。1?8?2? 刀庫移動絲杠和電機的選擇要實現(xiàn)刀庫的移動, 采用絲杠、電機驅(qū)動或液動、氣動裝置。該加工中心采用絲杠和電機驅(qū)動方式。絲杠支承方式采用兩端固定, 兩端各采用一角接觸球軸承。2? 無機械手換刀裝置的安裝無機械手換刀裝置各部分的安裝如圖 5所示。圖 5? 無機械手換刀裝置的安裝參考文獻【1】廉元國, 張永洪 ?加工中心設計與應用 M ?北京:機械工業(yè)出版社,1995?3:94- 103?【2】鄧召義, 姚振甫 ?實用機械電子技術設計手冊 (機械部分 )M ?北京: 機械工業(yè)出版社,2001?11: 1210- 1217?【3】彭文 ?槽輪機構(gòu)在加工中心鼓輪式刀庫上的應用 J.機械工程師,1999 ( 1):26- 27?【4】張世民 ?機械原理 M ?北京: 中央廣播電視大學出版社,1992?10:351- 355?作者簡介: 曹秋霞( 1966?), 女,河南原陽人, 副教授, 碩士, 主要從事機械設計與制造、 CAD /CAM 等方面的教 學與研究。 0373- 3392386 ( O ),0373- 2292903(小靈通 ),E- mai: lqiuxiacao 126?com。收稿日期:2005- 09- 26?108? 機床與液壓 2006?No?9
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