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
?. 5西北輕工業(yè)學院學報Oct. 2002Vol. 20JOURNAL OF NORTHWEST UNIVERSITY OF LIGHT INDUST RY13文章編號: 1000- 5811(2002) 05- 0013- 04關于立臥兩用換刀機械手的設計夏粉玲, 賀煒, 李體仁, 劉俊生, 李劍玲( 陜西科技大學機電工程學院, 陜西 咸陽712081)摘要: 立臥兩用換刀機械手將成為五面體數(shù)控加工中心必不可少的配套設施, 通過對幾種立臥兩用換刀機械手的結構比較, 選擇出較為合理的方案, 以作具體設計時使用。關鍵詞: 機械手; 立臥兩用; 數(shù)控加工中心; 自動換刀中圖分類號: TP241. 2文獻標識碼: A1立臥兩用換刀機械手研究的必要性20 世紀 70 年代后期, 出現(xiàn)了五面體加工中心, 可在一次裝夾中完成除安裝底面外的所有表面和精密孔系加工。 由于采用了剛性極好的床身、 立柱等構件( 有些五面體加工中心采用了龍門式框架) 和立式/ 臥式轉換主軸部件或立式/ 臥式一體化主軸部件, 因而對箱體零件、 汽車覆蓋件、 模具和船用柴油機缸體等工件具有很高的加工精度、 提高了機床利用率和綜合經(jīng)濟效益。從 2001 年第七屆中國國際機床展覽會所展出的數(shù)控機床來看, 多功能數(shù)控機床和五面體、 復合型數(shù)控機床已經(jīng)占據(jù)了大量的市場, 復合型數(shù)控機床將多種動力頭集中于一臺機床上, 使工件在一次裝夾中完成多道工序的加工, 從而使工件的加工精度及生產(chǎn)率大大提高。上述數(shù)控機床均稱為數(shù)控加工中心。自動換刀裝置是數(shù)控加工中心在工件的一次裝夾中實現(xiàn)多道工序加工不可缺少的裝置, 主要由刀庫、 機械手和驅動裝置幾部分組成。機械手和驅動裝置是兩個關鍵部分, 根據(jù)驅動裝置的不同, 自動換刀裝置可分為凸輪式、 液壓式、 齒輪式、 連桿式及各種機構復合式, 其中以凸輪式用得較多。發(fā)達國家數(shù)控加工中心的立式自動換刀機械手主要采用凸輪式, 我國加工中心技術起步較晚, 對自動換刀機械手研究較少。 進入 20 世紀 90 年代后, 北京機床研究所、 大連組合機床研究所、 濟南第一機床廠、 青海機床廠以及陜西省的秦川機床廠都對立式自動換刀機械手進行了研究和開發(fā)。迄今為止, 我國制造的加工中心配置的自動換刀機械手大多數(shù)是進口的。其主要原因: 一是國內生產(chǎn)的換刀機械手質量較差, 成本也不低; 二是進口換刀機械手價格雖然較高, 但在整個加工中心中所占份額不大。 作為加工中心的配套技術, 自動換刀機械手的研究和開發(fā)將直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平的提高, 從經(jīng)濟上、 技術上考慮都是十分必要的。目前, 立式換刀機械手和臥式換刀機械手已得到廣泛應用。五面體加工中心的發(fā)展, 給換刀機械手提出了立臥兩用的要求, 為此, 提出幾種立臥兩用換刀機械手結構, 供討論選擇。2幾種可行方案對于主軸箱可進行立臥轉換的數(shù)控加工中心, 換刀機械手需同時實現(xiàn)立式、 臥式兩種換刀方式,要求機械手轉動 90 。下面提出幾種可行方案并比較選擇其中之一作為設計依據(jù)。2. 1方案構思2. 1. 1方案 1?收稿日期: 2002- 08- 22作者簡介: 夏粉玲( 1961- ) , 女, 陜西省涇陽縣人, 碩士研究生, 講師本項目為陜西省教委專項基金資助項目, 項目編號: 00JK237將 45 換刀機械手與移動式換刀機械手相結合, 增加立臥轉換機構, 形成立臥兩用換刀機械手( 如圖 1) 。圖 1立臥兩用換刀機械手方案 11- 主軸箱, 2- 換刀臂, 3- 連接體, 4- 換刀臂, 5- 齒輪齒條機構6- 回轉體, 7- 齒輪齒條機構, 8- 差動油缸換刀手由準備位置 B 至圖示位置 A, 當主軸箱 1 退出刀桿后, 在機構 5 的作用下, 換刀臂 2、 4 和聯(lián)接體 3 前移至圖示位置再一起繞軸轉動 180 , 主軸箱 1 再換刀, 卡爪松開后, 縱向差動油缸 8 帶動換刀手至位置 C( 此時, 主軸已開始工作, 下述換刀動作為輔助運動, 與工件加工同步進行) ; 橫向油缸帶動換刀手至位置 D, 油缸 8 使其移至位置 E 而將刀具插入刀庫中; 橫向油缸回位, 使換刀手回到換刀準備位置 B。刀庫電機轉動, 將所需刀具轉至位置 E, 換刀手在差動油缸 8 和橫向油缸的共同作用下, 完成由位置 B- E- D- C- B 的轉換過程, 此時, 換刀手夾持著新刀具在換刀準備位置 B 待命。至此本輪換刀結束, 待接到新的換刀命令后, 重復上述過程。當主軸箱 1 轉至臥式位置, 需要臥式換刀時, 機構 7 便驅動聯(lián)成一體的件 2、 3、 4、 5 和回轉體 6,使之繞軸II 轉動 90 至臥式換刀位置, 其他過程與上述立式換刀相同。機構 5、 7 選用液壓驅動齒輪齒條機構, 橫向油缸固定在機架上。2. 1. 2方案 2原理如圖 2所示, 采用伺服電機作為動力源來實現(xiàn)換刀運動。圖 2立臥兩用換刀機械手方案二1- 蝸輪蝸桿機構,2- 凸輪機構, 3- 齒輪齒條傳動裝置,4、 5、 6、 7、 8、 9、 10、 11齒輪齒條傳動裝置中的齒輪, 12- 齒條實現(xiàn)兩個直線運動、 兩個旋轉運動的過程如下: 換刀手由伺服電動機驅動齒輪齒條傳動裝置 3 中的齒輪 4 傳到齒輪 5 再傳到齒輪 11 和齒條 12, 使軸 II 帶動機構 1 和換刀臂及聯(lián)接體由準備位置 B移至圖示位置 A; 當主軸箱退出刀桿后, 在伺服電動機的帶動下, 機構 1 帶動換刀臂和聯(lián)接體一起繞軸 I 轉動 180 , 主軸箱再換刀, 卡爪松開后, 再由齒輪11 帶動齒條 12 使換刀手運動至位置B; 此時由機構 2 帶動機構 3、 機構 1 和換刀臂聯(lián)接體及刀具實現(xiàn)從 B 到 C 再到 D 最后到 E 而將刀具插入刀庫中, 再由機構 2 使機構 3、 機構 1 和換刀臂聯(lián)接體回到準備位置 B。刀庫轉動, 將所需的刀具轉至位置14西北輕工業(yè)學院學報第 20 卷E, 換刀手在機構 2 使機構 3、 機構 1 和換刀臂聯(lián)接體完成由位置 BEDCB 的取刀運動過程。此時, 換刀手夾持著新刀在準備位置 B 待命。至此本輪換刀結束, 待接到新的換刀命令后, 重復上述過程。當主軸箱轉至臥式位置, 需要臥式換刀時, 伺服電動機驅動齒輪齒條傳動裝置 3中的齒輪 4 傳到齒輪 5 再傳到齒輪 6、 7、 8、 9、 10 帶動軸II 轉動 90 至臥式換刀位置, 其他過程與上述立式換刀相同。2. 1. 3方案 3原理如圖 3所示, 采用氣缸和伺服電動機驅動來實現(xiàn)兩個直線運動、 兩個轉動的換刀運動。從圖中得知伺服電動機 6直接驅動換刀手, 伺服電動機 4 通過聯(lián)軸器直接驅動軸 II 運動。其運動過程如下: 換刀手由氣缸 3 推動在導軌上運動, 由準備位置B 移至位置A, 當主軸退出刀桿后, 在伺服電動機6 的驅動下, 換刀臂和聯(lián)接體實現(xiàn)一起繞軸 I 轉動 180 , 主軸箱再換刀, 卡爪松開后, 氣缸 3 將換刀手拉回至位置 B( 此時, 主軸已開始工作, 下述換刀動作為輔助運動, 與工件加工同步進行) , 由凸輪機構1 帶動導軌 2 上的機構由 B 運動到 C、 D、 E 而將刀具插入刀庫中, 然后凸輪機構 1 使它們運動到位置B。刀庫轉動, 將所需刀具轉至位置 E, 導軌 2 上的機構再在凸輪機構 1 的作用下由位置 BEDCB 完成取刀過程, 此時, 換刀手夾持著新刀具在準備位置 B 待命。至此本輪換刀結束, 待接到新的換刀命令后, 重復上述過程。當主軸箱轉至臥式位置, 需要臥式換刀時, 伺服電動機 4 通過聯(lián)軸器 5帶動軸 II 及伺服電動機 6手臂聯(lián)接體刀具轉動 90 至立式換刀位置, 其他過程與上述立式換刀相同。圖 3立臥兩用換刀機械手方案 31- 凸輪機構, 2- 導軌, 3- 氣缸, 4- 伺服電動機, 5- 聯(lián)軸器, 6- 伺服電動機2. 1. 4方案 4本方案的設計思路是: 在刀庫和 45 換刀機械手之間加一個小型的送刀機械手裝置并固定在一合理的位置, 再裝配一個暫存刀位置。 這樣一來, 就去掉了圖 2、 3 中的凸輪機構, 只需其它的機構就可以實現(xiàn)換刀。 以圖3 為例簡述其換刀過程: 換刀手由準備位置B 移至位置A, 主軸箱退出刀桿, 軸旋轉 180 , 主軸箱再換刀, 卡爪松開后, 運動到位置 B( 此時, 主軸已開始工作) , 將刀具放入暫存刀位置,由送刀機械手將刀取回刀庫, 再選取新刀放在暫存刀位置, 然后換刀機械手將刀從暫存刀位置取出在位置B 待命。至此本輪換刀結束, 待接到新的換刀命令后, 重復上述過程。當主軸箱轉至臥式位置時, 需要臥式換刀, 軸 II 旋轉 90 至臥式換刀位置, 其它過程與上述立式換刀完全相同。2. 2方案比較方案 1采用的液壓作為動力源, 由于液壓驅動的機械手需要采用嚴格的密封, 還需要較復雜的緩沖機構; 控制機械手動作的電磁閥有一定的時間滯后, 因而換刀速度慢且不易維護, 不足取。 方案2 采用了伺服電動機作為動力源, 雖然避免了使用液壓時的一些問題, 但同時也存在一些不足; 采用齒輪齒條機構的傳動, 將使定位精度降低, 同時降低了運動平衡性, 在定位精度和運動平穩(wěn)性要求較高的換刀過程中出現(xiàn)這種現(xiàn)象是不可取的。 另外, 增加了齒輪齒條機構, 加大了重量, 使得整個換刀機械手顯得笨大, 不能滿足結構簡單的設計思想, 因此也不可取。 方案 3 是方案2 的改進方案, 由于換刀手及刀具的重量并不是很大, 不必要再加一些中間裝置直接由伺服電動機驅動換刀手進行繞軸 I 和繞軸15第 5 期夏粉玲等: 關于立臥兩用換刀機械手的設計II 的轉動, 這樣聯(lián)接結構簡單, 減少了零件的數(shù)目, 減少了中間環(huán)節(jié)的影響, 沒有間隙, 效率高; 既增加了定位精度又減少了換刀時間。在實現(xiàn)從 BCDEB 的過程中, 采用了凸輪機構, 不需要較復雜的液壓系統(tǒng)及其密封、 緩沖機構, 結構簡單, 工作可靠, 從而大大縮短了換刀時間。 對于方案 4 來說,動作比較多, 不容易協(xié)調, 反而增加了換刀時間, 不足取。綜上所述, 方案 3 比較合理。3主要技術難點及解決方法3. 1技術難點對于數(shù)控加工中心凸輪式立臥兩用換刀機械手, 目前國內外尚無同類產(chǎn)品供設計中參考, 使設計難度增加。以方案 3為例, 依據(jù)總體方案的設計, 凸輪機構必須在刀庫中完成插刀、 拔刀的過程。機械手插刀、 拔刀整個過程的運動軌跡為四邊形( 如圖 3 所示 BCDE) , 因此凸輪機構的設計計算難度大, 主要是如何提高凸輪機構運動平穩(wěn)性的問題。3. 2解決方法通過一個凸輪的輪廓曲線, 使從動件上的一點完成機械手插刀、 拔刀的整個過程, 采用一個從動件是很難達到設計要求的。 因此, 可采用雙從動件來完成, 而且兩個從動件的運動規(guī)律應該相同, 只能是存在一個時間差。凸輪的輪廓形狀取決于從動件的運動規(guī)律, 因此在設計凸輪輪廓曲線之前, 應首先根據(jù)工作要求確定從動件的運動規(guī)律。 在選擇從動件運動規(guī)律時, 要考慮由速度曲線的突變引起的剛性沖擊和由于加速度曲線突變所引起的沖擊。 盡量使從動件運動規(guī)律不存在任何沖擊, 用以獲得連續(xù)而光滑的位移、 速度、 加速度曲線, 從而保證從動件運動的平穩(wěn)性。參 考 文 獻 1 吳祖育, 秦鵬飛主編. 數(shù)控機床( 第三版) M . 上海: 上?？茖W技術出版社, 2000. 7. 2 晉齡主編. 加工中心應用與維修 M . 北京: 機械工業(yè)出版社, 1992. 3 成大主編. 機械設計手冊( 第三版, 第一卷) M . 北京: 化學工業(yè)出版社, 1994. 4 濮良貴, 紀明剛主編. 機械設計 M . 北京: 高等教育出版社, 1998. 5 楊黎明主編. 機械設計M . 兵器工業(yè)出版社, 1998.DESIGN OF VERTICAL/ HORIZONTAL DOUBLE-DUTYTOOL CHANGING MANIPULATORXIA Fen-ling, HE Wei, LI T i- ren, LIU Jun-sheng, LI Jian-ling(College of M echanical and Electrical Engineering,Shaanxi University of Science & Technology,Xianyang712081,China)Abstract:The vertical/ horizontal double - duty tool changing manipulator will be necessaryaccessories for pentahedron CNC machining centers. The paper introduces some kinds of structuresof vertical/ horizontal double-duty tool changing manipulator. By contrast, the author selects abetter project for practical.Key words: manipulator; vertical/ horizontal double-duty; CNC machining center; cutomatic toolchanging16西北輕工業(yè)學院學報第 20 卷
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