換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)帶CAD圖
換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)帶CAD圖,機(jī)械手,設(shè)計(jì),CAD
?. 5西北輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)Oct. 2002Vol. 20JOURNAL OF NORTHWEST UNIVERSITY OF LIGHT INDUST RY13文章編號(hào): 1000- 5811(2002) 05- 0013- 04關(guān)于立臥兩用換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)夏粉玲, 賀煒, 李體仁, 劉俊生, 李劍玲( 陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 陜西 咸陽712081)摘要: 立臥兩用換刀機(jī)械手將成為五面體數(shù)控加工中心必不可少的配套設(shè)施, 通過對(duì)幾種立臥兩用換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)比較, 選擇出較為合理的方案, 以作具體設(shè)計(jì)時(shí)使用。關(guān)鍵詞: 機(jī)械手; 立臥兩用; 數(shù)控加工中心; 自動(dòng)換刀中圖分類號(hào): TP241. 2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A1立臥兩用換刀機(jī)械手研究的必要性20 世紀(jì) 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(gòu)件( 有些五面體加工中心采用了龍門式框架) 和立式/ 臥式轉(zhuǎn)換主軸部件或立式/ 臥式一體化主軸部件, 因而對(duì)箱體零件、 汽車覆蓋件、 模具和船用柴油機(jī)缸體等工件具有很高的加工精度、 提高了機(jī)床利用率和綜合經(jīng)濟(jì)效益。從 2001 年第七屆中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)所展出的數(shù)控機(jī)床來看, 多功能數(shù)控機(jī)床和五面體、 復(fù)合型數(shù)控機(jī)床已經(jīng)占據(jù)了大量的市場(chǎng), 復(fù)合型數(shù)控機(jī)床將多種動(dòng)力頭集中于一臺(tái)機(jī)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(jī)床均稱為數(shù)控加工中心。自動(dòng)換刀裝置是數(shù)控加工中心在工件的一次裝夾中實(shí)現(xiàn)多道工序加工不可缺少的裝置, 主要由刀庫(kù)、 機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)裝置幾部分組成。機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)裝置是兩個(gè)關(guān)鍵部分, 根據(jù)驅(qū)動(dòng)裝置的不同, 自動(dòng)換刀裝置可分為凸輪式、 液壓式、 齒輪式、 連桿式及各種機(jī)構(gòu)復(fù)合式, 其中以凸輪式用得較多。發(fā)達(dá)國(guó)家數(shù)控加工中心的立式自動(dòng)換刀機(jī)械手主要采用凸輪式, 我國(guó)加工中心技術(shù)起步較晚, 對(duì)自動(dòng)換刀機(jī)械手研究較少。 進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代后, 北京機(jī)床研究所、 大連組合機(jī)床研究所、 濟(jì)南第一機(jī)床廠、 青海機(jī)床廠以及陜西省的秦川機(jī)床廠都對(duì)立式自動(dòng)換刀機(jī)械手進(jìn)行了研究和開發(fā)。迄今為止, 我國(guó)制造的加工中心配置的自動(dòng)換刀機(jī)械手大多數(shù)是進(jìn)口的。其主要原因: 一是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的換刀機(jī)械手質(zhì)量較差, 成本也不低; 二是進(jìn)口換刀機(jī)械手價(jià)格雖然較高, 但在整個(gè)加工中心中所占份額不大。 作為加工中心的配套技術(shù), 自動(dòng)換刀機(jī)械手的研究和開發(fā)將直接影響到我國(guó)自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提高, 從經(jīng)濟(jì)上、 技術(shù)上考慮都是十分必要的。目前, 立式換刀機(jī)械手和臥式換刀機(jī)械手已得到廣泛應(yīng)用。五面體加工中心的發(fā)展, 給換刀機(jī)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(jī)械手結(jié)構(gòu), 供討論選擇。2幾種可行方案對(duì)于主軸箱可進(jìn)行立臥轉(zhuǎn)換的數(shù)控加工中心, 換刀機(jī)械手需同時(shí)實(shí)現(xiàn)立式、 臥式兩種換刀方式,要求機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng) 90 。下面提出幾種可行方案并比較選擇其中之一作為設(shè)計(jì)依據(jù)。2. 1方案構(gòu)思2. 1. 1方案 1?收稿日期: 2002- 08- 22作者簡(jiǎn)介: 夏粉玲( 1961- ) , 女, 陜西省涇陽縣人, 碩士研究生, 講師本項(xiàng)目為陜西省教委專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目, 項(xiàng)目編號(hào): 00JK237將 45 換刀機(jī)械手與移動(dòng)式換刀機(jī)械手相結(jié)合, 增加立臥轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu), 形成立臥兩用換刀機(jī)械手( 如圖 1) 。圖 1立臥兩用換刀機(jī)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(jī)構(gòu)6- 回轉(zhuǎn)體, 7- 齒輪齒條機(jī)構(gòu), 8- 差動(dòng)油缸換刀手由準(zhǔn)備位置 B 至圖示位置 A, 當(dāng)主軸箱 1 退出刀桿后, 在機(jī)構(gòu) 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(zhuǎn)動(dòng) 180 , 主軸箱 1 再換刀, 卡爪松開后, 縱向差動(dòng)油缸 8 帶動(dòng)換刀手至位置 C( 此時(shí), 主軸已開始工作, 下述換刀動(dòng)作為輔助運(yùn)動(dòng), 與工件加工同步進(jìn)行) ; 橫向油缸帶動(dòng)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(kù)中; 橫向油缸回位, 使換刀手回到換刀準(zhǔn)備位置 B。刀庫(kù)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng), 將所需刀具轉(zhuǎn)至位置 E, 換刀手在差動(dòng)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(zhuǎn)換過程, 此時(shí), 換刀手夾持著新刀具在換刀準(zhǔn)備位置 B 待命。至此本輪換刀結(jié)束, 待接到新的換刀命令后, 重復(fù)上述過程。當(dāng)主軸箱 1 轉(zhuǎn)至臥式位置, 需要臥式換刀時(shí), 機(jī)構(gòu) 7 便驅(qū)動(dòng)聯(lián)成一體的件 2、 3、 4、 5 和回轉(zhuǎn)體 6,使之繞軸II 轉(zhuǎn)動(dòng) 90 至臥式換刀位置, 其他過程與上述立式換刀相同。機(jī)構(gòu) 5、 7 選用液壓驅(qū)動(dòng)齒輪齒條機(jī)構(gòu), 橫向油缸固定在機(jī)架上。2. 1. 2方案 2原理如圖 2所示, 采用伺服電機(jī)作為動(dòng)力源來實(shí)現(xiàn)換刀運(yùn)動(dòng)。圖 2立臥兩用換刀機(jī)械手方案二1- 蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu),2- 凸輪機(jī)構(gòu), 3- 齒輪齒條傳動(dòng)裝置,4、 5、 6、 7、 8、 9、 10、 11齒輪齒條傳動(dòng)裝置中的齒輪, 12- 齒條實(shí)現(xiàn)兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)、 兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的過程如下: 換刀手由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條傳動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu) 1 和換刀臂及聯(lián)接體由準(zhǔn)備位置 B移至圖示位置 A; 當(dāng)主軸箱退出刀桿后, 在伺服電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下, 機(jī)構(gòu) 1 帶動(dòng)換刀臂和聯(lián)接體一起繞軸 I 轉(zhuǎn)動(dòng) 180 , 主軸箱再換刀, 卡爪松開后, 再由齒輪11 帶動(dòng)齒條 12 使換刀手運(yùn)動(dòng)至位置B; 此時(shí)由機(jī)構(gòu) 2 帶動(dòng)機(jī)構(gòu) 3、 機(jī)構(gòu) 1 和換刀臂聯(lián)接體及刀具實(shí)現(xiàn)從 B 到 C 再到 D 最后到 E 而將刀具插入刀庫(kù)中, 再由機(jī)構(gòu) 2 使機(jī)構(gòu) 3、 機(jī)構(gòu) 1 和換刀臂聯(lián)接體回到準(zhǔn)備位置 B。刀庫(kù)轉(zhuǎn)動(dòng), 將所需的刀具轉(zhuǎn)至位置14西北輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)第 20 卷E, 換刀手在機(jī)構(gòu) 2 使機(jī)構(gòu) 3、 機(jī)構(gòu) 1 和換刀臂聯(lián)接體完成由位置 BEDCB 的取刀運(yùn)動(dòng)過程。此時(shí), 換刀手夾持著新刀在準(zhǔn)備位置 B 待命。至此本輪換刀結(jié)束, 待接到新的換刀命令后, 重復(fù)上述過程。當(dāng)主軸箱轉(zhuǎn)至臥式位置, 需要臥式換刀時(shí), 伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條傳動(dòng)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(dòng)軸II 轉(zhuǎn)動(dòng) 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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)、 兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的換刀運(yùn)動(dòng)。從圖中得知伺服電動(dòng)機(jī) 6直接驅(qū)動(dòng)換刀手, 伺服電動(dòng)機(jī) 4 通過聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)軸 II 運(yùn)動(dòng)。其運(yùn)動(dòng)過程如下: 換刀手由氣缸 3 推動(dòng)在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng), 由準(zhǔn)備位置B 移至位置A, 當(dāng)主軸退出刀桿后, 在伺服電動(dòng)機(jī)6 的驅(qū)動(dòng)下, 換刀臂和聯(lián)接體實(shí)現(xiàn)一起繞軸 I 轉(zhuǎn)動(dòng) 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(shí), 主軸已開始工作, 下述換刀動(dòng)作為輔助運(yùn)動(dòng), 與工件加工同步進(jìn)行) , 由凸輪機(jī)構(gòu)1 帶動(dòng)導(dǎo)軌 2 上的機(jī)構(gòu)由 B 運(yùn)動(dòng)到 C、 D、 E 而將刀具插入刀庫(kù)中, 然后凸輪機(jī)構(gòu) 1 使它們運(yùn)動(dòng)到位置B。刀庫(kù)轉(zhuǎn)動(dòng), 將所需刀具轉(zhuǎn)至位置 E, 導(dǎo)軌 2 上的機(jī)構(gòu)再在凸輪機(jī)構(gòu) 1 的作用下由位置 BEDCB 完成取刀過程, 此時(shí), 換刀手夾持著新刀具在準(zhǔn)備位置 B 待命。至此本輪換刀結(jié)束, 待接到新的換刀命令后, 重復(fù)上述過程。當(dāng)主軸箱轉(zhuǎn)至臥式位置, 需要臥式換刀時(shí), 伺服電動(dòng)機(jī) 4 通過聯(lián)軸器 5帶動(dòng)軸 II 及伺服電動(dòng)機(jī) 6手臂聯(lián)接體刀具轉(zhuǎn)動(dòng) 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(jī)械手方案 31- 凸輪機(jī)構(gòu), 2- 導(dǎo)軌, 3- 氣缸, 4- 伺服電動(dòng)機(jī), 5- 聯(lián)軸器, 6- 伺服電動(dòng)機(jī)2. 1. 4方案 4本方案的設(shè)計(jì)思路是: 在刀庫(kù)和 45 換刀機(jī)械手之間加一個(gè)小型的送刀機(jī)械手裝置并固定在一合理的位置, 再裝配一個(gè)暫存刀位置。 這樣一來, 就去掉了圖 2、 3 中的凸輪機(jī)構(gòu), 只需其它的機(jī)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)換刀。 以圖3 為例簡(jiǎn)述其換刀過程: 換刀手由準(zhǔn)備位置B 移至位置A, 主軸箱退出刀桿, 軸旋轉(zhuǎn) 180 , 主軸箱再換刀, 卡爪松開后, 運(yùn)動(dòng)到位置 B( 此時(shí), 主軸已開始工作) , 將刀具放入暫存刀位置,由送刀機(jī)械手將刀取回刀庫(kù), 再選取新刀放在暫存刀位置, 然后換刀機(jī)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(jié)束, 待接到新的換刀命令后, 重復(fù)上述過程。當(dāng)主軸箱轉(zhuǎn)至臥式位置時(shí), 需要臥式換刀, 軸 II 旋轉(zhuǎn) 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(dòng)力源, 由于液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手需要采用嚴(yán)格的密封, 還需要較復(fù)雜的緩沖機(jī)構(gòu); 控制機(jī)械手動(dòng)作的電磁閥有一定的時(shí)間滯后, 因而換刀速度慢且不易維護(hù), 不足取。 方案2 采用了伺服電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源, 雖然避免了使用液壓時(shí)的一些問題, 但同時(shí)也存在一些不足; 采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)的傳動(dòng), 將使定位精度降低, 同時(shí)降低了運(yùn)動(dòng)平衡性, 在定位精度和運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu), 加大了重量, 使得整個(gè)換刀機(jī)械手顯得笨大, 不能滿足結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)思想, 因此也不可取。 方案 3 是方案2 的改進(jìn)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)換刀手進(jìn)行繞軸 I 和繞軸15第 5 期夏粉玲等: 關(guān)于立臥兩用換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)II 的轉(zhuǎn)動(dòng), 這樣聯(lián)接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)間。在實(shí)現(xiàn)從 BCDEB 的過程中, 采用了凸輪機(jī)構(gòu), 不需要較復(fù)雜的液壓系統(tǒng)及其密封、 緩沖機(jī)構(gòu), 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 工作可靠, 從而大大縮短了換刀時(shí)間。 對(duì)于方案 4 來說,動(dòng)作比較多, 不容易協(xié)調(diào), 反而增加了換刀時(shí)間, 不足取。綜上所述, 方案 3 比較合理。3主要技術(shù)難點(diǎn)及解決方法3. 1技術(shù)難點(diǎn)對(duì)于數(shù)控加工中心凸輪式立臥兩用換刀機(jī)械手, 目前國(guó)內(nèi)外尚無同類產(chǎn)品供設(shè)計(jì)中參考, 使設(shè)計(jì)難度增加。以方案 3為例, 依據(jù)總體方案的設(shè)計(jì), 凸輪機(jī)構(gòu)必須在刀庫(kù)中完成插刀、 拔刀的過程。機(jī)械手插刀、 拔刀整個(gè)過程的運(yùn)動(dòng)軌跡為四邊形( 如圖 3 所示 BCDE) , 因此凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算難度大, 主要是如何提高凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性的問題。3. 2解決方法通過一個(gè)凸輪的輪廓曲線, 使從動(dòng)件上的一點(diǎn)完成機(jī)械手插刀、 拔刀的整個(gè)過程, 采用一個(gè)從動(dòng)件是很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求的。 因此, 可采用雙從動(dòng)件來完成, 而且兩個(gè)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律應(yīng)該相同, 只能是存在一個(gè)時(shí)間差。凸輪的輪廓形狀取決于從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律, 因此在設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線之前, 應(yīng)首先根據(jù)工作要求確定從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 在選擇從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí), 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(dòng)件運(yùn)動(dòng)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(dòng)件運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。參 考 文 獻(xiàn) 1 吳祖育, 秦鵬飛主編. 數(shù)控機(jī)床( 第三版) M . 上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 2000. 7. 2 晉齡主編. 加工中心應(yīng)用與維修 M . 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1992. 3 成大主編. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)( 第三版, 第一卷) M . 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 1994. 4 濮良貴, 紀(jì)明剛主編. 機(jī)械設(shè)計(jì) M . 北京: 高等教育出版社, 1998. 5 楊黎明主編. 機(jī)械設(shè)計(jì)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(xué)院學(xué)報(bào)第 20 卷
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