臥式加工中心APC的設計與研究

寧波海天精工沈陽研發中心 （遼寧 110002） 王仁誠

臥式加工中心在對零件批量化生產的過程中，為提高加工效率，縮短批量加工工件的時間，不斷地提高機床的自動化程度，縮短加工以外的刀具更換、工件裝卸等輔助時間，為使工件裝卸盡量不再占用總的加工時間，發展出為臥式加工中心配置托盤自動交換系統，簡稱APC，托盤自動交換系統的主要作用是：當一個托盤在加工區承載零件加工時，另一個托盤在裝卸區等待，機床操作人員可以此時對裝卸區托盤進行裝夾待加工零件的操作，當加工區零件加工完成時，裝卸區托盤承載著待加工零件被送入加工區進行加工，機床操作人員再次重復上述操作。通過這樣的循環操作可以大大縮短加工過程中的輔助時間。

托盤自動交換系統以托盤運動方式來分，一般可分為兩種：①雙托盤回轉交換系統。②雙工位托盤直線推拉交換系統。雙托盤回轉交換系統常用于T形整體床身立柱橫向移動式布局的臥式加工中心（見圖1），雙工位托盤直線推拉交換系統常用于T形床身工作臺橫向移動式布局的臥式加工中心（見圖2）。雙托盤回轉交換系統相對于雙工位托盤直線推拉交換系統承載有能力低，交換時間短的特點。雙工位托盤直線推拉交換系統有承載能力高，交換時間長的特點。

圖1

T形整體床身立柱橫向移動式布局主要應用于小型臥式加工中心。這種加工中心所采用的托盤自動交換系統比較常見的布局有兩種：一種是門式框架布局；另一種是集中式布局。采用框架式布局的托盤自動交換系統，其升降動力源、回轉動力源安裝位置與托架分開，動力源根據需要安裝在門式框架的橫梁上。采用集中式布局的托盤自動交換系統，其升降動力源、回轉動力源與托架安裝位置集中在一個承重基座上。

圖2

在設計托盤尺寸500mm×500mm，承重500kg的臥式加工中心時，采用T形整體床身立柱橫向移動式布局，托盤自動交換系統采用門式框架布局（見圖3）。升降液壓缸7（見圖4）安裝在門式框架6的橫梁上，是由空心活塞和缸體組成。空心活塞通過一組支撐軸承與中心軸聯接起來，中心軸通過支撐柱5與托架2聯接。T形件4通過螺釘與托盤3聯接，托架2是兩端帶有T形槽結構，通過這種T形槽結構與T形件4在垂直方向的結合與脫開來完成托盤的取放的動作。托盤從滑座夾緊器脫離與托盤的取放動作都在垂直方向上，統一由升降液壓缸7來實現。 工件重量最終由門式框架6來承載，因此，框架一定要有足夠的強度。由于托盤自動交換系統帶有兩個托盤，有時兩個托盤所承載的工件種類不同，重量相差很大，在設計過程中還要考慮偏載對門式框架6的影響，變形過大會影響交換系統的定位精度。

圖3 門式框架布局

圖4 升降液壓缸

托盤自動交換系統的回轉機構是以回轉液壓缸1作為動力源的（見圖5），回轉液壓缸是采用雙活塞單齒條、單齒輪的結構。壓力油進入一端油腔推動活塞帶動齒條作直線往復運動。齒條的直線往復運動又推動與其嚙合的齒輪旋轉。齒輪上下安裝一組定心軸承，轉矩從與齒輪聯接的花鍵軸傳到與花鍵軸聯接的托架2上的花鍵套，近而實現了托盤180°回轉動作。

圖5 單齒條回轉液壓缸

托盤自動交換系統動作順序是：當升降液壓缸7帶動托架及托板上升到上極限位時，回轉液壓缸1帶動托架及托板做180°回轉，回轉到位后，升降液壓缸7帶動托架及托盤下降，直至到位完成整個托盤的交換動作。由于升降液壓缸在橫梁上沒有與托架放在一起，不占用托架長度、寬度空間尺寸，使得托架長度、寬度的尺寸變短，交換系統回轉半徑也相應變小，節省了機床的占用空間。而取放機構利用的是托盤高度的空間，減少托架占用機床Z向導軌上方的空間，有利于滑座與Z向防護的設計，不會因為Z向導軌上方的空間被托架占用而過分考慮滑座的結構尺寸來解決空間占用的問題，保證裝卸位上的托盤與地面的距離不會過高，便于操作者的裝卸工件。

在產品試制完成后，發現此結構在實際機床運行過程中存在兩個問題。①托盤與托架的取放結構在加工中金屬屑掉落在T形件與托架上，在取托盤時，T形件與托架上的T形槽結合過程中，掉落在上面的金屬屑往往會擠入T形槽中使T形件與托架上的T形槽無法正常結合，甚至把托盤頂離滑座造成工件翻倒。為解決這個問題，在托盤上部加裝頂部噴淋裝置，當準備取托盤時，頂部噴淋裝置啟動，沖洗掉T形件與托架上面的金屬屑。這個裝置對大質量的金屬屑清除效果很好，但是對小質量的金屬屑清除效果稍差，因為冷卻液有一定的黏度，小質量的金屬屑往往被粘住很難清除干凈。為此在托架上的T形槽內加裝一個與其配合并帶有高壓噴水的裝置，由于這個裝置與T形槽相配合，填充T形槽的空間，使金屬屑無法依附在T形槽內，當準備取托盤時，高壓噴水裝置啟動瞬間把T形槽邊緣的金屬屑沖掉，結合頂部噴淋裝置完全達到清除金屬屑的效果。②由于回轉液壓缸采用雙活塞單齒條、單齒輪的結構，齒輪齒條副存在齒側間隙，由于工藝上無法做到很小的齒側間隙，外部也因存在升降旋轉兩種運動，無法加裝限位裝置來達到末端零件限位消隙的效果。在只能靠回轉液壓缸的兩端活塞限位的情況下，當托盤回轉到位時由于轉臂的放大效應，齒側間隙被放大，受慣性影響使得托盤出現明顯的晃動現象。對于這個問題解決方法是通過把單齒輪改為雙齒輪來消除齒側間隙（見圖6）。這種方法在實際應用中證明是有效的，使托盤自動交換系統的定位精度及穩定性得到保證，問題的解決使機床得以批量生產。

圖6 雙齒輪消隙

在設計托盤尺寸630mm×630 mm，承載1 200kg的臥式加工中心時，也采用T形整體床身立柱橫向移動式布局。而托盤自動交換系統采用集中式布局（見圖7），主要原因是上面所述的托盤取放結構雖然占用空間相對于集中式布局小，但其承載能力受整個結構強度的影響，承載能力偏低。

圖7 集中式布局

托盤1是靠懸臂式托架3來取放的，懸臂式托架3為得到足夠的強度而增加其厚度尺寸，托架的支撐部件為承重基座5，也需要有足夠的強度，這種結構占用了Z向導軌上方空間，為保證回轉工作臺及其相連部件的運動空間，迫使工作臺的高度相應的向上調整，相比前述方案裝卸位上的托盤與地面的距離偏高。托架托舉托盤時結合處靠銷與銷孔定位，除了整體布局與門式框架布局不同外，自動交換系統的動作順序與前所述相同。由于載重增加，托盤1尺寸增加；升降液壓缸2移至懸臂式托架3上，使整個交換系統的回轉半徑增加，導致系統整體慣量的增加，根據轉矩公式

式中，J為物體的轉動慣量；ω為角加速度。

得出加速所需轉矩與物體的轉動慣量成正比，因此系統整體慣量的增加使得加速所需轉矩也隨之增加。如果采用雙活塞單齒條、單齒輪的結構，那么就需要增大液壓缸直徑或提高液壓缸的壓力。因為機床總體布局尺寸限制增大液壓缸直徑不可取。提高液壓缸的壓力會使齒輪齒條副的嚙合力過大，降低齒輪齒條副的使用壽命。因此為分解加速所需轉矩，這個方案中的回轉液壓缸4（見圖8）采用雙齒條單齒輪的結構，加速時兩個齒條同時對齒輪施加推力，形成力偶推動齒輪旋轉，降低齒輪齒條副的嚙合力，提高了齒輪齒條副的使用壽命，并且雙齒條單齒輪的結構可以消除傳動系統的間隙，保證托盤自動交換系統的定位精度及穩定性。

圖8 雙齒條回轉液壓缸

由于以往產品設計經驗的積累，采用集中式布局的托盤自動交換系統在試制過程中沒有出現結構性問題，整個系統達到設計要求，此型號臥式加工中心已成功投放市場。