高剛性輕量化軸承滾子無心磨自動上下料裝置的設計

傅潔瓊,劉橋方,李海林，楊其升

(1.廣州城建職業學院，廣州 510925；2.洛陽喜峰機械有限公司，河南 洛陽 471000)

1 無心磨上下料裝置需求分析

1.1 無心磨上下料裝置的需求及動作說明

軸承滾子無心外圓磨床在軸承滾子生產中作為主要加工設備，能提供穩定高效及高精度的外圓加工。利用以直線運動模組為基礎的機械手進行自動上下料能顯著地提高加工效率和加工穩定性，同時也是自動化趨勢發展的需求。分解其基本動作流程為：

1)雙伺服插補將砂輪修成需磨削的滾子形狀；

3)由上料手(氣缸+空氣吸盤)抓起滾子；

4)由直線運動模組將滾子準確移動至磨削工位，氣缸下行將滾子放入磨削區，氣缸上行由直線運動模組將上料手退回至上料槽上方(準備抓起下一個待磨削滾子)；

5)導輪進給磨削；

6)導輪退回，下料手抓起磨削后的滾子由直線運動模組組合件移動至下料槽上方，氣缸下行放下滾子。

1.2 直線運動模組問題分析

現直線運動模組一般由基座、導向系統、傳動系統、電動機固定座、傳動固定座等單元組成。材料一般使用高強度鋁合金或鋼材料，傳動系統用滾珠絲杠傳動，其運動精度與剛性雖能滿足需求，但存在體積及質量大的缺點，如行程為600 mm的直線模組，質量約25 kg(不含驅動電動機)。這樣不僅占用較大的機臺空間，而且對原無心磨床進行大結構的改動，才能裝置自動上下料直線運動模組和下料機械手，同時會影響磨床后續的調試與維護。

本設計優化了直線運動模組的結構設計與傳動系統，并使用鋁合金和碳纖維材料，實現直線運動模組小型化、高剛性和輕量化，并應用于無心磨自動上下料裝置中。

2 新型直線運動模組設計與分析

2.1 直線滾珠導軌的設計分析

直線運動模組的核心部件為直線導向系統和動力傳動系統。本設計以廣泛應用于直線導向系統的直線滾珠導軌為模組基礎，進行類型和型號的選擇和有限元分析。

一是充分利用報刊宣傳聞喜縣水利普查工作進展和普查動態；二是強化普查信息報告制度，保證普查信息上傳下達暢通，印發水利普查簡報，確保水利普查領導組成員及相關部門領導及時全面了解普查工作進展；三是墻體刷寫固定標語，發放宣傳單，利用電視臺、電子屏、橫幅等媒介，在全縣廣泛宣傳水利普查，營造支持水利普查的良好氛圍。

2.1.1 直線滾珠導軌的選型

為達到小型上下料裝置模組小型輕量目的，綜合考慮承載能力與穩定性，選擇臺灣HIWIN的MGW15C2R830Z1P加寬型微型導軌，其基本信息與額定載荷見表1[1]。

表1 直線滾珠導軌基本信息與額定載荷Tab.1 Basic information of linear ball guide and rated load

2.1.2 直線滾珠導軌承載能力分析

對MGW15C2R430Z1P導軌部件各方向承載能力進行有限元分析，其基本信息見表2。

表2 直線滾珠導軌的基本材料性能Tab.2 Basic properties of material for linear ball guide

承載的有限元分析按實際需要模擬懸臂使用場景，即將導軌的一端固定，另一末端的豎直和水平方向按實際需求經驗估計值98 N載荷進行分析模擬，結果見表3。由表可知，導軌在水平方向剛性約是豎直方向剛性的約18倍，而應力也達到了4.7倍。

表3 直線滾球導軌有限元分析結果Tab.3 Finite element analysis results of linear ball guide

2.2 直線運動模組結構設計與分析

2.2.1 以直線滾珠導軌為基的結構設計

從上述直線導軌承載能力分析結果來看，其在水平方向承載能力很強，而在豎直方向比較弱。因此，需要通過結構件的優化設計進行豎直方向的加強，并以簡單巧妙的方法設計傳動系統。

在一般情況下，承載方向與重力方向是一致的，結合表3的有限元分析結果，需把導軌承載能力強的水平方向承受載荷，所以將導軌寬面，即水平方向倒置為豎直方向用來承受載荷，但原豎直方向倒置而成的水平方向的承載力則需要加強。在此，為達到上下料裝置模組輕量化和高剛性的目的，選擇碳纖維復合材料為加強板材料來設計橫向板，在傳動系統上則使用小巧實用的同步帶傳動系統，將導軌固定座和電動機座融合成一個零件，同時它也是此直線運動懸臂模組的固定基板，而另一側則將同步輪的惰輪組件和連接座融合成一個連接板，皮帶的張緊設計在電動機座一側。此設計方案極大地簡化了結構，同時實現輕量化與高剛性化，具體結構如圖1所示。

圖1 直線運動模組設計結構圖Fig.1 Structural design diagram of linear motion module

2.2.2 碳纖維加強板的設計與有限元分析

所使用的碳纖維加強板的長度與導軌的長度均為830 mm，厚度先設計為15 mm，寬度為75 mm，保證其在水平方向的承載能力，以此加強其組合后在導軌水平方向的承載能力。

加強板的碳纖維復合材料選擇東麗T700，碳纖維含量為72%，樹脂含量為28%，其材料的基本信息見表4[2]。

表4 碳纖維復合材料的物理性能信息Tab.4 Physical properties of carbon fiber composites

承載能力的分析計算同樣采用一端固定，末端分別承受豎直方向和水平方向的載荷均為98 N為例，結果見表5。

表5 碳纖維加強板有限元分析結果Tab.5 Finite element analysis results of plate reinforced by carbon fiber

通過分析，碳纖維加強板質量為1.65 kg，其剛性要比直線滾珠導軌大8倍，其水平方向的剛性承載能力是垂直方向的21倍，強度為3倍。

將此碳纖維加強板的水平面與直線滾珠導軌的垂直面相結合，使該直線運動模組的承載能力在豎直和水平方向都滿足使用要求。

2.3 直線運動模組的有限元分析

2.3.1 直線運動模組設計說明

為方便CAE軟件計算，模擬分析將直線運動模組中的基座、直線滾珠導軌、碳纖維加強板和惰輪座作為一個整體進行有限元分析。其中基座和惰輪座材料均為6061鋁合金[3]，總質量約9 kg，其剛性模組三維結構如圖2所示。

圖2 直線運動模組的整體有限元分析結構圖Fig.2 Overall structure diagram of finite element analysis of linear motion module

2.3.2 直線運動模組有限元分析

與上述的分析方式一樣，采用固定塊固定，末端面分析以豎直方向和水平方向承受載荷的方式進行分析模擬，結果如圖3和圖4所示。

圖3 豎直方向末端載荷-應力/變形量關系Fig.3 Relationship between stress/deformation-load at end in vertical direction

圖4 水平方向末端載荷-應力/變形量關系Fig.4 Relationship between stress-deformation-load at end in horizontal direction

從上述分析的結果來看，該直線運動模組在垂直方向和水平方向完全可以承受98 N載荷，承載能力和剛性方面完全可以得到保障。另外模組在垂直方向的載荷或振動可以通過調整碳纖維加強板的尺寸來解決。

3 實際應用

對于中小型軸承滾子(特別是Dw≤20 mm)，由于滾子小而精密，把高剛性輕量化的單導軌懸臂式直線運動模組應用在無心磨上下料裝置[4]，在設備的實際使用中獲得了顯著的效果。具體有以下3個方面：1)其單導軌懸臂的運動方式，可以將機械手臂直接固定在砂輪架上，運行穩固可靠，并且不會干涉設備的操作[5];2)如需更換砂輪時，其調試復位時間也大為縮短;3)經過高剛性輕量化設計后，模組的質量由25 kg減至10 kg，上下料時的動作快速平穩，提升了加工效率。其具體實際應用如圖5和圖6所示。

圖5 自動上下料裝置應用于軸承精密滾子無心磨床Fig.5 Automatic loading and unloading device for centerless grinder for roller of precision bearing

1—上料槽;2—復合碳纖維加強板；3—支架；4—砂輪架；5—上料手；6—下料手；7—驅動電動機；8—傳動同步帶；9—直線運動模組；10—導輪架；11—床身；12—下料槽；13—氣缸；14—吸盤；15—工件；16—導輪；17—砂輪圖6 應用于軸承生產中無心磨床自動上下料裝置布局圖Fig.6 Layout of automatic loading and unloading device of centerless grinder used in bearing production

4 結束語

為實現軸承滾子切入式無心磨上下料裝置直線運動模組高剛性輕量化，本設計采用直線滾珠導軌以優化導向系統，同時采用碳纖維板加強模組水平方向的承載力。在結構上將2個主要支承部件進行強度和剛性的相加，實現了水平和豎直2個方向的共同加強。使其在剛性、強度等力學性能與傳統直線運動模組相當的情況下，其總質量僅為傳統設計的40%，而使用更為高效與靈活。這種結構直線運動模組可以結合實際需求，借助有限元分析，在實際機構設計中進行靈活的變更與改進。