絲桿螺桿銑床自動上下料裝置設計

王友斌，王慧

(南京工程學院，江蘇 南京 211167)

0 引言

機械加工中數控機床的普及，不僅提高了產品的加工質量和生產效率，還減輕了工人的勞動強度。但工人在上下料和裝夾輔助所用時間依然無法減少，故自動上下料裝置的研究越來越迫切。目前，國內大部分自動上下料裝置的研究都是針對某一類零件的專機。陜西科技大學的司建星[1]針對數控車床、料盤和物料箱組成的加工單元設計了一種五自由度機器人對數控車床組進行上下料。中國船舶重工集團公司的李陽、顧歡[2]針對數控機床落后的手動上下料存在的耗費人力和時間、產品質量無法得到保證等問題，設計了一種機床自動上下料系統，該系統具有生產效率高、工藝修改靈活、產品質量高等特點。絲桿作為城市軌道交通門開啟、閉合傳動的零件，是城市軌道交通門的核心部件之一，其在生產中需要進行多次裝夾操作，由此消耗的人工上下料、調整和裝夾時間超過了生產總時間的1/3[3]。鑒于現在勞動力成本聚增，提高生產效率，設計出一種螺桿銑床的絲桿自動上下料裝置尤為重要。

1 設計需求分析

1.1 產品技術要求和參數

絲桿是軌道車門系統的重要零件之一，其外形是一根長桿，兩端有加工出的旋向相反的螺紋，中間有鎖閉端。絲桿的質量將直接影響車門的開閉效率和安全性，其加工工序如表1所示。

表1 絲桿加工工序及設備

本文設計的是工序3至工序6的自動上下料裝置。從表1可知，絲桿的兩端正反向螺紋分別在兩臺數控螺桿銑床上加工。

1.2 設計技術要求

2 自動上下料裝置設計方案

絲桿是一種細而長，形狀規則的傳動零件，所以加工時能夠適應自動化設備。上下料倉應有一定的斜度、長度和寬度以便滿足儲存數量要求。進料分料輪在步進電機驅動下每次僅有一根絲桿進入上料區，通過與帶V型氣動夾爪的升降氣缸和有夾持手的伺服小車之間的有效配合，利用齒輪齒條傳動，將絲桿準確取出和送入數控螺桿機床，從而進行正、反牙螺紋加工；下料撥料輪同樣在步進電機驅動下將絲桿撥入下料倉，再由氣缸推動送料輪，每次僅送出1件，等待機器人取料送入下道工序，如圖1所示。

1—伺服小車；2—進料分料輪；3—上料架；4—絲桿；5—導軌；6—齒條；7—氣缸V型夾爪；8—撥料輪；9—下料架；10—送料輪；11—夾持手；12—滑塊。

3 自動上下料裝置結構設計

3.1 上下料分料機構設計

上下料倉的設置應能夠防止機床的等待，提高機床的利用效率，如圖2所示。將料倉設計為12°斜角，利用絲桿自身的質量，絲桿在重力作用下每次僅有一根絲桿進入分料輪中；步進電機驅動傳動軸，帶動5個相同的分料輪旋轉一定角度，將絲桿送入氣動V型夾爪中；撥料輪的撥爪相對撥輪在一定范圍內單向運動，由扭簧回復。加工完畢，氣動V型夾爪上的絲桿同樣由步進電機驅動傳動軸帶動5個相同的撥料輪旋轉一定角度，將絲桿送入下料倉中；氣缸推動搖擺機構帶動5個送料輪將絲桿送出，等待機器人取走,進行下一道加工工序。

1—上支架；2—光桿；3—傳動軸1；4—傳動軸2 5—電機1；6—同步帶；7—帶輪；8—撥料輪；9—同步帶；10—帶輪；11—電機2；12—氣缸；13—擺動臂；14—絲桿。15—出料輪；16—傳動軸3；17—下支架。

3.2 轉運機構計算分析

在送料輪與夾具之間，送料輪需要保持一定的轉速，若轉速過快，則工件容易飛出夾具，損壞工件；若轉速過慢，則會降低送料效率，因此需要保證工件能夠準確地掉入V型夾爪中。根據設計需求，料倉設計為12°斜角，分離輪首先旋轉一定角度，使工件進入分離輪槽中，如圖3所示。

圖3 工件滾入分離輪槽中

工件掉入分離輪槽后，分離輪帶動工件做勻速旋轉。直至分離輪上絲桿工件開始落下的瞬間，桿件中心與夾持桿件中心的x方向距離為dx=68.7mm=0.068 7 m，y方向距離為dy=55.7mm=0.055 7 m，如圖4所示。

圖4 開始落下瞬間距離示意圖

在工件落下的過程中，物料分離輪仍以恒定的角速度ω進行轉動。考慮到絲桿工件表面已經經過加工，且為滾動，為簡化計算，忽略其所受摩擦力。其開始落下時的受力分析圖如圖5所示。

圖5 工件受力分解圖

其中：F支為分料輪對工件絲桿的支持力；Fz為工件絲桿對分離輪的反作用力；mg為工件絲桿所受重力，其中，每根工件絲桿的質量為m=20kg，取g=9.8 m/s2。

θ為分離輪平面與水平面之間的夾角，其為與時間t和角速度ω相關的函數，其關系為

θ=ωt

(1)

由牛頓第二定律，對工件絲桿x軸與y軸方向的加速度進行求解。根據圖5所示受力分析和牛頓第三定律，可以得到F支=Fz=mgcosθ，由此可以計算出工件絲桿在x軸、y軸方向所受力的總和Fx總、Fy總。將Fx總、Fy總結合牛頓第二定律：F=ma，化簡后可得工件絲桿在x軸、y軸方向的加速度ax、ay為：

ax=gsinθcosθ

(2)

ay=g-gcos2θ

(3)

則位移公式為

(4)

其中：v0為運動初始速度；t為時間。在本計算中，絲桿首先由物料輪從起始位置帶動至物料輪平面與水平面平行，此時工件具有自帶的初始線速度Vt=ωr，其中r為分料輪旋轉中心與絲桿中心的距離，如圖6所示。根據設計需求，r=0.045 m。

圖6 初始速度分解圖

其初始線速度Vt=0.045ω,對其在x軸、y軸方向上進行速度分解，可得x軸和y軸方向初始速度Vtx和Vty。

將Vtx、Vty結合公式(2)和公式(3)代入公式(4)，與公式(1)可聯立方程組

(5)

將各數值代入，求解方程組(5)，可解出θ≈0.507 9 rad≈29°，時間t=0.172 6 s,由此可得其角速度ω=2.94 rad/s≈168.5°/s。

由計算結果可得：當分離輪的角速度ω=2.94 rad/s時，工件剛好可以掉入設計的V型夾爪內，從而提高了送料效率。

3.3 伺服小車設計

伺服小車是自動上下料裝置的核心部件，要求其能準確進行送料(前進)和取料(后退)。夾持夾爪能自動夾緊、松開和旋轉。結構如圖7所示。伺服電機驅動齒輪齒條實現小車沿直線導軌，完成送料和取料的運動，夾持夾爪由氣缸推動壓臂帶動夾持套管和夾持錐套，實現夾持套和彈性夾頭自動夾緊和松開；恒轉矩電機驅動送料主軸和送料芯軸以及夾頭實現正反旋轉；位置傳感器和編碼器的檢測用來控制工件夾緊和定位精度。

1—編碼器；2—罩殼；3—同步帶組件；4—恒轉矩電機；5—箱體；6—氣缸；7—軸承；8—壓臂；9—夾持套管；10—送料主軸；11—鎖緊螺母；12—夾持錐套；13—夾持套；14—夾頭；15—位置傳感器支架；16—位置傳感器；17—彈簧；18—送料芯軸；19—底板；20—軸承蓋；21—伺服電機；22—滑塊；23—傳動齒輪；24—齒條。

3.4 上下料裝置總體結構

自動上下料裝置總體結構如圖8所示。自動上下料裝置由伺服送料小車、氣動夾緊、升降機構，上下料料倉機構以及機架4個基本部分組成。能夠確保小車正確送料、取料，從而加工出合格的理想產品。

1—伺服送料小車；2—氣動V型夾緊、升降機構；3—上下料料倉機構；4—機架。

4 樣機試制

在螺桿銑床絲桿自動上下料裝置設計過程中，已為某企業試制樣機一臺，通過調試現該樣機已開始穩定運作。通過觀察自動上下料裝置運行情況，驗證了設計的合理性，并達到預期使用效果，大幅減少了人力成本，保證了本工序加工精度，提高了效率和質量[4-5]。樣機工作現場如圖9所示。

圖9 樣機試制

5 結語

本文設計螺桿銑床絲桿自動上下料裝置，實現了絲桿粗精銑正反螺紋的自動上下料，克服了傳統手工上下料缺陷，提高了產品質量和生產效率。不僅為企業帶來可觀的經濟效益，還減少了上下料時絲桿對工人潛在的人身安全傷害[6]。通過試制，滿足本工序絲桿加工精度要求，且運行穩定可靠，達到預期設計效果。