一種數(shù)控加工中心自動換刀機(jī)械手的研發(fā)

王素粉 陳 濤

（1.河南科技大學(xué) 應(yīng)用工程學(xué)院，三門峽 472000；2.三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車學(xué)院，三門峽 472000）

加工中心作為目前加工效率最高的數(shù)控機(jī)床，能否真正發(fā)揮其優(yōu)點，很大程度上取決于自動換刀裝置的換刀效率。因此，自動換刀裝置（Automatic Tool Changer，ATC）的換刀時間是判斷一個加工中心是否先進(jìn)的重要標(biāo)志，因此縮短換刀時間對提高我國制造業(yè)的自動化水平具有重要作用。弧面凸輪工作輪廓一般是利用空間包絡(luò)曲面的共軛原理建立三角函數(shù)方程進(jìn)行求解，計算過程太過復(fù)雜，且數(shù)據(jù)量龐大。計算機(jī)的出現(xiàn)大大簡化了機(jī)械設(shè)計的過程。因此，文章采用建模軟件對弧面凸輪機(jī)構(gòu)建立運(yùn)動仿真，從而得出其工作輪廓。平面溝槽凸輪結(jié)構(gòu)設(shè)計可以根據(jù)從動件的運(yùn)動規(guī)律，利用解析法或者作圖法繪制其輪廓 曲線[1-2]。

本次設(shè)計所需刀具數(shù)目為24把，故選用盤式刀庫。盤式刀庫的結(jié)構(gòu)已趨于標(biāo)準(zhǔn)，故文中不再設(shè)計，可選擇臺灣圣杰生產(chǎn)的BT40刀庫。刀庫的選刀方式為任意選刀，即在刀庫安放刀具時可隨意安放。目前，大多數(shù)加工中心都采用記憶方式來實現(xiàn)刀具的任意選擇。此方法方便快捷，可以顯著提高換刀速度。

1 換刀機(jī)械手的設(shè)計

1.1 換刀機(jī)械手手部設(shè)計

1.1.1 手爪的設(shè)計和計算

手爪機(jī)構(gòu)是靠夾緊力握住刀具的，因此手爪應(yīng)該具有足夠的夾緊力[3-4]。換刀機(jī)械手的手爪具有多種形式。選擇時，設(shè)計人員應(yīng)該根據(jù)具體情況具體分析，再選擇機(jī)械手的手爪結(jié)構(gòu)。結(jié)合本次設(shè)計要求，這里采用機(jī)械鎖刀手爪。這種形式的手爪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，不需要其他動力裝置鎖緊刀具，因此應(yīng)用廣泛。加工中心中自動換刀裝置使用通用刀柄，這里采用BT40的刀具型號。刀柄的結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

1.1.2 彈簧的選擇與設(shè)計

本次設(shè)計中，彈簧主要承受壓縮力，且受力不大，僅僅起到防止刀具在運(yùn)動過程中滑落的作用，故選用第Ⅱ類圓柱形螺旋壓縮彈簧[5]。表1為碳素彈簧鋼絲Ⅱ組的相關(guān)參數(shù)。

表1 碳素彈簧鋼絲Ⅱ組的抗拉強(qiáng)度和許用應(yīng)力

初選彈簧的直徑d=1.5 mm，其中D2=8 mm。經(jīng)查表1，可以得到[τ]Ⅱ=725 N·mm-2，其最大工作載荷可由式（1）得出：

式中：K為曲度系數(shù)，選K=1.30。因此，最大工作載荷為：

1.2 手爪整體尺寸的確定

本次設(shè)計計算擬定主軸軸線與刀庫軸線的距離為500 mm，即換刀臂的兩個抓刀手的中心距為500 mm， 總長度為577 mm。由于已經(jīng)確定扣刀環(huán)尺寸，換刀臂尺寸只需要滿足扣刀環(huán)的尺寸即可。這里換刀臂選擇圣杰刀臂和配件來滿足各零件的互換性問題。機(jī)械手的整體尺寸如圖2所示，機(jī)械手三維模型如圖3所示。

2 凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計和分析

2.1 運(yùn)動循環(huán)圖的設(shè)計和分析

弧面凸輪和平面溝槽凸輪的運(yùn)動循環(huán)圖，如圖4所示。轉(zhuǎn)盤運(yùn)動有4個停歇期和3個分度期，其中3個分度期分別對應(yīng)機(jī)械手逆時針旋轉(zhuǎn)90°、180°和順時針旋轉(zhuǎn)90°。機(jī)械手的運(yùn)動對應(yīng)3個停歇過程和2個運(yùn)動過程，其中2個運(yùn)動過程分別為下降過程（拔刀動作）和上升過程（插刀動作）。弧面凸輪機(jī)構(gòu)所選用的運(yùn)動曲線必須保證運(yùn)動平穩(wěn)、沖擊載荷小、壽命長以及分度精確，有利于減少滾子橫越?jīng)_擊產(chǎn)生的噪聲和磨損[6-7]。

2.2 凸輪機(jī)構(gòu)實體建模

弧面凸輪工作輪廓很難使用人們所熟知的制圖方法繪制，一般利用空間包絡(luò)曲面的共軛原理計算[8-9]。

由《機(jī)械設(shè)計手冊》可知，空間包絡(luò)曲面的共軛原理是分別建立3個不同的坐標(biāo)系下的三角函數(shù)方程，因此計算過程太過復(fù)雜，數(shù)據(jù)量龐大。這里利用建模軟件SolidWorks中的Motion分析，在已知機(jī)械手運(yùn)動規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過建立轉(zhuǎn)動盤與弧面凸輪的仿真運(yùn)動來追蹤滾子的運(yùn)動軌跡，并利用布爾運(yùn)算切除滾子與凸輪在運(yùn)動中相交的材料，從而生成弧面凸輪的三維模型，如圖5所示。

3 結(jié)語

文章根據(jù)機(jī)械手的工作特點和運(yùn)動情況，設(shè)計合理的運(yùn)動循環(huán)圖。通過運(yùn)用SolidWorks三維建模軟件中的Motion分析，結(jié)合弧面凸輪在工作中的運(yùn)動特點，完成整個弧面凸輪的運(yùn)動仿真，從而生成弧面凸輪的三維模型。與其他驅(qū)動方式相比，設(shè)計的單臂雙手式的弧面凸輪式機(jī)械手可以同時完成插刀和拔刀動作，顯著提高換刀速度，提高了加工中心的自動化水平。