基于臥加鏈?zhǔn)降稁旖Y(jié)構(gòu)分析的零部件模塊化設(shè)計(jì)

范春宏 王慶利 吳 麗

（沈陽機(jī)床股份有限公司中捷鉆鏜床廠，遼寧沈陽 100141）

1 鏈?zhǔn)降稁炀芙Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

鏈?zhǔn)降稁熘饕傻稁毂倔w、刀庫座、刀庫驅(qū)動裝置、刀套鏈及刀套鏈定向裝置、手動卸刀裝置和自動換刀裝置等構(gòu)成。針對臥式加工中心需求鏈?zhǔn)降稁斓闹饕獏?shù)及技術(shù)要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析，并利用建模軟件對刀庫進(jìn)行參數(shù)化建模。

1.1 刀庫本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鏈?zhǔn)降稁斓牡稁毂倔w是刀庫座、鏈條結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的驅(qū)動裝置的安裝基體。也是刀庫和機(jī)床裝配的主要調(diào)試部件。刀庫本體上的鏈條結(jié)構(gòu)是保證刀具正常運(yùn)行的剛體結(jié)構(gòu)，不僅能保證高剛性、低噪聲和小振動，且能承受快速換刀的沖擊力和較大刀具重量;刀庫座用于和機(jī)床連接，是刀庫幾何精度保證的關(guān)鍵部件，保證機(jī)床灌膠后刀庫和機(jī)床同步;驅(qū)動裝置是由液壓馬達(dá)帶動齒輪驅(qū)動刀具循環(huán)運(yùn)動。刀庫本體的具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 刀庫驅(qū)動裝置設(shè)計(jì)

刀庫驅(qū)動裝置工作過程是刀套鏈沿導(dǎo)向輪的轉(zhuǎn)動，是由液壓馬達(dá)驅(qū)動的，該裝置由液壓馬達(dá)和齒輪減速箱構(gòu)成，如圖2所示。壓力油接入液壓馬達(dá)帶動齒輪1轉(zhuǎn)動，經(jīng)二級齒輪降速到達(dá)牙輪驅(qū)動刀套鏈旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速由液壓裝置來控制。

1.3 刀套鏈及刀套鏈定位裝置設(shè)計(jì)

刀套鏈?zhǔn)欠忾]結(jié)構(gòu)，其圍繞在3個(gè)導(dǎo)向輪和1個(gè)驅(qū)動牙輪上，在各輪子之間裝有支承和導(dǎo)向板，用來防止刀套鏈轉(zhuǎn)動時(shí)振動。刀套鏈軸也就是刀座，可以夾持ISO50刀具，如圖3所示。

機(jī)械手抓刀時(shí)，刀套必須準(zhǔn)確停在換刀點(diǎn)位置上。當(dāng)機(jī)械加工需要更換某把刀具時(shí)，通過記數(shù)輪并由感應(yīng)開關(guān)輸出信號，使其停止在換刀點(diǎn)處，然后，定向油缸活塞桿移動，帶動定位銷插入定位輪的凹槽內(nèi)，使得刀套準(zhǔn)確停在換刀點(diǎn)處，同時(shí)也將刀套鏈鎖住。定位輪安裝在減速箱中的一根齒輪軸上，如圖4所示。

1.4 手動卸刀裝置及刀座監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)

手動卸刀裝置即在刀庫的側(cè)面設(shè)有刀具裝入、取出位置。當(dāng)需要裝、卸刀具時(shí)，將相應(yīng)的刀座移到該位置處，然后利用腳踏開關(guān)通過液壓油缸將刀具從刀座中頂出;裝入時(shí)，可將刀具直接插入刀座中，通過刀座中的鋼球?qū)⒌毒呶膊康睦旀i住，如圖5所示。

更換刀具時(shí)，刀套鏈?zhǔn)前醋疃痰穆窂椒较颍槙r(shí)針或逆時(shí)針）快速運(yùn)行，距換刀點(diǎn)還有一個(gè)刀套距離處，刀套鏈運(yùn)行速度減慢至換刀點(diǎn)位置停止，并由電氣開關(guān)監(jiān)控。為消除刀座的定位誤差，刀套鏈運(yùn)行定位是單向定位的，當(dāng)?shù)短祖湻聪蜻\(yùn)行換刀時(shí)，刀套鏈需越過換刀點(diǎn)處一個(gè)刀座位再反向運(yùn)行到換刀點(diǎn)處停止。換刀處的刀座是否被占用由電氣開關(guān)監(jiān)控的。此開關(guān)通過刀座尾部的中心孔對刀座進(jìn)行監(jiān)控。刀套的定位控制及刀具監(jiān)控由圖6所示的刀座監(jiān)控裝置完成。

1.5 自動換刀裝置設(shè)計(jì)

刀具交換主要包括5個(gè)部分:雙臂轉(zhuǎn)動180°，手臂轉(zhuǎn)動90°（包括待機(jī)位置），雙臂前后移動（插拔刀），雙臂平移（機(jī)械手抓刀），刀套鏈轉(zhuǎn)動與刀座定位。整個(gè)換刀過程如圖7所示。

自動換刀裝置的主要任務(wù)為:完全模擬手的換刀動作，給加工中心主軸與彈簧夾頭提供相對轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)夾緊、放松刀具的動作。機(jī)械手應(yīng)具備足夠的恒定轉(zhuǎn)矩，同時(shí)還應(yīng)使機(jī)械手具備結(jié)構(gòu)緊湊、占據(jù)空間小的特點(diǎn)，以適應(yīng)加工中心的換刀空間。自動換刀裝置結(jié)構(gòu)如圖8所示。

建筑裝飾裝修設(shè)計(jì)人員要運(yùn)用綠色環(huán)保設(shè)計(jì)理念，結(jié)合裝飾裝修設(shè)計(jì)中遇到的問題，合理融入與綠色環(huán)保有關(guān)的裝修裝飾理念，制定出更為科學(xué)的解決措施，不斷減少建筑室內(nèi)裝飾裝修施工所帶來的環(huán)境污染。在進(jìn)行建筑室內(nèi)裝飾裝修設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要加強(qiáng)設(shè)計(jì)管理，并妥善布局，結(jié)合建筑室內(nèi)裝飾裝修材料的使用現(xiàn)狀，展開科學(xué)討論。例如，在該建筑裝飾裝修設(shè)計(jì)過程之中，選擇采用地板磚還是木地板，才能夠保證建筑室內(nèi)地面裝修裝飾效果達(dá)到最好。在建筑室內(nèi)墻面裝飾裝修過程當(dāng)中，采用壁紙還是墻面漆，能夠獲取最佳的裝飾效果。

總之，通過各部結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)分析，建立鏈?zhǔn)降稁斓膮?shù)化模型（如圖9所示），并在此基礎(chǔ)上對主要零部件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。

2 鏈?zhǔn)降稁毂倔w的模塊化設(shè)計(jì)

由于具體工件的加工工藝不同，需要的刀具數(shù)量也不相同，因此客戶對刀庫的刀具數(shù)量就有了相應(yīng)的要求。針對目前市場的主要需求，設(shè)計(jì)了40把刀庫體、60把刀庫體以及90把刀庫體形成系列產(chǎn)品。為了減小占地面積，保證整機(jī)結(jié)構(gòu)的緊湊性，經(jīng)過多次整改設(shè)計(jì)，成功將90把刀庫體設(shè)計(jì)成蛇形結(jié)構(gòu)，60把刀庫體只在空間高度上增加得略大，在實(shí)際生產(chǎn)中得到了應(yīng)用，效果非常好，模塊化刀庫的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖10所示。

3 鏈?zhǔn)降稁熳詣訐Q刀裝置的模塊化設(shè)計(jì)

（1）自動換刀裝置的運(yùn)動分析

從機(jī)械原理的設(shè)計(jì)角度看，簡化后的刀庫自動換刀裝置是由主動件，從動件以及機(jī)架3部分組成的偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（如圖11所示）。

通過設(shè)置原點(diǎn)，將各桿的長度和角度用方程式表示，在增加驅(qū)動后，完成各構(gòu)件的位移、速度和加速度的運(yùn)動分析，建立參數(shù)表，根據(jù)需要進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的調(diào)整。

（2）自動換刀裝置的模塊化設(shè)計(jì)

將自動換刀裝置進(jìn)行參數(shù)化建模（如圖12所示），液壓油缸和換刀支架的連接只要在避免死點(diǎn)的角度范圍內(nèi)取值，就可以根據(jù)機(jī)床的需要進(jìn)行換刀點(diǎn)的重新取值。

當(dāng)機(jī)床主軸無法保證換刀行程時(shí)，可以通過有限元分析，機(jī)械手臂不受刀具重量影響情況下重設(shè)換刀手臂旋轉(zhuǎn)直徑，滿足換刀行程。

4 結(jié)語

隨著科技進(jìn)步，客制化產(chǎn)品將成為主流，目前鏈?zhǔn)降稁煲约版準(zhǔn)降稁斓哪K化設(shè)計(jì)需要在以下方面做進(jìn)一步的改進(jìn)設(shè)計(jì)，使其適應(yīng)市場需求。并且在高速、高穩(wěn)定性、高精度的發(fā)展趨勢下，鏈?zhǔn)降稁烊匀恍枰M(jìn)行如下技術(shù)難點(diǎn)攻關(guān):

（1）換刀速度及換刀穩(wěn)定性:鏈?zhǔn)降稁毂仨氃诒ＷC高剛性、低噪聲、小振動，且能承受快速換刀的沖擊力和較大刀具重量的前提下，提高換刀速度。

（2）刀鏈精確定位系統(tǒng):鏈?zhǔn)降稁斓逆湕l式結(jié)構(gòu)，決定了刀庫自身存在著機(jī)械剛性差、傳動間隙大的明顯缺陷，從而造成刀庫定位精度差，因此作為刀庫整機(jī)性能的一個(gè)重要指標(biāo)刀鏈的精確定位系統(tǒng)，需要由機(jī)械設(shè)計(jì)與電氣設(shè)計(jì)配合改進(jìn)設(shè)計(jì)。

（3）自動換刀裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì):液壓自動換刀裝置可以承重大，但相對于凸輪機(jī)構(gòu)的自動換刀裝置，由液壓控制的機(jī)械手換刀需要對液壓油缸進(jìn)行高精度加工，難度非常大，且換刀速度提高的難度系數(shù)也非常大，需要對液壓油缸進(jìn)行性能分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)。

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