臥式加工中心APC的設(shè)計(jì)與研究

寧波海天精工沈陽(yáng)研發(fā)中心 （遼寧 110002） 王仁誠(chéng)

臥式加工中心在對(duì)零件批量化生產(chǎn)的過(guò)程中，為提高加工效率，縮短批量加工工件的時(shí)間，不斷地提高機(jī)床的自動(dòng)化程度，縮短加工以外的刀具更換、工件裝卸等輔助時(shí)間，為使工件裝卸盡量不再占用總的加工時(shí)間，發(fā)展出為臥式加工中心配置托盤自動(dòng)交換系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱APC，托盤自動(dòng)交換系統(tǒng)的主要作用是：當(dāng)一個(gè)托盤在加工區(qū)承載零件加工時(shí)，另一個(gè)托盤在裝卸區(qū)等待，機(jī)床操作人員可以此時(shí)對(duì)裝卸區(qū)托盤進(jìn)行裝夾待加工零件的操作，當(dāng)加工區(qū)零件加工完成時(shí)，裝卸區(qū)托盤承載著待加工零件被送入加工區(qū)進(jìn)行加工，機(jī)床操作人員再次重復(fù)上述操作。通過(guò)這樣的循環(huán)操作可以大大縮短加工過(guò)程中的輔助時(shí)間。

托盤自動(dòng)交換系統(tǒng)以托盤運(yùn)動(dòng)方式來(lái)分，一般可分為兩種：①雙托盤回轉(zhuǎn)交換系統(tǒng)。②雙工位托盤直線推拉交換系統(tǒng)。雙托盤回轉(zhuǎn)交換系統(tǒng)常用于T形整體床身立柱橫向移動(dòng)式布局的臥式加工中心（見(jiàn)圖1），雙工位托盤直線推拉交換系統(tǒng)常用于T形床身工作臺(tái)橫向移動(dòng)式布局的臥式加工中心（見(jiàn)圖2）。雙托盤回轉(zhuǎn)交換系統(tǒng)相對(duì)于雙工位托盤直線推拉交換系統(tǒng)承載有能力低，交換時(shí)間短的特點(diǎn)。雙工位托盤直線推拉交換系統(tǒng)有承載能力高，交換時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。

圖1

T形整體床身立柱橫向移動(dòng)式布局主要應(yīng)用于小型臥式加工中心。這種加工中心所采用的托盤自動(dòng)交換系統(tǒng)比較常見(jiàn)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(dòng)交換系統(tǒng)，其升降動(dòng)力源、回轉(zhuǎn)動(dòng)力源安裝位置與托架分開(kāi)，動(dòng)力源根據(jù)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(dòng)交換系統(tǒng)，其升降動(dòng)力源、回轉(zhuǎn)動(dòng)力源與托架安裝位置集中在一個(gè)承重基座上。

圖2

在設(shè)計(jì)托盤尺寸500mm×500mm，承重500kg的臥式加工中心時(shí)，采用T形整體床身立柱橫向移動(dòng)式布局，托盤自動(dòng)交換系統(tǒng)采用門式框架布局（見(jiàn)圖3）。升降液壓缸7（見(jiàn)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?？招幕钊ㄟ^(guò)一組支撐軸承與中心軸聯(lián)接起來(lái)，中心軸通過(guò)支撐柱5與托架2聯(lián)接。T形件4通過(guò)螺釘與托盤3聯(lián)接，托架2是兩端帶有T形槽結(jié)構(gòu)，通過(guò)這種T形槽結(jié)構(gòu)與T形件4在垂直方向的結(jié)合與脫開(kāi)來(lái)完成托盤的取放的動(dòng)作。托盤從滑座夾緊器脫離與托盤的取放動(dòng)作都在垂直方向上，統(tǒng)一由升降液壓缸7來(lái)實(shí)現(xiàn)。 工件重量最終由門式框架6來(lái)承載，因此，框架一定要有足夠的強(qiáng)度。由于托盤自動(dòng)交換系統(tǒng)帶有兩個(gè)托盤，有時(shí)兩個(gè)托盤所承載的工件種類不同，重量相差很大，在設(shè)計(jì)過(guò)程中還要考慮偏載對(duì)門式框架6的影響，變形過(guò)大會(huì)影響交換系統(tǒng)的定位精度。

圖3 門式框架布局

圖4 升降液壓缸

托盤自動(dòng)交換系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是以回轉(zhuǎn)液壓缸1作為動(dòng)力源的（見(jiàn)圖5），回轉(zhuǎn)液壓缸是采用雙活塞單齒條、單齒輪的結(jié)構(gòu)。壓力油進(jìn)入一端油腔推動(dòng)活塞帶動(dòng)齒條作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。齒條的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)又推動(dòng)與其嚙合的齒輪旋轉(zhuǎn)。齒輪上下安裝一組定心軸承，轉(zhuǎn)矩從與齒輪聯(lián)接的花鍵軸傳到與花鍵軸聯(lián)接的托架2上的花鍵套，近而實(shí)現(xiàn)了托盤180°回轉(zhuǎn)動(dòng)作。

圖5 單齒條回轉(zhuǎn)液壓缸

托盤自動(dòng)交換系統(tǒng)動(dòng)作順序是：當(dāng)升降液壓缸7帶動(dòng)托架及托板上升到上極限位時(shí)，回轉(zhuǎn)液壓缸1帶動(dòng)托架及托板做180°回轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)到位后，升降液壓缸7帶動(dòng)托架及托盤下降，直至到位完成整個(gè)托盤的交換動(dòng)作。由于升降液壓缸在橫梁上沒(méi)有與托架放在一起，不占用托架長(zhǎng)度、寬度空間尺寸，使得托架長(zhǎng)度、寬度的尺寸變短，交換系統(tǒng)回轉(zhuǎn)半徑也相應(yīng)變小，節(jié)省了機(jī)床的占用空間。而取放機(jī)構(gòu)利用的是托盤高度的空間，減少托架占用機(jī)床Z向?qū)к壣戏降目臻g，有利于滑座與Z向防護(hù)的設(shè)計(jì)，不會(huì)因?yàn)閆向?qū)к壣戏降目臻g被托架占用而過(guò)分考慮滑座的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)解決空間占用的問(wèn)題，保證裝卸位上的托盤與地面的距離不會(huì)過(guò)高，便于操作者的裝卸工件。

在產(chǎn)品試制完成后，發(fā)現(xiàn)此結(jié)構(gòu)在實(shí)際機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中存在兩個(gè)問(wèn)題。①托盤與托架的取放結(jié)構(gòu)在加工中金屬屑掉落在T形件與托架上，在取托盤時(shí)，T形件與托架上的T形槽結(jié)合過(guò)程中，掉落在上面的金屬屑往往會(huì)擠入T形槽中使T形件與托架上的T形槽無(wú)法正常結(jié)合，甚至把托盤頂離滑座造成工件翻倒。為解決這個(gè)問(wèn)題，在托盤上部加裝頂部噴淋裝置，當(dāng)準(zhǔn)備取托盤時(shí)，頂部噴淋裝置啟動(dòng)，沖洗掉T形件與托架上面的金屬屑。這個(gè)裝置對(duì)大質(zhì)量的金屬屑清除效果很好，但是對(duì)小質(zhì)量的金屬屑清除效果稍差，因?yàn)槔鋮s液有一定的黏度，小質(zhì)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(nèi)加裝一個(gè)與其配合并帶有高壓噴水的裝置，由于這個(gè)裝置與T形槽相配合，填充T形槽的空間，使金屬屑無(wú)法依附在T形槽內(nèi)，當(dāng)準(zhǔn)備取托盤時(shí)，高壓噴水裝置啟動(dòng)瞬間把T形槽邊緣的金屬屑沖掉，結(jié)合頂部噴淋裝置完全達(dá)到清除金屬屑的效果。②由于回轉(zhuǎn)液壓缸采用雙活塞單齒條、單齒輪的結(jié)構(gòu)，齒輪齒條副存在齒側(cè)間隙，由于工藝上無(wú)法做到很小的齒側(cè)間隙，外部也因存在升降旋轉(zhuǎn)兩種運(yùn)動(dòng)，無(wú)法加裝限位裝置來(lái)達(dá)到末端零件限位消隙的效果。在只能靠回轉(zhuǎn)液壓缸的兩端活塞限位的情況下，當(dāng)托盤回轉(zhuǎn)到位時(shí)由于轉(zhuǎn)臂的放大效應(yīng)，齒側(cè)間隙被放大，受慣性影響使得托盤出現(xiàn)明顯的晃動(dòng)現(xiàn)象。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題解決方法是通過(guò)把單齒輪改為雙齒輪來(lái)消除齒側(cè)間隙（見(jiàn)圖6）。這種方法在實(shí)際應(yīng)用中證明是有效的，使托盤自動(dòng)交換系統(tǒng)的定位精度及穩(wěn)定性得到保證，問(wèn)題的解決使機(jī)床得以批量生產(chǎn)。

圖6 雙齒輪消隙

在設(shè)計(jì)托盤尺寸630mm×630 mm，承載1 200kg的臥式加工中心時(shí)，也采用T形整體床身立柱橫向移動(dòng)式布局。而托盤自動(dòng)交換系統(tǒng)采用集中式布局（見(jiàn)圖7），主要原因是上面所述的托盤取放結(jié)構(gòu)雖然占用空間相對(duì)于集中式布局小，但其承載能力受整個(gè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(lái)取放的，懸臂式托架3為得到足夠的強(qiáng)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(qiáng)度，這種結(jié)構(gòu)占用了Z向?qū)к壣戏娇臻g，為保證回轉(zhuǎn)工作臺(tái)及其相連部件的運(yùn)動(dòng)空間，迫使工作臺(tái)的高度相應(yīng)的向上調(diào)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(shí)結(jié)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(dòng)交換系統(tǒng)的動(dòng)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(gè)交換系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)半徑增加，導(dǎo)致系統(tǒng)整體慣量的增加，根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式

式中，J為物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為角加速度。

得出加速所需轉(zhuǎn)矩與物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量成正比，因此系統(tǒng)整體慣量的增加使得加速所需轉(zhuǎn)矩也隨之增加。如果采用雙活塞單齒條、單齒輪的結(jié)構(gòu)，那么就需要增大液壓缸直徑或提高液壓缸的壓力。因?yàn)闄C(jī)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(huì)使齒輪齒條副的嚙合力過(guò)大，降低齒輪齒條副的使用壽命。因此為分解加速所需轉(zhuǎn)矩，這個(gè)方案中的回轉(zhuǎn)液壓缸4（見(jiàn)圖8）采用雙齒條單齒輪的結(jié)構(gòu)，加速時(shí)兩個(gè)齒條同時(shí)對(duì)齒輪施加推力，形成力偶推動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，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(jié)構(gòu)可以消除傳動(dòng)系統(tǒng)的間隙，保證托盤自動(dòng)交換系統(tǒng)的定位精度及穩(wěn)定性。

圖8 雙齒條回轉(zhuǎn)液壓缸

由于以往產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的積累，采用集中式布局的托盤自動(dòng)交換系統(tǒng)在試制過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性問(wèn)題，整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，此型號(hào)臥式加工中心已成功投放市場(chǎng)。