臥式加工中心換刀機(jī)械手的動(dòng)態(tài)特性分析

□ 羅生梅 □ 牛朝陽

1.蘭州理工大學(xué) 數(shù)字制造技術(shù)與應(yīng)用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州 730050

2.蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 蘭州 730050

加工中心自動(dòng)換刀裝置 （Automatic Tool Changer,ATC）主要由機(jī)械手、刀庫等組成，其作用是將主軸上的工作刀具與刀庫中的待用刀具進(jìn)行交換。對(duì)于加工中心的機(jī)械手而言，應(yīng)具有換刀時(shí)間短、工作平穩(wěn)、定位準(zhǔn)確的特點(diǎn)。

加工中心自動(dòng)換刀裝置換刀的可靠性，也是ATC系統(tǒng)先進(jìn)與否的一個(gè)重要標(biāo)志，隨著我國制造業(yè)的飛速發(fā)展，與之息息相關(guān)的精密制造裝備也向著高速度、高精度、高效能、高柔性、自動(dòng)化的方向發(fā)展，在保證使其具有良好性能的同時(shí)，還要有很高的可靠性。換刀時(shí),執(zhí)行的動(dòng)作多、速度快、對(duì)定位準(zhǔn)確性要求高，尤其在復(fù)雜零件加工過程中，需要頻繁交換刀具，這就使換刀系統(tǒng)的穩(wěn)定性成為加工中心可靠性的薄弱環(huán)節(jié)［1］。本文以QYJ-21型加工中心自動(dòng)換刀機(jī)械手為研究對(duì)象，建立換刀機(jī)械手組合體的動(dòng)力學(xué)模型，分析換刀裝置的動(dòng)態(tài)性能，找出其薄弱環(huán)節(jié)。自動(dòng)換刀裝置中機(jī)械手部分簡(jiǎn)圖如圖1所示。

▲圖1 自動(dòng)換刀裝置中機(jī)械手簡(jiǎn)圖

1 機(jī)械手機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型

1.1 三維實(shí)體模型建立

本文研究的加工中心換刀機(jī)械手三維模型是利用Pro/E對(duì)換刀機(jī)械手各零部件進(jìn)行建模，在Pro/E中對(duì)各零部件進(jìn)行裝配，并考慮換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及各部件之間關(guān)系，建立優(yōu)化的有限元分析模型?；?D特征的裝配模型主要有以下技術(shù)：創(chuàng)建零部件三維實(shí)體模型；裝配路徑規(guī)劃及零部件樹狀結(jié)構(gòu)劃分；位置尺寸的約束條件施加；裝配仿真以及干涉分析。

本文選用ANSYS提供的Workbench單元對(duì)實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分網(wǎng)格是建立有限元模型的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它要求考慮的問題較多，所需的工作量大，劃分的網(wǎng)格形式對(duì)計(jì)算精度和計(jì)算規(guī)模將產(chǎn)生直接影響［2］。

1.2 約束處理

約束條件也稱為邊界條件，只根據(jù)力的邊界條件，且線性方程是由力的平衡方程建立的，即便在連續(xù)體上的外力處于平衡狀態(tài)時(shí)剛體位移仍可能產(chǎn)生，所以位移沒有確定，即剛度陣為奇異陣。為此，在進(jìn)行邊界條件處理時(shí)，即在求解之前，邊界約束形式是按照實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的幾何邊界條件來確定的，以消除整體剛度陣的奇異性。

1.3 有限元?jiǎng)澐纸Y(jié)果比較

本文對(duì)QYJ-21加工中心機(jī)械手機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí)，使用等參元進(jìn)行劃分，在保證一定精度的條件下，盡可能減少節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)，以獲得較好的結(jié)果和分析效率［3］。對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，圖2為機(jī)械手手爪機(jī)構(gòu)的自鎖原理圖，圖3為機(jī)械手機(jī)構(gòu)三維模型。

2 機(jī)械手機(jī)構(gòu)的動(dòng)力分析

2.1 材料屬性

機(jī)械手選用材料為機(jī)械制造行業(yè)常用鋼種40Cr。40Cr經(jīng)調(diào)質(zhì)后力學(xué)的綜合性能良好且具有較好的切削加工性能及淬透性，經(jīng)過碳氮共滲和高頻淬火后，滿足承受較大載荷、耐磨、沖擊不大的工況下的零件要求。彈性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.27，密度ρ=7 850 kg/m3。對(duì)圖3進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，得出前六階的固有頻率和模態(tài)振型。

▲圖2 手爪自鎖原理圖

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

ANSYS的模態(tài)分析是線性分析,也是判定機(jī)械零部件結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)的方法。ANSYS中可供選擇的模態(tài)提取方法有7種，本文采用Block Lanczos法求解,提取了前六階模態(tài)來研究各階模態(tài)下機(jī)械手的振動(dòng)特性,這樣就能得到對(duì)機(jī)械手影響最大的固有頻率值［4］。

在機(jī)械手換刀過程中存在著許多個(gè)固有頻率及其相應(yīng)的振型，這并不代表所有的振型都會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，但是薄弱模態(tài)會(huì)出現(xiàn)在不穩(wěn)定現(xiàn)象的模態(tài)中，一般低階模態(tài)是薄弱模態(tài)［5］。所以提取機(jī)械手機(jī)構(gòu)的前六階模態(tài)如圖4～9所示，獲得機(jī)械手的固有頻率（如表1所示）和振型。在對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，得到的有限元網(wǎng)格模型共41 531個(gè)單元、83 960個(gè)節(jié)點(diǎn)。

由此可以看出一階為低階模態(tài)，固有頻率最低；同時(shí)固有頻率越高，模態(tài)剛度 （如表2所示）越好，因而一階固有頻率決定結(jié)構(gòu)的剛度。所以機(jī)械的工作頻率要保證低于一階固有頻率。從振型圖中可以看到，活動(dòng)手指和固定手指結(jié)合部位變形較大，且從振型圖和振型數(shù)據(jù)可以分析出，固定手指的剛度較大，活動(dòng)手指的剛度與固定手指比，活動(dòng)手指剛度小。則兩者結(jié)合部位就會(huì)成為機(jī)械手機(jī)構(gòu)在動(dòng)態(tài)上的薄弱環(huán)節(jié)，因此可得出剛度弱的活動(dòng)手指為本文所研究機(jī)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。

表1 機(jī)械手換刀機(jī)構(gòu)前六階的固有頻率

▲圖3 機(jī)械手機(jī)構(gòu)三維模型

▲圖4 機(jī)械手的一階振型圖

▲圖5 機(jī)械手的二階振型圖

▲圖6 機(jī)械手的三階振型圖

▲圖7 機(jī)械手的四階振型圖

▲圖8 機(jī)械手的五階振型圖

▲圖9 機(jī)械手的六階振型圖

表2 各零部件結(jié)合部的連接剛度值

3 結(jié)束語

本文運(yùn)用Pro/E軟件建立機(jī)械手機(jī)構(gòu)的三維模型，運(yùn)用ANSYS軟件中的Workbench單元對(duì)機(jī)械手機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析，所得分析結(jié)果為QYJ-21加工中心自動(dòng)換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)奠定基礎(chǔ)；針對(duì)分析結(jié)果，擬采用以下兩種方案來改善機(jī)械手機(jī)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。

1）通過選擇機(jī)械手機(jī)構(gòu)中頂銷和螺母之間的彈簧剛度和彈力，改變活動(dòng)手指的夾緊力，同時(shí)對(duì)該部分進(jìn)行分析計(jì)算，尋找最佳平衡點(diǎn)來改變薄弱環(huán)節(jié)。

2）通過改變換刀系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)形式，采用液壓和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)；同時(shí)對(duì)雙臂往復(fù)交叉機(jī)械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，手指部分不再分活動(dòng)手指和下固定手指，使其成為一個(gè)部件。

［1］ 蘭建設(shè),劉志剛.數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀裝置的故障分析與排除［J］.裝備制造技術(shù)，2008（8）：134.

［2］ 吳巍，牛軍燕，沈春燕.基于ANSYS的自動(dòng)換刀機(jī)械手的有限元分析［C］.全國先進(jìn)制造技術(shù)高層論壇暨第九屆制造業(yè)自動(dòng)化與信息化技術(shù)研討會(huì),武夷山，2010.

［3］ 楊燦宇，周新民，楊理誠，等.TH6350臥式加工中心主軸箱系統(tǒng)有限元建模及動(dòng)態(tài)特性分析 ［J］.西南林學(xué)院學(xué)報(bào),2004，24（2）：54-55

［4］ 董旭，高鐵紅，靳迎波，等.基于有限元方法的并聯(lián)機(jī)床模態(tài)分析［J］.北華航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（10）.

［5］ 羅冠煒，陳宏規(guī)，何忠韜，模態(tài)分析在確定重載零部件的動(dòng)態(tài)薄弱環(huán)節(jié)中的應(yīng)用［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，1995（4）：9-10.