數(shù)控臥式銑鏜床自動(dòng)換頭系統(tǒng)

姜昂

通用技術(shù)集團(tuán)沈陽機(jī)床有限責(zé)任公司 遼寧沈陽 110142

1 序言

由于數(shù)控刨臺(tái)臥式銑鏜床的主軸加工功能有限，因而需要多種附件頭共同配合加工，完成多角度孔系、面的加工工序。傳統(tǒng)的附件頭安裝費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，尤其是頻繁使用附件進(jìn)行切削加工時(shí)，附件頭的拆裝便成了其中一項(xiàng)舉足輕重的工序。為解決附件頭安裝不便、可靠性較差的問題，自動(dòng)換頭系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。自動(dòng)換頭系統(tǒng)是在自動(dòng)化加工過程中存放和更換附件頭的一種裝置，可大幅提高換頭效率。自動(dòng)換頭頭庫在龍門式銑鏜床中應(yīng)用較為廣泛，特別是在加工風(fēng)電船舶葉片、大型柴油機(jī)機(jī)體等零件時(shí)發(fā)揮著重要作用。目前，國內(nèi)大型刨臺(tái)數(shù)控臥式銑鏜床的廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品仍是手動(dòng)更換附件頭，國外的一此廠商采用的都是自動(dòng)更換附件頭，不僅價(jià)格昂貴，而且占用的空間較大。相比數(shù)控落地式銑鏜床、龍門式銑鏜床，刨臺(tái)式銑鏜床空間布局有限，且無法通過移動(dòng)機(jī)床主軸實(shí)現(xiàn)附件頭的抓取，同時(shí)考慮到機(jī)床成本，用戶場地限制等因素，設(shè)計(jì)了一種新型的立體換頭頭庫[1]。

2 總體方案

總體方案如圖1所示，設(shè)計(jì)思路如下所述。

圖1 機(jī)床主機(jī)及立體頭庫方案

根據(jù)用戶加工工件的總體需求、附件的數(shù)量以及工況的要求，設(shè)計(jì)了2種立體頭庫形式：分層伸出+滑枕移動(dòng)抓取、雙層伸出+滑枕移動(dòng)抓取。2種方案特點(diǎn)見表1。

表1 總體方案對(duì)照

經(jīng)充分考慮用戶場地布局、操作人員使用情況及總成本預(yù)算等因素，選擇了雙層伸出+滑枕移動(dòng)抓取形式。此立體頭庫共設(shè)計(jì)2個(gè)換頭工位，為保證頭庫推出時(shí)的整體剛性，減少伸出撓曲，下層工位存放直角銑頭、萬能銑頭、延伸銑頭和平旋盤等自重較大的附件，上層工位存放主軸保護(hù)罩。為方便操作人員對(duì)刀觀察等操作，將頭庫安放在操作區(qū)附近，由于距離切削區(qū)較近，因而需要較好的防護(hù)。設(shè)計(jì)電動(dòng)卷簾門對(duì)頭庫各部件進(jìn)行有效保護(hù)，防止切削液及切屑對(duì)頭庫部件產(chǎn)生損害及干擾。

3 具體方案

3.1 驅(qū)動(dòng)原理

考慮到安裝空間、成本及實(shí)際功能，頭庫支架伸出與縮回、支架的定位均采用液壓驅(qū)動(dòng)。其液壓系統(tǒng)是由2個(gè)并聯(lián)回路所組成，按系統(tǒng)的功能要求，每個(gè)回路均單獨(dú)工作。附件頭安放在雙層移動(dòng)支架上，由液壓缸進(jìn)行拖動(dòng)，按照整體布局，支架移動(dòng)行程1000mm，沖程為40mm，在起動(dòng)時(shí)，液壓缸推動(dòng)支架快速移動(dòng)，距離行程極限200mm時(shí)，由調(diào)速閥控制使支架緩慢到達(dá)指定位置。到達(dá)指定位置后，液壓插銷插入定位孔，感應(yīng)式接近開關(guān)發(fā)出到位指令信號(hào)，滑枕伸出完成進(jìn)一步換頭動(dòng)作。具體方案如圖2所示。

圖2 立體頭庫具體方案

移動(dòng)支架及附件頭負(fù)載F＝5000N，移動(dòng)支架驅(qū)動(dòng)液壓缸活塞液壓P1＝700×104N/m2，定位插銷驅(qū)動(dòng)液壓缸液壓P2＝100×104N/m2，移動(dòng)支架驅(qū)動(dòng)液壓缸橫截面積A1＝F/P1，則缸徑d1＝（4A1/π）1/2＝0.031m，按計(jì)算結(jié)果取移動(dòng)支架驅(qū)動(dòng)液壓缸缸徑d1＝40mm，活塞速度v1＝8mm/s。

定位插銷驅(qū)動(dòng)液壓缸缸徑d2＝50mm，活塞速度v2＝20mm/s，并聯(lián)油路的流速v3＝1.5m/s，吸油管的流速v4＝1m/s，管路長度l＝10m，油路局部收縮系數(shù)ξ1＝0.3，液壓泵總效率η＝0.75。則液壓泵流量Q＝k（Q1+Q2）＝1.3×（A1v1+A2v2）＝1.3×（πd12v1/4+πd22v2/4）＝0.000064m3/s≈4L/min，其中k為系統(tǒng)泄漏系數(shù)、Q1為移動(dòng)支架驅(qū)動(dòng)液壓缸流量、Q2為定位插銷驅(qū)動(dòng)液壓缸流量。

壓油管內(nèi)徑d3＝1.13×（Q/v3）1/2＝7.38mm，吸油管內(nèi)徑d4＝1.13×（Q/v4）1/2＝9.04mm，按計(jì)算取壓油管內(nèi)徑為8mm，吸油管內(nèi)徑為10mm。

液壓系統(tǒng)的液壓損失包括各段管路的液壓損失、局部液壓損失和各元件液壓損失之和。由于液壓缸的工作液壓低于系統(tǒng)液壓，故在油路中設(shè)置減壓閥，為保證到達(dá)換頭指定位置時(shí)，液壓缸移動(dòng)過程中的平穩(wěn)性，在油路中設(shè)置調(diào)速閥[2，3]。液壓原理如圖3所示。

圖3 液壓原理

各個(gè)動(dòng)作的執(zhí)行需要由電磁閥進(jìn)行控制。具體見表2。

表2 電磁動(dòng)作

液壓油運(yùn)動(dòng)黏度ν＝30×10-6m2/s，并聯(lián)支路的雷諾數(shù)Re＝v4d3/v＝267（式中d3取整數(shù)8mm），支路摩擦阻力系數(shù)λ＝75/Re＝0.282，沿程管路液壓損失ΔP沿＝10-4λl/d3（v42/2g）r＝0.00162×104N/m2，局 部 液 壓 損 失ΔP局1＝1 0-4ξ1（v42/2g）r＝0.0138×104N/m2，局部液壓損失ΔP局2＝10-4ξ2（v02/2g）r×2＝0.000165×104N/m2，局部液壓損失ΔP局3＝10-4ξ3（v02/2g）r×2＝0.00022×104N/m2，閥板液壓損失ΔP閥＝20×104N/m2，液壓泵的調(diào)整液壓所需要的電動(dòng)機(jī)功率N＝1/η×10-3×PQ＝0.70kW，其中主壓油路的流速v0＝4m/s，油液的重度r＝9022N/m3，重力加速度g＝9.81m/s2，液壓管路中有兩處彎曲，局部阻力系數(shù)ξ2＝1.12，液壓管路中有兩個(gè)分油器，局部阻力系數(shù)ξ3＝1.5。

目前此臺(tái)機(jī)床配備的液壓泵為臺(tái)灣油昇V38-A2R-10-X柱塞泵，工作液壓為10MPa，電動(dòng)機(jī)功率為11kW，流量55L/min，除去主機(jī)部分的刀庫、主軸松夾刀、變擋和工作臺(tái)松夾緊外，余量完全滿足使用需要。

3.2 定位結(jié)構(gòu)

為確保每一次滑枕抓取附件頭的位置準(zhǔn)確且提升頭庫的柔性化、自動(dòng)化程度，提高自動(dòng)更換的可靠性，需要精準(zhǔn)的定位裝置和柔性裝置。當(dāng)移動(dòng)支架到達(dá)指定位置時(shí)，液壓油推動(dòng)活塞桿在缸體內(nèi)移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)行程為25mm，將其推進(jìn)至定位套內(nèi)，活塞桿采用鼻端倒角，定位套采用球面可調(diào)形式，支承座上設(shè)計(jì)灌膠孔及排氣孔，定位套調(diào)整至活塞桿與定位套接觸良好時(shí)，用高精度定位膠進(jìn)行定位，活塞桿與定位套需要配磨，保證其接觸率≥90%，且由于活塞桿的頻繁使用，表面還需要滲碳淬火處理，定位裝置如圖4所示。當(dāng)活塞桿到達(dá)預(yù)定位置時(shí)，感應(yīng)式開關(guān)會(huì)發(fā)出到位信號(hào)，機(jī)床開啟吹氣指令，此時(shí)滑枕便可進(jìn)行抓取。將附件頭歸還至頭庫時(shí)，液壓油推動(dòng)活塞桿脫離定位套，當(dāng)活塞桿到達(dá)初始位置時(shí)，感應(yīng)式開關(guān)發(fā)出信號(hào)，移動(dòng)支架便可縮回。

圖4 定位裝置

為保證每次附件頭更換時(shí)附件在移動(dòng)支架上的位置準(zhǔn)確，還需要對(duì)附件頭在支架上的位置進(jìn)行定位。當(dāng)附件頭歸還到頭庫時(shí)，通過支承桿與雙定位銷進(jìn)行“三點(diǎn)”定位，同時(shí)感應(yīng)開關(guān)發(fā)出到位信號(hào)，附件頭到達(dá)指定位置。附件頭在支架上裝配時(shí)需通過雙螺母及調(diào)整塊進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后將其鎖緊，支架上定位裝置如圖5所示。

圖5 支架上定位裝置

圖5的定位裝置由2組定位銷和支承桿組成，2組定位銷限制了笛卡爾坐標(biāo)系中的X、Z坐標(biāo)的位移及旋轉(zhuǎn)方向的自由度和Y坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)方向的自由度，支承桿限制了Y方向向下的自由度，定位銷采用錐銷自鎖設(shè)計(jì)，可以減少每次拆卸附件頭對(duì)精度的影響[4]。

3.3 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)

立體頭庫是一個(gè)常用的機(jī)床部件，需要頻繁伸縮，而導(dǎo)軌的剛性、精度、承載能力及使用壽命對(duì)于頭庫的工作質(zhì)量至關(guān)重要?？紤]到使用的工況、載荷、安裝空間、移動(dòng)支架伸出時(shí)整體的剛性，選擇GGB35 AB2P2×2000-4雙滾柱直線導(dǎo)軌。這種導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷、靜載荷分別為Ca＝35.1kN、C0＝47.2kN，硬度系數(shù)fh＝1，溫度系數(shù)ft＝1，接觸系數(shù)fc＝0.81，精度系數(shù)fa＝1，載荷系數(shù)fw＝1.2，移動(dòng)支架自重G＝200kg，附件自重F＝400kg，P為當(dāng)量動(dòng)載荷Fmax，額定壽命單位K＝100km，指數(shù)ε＝10/3，行程La＝1000mm，每小時(shí)往返次數(shù)n2＝2，力學(xué)簡化模型如圖6所示[5]。

圖6 力學(xué)簡化模型

F1＝F2＝G/4+F/4+（2b+a）/4a×F，F(xiàn)1＝F2＝G/4+F/4-（2b+a）/4a×F，通過計(jì)算得出Fmax＝4.15kN。

導(dǎo)軌副的壽命L＝（fhftfcfa/fw×Ca/P）εK＝33000km，按年工作日300d，兩班工作制，每班8h，開機(jī)效率90%計(jì)算，則預(yù)計(jì)壽命年限Lh＝103L/（2La×n2）＞20年。

通過計(jì)算可知，導(dǎo)軌的壽命遠(yuǎn)大于機(jī)床的壽命，因而導(dǎo)軌的壽命設(shè)計(jì)可靠。

3.4 移動(dòng)支架強(qiáng)度分析

按上述計(jì)算可知，兩條導(dǎo)軌的布置已完全滿足壽命需要，但附件自重較大，移動(dòng)支架在伸出時(shí)存在一定的撓曲變形，從選材的角度出發(fā)，為了防止零件的彈性變形失效，選用彈性模量比較高的低碳鋼，整體焊接形式，以增加支架的截面積。根據(jù)胡克定律，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系σ＝P/A＝Eεe。支架移動(dòng)到換頭位置時(shí)，力學(xué)模型可視為是懸臂梁，則懸臂梁在P作用下的撓度δ＝4l3P/Et4。其中E為彈性模量，εe為彈性應(yīng)變，σ為彈性應(yīng)力，l為支架長度，t為型鋼截面積[6]。

為保證移動(dòng)支架的整體強(qiáng)度同時(shí)減少變形，設(shè)計(jì)“三導(dǎo)軌”布置形式，在移動(dòng)支架上方布置一條輔助導(dǎo)軌。現(xiàn)對(duì)支架移動(dòng)到行程極限時(shí)，支架的受力情況進(jìn)行分析。利用Solidworks Simulation進(jìn)行強(qiáng)度分析，結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 不同滑塊數(shù)量位移補(bǔ)償值對(duì)比

圖8 不同滑塊數(shù)量應(yīng)力對(duì)比

由位移變形圖可以看出輔助導(dǎo)軌不同滑塊的布置對(duì)支架撓曲變形影響較小，但對(duì)支架的強(qiáng)度影響卻較大，支架的應(yīng)力薄弱區(qū)主要位于驅(qū)動(dòng)液壓缸處，可以對(duì)此區(qū)域采用加強(qiáng)筋處理，以提高強(qiáng)度。對(duì)于產(chǎn)生的位移變形，在頭庫地基灌漿調(diào)試好后，由數(shù)控系統(tǒng)按照實(shí)際數(shù)值調(diào)整換頭點(diǎn)的坐標(biāo)，以保證換頭位置準(zhǔn)確。

4 控制原理

為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)立體頭庫的自動(dòng)化、智能化水平，在機(jī)械結(jié)構(gòu)、可靠性設(shè)計(jì)完成之后，還需要電氣對(duì)其運(yùn)動(dòng)邏輯順序進(jìn)行下一步設(shè)計(jì)。銑頭按控制流程可分為銑頭出庫和銑頭歸庫兩個(gè)步驟。自動(dòng)抓取和歸還附件頭的位置必須準(zhǔn)確，因而銑頭在每一個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中都需要有安全保護(hù)，動(dòng)作到位指令，防止誤操作發(fā)生碰撞，影響銑頭的位置[7，8]。抓取附件頭和歸還附件頭邏輯順序分別如圖9、圖10所示。

圖9 抓取附件頭邏輯順序

圖10 歸還附件頭邏輯順序

5 結(jié)束語

本文分析了目前國內(nèi)外大型數(shù)控刨臺(tái)臥式銑床附件頭更換的不足，根據(jù)用戶需求開發(fā)了雙層伸出式立體頭庫，特別適用于工程機(jī)械多平面、孔系的零件加工?？缮斐鍪搅Ⅲw頭庫大幅縮短了加工準(zhǔn)備和輔助時(shí)間，節(jié)省人工并提高了可靠性，顯著提升了機(jī)床的自動(dòng)化水平。目前該設(shè)備已交付用戶，無故障使用時(shí)間6000h，是國內(nèi)首例自主研發(fā)的全新立體自動(dòng)化頭庫，得到業(yè)內(nèi)的一致好評(píng)。