目前，國外加工中心采......



目前，國外加工中心采用的ATC裝置，主要有馬氏機構(無機械手式)、凸輪聯動式、液壓或氣動機械換刀以及其它獨特的加工中心用ATC裝置。其中，凸輪聯動式ATC裝置可靠性好，換刀速度高，最易獨立推向市場，形成專業化、產業化生產。如臺灣吉輔、日本的省力機械都已以獨立的功能部件推向市場。本文主要對凸輪聯動式ATC機構設計中的有關技術問題進行了分析。筆者負責設計的50#凸輪聯動式刀庫機械手已成功地與KT1500V主機配套，并投入批量生產。 1.隨動擺桿 2.平面凸輪 3.蝸桿凸輪 4.隨動滾子凸輪 5.機械手臂 圖1 凸輪聯動ATC的基本結構 1 凸輪聯動ATC的動作原理及基本結構 目前，加工中心上使用的凸輪聯動ATC的基本結構如圖1所示，ATC的換刀動作基本可以分作兩部分：(1)機械手的旋轉分度動作。包括抓刀、180°換刀、回零。(2)機械手的直線平移動作。包括拔刀、插刀。其中機械手的旋轉分度動作采用蝸桿凸輪(有些文章中稱為滾齒凸輪)垂直分度機構來實現：機械手的直線起，由同一個電動機驅動，通過凸輪曲線的設計，使機械手在一個換刀運作循環內連續完成抓刀、拔刀、180°換刀、插刀、回零動作，實現ATC的凸輪聯動換刀。 2 凸輪曲線的設計 表示ATC凸輪聯動換刀動作關系的曲線見圖2，凸輪從零位開始旋轉，旋轉到q0時，機械手開始抓刀，旋轉到q1時，機械手手臂旋轉F1角，完成抓刀動作：凸輪繼續旋轉到q2時，ATC開始拔刀，到q4時，拔刀動作完成：從q3開始到q6，ATC手臂從F1旋轉到F3，完成180°換刀：從q5到q7，ATC完成插刀動作：從q8到q9，ATC手臂從F3反轉到F2，完成回零動作，換刀結束。凸輪曲線的設計包括如下幾個方面： 凸輪曲線的選擇 由于變性正弦曲線(MS)最適合用于高速中載和重載的場合，因此，在凸輪曲線的設計中，一般優先選用變性正弦曲線。 最大壓力角am的確定 對于蝸桿凸輪，推薦最大許用壓力角[am]=50°：對于平面凸輪，推薦[am]=60°。具體設計時，取am≤[am]。在結構允許時，am應盡可能取小值，并應考慮等強度設計，使ATC在整個換刀過程中的每一個動作，驅動電動機的最大負荷基本相等。 對于蝸桿凸輪機構，最大壓力角計算公式為
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tgam=VmaxRGF

(a-RG)q
式中：RG——滾子盤平均半徑，mm a——滾子盤與凸輪的中心距，mm Vmax——凸輪曲線的無量綱最大速度 q、F——分別為凸輪、滾子盤的動程角，(°) 對平面凸輪擺動機構(圖3)，壓力角計算公式為 O點為平面凸輪的回轉中心：Q點為擺動桿的鉸接支點：B點為隨動滾子中心：w為凸輪的轉動角速度：wF為擺桿的擺動角速度：N-N為凸輪曲面上任意點的法線：C為O、Q兩點之間的距離(mm)：L為擺桿長度(mm)：F0為擺桿與直線OQ之間的最小 夾角(°)：F為擺桿在任意一點的擺動角(°)：a為平面凸輪曲線 上任意一點的壓力角(°) 圖3 隨動滾子平面凸輪擺動機構簡化畫法 tga=ctg(F+F0)-L(1-dF/dq)

Csin(F+F0)
式中，如° 是逆時針方向，則dF/dq為負值。如果tga 為負值，這表示公法線N-N 位于從動件桿臂垂線的另一邊。通常，在擺動桿擺動的中間位置，壓力角為最大。根據已知的運動規律，可求出最大壓力角am。 凸輪的拔、插刀轉角(q4-q2)、(q7-q5) 一般取40°～60°，當拔、插刀距離大時應取大值。 凸輪的初始回轉角q0 ATC在零位時，蝸桿凸輪的定位角l=q0+360°-q9，l應根據驅動電動機的制動轉角qZH(指從電動機制動開始到電動機停止時凸輪的轉角)來確定，一般使l=3qZH。設計時取q0=0.5l，一般取q0=7.5°～15°。 間歇角b1、b2 b1=q2-q1，b2=q8-q7，凸輪在b1和b2角度范圍內旋轉，機械手不動作，主軸和刀套在凸輪從q1轉至q2之間完成松刀動作，在凸輪從q7轉至q8之間完成刀具鎖緊動作。一般取b1=b2=0°～30°：如果在凸輪連續旋轉360°范圍內主軸和刀套不存在刀具松開和夾緊動作，則取b1=b2=0。 重合角g1、g2 g1=q4-q3，g2=q6-q5，由于主軸和刀具之間為錐面連接，設計中為了改善凸輪曲線的動態特性和提高換刀速度，可使g1=g2>0，即180°換刀動作與拔、插刀動作之間存在重合區。這樣設計必須保證刀具錐柄與主軸之間不產生運動干涉，必須根據設計參數和有關公式進行嚴格核算。 滾子盤的抓刀轉角f1、回零轉角f2、換刀轉角f3 f1=f1，f2=F3-F2，f3=F3-F1=180°，f1、f2根據設計時的空間結構制定，一般取f1=f2=60°～90°。通常，在蝸桿凸輪上使ATC的抓刀、回零、180°換刀曲線的最大壓力角相等，所以應滿足f1/180°=(q1-q0)/(q6-q3)：在結構允許時，f1、f2應盡 量取小值。 圖4 刀具錐柄在主軸端的安裝
拔、插刀行程H(圖4) H=H1+H2+H3+(3～5)mm 3 驅動電動機的選擇 ATC抓刀、180°換刀、回零所需的最大驅動力矩MdI(N·m) MdI=MfmaxVmaxF+J∑F2w2(AV)max

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qq3
式中：Mfmax——最大摩擦力矩，N·m Mfmax=kJ∑FAmaxw

q2
附表 凸輪曲線VmaxAmax(AV)max
變性梯形(MT)24.898.09
變性正弦(MS)1.765.535.46
變性等速(MCV)1.288.015.73
Vmax——無量綱最大速度，(見附表) Amax——無量綱最大加速度，(見附表) (AV)max——最大無量綱速度與加速度的積，(見附表) J∑——滾子盤繞中心軸的轉動慣量與其負載慣量之和，kg·m2 q、F——分別為凸輪、滾子盤的分度期轉角，rad w——凸輪的角速度，1/s k——系數，一般取k=0.1～0.2 平面凸輪上所需的最大驅動力矩Md2 根據不同的結構參數，可以用解析法進行計算，計算較復雜，也可以用計算機編程進行設計計算。 驅動電動機的最大驅動功率Nmax(kW) Nmax=MdmaxnZ

9550h

式中：Mdmax——Md1與Md2之中的較大值，N·m n——電動機輸出轉速，r/min Z——電動機到凸輪之間傳動系統的傳動比 h——電動機到凸輪之間傳動系統的效率 根據計算出的電動機驅動功率及電動機轉速即可初選電動機型號。 4 換刀時間T的計算 ATC的換刀時間，目前國內還沒有形成統一的標準規定。對于凸輪聯動式ATC，電動機驅動凸輪旋轉360°時，ATC完成一次換刀動作。因此，ATC的換刀時間T(s)可以近似認為是凸輪旋轉360°時所用的時間，即 T=2p/w 5 提高換刀速度的措施 這種凸輪聯動ATC，一般凸輪每轉一圈完成一次換刀動作。因此，提高ATC的換刀速度就必須提高凸輪的轉速。但由于制造誤差的存在，速度提高也會使整個系統的動態特性變差。因此，應該綜合考慮，采取如下的措施： 提高驅動電動機的驅動轉速及驅動力矩。 合理選擇、設計凸輪曲線，提高凸輪制造精度。 減小凸輪曲線的壓力角。例如，改變結構參數，加大凸輪與滾子盤之間的中心距：縮短或去除主軸的松拉刀時間，使主軸松刀在換刀之前動作，拉刀在換刀之后動作：加大ATC在抓刀、180°換刀、回零時的凸輪轉位角：減小拔、插刀行程，采用HSK刀柄等。 改善潤滑條件，減小摩擦力矩。 改變凸輪聯動的動作結構，如把180°換刀改為20°換刀等。 總之，凸輪聯動ATC的設計，要把結構設計、動力學分析計算以及ATC的動作聯動關系進行綜合考慮、反復計算，以取得較好的設計結果，保證ATC的換刀運動連續、高速、平穩、可靠。