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(jī)構(gòu)(無機(jī)械手式)、凸輪聯(lián)動式、液壓或氣動機(jī)械換刀以及其它獨(dú)特的加工中心用ATC裝置。其中，凸輪聯(lián)動式ATC裝置可靠性好，換刀速度高，最易獨(dú)立推向市場，形成專業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。如臺灣吉輔、日本的省力機(jī)械都已以獨(dú)立的功能部件推向市場。本文主要對凸輪聯(lián)動式ATC機(jī)構(gòu)設(shè)計中的有關(guān)技術(shù)問題進(jìn)行了分析。筆者負(fù)責(zé)設(shè)計的50#凸輪聯(lián)動式刀庫機(jī)械手已成功地與KT1500V主機(jī)配套，并投入批量生產(chǎn)。 1.隨動擺桿 2.平面凸輪 3.蝸桿凸輪 4.隨動滾子凸輪 5.機(jī)械手臂 圖1 凸輪聯(lián)動ATC的基本結(jié)構(gòu) 1 凸輪聯(lián)動ATC的動作原理及基本結(jié)構(gòu) 目前，加工中心上使用的凸輪聯(lián)動ATC的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，ATC的換刀動作基本可以分作兩部分：(1)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)分度動作。包括抓刀、180°換刀、回零。(2)機(jī)械手的直線平移動作。包括拔刀、插刀。其中機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)：機(jī)械手的直線起，由同一個電動機(jī)驅(qū)動，通過凸輪曲線的設(shè)計，使機(jī)械手在一個換刀運(yùn)作循環(huán)內(nèi)連續(xù)完成抓刀、拔刀、180°換刀、插刀、回零動作，實(shí)現(xiàn)ATC的凸輪聯(lián)動換刀。 2 凸輪曲線的設(shè)計 表示ATC凸輪聯(lián)動換刀動作關(guān)系的曲線見圖2，凸輪從零位開始旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到q0時，機(jī)械手開始抓刀，旋轉(zhuǎn)到q1時，機(jī)械手手臂旋轉(zhuǎn)F1角，完成抓刀動作：凸輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)到F2，完成回零動作，換刀結(jié)束。凸輪曲線的設(shè)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(shè)計中，一般優(yōu)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(shè)計時，取am≤[am]。在結(jié)構(gòu)允許時，am應(yīng)盡可能取小值，并應(yīng)考慮等強(qiáng)度設(shè)計，使ATC在整個換刀過程中的每一個動作，驅(qū)動電動機(jī)的最大負(fù)荷基本相等。 對于蝸桿凸輪機(jī)構(gòu)，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(jī)構(gòu)(圖3)，壓力角計算公式為 O點(diǎn)為平面凸輪的回轉(zhuǎn)中心：Q點(diǎn)為擺動桿的鉸接支點(diǎn)：B點(diǎn)為隨動滾子中心：w為凸輪的轉(zhuǎn)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(diǎn)的法線：C為O、Q兩點(diǎn)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(diǎn)的擺動角(°)：a為平面凸輪曲線 上任意一點(diǎn)的壓力角(°) 圖3 隨動滾子平面凸輪擺動機(jī)構(gòu)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(fù)值。如果tga 為負(fù)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(jù)已知的運(yùn)動規(guī)律，可求出最大壓力角am。 凸輪的拔、插刀轉(zhuǎn)角(q4-q2)、(q7-q5) 一般取40°～60°，當(dāng)拔、插刀距離大時應(yīng)取大值。 凸輪的初始回轉(zhuǎn)角q0 ATC在零位時，蝸桿凸輪的定位角l=q0+360°-q9，l應(yīng)根據(jù)驅(qū)動電動機(jī)的制動轉(zhuǎn)角qZH(指從電動機(jī)制動開始到電動機(jī)停止時凸輪的轉(zhuǎn)角)來確定，一般使l=3qZH。設(shè)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(nèi)旋轉(zhuǎn)，機(jī)械手不動作，主軸和刀套在凸輪從q1轉(zhuǎn)至q2之間完成松刀動作，在凸輪從q7轉(zhuǎn)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(xù)旋轉(zhuǎn)360°范圍內(nèi)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(shè)計中為了改善凸輪曲線的動態(tài)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(qū)。這樣設(shè)計必須保證刀具錐柄與主軸之間不產(chǎn)生運(yùn)動干涉，必須根據(jù)設(shè)計參數(shù)和有關(guān)公式進(jìn)行嚴(yán)格核算。 滾子盤的抓刀轉(zhuǎn)角f1、回零轉(zhuǎn)角f2、換刀轉(zhuǎn)角f3 f1=f1，f2=F3-F2，f3=F3-F1=180°，f1、f2根據(jù)設(shè)計時的空間結(jié)構(gòu)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(yīng)滿足f1/180°=(q1-q0)/(q6-q3)：在結(jié)構(gòu)允許時，f1、f2應(yīng)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(qū)動電動機(jī)的選擇 ATC抓刀、180°換刀、回零所需的最大驅(qū)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(zhuǎn)動慣量與其負(fù)載慣量之和，kg·m2 q、F——分別為凸輪、滾子盤的分度期轉(zhuǎn)角，rad w——凸輪的角速度，1/s k——系數(shù)，一般取k=0.1～0.2 平面凸輪上所需的最大驅(qū)動力矩Md2 根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以用解析法進(jìn)行計算，計算較復(fù)雜，也可以用計算機(jī)編程進(jìn)行設(shè)計計算。 驅(qū)動電動機(jī)的最大驅(qū)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(jī)輸出轉(zhuǎn)速，r/min Z——電動機(jī)到凸輪之間傳動系統(tǒng)的傳動比 h——電動機(jī)到凸輪之間傳動系統(tǒng)的效率 根據(jù)計算出的電動機(jī)驅(qū)動功率及電動機(jī)轉(zhuǎn)速即可初選電動機(jī)型號。 4 換刀時間T的計算 ATC的換刀時間，目前國內(nèi)還沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。對于凸輪聯(lián)動式ATC，電動機(jī)驅(qū)動凸輪旋轉(zhuǎn)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(rèn)為是凸輪旋轉(zhuǎn)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(lián)動ATC，一般凸輪每轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速。但由于制造誤差的存在，速度提高也會使整個系統(tǒng)的動態(tài)特性變差。因此，應(yīng)該綜合考慮，采取如下的措施： 提高驅(qū)動電動機(jī)的驅(qū)動轉(zhuǎn)速及驅(qū)動力矩。 合理選擇、設(shè)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(jié)構(gòu)參數(shù)，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(zhuǎn)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(lián)動的動作結(jié)構(gòu)，如把180°換刀改為20°換刀等。 總之，凸輪聯(lián)動ATC的設(shè)計，要把結(jié)構(gòu)設(shè)計、動力學(xué)分析計算以及ATC的動作聯(lián)動關(guān)系進(jìn)行綜合考慮、反復(fù)計算，以取得較好的設(shè)計結(jié)果，保證ATC的換刀運(yùn)動連續(xù)、高速、平穩(wěn)、可靠。