臥式加工中心自動換刀機械手設計的探討

摘 要：隨著我國經濟的快速發(fā)展，客戶的需求也在日益多樣化，人們對制造企業(yè)的生產模式提出了更高的要求，臥式加工中心的機械手是在自動換刀裝置中的關鍵工具，將刀庫中的刀具送到主軸上，然后將主軸上已經用過的刀具返回到刀庫，加工中心的自動換刀裝置，主要是由機械手、刀庫組成的，將工作刀具與刀庫中的刀具進行交換，而對于機械手來說，應該具備穩(wěn)定性、換刀時間短以及定位準確的特點。本文就對臥式加工中心自動換到機械手設計進行具體的分析。

關鍵詞：臥式加工；機械手設計；自動換刀；分析研究

1 引言

21世紀是經濟快速發(fā)展的時代，我國各個領域都取得了很大的進步，制造業(yè)也是如此。加工中心自動換刀裝置應該具有一定的可靠性，這也是體現(xiàn)系統(tǒng)是否先進的重要標志，隨著我國制造業(yè)的快速發(fā)展，精密的制造裝備也朝著高速度、高效率的方向發(fā)展，在確保設備擁有良好性能的同時，也應該提高其準確性，在換刀的時候由于執(zhí)行的速度比較快，因此在定位的時候應該足夠準確，特別是在加工時要頻繁的換刀具，因此系統(tǒng)的穩(wěn)定性就成了加工中心最需要注意的問題，通過分析換刀裝置的性能能夠找出薄弱的部分，本文就對臥式加工中心自動換刀機械手設計問題進行研究。

2 臥式加工中心自動換刀機械手設計

2.1 機械手機構的動力學模型

要想建立機械手機構的動力學模型，就要首先建立起三維實體模型，通過對換刀機械手的各部分零件進行建立模型，然后對各零件實現(xiàn)裝配，考慮到換刀機械手的結構特點以及各部分的聯(lián)系，來建立起有限元的模型。主要的裝配模型包括以下技術：先要創(chuàng)建零件三維實體模型，對裝配的路徑以及結構進行一定的劃分，然后根據位置關系進行一定條件的約束，可以利用劃分網格的形式對實體進行網格劃分，這是比較重要的環(huán)節(jié)，因此實際操作的時候工作量也會比較大，而具體的形式對計算精度以及規(guī)模來說都會產生一定的影響。其次是進行約束處理，這也被稱為邊界條件，如果位移沒有被確定的情況下，即使在平衡狀態(tài)中位移也有可能會發(fā)生，因此在進行邊界條件處理的時候應該根據實際的工程結構來確定相應的內容，從而消除剛度陣的奇異性。通過對有限元進行劃分可以發(fā)現(xiàn)，使用等參元進行劃分的時候要在一定精度的條件下，從而得到更好的結果與更高的效率，可以對機械手結構進行一定的動態(tài)分析，如圖1所示，為機械手手爪機構的自鎖原理圖。

2.2 機械手機構的動力分析

對機械手機構的動力進行分析的時候，首先要對材料的屬性進行分析，機械手選擇的材料一般為常用的鋼種，經過一定的調節(jié)之后其綜合性能還能保持良好，并具有一定的切削加工性能，經過碳氮的相互滲透并淬火之后，就會承受很大的載荷，在保證沖擊不大以及耐磨的情況下達到零件的具體要求，通過ANSYS的模態(tài)分析方法來進行分析，這也是判斷機械零件結構的主要方式，在ANSYS中能夠選擇的模態(tài)方式有很多種，可以選擇其中的任何一種來進行求解，然后根據前六階的模態(tài)來對不同模態(tài)下的機械手振動特點進行分析，這樣可以準確的計算出影響機械手的最大固有頻率值是多少。在機械手換刀的時候會存在很多固有的頻率，這不是所有振型都會出現(xiàn)的問題，這種不穩(wěn)定的現(xiàn)象是在比較薄弱的模態(tài)中才會出現(xiàn)，這些模態(tài)一般都是低階的模態(tài)，因此要想獲得機械手的固定頻率就要對模型進行網格的劃分，然后得到有限元的網格模型。如表1所示，我們可以看到固有頻率的值是最低的，而模態(tài)的剛度比較好的時候，一階固有頻率所代表的結構剛度也就越好，因此機械的工作效率應該保證在低于一階的情況下，同時活動的手指與其他固定的部分要緊密的結合，通過相關的數據就能夠分析出機械手發(fā)生變形的情況較大，固定手指的剛度很大與其他手指相比較，活動手指剛度較小一些，將兩者充分的結合起來就會造成機械手機構在動態(tài)上的薄弱環(huán)節(jié)，這也是本文中主要分析的機構薄弱環(huán)節(jié)。

3 結束語

綜上所述，主要對臥式加工中心自動換刀機械手設計問題進行簡要分析，利用Pro/E軟件建立了機械手機構的模型，同時利用ANSYS軟件中的具體單元來對機械手機構進行一定的動力分析，所得出的結果能夠對以后該方面的發(fā)展提供幫助，然后對加工中心自動換刀機械手的機構進行一定的優(yōu)化與改進，針對這些出現(xiàn)的問題提出相應的解決方案，從而改善機械手機構中比較薄弱的環(huán)節(jié)，例如可以通過選擇機械手頂銷與螺母間的彈簧剛度與彈力，還可以尋找最好的平衡點來改變比較薄弱的環(huán)節(jié)，還可以通過改變換刀系統(tǒng)的方式，來采用液壓的形式進行電機驅動，對雙臂的機械手結構進行一定改進設計，讓手指部分不再有活動手指與固定手指，讓其成為一個部件的形式，相信以后該方面會取得更大的進步。

參考文獻

[1]馬彬，方學舟，羅敏.加工中心隨機自動換刀方式的實現(xiàn)[J].裝備維修技術.2015 （3） ：71-79

[2]郭俊莉.小型立式加工中心自動換刀裝置及控制的應用研究[D].齊魯工業(yè)大學.2015

作者簡介

張紅梅（1976-），女，漢族，吉林省吉林市人，大學本科，工程碩士學位，副教授，研究方向：機械。