新型機械手的設(shè)計及研究

胡飛 于光鑫 李廣涵 姜樂樂 陳思碩

摘要：高速加工中心作為新時代數(shù)控機床的代表。已在機床領(lǐng)域廣泛使用。其高速、高效、高精等特點，贏得了市場的青睞，這些年來，國產(chǎn)加工中心技術(shù)發(fā)展得很快，國內(nèi)許多機床廠家都有了具有國際水平或接近國際水平的自主開發(fā)的加工中心機床。為了提高數(shù)控機床的機械加工精度和效率，現(xiàn)大多數(shù)控機床和加工中心都配備刀庫，以便一次裝卡就可完成多種工序的加工。常用刀庫有鏈式和盤式兩種，刀庫容量有12、16、20、32、40等等。本文對新型刀庫總體設(shè)計方案進行闡述，闡述其各部件的工作原理，然后就刀庫的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。

關(guān)鍵詞：機械加工;新型刀庫;結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、引言

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，世界先進制造技術(shù)的興起和成熟，而對作為現(xiàn)代制造業(yè)非常重要的加工中心提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技術(shù)的應用，對加工中心的組成部分提出了更高的性能指標。本設(shè)計開發(fā)設(shè)計的小型加工中心刀庫。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展和普及，加工中心的作用越發(fā)突顯它的重要性。為進一步提高數(shù)控機床的加工效率，數(shù)控機床正向著工件在一臺機床一次裝夾即可完成多道工序或全部工序加工的方向發(fā)展。這類多工序加工的數(shù)控機床在加工過程中要使用多種刀具，因此必須有自動換刀裝置，也就是所說的刀庫，以便選用不同刀具，完成不同工序的加工工藝。

2、總體方案的設(shè)計

加工中心刀庫的總體方案設(shè)計是根據(jù)其功能和設(shè)計要求，從全局的角度，以系統(tǒng)的觀點，進行自動換刀裝置刀庫整體方面的設(shè)計，主要包括運動功能方案設(shè)計、基本參數(shù)設(shè)計、傳動系統(tǒng)設(shè)計、總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計等內(nèi)容。

2.1運動方案的確定

加工中心加工工件所需的這些運動，必須由對應的執(zhí)行部件來實現(xiàn)。加工中心的主運動一般都由主軸部件（主傳動系統(tǒng)）來完成，而進給運動可以由工件來完成;也可以由刀具來完成;或者是由刀具和工件來共同完成。這樣就影響到部件的相互位置關(guān)系的配制和總體關(guān)系。采用哪種形式與被加工工件尺寸、形狀、質(zhì)量和功能等因素有關(guān)。對具有鉆、銑的功能的立式加工中心，根據(jù)工件的質(zhì)量、尺寸等的不同。

由工作臺實現(xiàn) X、Y 兩個方向的進給，而唷刀具來完成垂直進給運動，當加工質(zhì)量較輕、體積較小的工件，且主軸部件的重量、體積較小時，也可以由X-Y工作臺實現(xiàn)兩個方向的進給，而由刀具來完成垂直進給運動。適用于小型加工中心，通常都采用固定立柱方式。由于立柱固定在床身上，就便于把刀庫、電柜等裝在立柱上。

2.2主傳動系統(tǒng)

主傳動系統(tǒng)用來實現(xiàn)加工中心的主運動。由主軸箱、主軸、軸承、松拉刀機構(gòu)、電動機等零件組成。這是加工中心自動換刀裝置的關(guān)鍵部分，主軸的啟動、停止、變速等動作通過數(shù)控系統(tǒng)控制由主傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)。并且通過安裝在主軸上的刀具實現(xiàn)切削運動。要求主軸部件必須具備足夠的轉(zhuǎn)速范圍、功率和扭矩，在大部分轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)要保持恒功率，當降到計算轉(zhuǎn)速以下時，要保持恒扭矩傳動;主傳動系統(tǒng)的各零部件，應具有足夠的強度和必要的剛度及抗震性能;噪聲低、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性好。

3、刀庫的設(shè)計

3.1 刀庫主要參數(shù)設(shè)計

本加工中心主要用來加工小型零件或多孔零件上的小孔和小平面，所以刀庫上主要安裝一些孔加工刀具（如鉆頭、擴孔鉆等）和加工小平面的立銑刀及小直徑的面銑刀;同時又考慮到所選用電主軸軸端的尺寸及刀盤直徑等的限制;再考慮到主要用于中小批生產(chǎn)及教學實驗等，刀具的品種不宜過多，以免造成不必要的浪費和刀庫尺寸過大，采用16把刀。立銑刀的最大直徑定為 63mm，最大工作部分長度定為250mm。刀具最大重量為5kg。刀具最大運動線速度為22m/min～30m/min。

3.2刀盤的設(shè)計

刀盤尺寸的確定，刀盤采用輪輻式結(jié)構(gòu)，這樣既能滿足使用的要求，又能保證刀盤的強度。在整個設(shè)計的過程中要保證各個尺寸在換刀過程不發(fā)生干涉即可，刀盤直徑為 600mm，其他尺寸根據(jù)實際設(shè)計。刀爪尺寸的設(shè)計刀爪的外型尺寸根據(jù)40號刀柄設(shè)計。

4、結(jié)語

本文設(shè)計了一種體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、價格較低、生產(chǎn)周期短的新型立式加工中心刀庫。獲得如下結(jié)論：通過對國內(nèi)外同類產(chǎn)品進行市場調(diào)研、技術(shù)調(diào)研、社會調(diào)研、需求分析和可行性分析，了解了該產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展方向和設(shè)計開發(fā)該產(chǎn)品的必要性和可行性。通過對未來的發(fā)展狀況和市場發(fā)展情況的預測和估計，預測該產(chǎn)品具有很大的潛市場，能夠為企業(yè)創(chuàng)造可觀的利稅，經(jīng)濟效益顯著，具有推廣應用價值。通過對該加工中心刀庫結(jié)構(gòu)原理方案和各組成部分設(shè)計方案的優(yōu)缺點分析，確定了總體技術(shù)方案和主要技術(shù)性能參數(shù)。刀庫為盤式結(jié)構(gòu)，容量為16把刀，采用槽輪機構(gòu)實現(xiàn)分度轉(zhuǎn)位，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，價格低。通過刀庫在橫梁上移動至主軸端來實現(xiàn)換刀。由于水平和時間有限，在設(shè)計中還有許多方面需要完善，在產(chǎn)品投產(chǎn)之前，還需對加工中心設(shè)計進行仿真，對主要零部件進行靜、動態(tài)有限元分析、優(yōu)化和工藝設(shè)計等，以確保產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確性和可靠性。

參考文獻：

[1]陳靜波，申長雨，等. 塑料注射成型新工藝[J].工程塑料應用，2012，30（2）： 50～53.

[3]孫玲，劉冬雷.水輔注射成型技術(shù)綜論[J].工程塑料應用，2018，34（9）： 78～81.

[4]李躍文.槽輪機構(gòu)在加工中心鼓輪式刀庫上的應用[J].機械工程師，2014，39（4）： 6～9.

[5]張潤，孫慶鴻.五坐標數(shù)控龍門加工中心動態(tài)優(yōu)化設(shè)計[J].中國機械工程，2019，16（21）：1949-1953.