加工中心弧面凸轮式自动换刀装置_ATC_(1)

加工中心弧面凸轮式自动换刀装置(ATC)Ξ西北轻工业学院　贺　炜　蔚泽峰　陈婵娟　曹巨江　曹西京 摘要　文章在比较加工中心传统的液压式A TC和新兴的凸轮式A TC的基础上,论述了弧面分度凸轮的性能最优,分析了自动换刀装置的基本动作规律及工作循环图,并给出一些主要计算公式及装配图,指出弧面凸轮式A TC可大大缩短换刀时间,是A TC的发展方向。

关键词　加工中心　自动换刀装置　液压式A TC　弧面凸轮式A TC1　液压式与凸轮式ATC的比较 传统的加工中心大多采用液压式A TC,国内厂家目前基本上还采用和生产这种A TC。

根据《加工中心应用与维修》列出的技术参数显示,其换刀时间大多为5～20s,换刀时间较长,大大降低了经济效益。

凸轮式A TC的刀具交换时间已达到2s以内。

如日本滨井产业的D Z216型立式加工中心的换刀时间为1s,日本丰和工业的MM N2400V CJ型超小型高速加工中心的换刀时间为0.8s。

与液压式A TC相比,凸轮式A TC由于动作可重叠、运动规律可选择、几乎无定位误差以及没有中间环节的控制,具有更高的可靠性与较高的自动换刀速度,因而成为目前最为理想的A TC。

2　弧面分度凸轮机构的优缺点 弧面凸轮分度装置的性能优于其他凸轮分度装置,它有以下一些特点:(1)凸轮廓面是按最佳动力性能的运动规律设计的,又在数控机床上按包络原理加工出来,无理论误差,分度准确;(2)中心距可调,能在凸轮与滚子之间施加预紧力,消除了传动间隙;(3)分度盘停歇时,分度盘上相邻两个滚子卡在凸轮的凸脊上,定位准确、可靠;(4)机构刚度大,强度高,寿命长。

弧面凸轮分度机构存在的一个问题是工作曲面复杂,在设计和制造上有很大难度。

因此,在我国生产的加工中心上所配的这种A TC装置,整个部件都是从国外进口的。

要实现凸轮式A TC的国产化,解决该凸轮的设计和加工是关键。

设计和制造问题现已能利用我院开发的凸轮CAD CAM软件,以及我院研制的专用数控机床得到完满的解决。

弧面凸轮必须用专用数控机床或五坐标联动加工中心,售价较高。

但是随着将来采用凸轮式A TC厂家的增多,生产成本估计会降低到与液压式A TC相当,且因其功能成本低,推广应用弧面凸轮式A TC还是大势所趋。

3　工作循环图分析 在设计的A TC机构中,两个核心部件弧面分度凸轮与平面槽凸轮配合运动的工作循环图如图1所示。

图1　弧面分度凸轮与平面槽凸轮配合运动的工作循环图图1a中,ab、cd、ef、g h段为停歇段,bc段为凸轮右旋向,机械手逆时针旋转65°,d e段为凸轮右旋向,机械手逆时针旋转180°,f g段为凸轮左旋向,机械手顺时针旋转65°,回到原位置。

图1b中,a′c′段为停歇段,c′d′段为下降段(机械手拔刀),e′f′段为上升段(机械手插刀);d′e′f′h′段为停歇段。

平面槽凸轮的曲线部分c′d′段、e′f′段均采用修正正弦运动规律(M S),其特点是在曲线前后段针对正弦加速度曲线做了改进,使曲线前后段变得更平缓,运动无冲击。

Ξ该项目为陕西省自然科学基金项目(编号:99C01)。

弧面分度凸轮的曲线部分bc 段、f g 段采用修正等速运动规律(M CV ),d e 段采用修正正弦运动规律(M S )。

4　主要计算公式 (1)计算滚子盘分度圆半径(mm )l f =c Η2h tg Αm (Η2h tg Αm +Ηth V m )式中　c ——凸轮与滚子盘中心距,mm Η2h ——动程角,(°)Αm ——最大压力角,(°)Ηth ——滚子盘分度角,(°)V m ——无因次最大速度(2)凸轮最小基圆半径(mm ) r 0=c -l f (3)分度角 Ηth =2Π n f式中　n f ——分度数,n f =m G mm ——滚子数G m ——凸轮头数(4)动程角 Η2h =2K f Π(1+K f )式中　K f ——动停比(5)滚子盘转位时间(s )t h =60Η2h360N式中　N ——凸轮轴转速,r m in(6)最大输入轴扭矩(N ・m )m c m =I Η2th (A V )m (t 2h Η2h )+m f Ηth V m Η2h式中　I ——转动惯量,kg ・m 2(A V )m ——无因次最大加速度与速度乘积m f ——摩擦扭矩,N ・m(7)最大输出轴扭矩(N ・m )mt m=I Ηth A mt 2h 式中　A m ——无因次最大加速度5　算例 按照图1所示的工作循环图,计算过程如下:设换刀时间为2s 时,凸轮轴转速为 N =60 2=30(r m in )(1)计算滚子盘分度圆半径l f设中心距c =120mmΗ2h 1=50°时Ηth 1=65°,运动规律为M CV ,由参考文献[4]得V m =1.28;Η2h 2=125°时Ηth 2=180°,运动规律为M S ,由参考文献[4]得V m =1.76。

取Αm =42.38°,则l f 1=120×50tg42.38°50tg42.38°+65×1.28=42.5(mm )l f 2=120×125tg42.38°125tg42.38°+180×1.76=31.767(mm )故取:l f =42.5mm(2)计算凸轮最小基圆半径r 0=120-42.5=77.5(mm ) (3)计算分度角Ηth 1=60°(由初始条件给定)Ηth 2=2Π×G m m =2Π×3 6=Π(4)动程角Η2h 1=50° Η2h 2=125°(5)计算滚子盘转位时间t h 1=60Η2h 1 360N =0.2778(s )　(M CV )t h 2=60Η2h 2360N =0.6944(s )　(M S ) (6)计算最大惯性扭矩M CV :M i m ax=I f Η2th 1t 2h 1Η2h 1(A V )m =9.036(N m )M S:Mi m ax=I m ax Η2th 2t 2h 2Η2h 2(A V )m =30.706(N m )式中　I m ax ——滚子盘、机械手、刀具的总转动惯量,kg ・m2 I f ——滚子盘、机械手的转动惯量,kg ・m2图2　A TC 装配图11拨杆　21平面槽凸轮　31主动轴　41电动机　51套筒　61从动轴　71凸轮轴　81弧面凸轮91滚子　101箱体　111箱盖最大摩擦扭矩M CV:M f=M il fΛ0r0=9.03642.5×0.04×77.5=0.659(N・m)M S:M f=M il fΛ0r0=30.70642.5×0.04×77.5=2.240(N・m)最大输入轴扭矩M CV:m c=I fΗ2th1t2h1Η2h1(A V)m+M fΗth1V m2h1=10.044(N・m)M S:m c=I m axΗ2th2t2h2Η2h2(A V)m+M fΗth2V m2h2=36.383(N・m)所以输入轴扭矩最大值可取m c m=36.383(N・m)(7)最大输出轴扭矩M CV:m t m=I30Ηth1t2h1A m=10.522(N・m)M S:m t m=(I30+I40)Ηth2t2h2A m=21.649(N・m)式中　I30——机械手的转动惯量,kg・m2　I40——刀具的转动惯量,kg・m2所以最大输出扭矩取m t m=21.649N・m将以上参数代入强度、刚度条件,即可得到主要结构尺寸。

我们以换刀时间为2s时的参数为基础,确定了一种弧面凸轮式自动换刀装置的结构及尺寸,绘制出了它的装配图(图2)及全部零件图(省略),可供有关人员参考。

参考文献1　廉元国,张永洪1加工中心设计与应用1北京:机械工业出版社, 199512　曹巨江1A TC蜗形转位凸轮工作曲面分析及数控加工的研究1西北轻工业学院学报,1993(9)3　王科社,张怀存等1加工中心A TC凸轮式与液压式的比较1组合机床与自动化加工技术,1995(9)4　彭国勋,肖正扬1自动机械的凸轮机构设计1北京:机械工业出版社,19901第一作者:贺炜,陕西咸阳人民西路,西北轻工业学院机械系,邮编:712081(编辑　吕伯诚)　(收修改稿日期:2000-03-11) ・说明・德国W I LLY VOGEL公司“油 空气”润滑简介 德国福鸟公司(W I LL Y VO GEL A G)在欧洲集中润滑工程界中居于领先地位,产品内容丰富,除了单线、双线、多线系统,递进系统、循环系统、喷注式冷却系统,VO GEL公司为适应重型机床及近年高速机床发展的需要,还开发了静压技术所需的多头泵产品和高速主轴润滑所需的“油+气”润滑,现将“油+气”润滑做如下简介。

11V OGEL“油+气”具有如下特点:(1)可以选择润滑点数及各润滑点所需要的油量,可按照轴承的需要连续地供给准确的油量。

(2)用油量只占油雾润滑的1 10。

(3)可保持摩擦点上总有新鲜的润滑剂,避免了常规脂润滑有一定的使用周期,使用周期不宜确定,更换润滑脂操作困难的不足。

(4)VO GEL公司“油+气”适用于转速远高于n1dm≤1×106mm r m in的情况。

(5)润滑不挥发,对环境无污染。

(6)此系统因轴承里有压缩空气带来的压力,可防止外部杂质的侵入。

(7)“油+气”润滑简化了轴承密封的要求,适用于润滑油的粘度范围广,并且有一套很成熟的机外程序控制系统。

21油气润滑的原理油气润滑的原理是:气流把一滴液体拉成细长条并且朝气流方向传送。

实际上,液滴是沿着窄管的内壁向润滑点的方向传送的,用一根合适长度的管子(至少1m)和一个适当的油脉冲程序就可以从输出的喷嘴处得到几乎无间断的油滴的油流。

31油气润滑的应用油气润滑应用于那些连续供给少量的、确定的润滑油的摩擦部位。

41V OGEL公司“油+气”润滑系统的要求(1)对润滑剂的要求:ISO及V G32至V G100的油是非常合适的,带有EP添加剂的油也适用。

注意带有二硫化钼的添加剂的油不能用。

(2)对压缩空气的要求:空气必须干燥和过滤,要配一个气水分离器,进口处的气压为016mpa(6bar)。

51油气润滑系统的控制及功能程序用于油气润滑系统的控制系统,VO GEL公司已有最佳的软件,它可以完成如下功能控制。

A1系统里的最小空气压力;B1主油管的压力建立;C1储油器里的油位;D1间隔时间的调整1、2、3、……99m in。

在控制系统里,泵在间隔时间结束时接通,把油从储油器传到油气计量装置里,当系统压力建成后,油气计量装置把计量好的油排入二次管线中,在不断的流动作用下,压缩空气传送给摩擦点。