凸轮联动ATC的设计研究

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目前，国外加工中心采......



目前，国外加工中心采用的ATC装置，主要有马氏机构(无机械手式)、凸轮联动式、液压或气动机械换刀以及其它独特的加工中心用ATC装置。其中，凸轮联动式ATC装置可靠性好，换刀速度高，最易独立推向市场，形成专业化、产业化生产。如台湾吉辅、日本的省力机械都已以独立的功能部件推向市场。本文主要对凸轮联动式ATC机构设计中的有关技术问题进行了分析。笔者负责设计的50#凸轮联动式刀库机械手已成功地与KT1500V主机配套，并投入批量生产。 1.随动摆杆 2.平面凸轮 3.蜗杆凸轮 4.随动滚子凸轮 5.机械手臂 图1 凸轮联动ATC的基本结构 1 凸轮联动ATC的动作原理及基本结构 目前，加工中心上使用的凸轮联动ATC的基本结构如图1所示，ATC的换刀动作基本可以分作两部分：(1)机械手的旋转分度动作。包括抓刀、180°换刀、回零。(2)机械手的直线平移动作。包括拔刀、插刀。其中机械手的旋转分度动作采用蜗杆凸轮(有些文章中称为滚齿凸轮)垂直分度机构来实现：机械手的直线起，由同一个电动机驱动，通过凸轮曲线的设计，使机械手在一个换刀运作循环内连续完成抓刀、拔刀、180°换刀、插刀、回零动作，实现ATC的凸轮联动换刀。 2 凸轮曲线的设计 表示ATC凸轮联动换刀动作关系的曲线见图2，凸轮从零位开始旋转，旋转到q0时，机械手开始抓刀，旋转到q1时，机械手手臂旋转F1角，完成抓刀动作：凸轮继续旋转到q2时，ATC开始拔刀，到q4时，拔刀动作完成：从q3开始到q6，ATC手臂从F1旋转到F3，完成180°换刀：从q5到q7，ATC完成插刀动作：从q8到q9，ATC手臂从F3反转到F2，完成回零动作，换刀结束。凸轮曲线的设计包括如下几个方面： 凸轮曲线的选择 由于变性正弦曲线(MS)最适合用于高速中载和重载的场合，因此，在凸轮曲线的设计中，一般优先选用变性正弦曲线。 最大压力角am的确定 对于蜗杆凸轮，推荐最大许用压力角[am]=50°：对于平面凸轮，推荐[am]=60°。具体设计时，取am≤[am]。在结构允许时，am应尽可能取小值，并应考虑等强度设计，使ATC在整个换刀过程中的每一个动作，驱动电动机的最大负荷基本相等。 对于蜗杆凸轮机构，最大压力角计算公式为
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tgam=VmaxRGF

(a-RG)q
式中：RG——滚子盘平均半径，mm a——滚子盘与凸轮的中心距，mm Vmax——凸轮曲线的无量纲最大速度 q、F——分别为凸轮、滚子盘的动程角，(°) 对平面凸轮摆动机构(图3)，压力角计算公式为 O点为平面凸轮的回转中心：Q点为摆动杆的铰接支点：B点为随动滚子中心：w为凸轮的转动角速度：wF为摆杆的摆动角速度：N-N为凸轮曲面上任意点的法线：C为O、Q两点之间的距离(mm)：L为摆杆长度(mm)：F0为摆杆与直线OQ之间的最小 夹角(°)：F为摆杆在任意一点的摆动角(°)：a为平面凸轮曲线 上任意一点的压力角(°) 图3 随动滚子平面凸轮摆动机构简化画法 tga=ctg(F+F0)-L(1-dF/dq)

Csin(F+F0)
式中，如° 是逆时针方向，则dF/dq为负值。如果tga 为负值，这表示公法线N-N 位于从动件杆臂垂线的另一边。通常，在摆动杆摆动的中间位置，压力角为最大。根据已知的运动规律，可求出最大压力角am。 凸轮的拔、插刀转角(q4-q2)、(q7-q5) 一般取40°～60°，当拔、插刀距离大时应取大值。 凸轮的初始回转角q0 ATC在零位时，蜗杆凸轮的定位角l=q0+360°-q9，l应根据驱动电动机的制动转角qZH(指从电动机制动开始到电动机停止时凸轮的转角)来确定，一般使l=3qZH。设计时取q0=0.5l，一般取q0=7.5°～15°。 间歇角b1、b2 b1=q2-q1，b2=q8-q7，凸轮在b1和b2角度范围内旋转，机械手不动作，主轴和刀套在凸轮从q1转至q2之间完成松刀动作，在凸轮从q7转至q8之间完成刀具锁紧动作。一般取b1=b2=0°～30°：如果在凸轮连续旋转360°范围内主轴和刀套不存在刀具松开和夹紧动作，则取b1=b2=0。 重合角g1、g2 g1=q4-q3，g2=q6-q5，由于主轴和刀具之间为锥面连接，设计中为了改善凸轮曲线的动态特性和提高换刀速度，可使g1=g2>0，即180°换刀动作与拔、插刀动作之间存在重合区。这样设计必须保证刀具锥柄与主轴之间不产生运动干涉，必须根据设计参数和有关公式进行严格核算。 滚子盘的抓刀转角f1、回零转角f2、换刀转角f3 f1=f1，f2=F3-F2，f3=F3-F1=180°，f1、f2根据设计时的空间结构制定，一般取f1=f2=60°～90°。通常，在蜗杆凸轮上使ATC的抓刀、回零、180°换刀曲线的最大压力角相等，所以应满足f1/180°=(q1-q0)/(q6-q3)：在结构允许时，f1、f2应尽 量取小值。 图4 刀具锥柄在主轴端的安装
拔、插刀行程H(图4) H=H1+H2+H3+(3～5)mm 3 驱动电动机的选择 ATC抓刀、180°换刀、回零所需的最大驱动力矩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 凸轮曲线VmaxAmax(AV)max
变性梯形(MT)24.898.09
变性正弦(MS)1.765.535.46
变性等速(MCV)1.288.015.73
Vmax——无量纲最大速度，(见附表) Amax——无量纲最大加速度，(见附表) (AV)max——最大无量纲速度与加速度的积，(见附表) J∑——滚子盘绕中心轴的转动惯量与其负载惯量之和，kg·m2 q、F——分别为凸轮、滚子盘的分度期转角，rad w——凸轮的角速度，1/s k——系数，一般取k=0.1～0.2 平面凸轮上所需的最大驱动力矩Md2 根据不同的结构参数，可以用解析法进行计算，计算较复杂，也可以用计算机编程进行设计计算。 驱动电动机的最大驱动功率Nmax(kW) Nmax=MdmaxnZ

9550h

式中：Mdmax——Md1与Md2之中的较大值，N·m n——电动机输出转速，r/min Z——电动机到凸轮之间传动系统的传动比 h——电动机到凸轮之间传动系统的效率 根据计算出的电动机驱动功率及电动机转速即可初选电动机型号。 4 换刀时间T的计算 ATC的换刀时间，目前国内还没有形成统一的标准规定。对于凸轮联动式ATC，电动机驱动凸轮旋转360°时，ATC完成一次换刀动作。因此，ATC的换刀时间T(s)可以近似认为是凸轮旋转360°时所用的时间，即 T=2p/w 5 提高换刀速度的措施 这种凸轮联动ATC，一般凸轮每转一圈完成一次换刀动作。因此，提高ATC的换刀速度就必须提高凸轮的转速。但由于制造误差的存在，速度提高也会使整个系统的动态特性变差。因此，应该综合考虑，采取如下的措施： 提高驱动电动机的驱动转速及驱动力矩。 合理选择、设计凸轮曲线，提高凸轮制造精度。 减小凸轮曲线的压力角。例如，改变结构参数，加大凸轮与滚子盘之间的中心距：缩短或去除主轴的松拉刀时间，使主轴松刀在换刀之前动作，拉刀在换刀之后动作：加大ATC在抓刀、180°换刀、回零时的凸轮转位角：减小拔、插刀行程，采用HSK刀柄等。 改善润滑条件，减小摩擦力矩。 改变凸轮联动的动作结构，如把180°换刀改为20°换刀等。 总之，凸轮联动ATC的设计，要把结构设计、动力学分析计算以及ATC的动作联动关系进行综合考虑、反复计算，以取得较好的设计结果，保证ATC的换刀运动连续、高速、平稳、可靠。