卧式加工中心自动换刀机械手设计的探讨

摘 要：随着我国经济的快速发展，客户的需求也在日益多样化，人们对制造企业的生产模式提出了更高的要求，卧式加工中心的机械手是在自动换刀装置中的关键工具，将刀库中的刀具送到主轴上，然后将主轴上已经用过的刀具返回到刀库，加工中心的自动换刀装置，主要是由机械手、刀库组成的，将工作刀具与刀库中的刀具进行交换，而对于机械手来说，应该具备稳定性、换刀时间短以及定位准确的特点。本文就对卧式加工中心自动换到机械手设计进行具体的分析。

关键词：卧式加工；机械手设计；自动换刀；分析研究

1 引言

21世纪是经济快速发展的时代，我国各个领域都取得了很大的进步，制造业也是如此。加工中心自动换刀装置应该具有一定的可靠性，这也是体现系统是否先进的重要标志，随着我国制造业的快速发展，精密的制造装备也朝着高速度、高效率的方向发展，在确保设备拥有良好性能的同时，也应该提高其准确性，在换刀的时候由于执行的速度比较快，因此在定位的时候应该足够准确，特别是在加工时要频繁的换刀具，因此系统的稳定性就成了加工中心最需要注意的问题，通过分析换刀装置的性能能够找出薄弱的部分，本文就对卧式加工中心自动换刀机械手设计问题进行研究。

2 卧式加工中心自动换刀机械手设计

2.1 机械手机构的动力学模型

要想建立机械手机构的动力学模型，就要首先建立起三维实体模型，通过对换刀机械手的各部分零件进行建立模型，然后对各零件实现装配，考虑到换刀机械手的结构特点以及各部分的联系，来建立起有限元的模型。主要的装配模型包括以下技术：先要创建零件三维实体模型，对装配的路径以及结构进行一定的划分，然后根据位置关系进行一定条件的约束，可以利用划分网格的形式对实体进行网格划分，这是比较重要的环节，因此实际操作的时候工作量也会比较大，而具体的形式对计算精度以及规模来说都会产生一定的影响。其次是进行约束处理，这也被称为边界条件，如果位移没有被确定的情况下，即使在平衡状态中位移也有可能会发生，因此在进行边界条件处理的时候应该根据实际的工程结构来确定相应的内容，从而消除刚度阵的奇异性。通过对有限元进行划分可以发现，使用等参元进行划分的时候要在一定精度的条件下，从而得到更好的結果与更高的效率，可以对机械手结构进行一定的动态分析，如图1所示，为机械手手爪机构的自锁原理图。

2.2 机械手机构的动力分析

对机械手机构的动力进行分析的时候，首先要对材料的属性进行分析，机械手选择的材料一般为常用的钢种，经过一定的调节之后其综合性能还能保持良好，并具有一定的切削加工性能，经过碳氮的相互渗透并淬火之后，就會承受很大的载荷，在保证冲击不大以及耐磨的情况下达到零件的具体要求，通过ANSYS的模态分析方法来进行分析，这也是判断机械零件结构的主要方式，在ANSYS中能够选择的模态方式有很多种，可以选择其中的任何一种来进行求解，然后根据前六阶的模态来对不同模态下的机械手振动特点进行分析，这样可以准确的计算出影响机械手的最大固有频率值是多少。在机械手换刀的时候会存在很多固有的频率，这不是所有振型都会出现的问题，这种不稳定的现象是在比较薄弱的模态中才会出现，这些模态一般都是低阶的模态，因此要想获得机械手的固定频率就要对模型进行网格的划分，然后得到有限元的网格模型。如表1所示，我们可以看到固有频率的值是最低的，而模态的刚度比较好的时候，一阶固有频率所代表的结构刚度也就越好，因此机械的工作效率应该保证在低于一阶的情况下，同时活动的手指与其他固定的部分要紧密的结合，通过相关的数据就能够分析出机械手发生变形的情况较大，固定手指的刚度很大与其他手指相比较，活动手指刚度较小一些，将两者充分的结合起来就会造成机械手机构在动态上的薄弱环节，这也是本文中主要分析的机构薄弱环节。

3 结束语

综上所述，主要对卧式加工中心自动换刀机械手设计问题进行简要分析，利用Pro/E软件建立了机械手机构的模型，同时利用ANSYS软件中的具体单元来对机械手机构进行一定的动力分析，所得出的结果能够对以后该方面的发展提供帮助，然后对加工中心自动换刀机械手的机构进行一定的优化与改进，针对这些出现的问题提出相应的解决方案，从而改善机械手机构中比较薄弱的环节，例如可以通过选择机械手顶销与螺母间的弹簧刚度与弹力，还可以寻找最好的平衡点来改变比较薄弱的环节，还可以通过改变换刀系统的方式，来采用液压的形式进行电机驱动，对双臂的机械手结构进行一定改进设计，让手指部分不再有活动手指与固定手指，让其成为一个部件的形式，相信以后该方面会取得更大的进步。

参考文献

[1]马彬，方学舟，罗敏.加工中心随机自动换刀方式的实现[J].装备维修技术.2015 （3） ：71-79

[2]郭俊莉.小型立式加工中心自动换刀装置及控制的应用研究[D].齐鲁工业大学.2015

作者简介

张红梅（1976-），女，汉族，吉林省吉林市人，大学本科，工程硕士学位，副教授，研究方向：机械。