高刚性轻量化轴承滚子无心磨自动上下料装置的设计

傅洁琼,刘桥方,李海林，杨其升

(1.广州城建职业学院，广州 510925；2.洛阳喜峰机械有限公司，河南 洛阳 471000)

1 无心磨上下料装置需求分析

1.1 无心磨上下料装置的需求及动作说明

轴承滚子无心外圆磨床在轴承滚子生产中作为主要加工设备，能提供稳定高效及高精度的外圆加工。利用以直线运动模组为基础的机械手进行自动上下料能显著地提高加工效率和加工稳定性，同时也是自动化趋势发展的需求。分解其基本动作流程为：

1)双伺服插补将砂轮修成需磨削的滚子形状；

3)由上料手(气缸+空气吸盘)抓起滚子；

4)由直线运动模组将滚子准确移动至磨削工位，气缸下行将滚子放入磨削区，气缸上行由直线运动模组将上料手退回至上料槽上方(准备抓起下一个待磨削滚子)；

5)导轮进给磨削；

6)导轮退回，下料手抓起磨削后的滚子由直线运动模组组合件移动至下料槽上方，气缸下行放下滚子。

1.2 直线运动模组问题分析

现直线运动模组一般由基座、导向系统、传动系统、电动机固定座、传动固定座等单元组成。材料一般使用高强度铝合金或钢材料，传动系统用滚珠丝杠传动，其运动精度与刚性虽能满足需求，但存在体积及质量大的缺点，如行程为600 mm的直线模组，质量约25 kg(不含驱动电动机)。这样不仅占用较大的机台空间，而且对原无心磨床进行大结构的改动，才能装置自动上下料直线运动模组和下料机械手，同时会影响磨床后续的调试与维护。

本设计优化了直线运动模组的结构设计与传动系统，并使用铝合金和碳纤维材料，实现直线运动模组小型化、高刚性和轻量化，并应用于无心磨自动上下料装置中。

2 新型直线运动模组设计与分析

2.1 直线滚珠导轨的设计分析

直线运动模组的核心部件为直线导向系统和动力传动系统。本设计以广泛应用于直线导向系统的直线滚珠导轨为模组基础，进行类型和型号的选择和有限元分析。

一是充分利用报刊宣传闻喜县水利普查工作进展和普查动态；二是强化普查信息报告制度，保证普查信息上传下达畅通，印发水利普查简报，确保水利普查领导组成员及相关部门领导及时全面了解普查工作进展；三是墙体刷写固定标语，发放宣传单，利用电视台、电子屏、横幅等媒介，在全县广泛宣传水利普查，营造支持水利普查的良好氛围。

2.1.1 直线滚珠导轨的选型

为达到小型上下料装置模组小型轻量目的，综合考虑承载能力与稳定性，选择台湾HIWIN的MGW15C2R830Z1P加宽型微型导轨，其基本信息与额定载荷见表1[1]。

表1 直线滚珠导轨基本信息与额定载荷Tab.1 Basic information of linear ball guide and rated load

2.1.2 直线滚珠导轨承载能力分析

对MGW15C2R430Z1P导轨部件各方向承载能力进行有限元分析，其基本信息见表2。

表2 直线滚珠导轨的基本材料性能Tab.2 Basic properties of material for linear ball guide

承载的有限元分析按实际需要模拟悬臂使用场景，即将导轨的一端固定，另一末端的竖直和水平方向按实际需求经验估计值98 N载荷进行分析模拟，结果见表3。由表可知，导轨在水平方向刚性约是竖直方向刚性的约18倍，而应力也达到了4.7倍。

表3 直线滚球导轨有限元分析结果Tab.3 Finite element analysis results of linear ball guide

2.2 直线运动模组结构设计与分析

2.2.1 以直线滚珠导轨为基的结构设计

从上述直线导轨承载能力分析结果来看，其在水平方向承载能力很强，而在竖直方向比较弱。因此，需要通过结构件的优化设计进行竖直方向的加强，并以简单巧妙的方法设计传动系统。

在一般情况下，承载方向与重力方向是一致的，结合表3的有限元分析结果，需把导轨承载能力强的水平方向承受载荷，所以将导轨宽面，即水平方向倒置为竖直方向用来承受载荷，但原竖直方向倒置而成的水平方向的承载力则需要加强。在此，为达到上下料装置模组轻量化和高刚性的目的，选择碳纤维复合材料为加强板材料来设计横向板，在传动系统上则使用小巧实用的同步带传动系统，将导轨固定座和电动机座融合成一个零件，同时它也是此直线运动悬臂模组的固定基板，而另一侧则将同步轮的惰轮组件和连接座融合成一个连接板，皮带的张紧设计在电动机座一侧。此设计方案极大地简化了结构，同时实现轻量化与高刚性化，具体结构如图1所示。

图1 直线运动模组设计结构图Fig.1 Structural design diagram of linear motion module

2.2.2 碳纤维加强板的设计与有限元分析

所使用的碳纤维加强板的长度与导轨的长度均为830 mm，厚度先设计为15 mm，宽度为75 mm，保证其在水平方向的承载能力，以此加强其组合后在导轨水平方向的承载能力。

加强板的碳纤维复合材料选择东丽T700，碳纤维含量为72%，树脂含量为28%，其材料的基本信息见表4[2]。

表4 碳纤维复合材料的物理性能信息Tab.4 Physical properties of carbon fiber composites

承载能力的分析计算同样采用一端固定，末端分别承受竖直方向和水平方向的载荷均为98 N为例，结果见表5。

表5 碳纤维加强板有限元分析结果Tab.5 Finite element analysis results of plate reinforced by carbon fiber

通过分析，碳纤维加强板质量为1.65 kg，其刚性要比直线滚珠导轨大8倍，其水平方向的刚性承载能力是垂直方向的21倍，强度为3倍。

将此碳纤维加强板的水平面与直线滚珠导轨的垂直面相结合，使该直线运动模组的承载能力在竖直和水平方向都满足使用要求。

2.3 直线运动模组的有限元分析

2.3.1 直线运动模组设计说明

为方便CAE软件计算，模拟分析将直线运动模组中的基座、直线滚珠导轨、碳纤维加强板和惰轮座作为一个整体进行有限元分析。其中基座和惰轮座材料均为6061铝合金[3]，总质量约9 kg，其刚性模组三维结构如图2所示。

图2 直线运动模组的整体有限元分析结构图Fig.2 Overall structure diagram of finite element analysis of linear motion module

2.3.2 直线运动模组有限元分析

与上述的分析方式一样，采用固定块固定，末端面分析以竖直方向和水平方向承受载荷的方式进行分析模拟，结果如图3和图4所示。

图3 竖直方向末端载荷-应力/变形量关系Fig.3 Relationship between stress/deformation-load at end in vertical direction

图4 水平方向末端载荷-应力/变形量关系Fig.4 Relationship between stress-deformation-load at end in horizontal direction

从上述分析的结果来看，该直线运动模组在垂直方向和水平方向完全可以承受98 N载荷，承载能力和刚性方面完全可以得到保障。另外模组在垂直方向的载荷或振动可以通过调整碳纤维加强板的尺寸来解决。

3 实际应用

对于中小型轴承滚子(特别是Dw≤20 mm)，由于滚子小而精密，把高刚性轻量化的单导轨悬臂式直线运动模组应用在无心磨上下料装置[4]，在设备的实际使用中获得了显著的效果。具体有以下3个方面：1)其单导轨悬臂的运动方式，可以将机械手臂直接固定在砂轮架上，运行稳固可靠，并且不会干涉设备的操作[5];2)如需更换砂轮时，其调试复位时间也大为缩短;3)经过高刚性轻量化设计后，模组的质量由25 kg减至10 kg，上下料时的动作快速平稳，提升了加工效率。其具体实际应用如图5和图6所示。

图5 自动上下料装置应用于轴承精密滚子无心磨床Fig.5 Automatic loading and unloading device for centerless grinder for roller of precision bearing

1—上料槽;2—复合碳纤维加强板；3—支架；4—砂轮架；5—上料手；6—下料手；7—驱动电动机；8—传动同步带；9—直线运动模组；10—导轮架；11—床身；12—下料槽；13—气缸；14—吸盘；15—工件；16—导轮；17—砂轮图6 应用于轴承生产中无心磨床自动上下料装置布局图Fig.6 Layout of automatic loading and unloading device of centerless grinder used in bearing production

4 结束语

为实现轴承滚子切入式无心磨上下料装置直线运动模组高刚性轻量化，本设计采用直线滚珠导轨以优化导向系统，同时采用碳纤维板加强模组水平方向的承载力。在结构上将2个主要支承部件进行强度和刚性的相加，实现了水平和竖直2个方向的共同加强。使其在刚性、强度等力学性能与传统直线运动模组相当的情况下，其总质量仅为传统设计的40%，而使用更为高效与灵活。这种结构直线运动模组可以结合实际需求，借助有限元分析，在实际机构设计中进行灵活的变更与改进。