加工中心托板交換裝置的快速抬起機(jī)構(gòu)

    臥式加工中心由于具有良好的柔性，易于組成柔性加工自動(dòng)線，成為現(xiàn)在制造廠商首選的裝備母機(jī)。其中，具有雙托板交換裝置的加工中心的應(yīng)用又最為廣泛，其所具備的雙工作臺(tái)，節(jié)省了用于工件裝夾與拆卸的耗時(shí)。

    由于托板交換裝置在轉(zhuǎn)動(dòng)之前，需要將其抬起，以往的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)都是利用無(wú)自鎖功能的油缸直接頂起抬起裝置，僅在慢速運(yùn)行狀態(tài)下才能確保安全和平穩(wěn)，否則會(huì)造成沖擊力極大且不可靠。

    為此，在開(kāi)發(fā)高速加工中心時(shí)，為了縮短托板交換裝置的抬起時(shí)間，設(shè)計(jì)出一種快速抬起機(jī)構(gòu)，其承載能力強(qiáng)，沖擊力又小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，真正實(shí)現(xiàn)了快速抬起。

工作原理

    高速加工中心雙托板交換裝置的快速抬起機(jī)構(gòu)，以油缸為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)移動(dòng)凸輪，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)了抬起裝置在全程抬起運(yùn)行中的快速、平穩(wěn)、無(wú)沖擊、噪音小。凸輪的輪廓曲線由兩段直線、一段斜線、四段拋物線吻接而成，加速和減速區(qū)間凸輪的輪廓曲線設(shè)計(jì)為拋物線，拋物線加速度為常數(shù)，使抬起機(jī)構(gòu)變速時(shí)沖擊最小。

    在托板抬起過(guò)程中，為了減少工作時(shí)間，抬起機(jī)構(gòu)要快速運(yùn)行。抬起時(shí)為減小抬起裝置在激活瞬間、與托板接觸瞬間、行程到終點(diǎn)時(shí)的瞬間所產(chǎn)生的沖擊力及噪聲，就必須降低這些瞬間的運(yùn)行速度。

    所以，抬起機(jī)構(gòu)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的速度不能恒定，而是變化的，同時(shí)考慮到變化率（加速度）越高沖擊力則越大，必須設(shè)計(jì)一條既能適應(yīng)速度變化、而且性能良好的特性曲線，從而實(shí)現(xiàn)抬起機(jī)構(gòu)既變速又能平穩(wěn)的快速運(yùn)動(dòng)。

    這一結(jié)構(gòu)以移動(dòng)凸輪為主要部件，凸輪的輪廓曲線則由兩段直線、一段斜線、四段拋物線吻接而成。利用移動(dòng)凸輪的曲面結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)抬起，由零速-加速-勻速-減速-勻速-加速-勻速-減速-零速。在速度變化區(qū)間的凸輪輪廓線采用拋物線，拋物線的運(yùn)動(dòng)加速度為常數(shù)，大幅降低了速度的變化率，減小了沖擊，從而令運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠。

機(jī)械結(jié)構(gòu)

    快速抬起機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，該機(jī)構(gòu)主要有四部分組成：驅(qū)動(dòng)油缸；移動(dòng)凸輪；支撐滾輪；推桿。

圖1. 抬起機(jī)構(gòu)主視圖

    抬起機(jī)構(gòu)的具體運(yùn)動(dòng)過(guò)程是：驅(qū)動(dòng)油缸1推動(dòng)移動(dòng)凸輪2向前移動(dòng)，移動(dòng)凸輪的工作輪廓曲線推動(dòng)支撐滾輪3作垂直運(yùn)動(dòng)，支撐滾輪通過(guò)銷軸帶動(dòng)推桿4作垂直運(yùn)動(dòng)，圖中所示為移動(dòng)凸輪已經(jīng)移動(dòng)到終點(diǎn)位置，而推桿達(dá)到最高點(diǎn)的狀態(tài)。

工作過(guò)程分析

    高速加工中心托板交換裝置在回轉(zhuǎn)前必須將托板快速抬起，兩個(gè)托板連同托板上的夾具重量大約為4噸，托板交換裝置本身重約1噸。

    整個(gè)抬起過(guò)程如下: 抬起裝置加速抬起快速接近托板—慢速接觸托板并抬起托板—加速抬起托板—接近終點(diǎn)減速—進(jìn)入承重狀態(tài)。推桿抬起行程50mm，要求時(shí)間0.8秒。

1. 運(yùn)動(dòng)軌跡的分配

    第一段垂直行程0mm，水準(zhǔn)行程5mm，由一段直線組成。

圖2 移動(dòng)凸輪輪廓曲線圖

    第二段垂直行程12.5mm，水準(zhǔn)行程48mm，由兩段拋物線組成，并且與下一段上升的直線相吻接。推桿先加速5.48m、后減速7.02m。抬起裝置已接近托板并插銷。

    第三段垂直行程5mm，水準(zhǔn)行程80mm，由一段直線組成，慢速勻速運(yùn)動(dòng)，完成托板交換裝置慢速接觸托板（完成插銷）并準(zhǔn)備抬起托板。

    第四段垂直行程32.5mm，水準(zhǔn)行程112mm，由兩段拋物線組成，并且與下一段水準(zhǔn)的直線相吻接。先加速抬起托板18.288mm再減速14.212mm，到達(dá)終點(diǎn)。

    第五段垂直行程0mm，水準(zhǔn)行程5mm，由一段直線組成，托板交換裝置垂直不運(yùn)動(dòng)進(jìn)入承重狀態(tài)。以上工作過(guò)程分析如圖2。

2. 參數(shù)

    驅(qū)動(dòng)油缸1的水準(zhǔn)行程是250mm, 速度是一常數(shù)（0.3125m/s）, 時(shí)間是0.8s；推桿在每一區(qū)間的運(yùn)動(dòng)速度、加速度、時(shí)間經(jīng)過(guò)推導(dǎo)列表見(jiàn)表1。

表1 移動(dòng)凸輪輪廓曲線特性表（t: 每曲線函數(shù)的瞬時(shí)時(shí)間）

3. 推桿在四段拋物線區(qū)間做勻加速、勻減速運(yùn)動(dòng)，加速度為常數(shù)，沖擊極小，運(yùn)行平穩(wěn)。推桿的運(yùn)動(dòng)速度v、加速度a 隨運(yùn)動(dòng)時(shí)間t的變化圖如圖3。

圖3 推桿的速度、加速度隨時(shí)間變化圖

結(jié)語(yǔ)

    近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)加工制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，敏捷、柔性、高效的制造系統(tǒng)越來(lái)越多地獲得廣泛應(yīng)用，不僅要縮短機(jī)床的加工時(shí)間，同時(shí)更要盡可能縮減裝卸料等耗用的輔助時(shí)間。

    上述快速抬起機(jī)構(gòu)的試制成功解決了困擾高速加工中心裝卸工位所占時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，有效縮短了機(jī)床的生產(chǎn)節(jié)拍。而且，在速度變化的部位采用拋物線予以過(guò)渡，加速度保持常數(shù)，有效地控制了沖擊幅度。

    這一結(jié)構(gòu)的快速、平穩(wěn)運(yùn)行，關(guān)鍵取決于移動(dòng)凸輪的工作輪廓曲線的制造精度，在現(xiàn)有加工條件下凸輪的精確度很容易獲得保證。綜上所述，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、運(yùn)行平穩(wěn)，可靠耐用