引言

數(shù)控加工技術(shù)蓬勃發(fā)展,數(shù)控機(jī)床柔性逐漸提高,自動化生產(chǎn)漸漸在工廠普及。工件吊裝設(shè)備是由機(jī)械設(shè)備與簡單系統(tǒng)組成的適用于輔助機(jī)床加工多工序或中重型工件搬運吊裝等工作的高效率半自動化設(shè)備。目前,在數(shù)控加工中心生產(chǎn)一線上,由于缺少科學(xué)合理的工件吊裝設(shè)備,使得在整個加工過程中,加工工件的裝卡時間過長,制約了加工的工作效率。因此,設(shè)計一款數(shù)控機(jī)床吊裝機(jī)構(gòu)對于提高數(shù)控加工效率具有很重要的意義。

早在18世紀(jì),隨著生產(chǎn)的發(fā)展,起重吊裝作業(yè)就越來越多,起重吊裝機(jī)械得到了發(fā)展。目前起重吊裝設(shè)備更是得到多元化發(fā)展。2018年8月,針對傳統(tǒng)人工生產(chǎn)夾片的低效繁瑣,鐘華、楊旭卓研究了夾片機(jī)床自動上下料裝置電控設(shè)計與制作,實現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力夾片自動生產(chǎn),從而解放了勞動力,降低了成本,提高了效率。

本文以數(shù)控機(jī)床工件吊裝機(jī)構(gòu)為研究對象,利用UG軟件建立了吊裝機(jī)構(gòu)裝配體模型,并導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行了靜力學(xué)仿真,不僅驗證了吊裝機(jī)構(gòu)的可靠性,同時,為提高工件重復(fù)吊裝效率提供了技術(shù)借鑒。

1工件吊裝機(jī)構(gòu)的工作原理

數(shù)控機(jī)床吊裝機(jī)構(gòu)主要包括車體、門架、滾珠絲杠螺母副、吊架和掛鉤等。車體前端裝有液壓缸,有類似叉車的門架結(jié)構(gòu),起升液壓缸下端在外門架橫梁上,上端與內(nèi)門架橫梁和鏈輪連接。起升鏈條的一端與外門架下部連接,另一端繞過鏈輪與叉架相連,向液壓缸通入壓力油時,活塞桿以速度"向上運動并帶動鏈輪、內(nèi)門架以同樣的速度"起升,由于動滑輪原理,鏈條牽動吊架以2"速度起升。當(dāng)液壓缸全行程終了時,內(nèi)門架處于外門架上方極端位置,吊架處于內(nèi)門架上方極端位置。當(dāng)泄掉油壓時,工件或吊架等構(gòu)件靠自身重力下降。吊架內(nèi)裝有滾珠絲杠螺母副,電機(jī)帶動絲杠轉(zhuǎn)動從而使螺母進(jìn)行前后移動,與螺母間接相連的掛鉤也前后移動,實現(xiàn)工件較為精確的位置調(diào)節(jié)。當(dāng)要向數(shù)控機(jī)床內(nèi)吊裝工件時,先將吊架降到適宜高度,以便掛鉤能順利勾上工件,再使吊架上升,到足夠高度,開車靠近數(shù)控機(jī)床,按下電機(jī)正反轉(zhuǎn)啟動按鈕,調(diào)節(jié)工件將要放到機(jī)床工作臺的位置,最后緩慢使吊架下降,待工件落到工作臺上,松下掛鉤。

如圖1所示,在工件重量較大時,可使用此設(shè)備將該工件安裝到數(shù)控機(jī)床內(nèi)部工作平臺上。利用液壓結(jié)構(gòu),可實現(xiàn)大重量工件的吊裝工作,方便了使用天車情況下和利用天車不便吊裝時工件的拆卸及吊裝。

圖1 數(shù)控機(jī)床工件吊裝機(jī)構(gòu)原理圖

常見的加工中心工作平臺都在1000mm左右,因此選擇數(shù)控機(jī)床工件吊裝機(jī)構(gòu)直立高度吊架c可移動的有效行程為0~2000mm。工件m一般安裝在距離機(jī)床門400mm的位置,因此選擇水平吊架b的有效行程為0~800mm。鑒于車間位置比較小,因此車身長度a選擇1500mm。數(shù)控機(jī)床工件吊裝機(jī)構(gòu)車身配重M的計算公式如下:

M×a>m×b

a=1500mm,b采用最大行程800mm,m設(shè)計最大承重400kg,通過計算M>213kg,因此在數(shù)控機(jī)床工件吊裝機(jī)構(gòu)后置配重取220kg。

2數(shù)控機(jī)床吊裝設(shè)備的建模

根據(jù)設(shè)計原理,利用三維繪圖軟件UG對數(shù)控機(jī)床吊裝設(shè)備進(jìn)行三維實體建模。

首先根據(jù)數(shù)控機(jī)床吊裝設(shè)備的要求,先建立好數(shù)控機(jī)床工件吊裝機(jī)構(gòu)的車體模型,如圖2所示。

然后根據(jù)設(shè)計要求繪制前置吊架結(jié)構(gòu),這個吊架機(jī)構(gòu)分為豎直立架、水平吊架。吊鉤是在水平吊架上,通過絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)進(jìn)行移動,如圖3所示。

圖3 數(shù)控機(jī)床工件吊裝機(jī)構(gòu)吊架

最后完成整車和吊架的安裝配合。豎直吊架可以在整車上不同角度地傾斜,傾斜角度±10О,可以通過液壓機(jī)構(gòu)控制不同的傾斜角度,如圖4所示。

3數(shù)控機(jī)床工件吊裝機(jī)構(gòu)的有限元分析

本文利用UG三維繪圖軟件對數(shù)控機(jī)床吊裝設(shè)備完成了建模工作。由于主要外界承重部分是前置吊架機(jī)構(gòu),因此對數(shù)控機(jī)床吊裝設(shè)備前置吊架進(jìn)行有限元分析。首先對該模型機(jī)構(gòu)進(jìn)行了倒角、去尖角等適當(dāng)簡化,并將前置吊架機(jī)構(gòu)導(dǎo)入到ANSYS軟件中進(jìn)行有限元模型的建立,選擇四面體單元對框架進(jìn)行網(wǎng)格劃分。四面體單元結(jié)構(gòu)如圖5所示。

前置吊塔材料選擇0235鋼,彈性模量2.06e5N/m2、泊松比0.3、密度7.93e-6kg/m3。定義約束與載荷,載荷為400kg重物。本文主要進(jìn)行了ANSYS靜力學(xué)分析,得出了該機(jī)構(gòu)前置吊塔的應(yīng)變云圖和應(yīng)力云圖,如圖6所示。

由圖6(a)前置吊架的合位移等值線圖可知,前置吊架最前端變形量是最大的,最大變形量是0.0178mm,該變形量小于許用變形量0.1mm:由圖(b)節(jié)點應(yīng)力等值線圖可知,前置吊架最大應(yīng)力值amax是178MPa,該應(yīng)力值小于選用材料鋼的最大屈服應(yīng)力205MPa。因此,該前置吊架的剛度和強(qiáng)度均能滿足設(shè)計要求。

圖6 前置吊塔強(qiáng)度、剛度結(jié)果分析

4結(jié)語

本文采用有限元仿真模擬的方法,通過對數(shù)控機(jī)床工件吊裝機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析,從而對其進(jìn)行剛度、強(qiáng)度校核,得出應(yīng)力、應(yīng)變云圖,由結(jié)果得到:其剛度、強(qiáng)度均有較大裕量。

以減輕重量和加工生產(chǎn)制作方便為目標(biāo),根據(jù)有限元的分析結(jié)果,選擇強(qiáng)度更高、質(zhì)量更輕的36#C槽鋼材料作為數(shù)控機(jī)床工件吊裝機(jī)構(gòu)的前置吊架模型材料,在保證其剛度和強(qiáng)度的前提下,大大減輕了數(shù)控機(jī)床工件吊裝機(jī)構(gòu)的重量,還降低了生產(chǎn)成本。本文的研究對數(shù)控機(jī)床工件吊裝機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計起到了很好的指導(dǎo)作用。