絲桿螺桿銑床自動上下料裝置設(shè)計(jì)

王友斌，王慧

(南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167)

0 引言

機(jī)械加工中數(shù)控機(jī)床的普及，不僅提高了產(chǎn)品的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，還減輕了工人的勞動強(qiáng)度。但工人在上下料和裝夾輔助所用時(shí)間依然無法減少，故自動上下料裝置的研究越來越迫切。目前，國內(nèi)大部分自動上下料裝置的研究都是針對某一類零件的專機(jī)。陜西科技大學(xué)的司建星[1]針對數(shù)控車床、料盤和物料箱組成的加工單元設(shè)計(jì)了一種五自由度機(jī)器人對數(shù)控車床組進(jìn)行上下料。中國船舶重工集團(tuán)公司的李陽、顧歡[2]針對數(shù)控機(jī)床落后的手動上下料存在的耗費(fèi)人力和時(shí)間、產(chǎn)品質(zhì)量無法得到保證等問題，設(shè)計(jì)了一種機(jī)床自動上下料系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有生產(chǎn)效率高、工藝修改靈活、產(chǎn)品質(zhì)量高等特點(diǎn)。絲桿作為城市軌道交通門開啟、閉合傳動的零件，是城市軌道交通門的核心部件之一，其在生產(chǎn)中需要進(jìn)行多次裝夾操作，由此消耗的人工上下料、調(diào)整和裝夾時(shí)間超過了生產(chǎn)總時(shí)間的1/3[3]。鑒于現(xiàn)在勞動力成本聚增，提高生產(chǎn)效率，設(shè)計(jì)出一種螺桿銑床的絲桿自動上下料裝置尤為重要。

1 設(shè)計(jì)需求分析

1.1 產(chǎn)品技術(shù)要求和參數(shù)

絲桿是軌道車門系統(tǒng)的重要零件之一，其外形是一根長桿，兩端有加工出的旋向相反的螺紋，中間有鎖閉端。絲桿的質(zhì)量將直接影響車門的開閉效率和安全性，其加工工序如表1所示。

表1 絲桿加工工序及設(shè)備

本文設(shè)計(jì)的是工序3至工序6的自動上下料裝置。從表1可知，絲桿的兩端正反向螺紋分別在兩臺數(shù)控螺桿銑床上加工。

1.2 設(shè)計(jì)技術(shù)要求

2 自動上下料裝置設(shè)計(jì)方案

絲桿是一種細(xì)而長，形狀規(guī)則的傳動零件，所以加工時(shí)能夠適應(yīng)自動化設(shè)備。上下料倉應(yīng)有一定的斜度、長度和寬度以便滿足儲存數(shù)量要求。進(jìn)料分料輪在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動下每次僅有一根絲桿進(jìn)入上料區(qū)，通過與帶V型氣動夾爪的升降氣缸和有夾持手的伺服小車之間的有效配合，利用齒輪齒條傳動，將絲桿準(zhǔn)確取出和送入數(shù)控螺桿機(jī)床，從而進(jìn)行正、反牙螺紋加工；下料撥料輪同樣在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動下將絲桿撥入下料倉，再由氣缸推動送料輪，每次僅送出1件，等待機(jī)器人取料送入下道工序，如圖1所示。

1—伺服小車；2—進(jìn)料分料輪；3—上料架；4—絲桿；5—導(dǎo)軌；6—齒條；7—?dú)飧譜型夾爪；8—撥料輪；9—下料架；10—送料輪；11—夾持手；12—滑塊。

3 自動上下料裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 上下料分料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

上下料倉的設(shè)置應(yīng)能夠防止機(jī)床的等待，提高機(jī)床的利用效率，如圖2所示。將料倉設(shè)計(jì)為12°斜角，利用絲桿自身的質(zhì)量，絲桿在重力作用下每次僅有一根絲桿進(jìn)入分料輪中；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動傳動軸，帶動5個(gè)相同的分料輪旋轉(zhuǎn)一定角度，將絲桿送入氣動V型夾爪中；撥料輪的撥爪相對撥輪在一定范圍內(nèi)單向運(yùn)動，由扭簧回復(fù)。加工完畢，氣動V型夾爪上的絲桿同樣由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動傳動軸帶動5個(gè)相同的撥料輪旋轉(zhuǎn)一定角度，將絲桿送入下料倉中；氣缸推動搖擺機(jī)構(gòu)帶動5個(gè)送料輪將絲桿送出，等待機(jī)器人取走,進(jìn)行下一道加工工序。

1—上支架；2—光桿；3—傳動軸1；4—傳動軸2 5—電機(jī)1；6—同步帶；7—帶輪；8—撥料輪；9—同步帶；10—帶輪；11—電機(jī)2；12—?dú)飧祝?3—擺動臂；14—絲桿。15—出料輪；16—傳動軸3；17—下支架。

3.2 轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)計(jì)算分析

在送料輪與夾具之間，送料輪需要保持一定的轉(zhuǎn)速，若轉(zhuǎn)速過快，則工件容易飛出夾具，損壞工件；若轉(zhuǎn)速過慢，則會降低送料效率，因此需要保證工件能夠準(zhǔn)確地掉入V型夾爪中。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，料倉設(shè)計(jì)為12°斜角，分離輪首先旋轉(zhuǎn)一定角度，使工件進(jìn)入分離輪槽中，如圖3所示。

圖3 工件滾入分離輪槽中

工件掉入分離輪槽后，分離輪帶動工件做勻速旋轉(zhuǎn)。直至分離輪上絲桿工件開始落下的瞬間，桿件中心與夾持桿件中心的x方向距離為dx=68.7mm=0.068 7 m，y方向距離為dy=55.7mm=0.055 7 m，如圖4所示。

圖4 開始落下瞬間距離示意圖

在工件落下的過程中，物料分離輪仍以恒定的角速度ω進(jìn)行轉(zhuǎn)動?？紤]到絲桿工件表面已經(jīng)經(jīng)過加工，且為滾動，為簡化計(jì)算，忽略其所受摩擦力。其開始落下時(shí)的受力分析圖如圖5所示。

圖5 工件受力分解圖

其中：F支為分料輪對工件絲桿的支持力；Fz為工件絲桿對分離輪的反作用力；mg為工件絲桿所受重力，其中，每根工件絲桿的質(zhì)量為m=20kg，取g=9.8 m/s2。

θ為分離輪平面與水平面之間的夾角，其為與時(shí)間t和角速度ω相關(guān)的函數(shù)，其關(guān)系為

θ=ωt

(1)

由牛頓第二定律，對工件絲桿x軸與y軸方向的加速度進(jìn)行求解。根據(jù)圖5所示受力分析和牛頓第三定律，可以得到F支=Fz=mgcosθ，由此可以計(jì)算出工件絲桿在x軸、y軸方向所受力的總和Fx總、Fy總。將Fx總、Fy總結(jié)合牛頓第二定律：F=ma，化簡后可得工件絲桿在x軸、y軸方向的加速度ax、ay為：

ax=gsinθcosθ

(2)

ay=g-gcos2θ

(3)

則位移公式為

(4)

其中：v0為運(yùn)動初始速度；t為時(shí)間。在本計(jì)算中，絲桿首先由物料輪從起始位置帶動至物料輪平面與水平面平行，此時(shí)工件具有自帶的初始線速度Vt=ωr，其中r為分料輪旋轉(zhuǎn)中心與絲桿中心的距離，如圖6所示。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，r=0.045 m。

圖6 初始速度分解圖

其初始線速度Vt=0.045ω,對其在x軸、y軸方向上進(jìn)行速度分解，可得x軸和y軸方向初始速度Vtx和Vty。

將Vtx、Vty結(jié)合公式(2)和公式(3)代入公式(4)，與公式(1)可聯(lián)立方程組

(5)

將各數(shù)值代入，求解方程組(5)，可解出θ≈0.507 9 rad≈29°，時(shí)間t=0.172 6 s,由此可得其角速度ω=2.94 rad/s≈168.5°/s。

由計(jì)算結(jié)果可得：當(dāng)分離輪的角速度ω=2.94 rad/s時(shí)，工件剛好可以掉入設(shè)計(jì)的V型夾爪內(nèi)，從而提高了送料效率。

3.3 伺服小車設(shè)計(jì)

伺服小車是自動上下料裝置的核心部件，要求其能準(zhǔn)確進(jìn)行送料(前進(jìn))和取料(后退)。夾持夾爪能自動夾緊、松開和旋轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)如圖7所示。伺服電機(jī)驅(qū)動齒輪齒條實(shí)現(xiàn)小車沿直線導(dǎo)軌，完成送料和取料的運(yùn)動，夾持夾爪由氣缸推動壓臂帶動夾持套管和夾持錐套，實(shí)現(xiàn)夾持套和彈性夾頭自動夾緊和松開；恒轉(zhuǎn)矩電機(jī)驅(qū)動送料主軸和送料芯軸以及夾頭實(shí)現(xiàn)正反旋轉(zhuǎn)；位置傳感器和編碼器的檢測用來控制工件夾緊和定位精度。

1—編碼器；2—罩殼；3—同步帶組件；4—恒轉(zhuǎn)矩電機(jī)；5—箱體；6—?dú)飧祝?—軸承；8—壓臂；9—夾持套管；10—送料主軸；11—鎖緊螺母；12—夾持錐套；13—夾持套；14—夾頭；15—位置傳感器支架；16—位置傳感器；17—彈簧；18—送料芯軸；19—底板；20—軸承蓋；21—伺服電機(jī)；22—滑塊；23—傳動齒輪；24—齒條。

3.4 上下料裝置總體結(jié)構(gòu)

自動上下料裝置總體結(jié)構(gòu)如圖8所示。自動上下料裝置由伺服送料小車、氣動夾緊、升降機(jī)構(gòu)，上下料料倉機(jī)構(gòu)以及機(jī)架4個(gè)基本部分組成。能夠確保小車正確送料、取料，從而加工出合格的理想產(chǎn)品。

1—伺服送料小車；2—?dú)鈩覸型夾緊、升降機(jī)構(gòu)；3—上下料料倉機(jī)構(gòu)；4—機(jī)架。

4 樣機(jī)試制

在螺桿銑床絲桿自動上下料裝置設(shè)計(jì)過程中，已為某企業(yè)試制樣機(jī)一臺，通過調(diào)試現(xiàn)該樣機(jī)已開始穩(wěn)定運(yùn)作。通過觀察自動上下料裝置運(yùn)行情況，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，并達(dá)到預(yù)期使用效果，大幅減少了人力成本，保證了本工序加工精度，提高了效率和質(zhì)量[4-5]。樣機(jī)工作現(xiàn)場如圖9所示。

圖9 樣機(jī)試制

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)螺桿銑床絲桿自動上下料裝置，實(shí)現(xiàn)了絲桿粗精銑正反螺紋的自動上下料，克服了傳統(tǒng)手工上下料缺陷，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。不僅為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，還減少了上下料時(shí)絲桿對工人潛在的人身安全傷害[6]。通過試制，滿足本工序絲桿加工精度要求，且運(yùn)行穩(wěn)定可靠，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果。