引言

數(shù)控加工技術蓬勃發(fā)展,數(shù)控機床柔性逐漸提高,自動化生產漸漸在工廠普及。工件吊裝設備是由機械設備與簡單系統(tǒng)組成的適用于輔助機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備。目前,在數(shù)控加工中心生產一線上,由于缺少科學合理的工件吊裝設備,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,設計一款數(shù)控機床吊裝機構對于提高數(shù)控加工效率具有很重要的意義。

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

本文以數(shù)控機床工件吊裝機構為研究對象,利用UG軟件建立了吊裝機構裝配體模型,并導入ANSYS軟件中進行了靜力學仿真,不僅驗證了吊裝機構的可靠性,同時,為提高工件重復吊裝效率提供了技術借鑒。

1工件吊裝機構的工作原理

數(shù)控機床吊裝機構主要包括車體、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構,起升液壓缸下端在外門架橫梁上,上端與內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。當液壓缸全行程終了時,內門架處于外門架上方極端位置,吊架處于內門架上方極端位置。當泄掉油壓時,工件或吊架等構件靠自身重力下降。吊架內裝有滾珠絲杠螺母副,電機帶動絲杠轉動從而使螺母進行前后移動,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節(jié)。當要向數(shù)控機床內吊裝工件時,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)控機床,按下電機正反轉啟動按鈕,調節(jié)工件將要放到機床工作臺的位置,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,可使用此設備將該工件安裝到數(shù)控機床內部工作平臺上。利用液壓結構,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)控機床工件吊裝機構原理圖

常見的加工中心工作平臺都在1000mm左右,因此選擇數(shù)控機床工件吊裝機構直立高度吊架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)控機床工件吊裝機構車身配重M的計算公式如下:

M×a>m×b

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

2數(shù)控機床吊裝設備的建模

根據(jù)設計原理,利用三維繪圖軟件UG對數(shù)控機床吊裝設備進行三維實體建模。

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

然后根據(jù)設計要求繪制前置吊架結構,這個吊架機構分為豎直立架、水平吊架。吊鉤是在水平吊架上,通過絲杠導軌機構進行移動,如圖3所示。

圖3 數(shù)控機床工件吊裝機構吊架

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,可以通過液壓機構控制不同的傾斜角度,如圖4所示。

3數(shù)控機床工件吊裝機構的有限元分析

本文利用UG三維繪圖軟件對數(shù)控機床吊裝設備完成了建模工作。由于主要外界承重部分是前置吊架機構,因此對數(shù)控機床吊裝設備前置吊架進行有限元分析。首先對該模型機構進行了倒角、去尖角等適當簡化,并將前置吊架機構導入到ANSYS軟件中進行有限元模型的建立,選擇四面體單元對框架進行網格劃分。四面體單元結構如圖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。本文主要進行了ANSYS靜力學分析,得出了該機構前置吊塔的應變云圖和應力云圖,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)點應力等值線圖可知,前置吊架最大應力值amax是178MPa,該應力值小于選用材料鋼的最大屈服應力205MPa。因此,該前置吊架的剛度和強度均能滿足設計要求。

圖6 前置吊塔強度、剛度結果分析

4結語

本文采用有限元仿真模擬的方法,通過對數(shù)控機床工件吊裝機構進行靜力學分析,從而對其進行剛度、強度校核,得出應力、應變云圖,由結果得到:其剛度、強度均有較大裕量。

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