摘 要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，客戶的需求也在日益多樣化，人們對(duì)制造企業(yè)的生產(chǎn)模式提出了更高的要求，臥式加工中心的機(jī)械手是在自動(dòng)換刀裝置中的關(guān)鍵工具，將刀庫(kù)中的刀具送到主軸上，然后將主軸上已經(jīng)用過(guò)的刀具返回到刀庫(kù)，加工中心的自動(dòng)換刀裝置，主要是由機(jī)械手、刀庫(kù)組成的，將工作刀具與刀庫(kù)中的刀具進(jìn)行交換，而對(duì)于機(jī)械手來(lái)說(shuō)，應(yīng)該具備穩(wěn)定性、換刀時(shí)間短以及定位準(zhǔn)確的特點(diǎn)。本文就對(duì)臥式加工中心自動(dòng)換到機(jī)械手設(shè)計(jì)進(jìn)行具體的分析。

關(guān)鍵詞：臥式加工；機(jī)械手設(shè)計(jì)；自動(dòng)換刀；分析研究

1 引言

21世紀(jì)是經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的時(shí)代，我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域都取得了很大的進(jìn)步，制造業(yè)也是如此。加工中心自動(dòng)換刀裝置應(yīng)該具有一定的可靠性，這也是體現(xiàn)系統(tǒng)是否先進(jìn)的重要標(biāo)志，隨著我國(guó)制造業(yè)的快速發(fā)展，精密的制造裝備也朝著高速度、高效率的方向發(fā)展，在確保設(shè)備擁有良好性能的同時(shí)，也應(yīng)該提高其準(zhǔn)確性，在換刀的時(shí)候由于執(zhí)行的速度比較快，因此在定位的時(shí)候應(yīng)該足夠準(zhǔn)確，特別是在加工時(shí)要頻繁的換刀具，因此系統(tǒng)的穩(wěn)定性就成了加工中心最需要注意的問(wèn)題，通過(guò)分析換刀裝置的性能能夠找出薄弱的部分，本文就對(duì)臥式加工中心自動(dòng)換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行研究。

2 臥式加工中心自動(dòng)換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械手機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型

要想建立機(jī)械手機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，就要首先建立起三維實(shí)體模型，通過(guò)對(duì)換刀機(jī)械手的各部分零件進(jìn)行建立模型，然后對(duì)各零件實(shí)現(xiàn)裝配，考慮到換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及各部分的聯(lián)系，來(lái)建立起有限元的模型。主要的裝配模型包括以下技術(shù)：先要?jiǎng)?chuàng)建零件三維實(shí)體模型，對(duì)裝配的路徑以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的劃分，然后根據(jù)位置關(guān)系進(jìn)行一定條件的約束，可以利用劃分網(wǎng)格的形式對(duì)實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這是比較重要的環(huán)節(jié)，因此實(shí)際操作的時(shí)候工作量也會(huì)比較大，而具體的形式對(duì)計(jì)算精度以及規(guī)模來(lái)說(shuō)都會(huì)產(chǎn)生一定的影響。其次是進(jìn)行約束處理，這也被稱為邊界條件，如果位移沒(méi)有被確定的情況下，即使在平衡狀態(tài)中位移也有可能會(huì)發(fā)生，因此在進(jìn)行邊界條件處理的時(shí)候應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的工程結(jié)構(gòu)來(lái)確定相應(yīng)的內(nèi)容，從而消除剛度陣的奇異性。通過(guò)對(duì)有限元進(jìn)行劃分可以發(fā)現(xiàn)，使用等參元進(jìn)行劃分的時(shí)候要在一定精度的條件下，從而得到更好的結(jié)果與更高的效率，可以對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的動(dòng)態(tài)分析，如圖1所示，為機(jī)械手手爪機(jī)構(gòu)的自鎖原理圖。

2.2 機(jī)械手機(jī)構(gòu)的動(dòng)力分析

對(duì)機(jī)械手機(jī)構(gòu)的動(dòng)力進(jìn)行分析的時(shí)候，首先要對(duì)材料的屬性進(jìn)行分析，機(jī)械手選擇的材料一般為常用的鋼種，經(jīng)過(guò)一定的調(diào)節(jié)之后其綜合性能還能保持良好，并具有一定的切削加工性能，經(jīng)過(guò)碳氮的相互滲透并淬火之后，就會(huì)承受很大的載荷，在保證沖擊不大以及耐磨的情況下達(dá)到零件的具體要求，通過(guò)ANSYS的模態(tài)分析方法來(lái)進(jìn)行分析，這也是判斷機(jī)械零件結(jié)構(gòu)的主要方式，在ANSYS中能夠選擇的模態(tài)方式有很多種，可以選擇其中的任何一種來(lái)進(jìn)行求解，然后根據(jù)前六階的模態(tài)來(lái)對(duì)不同模態(tài)下的機(jī)械手振動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行分析，這樣可以準(zhǔn)確的計(jì)算出影響機(jī)械手的最大固有頻率值是多少。在機(jī)械手換刀的時(shí)候會(huì)存在很多固有的頻率，這不是所有振型都會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題，這種不穩(wěn)定的現(xiàn)象是在比較薄弱的模態(tài)中才會(huì)出現(xiàn)，這些模態(tài)一般都是低階的模態(tài)，因此要想獲得機(jī)械手的固定頻率就要對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，然后得到有限元的網(wǎng)格模型。如表1所示，我們可以看到固有頻率的值是最低的，而模態(tài)的剛度比較好的時(shí)候，一階固有頻率所代表的結(jié)構(gòu)剛度也就越好，因此機(jī)械的工作效率應(yīng)該保證在低于一階的情況下，同時(shí)活動(dòng)的手指與其他固定的部分要緊密的結(jié)合，通過(guò)相關(guān)的數(shù)據(jù)就能夠分析出機(jī)械手發(fā)生變形的情況較大，固定手指的剛度很大與其他手指相比較，活動(dòng)手指剛度較小一些，將兩者充分的結(jié)合起來(lái)就會(huì)造成機(jī)械手機(jī)構(gòu)在動(dòng)態(tài)上的薄弱環(huán)節(jié)，這也是本文中主要分析的機(jī)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，主要對(duì)臥式加工中心自動(dòng)換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，利用Pro/E軟件建立了機(jī)械手機(jī)構(gòu)的模型，同時(shí)利用ANSYS軟件中的具體單元來(lái)對(duì)機(jī)械手機(jī)構(gòu)進(jìn)行一定的動(dòng)力分析，所得出的結(jié)果能夠?qū)σ院笤摲矫娴陌l(fā)展提供幫助，然后對(duì)加工中心自動(dòng)換刀機(jī)械手的機(jī)構(gòu)進(jìn)行一定的優(yōu)化與改進(jìn)，針對(duì)這些出現(xiàn)的問(wèn)題提出相應(yīng)的解決方案，從而改善機(jī)械手機(jī)構(gòu)中比較薄弱的環(huán)節(jié)，例如可以通過(guò)選擇機(jī)械手頂銷與螺母間的彈簧剛度與彈力，還可以尋找最好的平衡點(diǎn)來(lái)改變比較薄弱的環(huán)節(jié)，還可以通過(guò)改變換刀系統(tǒng)的方式，來(lái)采用液壓的形式進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)，對(duì)雙臂的機(jī)械手結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定改進(jìn)設(shè)計(jì)，讓手指部分不再有活動(dòng)手指與固定手指，讓其成為一個(gè)部件的形式，相信以后該方面會(huì)取得更大的進(jìn)步。

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作者簡(jiǎn)介

張紅梅（1976-），女，漢族，吉林省吉林市人，大學(xué)本科，工程碩士學(xué)位，副教授，研究方向：機(jī)械。