立式加工中心直接换刀送进铰链四杆机构研究

        中小型立式加工中心广泛采用直接换刀装置, 倒如VMC 系列立式加工中心。
        刀库圆盘按换刀程序要求回转选刀, 气缸活塞杆驱动铰链四杆机构(参见图2)使固连在连杆上的刀库圆盘上所选刀位送到主轴箱换刀位置F 处实现换刀。它具有刀库圆盘可正、反向旋转, 快速换刀, 结构简单, 易于调整, 故障率低等优点。本文铰链首先对直接换刀装置送进铰链四杆机构进行结构和运动分析。
        1 直接换刀送进铰链四杆机构分析1. 1 铰链四杆机构尺寸与位置分析由图2 得知, 主动连架杆为AB, 从动连架杆为CD, AD 为机架。且杆长AB = CD = 350mm。按图2所示位置与尺寸, 作出机构简图。可知连杆BC = 247. 492 + 247. 492 =3501003 7U 350mm。由此可见, AB = BC = CD = AD =350mm。该机构是一个四等边平行四边形铰链四杆如图2 所示, 装有缓冲器2 的主动件AB 与连杆BC 上定位调整螺钉3接触时, 正是铰链换刀位置。由图3尺寸可算出NABC = 45b, 即在换刀位置时, 原动件1与连杆2之夹角为45b。退刀终止位置可在图2上作图求之。将机架上定位调整螺钉6的轴线延长, 过A 点作上述螺钉轴线延长线的垂线AN, 即为主动杆在图3中处于铰链退刀终止位置的AB 1。因为缓冲器弹簧中心线与主动件AB 连线垂直, 为了避免空间干涉, 可知NBAB 1 =NCDC1 = 60b。
        1.2 四等边平行四边形铰链四杆机构运动分析由上述, 主动杆是由气缸活塞杆推动, 换刀位置与AB 杆上的铰链缓冲器位置和BC 杆上的定位调整螺钉位置有关。因是等边长平行四边形, 所以中心线AB MCD, 铰链点B 的线速度vB 垂直于中心线AB, 铰链那么垂直于DC 中心线的铰链点C 的线速度vC MvB。因此连杆BC 的瞬时转动中心在无穷远, 或者说连杆BC 作平动移动。所以, 固连在连杆上的换刀点F 速度vF 和连杆质心E 速度vE 也与vB 平行, 且vB = vC = vF = vE。
        设运动时活塞杆与主动连架杆AB 之角为A, 活塞杆轴线与连架杆AB 轴线汇交于K 点, 活塞杆运动速度为v气, 活塞杆与铰链主动连架杆铰结于G 点, 且G 点距主动件中心线距离为h, G 至A 点在AB 连线上的投影距离为LG 。那么, 铰链点B 的速度vB 可由下式计算:铰链点A 到活塞杆中心线之距离H 为H = (LG + h / tanA) sinA= LG sinA+ h co sA ( 1)气缸活塞杆速度为vi = Q /S ( 2)式中, Q 为压缩空气流量, S 为活塞面积。
        换刀点速度为vF = vB =v气H@ 350 =350QS (LG sinA+ h cosA)( 3)铰链由式( 3)可知, 换铰链刀点速度vF 为变量, 它与夹角A和尺寸LG 、h 有关。设计时应尽量使其接近换刀点处时的速度变小, 从而减小换刀时的冲击。当然气体流量Q 越大, 换刀速度vF 愈快, 换刀时间就越短。113 刀库运动所占空间设刀库回转中心为O 点, 它固连在连杆BC 上。令O 点到B 点铰链距离ob, O 点到C 点的距离为oc, 由上述分析得知连杆BC 作平动。此时连杆上每一点的轨迹都是相同的, 即像B 点和C 点一样作圆周运动, 而半径应该也是AB 杆长。求连杆上任意点轨迹可参考四连杆机构图谱和实验法 。
        本文也介绍一种作图法:(1)在图4所示的连杆BC 和B1C1 位置上, 分别作以B 点为圆心、OB 为半径的铰链圆弧, 交以C 为圆心、OC 为半径的圆弧于O, O 即是刀库回转中心的第1点; 同理, 在退刀位置AB 1C1D 可求出退刀极限位置时刀库中心O1 的位置。圆心, 以刀库最大回转半径为半径, 就得到刀库换刀过程中机构所需空间。由此可得铰链机床加工工件运动区域, 以此为据设计机床并为用户使用提供依据。从作图过程很容易建立解析计算方法。以机构A点为xoy 坐标系的原点, 以AD 为水平坐标ox, 过A 点的垂线为纵坐标oy。
        假定任意i位置各铰链的坐标: A点为xA, i= 0, yA, i = 0; D 点为xD, i = AD, yD, i = 0; B 点铰链为xB, i, yB, i; C 点为xC, i, yC, i。刀库中心的坐标xO, i,yO, i, 且有下述关系(xO, i - xB, i )2+ ( yO, i - yB, i )2= ob2( 4)( xO, i - xC, i )2+ (yO, i - yC, i )2= oc2( 5)且( xB, i- xC, i )2 + ( yB, i - yC, i )2 = BC2 = AB2 = AD2 = AC2( 6)( xC, i- xD, i )2 + ( yC, i - yD, i )2 = AC2 = AB2 = AD2 = BC2( 7)假定i从0到n有n 个位置, 主运动杆AB 的B 点坐标为已知, 且x2B, 1~ n + y2B, 1 ~ n = AB。将它代入上4个非线性方程, 利用牛顿拉夫逊法上机解方程组计算出(x 0, y0 ) n 个点之值, 得到刀库回转中心轨迹的圆S。以O 点为圆心, 以刀库最大回转半径为半径作圆得到D刀的圆弧曲线族的包络曲线就是机构运动所占的空间。如果采用计算机绘图, 先绘出四杆机构ABCD 及刀库以中心O 为圆心的刀库铰链最大直径圆D刀, 从换刀位置依次转动AB 杆到退刀极限位置AB1C 1D, D刀圆曲线族所占据空间即是刀库运动的范围。
        2 直接换刀送进铰链四等边四杆机构的换刀平稳性由于没有机械手, 而是整个刀库运动换刀, 故而本机构运动惯量特别大。这就导致刀具数量不能过多(常用16~ 21把)和换刀时间较长的缺点。除了上述式( 3 )分析指出的合理设计选取LG 、h和A角以减小换刀点的换刀速度外, 还可用下述方法减小冲击和提高换刀平稳性。
        (1)采用缓冲气缸。调节节流阀4的开度, 可控制回气量, 从而控制活塞杆驱动主动件终点的铰链速度v气终。并且, 调整图2中活塞杆调节螺母4,可改变活塞杆长度, 可得到刀库与主轴同轴所需的活塞终点的换刀位置。
        (2)在与主轴同轴的铰链换刀位置应是活塞顶到缸盖端面, 机构运动终止的位置。此时, 主动连架杆上的缓冲器应调整至使其中的弹簧不要并紧压实, 否则会影响缓冲效果。
        最后指出, 根据用户需要, 改变主轴箱右边的配置, 将操作站安置在防护罩上, 取消悬臂操纵杆。在立柱右边设计安装零件通用的右刀库, 这样左右两刀库就共有32~ 42把刀供用户使用。