数控换刀机械手轴系弹性弯扭屈曲性能的数值分析

154 机械设计与制造 MachineryDesign&Manufacture 第2期 2011年2月 文章编号：1001—3997(2011)02-0154-03 数控换刀机械手轴系弹性弯扭屈曲性能的数值分析 周正强顾寄南张庆峰孙爱华 (江苏大学制造业信息化研究中心，镇江212013) Numericalanalysisonelasticflexural-torsionalbucklingperformanceofShafting 0fCNCtooIchangermanipulator ZHOUZheng-qiang，GUJi—nan，ZHANGQing-feng，SUNAi-hua (MechanicalInformationEngineeringResearchCenterofJiangsuUniv．，Zhenjiang212013，China) ●^●—^●一^”^"^”^"^●一^l一一b"N"呻也—^^十^鼻+^鼻+^■t^●—^●十．、轧和N．／H、．"啼奉+^^十^知"、．—^^十^t一一、鼻十-瘟斤^童，"、I卅舢N—^．／H、参和～¨～—^"^童4咆-"、．—巾l小^ 【摘要】数控机械手广泛的应用于工业领域中，随着工业生产线自动化要求的不断提高，对机械手 的需求也越来越广泛。所涉及机械手是一种用于数控机床上的换刀机械手，通过自动换刀，实现自动化加 工。利用有限元分析对机械手的中臂轴和刀库的中轴的弹性弯扭屈曲性能进行了研究，同时考察主要影 响因子，以便后期通过适当调整，最大限度的减少轴系破坏，从而提高轴系寿命和机械手的性能。 关键词：换刀机械手；有限元；弯扭屈曲；轴系 【Abstract】TheCNCmanipulatorhasbeenwidelyusedinindustry，05theautomaticrequirementofin— dustrialproductionlineisimprovingcontinuous机thedemandofmanipulatorismoreandmorecomprehen— sive．刀诌manipulatormentionedinthisarticleisusedinCNCmachinefortoolchanger,whichcanachieve Automatieprocessingbytoolchanger．Thisarticlestudieselasticflexural-torsionalbucklingpe咖m硼那eof ShaftingbyFiniteElementAnalysisandstudiesmainfactors．Onthebasisofit，wecat2reducethesh够dam— ageasmuchaspossibletoincreasetheshafting’Slifeandimprovethepe咖rmanceofmanipulator． Keywords：Toolchangermanipulator；Finiteelement；Flexural-torsionalbuckling；Shafting 中图分类号：THl6。TU318文献标识码：A 1引言 随着科学技术的日益发展，数控机床的运用越来越广泛。尽 管普通机床还大量存在，但是工业生产自动化的趋势是必然的。 在实际生产中，某些零件加工尺寸较大，工序比较集中，在加工过 程中需要频繁更换刀具，这种自动换刀装置成本很高，普通中小 型企业是很难承受的。目前，很多中小型企业没有使用加工中心， 基本采用人工换刀。研究对象是一种主要用于中小型企业数控机 床的自动换刀机械手，它能频繁换刀，且成本较低。 如图1所示，为数控机床换刀机械手总装示意图，这种数控 机床换刀机械手的下支座安装在刀库和数控机床刀架之间，同时 使用机械手步进电机和涡轮蜗杆减速器带动上支架上的中臂来 实现机械手竖直平面内的旋转；中臂上装有中臂气缸，带动前臂 滑道沿中臂方向伸缩来实现装卸刀动作；前臂滑道上装有前臂气 缸，带动前臂滑块沿前臂方向伸缩，配合前臂滑块上的手爪夹持 气缸来实现抓刀动作；刀库通过刀库步进电机和涡轮蜗杆减速器 来实现转动。如图2所示，为刀库总装示意图。 图l数控机床换刀机械手总装图 1．下支座2．1-．支座3．中臂轴4．前臂滑道5．中臂气缸6．酶臂滑块 7．前臂气缸8．手爪支架9．夹持气缸l0．手爪关节一11．手爪关节二 12．联轴器l3．涡轮蜗杆减速器l4．机械手步进电机 ★来稿ILl期：2010-04--22★基金项目：镇江市工业科技支撑项日(SGY20090016) 统为核心的旋转式自动续料机械手设备进行生产，极大的提高了 生产率，现在每天的产量相当于六名技术工人一天的工作量，同 时该冲压生产过程的续料过程是通过机械手自动完成的，使整个 生产过程的安全性大大提高了，极大的减少了工伤事故的发生。 但同时也存在一些问题，如机械手对于工件的抓取有一定的失误 率，『fii且该设备的制造精度要求较高。 参考文献 1罗云华，张海欧，千桂兰．多工位自动化冲压牛产的设计[J]．机械工人 热加工，2002(1) 2南雷英，戚春晓，孙友松．冲压生产自动送料技术的现状与发展概况[J]． 锻压装备与制造技术，006(2) 3周焱森，邓菊发，李红．机器人在冲压生产线中的应用[J]．模具制造， 2004(7) 4邱继红，刘凯．冲压自动生产线上下料机器人示教编程 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 [J]．基础自动 化，2000(5) 5高福源．自动冲压中的送料装置[J]．微机电，1991(3) 6Joo，B．Y．Developmentofmicropunchingsystem．CIRPAnnals—Manufadufing Technology。2001 万方数据 第2期 周正强等：数控换刀机械手轴系弹性弯扭屈曲性能的数值分析／‘ 155 、 在机械手实际试运行期间，发现有如下兀．个值得注意的地方： (I)在步进电机瞬时启动时，机械手发生较明显振动，影响抓 刀精度；(2)在抓刀及装刀过程中，机械手需快速转向时，机械手会 有明显扭振现象；(3)在机械手经过竖直平面移向刀架时，由于自身 重力及蜗轮蜗杆减速器累计误差的存在，机械手会有短暂失控状 态，出现“冲击”现象；(4)由于刀盘自重及4把重为8kg的刀具作 用，当刀盘旋转过快又猛然停顿时，也会出现明显的扭振现象。 图2刀厍总装图 15．刀套16．刀盘17舳端固定件18．中轴19．减速器E盖 20．减速器支座21．蜗轮22．蜗杆 以上几个不良因素，对机械手的中臂轴和刀库的中轴有很 大的影响，因此对其有较高的抗弯扭的要求；研究的目的是分析 在工作过程中轴的弹性弯扭屈曲性能，考察主要影响因子，得出 分析结果，然后通过一定调节来提高轴系寿命，以便后期实际生 产的机械手具有更好的性能。 2机械手及刀库扭转轴弯扭屈曲方程 机械手和刀库的轴系类型不同，机械手属于非圆截面轴的 扭转，而刀库属于阶梯圆周的扭转；根据文献flI，刀库中轴可建立 其发生弯扭变形时的平衡方程： 巩(以强分，以2M)+Pu---O 啦(u"+2kv'-k2u)+Pu---O 巩∥’+(戌一Cl,)妒’+％2．|}=o 式中：尸—轴心压力；旷—轴向线位移；砂—初始扭转角；‘=(‘鸭)／ A+e2；E／、EL、E1—相应轴向抗弯刚度。 并由此得出弯曲主轴方向的弯曲屈曲位移相互耦合，弯曲 屈曲位移与扭转屈曲位移不耦合，所以借鉴文献ItI的做法，把刀库 中轴初始扭转轴压杆弹性弯扭屈曲问题简化成独立的初始扭转 轴压杆弹性弯曲屈曲问题和弹性扭转屈曲问题；同时还能得出： 刀库中轴的弯扭承载力取决于截面的扭转刚度和翘曲刚度。对于 机械手的多类型截面问题，通过有限元实验对比的方式转化成单 一截面问题来考虑。 对于稳定时轴中力和力矩的计算则参考ADAMS／Solver中 的计算方法闭： C C E ￡ I ￡ K110 0 0如0 0 0墨3 0 0 0 0 0 K53 0 K620 式中：￡以和只—x、l，Z轴方向的拉压力；t、t和t—x、Y,Z轴方 向的转矩；菇√和，呵、yZ轴方向fJ标记点之间的相对移动 位移分量值；眠6和r靖、y、z轴方向，，‘，标记点之间的相对转 动位移分量值；K和C分别为刚度系数和阻尼系数；V和n广_ 相又寸习|多动速度和相对转动速度；}_韦帝己点之间的距离。 因需要确定K，K的计算如下：磊‰=(“e)EI／[L(1+e)】 Pr=12E／。A，，／(cAf) 可知，刚度系数与材料的弹性模量E、轴截面的面积A、变形 长度L有关系。中臂与中轴的参数，如 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1所示。 表1中臂与中轴的参数 根据参数之间的关系，町以看出。定位时间决定了轴角加速 度和轴最大转速，同时，因为负载转矩是已确定的，所以定位时间 和加减速时间比将成为轴工作状态影响的决定因素。此外，步进 电机瞬时启动带来的冲击是对轴影响最大的一个因素。下一步， 将分析瞬时启动和转速变化时对轴系的影响。 3基于ABAQUS的有限元计算 3．1屈曲后位移曲线分析结果 对于刀库中轴和机械手中臂轴，假定不考虑振动，根据实际 状况加载，得出如图3所示的总体位移变形；可以看出由于刀库 中轴的对称性和约束载荷的对称性，导致位移和扭矩成线性，如 图4所示；然而在扭矩为200375Nm时最大位移为1．01mm，而在 扭矩为202800Nm时最大位移则为1．03ram，产生了突变；如果考 虑振动，发现在扭矩从200375Nm变为202800Nm时振型变化最 为明显。结合机械手本身不难看出，在工作过程中，步进电机输出 扭矩的不均匀性以及机械手在转向过程中产生对轴系的不均匀 激励是两个不可忽略的因素，会影响机械手的扭转振动。 图3总体位移变形 以以以以竹以翰岛％厶靠如矗白铱“&％函妇如乳幽以白彩彩办岛彩翰匆岛彩＆如n‰九％n‰n‰_c‰n‰ 础y：口o。 o k o o o k o o k o＆o o o o k o o 万方数据 156 机械设计与制造 No．2 Feb．2011 图4位移与扭矩关系 3_2屈曲承载力的有限元分析结果 刀库轴在正常转动过程中，瞬间扁动对其影响不大，且轴本 身是对称的，所以在未考虑弯矩的影响时，得出Von—Mises应力 分布如图5所示，其最大的应力出现在减速器端；当考虑弯矩的 影响后，得出Von—Mises应力分布如图6所示，最大应力出现在 刀盘端，且最大应力增大了接近一倍。可见，当出现弯扭屈曲现象 时，比单独承受弯矩或扭矩的影响都要来的大。 图8Von-Mises应力图 5结论 利用ABAQUS软件分析换刀机械手的中臂轴和刀库的中轴 弹性弯扭屈曲性能，根据分析结果得知，在以后换刀机械手实际生 产过程中，应尽量的调整步进电机的输出扭矩使其比较均匀，并尽 叮能的减少机械-=Wff向带来的影响；同时，应提高部分零件的强度 来应付瞬时启动时所带来的较大应力；另外，应寻找最优转速，变化， 以使转速变化对轴系影响较小，同时不影响加工效率。 参考文献 1机械 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师手册．机械工程师手册(第二版)编辑委员会编．北京：机械工 业出版社。2000(5) 2郑建荣．ADAMS虚拟样机技术入门与提高[M]一C京：机械工业出版社， 20D5 3石办平，周玉蓉．ABAQUS有限元分析实例详解[MJjB京：机械工业出版 社．2006 图6Von-Mise。麻力图 4庄茁等ABAQus非线性有限元分析与实例[M]JE京：科学出版社，2005 4数值结果分析 5戮篙要翟等转轴脯弹性弯扭屈曲性能研剐门』程力 4．1瞬时启动对轴系的影响 6杜兆刚，张艳春，田明泉．某发电机前联轴器与轴连接结构应力的有限元 如图7所示得出，瞬时启动时，极限应力相对于稳定运转时 5-)-析[JJ．汽轮机技术，2009，51(3)：171—174 大大增加，对比图6，轴系所受极限应力(438．807MPa)比稳定运7庀茁，张帆·岑松等．ABAQus非线性有限元分析与实例[M]．JE京：科学 转时大了接近一倍(271．265MPa)；同时，如图8所示，瞬时启动8兰竺震：：：，Abh。。i。R．s汕ili。，。fp。1wi。tedI枷。in。m。。b。ingB 时，轴系所受应力主要集中在电机侧轴端位置。在中臂轴气缸和 [J]．AppliedMechanicsandTe。hni二Ph。ysics,2002，43(2)：328．335 。 导轨安装支架位置也有较大应力。 9周佧．双轴对称楔形工字钢梁的弹性弯扭屈曲[D]．浙江：浙江大学出版 4．2转速变化对轴系的影响 社，2007(5) 转速变化对轴系的影响同样不能忽略，在转速增大或减小 10T．T．C．TsangandD．W．ClarkBGenerali28。PredicnVeControlwithInput 的过程中(包括转速发生方向改警的型瑚嚣譬速变坐太快，嚣淼嚣富蒯讥一咖商‰叼删蛳1i叫油“明， 对轴系的冲击是比较大的；反之，如果转速的变化太慢，对轴系的 11J．九矗ss．1e，盖Ko。。。。taki。。。d工盹Gos。。。。StabkG。。。。li：。dPredi。tive 影响小会太大，但是加工效率将大大降低，所以，寻找一个最佳平 ControlinthePr。。。。ceofConstraint。andBound。dDi。t。rban。es[c]． 衡点，来最小化两者之间的矛盾，是以后进一步研究必须考虑的。ProeeedingsoftheEuropeControlConference．Rome。1995：3241-3246 万方数据 数控换刀机械手轴系弹性弯扭屈曲性能的数值分析 作者： 周正强， 顾寄南， 张庆峰， 孙爱华， ZHOU Zheng-qiang， GU Ji-nan， ZHANG Qing- feng， SUN Ai-hua 作者单位： 江苏大学,制造业信息化研究中心,镇江,212013 刊名： 机械设计与制造 英文刊名： MACHINERY DESIGN & MANUFACTURE 年，卷(期)： 2011(2) 参考文献(11条) 1.J.A.Rossiter;B.Kouvantakis;J.R.Gossnec Stable Generalized Predictive Control in the Presence of Constraints and Bounded Disturbances 1995 2.T.T.C.Tsang;D.W.Clarke Generalized Predictive Control with Input Constraints 1988(6) 3.周佳 双轴对称楔形工字钢梁的弹性弯扭屈曲 2007(5) 4.Shadnam M R;Abbasnia R Stability of pretwisted beams in cross bracings 2002(02) 5.庄茁;张帆;岑松 ABAQUS非线性有限元分析与实例 2005 6.杜兆刚;张艳春;田明泉 某发电机前联轴器与轴连接结构应力的有限元分析[期刊论文]-汽轮机技术 2009(03) 7.陈昌宏;单建;黄莺 初始扭转轴压杆弹性弯扭屈曲性能研究[期刊论文]-工程力学 2009(06) 8.庄茁 ABAQUS非线性有限元分析与实例 2005 9.石亦平 周玉蓉 ABAQUS有限元分析实例详解 2006 10.郑建荣 ADAMS 虚拟样机技术入门与提高 2005 11.机械工程师手册(第二版)编辑委员会 机械工程师手册 2000 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jxsjyzz201102062.aspx