□ 羅生梅 □ 牛朝陽

1.蘭州理工大學 數(shù)字制造技術與應用省部共建教育部重點實驗室 蘭州 730050

2.蘭州理工大學 機電工程學院 蘭州 730050

加工中心自動換刀裝置 （Automatic Tool Changer,ATC）主要由機械手、刀庫等組成，其作用是將主軸上的工作刀具與刀庫中的待用刀具進行交換。對于加工中心的機械手而言，應具有換刀時間短、工作平穩(wěn)、定位準確的特點。

加工中心自動換刀裝置換刀的可靠性，也是ATC系統(tǒng)先進與否的一個重要標志，隨著我國制造業(yè)的飛速發(fā)展，與之息息相關的精密制造裝備也向著高速度、高精度、高效能、高柔性、自動化的方向發(fā)展，在保證使其具有良好性能的同時，還要有很高的可靠性。換刀時,執(zhí)行的動作多、速度快、對定位準確性要求高，尤其在復雜零件加工過程中，需要頻繁交換刀具，這就使換刀系統(tǒng)的穩(wěn)定性成為加工中心可靠性的薄弱環(huán)節(jié)［1］。本文以QYJ-21型加工中心自動換刀機械手為研究對象，建立換刀機械手組合體的動力學模型，分析換刀裝置的動態(tài)性能，找出其薄弱環(huán)節(jié)。自動換刀裝置中機械手部分簡圖如圖1所示。

▲圖1 自動換刀裝置中機械手簡圖

1 機械手機構的動力學模型

1.1 三維實體模型建立

本文研究的加工中心換刀機械手三維模型是利用Pro/E對換刀機械手各零部件進行建模，在Pro/E中對各零部件進行裝配，并考慮換刀機械手的結構特點及各部件之間關系，建立優(yōu)化的有限元分析模型?；?D特征的裝配模型主要有以下技術：創(chuàng)建零部件三維實體模型；裝配路徑規(guī)劃及零部件樹狀結構劃分；位置尺寸的約束條件施加；裝配仿真以及干涉分析。

本文選用ANSYS提供的Workbench單元對實體進行網(wǎng)格劃分。劃分網(wǎng)格是建立有限元模型的一個重要環(huán)節(jié)，它要求考慮的問題較多，所需的工作量大，劃分的網(wǎng)格形式對計算精度和計算規(guī)模將產(chǎn)生直接影響［2］。

1.2 約束處理

約束條件也稱為邊界條件，只根據(jù)力的邊界條件，且線性方程是由力的平衡方程建立的，即便在連續(xù)體上的外力處于平衡狀態(tài)時剛體位移仍可能產(chǎn)生，所以位移沒有確定，即剛度陣為奇異陣。為此，在進行邊界條件處理時，即在求解之前，邊界約束形式是按照實際工程結構的幾何邊界條件來確定的，以消除整體剛度陣的奇異性。

1.3 有限元劃分結果比較

本文對QYJ-21加工中心機械手機構進行動態(tài)分析時，使用等參元進行劃分，在保證一定精度的條件下，盡可能減少節(jié)點數(shù)和單元數(shù)，以獲得較好的結果和分析效率［3］。對機械手結構進行動態(tài)分析，圖2為機械手手爪機構的自鎖原理圖，圖3為機械手機構三維模型。

2 機械手機構的動力分析

2.1 材料屬性

機械手選用材料為機械制造行業(yè)常用鋼種40Cr。40Cr經(jīng)調(diào)質后力學的綜合性能良好且具有較好的切削加工性能及淬透性，經(jīng)過碳氮共滲和高頻淬火后，滿足承受較大載荷、耐磨、沖擊不大的工況下的零件要求。彈性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.27，密度ρ=7 850 kg/m3。對圖3進行動態(tài)分析，得出前六階的固有頻率和模態(tài)振型。

▲圖2 手爪自鎖原理圖

2.2 計算結果及分析

ANSYS的模態(tài)分析是線性分析,也是判定機械零部件結構薄弱環(huán)節(jié)的方法。ANSYS中可供選擇的模態(tài)提取方法有7種，本文采用Block Lanczos法求解,提取了前六階模態(tài)來研究各階模態(tài)下機械手的振動特性,這樣就能得到對機械手影響最大的固有頻率值［4］。

在機械手換刀過程中存在著許多個固有頻率及其相應的振型，這并不代表所有的振型都會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，但是薄弱模態(tài)會出現(xiàn)在不穩(wěn)定現(xiàn)象的模態(tài)中，一般低階模態(tài)是薄弱模態(tài)［5］。所以提取機械手機構的前六階模態(tài)如圖4～9所示，獲得機械手的固有頻率（如表1所示）和振型。在對模型進行網(wǎng)格劃分時，得到的有限元網(wǎng)格模型共41 531個單元、83 960個節(jié)點。

由此可以看出一階為低階模態(tài)，固有頻率最低；同時固有頻率越高，模態(tài)剛度 （如表2所示）越好，因而一階固有頻率決定結構的剛度。所以機械的工作頻率要保證低于一階固有頻率。從振型圖中可以看到，活動手指和固定手指結合部位變形較大，且從振型圖和振型數(shù)據(jù)可以分析出，固定手指的剛度較大，活動手指的剛度與固定手指比，活動手指剛度小。則兩者結合部位就會成為機械手機構在動態(tài)上的薄弱環(huán)節(jié)，因此可得出剛度弱的活動手指為本文所研究機構的薄弱環(huán)節(jié)。

表1 機械手換刀機構前六階的固有頻率

▲圖3 機械手機構三維模型

▲圖4 機械手的一階振型圖

▲圖5 機械手的二階振型圖

▲圖6 機械手的三階振型圖

▲圖7 機械手的四階振型圖

▲圖8 機械手的五階振型圖

▲圖9 機械手的六階振型圖

表2 各零部件結合部的連接剛度值

3 結束語

本文運用Pro/E軟件建立機械手機構的三維模型，運用ANSYS軟件中的Workbench單元對機械手機構進行動力分析，所得分析結果為QYJ-21加工中心自動換刀機械手的結構優(yōu)化設計和改進奠定基礎；針對分析結果，擬采用以下兩種方案來改善機械手機構的薄弱環(huán)節(jié)。

1）通過選擇機械手機構中頂銷和螺母之間的彈簧剛度和彈力，改變活動手指的夾緊力，同時對該部分進行分析計算，尋找最佳平衡點來改變薄弱環(huán)節(jié)。

2）通過改變換刀系統(tǒng)的驅動形式，采用液壓和伺服電機驅動；同時對雙臂往復交叉機械手的結構進行改進設計，手指部分不再分活動手指和下固定手指，使其成為一個部件。

［1］ 蘭建設,劉志剛.數(shù)控機床自動換刀裝置的故障分析與排除［J］.裝備制造技術，2008（8）：134.

［2］ 吳巍，牛軍燕，沈春燕.基于ANSYS的自動換刀機械手的有限元分析［C］.全國先進制造技術高層論壇暨第九屆制造業(yè)自動化與信息化技術研討會,武夷山，2010.

［3］ 楊燦宇，周新民，楊理誠，等.TH6350臥式加工中心主軸箱系統(tǒng)有限元建模及動態(tài)特性分析 ［J］.西南林學院學報,2004，24（2）：54-55

［4］ 董旭，高鐵紅，靳迎波，等.基于有限元方法的并聯(lián)機床模態(tài)分析［J］.北華航天工業(yè)學院學報，2008（10）.

［5］ 羅冠煒，陳宏規(guī)，何忠韜，模態(tài)分析在確定重載零部件的動態(tài)薄弱環(huán)節(jié)中的應用［J］.機械研究與應用，1995（4）：9-10.