摆动油缸驱动式托盘交换机构设计_王雪.pdf

年 月第 卷 第 期机床与液压 .：.本文引用格式：王雪摆动油缸驱动式托盘交换机构设计机床与液压，（）：，（）：收稿日期：作者简介：王雪（），女，工程硕士，工程师，主要研究方向为机床功能部件设计。：.。摆动油缸驱动式托盘交换机构设计王雪（沈阳机床股份有限公司，辽宁沈阳）摘要：以卧式加工中心为母机，设计 托盘交换机构。详细阐述了托盘交换机构的结构，包括安装底座、支撑腔体、上底座、齿轮中心轴、交换臂、液压缸体、液压活塞、花键轴等。摆动油缸驱动式托盘交换机构以液压为驱动力，实现交换机构升降旋转。采用活塞结构与轴承、摆动油缸相结合的结构方式，完成升降与旋转，升降过程由活塞结构完成，旋转过程由摆动油缸完成，具有安装简单、高稳定性、高效率等优点。关键词：摆动油缸；托盘交换机构；液压驱动中图分类号：（），）：，：；前言随着现代工业技术的快速发展，高档数控机床成为制造业的基础，是现代工业制造和创新开发的重要途径与手段，不断地向高精、复合、高效的方向发展。军工、航天、汽车等核心行业对卧式加工中心的性能需求越来越高，使得精密卧式加工中心不断自我提高才能跟上发展的脚步。托盘交换机构作为精密卧式加工中心重要的功能部件之一，承担着携带工件进行不同工序加工的作用，从而实现批次零件多工序定位基准一致，减少大量装夹时间，达到提高加工精度及生产效率的目的，并为数控机床提供回转坐标，提升了机床的复合加工能力，扩大了机床的使用范围。摆动油缸驱动式托盘交换机构作为一项综合性的技术产品，具有效率高、稳定性好、维护维修简便的优点。该产品可应用到卧式加工中心等机床，在加工零件的同时进行下一零件的准备工作，大大提高了加工效率，同时还可配备自动化上下料装置，实现高效自动化。本文作者依托 型卧式加工中心设计的摆动油缸驱动式托盘交换机构，主要由底座、摆动油缸、旋转交换部件、预备站、升降行程开关等部件组成，具有交换速度快、旋转平稳可靠、安装简单等优点。本文作者主要讲述其中旋转交换的核心部件的设计及校核计算。结构设计摆动油缸驱动式托盘交换机构主要部件见图，主要技术参数见表。图 摆动油缸驱动式托盘交换机构主要部件.表 摆动油缸驱动式托盘交换机构主要技术参数.项目内容工作台尺寸 旋转传动方式摆动油缸（齿轮齿条）交换方式往返交换时间（）升降行程 容许载质量 回转直径 盘面中心距 交换机构外形尺寸 摆动油缸输出扭矩 摆 摆动油缸驱动式托盘交换机构的核心部件主要由安装底座、支撑腔体、上底座、齿轮中心轴、交换臂、液压缸体、液压活塞、端盖内花键、固定柱、圆柱销、限位块、限位撞块、导轨软带、升降行程开关单元等零件组成，见图。采用活塞结构与轴承、摆动油缸相结合的结构方式，完成升降与旋转。摆动油缸孔输出驱动旋转，运用花键轴进行旋转动力传递，采用自润滑轴承承受偏载。运用圆柱销助力活塞下降，运用定位柱防止活塞转动，运用碟形弹簧调整单列圆锥滚子轴承安装缝隙，运用导轨软带在 限位装置中起到缓冲与滑动的作用，详见图。安装底座、支撑腔体与上底座形成框架结构，摆动油缸固定在安装底座和上底座之间。齿轮中心轴下方通过导向平键与摆动油缸连接，上方通过端盖内花键与交换臂连接，液压缸体固定在上底座上方。在支撑腔体的两侧分别加工竖直油路，上底座的两侧分别加工横向油路，液压缸体的底部和侧面分别加工油路。支撑腔体一侧的竖直油路和上底座的横向油路密封连通，再密封连接液压缸体底部油路，作为上升油路；支撑腔体另一侧的竖直油路和上底座的另一横向油路密封连通后，再与液压缸体上侧面的竖直油路密封连通，作为下降油路，如图 所示。液压活塞的底面设有凹槽，凹槽与液压缸体内腔底面形成储油腔，储油腔与上升油路相通，成为上升油腔；在液压活塞的上端外圆周设有凹槽，凹槽与液压缸体内表面、活塞盖形成另一个储油腔，储油腔与下降油路相通，成为下降油腔。油路设置在架体内，节省了使用空间。图 摆动油缸驱动式托盘交换机构的主视剖视图.图 摆动油缸驱动式托盘交换机构的俯视图.当托盘和工件需要交换时，首先液压活塞下方的上升油腔开始注入液压油，克服重力，迫使液压活塞、端盖内花键、交换臂等浮起，带动两边托盘和需要交换的工件一起浮起，完成抬起动作。接着，液压油从一侧顺时针进油口注入摆动油缸，通过齿轮齿条的啮合驱动摆动油缸中心孔旋转将旋转动力输出，通过齿轮中心轴传递给交换臂，使托盘以及工件旋转第 期王雪：摆动油缸驱动式托盘交换机构设计 ，完成一次旋转交换动作。最后，液压活塞上方的下降油腔开始注入液压油，上升油腔开始卸油，在油压和重力的双重作用下，液压活塞、端盖内花键、交换臂等部件一起落下，完成下降动作，从而完成一次机床内外已加工件和未加工件的交换。当机构需要再次交换时，上升下降注油方式相同，旋转动作时液压油从另一侧逆时针进油口注入摆动油缸，驱动摆动油缸中心孔反向旋转，再次将旋转动力输出，使托盘和交换臂旋转。在升降旋转的过程中，固定柱一直包含在液压活塞内，使液压活塞不跟随齿轮中心轴旋转，减少密封圈的磨损。圆柱销在交换臂等部件下降时作用于端盖内花键，助力交换机构下降，避免卡顿。支撑腔体、上底座与液压缸体油路交接处均设有橡胶密封圈，齿轮中心轴与液压缸体、上底座交接处等旋转、往复运动处均设有密封斯特封。碟形弹簧在单列圆锥滚子轴承下方、齿轮中心轴安装面上方，调整单列圆锥滚子轴承的安装缝隙。限位块安装在上底座侧面，限位撞块安装在交换臂内环，导轨软带粘贴在限位撞块侧面，详见图。导轨软带可以通过刮研调节精度，并且既能够兼顾缓冲，使旋转运动快速平稳、冲击小，又能够在下降时减少限位块与限位撞块之间的摩擦力。在摆动油缸驱动式托盘交换机构中，安装了自润滑轴承与推力圆柱滚子轴承，用于克服单托盘载重时的倾覆力矩。在液压活塞上升和下降行程到位后，通过两个无触点开关反馈信号，保证上升、下降行程可靠，详见图。升降行程开关主要利用压缩弹簧的弹力带动弹簧柱上下移动，触发无触点开关，来完成信号的反馈。行程开关外体、开关底座与铜套形成一个半封闭框架腔体，弹簧柱套在开关底座的立柱上并把弹簧夹在中间。半封闭腔体的非封闭面安装两个无触点开关，用于反馈信号。开关外罩将半封闭腔体与无触点开关防护在内，防止无触点开关被磕碰、移位影响精度等。弹簧柱顶端安装了 六角头全螺纹螺栓，用于装配时微调高度，六角螺母用于锁紧螺栓、防止松动。最后整个升降行程开关通过支架安装在底座侧面、交换臂下方。当交换臂在液压的作用下抬起时，弹簧柱在压缩弹簧的弹力作用下跟随上升，直至达到 行程，触发上方无触点开关发出信号；当交换臂在液压和重力的作用下下降时，弹簧柱在交换臂的压迫下压缩弹簧，跟随下降，直至达到 行程，触发下方无触点开关发出信号。铜套的作用是减小弹簧柱升降时的摩擦力，并对弹簧柱进行限位。在交换臂、工作台以及工件旋转 达到位置后，摆动油缸内部也自带无触点开关，用于及时反馈信号，保证旋转行程的精度。卧式加工中心一般采用两个托盘，当一个托盘带着工件在机床内部的转台上进行加工时，另一个在预备工作站上的托盘可以装卸工件，装卸零件的时间和加工时间重合，从而减少了加工辅助时间，显著提高了机床的工作效率。图 升降行程开关结构剖视图.校核计算.液压活塞、交换臂等上升浮力计算已知参数见表。表 已知参数.参数数值上升活塞直径 上升活塞面积 升 下降活塞面积 降 容许载质量 工作台质量 需抬起铸件质量 液压站输出压力 液压站输出流量（）液压站总容量 总 抬起行程 上升时间 下降时间 机床与液压第 卷 工作时交换臂等部件浮起时，浮起部分的总质量 为 工作时需抬起总重力 为 当下部的上升油腔进油时，液压活塞所能承受的力为 升；升升 因为 升，所以，液压活塞及上升、下降油腔空间设计合理。升 升 .由计算可知，理论所需液压力为.，远远小于液压站输出压力，为保证稳定性，应在液压站的连接管路上安装节流阀，用于控制流量，调整交换臂等部件的升降、旋转速度及稳定性。.升降液压油流量计算摆动油缸驱动式托盘交换机构抬起、下降行程 为 ，抬起所需液压油总容积为上升油腔总体积升，下降所需液压油总容积为下降油腔总体积 降升升 .降降 .液压活塞上升需要的流量为 升，根据流量的方程（）常量，（其中 为截面面积，为水流速度 ），得：升 .（）升升.（）同理可得 降：降降.（）由以上计算可得，液压活塞上升所需要的液压油的总容积和流量，均在液压站工作范围内。由于下降时有交换臂、托盘等部件的总重力，会导致下降速度过快，所以为了保证托盘交换机构升降稳定性，应在液压站的连接管路上安装节流阀，用于控制流量、调整交换臂等部件的下降速度及稳定性。.旋转扭矩计算旋转扭矩计算时，托盘交换机构回转轴可以看成是长方体中心轴。托盘交换机构升降旋转时，液压活塞内油面与液压缸体的零件接触，摩擦因数取.，浮起部分总重力 。摩擦力最大为 .摩擦力半径 为.摩擦力矩 为.工作时交换臂等部件浮起时，浮起部分的总质量 为 ，交换回转部分及工件总的最大回转惯量 为 式中：为回转体的质量，；为边长，由表 得知，。加速时所需扭矩 为.；式中：为角加速度，。因此，所需扭矩如下：加速扭矩：加 匀速扭矩：匀.减速扭矩：减.由表 可知，所选摆动油缸扭矩输出 摆 。根据上述计算可得，摆动油缸驱动式托盘交换机构的工作扭矩远小于所选型的摆动油缸的额定扭矩，所以活塞大小及摆动油缸的选型设计合理。.弹簧校核计算弹簧需抬起弹簧柱、六角头全螺纹螺栓和 六角螺母，总质量约为.，则：重.选用弹簧规格为.其中：为弹簧丝直径；为弹簧中径；为弹簧自由高度；为有效圈数。根据弹力公式：式中：为弹簧刚度；为弹簧变形量；为切变模量，为常量，查表为 。得：第 期王雪：摆动油缸驱动式托盘交换机构设计 所选压缩弹簧的自由高度为 ，工作时长度为，工作时变形量远大于，通过弹簧校核计算可以得出所选压缩弹簧足以支撑弹簧柱等的抬起，选型设计合理。生产制造摆动油缸驱动式托盘交换机构目前已经完成生产制造，并配合 机床装配，完成试验。试验结果满足技术参数要求，证明该托盘交换机构升降行程可靠，交换旋转稳定，运行平稳，完全满足设计需求。托盘交换机 构效果图及 实物 如 图 图 所示。图 托盘交换机构效果图.图 托盘交换机构实物.结语自主研发转台交换机构，不仅填补某公司在转台技术上的空白，还拥有自主知识产权的研究成果和核心技术，打破产品核心功能部件的外部垄断。参考文献：周飞轮基于 神经网络多轴联动铣削表面粗糙度预测研究长沙：湖南大学，：，杨刚基于 的交换工作台设计：转台部件设计机械工业标准化与质量，（）：，（）：吴承云含螺栓连接结合面的数控转台与主机动静态特性分析南京：南京工业大学，：，王雪，李亚聪，张伟，等一种摆动油缸驱动式托盘交换机构：孙岗存，袁丽，李云革精密卧式加工中心托盘交换机构的设计制造技术与机床，（）：，（）：全国弹簧标准化技术委员会普通圆柱螺旋压缩弹簧尺寸及参数（两端圈并紧磨平或制扁）：北京：中国标准出版社，机床与液压 编辑部郑重申明近期有作者向 机床与液压 编辑部反映，有人冒充编辑部工作人员让作者添加其微信并发送清样资料给对方。为此，本刊杂志郑重声明如下：机床与液压 杂志未与任何法人或自然人或其他组织进行组稿、出版、经营等活动。目前社会上有人以 机床与液压 杂志名义进行组稿、出版、经营等，均与本刊无关，敬请广大作者、读者注意鉴别，谨防受骗。对任何损害我刊名誉的侵权行为，我刊编辑部将依法保留追究有关人员法律责任的权利。机床与液压 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