数控机床工件吊装机构的设计与仿真

时间：2022-09-20 23:20:50

关键字：数控机床工件吊装静力学仿真

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[导读]摘要:阐述了现有的数控机床工件安装搬运过程中存在的问题,构建了数控机床工件吊装机构,用于数控机床的安装搬运,并对该机构进行了静力学分析。介绍了数控机床吊装机构的特征参数,利用UG软件建立了数控机床工件吊装机构的三维模型,并用有限元分析软件ANSYS进行了静力学仿真。仿真结果验证了数控机床吊装机构的可靠性,该吊装机构也为解决实际生产加工中数控机床难以安装重量大的工件提供了方案。

引言

数控加工技术蓬勃发展,数控机床柔性逐渐提高,自动化生产渐渐在工厂普及。工件吊装设备是由机械设备与简单系统组成的适用于辅助机床加工多工序或中重型工件搬运吊装等工作的高效率半自动化设备。目前,在数控加工中心生产一线上,由于缺少科学合理的工件吊装设备,使得在整个加工过程中,加工工件的装卡时间过长,制约了加工的工作效率。因此,设计一款数控机床吊装机构对于提高数控加工效率具有很重要的意义。

早在18世纪,随着生产的发展,起重吊装作业就越来越多,起重吊装机械得到了发展。目前起重吊装设备更是得到多元化发展。2018年8月,针对传统人工生产夹片的低效繁琐,钟华、杨旭卓研究了夹片机床自动上下料装置电控设计与制作,实现了预应力夹片自动生产,从而解放了劳动力,降低了成本,提高了效率。

本文以数控机床工件吊装机构为研究对象,利用UG软件建立了吊装机构装配体模型,并导入ANSYS软件中进行了静力学仿真,不仅验证了吊装机构的可靠性,同时,为提高工件重复吊装效率提供了技术借鉴。

1工件吊装机构的工作原理

数控机床吊装机构主要包括车体、门架、滚珠丝杠螺母副、吊架和挂钩等。车体前端装有液压缸,有类似叉车的门架结构,起升液压缸下端在外门架横梁上,上端与内门架横梁和链轮连接。起升链条的一端与外门架下部连接,另一端绕过链轮与叉架相连,向液压缸通入压力油时,活塞杆以速度"向上运动并带动链轮、内门架以同样的速度"起升,由于动滑轮原理,链条牵动吊架以2"速度起升。当液压缸全行程终了时,内门架处于外门架上方极端位置,吊架处于内门架上方极端位置。当泄掉油压时,工件或吊架等构件靠自身重力下降。吊架内装有滚珠丝杠螺母副,电机带动丝杠转动从而使螺母进行前后移动,与螺母间接相连的挂钩也前后移动,实现工件较为精确的位置调节。当要向数控机床内吊装工件时,先将吊架降到适宜高度,以便挂钩能顺利勾上工件,再使吊架上升,到足够高度,开车靠近数控机床,按下电机正反转启动按钮,调节工件将要放到机床工作台的位置,最后缓慢使吊架下降,待工件落到工作台上,松下挂钩。

如图1所示,在工件重量较大时,可使用此设备将该工件安装到数控机床内部工作平台上。利用液压结构,可实现大重量工件的吊装工作,方便了使用天车情况下和利用天车不便吊装时工件的拆卸及吊装。

图1 数控机床工件吊装机构原理图

常见的加工中心工作平台都在1000mm左右,因此选择数控机床工件吊装机构直立高度吊架c可移动的有效行程为0~2000mm。工件m一般安装在距离机床门400mm的位置,因此选择水平吊架b的有效行程为0~800mm。鉴于车间位置比较小,因此车身长度a选择1500mm。数控机床工件吊装机构车身配重M的计算公式如下:

M×a>m×b

a=1500mm,b采用最大行程800mm,m设计最大承重400kg,通过计算M>213kg,因此在数控机床工件吊装机构后置配重取220kg。

2数控机床吊装设备的建模

根据设计原理,利用三维绘图软件UG对数控机床吊装设备进行三维实体建模。

首先根据数控机床吊装设备的要求,先建立好数控机床工件吊装机构的车体模型,如图2所示。

然后根据设计要求绘制前置吊架结构,这个吊架机构分为竖直立架、水平吊架。吊钩是在水平吊架上,通过丝杠导轨机构进行移动,如图3所示。

图3 数控机床工件吊装机构吊架

最后完成整车和吊架的安装配合。竖直吊架可以在整车上不同角度地倾斜,倾斜角度±10О,可以通过液压机构控制不同的倾斜角度,如图4所示。

数控机床工件吊装机构的设计与仿真

3数控机床工件吊装机构的有限元分析

本文利用UG三维绘图软件对数控机床吊装设备完成了建模工作。由于主要外界承重部分是前置吊架机构,因此对数控机床吊装设备前置吊架进行有限元分析。首先对该模型机构进行了倒角、去尖角等适当简化,并将前置吊架机构导入到ANSYS软件中进行有限元模型的建立,选择四面体单元对框架进行网格划分。四面体单元结构如图5所示。

前置吊塔材料选择0235钢,弹性模量2.06e5N/m2、泊松比0.3、密度7.93e-6kg/m3。定义约束与载荷,载荷为400kg重物。本文主要进行了ANSYS静力学分析,得出了该机构前置吊塔的应变云图和应力云图,如图6所示。

由图6(a)前置吊架的合位移等值线图可知,前置吊架最前端变形量是最大的,最大变形量是0.0178mm,该变形量小于许用变形量0.1mm:由图(b)节点应力等值线图可知,前置吊架最大应力值amax是178MPa,该应力值小于选用材料钢的最大屈服应力205MPa。因此,该前置吊架的刚度和强度均能满足设计要求。