卧式加工中心换刀机械手的动态特性分析

2013-11-26罗生梅牛朝阳

机械制造 2013年3期

□ 罗生梅 □ 牛朝阳

1.兰州理工大学数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室兰州 730050

2.兰州理工大学机电工程学院兰州 730050

加工中心自动换刀装置（Automatic Tool Changer,ATC）主要由机械手、刀库等组成，其作用是将主轴上的工作刀具与刀库中的待用刀具进行交换。对于加工中心的机械手而言，应具有换刀时间短、工作平稳、定位准确的特点。

加工中心自动换刀装置换刀的可靠性，也是ATC系统先进与否的一个重要标志，随着我国制造业的飞速发展，与之息息相关的精密制造装备也向着高速度、高精度、高效能、高柔性、自动化的方向发展，在保证使其具有良好性能的同时，还要有很高的可靠性。换刀时,执行的动作多、速度快、对定位准确性要求高，尤其在复杂零件加工过程中，需要频繁交换刀具，这就使换刀系统的稳定性成为加工中心可靠性的薄弱环节［1］。本文以QYJ-21型加工中心自动换刀机械手为研究对象，建立换刀机械手组合体的动力学模型，分析换刀装置的动态性能，找出其薄弱环节。自动换刀装置中机械手部分简图如图1所示。

▲图1 自动换刀装置中机械手简图

1 机械手机构的动力学模型

1.1 三维实体模型建立

本文研究的加工中心换刀机械手三维模型是利用Pro/E对换刀机械手各零部件进行建模，在Pro/E中对各零部件进行装配，并考虑换刀机械手的结构特点及各部件之间关系，建立优化的有限元分析模型。基于3D特征的装配模型主要有以下技术：创建零部件三维实体模型；装配路径规划及零部件树状结构划分；位置尺寸的约束条件施加；装配仿真以及干涉分析。

本文选用ANSYS提供的Workbench单元对实体进行网格划分。划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题较多，所需的工作量大，划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响［2］。

1.2 约束处理

约束条件也称为边界条件，只根据力的边界条件，且线性方程是由力的平衡方程建立的，即便在连续体上的外力处于平衡状态时刚体位移仍可能产生，所以位移没有确定，即刚度阵为奇异阵。为此，在进行边界条件处理时，即在求解之前，边界约束形式是按照实际工程结构的几何边界条件来确定的，以消除整体刚度阵的奇异性。

1.3 有限元划分结果比较

本文对QYJ-21加工中心机械手机构进行动态分析时，使用等参元进行划分，在保证一定精度的条件下，尽可能减少节点数和单元数，以获得较好的结果和分析效率［3］。对机械手结构进行动态分析，图2为机械手手爪机构的自锁原理图，图3为机械手机构三维模型。

2 机械手机构的动力分析

2.1 材料属性

机械手选用材料为机械制造行业常用钢种40Cr。40Cr经调质后力学的综合性能良好且具有较好的切削加工性能及淬透性，经过碳氮共渗和高频淬火后，满足承受较大载荷、耐磨、冲击不大的工况下的零件要求。弹性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.27，密度ρ=7 850 kg/m3。对图3进行动态分析，得出前六阶的固有频率和模态振型。

▲图2 手爪自锁原理图

2.2 计算结果及分析

ANSYS的模态分析是线性分析,也是判定机械零部件结构薄弱环节的方法。ANSYS中可供选择的模态提取方法有7种，本文采用Block Lanczos法求解,提取了前六阶模态来研究各阶模态下机械手的振动特性,这样就能得到对机械手影响最大的固有频率值［4］。

在机械手换刀过程中存在着许多个固有频率及其相应的振型，这并不代表所有的振型都会出现不稳定现象，但是薄弱模态会出现在不稳定现象的模态中，一般低阶模态是薄弱模态［5］。所以提取机械手机构的前六阶模态如图4～9所示，获得机械手的固有频率（如表1所示）和振型。在对模型进行网格划分时，得到的有限元网格模型共41 531个单元、83 960个节点。

由此可以看出一阶为低阶模态，固有频率最低；同时固有频率越高，模态刚度（如表2所示）越好，因而一阶固有频率决定结构的刚度。所以机械的工作频率要保证低于一阶固有频率。从振型图中可以看到，活动手指和固定手指结合部位变形较大，且从振型图和振型数据可以分析出，固定手指的刚度较大，活动手指的刚度与固定手指比，活动手指刚度小。则两者结合部位就会成为机械手机构在动态上的薄弱环节，因此可得出刚度弱的活动手指为本文所研究机构的薄弱环节。