高剛性輕量化軸承滾子無心磨自動(dòng)上下料裝置的設(shè)計(jì)

傅潔瓊,劉橋方,李海林，楊其升

(1.廣州城建職業(yè)學(xué)院，廣州 510925；2.洛陽喜峰機(jī)械有限公司，河南 洛陽 471000)

1 無心磨上下料裝置需求分析

1.1 無心磨上下料裝置的需求及動(dòng)作說明

軸承滾子無心外圓磨床在軸承滾子生產(chǎn)中作為主要加工設(shè)備，能提供穩(wěn)定高效及高精度的外圓加工。利用以直線運(yùn)動(dòng)模組為基礎(chǔ)的機(jī)械手進(jìn)行自動(dòng)上下料能顯著地提高加工效率和加工穩(wěn)定性，同時(shí)也是自動(dòng)化趨勢發(fā)展的需求。分解其基本動(dòng)作流程為：

1)雙伺服插補(bǔ)將砂輪修成需磨削的滾子形狀；

3)由上料手(氣缸+空氣吸盤)抓起滾子；

4)由直線運(yùn)動(dòng)模組將滾子準(zhǔn)確移動(dòng)至磨削工位，氣缸下行將滾子放入磨削區(qū)，氣缸上行由直線運(yùn)動(dòng)模組將上料手退回至上料槽上方(準(zhǔn)備抓起下一個(gè)待磨削滾子)；

5)導(dǎo)輪進(jìn)給磨削；

6)導(dǎo)輪退回，下料手抓起磨削后的滾子由直線運(yùn)動(dòng)模組組合件移動(dòng)至下料槽上方，氣缸下行放下滾子。

1.2 直線運(yùn)動(dòng)模組問題分析

現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)模組一般由基座、導(dǎo)向系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)固定座、傳動(dòng)固定座等單元組成。材料一般使用高強(qiáng)度鋁合金或鋼材料，傳動(dòng)系統(tǒng)用滾珠絲杠傳動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)精度與剛性雖能滿足需求，但存在體積及質(zhì)量大的缺點(diǎn)，如行程為600 mm的直線模組，質(zhì)量約25 kg(不含驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī))。這樣不僅占用較大的機(jī)臺(tái)空間，而且對原無心磨床進(jìn)行大結(jié)構(gòu)的改動(dòng)，才能裝置自動(dòng)上下料直線運(yùn)動(dòng)模組和下料機(jī)械手，同時(shí)會(huì)影響磨床后續(xù)的調(diào)試與維護(hù)。

本設(shè)計(jì)優(yōu)化了直線運(yùn)動(dòng)模組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與傳動(dòng)系統(tǒng)，并使用鋁合金和碳纖維材料，實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)模組小型化、高剛性和輕量化，并應(yīng)用于無心磨自動(dòng)上下料裝置中。

2 新型直線運(yùn)動(dòng)模組設(shè)計(jì)與分析

2.1 直線滾珠導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)分析

直線運(yùn)動(dòng)模組的核心部件為直線導(dǎo)向系統(tǒng)和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)以廣泛應(yīng)用于直線導(dǎo)向系統(tǒng)的直線滾珠導(dǎo)軌為模組基礎(chǔ)，進(jìn)行類型和型號(hào)的選擇和有限元分析。

一是充分利用報(bào)刊宣傳聞喜縣水利普查工作進(jìn)展和普查動(dòng)態(tài)；二是強(qiáng)化普查信息報(bào)告制度，保證普查信息上傳下達(dá)暢通，印發(fā)水利普查簡報(bào)，確保水利普查領(lǐng)導(dǎo)組成員及相關(guān)部門領(lǐng)導(dǎo)及時(shí)全面了解普查工作進(jìn)展；三是墻體刷寫固定標(biāo)語，發(fā)放宣傳單，利用電視臺(tái)、電子屏、橫幅等媒介，在全縣廣泛宣傳水利普查，營造支持水利普查的良好氛圍。

2.1.1 直線滾珠導(dǎo)軌的選型

為達(dá)到小型上下料裝置模組小型輕量目的，綜合考慮承載能力與穩(wěn)定性，選擇臺(tái)灣HIWIN的MGW15C2R830Z1P加寬型微型導(dǎo)軌，其基本信息與額定載荷見表1[1]。

表1 直線滾珠導(dǎo)軌基本信息與額定載荷Tab.1 Basic information of linear ball guide and rated load

2.1.2 直線滾珠導(dǎo)軌承載能力分析

對MGW15C2R430Z1P導(dǎo)軌部件各方向承載能力進(jìn)行有限元分析，其基本信息見表2。

表2 直線滾珠導(dǎo)軌的基本材料性能Tab.2 Basic properties of material for linear ball guide

承載的有限元分析按實(shí)際需要模擬懸臂使用場景，即將導(dǎo)軌的一端固定，另一末端的豎直和水平方向按實(shí)際需求經(jīng)驗(yàn)估計(jì)值98 N載荷進(jìn)行分析模擬，結(jié)果見表3。由表可知，導(dǎo)軌在水平方向剛性約是豎直方向剛性的約18倍，而應(yīng)力也達(dá)到了4.7倍。

表3 直線滾球?qū)к売邢拊治鼋Y(jié)果Tab.3 Finite element analysis results of linear ball guide

2.2 直線運(yùn)動(dòng)模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

2.2.1 以直線滾珠導(dǎo)軌為基的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從上述直線導(dǎo)軌承載能力分析結(jié)果來看，其在水平方向承載能力很強(qiáng)，而在豎直方向比較弱。因此，需要通過結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行豎直方向的加強(qiáng)，并以簡單巧妙的方法設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)。

在一般情況下，承載方向與重力方向是一致的，結(jié)合表3的有限元分析結(jié)果，需把導(dǎo)軌承載能力強(qiáng)的水平方向承受載荷，所以將導(dǎo)軌寬面，即水平方向倒置為豎直方向用來承受載荷，但原豎直方向倒置而成的水平方向的承載力則需要加強(qiáng)。在此，為達(dá)到上下料裝置模組輕量化和高剛性的目的，選擇碳纖維復(fù)合材料為加強(qiáng)板材料來設(shè)計(jì)橫向板，在傳動(dòng)系統(tǒng)上則使用小巧實(shí)用的同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)，將導(dǎo)軌固定座和電動(dòng)機(jī)座融合成一個(gè)零件，同時(shí)它也是此直線運(yùn)動(dòng)懸臂模組的固定基板，而另一側(cè)則將同步輪的惰輪組件和連接座融合成一個(gè)連接板，皮帶的張緊設(shè)計(jì)在電動(dòng)機(jī)座一側(cè)。此設(shè)計(jì)方案極大地簡化了結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕量化與高剛性化，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 直線運(yùn)動(dòng)模組設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural design diagram of linear motion module

2.2.2 碳纖維加強(qiáng)板的設(shè)計(jì)與有限元分析

所使用的碳纖維加強(qiáng)板的長度與導(dǎo)軌的長度均為830 mm，厚度先設(shè)計(jì)為15 mm，寬度為75 mm，保證其在水平方向的承載能力，以此加強(qiáng)其組合后在導(dǎo)軌水平方向的承載能力。

加強(qiáng)板的碳纖維復(fù)合材料選擇東麗T700，碳纖維含量為72%，樹脂含量為28%，其材料的基本信息見表4[2]。

表4 碳纖維復(fù)合材料的物理性能信息Tab.4 Physical properties of carbon fiber composites

承載能力的分析計(jì)算同樣采用一端固定，末端分別承受豎直方向和水平方向的載荷均為98 N為例，結(jié)果見表5。

表5 碳纖維加強(qiáng)板有限元分析結(jié)果Tab.5 Finite element analysis results of plate reinforced by carbon fiber

通過分析，碳纖維加強(qiáng)板質(zhì)量為1.65 kg，其剛性要比直線滾珠導(dǎo)軌大8倍，其水平方向的剛性承載能力是垂直方向的21倍，強(qiáng)度為3倍。

將此碳纖維加強(qiáng)板的水平面與直線滾珠導(dǎo)軌的垂直面相結(jié)合，使該直線運(yùn)動(dòng)模組的承載能力在豎直和水平方向都滿足使用要求。

2.3 直線運(yùn)動(dòng)模組的有限元分析

2.3.1 直線運(yùn)動(dòng)模組設(shè)計(jì)說明

為方便CAE軟件計(jì)算，模擬分析將直線運(yùn)動(dòng)模組中的基座、直線滾珠導(dǎo)軌、碳纖維加強(qiáng)板和惰輪座作為一個(gè)整體進(jìn)行有限元分析。其中基座和惰輪座材料均為6061鋁合金[3]，總質(zhì)量約9 kg，其剛性模組三維結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 直線運(yùn)動(dòng)模組的整體有限元分析結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Overall structure diagram of finite element analysis of linear motion module

2.3.2 直線運(yùn)動(dòng)模組有限元分析

與上述的分析方式一樣，采用固定塊固定，末端面分析以豎直方向和水平方向承受載荷的方式進(jìn)行分析模擬，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 豎直方向末端載荷-應(yīng)力/變形量關(guān)系Fig.3 Relationship between stress/deformation-load at end in vertical direction

圖4 水平方向末端載荷-應(yīng)力/變形量關(guān)系Fig.4 Relationship between stress-deformation-load at end in horizontal direction

從上述分析的結(jié)果來看，該直線運(yùn)動(dòng)模組在垂直方向和水平方向完全可以承受98 N載荷，承載能力和剛性方面完全可以得到保障。另外模組在垂直方向的載荷或振動(dòng)可以通過調(diào)整碳纖維加強(qiáng)板的尺寸來解決。

3 實(shí)際應(yīng)用

對于中小型軸承滾子(特別是Dw≤20 mm)，由于滾子小而精密，把高剛性輕量化的單導(dǎo)軌懸臂式直線運(yùn)動(dòng)模組應(yīng)用在無心磨上下料裝置[4]，在設(shè)備的實(shí)際使用中獲得了顯著的效果。具體有以下3個(gè)方面：1)其單導(dǎo)軌懸臂的運(yùn)動(dòng)方式，可以將機(jī)械手臂直接固定在砂輪架上，運(yùn)行穩(wěn)固可靠，并且不會(huì)干涉設(shè)備的操作[5];2)如需更換砂輪時(shí)，其調(diào)試復(fù)位時(shí)間也大為縮短;3)經(jīng)過高剛性輕量化設(shè)計(jì)后，模組的質(zhì)量由25 kg減至10 kg，上下料時(shí)的動(dòng)作快速平穩(wěn)，提升了加工效率。其具體實(shí)際應(yīng)用如圖5和圖6所示。

圖5 自動(dòng)上下料裝置應(yīng)用于軸承精密滾子無心磨床Fig.5 Automatic loading and unloading device for centerless grinder for roller of precision bearing

1—上料槽;2—復(fù)合碳纖維加強(qiáng)板；3—支架；4—砂輪架；5—上料手；6—下料手；7—驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；8—傳動(dòng)同步帶；9—直線運(yùn)動(dòng)模組；10—導(dǎo)輪架；11—床身；12—下料槽；13—?dú)飧祝?4—吸盤；15—工件；16—導(dǎo)輪；17—砂輪圖6 應(yīng)用于軸承生產(chǎn)中無心磨床自動(dòng)上下料裝置布局圖Fig.6 Layout of automatic loading and unloading device of centerless grinder used in bearing production

4 結(jié)束語

為實(shí)現(xiàn)軸承滾子切入式無心磨上下料裝置直線運(yùn)動(dòng)模組高剛性輕量化，本設(shè)計(jì)采用直線滾珠導(dǎo)軌以優(yōu)化導(dǎo)向系統(tǒng)，同時(shí)采用碳纖維板加強(qiáng)模組水平方向的承載力。在結(jié)構(gòu)上將2個(gè)主要支承部件進(jìn)行強(qiáng)度和剛性的相加，實(shí)現(xiàn)了水平和豎直2個(gè)方向的共同加強(qiáng)。使其在剛性、強(qiáng)度等力學(xué)性能與傳統(tǒng)直線運(yùn)動(dòng)模組相當(dāng)?shù)那闆r下，其總質(zhì)量僅為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的40%，而使用更為高效與靈活。這種結(jié)構(gòu)直線運(yùn)動(dòng)模組可以結(jié)合實(shí)際需求，借助有限元分析，在實(shí)際機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中進(jìn)行靈活的變更與改進(jìn)。