軸承外圈加工自動上下料機構設計

田國富，左嘉翼，劉婭菲

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軸承外圈加工自動上下料機構設計

田國富1，左嘉翼1，劉婭菲2

（1.沈陽工業(yè)大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870；2.中國航發(fā)貴州紅林航空動力控制科技有限公司，貴州 貴陽 550025）

根據軸承外圈的結構特點以及對其加工工藝進行研究，利用步進電機優(yōu)秀的起停和反轉響應、定位精度及可靠性較高等優(yōu)點，設計了軸承外圈鍛壓自動上下料機構，計算出該自動上下料機構主要零件結構，并對其校核。該機構解決了軸承外圈鍛壓時由人工上下料產生的安全隱患，同時對提高產品質量、生產效率及降低工人的勞動強度都起到了很好的作用。

軸承；步進電機；自動上下料機構；生產效率

軸承零件，尤其是軸承套，大多數需要通過鍛壓加工的方式來獲得毛坯。鍛壓加工過程中工人需用鐵鉗高頻率地夾持熱鍛過后的棒料，將其放入壓力機預定的工位，存在很多安全隱患[1]。參考軸承廠生產軸承外圈現有生產設備及工藝流程，根據生產現場的實際情況考慮盡量保持原設備現有狀態(tài)（主設備不移動，原有工裝、模具盡可能保持不變），設計了軸承外圈毛坯的自動上下料機構，在提高生產效率的同時降低勞動強度，并保障人員設備安全[2]。

1 總體方案及工作原理

1.1 總體方案

軸承毛坯零件外圈加工流程主要由下料－定長切割－熱處理－鐓粗－沖孔－整形－熱擴孔－二次整形共8道工序組成。使用J31-400閉式壓力機（圖1）可同完成鐓粗、沖孔、整形三道工序，只需把棒料送到壓力機工作臺上相應工位即可，操作簡單。由于加熱棒料時溫度在1000℃以上[3]，經壓力機擠壓后產生的飛屑對手工上料的操作人員造成極大的安全隱患。因此設計了自動上下料機構，如圖2所示，整個機械手由夾持機構，手臂伸縮、升降機構，絲桿滑臺機構三部分組成。機械系統(tǒng)通過步進電機和氣缸為整個裝置提供動力，由直線導軌、導桿、腳座、連接板為送料機構提供可靠支撐，由平行連桿機構、滾珠絲杠機構、限位機構完成對軸承外圈毛坯的夾持、傳送、定位功能[4]。

圖1 J31-400閉式壓力機工作臺

圖2 自動上下料機構

1.2 工作原理

棒料加工時自動上下料功能的實現如圖3所示：受料→初始位置機械手1處于位，機械手2處于位→手臂1伸出至位，手臂2伸出至B位夾取工件→機械手1退至位，機械手2退至位進行粗鐓與整形→機械手1伸出至B位，機械手2伸出至H位進行沖孔與下料→退回初始位置等待。如圖4所示：

（1）兩機械手同步橫向移動時通過控制步進電機脈沖個數達到準確定位；

（2）機械手夾持機構由電磁換向閥控制夾緊氣缸實現夾緊與松開，并采用雙工位設計同時進行不同工位的上下料來提高生產節(jié)拍；

（3）通過控制氣缸伸縮實現縱向進給運動，并通過導桿提高導向穩(wěn)定性。

圖3 自動上下料工作原理

圖4 自動上下料機構整體布局

2 主要零部件設計及校核

2.1 步進電機的選型計算

步進電機的選型應從工作電壓、靜力矩以及精度三方面來考慮。根據設計要求，工作臺與毛坯總質量＝60 kg，滾珠絲桿全長L＝1025 mm，軸徑D＝20 mm，螺距P＝15 mm，效率＝0.9，材質為鐵＝7.9×103kg/m3，預壓螺帽的內部摩擦系數0＝0.1～0.3，若取摩擦系數0＝0.3，且設定位時間0＝0.8 s，加減速時間1均為0.2 s，則：

式中：為軸方向負載，N；F為滑軌的密封力，約15 N；為傾斜角度，為0°。

式中：T為工作力矩，N·m；為機構的減速比；0為預負載，N。

得到T≈0.17 N·m。

式中：T為加速力矩，N·m；0為步進電機轉動慣量，kg·m2；J為滾珠絲桿慣性慣量，kg·m2；J為工作臺與工作物的慣性慣量，kg·m2；θ為步距角，θ＝1.8；為工作脈沖，＝3650 Hz；得到角速度2＝6083 r/s、1＝0。

則T≈0.82 N·m。

得到：

式中：T為靜力矩，N·m。

因此可選用英士達YSD288-RA8步進電機和SEA2M68等角度恒力矩細分型步進電機驅動器。具體參數如表1所示。

2.2 滾珠絲桿選型與校核

在本次設計中選擇絲杠轉動、螺母移動的傳動形式，為了滿足定位精度±0.3/1000 mm，導程精度選C7（運行距離誤差±0.05/300 mm）。為了滿足0.15 mm的無效行程要求，必選軸向間隙在0.15 mm以下的滾珠絲杠[5]，參考表2，選直徑32 mm以下的軋制滾珠絲杠。絲桿軸安裝方式為固定－支撐，因此：

式中：1為絲桿軸的挫曲載荷，N；2為絲桿軸的容許拉伸壓縮負荷，N。

表1 步進電機參數表

表2 軋制滾珠絲杠的軸向間隙

由于1＞2，絲桿軸不發(fā)生挫曲。

式中：1為危險速度下的容許轉速，r/min；max為最高轉速，r/min。

由于1＞max，最高轉速未超過容許轉速。

2.3 絲桿滑臺組件的設計

絲桿滑臺組件的總體結構如圖5所示。通過控制步進電機帶動滾珠絲桿將回轉運動轉化為直線運動，由于摩擦阻力很小，可以在高速情況下實現高精度直線運動。

圖5 絲桿滑臺機構

2.4 夾持機構設計計算與校核

夾持機械手結構如圖6，已知工件直徑為70～130 mm，當機械手處于最小張角時，可夾取直徑60 mm的工件；處于最大張角時，可夾取直徑超過140 mm的工件[6]。夾持機械手選用GCr15軸承鋼，工件質量＝6.28 kg，由圖7幾何關系計算，有[7-8]：

式中：F為手指在上的夾緊力，N；1為安全系數；2為工件情況系數；3為方位系數；為工件重力，N。

圖6 夾持機械手

圖7 夾持機械手受力分析

則F≥160 N，且當夾持最大直徑140 mm時，根據式（9）、式（10）求出：

式中：max為驅動力，N。

式中：、分別為氣缸、活塞桿直徑，mm。

因此根據設計選取SMC-CA2F63-25Z。

活塞桿穩(wěn)定性校核：

當≤10時，

得出≥5.18 mm，穩(wěn)定性符合要求。

3 小結

軸承外圈自動上下料夾緊機構，在很大程度上減輕了工人的勞動強度、提升生產效率并減少了生產過程中的安全隱患。且由于夾持范圍寬泛，送料速度、行程等都可以在一定范圍內調整，因此可以適應類似工序零件加工的自動上下料需求。

[1]金漢清，江海兵，湯佳珂. 軸承開式單點壓力機自動上下料機械手的設計[J]. 科技文匯，2012（25）：103.

[2]馮志君，丁黎光，戴小標. 夾片自動上料機構設計[J]. 機械設計與制造，2008（10）：50-51.

[3]馮志堅. 軸承鋼管生產工藝概述[J]. 冶金設備，2015（6）：54-59.

[4]陳運軍. 基于工業(yè)機器人的“智能制造”柔性生產線設計[J].制造業(yè)自動化，2017，39（8）：55-64.

[5]陳心昭，權義魯. 現代實用機床設計手冊[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2006：937-954.

[6]徐凱，尹文慶，張倩. 回轉型手指傾斜角的選擇及運動仿真[J].現代設計與先進制造技術，2008，37（9）：21-23.

[7]吳永宏. 重載鍛造操作機夾持機構的優(yōu)化設計及相似性研究[D]. 長沙：中南大學，2009：10-20.

[8]申如意. 基于ADAMS的機械手抓取機構的仿真分析及優(yōu)化[J].機械，2009，36（9）：46-48.

Design of Automatic Feeding Mechanism for Bearing Outer Ring Processing

TIAN Guofu1，ZUO Jiayi1，LIU Yafei2

( 1.School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870,China; 2.AECC Guizhou Red Forest Aviation Power Control Technology Co., Ltd., Guiyang 550025,China)

According to the structural characteristics of the bearing outer ring and its processing technology research. The use of stepping motor excellent start and stop and reverse response, positioning accuracy and high reliability advantages, design of the bearing outer ring forging automatic feeding agencies.The structure of the main parts of the automatic feeding mechanism is calculated and checked at the same time.The mechanism to solve the bearing outer ring forging by manpower arising from the potential safety problems, while improving product quality, production efficiency and reduce the labor intensity of workers have played a very good role.

bearing；stepper motor；automatic feeding mechanism；production efficiency

TH122

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.07.008

1006－0316 (2018) 07－0032－04

2017－12－19

遼寧省自然科學基金資助項目（20170540674）

田國富（1968－），男，吉林長春人，博士，教授，主要研究方向為機械系統(tǒng)的CAD/CAE技術、工程車輛設計與試驗、智能算法應用等；左嘉翼（1992－），男，遼寧沈陽人，碩士研究生，主要研究方向為機械工程。