孙岗存 袁 丽 李云革

(①沈阳机床股份有限公司，辽宁沈阳 110141;②沈阳合金材料有限公司，辽宁沈阳 110179)

随着现代工业的快速发展，许多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得已快速发展，从而对托盘交换机构的性能要求也越来越高。托盘交换机构是卧式加工中心的重要功能部件，尤其在小型卧式加工中心中，托盘交换机构设计的好坏将直接影响双工作台的交换时间，进而影响机床的加工效率。我厂以前TH6563×63A型卧式加工中心采用推拉式的托盘交换机构结构，存在交换速度慢、定位不准等缺点。因此，我们在设计HMC63e型卧式加工中心时，设计出了具有交换速度快、旋转平稳可靠的直接旋转式的托盘交换机构。

表1 托盘交换机构的主要技术参数

本文以HMC63e型卧式加工中心托盘交换机构的设计为例，讲述托盘交换机构的设计过程。根据HMC63e型卧式加工中心的总体方案，制定托盘交换机构的主要技术参数如表1。

1 结构设计

托盘交换机构主要由交换台底座、交换臂、回转油缸、浮起油缸、回转台座和托盘等组成。竖直固定在交换台底座上的浮起油缸使托盘及交换臂浮起、落下。水平固定在交换台底座上的回转油缸，通过齿条与齿轮啮合旋转，使托盘及交换臂旋转180°来完成托盘的交换。由于小型卧式加工中心大都采用两个托盘，当一个在回转工作台上的托盘在加工工件时，另一个在回转台座上的托盘可以装卸工件，从而减少了加工辅助时间，显著地提高了机床的工作效率。托盘交换机构结构图见图1。

从浮起和旋转机构剖视简图(图2)中可看到，当工作台需要交换时，浮起油缸的下部油腔开始进入液压油，迫使交换臂克服重力带动两块托盘浮起;接着，旋转油缸进入液压油，推动齿条水平运动，通过齿轮齿条的啮合带动交换臂和托盘旋转180°;最后浮起油缸的上部油腔进入液压油，在油压和重力的双重作用下，迫使交换臂带动两块托盘一起落下，从而完成一次托盘的交换。在浮起油缸中，由于安装了两套自润滑轴承，可很好地克服单托盘承载时所产生的倾覆力矩。在浮起油缸的浮起和落下行程到位后，都会有无触点开关及时反馈信号来保证浮起、落下平稳可靠;在回转油缸带动交换臂及工作台板旋转到位后，也会有无触点开关及时反馈信号来保证交换台板的准确度。

从齿轮齿条旋转机构剖视图(图3)中可以看到，当托盘需要交换时，液压油从顺时针旋转进油口进入液压缸，推动齿条水平向左(向下)运动，通过齿条齿轮的啮合，迫使齿轮带动交换臂顺时针旋转，当固定在齿条左部(下部)的小活塞撞到左面(下面)油缸的限位螺栓上时，旋转运动停止。此时，交换臂和托盘旋转了180°，完成了一次托盘的交换。当托盘需要再次交换时，液压油从逆时针旋转进油口进入液压缸，推动齿条水平向右(向上)运动，通过齿条齿轮的啮合，迫使齿轮带动交换臂逆时针旋转，当固定在齿条右部(上部)的小活塞撞到右面(上面)油缸的限位螺栓上时，旋转运动停止。此时，交换臂和托盘也旋转了180°，又一次完成了托盘的交换。该齿轮齿条旋转机构结构简单，由于旋转交换精度的要求很高，因此，齿轮齿条要达到相当高的加工精度才能满足设计要求。两个油缸的端部都设计有缓冲阀结构，能够起到很好的缓冲作用，使旋转运动快速平稳、冲击小。

2 校核计算

2.1 浮起油缸的校核计算

2.1.1 交换臂浮起计算

工作时，活塞受到的总作用力为

式中:FL为负载阻力;Ff为液压缸外摩擦力;FB为背压阻力;FS为密封圈摩擦阻力;FI为活塞启动时的惯性力。

托板质量m1=208 kg，上盖1质量m2=96 kg，浮起时带起活塞4和交换臂9总质量m3=16+432=448 kg，工件最大质量m4=1 200 kg，交换臂浮起时，浮起部分的总质量为:

总重力W=m×g=3 360×9.8=32 928 N

当下部油腔进油时，活塞4所能承受的力为F;管路油压力P=5 MPa(液压站最高压力为7 MPa);活塞4外径D1=190 mm，被齿轮轴6占据的内径D2=110 mm。

因为F＞W，所以，活塞大小及其油缸设计合理。

2.1.2 上升液压油流量计算

Q升为液压缸活塞上升需要的流量(L/min);

式中:V为速度，m/min;A1为液压缸大腔活塞4面积，cm2，A1=π(D21－D22)/4;S为液压缸行程，m;t为时间，min。

活塞4行程为55 mm，时间t=4 s，则

2.1.3 下降液压油流量计算

Q降为液压缸活塞下降需要的流量，L/min;

活塞4行程为55 mm，时间t=4 s，则

由于下降时有交换臂上的总重量，所以为了保证其升降稳定性，在管路上装有节流阀，调节管路流量，以便调整交换臂升降的速度及其稳定性。

2.2 旋转油缸的校核计算

2.2.1 旋转扭矩计算

交换站回转时，浮起后，活塞内油面与回转座的零件接触，摩擦系数为0.000 5，浮起部分总重力W=32 928 N。

摩擦力最大为:f=32 928 ×0.000 5=16.5 N

摩擦力半径为:r=D1/2=0.095 m

摩擦力矩为:T1=f×r=16.5 ×0.095=1.57 N·m

交换台回转部分及工件总质量:M=3 360 kg

交换回转部分及工件总的回转惯量J为:

其中:M为回转体的质量，kg;l为边长，l1=840 mm，l2=1 740 mm。

加速时所需扭矩:

T2=Jα=1 045×0.3×π =984 N·m式中:α为角加速度，rad/s2。

因此，所需扭矩如下:

加速扭矩:T加=T1+T2=1.57+984=986 N·m

匀速扭矩:T匀=T1=1.57 N·m

减速扭矩:T减=T1－T2=1.57－984= －982 N·m

当顺时针旋转进油口进油，交换臂将按顺时针方向旋转180°，如果逆时针旋转进油口进油，交换臂将按逆时针方向旋转180°。

旋转时，活塞受到的推力为F推;管路油压力P=5 MPa(液压站最高压力为7 MPa);图3中活塞外径D4=60 mm;齿轮节圆半径R=124 mm。则

M=F推R=14 137×0.124=1 752 N·m因为M＞T，所以，活塞大小及其油缸设计合理。

2.2.2 旋转液压油流量计算

若齿条行程为390 mm，时间t=7 s，则

由于下降时有交换臂上的总重量，所以为了保证其升降稳定性，在管路上装有节流阀，调节管路流量，以便调整交换臂升降的速度及其稳定性。

3 结语

HMC63e机床样机装配完成后，对托盘交换机构进行负载试验，试验结果证明该托盘交换机构浮起高度稳定，旋转交换冲击小，运行平稳可靠，完全能够满足设计要求。当单托盘承载工件时，由于采用了两套自润滑轴承，可以很好地克服单托盘承载时所产生的倾覆力矩。

该机床样于2012年4月在南京第七届中国数控机床展览会上展出，获得了与会领导和观众的一致好评，荣获中国机床工具工业协会颁发的“春燕奖”，并且被湖北黄石某客户当场抢购。从目前客户反馈回来的信息看，该托盘交换机构在实际应用中浮起高度稳定，旋转定位精度高，运转稳定可靠，完全能够满足客户需要。

［1］机床设计手册编写组.机床设计手册.机械工业出版社，1986.

［2］张利平.液压传动系统及设计.化学工业出版社，2005.

［3］徐灏.机械设计手册.机械工业出版社，1991.