摘要：具有双托板交换装置的卧式加工中心，因其拥有双工作台，节省了用于工件装夹和拆卸的时间，应用最为广泛。本文介绍了在开发高速加工中心时，为缩短托板交换装置的抬起时间而设计的一种快速抬起机构及其工作原理，此结构现已获得国家发明专利。

卧式加工中心由于具有良好的柔性，易于组成柔性加工自动线，成为现在制造厂商首选的装备母机。其中，具有双托板交换装置的加工中心的应用又最为广泛，其所具备的双工作台，节省了用于工件装夹与拆卸的耗时。

由于托板交换装置在转动之前，需要将其抬起，以往的传统设计都是利用无自锁功能的油缸直接顶起抬起装置，仅在慢速运行状态下才能确保安全和平稳，否则会造成冲击力极大且不可靠。

为此，在开发高速加工中心时，为了缩短托板交换装置的抬起时间，设计出一种快速抬起机构，其承载能力强，冲击力又小，结构简单，真正实现了快速抬起。

工作原理

高速加工中心双托板交换装置的快速抬起机构，以油缸为动力驱动移动凸轮，准确实现了抬起装置在全程抬起运行中的快速、平稳、无冲击、噪音小。凸轮的轮廓曲线由两段直线、一段斜线、四段抛物线吻接而成，加速和减速区间凸轮的轮廓曲线设计为抛物线，抛物线加速度为常数，使抬起机构变速时冲击最小。

在托板抬起过程中，为了减少工作时间，抬起机构要快速运行。抬起时为减小抬起装置在激活瞬间、与托板接触瞬间、行程到终点时的瞬间所产生的冲击力及噪声，就必须降低这些瞬间的运行速度。

所以，抬起机构在整个运动过程中的速度不能恒定，而是变化的，同时考虑到变化率(加速度)越高冲击力则越大，必须设计一条既能适应速度变化、而且性能良好的特性曲线，从而实现抬起机构既变速又能平稳的快速运动。

这一结构以移动凸轮为主要部件，凸轮的轮廓曲线则由两段直线、一段斜线、四段抛物线吻接而成。利用移动凸轮的曲面结构来实现连续抬起，由零速-加速-匀速-减速-匀速-加速-匀速-减速-零速。在速度变化区间的凸轮轮廓线采用抛物线，抛物线的运动加速度为常数，大幅降低了速度的变化率，减小了冲击，从而令运动平稳可靠。

机械结构

图1 抬起机构主视图

快速抬起机构的机械结构如图1所示，该机构主要有四部分组成：驱动油缸；移动凸轮；支撑滚轮；推杆。

抬起机构的具体运动过程是：驱动油缸1推动移动凸轮2向前移动，移动凸轮的工作轮廓曲线推动支撑滚轮3作垂直运动，支撑滚轮通过销轴带动推杆4作垂直运动，图中所示为移动凸轮已经移动到终点位置，而推杆达到最高点的状态。

工作过程分析

高速加工中心托板交换装置在回转前必须将托板快速抬起，两个托板连同托板上的夹具重量大约为4吨，托板交换装置本身重约1吨。

整个抬起过程如下: 抬起装置加速抬起快速接近托板—慢速接触托板并抬起托板—加速抬起托板—接近终点减速—进入承重状态。推杆抬起行程50mm，要求时间0.8秒。

运动轨迹的分配
第一段垂直行程0mm，水准行程5mm，由一段直线组成。

第二段垂直行程12.5mm，水准行程48mm，由两段抛物线组成，并且与下一段上升的直线相吻接。推杆先加速5.48m、后减速7.02m。抬起装置已接近托板并插销。

第三段垂直行程5mm，水准行程80mm，由一段直线组成，慢速匀速运动，完成托板交换装置慢速接触托板(完成插销)并准备抬起托板。

第四段垂直行程32.5mm，水准行程112mm，由两段抛物线组成，并且与下一段水准的直线相吻接。先加速抬起托板18.288mm再减速14.212mm，到达终点。

第五段垂直行程0mm，水准行程5mm，由一段直线组成，托板交换装置垂直不运动进入承重状态。以上工作过程分析如图2。
参数
驱动油缸1的水准行程是250mm, 速度是一常数(0.3125m/s), 时间是0.8s；推杆在每一区间的运动速度、加速度、时间经过推导列表见下表。表移动凸轮轮廓曲线特性表(t: 每曲线函数的瞬时时间)序号线段运动方程方向P值凸轮移

动距离

(mm)凸轮移动速度

(m/s)推杆升程

(mm)推杆速度

(mm)推杆加速度a

(m/s
^{2时间(s)1水平线y=0 50.31250000.0162抛物线y=X^{22p46.20122.50.31255.480.0068t0.00680.0723抛物线y=X^{22p64.3225.50.31257.020.0049t0.00490.0824斜线y=0 800.312550.019500.265抛物线y=X^{22p132.89600.312518.290.0024t0.00240.196抛物线y=X^{22p95.13520.312514.210.0033t0.00330.177水平线y=0 50.31250000.016}}}}}

图3 推杆的速度、加速度随时间变化图

运动曲线
推杆在四段抛物线区间做匀加速、匀减速运动，加速度为常数，冲击极小，运行平稳。推杆的运动速度v、加速度a 随运动时间t的变化图如图3。

结语

近年来随着国内加工制造业的蓬勃发展，敏捷、柔性、高效的制造系统越来越多地获得广泛应用，不仅要缩短机床的加工时间，同时更要尽可能缩减装卸料等耗用的辅助时间。

上述快速抬起机构的试制成功解决了困扰高速加工中心装卸工位所占时间过长的问题，有效缩短了机床的生产节拍。而且，在速度变化的部位采用抛物线予以过渡，加速度保持常数，有效地控制了冲击幅度。

这一结构的快速、平稳运行，关键取决于移动凸轮的工作轮廓曲线的制造精度，在现有加工条件下凸轮的精确度很容易获得保证。综上所述，该装置结构简单、制造方便、运行平稳，可靠耐用。

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加工中心托板交换装置的快速抬起机构

工作原理

机械结构

工作过程分析

结语

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