弧面分度凸輪機(jī)械手設(shè)計(jì)與仿真的分析

周軼

[摘 要]弧面凸輪是空間凸輪機(jī)構(gòu)的一種特殊結(jié)構(gòu)形式，其凸輪曲面是通過(guò)與其嚙合傳動(dòng)的分度盤(pán)上柱面滾子，按照給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律互相包絡(luò)而形成的空間不可展曲面。本文立足于弧面分度凸輪機(jī)械手設(shè)計(jì)與仿真的分析實(shí)際，分析當(dāng)前存在的弧面分度凸輪機(jī)械手設(shè)計(jì)與仿真的分析問(wèn)題，并提出針對(duì)性的策略，以期為我國(guó)弧面分度凸輪機(jī)械手設(shè)計(jì)與仿真的分析提供支持和借鑒。

[關(guān)鍵詞]弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)；逆向設(shè)計(jì)；運(yùn)動(dòng)仿真

中圖分類號(hào)：TP241 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）06-0156-02

前言：弧面分度凸輪機(jī)械手是一種基于弧面凸輪機(jī)械結(jié)構(gòu)的間歇進(jìn)行分度的裝置。能夠按照生產(chǎn)工藝的要求進(jìn)行自動(dòng)的進(jìn)行傳送，裝卸，升降，提取，裝配，焊接，鉆孔，堆垛，檢測(cè)等任務(wù)。尤其是在高溫高壓粉塵噪音及帶有高輻射的環(huán)境中使用更佳。其主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，工作效率高，壽命長(zhǎng)，精度高，適用于汽車制造，包裝，電子，醫(yī)藥等行業(yè)，使用前景極佳。

1.弧面凸輪機(jī)械手的設(shè)計(jì)原理及方法

1.1 弧面凸輪機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)形式

根據(jù)適用場(chǎng)所的不同，弧面凸輪機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方式也不同，一般情況下，弧面凸輪機(jī)械手要搬運(yùn)物品，要求手臂要能夠進(jìn)行提升和轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，所以弧面凸輪機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)由這兩者復(fù)合形成，主要有從動(dòng)件來(lái)實(shí)現(xiàn)。所有的運(yùn)動(dòng)類型都是由圍繞著固定軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和軸向垂直的方向運(yùn)動(dòng)復(fù)合而成的，在現(xiàn)實(shí)的工作生活中還要求弧面凸輪機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)手臂的伸長(zhǎng)與縮短[1]。

1.2 弧面凸輪機(jī)械手的結(jié)構(gòu)

在初步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)類型的過(guò)程中，主要要考慮以下情況：

（1）能否完美的滿足原有既定的工作模式，如工作效率，運(yùn)動(dòng)形式等問(wèn)題。當(dāng)弧面凸輪機(jī)械手圍繞現(xiàn)代整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)將實(shí)現(xiàn)整體運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)逐步優(yōu)化，并建立起機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，不同的機(jī)械加工運(yùn)作模式，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代加工技術(shù)逐步實(shí)現(xiàn)綜合技術(shù)的工作模式的工作循環(huán)，為了保障弧面凸輪機(jī)械手的運(yùn)作效率，應(yīng)當(dāng)從保障弧面凸輪機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)靈活性增強(qiáng)，機(jī)械運(yùn)作的整體的結(jié)構(gòu)可以控制在合理有用功大于無(wú)用功的均衡分配上，多元化的弧面凸輪機(jī)械手的機(jī)械運(yùn)動(dòng)效率推進(jìn)現(xiàn)代機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的效率，保障機(jī)械運(yùn)作的整體機(jī)械加工運(yùn)作速率。

（2）能否對(duì)工作條件有完美的滿足，如工作環(huán)境，工作內(nèi)容，制度以及可靠性等。為了對(duì)弧面凸輪機(jī)械手的工作條件進(jìn)行初步判定，操作者可以實(shí)施弧面凸輪機(jī)械手的工作環(huán)境初步檢驗(yàn)，例如：機(jī)械加工技術(shù)環(huán)境，必須實(shí)現(xiàn)加工機(jī)械技術(shù)的外部環(huán)境滿足機(jī)械加工旋轉(zhuǎn)運(yùn)行的需求，保障輸入軸和連桿設(shè)計(jì)符合弧面凸輪機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)需求；從弧面凸輪機(jī)械手的加工內(nèi)容來(lái)看，弧面凸輪機(jī)械手的零件加工一般都具有精密性特征，我們?cè)谶M(jìn)行零件加工的過(guò)程中，保障加工弧度與弧面凸輪機(jī)械手之間達(dá)到尺寸合理，零件加工結(jié)構(gòu)上突出其存在的最佳加工狀態(tài)，為現(xiàn)代零件加工提供了更加完善的加工設(shè)計(jì)需求。

（3）結(jié)構(gòu)方面的要求，其中包括結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，緊湊性，為了完成某些任務(wù)零件的拆卸是否方便等?；∶嫱馆啓C(jī)械手的工作設(shè)計(jì)是由圍繞著固定軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和軸向垂直的方向運(yùn)動(dòng)復(fù)合而成的，弧面凸輪機(jī)械手在實(shí)際機(jī)械加工中的的應(yīng)用，其工作效率不僅與弧面凸輪機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)速率具有一定的關(guān)系，同時(shí)弧面凸輪機(jī)械手的做功速率還要求弧面凸輪機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)手臂的伸長(zhǎng)與縮短，弧面凸輪機(jī)械手的做功手臂的長(zhǎng)短，實(shí)質(zhì)上也受到杠桿原理的影響。當(dāng)手臂加長(zhǎng)，則弧面凸輪機(jī)械手的運(yùn)行的旋轉(zhuǎn)速率加大，但整體速率性的運(yùn)行過(guò)程和運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，弧面凸輪機(jī)械手進(jìn)行機(jī)械加工的速率就會(huì)大大增加，新型運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)所做功的多少則會(huì)受到影響，不同的機(jī)械運(yùn)作結(jié)構(gòu)帶來(lái)的機(jī)械加工速率則會(huì)隨著杠桿原理設(shè)計(jì)進(jìn)行?；∶嫱馆啓C(jī)械手零件加工的速率性發(fā)生做功要求的變化。

（4）維護(hù)方面，是否便于維護(hù)，發(fā)生故障的幾率為多少等。從弧面凸輪機(jī)械手的日常維護(hù)角度進(jìn)行分析，弧面凸輪機(jī)械手的運(yùn)作主要是機(jī)械輸入軸和機(jī)械連桿做重復(fù)運(yùn)動(dòng)，我們進(jìn)行日常中，要及時(shí)對(duì)弧面凸輪機(jī)械手的連接桿與輸入軸的連接處進(jìn)行潤(rùn)滑，這樣可以減少弧面凸輪機(jī)械手運(yùn)作時(shí)機(jī)械輸入軸與連桿之間的摩擦力，保障機(jī)械運(yùn)作的速率，同時(shí)做好弧面凸輪機(jī)械手的檢驗(yàn)，也可以保障機(jī)械零件加工的運(yùn)行效率，及時(shí)對(duì)磨損嚴(yán)重的零件進(jìn)行維護(hù)和更換（圖1）。

（5）經(jīng)濟(jì)方面，能否保證經(jīng)濟(jì)消耗最小化，造成的生產(chǎn)效率最大化，使其最大限度的為使用者帶來(lái)效益。為了進(jìn)一步增加發(fā)揮弧面凸輪機(jī)械手在現(xiàn)代機(jī)械加工生產(chǎn)中的作用。我們應(yīng)當(dāng)在弧面凸輪機(jī)械手的應(yīng)用技術(shù)上進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，提升弧面凸輪機(jī)械手的零件加工效率，提升零件加工的資源應(yīng)用率，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代機(jī)械零件加工可以發(fā)揮工作效率，促進(jìn)現(xiàn)代機(jī)械加工的經(jīng)濟(jì)利益，滿足機(jī)械零件的市場(chǎng)需求。

2.主要零件及附件的設(shè)計(jì)

2.1 連桿的設(shè)計(jì)

下面以其中一個(gè)桿為例介紹其設(shè)計(jì)，可對(duì)右圖來(lái)進(jìn)行參考。水平凸輪的正常轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)與其相接觸的滾子，而滾子和從動(dòng)盤(pán)連同連桿之間有著相對(duì)的位置關(guān)系，其關(guān)系為：滾子通過(guò)擺動(dòng)使連桿也相對(duì)擺動(dòng)，依靠連桿的末端所連接的滾子以推動(dòng)滑塊從而實(shí)現(xiàn)在輸出軸上的水平運(yùn)動(dòng)。連桿主要受的力是彎矩，故將XOZ截面設(shè)計(jì)為圖2左邊的形式。因?yàn)檫@樣的設(shè)計(jì)可以承受較大的彎矩力。連接靠大端的所銑平面上的四個(gè)Φ7.2的孔用M6螺釘加以固定在從動(dòng)盤(pán)上。而小端中有Φ24的孔，這是為了提高精確度，延長(zhǎng)使用的壽命，從而便于更換在孔中設(shè)計(jì)有軸套[2]。

2.2 滾子的設(shè)計(jì)

在弧面凸輪機(jī)械手的設(shè)計(jì)中對(duì)滾子要求也較高，要求滾子不光要有較為準(zhǔn)確的定位，并且還要求摩擦小、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、便于潤(rùn)滑等特點(diǎn)。在這里自然想到了用滾動(dòng)軸承，卻又發(fā)現(xiàn)單個(gè)定做成本一定過(guò)高，并且不能保證其精度。通過(guò)查閱大量的資料之后發(fā)現(xiàn)，舉例說(shuō)明：上海某軸承廠所制造的一種專用軸承與此相似。只需要對(duì)此稍作改動(dòng)，就可完全滿足本設(shè)計(jì)的需要。詳細(xì)可見(jiàn)右圖所示。這個(gè)滾子在滾子的外圈采用滾輪的形式，用栓軸代替了內(nèi)圈，這兩點(diǎn)使設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)緊湊[3]。

2.3 輸入軸的設(shè)計(jì)

這個(gè)弧面凸輪機(jī)構(gòu)通過(guò)與減速機(jī)相互連接的電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)進(jìn)行傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)。在軸徑兩端為Φ40，這里為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)所以在軸承處軸承亦采用Φ40，在考慮到軸上有一定的軸向載荷的情況下，可采用的圓錐滾子軸承為GB/T297-199430208型。為了安裝方便選擇采用面對(duì)面的安裝。同時(shí)為了使凸輪能合理的完全靠在軸的軸肩處，所以在軸肩處設(shè)計(jì)了合理的砂輪越程槽，這里的尺寸為2×1.5。在軸上要安裝的零件有水平凸輪、提升凸輪以及聯(lián)軸器，所以軸上設(shè)置了鍵槽，這里均采用GB/T1096-1979的普通平鍵，由于b×h=12×8所以三個(gè)長(zhǎng)度分別為80、63、50mm。在軸上的兩個(gè)凸輪可通過(guò)螺母進(jìn)行固定。這里的軸用45鋼進(jìn)行加工，在調(diào)質(zhì)處理后的硬度應(yīng)為HRC45～48。從動(dòng)軸所具有的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，詳細(xì)可見(jiàn)圖3[4]。

3.擺動(dòng)期運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選用

3.1 弧面凸輪機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)

為保證弧面凸輪機(jī)械手的準(zhǔn)確性，能夠可靠地進(jìn)行抓取提升和平移等工件?；∶嫱馆啓C(jī)械手應(yīng)具有以下運(yùn)動(dòng)的特性：

（1）精度高：要擁有更好的準(zhǔn)確性和進(jìn)行工作時(shí)的效率，就要求弧面凸輪機(jī)械手必須擁有極高的精準(zhǔn)度，以便完成更多的具有一定難度的工作，適應(yīng)多種工作環(huán)境以及工作狀態(tài)。例如：弧面凸輪機(jī)械手進(jìn)行機(jī)械加工中，實(shí)施機(jī)械加工零件的關(guān)鍵性抓取，并使零件處于平鋪狀態(tài)，零件加工設(shè)計(jì)的各個(gè)部分與零件加工各個(gè)部分之間形成了良好的零件平面吻合，從而保障機(jī)械零件加工的運(yùn)動(dòng)平面處于同一水平狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代零件加工技術(shù)逐精確性、穩(wěn)定性加工。

（2）運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性：在進(jìn)行很多高精度工作的時(shí)候都要求弧面凸輪機(jī)械手具有穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)，以免出現(xiàn)對(duì)要求的精準(zhǔn)度高的工作造成破壞以及對(duì)生產(chǎn)造成不必要的損失。盡量不引起由于慣性造成的位移。

3.2 常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律目前為止已多大三十余種，足夠多種不同場(chǎng)合的生產(chǎn)需要。例如如等速度曲線，簡(jiǎn)諧曲線等運(yùn)動(dòng)曲線。但是在進(jìn)行生產(chǎn)的過(guò)程中出現(xiàn)較高要求的情況下，就必須考慮其所具有的較高的運(yùn)動(dòng)學(xué)的特性，從而對(duì)其運(yùn)動(dòng)中的特性進(jìn)行合理的改造，改善凸輪的特性常用方法之一是采用高次多項(xiàng)式將數(shù)條基本曲線一一連接起來(lái)。

（1）修正等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律是由對(duì)等速度的曲線修正而得到的，也就是在等速曲線的兩端各自加一段經(jīng)過(guò)組合而成的簡(jiǎn)諧曲線作為過(guò)渡曲線，從而保留了等速曲線的部分優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了這兩端運(yùn)動(dòng)曲線不連續(xù)的缺點(diǎn)。此方式大多用于所需要速度很小或必須進(jìn)行等速運(yùn)動(dòng)的那部分的凸輪的從動(dòng)件進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，此方法多用于需要低速重載的場(chǎng)合，而并不適合中速和高速。

（2）修正梯形運(yùn)動(dòng)規(guī)律是通過(guò)對(duì)于修正等加速度曲線的進(jìn)一步修正而得。是能夠針對(duì)等加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律和加速度曲線在作用力的兩端和中間不連續(xù)而且是存在有躍度趨向無(wú)限大這種缺點(diǎn)，在相應(yīng)的不連續(xù)部分分別加入了一段簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)歇曲線對(duì)其進(jìn)行過(guò)度。從而使加速度和存在的躍度曲線相互連續(xù)起來(lái)，從而克服了不連續(xù)造成的缺點(diǎn)。這個(gè)方法可以用于中速輕載甚至中載的場(chǎng)合。

（3）修正正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律是相對(duì)余弦曲線的結(jié)果。就是指在余弦曲線的兩個(gè)端點(diǎn)各自加上一段經(jīng)由正弦曲線作為過(guò)渡而形成的的曲線，從而保留了速度較小的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服了在兩端加速度方面不連續(xù)的這種缺點(diǎn)。相比較前兩種運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)說(shuō)，修正正弦運(yùn)動(dòng)曲線的突出優(yōu)點(diǎn)是速度較小，綜合來(lái)講性能很好，通用性更強(qiáng)。通暢用于中速情況，尤其是在負(fù)載尚不明確的情況時(shí)，這種曲線最為保險(xiǎn)。

結(jié)論

在進(jìn)行弧面凸輪機(jī)械手的研究過(guò)程中，要勇于創(chuàng)新保證其能夠更好地被投入生產(chǎn)使用中，為社會(huì)的發(fā)展更好的貢獻(xiàn)出力量。

參考文獻(xiàn)

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