硕士学位论文-冲压上下料直动型弧面凸轮机械手的设计与研究.pdf

冲压上下料直动型弧面凸轮机械手的设计与研究 摘 要 凸轮机械手是实现冲压上、下料 自动化的重要设备，弧面凸轮 机械手因其精度高、可靠性好、体积小、速度快等优点，一直是冲 压生产中的首选装置。但弧面凸轮机构设计复杂，尤其是弧面凸轮 廓面是复杂的不可展空间曲面， 目前还没有成熟的弧面凸轮 3 d建模 软件问世，这一点制约着弧面凸轮机构 c a e 、c a m 研究的进展。 本 文以冲压上下料直动型弧面凸轮机械手装置作为研究对象，进行 了 弧面凸轮机构设计、三维建模、运动仿真和数字化样机等方面的相 关研 究。 本文提出了一种基于 p ro/e进行弧面凸轮 3 d设计和建模的新思 想，在弧面凸轮轮廓面的包络原理、 n u r b s曲线、曲面构造理论和 等偏距曲面原理的基础上， 研究了一种弧面凸轮 3 d设计与建模的新 方法，解决了弧面凸轮三维建模的难题，该方法实用性强且易于操 作，具有广阔的市场前景。 本文改进 和设计了一款冲压上下料直动型弧面 凸轮机械手装 置，确定了装置的倒 “ u” 型运动方案，并建立了通用性较强的摆动 型弧面凸轮机构的主要运动参数和结构尺寸参数计算公式，设计了 冲压上下料直动型弧面凸轮机械手的系统图、循环图、整机装配图 和零件图。 最后， 应用基于 pro/ e弧面凸轮 3 d设计和建模的新方法， 成功创建了该装置中的弧面凸轮三维实体模型。 本文创建 了冲压上下料直动型弧面凸轮机械手的数字化样机。 在制造行业，以计算机为基础的数字化技术正在改变着制造业的面 貌，数字化设计与制造技术 已成为推动制造业进步的重要动力源。 数字化样机正逐步代替实物样机， 用来进行数字化设计 ( d d ) 、 数字 化仿真 ( d e )和数字化加工 ( d m) 。利用弧面凸轮三维实体模型和 其它零部件的三维实体模型，在计算机上，布置样机的安装工序， 并模拟整个安装过程，选择最优装配方案 ，建立了冲压上下料直动 型弧面凸轮机械手的数字化样机，并对数字化样机进行了运动仿真、 干涉检测、输出参数测量、运动轨迹绘制等工作。 本文较全面地研究了凸轮机构的计算机辅助设计与运动仿真的 方法，其中包括直动滚子从动件平面回转凸轮机构 、摆动滚子从动 件平面回转凸轮机构、直动滚子从动件圆柱凸轮机构以及摆动弧面 凸轮机构。通过运动仿真分析，能很直观的观察到机构的运动情况， 并绘制出机构的运动曲线，提前掌握了机构的运动规律 ，增加了设 计安全系数。尤其是，弧面凸轮机构三维设计与仿真的实现，表明 凸轮机构在数字化、虚拟化研究方面又迈出了一步。 关键词:弧面凸轮，凸轮机械手，弧面凸轮三维建模，运动仿 真，数字化样机 res earch 0n t he t rans l a t i ng gl0b0i dal cam p i ck and p l ace uni t sf or s trmp i ng abs tract t h eg l o b o i d a l c a m p i c ka n dp l a c eu n i t s h a st h ev i r t u e s o f h i g h p r e c i s io n ， h i g hr e l i a b i l i ty a n ds m a l l v o l u m e ， t h e r e for e ， i t i s o n e o f t h e m o s t i m p o rt a n t a u t o m a t e da n dc o m m o n 一 u s e de q u ip m e n t for s t a m p i n g . b u titi sm o r ed i ffic u l t t od e s i g ng l o b o i d a l c a m ， forit sc o n t o u ri s c o m p l i c a t e d a n d c a n t b e u n fol d e d . mo r e o v e r ，t h e r e i s n ， t a c o m m e r c i a l s o ft w a r e fo r p r a c t i c a l a p p l i c a t io n in t h e m a r k e t ，s o t h e d e v e l o p m e n t o f g l o b o i d a l c a mi n c a da n d c a m fi e l d i s r e s t r i c t e d . o nt h eb a s i so f thi ss i t u a t i o n ， an e w i d e ao f g l o b o i d a l c a m 3 d d e s i g na n dm o d e l i n gi s p r e s e n t e d . a p p ly i n gt h et h e o r i e s o f e n v e l o p e ， n u r b sc u r v ea n ds u r fa c e sa n de q u i d i s t a n tc u r v e ds u r fa c e ， an e w m e t h o dw h i c hi sm o r ep r a c t i c a l a n dc a nm a k ei te a s yfort h e3 d m o d e l in g o f g l o b o i d a l c a mi s s t u d i e d . at r a n s 1 a t i n gg 1 o b o i d a l c a mp i c ka n dp l a c eu n i t s for s t a m p i n gi s d e s i g n e di nt h i st h e s i s . s o m ec o m m o ne x p r e s s i o n s o f m o v e m e n t a n d s t r u c t u r e p a r a m e t e r s u s e di nt h ed e s i g no f g l o b o i d a l c a m m e c h a n i s m s a r ed i s c u s s e da n dg i v e n . a n dt h e n ， s y s t e m d i a g r a m ， c ir c u l a rg r aph ， a s s e m b l y d r a w i n ga n dd e t a i l d r a w i n g o f t h e u n i t s a r e d e s ig n e d . a t l a s t ， u s i n g t h e n e wm e t h o d o f g lo b o i d a l c a m3 dd e s i g n a n d m o d e l i n g ， th e 3 d m o d e l i n g o f t h e g l o b o i d a l c a mi s b u i l t ， t h em a n u fa c t u r i n gi sc h a n g e dh u g e l yb yd i g it a i t e c h n o l o g ya n d d r iv e nfo r w a r db yd i g it a l d e s i g na n dm a n u fa c t u r e . t h e m o d e l m a c h in e i sr e p l a c e dg r a d u a l l yb yd i g i t a l p r o t o t y p e ，w h i c hc a n b eu s e dt o s i m u la t i n gt h e m o v e m e n t o f t h em a h i n ea n dm e a s u r i n gt h er e s u l t o f o u t p u t ， t h e d i g i t a l p r o t o t y p e o f t h e t r a n s l a t i n g g l o b o i d a l c a mp i c ka n d p l a c e u n i t s for s t a m p i n gi s a s s e m b l e d ， t h e n t h e w o r k o f t h e m o v e m e n t s i m u l a t i o n ，i n t e r fe r e n c e t e s t ，o u t p u t p a r a m e t e r m e a s u r e m e n t a n d n l d r a w i n g m o v e m e n t t r a c e o f t h i s u n it s i s d o n e . t h em e t h o do f c a m m e c h a n i s m d e s i g na n ds i m u l a t i o na id e db y c o m p u t e ri ss t u d i e d ，i n c lu d i n g r o t at i n gd i s k c a m r o l l e r 一 fol l o we r me c h a n i s m r o l l e r- fol l o w e rme c h a n i s m， r o t a t i n g d i s k c a m wi t h t r a n s l a t i o n w i t h o s c i l l ati n g t r a n s l a t i o nr o l l e r 一 fo l lo w e r c y l i n d r i c a l c a m m e c h a n i s m a n d g i o b o i d a lc a m m e c h a n i s m w i t h o s c i l l a t in g r o l l e r- fol l o w e r . u s i n gt h er e s u l t o f m o v e m e n t s i m u l a t i o n ， i n t e r fe r e n c et e s t ， o u tp u t c u r v e ， t h e c o r r e c t n e s s o f u n it s is v a l id a t e d a n d i t i s p r o p it i o u s t o i m p r o v e t h e s a fe t yfa c t o r . f i n a 1 l y，t h e r e a l i z a t i o no f g l o b o i d a l c a m3 d d e s ig n a n d s i m u l a t i o n w i l l p u s h t h e r e s e a r c h o f c a mm e c h a n i s mfor w a r d i n t h e fi e l d o f d i g i t a l a n d v i rt u a l . k e ywo r d s : g l o b o i d a l c a m ， c a mp i c ka n dp l a c eu n it s ， g l o b o id a l c a m3 dm o d e l i n g ， mo t i o n s i m u l a t i o n ， d i g i t a l p r o t o t y p e i v 原 创 性 声 明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师的指导下， 独立进行 研究所取得的成果。 除文中己 经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他 个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体， 均已 在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律责任 由本人承担。 论文作者签名: 沐 愁 五 伦日 期:200 7 年 月 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、 使用学位论文的规定，同意 学校保留 或向国家有关 部门 或机构送交 论文的复印 件和电子版，允 许论 文被查阅和借阅;本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内 容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论 文 作 者 签 名 : 生 1 组 导 师 签 名 : 渔丝- 。 期 : 2 0。 : 年 。 月 冲压上下料直动型弧面凸轮机械手的设计与研究 1绪论 l l凸 轮机械手 l l i凸 轮机构 凸 轮机构因 其自 身的诸多 优点 ，备受重视， 广泛应用 于自 动 包装机、自 动成型 机、 自 动装配机、自 动机床、电 子机械、物流机械、食品 机械、自 动送料机械、高 速压力机 械、 加工中心换 刀机构、 陶瓷机械、自 动售货 机、自 动办公设备、 印刷机械、 农业机械、 纺织机械等。 凸 轮机构能 够广泛得到 应用， 主要在于凸轮 机构具备以 下优点: ( 1 ) 结构紧凑、工作可靠。 (2 ) 能实现复杂的 运动要求， 且因为它 兼具 传动机构、导向机 构及控 制机构的 各种功 能。 (3 ) 能实现 可靠的高速运动。 凸轮机构在现代工业中占有举足轻重的作用，凸轮机构最早应用在内燃机配气机构 上，内 燃机配气凸 轮机构的 发展需 要推动了凸轮机 构运动学和动 力学理 论研究 1111 2113 。目 前， 凸轮机构在美国、 英国、 德国 、日 本等一 些国 家研究己 经相当 深入， 并已 有了 标准 化、系列化的定型产品。 我国对凸轮机构的研究起步较晚。目前，我国已经可以设计制造出各种规格、满足 多种使 用要 求的凸 轮机构，并己开 始进行标准、系列 化生 产。我国凸轮 机构的 制造模 式 大致可以总 结为五步: (l ) 市场调 研，对市场需要进行 调查. (2 ) 提出方案，对可行性和经济 效益进行预估。 (3 ) 方 案 设 计， 设 计 满 足 运 动 要 求的 机 构 参 数 . (4)制 造 样 机 ， 对 机 构 零 部 件 进 行 加 工 、 装配 . 性 能 检 测 ， 对 生 产 的 样 机 进 行功 能 检 测与强 度校核， 获得 评估报告。 (5 ) 方案完善， 对整 个过程进行总结， 对出 现的问 题分析原因， 进行方案改进。 这是 一个循 环过程，为了 满足顾客 要求或设计者目 标， 需要 进行反复 修改与完善， 才能 最终 投入大规模量产。 随着 全球经济一体化的 进程加 快以 及信息技术的迅 猛发展， 现代制 造企业 环境发 生 了重大的变化， 产品生命周期 缩短、 新产品层出不穷、 产品的更新换代 速度加快; 交货 期成为主要竞 争因素，交货期直 接影响到企业的利 润，市 场的 快速响 应， 快速设计， 快 速生产成为企业最重要的竞争筹码之一。 陕西科技大学硕士学位论文 通过分析，不难发现凸轮的传统制 造模式 与全球整体经济 大潮不符，主要问 题可以 归纳为以下几个方面: ( 1 ) 产品开 发周期长， 这是最影响企业竞争力的 因素之一 (2 ) 设 计的 盲目 性较大， 只有等样机生 产出 来， 才能 发现问 题， 如果机构简单， 设计 者可能 考虑比 较周全，若比较复杂，设计者 难免会出 一些小差 错， 就可能差之毫 厘、 谬 以千里，使得整个设计功亏一赘。 (3 ) 制 造效率低，因 为一般生产人员不能完 全明白 设计者的意图，只能凭经验办事， 编 制的 工艺流程，难免会出现差错，更 达不到 最优化方案。 可见， 这些因素大大影响了凸轮机 构在市 场上的竞争力， 不能 满足社 会的需 求。 l l .2 凸 轮机械手141 1，1 凸 轮机械手是凸轮机构应用较早、也是 应用较广泛的传动装置形式。美国最 先提出 凸轮机械手的概念。凸轮机械手简称 p 竖直平面沟槽凸轮与空间连 杆机构连接实现竖直运动。 该 机构适用于受力不大场合， 连杆可以 使凸 轮机构方便的作用于直线形生产线上， 机构轻巧。但由于机构连接较多，使传递精度较差，而且承载力很小。 图1 一 1平面板形凸 轮机械手 f igl i f i路几“ 刃 . ” mani pulato r 图1 一平面沟枪凸轮机械手 fi gl一g it 旧 v e d 亚 e cam m a n i pul ator b空间凸轮机械手 1 ) 转位、 升降弧面凸轮机械手 转位、 升降 弧面凸 轮机 械手机构如图1 一 3 示， 运动机理为: 转位凸 轮和升降凸 轮， 在电 机带 动的凸 轮轴上匀速转 动，转 位凸 轮带动带有多个 滚子的 从动盘旋转， 实现输出 轴的间 歇转动; 升降 动作由升降凸 轮实 现， 升降凸 轮带动 升降 从动盘转动， 拔叉和升降 凸 轮从动盘公用拔叉轴作为旋 转轴， 有相同 的运动 规律， 拔叉通过正弦机构与输出 轴相 连，把旋转运动转化为输出轴的升降运动. 该机构最大的特点是 体积小， 但也仍有需要改 进的 地方， 如通过拔叉把升降凸轮从 动 盘的 转动变成输出 轴的升降 运动时，由 于机械手 输出 轴运动轨迹为直线， 而拨叉的运 动 轨迹为圆 弧， 拨叉通过小 轴推动输出 轴沿竖直方向 运动时， 拨叉所受的力在水平方向 有 分量， 且受力大小和方向 在不断变换， 因此 拨叉动态特性较差。 陕西科技大学硕士学位论文 2 ) 弧面凸轮钢球机械手 弧面凸轮 钢球机械手机构简图 141 如图1 一所示， 本机构以 弧面球包络凸 轮为主动轴输 入， 驱动中间 媒体 钢球， 进而推动从动盘转 动，经 滑键带 动升降 轴往复 摆动， 从而实 现 机械手手臂的 转位动作。 机械手的 升降动作是靠一 个内圆 柱凸 轮实现，内圆 柱凸 轮的从 动件与升降轴固 连成 一体， 在升降 轴往复摆动的同时， 驱动从动件滚子在内圆 柱凸 轮内 运动， 反过来内圆柱凸 轮推动从动件滚子连同 升降 轴实 现升降运动。 一么 图1 一 3转位、 升降弧面凸 轮机械手 f ig l 一1 、 lm i ng幼 d u 众 加 9 91 o boi翻 c 吻 n 挂 田 i p u lal or 图1 4弧面凸 轮钢球机械手 f ig l 4stee l bal g 】 o boi daj c am m a n ip u lator 冲压上下料直动型弧面凸轮机械手的设计与研究 此结构最 大的 特点 是， 用弧面 球包络取代了 传统的弧面圆柱包 络， 改善了 运动 特性。 钢球推动从动 盘实 现往复 摆动之后， 直接进入壳体上的环行轨道内， 支撑着从动盘， 起 到轴承的作 用， 省去了 现有的凸 轮式机械手从动盘上的支撑轴承。 这样， 使零件的 种类 和数量 减少、 机械手的外形尺寸 缩小、 啮合刚度和强度明显改善， 从而 工作可靠性大 大 提高。 从样机的实 验效果总 得来看， 该机械手具有结构简单、造价 低、 可靠性高、噪 音 小等优点。 c组合式凸轮机械手 1) 平行分度凸 轮机构和圆 柱沟槽凸 轮机构组合式凸轮机械手 图1 一 5 所示为平行 分度凸 轮机构 和圆 柱沟槽凸 轮机构组合式凸轮机械手. 图卜 5平行分度凸 轮和圆柱沟 槽凸 轮组合机械手 f i g l 巧c am m an i p u lat o r c o ns t it u t e d 勿p a r a l l e l i n d e x i ngc am an d b 翻 rr e l c 司 m 该机 械手的 工作原 理是: 平行分 度凸 轮和圆柱沟槽凸轮安装 在同 一凸 轮轴上，圆柱 沟槽凸轮 和正 弦机构实 现输出 轴臂的 直进运动; 平行分度凸轮与 滚子啮 合带 动输出轴间 歇旋转， 再通过齿轮传动带动转臂实现转动动作。 该 装置的 特点是凸 轮轴和输出 轴臂平行，与槽 轮、不 完全齿 轮等间 隙机构比， 运动 震动 和噪 音比 较小，又因为该装置体积与槽 轮、不 完全齿轮等相当，固 可以 对现 有机构 进 行改 造。此外，平面凸轮容易加工，容易 推广。 2 )弧 面凸 轮机构和圆 柱沟槽凸 轮机构组合式凸 轮机械手 图1 一 6 所示机构简图为弧面凸 轮机构和圆柱沟 槽凸 轮机构组合而成的凸轮机 械手， 该 机械手的工作原理是:电动机带动圆 柱沟 槽凸 轮等速旋转， 通过正弦机构， 把圆 柱沟 陕西科技大学硕士学 位论文 槽凸 轮从动件滚子的 摆动转变成输出 轴的直进运动:圆柱 沟槽凸 轮的 输入轴与弧面凸轮 的输 入轴通过弧面 锥齿轮连接， 将电 动机输入传递给 弧面凸 轮轴， 弧面凸 轮与从动盘滚 子啮 合带动转塔旋 转运动， 实现凸 轮机械手的旋转动 作。 在弧面凸轮机 构和圆 柱沟槽凸 轮机构组合的凸轮 机械手 装置中， 与圆 柱沟槽凸轮机 构相 连的 从动件， 使用了 双杠杆 机构， 这样保证了 力 传递的可靠 性和平稳 性，同 时减小 了 滚 子上的受力， 使滚子 在凸 轮沟槽内的 磨损情况明显得到了改善， 保证了 传动精度的 同时，延长了圆柱凸轮的使用寿命。 图1 石弧面凸 轮和圆 柱沟枪凸 抢组合机械手 fi gl石c am m a ” ivu】 翻 o r consti t u t edby乡 。 boi 胡 c am and b 别 rr e l c 别 的 3 )弧 面凸 轮机构和平面沟槽凸 轮机构组合式凸轮机械手 弧面凸 轮机构和平面 沟槽凸 轮机构 组合式机械手一般可分为图1 一 7 所示的a 、 一体式 和 b 、独 立式两种形式。一体式 将弧面凸轮 和平面沟槽凸轮做成一 个零件， 这样用一个 凸 轮来完 成两种动作，装置 所占空间 相对较小; 独立式按照传统的 方法， 将弧 面凸 轮和 平面沟 槽凸 轮分别加工， 考虑到 轴受力、机 构振动、凸轮固定安装等因素，弧 面凸 轮节 圆 半径和 平面沟槽凸轮端面半径尺寸相 近，并 用螺钉连接在一 起， 这种形式的 优点是加 工容易。 弧面凸 轮机构和平面 沟槽凸 轮机构 组合凸 轮机械手的运动原理是:弧面凸 轮和平面 冲压上下料直动型弧面凸轮机械手的设计与研究 沟 槽凸 轮安装在同一输入轴上，由 电动 机带动。 旋转运动由 弧面凸 轮与弧 面凸 轮从 动盘 啮 合， 带动输出 轴完成旋转动作; 直进运动机构由 平面沟槽凸轮和正弦机构组成，平 面 沟槽凸轮为正弦机构提供动力，完成直进动作。 习、一体式 弧面凸轮 旋转运动 b】 、独立式 图卜 7弧面凸 轮和平面沟槽凸 轮组 合机械手 f ig l 一c am m a n i pul alor co n s t i l u l edbygl 。 加i da! c a n 、 明d 亨 oov ed俪e c a ll l 陕西科技大学硕士学位论文 该 组合式凸轮机械手由 于弧面凸轮 和平面 沟槽凸 轮安装在同一 输入 轴上， 所以 体积 小， 重量轻;并且该 装置速度快、效率高。该 机械手用作自 动 换刀 装置， 完成一 次换刀 动作，时 间仅需要0. 85， 而一般液压换刀 装置需 要5 一 2 05。 l i j 凸 轮机械手研究综述 在国 外，很早就展开了凸轮 机械手的理论 研究和工业应用，日 本己 经研究出了多 种 形式的凸 轮机械手结构141 ，并形成了 凸轮机械手行会标准， 使凸轮机械手进入了 系列化 生 产阶段。在美国 和欧洲一些国家，凸 轮机械 手的 研究也处于领先 地位， 在美国的 众多 凸 轮公 司中，以c o m c o 、fe r gu son 公司 最出 名. 我国 对于凸轮 机械手的研究 起步 较晚， 尤其 是弧面凸轮机 械手， 从90年代才开 始着 手 研究， 其中，陕 西科技 大学、 大连轻工业学院 、吉 林工业 大学，山东 工业大学， 西安 科 达凸 轮制造公司 等高校和公司， 在凸 轮机械手的 机构设计、结构改 进和加工方面及凸 轮 机械手系列 化、 模块化、可视 化、 数字化研究 方面，做了 大量的 研究工作，并 取得了 一系列研究成果。 在凸轮 机械手的 机构设计和结 构改 进方面， 陕西科技大学葛正 浩教授， 利用自 主研 发的凸 轮连杆 机构c a d 软件系统c a m l i nklsl ， 在文献 6中， 对直动与 直动组合的凸 轮机 械手进行了 机构设 计和分 析，并 研制了 包括直动型弧面凸轮 机械手、 分度直动型弧面凸 轮 机械手ivll sl 在内的实用型凸轮机械手系列产品. 文献【 5研制了 一种弧面凸 轮钢球式机 械 手， 该机 械手 最大的 特点是用 钢球代替了 通常使用的圆柱 滚子 从动件， 使机械手装置 的 外形尺寸 缩小、 啮合刚 度和强 度明 显得到了 改善。 针对与圆柱 滚子共扼啮合的 弧面凸 轮 机械手在实际 应用中存 在的缺陷，曹巨 江教 授进行了凸 轮和从动件点接触模型和动力 特 性 的 理 论 研 究 1101 11 111 121 . 在凸轮 机械手的 加工方面，除了 完善 和改 进范成法加工、两重 包络法加工、 刀具补 偿 法加工和自 由曲 面加工 1 1 ，lll4111 ” 等常 用加工方 法的 基础上， 文献 1 6针对数控加工中 心 换 刀弧面凸 轮机械手的 加工，提出了一 种将范 成法与两重包 络法 相结合的 新加工方法， 研究了 该加工 方法的刀具 路径和加工工艺。 系列化设计 有利于提高设计 功效， 缩短设 计周期，并提高设计 的可靠性与继承性， 但在 1 9 99年查 新资 料中， 我国 在弧面凸 轮系列化研究方面尚 属空白， 陕 西科技大学曹巨 江 教授最早开 始进行凸轮 机械手 系列化的 研究llq lls lll 叩 01 ， 文献【 1 9 借鉴模块化思想和成 组 技术原理， 对弧 面凸 轮机械手 系列化设计的 思想进 行了 探讨， 从弧面凸 轮机械手的中 心 距系列化设计 着手，以凸轮的 基本形 式、 承载能力、结构形式 尺寸等作为设计参数， 进行了弧面凸轮系列化研究。 在凸 轮机械手可视化研究方面l2li22 jiz3 1l:l 阴 1261， 弧面凸轮机械手的三维建模一直是热 点， 文献【 25俐 用a u 怕 c a d 2000提供的二次开发工 具v b a进行了 弧面分度凸轮机械手 冲压上 下料直动型弧面凸轮 机械手的 设计与研究 的三维实体 造型研究。 颜鸿森 教授网阅 口 1在s gi一 3 10工作站上采用c语言编程实 现了 弧 面凸轮的自 动建模。 在本 世纪初， 文献 3 0 以i d e a s m ss 三维工程软件为平台， 对m 63 5 0 卧 式加 工中 心换刀机械手进 行三维实体装配， 并对换刀 机械手 装置进 行了 三维装配和 换 刀 运 动仿 真 ， 实 现了 凸 轮 机 械手 装 置 设 计 的 可 视 化。 文 献241 在 理 论 研 究的 基 础 上， 采用面对对象程序设计方法，利用 vi s 让 目c 料和 0 沐 ngl作为开发工具建立了 基于 w i n d o w s 操作系统、具有良 好人机交 互界 面的 弧面凸轮c a d系统，可实 现摆 动滚子 从 动 件弧面凸 轮机械手设 计过程的自 动化和结果的可 视化， 扩展了一 般c a d系统的 功能. 目 前. 凸轮机械手在理论完善的同时， 研究正 在向 集成化、 智能化、 数字化等方向 发展。 1 .2 课题的提出4t， .， 此直动型弧面凸 轮机械手主要用于冲压 送料 及其它相应的自 动生产线中， 在电 机带 动下， 水平凸 轮和竖直凸 轮作匀速转动，凸 轮通过 滚子与盘形从动件相连， 实现水平和 升降 动作，机械手的运动轨迹如图 1 一 8所示， 采用倒 “ u ” 型直动弧面凸 轮机构，机构 简图 如图 1 一 9 所示。 满足的技术指标如下:x向运动行程1 50 画 可调: 2向 运动行程75 二; 运转速度60次/ 分; 运载能 力2 公斤。 弧面凸轮机械手机构是目 前性能最好的凸 轮机械手类型之一。 不但可实 现高 速运动， 同 时还可以 通过调整中心距来增加预载，消除 弧面凸轮机构的凸 轮与转位盘滚子之间的 啮合间隙以及调整凸轮与转位盘滚子 之间的 预紧力。 此外，弧面凸轮机构可获得转位与 停歇的 任意时间比 例并可使用运动特性最好的从 动件运动规律。 同时，由 于弧面凸 轮机 构中 心距短，机构体积小， 传动链少，使得 弧面凸 轮机构强度高、 结构紧凑、 传动性能 可靠。 田 t 一 8运动循环图 f ig l 名m o 幻 即哪 d . 。 门 p 卜 图1 一 倒 “ u 型直动弧面凸 轮机构 f ig l 刁t 住 旧 51 心ngg 】 o bo记 a 工 . mm e c h 胡玉 smge廿 1 眼 i n v e d e d “ lj， 。 u r v e o 川 p ut 陕西科技大学硕士 学位论文 目 前， 传统的凸 轮设计方法己 经不能 满足实际生产需要，需要与最新技术相结合， 寻找一条继续可发展之路。 航天航空领域代表着科研领域的最前端， “ 波音公司” 建成的 数字化以d/以e /c胡系统，大大缩短了 开发的时间 和设计的周期，通过对整个过程的虚 拟现实， 掌握了 设计和生产的全局。鉴于此， 利用现有成熟的商业化软件 p r o / e ， 进行 三维建模，形成冲压上下料直动型弧面凸 轮机械手数字化样机，使在产品设计阶段， 借 助建模与 仿真技术及时地、并行地、模拟出 机构未来设计制造过程的各种活动， 预测、 检测、评价产品性能和产品的可制造性等等。从而更加有效的、经济的、柔性的组织生 产，增强决策与控制水平， 减少甚至消除前期设计和后期制造之间的回溯更改，以 达到 产品的开发周期和成本最小化、生产效率的最大化。它不消耗现实资源和能量，所进行 的过程是虚拟过程。 因 此， 将以d/以e /cam数据实现直接和完全转化， 建立一种数字化样机的设计方法 具有十分重要的理论意义和广阔的应用前景。 1 3课题的主要任务 :常用凸轮机构的 运动仿真和分析 以 直动滚子从动件平面回转凸 轮机构、 摆动滚子从动件平面回转凸轮机构和直动滚 子从动件圆 柱凸轮机构三种常用凸 轮机构形式为 例， 研究凸轮机构计算机运动仿真和分 析的方法。 b弧面凸轮机构的3d设计与建模 三维c ad模型是c a e 、 c a m 研究的基础。 在冲压上下料直动型弧面凸轮机械手装置中， 三维建模关键和难点是弧面凸轮的 建模。 在理论 研究和pr。 /e软件应用的基础上将研究 一种基于p ro/e弧面凸 轮3d设计与建模的新方法， 利用弧面凸轮轮廓面包络原理、 等距 曲 面原理， 在仿加工模型下，按要求给定从动件运动， 在pro/e 中用nur bs曲 线绘制出 弧面凸轮的理论轮廓线，最后完成弧面凸轮的三维实体模型。 c 冲压上下料直动型弧面凸 轮机械手的 设计 包括对现有直动型弧面凸轮机械手机构的消化和改进， 确定倒“ u ” 型直动凸轮式机 械手的 实现方案，建立通用性较强的 摆动型弧面凸轮机构的主要运动参数和结构参数计 算公式。 确定该装置的主要运动参数和几何尺寸、完成主要零件及附件的设计与计算以 及传动装置与电 动机的 选用，绘制出 冲压上下料直动型弧面凸轮机械手装置的 系统图、 循环图、装配图和零件图。 d冲压上下料直动型弧面凸 轮机械手的 数字化样机 掌握数字化技术的 最新动态和基本技术. 利用凸轮3 d模型和其它零件的 三维实体 模型， 布 置装配工艺， 其中， 产品的 装配 模型 应 包括 零部 件的实 体信息、 零部 件间的 装 配关系以 及由 装配关系所决定的空间 位置关系， 通过不同 装配序列结果的 动态仿真和分 冲压上下料直动型弧面凸轮机械手的设计与研究 析， 对不同 装配序列进行对比、 优化， 得到最佳的 装配方案。 模拟实际装配过程，建立 冲压上下料直动型弧面凸轮机械手的数字化 样机。 将对数字化样机进行运动仿真和分析， 完成运动仿真、千涉检测、输出 参数测量、 运动轨迹绘制等工作。通过运动仿真分析， 模拟机器真实环境中的工作情况并对分析结 果进行判断，以尽早发现样机的缺陷和潜在的失 败可能， 提前进行改善， 从而减少后 期 修改而付出的昂贵代价，减小设计的周期。 映西科技大学硕士学位论文 2凸轮机构的运动仿真与分析 2. 1引言 近 年来， 随着凸 轮机构计算机 辅助设 计和制造的普遍应用， 大大提高了设计 和加工 的效率 和质量。 凸轮机构的运动仿 真分 析， 通过建立凸轮与从动 件之间的约束关系， 对 机构元 件进行连接和装配，给定机 构初始状态和运动条件，可以很直观地观察 机构的 运 动轨 迹和空间位置干涉情况，并能 绘制出 机构运动曲 线， 使设计 者能提前掌握并 控制机 构 运动规律及精度，增加设计安全 系数。 凸 轮机构由凸 轮、从动杆和机 架三个主要构件构成。通过对直动滚子从动件平面回 转凸 轮机构 ( 助怕 石 n g diskc am 诫thtran s 1 atingrou er-fo1 lo wer m ec b ani sm ) 、摆动滚 子 从 动 件 平 面 回 转 凸 轮 机 构 ( rotat ingdi skc am wi th0 sc ili ati ngrolle 卜 f oll o wer m ec h 如sm) 及直 动 滚 子 从 动 件 圆 柱 凸 轮 机构 ( 肠 明 s lati onroll er- follo wer c ylin d 巧 c al c am m e c h an ism) 这三种典型凸轮机构型式的 设计与 仿真， 介绍了计算机辅 助凸 轮机构设计与 仿真的 方法， 通过 对设计与仿真结果地对比分析， 检验了 设计方 案的正 确性和可靠性. 2 2从 动 件 运动 规 律12 ，【3，。 3， 2. 2. 1运动规律相关概念 a传递函数 凸 轮机构无论是作为传 动机构还是控制机构， 其最重 要特性和决定因素就是传 递函 数。 一般可将从动件输出位移5 随输入时间t 的变化归纳为凸轮 机构的位移传 递函 数， 其函 数表示式为: 5 = 了 ( 了 )( 2 一 1 ) 由 于每种凸轮 机构 有不同的 工作要求，因 此传 递函 数也 会随 之而变化。 但无论传递 函 数如何变化， 在凸轮 机构的 分析中都可划分为如图2- 1 所示的 三种基本运动形式: 双 停留 ( d r ) ) 、 单停留 ( d r r ) 、 无停留 ( r r r ) 。 实际工 作中所需的运动， 都可由 上述 三种基本运动形式组合而成。 b运动参 数的 无量纲化 为了 满足不同设计 要求，凸 轮机构从动件 运动规律也各不相同， 且种类很多。 为了 便于研究这些运动规 律的共同 特性， 实现统一 化、 标准化， 常把输入量时间 t 和各运动 参数: 位移5 、 速 度v 、 加速度a 等进行无量纲 处理， 变成用相应大写字母表示的 无量纲 量。 设 某 个 升 程段 的 位 移曲 线 为: 5=5 ( t) ， 时 间t 的 变 化 区间 为 0 ， 习， 卜拓 时 ， 5 = h 。 则其速度v 、加 速度a 、跃度j 、跳度q 可 依次表示为: 冲压上下料直动型弧面凸轮机械手的设计与研究 1 ， 、双停留 卫 一 ，闷 . 一 2 】、单停留 3 ) 、无停留 图2 一 1 基本运动形式 f igz一 i el elne 幻 ta 叮m o t io n fo rm 梦 = dzs一dtzd，s一dt，业dt. 山-dt咖-dt由一dt a = ( 2 一 2) 则相应的无量纲量定义为: = 生， h d z s 2 = - ， - 了 = 一“ dz ， h ( 2 一 3) d 3 s d r ， d 谭 5 dt 子 ， 子 ， 二!一h竺dt丝dt塑dt坐dt =一一= 仁样|体、l丫j肠广|卜t|防广 式中 :t 、5 、 v 、 a 、 j 、 q分别为无量纲时间、无量纲 位移、 无量纲 速度、 无量纲 l 3 陕西科技大学硕士学位论文 加 速 度 、 无 量 纲 跃 度 和无 量 纲 跳 度. 其中 ， t 和5 的 变 化 范 围 都 是 0 ， 11 . c连续性和边界条件 对于复 杂凸轮， 其运动 规律需要分段考察。按工作条件可看作是由 基本运 动形式组 合而成，为了 保证运 动曲 线 光滑过渡，因 此运动参数在结合点处必须保持 连续， 在运动 的起始点 和终止点满 足边界条 件。 下面给出了 三种 基本运动形式的升程或回 程经过无量 纲处理后的起止边界条件。 双停留 ( d r d): 丁 r l t = 0 时， 二1 时， 5=0 ， 5=1， 犷=0 ， v=0 ， a =0 a=0 ( 2 一 4) 单 停留 ( d r r ) : j r l t = 0 时，5= 0， = 1 时， 5 = 1 ， ( rr r) : = 0 时，5= 0 ， = 1 时， 5 = 1， v二0 ， v=0 ， a =0 a=任意值 ( 2 一 5 ) 无停留 r t t v=0 ， a= 任意值 犷=0 ， a=任意值 ( 2 石 ) d对称性和非对称性 如果运动规律满足如下的关系: 卿一 少 ， = 一 !(t， 犷 0 一 t) = 犷 (t 工 l a (l一 t ) =一 a ( t ) ( 2 一 7) 则 称为对称 运动 规律。 对于这种运动规律，当t =0.5时， 有 5 =0.5 ， v 等 于最大值， a 司。 而对于不满 足 (2一 7) 式的 运动规律则称为非对称运动 规律。 在凸 轮机构的 设计中， 由于 对称运动规律的 数学表达式简单、易于设计和 编程，因 此只要在满 足其运动要求和 动力学 特性的基 础上， 一般都采用对称运动规律.非 对称运动规律一般只用在一些有 特 殊使 用要求的 场合 下。 e评价参数 目 前， 凸轮的 运动规律己 达几十种之多，可 满足不同 场合的 需要. 评价各种运动规 律优劣的 参数主要 包括: 1 ) 最大速 度v . 最大速度影响 到凸 轮的 尺寸大小和磨损情况， 并与凸 轮机构的 安全指数息息相关。 在凸 轮机构中， 其压力角一般会随速度的增大而 增大， 而压力角过大会导致磨损加剧、 效率降 低甚至发生自 锁，因 此为了 减小压力角， 一般选用 v m 较小的 运动规律，同时 较 小的v 。 可得到较小的基圆 半径， 从而减小凸 轮 机构的 尺寸。 . 冲压上下料直动型弧面凸轮机械手的设计与研究 2 ) 最大加速度a - 与 对于凸 轮机构使用寿命的 影响， 在凸 轮机构尤其是高速凸轮机构中， 由 于与 加速 度成正比 的惯性力是主要载荷， 而较大的惯性力会 加剧构 件之间的 磨损， 是影响凸 轮机 构寿 命的主要影响因素之一 编 对于凸 轮机构工作精度的影响，因最大加 速度与惯性力成正比， 最大加速度 增 大， 受力增大的同时，振动增加，会影响凸 轮机构的 精度。 因 此 am 是衡量运动规律性能的重要特性值 之一， 一般在中、 高速凸轮机构中， 要 选用am 较小的运动规律。 3 ) 加速 度均方根a 附 人 .反映了 凸轮机构受惯性力后偏离平 均位置的 动力扭曲 程度， 是精度要求高的 凸 轮机构重要参考 参数， 在运动 精度要 求较高的 条件下，应选用a 耐较小的 运动规律。 4 ) 动载转矩特征值 ( a v ) . ( 六 v ) 。 反映了 动载转矩的最大值，由 于动载惯性力与凸轮转 矩 ( a v ) 成正比， 为 了 减小凸 轮转矩，降 低电 动机功率， 应选用 ( a v ) . 较小的运动规 律。 5 ) 最大跃度几 加 速度曲 线的 连续性和平稳性 对凸 轮机构的 振动和运动精度影响较 大， 最大跃度是 评判加 速度曲 线优劣的 参数指标。 jm主 要影响高 速凸 轮机构的 运动精度， 在高 速凸 轮机 构中，为了 提高传动精度， 减少机构的振动，并保证设计的凸轮 轮廓光 滑， 通常情况下 要 控制标不超过某个数 值。 ) 最大动载转矩变化率、 、反 映了 几何封闭 凸轮机构中当 凸轮反向时， 横向 冲击造 成的磨 损以 及产生的噪声， 因 此在实际的使用中，除了通过预载或结构措施来 消除间隙、 减少噪声和磨损外， 还应 选用场较小的 运动规 律。 2 .2.2常用从动件运动规律介绍 a通用简谐梯形运动规律 简谐梯形组合运动规律，是由 简 谐曲 线和梯形曲 线组合而成，目 前广泛应用于中 速 凸 轮机构中的一 种改型 运动规 律。它 兼有简谐运动规律在两端连续及梯形 运动规 律最大 加速度较小的 优点，因 此能 够满足工程上大多数中 速凸轮机构的设计要 求. 在凸 轮机构的 设计中，为了 满足不同 设计要求，常需要对各种运动规 律进行分析比 较和组合，因此 寻求一 种能 够表达各 种运动规律的通用表达式将会为设计 带来极 大的方 便。 通用 简谐梯形运动规律是一种工程中 应用广泛的 运动规律，它 具有良 好的 性能和 较 强的 通用性， 通过选 择不同的分 值区间叭就能得到绝大多数基本运 动规律和常用运 动规 陕西科技大学硕士学位论文 律。 通用简谐 梯形运动规律以 加速度连续为基础进 行数 学建 模。 其组合加速度曲 线如图 2 一所示， 横轴为无量纲时间t ， 纵轴为无量纲加速度a ， 分值区间五( 间 ， 1 ， 2， 3， 4， 5， 6， 7) 为 确定运动规律的一 组参数。 在n 、 w、 vl 段为等加速 运动 规律， 其余段为简谐运动 规 律，因此各段的加速度表达式为: 图2 一组合加速度曲线 flg z 一c om bi n ed 那“比 旧ion c u rv e ( to t 不) ( 不1 /2 时，为双曲 线段;当 w户 1 时，为抛 物线段;当r0. 2 司 4 p m 凸轮端面粗糙度 ra0. 卜1 6 p m 凸轮端面对内孔 ( 基准) 的垂直度 0 .0() 5 阅 ，ol mm 凸 轮突脊两侧夹角p 的公