（材料加工工程专业论文）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 r o 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p r o 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己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 i i r e s e a r c ho nt h et r a n s l a t i n gg l o b o i d a l c a mp i c ka n dp l a c eu n i t sf o rs t r m p i n g a b s t r a c t t h eg l o b o i d a lc a mp i c ka n dp l a c eu n i t sh a st h ev i r t u e so fh i g h p r e c i s i o n ，h i g hr e l i a b i l i t ya n ds m a l lv o l u m e ，t h e r e f o r e ，i ti so n eo ft h e m o s ti m p o r t a n ta u t o m a t e da n dc o m m o n - u s e de q u i p m e n tf o rs t a m p i n g b u ti ti sm o r ed i m c u l tt od e s i g ng l o b o i d a lc a m 。f o ri t sc o n t o u ri s c o m p l i c a t e da n d c a n tb eu n f o l d e d m o r e o v e r ，t h e r ei s n tac o m m e r c i a l s o f t w a r ef o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o ni nt h em a r k e t ，s ot h ed e v e l o p m e n to f g l o b o i d a lc a m i nc a da n dc a mf i e l di sr e s t r i c t e d o nt h eb a s i so ft h i ss i t u a t i o n ，an e wi d e ao fg l o b o i d a lc a m3 d d e s i g na n dm o d e l i n gi sp r e s e n t e d a p p l y i n gt h et h e o r i e so fe n v e l o p e ， n u r b sc u r v ea n ds u r f a c e sa n de q u i d i s t a n tc u r v e ds u r f a 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 la n dc a nm a k ei t e a s yf o rt h e3 d m o d e l i n go fg l o b o i d a lc a mi ss t u d i e d at r a n s l a t i n gg l o b o i d a lc a mp i c ka n dp l a c eu n i t sf o rs 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 so fm o v e m e n ta n d s t r u c t u r ep a r a m e t e r su s e di nt h ed e s i g no fg l o b o i d a lc a mm 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 md i a g r a m ，c i r c u l a rg r a p h ， a s s e m b l yd r a w i n ga n dd e t a i ld r a w i n go ft h eu n i t sa r ed e s i g n e d a tl a s t ， u s i n gt h en e w m e t h o do fg l o b o i d a lc a m3 dd e s i g na n dm o d e l i n g ，t h e3 d m o d e l i n go ft h eg l o b o i d a lc a m i sb u i l t ， t h em a n u f a c t u r i n gi sc h a n g e dh u g e l yb yd i g i t a lt e c h n o l o g ya n d d r i v e nf o r w a r db yd i g i t a ld e s i g na n dm a n u f a c t u r e t h em o d e lm a c h i n e i s r e p l a c e dg r a d u a l l yb yd i g i t a lp r o t o t y p e ，w h i c h c a nb eu s e dt o s i m u l a t i n gt h em o v e m e n to ft h em a c h i n ea n dm e a s u r i n gt h er e s u l to f o u t p u t t h ed i g i t a lp r o t o t y p eo ft h et r a n s l a t i n gg l o b o i d a lc a mp i c ka n d p l a c eu n i t sf o rs t a m p i n gi sa s s e m b l e d ，t h e nt h ew o r ko ft h em o v e m e n t s i m u l a t i o n ，i n t e r f e r e n c e t e s t 。o u t p u tp a r a m e t e rm e a s u r e m e n ta n d i d r a w i n gm o v e m e n tt r a c eo ft h i su n i t si sd o n e t h em e t h o do fc a mm e c h a n i s md e s i g na n ds i m u l a t i o na i d e db y c o m p u t e r i s s t u d i e d ，i n c l u d i n gr o t a t i n g d i s kc a mw i t ht r a n s l a t i o n r o l l e r f o l l o w e r m e c h a n i s m ， r o t a t i n g d i s kc a mw i t h o s c i l l a t i n g r o l l e r - f o l l o w e rm e c h a n i s m ，t r a n s l a t i o nr o l l e r f o l l o w e rc y l i n d r i c a lc a m m e c h a n i s ma n dg l o b o i d a lc a mm e c h a n i s mw i t h o s c i l l a t i n g r o l l e r - f o l l o w e r u s i n gt h er e s u l to fm o v e m e n ts i m u l a t i o n ，i n t e r f e r e n c et e s t ， o u t p u tc u r v e ，t h ec o r r e c t n e s so fu n i t si sv a l i d a t e da n di ti sp r o p i t i o u st o i m p r o v et h es a f e t yf a c t o r f i n a l l y , t h er e a l i z a t i o no fg l o b o i d a lc a m3 d d e s i g na n ds i m u l a t i o nw i l lp u s ht h er e s e a r c ho fc a mm e c h a n i s mf o r w a r d i nt h ef i e l do fd i g i t a la n dv i r t u a l k e yw o r d s ：g l o b o i d a lc a m ，c a m c a m3 dm o d e l i n g ，m o t i o ns i m u l a t i o n ， p i c ka n dp l a c eu n i t s ，g l o b o i d a l d i g i t a lp r o t o t y p e 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。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已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：叠壹 日 期：2 q q z 生厶旦 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扣电子版，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：堑堡整导师签名：蕴! 茎日期：2 q q z 生鱼旦 冲压上下料直动型弧面凸轮机械手的设计与研究 1 绪论 1 1 凸轮机械手 1 1 1 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i l j 【2 】【3 】。目 前，凸轮机构在美国、英国、德国、日本等一些国家研究已经相当深入，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，并已开始进行标准、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： ( 1 ) 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篑。 ( 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。 1 1 2 凸轮机械手 4 1 1 5 l 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 & p 装置，由凸轮、从动件和机架组成。通过不同 型式的凸轮或凸轮连杆机构的组合，实现直动与直动，转动与直动，转动与转动的运动 组合。 凸轮机械手由于动作可重叠、运动规律可选择、几乎无定位误差以及没有中间环节 的控制具有更高的可靠性与较高的速度，是目前最为理想的机械手装置之一。凸轮机械 手装置广泛应用于航空、机械、包装、电子、医药、仪表、造纸等领域，配以各种执行 机构可实现转位、提升、降落、钻孔、定位、打点、取放料、焊接、装配等动作，可以 大大地提高行业的自动化水平。 目前，凸轮机械手大致可分为平面凸轮机械手、空间凸轮机械手和组合式凸轮机械 手三大类： a 平面凸轮机械手 因平面凸轮加工容易、结构简单等特点， 面凸轮，现在主要有以下几种样机类型： 1 ) 平面板形凸轮机械手 该机构是靠从动件与凸轮轮廓面的啮合， 形凸轮机械手的机构简图。 我国研制的凸轮机械手样机主要开始于平 实现从动件的给定运动，图1 1 为平面板 两同轴的平面板形凸轮，随凸轮轴匀速转动，分别推动z 向竖直摆杆和x 向水平摆 杆完成z 向和x 向位移。该装置以结构简单、平面凸轮加工容易、成本低等优点，已大 量应用于生产实际中。但这种凸轮机械手仍存在需要改进的地方，比如采用拉簧作为恢 复元件，由于弹簧元件不可靠且易失效，造成装置寿命比较短。 2 ) 平面槽形凸轮机械手 平面槽形凸轮机械手的运动机理与平面板形凸轮机械手类似，不同的是平面凸轮做 2 冲压上下料直动型弧面凸轮机械手的设计与研究 成槽形，从动件在槽内与凸轮接触，运动更可靠些。平面槽形凸轮机械手机构简图如图 l _ 2 所示，水平平面沟槽凸轮带动摆杆转动，摆杆又通过正弦机构与第二级摆杆相连， 输出水平运动；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 - 1 平面板形凸轮机械手 f i g l if l a t - f a c e d mm a n i p u l a t o r 图1 2 平面沟槽凸轮杠械手 f i g l - 2g r o o v e df a c ec a n lm a n i p u l a t o r b 空间凸轮机械手 i ) 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 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 4 1 如图1 4 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。 图1 - 3 转位升降弧面凸轮机械手 r i g l - 3t u r n i n ga n dl i 矗i n gg l o b o i d a lc a l l am a n i p u l a t o r 图1 - 4 孤面凸轮钢球机械手 f i g l - 4s t e e lb a l lg l o b o i d a lc a mm a n i p u l a t o r 4 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l 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1 - 5 平行分度凸轮和圆柱沟槽凸轮组合机械手 f i g l - 5c a mm a n i p u l a t o re o n s t i t u t e db yp a r a l l e li n d e x i n gc a l na n db a r r e lc a 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 - 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 - 6 弧面凸轮和圆柱沟槽凸轮组合机械手 f i g l - 6 c a m m a n i p u l a t o r c o n s t i t u t e d b y g l o b o i d a lc 锄a n d b a r r e lc a m 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 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 平面沟槽凸轮分剐加工，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 6 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；直迸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。 ) 僦 弧面凸轮 平一勰铲 h ，、独立式 图1 7 孤面凸轮和平面沟槽凸轮组合机械手 f i g l - 7c a mm a n i p u l a t o rc o n s t i t u t e db yg l o b o i d a lc a ma n dg r o o v e df a c ec a m 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o 8 s ，而一般液压换刀装置需要5 - 2 0 s 。 1 1 3 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，日本已经研究出了多种 形式的凸轮机械手结构 4 1 ，并形成了凸轮机械手行会标准。使凸轮机械手迸入了系列化 生产阶段。在美国和欧洲些国家，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 0 矾c 0 、f e r g u s o n 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9 0 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 n k l ”，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【7 】嗍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【1 0 j ! “i i “。 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旧【“】【1 5 j 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 9 9 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1 1 7 1 1 8 】1 1 9 z o l 。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【2 1 1 2 2 2 3 l 【”1 1 2 s 1 1 2 6 1 ，弧面凸轮机械手的三维建模一直是热 点，文献【2 5 】利用a u t o c a d 2 0 0 0 提供的二次开发工具v b a 进行了弧面分度凸轮机械手 3 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 ”1 | 2 s 1 1 2 9 1 在s g i ，3 1 0 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 s 8 三维工程软件为平台，对t h 6 3 50 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 2 4 1 在理论研究的基础上， 采用面对对象程序设计方法，利用v i s u a lc + + 和o p e n g l 作为开发工具建立了基于 w m 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“m t 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 8 所示，采用倒“u ”型直动弧面凸轮机构，机构 简图如图1 - 9 所示。满足的技术指标如下：x 向运动行程1 5 0 唧可调：z 向运动行程7 5 r t a ；运转速度6 0 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 停歇的任意日寸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。 5 图i - 8 运动循环图 f i g i - 8m o t i o n 斜口b g r a p h 囤1 - 9 倒。u ”型直动弧面凸轮机构 f i g l - 9 t r a n s l a t i n gg l o b o i d a ic 啦m e c h a n i s mg e l l i n g i n v e r t e d u ”c u r v eo u t p u t 121 4 停 陕西科技大学硕士学位论文 目前，传统的凸轮设计方法已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c a d c a e c a m 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c a d c a e c a m 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 a 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3 d 设计与建模 三维c 矗d 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p r o e 软件应用的基础上将研究 一种基于p r o e 弧面凸轮3 d 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p r o e 中用n u r b s 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 1 0 冲压上下科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、干涉检测、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。 陕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( r o t a t i n gd i s kc a m w i t ht r a n s l a t i n gr o l l e r - f o l l o w e rm e c h a n i s m ) 、摆动滚子 从动件平面回转凸轮机构( r o t a t i n gd i s kc a mw i t ho s c i l l a t i n gr o l l e r - f o l l o w e rm e c h a n i s m ) 及直动滚子从动件圆柱凸轮机构( t r a n s l a t i o nr o l l e r - f o l l o w e rc y l i n d r i c a lc a mm e c h a n i s m ) 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1 2 椰i i2 1 1 3 2 2 1 运动规律相关概念 _ 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s 随输入时间，的变化归纳为凸轮机构的位移传递函数， 其函数表示式为： j = 厂( r ) ( 2 - 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 d ) 、单停留( d r r ) 、无停留( 啪t ) 。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s 、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：产s ( t ) ，时问t 的变化区间为【o ，蜘，仁t h 时，s = h 。 则其速度v 、加速度a 、跃度j ，跳度q 可依次表示为： 1 2 冲压上下料直动型弧面凸轮机械手的设计与研究 l 、双停留 则相应的无量纲量定义为： t 3 ) ，无停留 图2 1 基本运动形式 f i 醇一1e l e m e n t a r ym o t i o nf o r m 2 ) ，单停留 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式中：t 、s 、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 8 i i 一 d i r l b i d i 一 1 置 矗盒 如一舻以一雅一矿 = l l = 西一讲咖一西如一疵巧一面 妒 口 窖 ，一“ = r p ，一 i i 兰矗s 3 一打 = = s 矿 知r i 0 百 = = = 栅一铲癍一办一 ： = = 一万么抒影一订 = = = 彳 ， d ， 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s 的变化范围都是 o ，1 】。 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 ) ： f t = 0 时，s = 0 ， l t = 1 时，s = 1 ， 单停留( d r r ) ： i t = 0 时，s = 0 ， i t = 1 时，s = 1 ， 无停留( i u 汛) ： i t = o 时，s = 0 ， i t = l 时，s = 1 ， d 对称性和非对称性 v = 0 ， y = 0 a = 0 a = 0 v = 0 a = 0 矿= 0 ，a = 任意值 矿= 0 ，a = 任意值 矿= 0 ，a = 任意值 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 _ 6 ) 如果运动规律满足如下的关系： 、 i s 0 一r ) = l s ( r ) 矿( 1 - t ) = y ( r ) ( 2 - 7 ) i a ( 1 - t ) = - a ( t ) 则称为对称运动规律。对于这种运动规律，当t f f i 0 5 时，有s = 0 5 ，v 等于最大值， a = 0 。而对于不满足( 2 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 。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。 1 4 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 。 a 。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。 a 。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a 。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a 。较小的运动规律。 3 ) 加速度均方根a 。 a | 。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 。较小的运动规律。 4 ) 动载转矩特征值( 怂，) 。 ( 越，) 。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j m 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。j m 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j m 不超过某个数值。 6 ) 最大动载转矩变化率f - 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 选用较小的运动规律。 2 2 2 常用从动件运动规律介绍 8 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前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 - 2 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t i ( i = 0 ，l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 ) 为确定运动规律的一组参数。在、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： a = 图2 - 2 组合加速度曲线 a s i n ( 考翔 c 矗正， 4( 五 t 疋) 4 c o s ( 三正t - 一t 正2j ( t 2 t t 3 ) 0 ( 五 t 瓦) _ s 啦矧c m 圳 一4( 正 t 瓦) _ c 。悖丽t - t , c 瓦 旧， 将式( 2 8 ) 中的4 2 取绝对值，将其进一步简化。首先，令 只= ( r z 一。) e + 三o 一) e = 仍也。瞧 则在任一时刻，从动件加速度a 的通用计算公式可表示为： 1 6 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 冲压上下料直动型弧面凸轮机械手的设计与研究 hs i n p l 以s i l l 只 一= 彳。 1 0 l - 4 ： ( i = l ，3 )