基于ProE的CNC自动换刀装置组合凸轮机构建模及仿真研究毕业设计.doc

湖南理工学院毕业设计(论文)基于ProE的CNC自动换刀装置组合凸轮机构建模及仿真研究毕业设计目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 Pro/Engineer 简介11.2 运动仿真概述31.2.1 计算机仿真的基本概念及特点31.2.2 计算机仿真技术应用31.3课题研究的背景及意义41.4主要研究内容和主要工作52 CNC自动换刀系统总体概况62.1 加工中心自动换刀装置的发展和特点62.2 凸轮式自动换刀装置的特点62.3空间凸轮机构简介62.3.1 凸轮结构原理72.3.2凸轮机构特点72.4 ATC的作用及其组成72.4.1 ATC的作用72.4.2 ATC的主要组成83 运动循环的设计及分析113.1 确定换刀机械手的运动循环113.2 确定运动循环组成区段113.3 确定运动循环内各段的分配轴转角及时间123.4运动循环图的优化设计124 数学模型的建立144. 1凸轮从动件运动规律144.1.1 凸轮从动件常用运动规律分析144.1.2 自动换刀机械手中凸轮从动件运动规律的选择144.2双半球形滚子齿式弧面凸轮分度机构的啮合原理154.2.1 坐标系的建立154.2.2 共轭条件及其廓面方程的求解174.2.3双半球滚子齿式弧面凸轮分度机构的啮合特性分析184.3媒介点啮合的技术214.3.1媒介点啮合的由来214.3.2 点啮合的媒介共轭方法214.4 媒介点啮合的诱导曲率和接触域234.4.1 点啮合的诱导曲率234.4.2点啮合的接触迹244.5双半球形滚子齿式弧面凸轮分度机构的点啮合方法274.5.1双半球形滚子齿式弧面凸轮分度机构点啮合方案构思274.5.2 双半球形滚子齿式弧面凸轮分度机构的接触迹284.5.3 双半球形滚子齿式弧面凸轮分度机构的诱导曲率和接触域295基于Pro/E的空间凸轮机构仿真325.1机构参数325.2空间凸轮理轮廓面325.3 凸轮机构实体模型的建立335.3.1弧面凸轮胚体的建立335.3.2 分度盘实体模型的建立345.4 建立运动关系355.5空间凸轮轮廓面375.6弧面凸轮分度机构的仿真及分析385.6.1创建凸轮随动件连接385.6.2 定义伺服马达395.6.3 运动仿真及分析396结论40参考文献41致 谢43附 录 英文翻译44- II -1 绪论1.1 Pro/Engineer 简介Pro/Engineer系统是由美国参数化技术公司PTC（Parametric Technology Corporation）生产的优秀产品，提供了产品的三维模型设计、加工、分析及制图等功能完善的CAD/CAE/CAM解决方法。该软件以使用便捷、参数化建模和系统的全相关性为人称道。目前Pro/Engineer软件在国内的机械、家电、电子、塑料模具、工业设计、自行车、航天、汽车、家电、玩具等行业获得了广泛运用，该软件在我国的应用数量相比同类型的其他国外产品超过了很多1。Pro/Engineer可以说是个全方位的3D产品研发软件，集零件设计、模具开发、产品组合、铸造件设计、钣金件设计、NC加工、造型设计、逆向工程、应力分析、机构仿真、自动测量、产品数据管理于一身，由众多模块组成，主要有以下六大主模块：工业设计（CAID）、机械设计（CAD）、功能仿真（CAE）、制造（CAM）、数据管理（PDM）和数据交换（Geometry Translator）。这里将介绍一下Pro/Engineer的主要特点：（1）相关性（Full Associability）相关性是指所有Pro/Engineer的功能互相都是相关联的。这就是说在开发产品的过程中，任何时候用户所做的变更，都会相应扩展到整个设计中，同时所有工程文档如部件、加工以及产品信息管理等都会自动更新。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行更改，同时却没有任何损失这样使并行工程成为可能，所以使开发后期的一些功能得以提前发挥作用。Pro / Engineer的系统开发环境是其最重要的功能，支持通过一系列形式的并行工程，足够的性能，适合所有的相关性能的解决方案，使用户能够同时处理的技术产品的型号。这些能力包括设计，机械设计，功能设计，加工，产品信息管理。2Pro / Engineer的参数化设计提供最单一数据库的特征。所有在设计过程使用的尺寸是存储在Pro / Engineer的同一个数据库中，修改CAD模型和图纸将不会是一个艰巨的任务，设计人员只需要更改的三维零件的大小，二维图纸会按大小相应改变，同样二维绘图修改大小，三维实体模型其相关的数据会自动修改，而组装，制造等相关的设计也将被自动修改，这样就保证了准确性的数据，这是一个问题的设计变更工作，一致性更改地图，以避免遗漏人类病例，许多人改变计划，以减少时间和精力的消耗。这是因为有设计参数，用户可以使用功能强大的数学算法，建立了尺寸之间的关系，使得该模型可以自动计算出合适的形状，每次修改大小，以减少繁文缛节，减少错误。3（2）基于特征的参数化建模（Feature-based Parametric Modeling）参数设计是用参数来描述零件尺寸设计，并通过修改参数设计上的修改值来更改该部分的形状。参数化设计思想于1988年在行业传播多年，Pro/Engineer的的想法出来后的设计参数，该行业的CAD/ CAM的设计思路等传统的机械设计工作，Pro/Engineer的参数有很大的帮助作用，因为Pro/Engineer设计参数，并不代表有关的大小物件的外观，并拥有丰富的物理意义。4例如，可以使用系统参数，或用户自定义设计流程的用户定义的参数为基础设计感的厚度是表达设计理念。不仅改变了设计理念还方便设计功能的设计参数。（3）数据管理（Data Management）要在最短的时间内完成了大部分的开发工作，必须由多个学科的工程师在同一时间研发相同的产品。 Pro/Engineer数据管理所需的并行工程管理平行作业程序，通过所有相关的和并行工程达到这样的目的。（4）装配管理（Assembly Management）Pro/Engineer让用户使用的匹配，插入，对齐等直观的指令，容易做到组装部件，维持设计意图，达到设计目标。先进的功能支持大型和复杂的装配和管理，不需限定零件数目。（5）工程数据库重用（Engineering Date Reuse EDR）工程数据库重用是为了实现大幅度提高生产率，降低成本的，作为新产品设计的基础上经过验证的设计，它允许用户快速开发一个完整的产品线， Pro/Engineer的EDR技术容易实现的。随着产品的子孙后代创造，你会发现从Pro/Engineer的获得的好处将大大超过最初的投资（6）易用性（Ease of Use）Pro/Engineer的自动导引菜单为用户提供了便捷实用的选项，还可以预设最常用的功能，这是其他软件不具备的。另外，系统还为用户提供了简洁的功能菜单说明和完善的在线帮助。这些都使得Pro/Engineer具有良好的易用性。（7）硬件独立性（Hardware Independence）Pro/Engineer能够在UNIX和Windows98/2000NT/XP等各个平台下运行，并且在每个系统中都保持相同的界面，使用的感觉也相同。用户可以根据自已的需要，选购最合适的硬件配置，再混搭任何一种平台组合。由于Pro/Engineer可以在不同环境中运行，具有特殊的数据结构模式，所以能够方便地让不同平台的机器之间相互转换信息。51.2 运动仿真概述1.2.1 计算机仿真的基本概念及特点计算机仿真（Computer Simulation）说的是建立待研究的系统模型仿真模型，然后在电子计算机上进行该仿真模型的模拟实验（仿真实验）研究的过程。因此计算机仿真是通过对系统模型的实验达到研究一个真实系统的目的。20 世纪 80 年代后期以来，计算机仿真在许多的方面都产生了了十分巨大的改变：仿真研究的对象已经从连续系统转向离散事件系统；从重视实验转为重视建模和结果分析；从重视与人工智能结合转向强调与图形技术相结合，使仿真的交互性增强了很多。就主要应用领域来说，计算机仿真已经从航空航天转向制造业，并从研究制造对象（产品）的运动学特性和加工过程，扩展到研究制造系统的设计运行，同时进一步扩大到后勤供应、产品开发过程的产品测试等，涉及到制造活动的每一个方面。现代制造的分布性同样使计算机仿真与网络技术结合起来，形成了分布式仿真技术。计算机仿真技术集合了计算机技术、图形图像技术、图形图像技术、网络技术、多媒体、面向对象技术、软件工程、自动控制、信息处理等技术领域的知识。计算机仿真技术是以信息技术、数学理论、相似原理、系统技术及其应用领域相关专业技术为根基，以计算机和各种物理效应装备为工具，利用系统模型对设想的或真实的系统进行实验研究的综合性技术。61.2.2 计算机仿真技术应用计算机仿真技术作为一门新兴的高科技，在研制开发航空、航天、国防及其他大规模复杂系统的过程中，一直是不可或缺的工具，对于减少损失、节约成本、减少开发周期、提升产品质量等方面，它发挥了极其重要的作用。计算机仿真技术在从产品的设计、制造乃至测试维护的整个生命周期中都需要运用到。1、虚拟制造（VM）二十世纪九十年代虚拟制造是作为一种全新的制造理念被人们提出的，虚拟制造运用计算机虚拟仿真技术，为了达到新产品及其制造系统的全局最优化，通过仿真模型，在计算机上模仿生产全过程，实现产品的工艺规程、装配和调试，同时对产品的功能、性能和加工性等方面可能存在的问题进行预判，用以达到有效地组织生产，加强决策与控制水平，减少产品开发周期，提升产品质量。目前虚拟技术的研究与应用主要偏向于运动仿真、加工模拟、性能评测等方面，它的核心技术包括虚拟现实技术、仿真技术和可制造性评价。可制造性评价指的是在一定的环境信息以及制造资源下，确定设计特性（如形状、尺寸、公差等），是不是可制造的，制造的难易程度如何。72、虚拟产品开发（VPD）虚拟产品开发是在计算机上实现实际产品开发过程，即通过计算机仿真与虚拟现实技术，在计算机上协同工作，实现产品的设计、工艺规划、性能分析、质量检验等。虚拟产品开发来源于并行工程（CE）思想。将现代先进的组织形式同现代哲学、文化融合起来，对产品设计和其有关联的过程进行并行、一体化设计的系统化工作模式就是CE 的思想。虚拟产品开发技术从根本上改变了设计、试制、修改设计、规模生产和产品维护的传统模式，在产品开发的前期就把投资、生产、装配、销售及维修等问题考虑进来，所以可以大大提升产品质量，降低产品成本，缩短产品开发周期，提高其市场的竞争能力。3、虚拟样机（VPVirtual Prototyping）虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术揉合在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。虚拟样机技术采用了计算机仿真与虚拟技术，在计算机上通过 CAD/CAM/CAE 等技术把产品的资料集成到一个可视化的环境中，实现产品的仿真、分析。虚拟样机技术强调系统的观点，涉及产品全生命周期，支持产品的全方位测试、分析与评估，强调不同领域的虚拟化的协同设计。虚拟样机技术的应用贯穿在整个设计过程当中，它可以用在概念设计和方案论证中。设计师可以将自已的经验和想象融合在计算机内的虚拟样机里，使得想象力和创造力充分发挥。用虚拟样机作为物理样机的替代进行验证设计时，不仅能够提升产品设计质量和效率，还能大幅度地缩短产品研制周期，节约产品研制成本。1.3课题研究的背景及意义 在欧美发达国家和日本，弧面分度凸轮的理论和技术已经达到非常成熟的水平。8-11近二十年来，在ATC机构的研究、设计、制造及应用等方面日本的企业已居于国际领先水平，几乎在各类数控加工设备和自动化生产线上随处可见。12-16相较于发达国家，我国制造加工中心技术起步要晚得多，对于ATC的研究也较少。二十世纪九十年代后，北京机床研究所、大连组合机床研究所、济南第一机床厂、大河机床厂，青海机床厂以及陕西省的秦川机床厂都对ATC进行了研究和开发。但由于该机构采用特殊的弧面分度凸轮，因此设计理论和研究方法上都比较特殊，加工制造也有相当的难度。本论文的意义在于解决ATC装置中弧面凸轮分度机构由于采用了双侧约束后，机构制造误差两者的矛盾，使分度盘滚子齿和分度凸轮共轭廓面之间在机构工作全程上最大限度地实现工程意义下的“纯滚动”，减小共轭齿廓面的磨损，延长装置的使用寿命，改进ATC装置的动力学性能。1.4主要研究内容和主要工作弧面凸轮分度机构, 具有分度精度高、啮合刚度大、动态性能好等优点, 广泛应用于现代自动机械。加工中心上的凸轮式ATC 装置, 因其动作可靠、稳定和反应速度快而取代了液压式ATC装置。但ATC 装置中的分度盘复杂的运动规律使弧面分度凸轮的工作曲面十分复杂, 因此弧面分度凸轮在设计和制造上有很大困难。要实现凸轮式ATC 装置的国产化, 首先需要解决的就是ATC 装置中的弧面分度凸轮的设计问题。本论文主要工作如下：(1) 设计自动换刀机械手运动循环图和选择凸轮从动件运动规律设计凸轮组合机构的工作循环图，选择合适的凸轮从动件运动规律满足自动换刀机械手的工作原理和要求。(2)双半球形滚子齿式弧面凸轮分度机构的原理及啮合特性分析在双半球形滚子齿式弧面凸轮分度机构的研究中引入工程上成熟的蜗轮蜗杆传动原理与技术，建立分度盘共轭廓面和新型双半球形滚子齿式弧面分度凸轮的曲面方程，讨论几何参数的选择原则，分析其接触线的分布规律，共轭的界限与干涉条件、诱导吐率等。(3)双半球形滚子齿式弧面凸轮分度机构的媒介共轭点啮合技术利用媒介共轭点啮合理论，确定双半球形滚子齿式弧面凸轮分度机构的点啮合化方法，建立点啮合双半球形滚子齿式弧面凸轮分度机构的数学模型，以及接触迹、啮合线方程、点啮合的接触域和误差敏度分析等。(4)ATC装置的结构设计与仿真应用三维设计软件Pro/ENGINEER，完成ATC组合凸轮机构进行结构设计，通过对ATC组合凸轮机构进行运动学仿真，来检验设计的合理性。本论文的研究工作是为了改善现有ATC装置中存在的缺陷，提升ATC工作的可靠性，为发展自主知识产权的技术产品、实现ATC装置的机构创新，提供理论与技术上的支持。2 CNC自动换刀系统总体概况2.1 加工中心自动换刀装置的发展和特点数控加工中心是由机械设备与数控系统组成的适用于零件加工的自动化机床，自动换刀装置是数控加工中心在一次装卡中实现多道工序加工不可缺少的装置，其主要由刀库、机械手和驱动装置组成。由于刀库已经开发出系列化产品，因此只研究机械手和驱动装置，称之为自动换刀机械手。16自动换刀机械手装置作为数控加工中心的重要组成部分，其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间，以提高生产率，降低生产成本，进而提升机床乃至整个生产线的生产效率，所以自动换刀机械手在加工中心中扮演着极重要的角色。机械结构的自动换刀机械手以其优良的动力学性能、运动响应的快速和稳定性、以其良好的运动可靠性在数控加工中心中占有不可替代的重要作用。2.2 凸轮式自动换刀装置的特点凸轮式自动换刀装置，主要是由弧面凸轮机构为核心的组合机构构成。17其中弧面凸轮机构是一种高速、高精度空间垂直轴传动分度机构，这种机构具有良好的运动特性和动力特性，具有丰富灵活的凸轮曲线可供选择，以满足各种复杂运动控制要求。其主要特点有:1、高速：由于啮合间隙很小，因而转动时振动和冲击小，动态性能好。2、高精度：分度精度可以高达5，不需附加定位装置，传动链短，传动精度高。3、低噪音：滚子与凸脊侧面为线接触，传动平稳，无刚性冲击，噪声小。4、高刚性：适当预紧后，可获得高的刚性，但预紧力不能过高。现在机械制造业正朝着高速度、高精度方向发展，而加工中心以其高自动化和高精度的特点受到了普遍欢迎，同时加工中心自身也就提出了高速度、高精度和智能化的发展要求。采用高速化的自动换刀装置，减少换刀时间，是加工中心高速化的一个重要环节和手段。因为弧面分度凸轮机构有许多优点，所以它现在已经逐步取代了液压式等其他类型的自动换刀机械手并居主导地位。凸轮式自动换刀机械手采用同轴的弧面分度凸轮和盘形槽凸轮联动来实现换到的各个动作，换刀时间短，结构简单紧凑，可靠性高，应用越来越广泛。2.3空间凸轮机构简介凸轮机构是由凸轮，从动件和机架三个基本构件组成的高副机构。 凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，一般为主动件，作等速回转运动或往复直线运动。与凸轮轮廓接触，并传递动力和实现预定的运动规律的构件，一般做往复直线运动或摆动，称为从动件。凸轮机构在应用中的基本特点在于能使从动件获得较复杂的运动规律。因为从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线，所以在应用时，只要根据从动件的运动规律来设计凸轮的轮廓曲线就可以了。 凸轮机构广泛应用于各种自动机械、仪器和操纵控制装置。凸轮机构之所以得到如此广泛的应用，主要是由于凸轮机构可以实现各种复杂的运动要求，而且结构简单、紧凑。 2.3.1 凸轮结构原理由凸轮的回转运动或往复运动推动从动件作规定往复移动或摆动的机构。凸轮具有曲线轮廓或凹槽，有 盘形凸轮、圆柱凸轮和移动凸轮等，其中圆柱凸轮的凹槽曲线是空间曲线，因而属于空间凸轮。从动件与凸轮作点接触或线接触，有滚子从动件、平底从动件和尖端从动件等。尖端从动件能与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，可实现任意运动，但尖端容易磨损，适用于传力较小的低速机构中。为了使从动件与凸轮始终保持接触，可采用弹簧或施加重力。具有凹槽的凸轮可使从动件传递确定的运动，为确动凸轮的一种。一般情况下凸轮是主动的，但也有从动或固定的凸轮。多数凸轮是单自由度的，但也有双自由度的劈锥凸轮。凸轮机构结构紧凑，最适用于要求从动件作间歇运动的场合。它与液压和气动的类似机构比较，运动可靠，因此在自动机床、内燃机、印刷机和纺织机中得到广泛应用。但凸轮机构易磨损，有噪声，高速凸轮的设计比较复杂，制造要求较高。2.3.2凸轮机构特点 优点结构简单、紧凑、设计方便，可实现从动件任意预期运动，因此在机床、纺织机械、轻工机械、印刷机械、机电一体化装配中大量应用。缺点1、点、线接触易磨损；2、凸轮轮廓加工困难；3、行程不大2.4 ATC的作用及其组成2.4.1 ATC的作用具有对零件进行多工序加工的能力，就是能在一次装夹中自动完成铣、镗、钻、扩、铰、攻螺纹和内槽加工等这是加工中心与一般数控机床的显著区别，加工中心之所以有这种加工能力的原因在于它有一套自动换刀装置。自动换刀装置是指可以自动完成刀具储存位置与主轴之间刀具交换的装置。18-22ATC的主要组成部分有刀库、机械手和驱动装置。刀库是用来存储刀具并把下一把需要使用的刀具精确地送到换刀位置，供换刀机械手完成新旧刀具的交换。刀库容量较大的时候，常远离主轴配置且整体移动困难，这就需要在刀库和主轴之间安装换刀机构来执行换刀动作。这项功能由送刀臂、摆刀站和换刀臂来完成，总称为机械手。具体来说，它主要是用来完成刀具的装卸以及在主轴头和刀库之间的传递。驱动装置则是使刀库和机械手实现其功能的装置，一般由步进电机或液压(或气液机构)或凸轮机构组成。 2.4.2 ATC的主要组成A、刀库1刀库的功能刀库的作用是储存一定数量的刀具，机械手实现主轴上刀具的互换。20刀具的类型可分为盘式刀库、链式刀库等多种形式，刀库的形式和容量需按照机床的工艺范围来确定。2刀库的容量刀库的容量考虑加工工艺的需要为首，从使用角度出发， 通常1040把刀为宜，这样刀库的利用率会高，并且结构比较紧凑。3刀具的选择方式(1)顺序选择 按加工工序的顺序将道具依次放入刀库的每一个刀座内。每次换刀时，刀库转动一个刀座位置，并取出需要用到的刀具，使用完毕的刀具可以收回到原来的刀座内，也可以顺序放入下一个刀座内。但是因为刀库中刀具不能重复使用于不同的工序中，因此必须增加刀库的容量，这样就降低了利用率。(2)任意选择 目前大部分数控系统都采用任意选刀的方法，主要分为刀套编码、刀具编码和记忆式等三种。刀具编码或刀套编码需要将用于识别的编码条安装在刀具或刀套上，一般情况下都是根据二进制编码的原理编码。刀具编码选刀方式采用了一种特殊的刀柄结构，并对每把刀具编码。每把刀具都具有自己的代码，所以刀具可以在不同的工序中多次重复使用，换下的刀具不需要放回原刀座，刀库的容量也可相应减少。本文采用记忆式选刀，这种方式能将刀具号和刀库中的刀套位置对应地记忆在数控系统的PLC中，无论刀具放在哪个刀套内，刀具信息都始终记存在PLC内。刀库上装有位置检测装置，可获得每个刀套的位置。这样刀具就可以任意取出并送回。刀库上还设有机械原点，使每次选刀时就近选取。4刀库的控制方式(1)刀库作为系统的定位轴来控制。在梯形图中根据指令的T码进行运算比较后输出角度和速度指令到刀库伺服驱动刀库伺服电机。刀库的容量、旋转速度、加减速时间等均可在系统参数中设定，此种方式不受外界因素影响定位准确、可靠但成本较高。(2)刀库由液压马达驱动，有快慢速之分，用接近开关计数并定位。在梯形图中比较系统存储的当前刀号(主轴上的刀)和目标刀号(预选刀)并运算，再输出旋转指令，同时判断按最短路径旋转到位。这种方式需要足够的液压动力和电磁阀刀库旋转速度可通过节流阀调整。但使用一段时间后可能会因为油质、油压、油温及环境因素的变化而影响运动速度和准确性。一般用于不需频繁换刀的大中型机床。(3)刀库由交流异步电动机驱动凸轮机构(马氏机构)，用接近开关计数，这种方式运行稳定，定位准确可靠一般与凸轮机械手配合使用，换刀速度快，定位准。B、机械手1机械手的功能机械手是执行刀库和主轴之间换刀动作的装置。23,242机械手的类型(1)单手式：一个换刀臂且仅一端有一个抓刀手。所有动作均由单手完成，执行动作多，换刀时间长，但结构简单，刀库与主轴轴线平行或垂直的情况均适用。(2)双手式：一个换刀臂两端各有一个抓刀手。机械手同时抓取主轴和刀库上的刀具，回转180，同时放回和装入刀具换刀时间短，较为常用，多用于刀座与主轴轴线平行的场合。双臂机械手指的是两个机械手臂每个手臂端部都有一个抓刀手其抓刀和换刀动作类似于人手动作，除执行换刀动作外有些还可以起运输刀具的作用，这种机械手结构较复杂，但换刀时间短。(3)带送刀臂、摆刀站和换刀臂的机械手：送刀臂将刀具从刀库中取出送到摆刀站，由摆刀站将刀具送到换刀位置，最后由换刀臂进行换刀。结构更复杂，各部分在空间巧妙配置和组合更具变化性，一般换刀时间较短适用于刀库距离主轴较远的场合。3机械手的驱动与控制方式：(1)机械手用液压驱动，靠接近开关检测位置。如手的平移抓刀拔刀，换刀，插刀等动作分别由不同的电磁阀驱动；但这种方式传动机构较多，且易受液压系统稳定性或检测元件灵敏度等外界因素的影响。常用于不需频繁换刀的大型卧式加工中心(2)机械手由交流异步电机带动凸轮机构旋转，整个换刀过程机械手仅在主轴松，拉刀时起动，停止3次，整个换刀动作连贯稳定，运行可靠，刀一刀换刀时问一般在2s左右。但对主轴拉松刀及抓刀位置的准确性要求较高，常用于需频繁换刀的中小型加工中心。(3)机械手由伺服电机驱动，定位精度高，换刀快速，稳定，但成本较高。C、夹爪类型根据抓刀柄在换刀机构刀臂上的夹持方式可分为固定爪、活动爪、单夹爪、双夹爪、弹簧爪、动力爪等类。固定爪是指刀臂夹持部能吻合刀柄V形槽的半圆形部分，半圆形夹持部的一端或两端有弹簧扣，即所谓单夹爪、双夹爪；由两个可张开的夹指所组成即活动爪，其夹紧力由弹簧产生的即弹簧爪，通常以直进方式抓刀松刀；由液压缸等动力源控制其张合的为动力爪。 D、刀柄 自动换刀装置的工作质量表现为换刀时间和故障率，刀柄的选择直接影响到机床的开动率和设备投资的大小，因此对刀柄的选择十分重要25。本次设计采用标准刀柄，标准刀柄与机床主轴连接的结合面是7：24锥面。刀柄有多种规格，常用的有ISO标准的40号、45号、50号，个别的还有35号和30号。另外还必须考虑换刀机械手持尺寸的要求和主轴上拉紧刀柄的拉钉尺寸要求。目前国内机床上使用的刀柄规格很多，而且使用标准有美国的、德国的、日本的。因此，在选定机床后选择刀柄之前必须了解该机床主轴用的规格，机械手夹持尺寸及刀柄的拉钉尺寸。3 运动循环的设计及分析弧面凸轮和平面沟槽凸轮的运动循环图，如图3.1 所示。 图 3.1 运动循环图如图3.1（a）所示，转盘运动有四个停歇期和三个分度期，三个分度期分别对应机械手逆时针旋转65、180和顺时针旋转65。图3.1（b）所示，机械手的运动对应有三个停歇过程和两个运动过程，其中两个运动过程分别为一个下降过程（实现拔刀动作）和一个上升过程（实现插刀动作）。弧面凸轮机构要求所选用的运动曲线必须保证运动平稳、冲击载荷小、寿命长、分度精确，所以选用综合性能较好的修正正弦加速度曲线。而平面沟槽凸轮属于几何封闭型的凸轮机构，所以从动件选用修正梯形运动规律，这样能够减少滚子横越冲击产生的噪声和磨损，并能有效控制压力角的大小。3.1 确定换刀机械手的运动循环首先设定本文所研究的自动换刀机械手一次换刀时间为15s，由于弧面分度凸轮的从动盘(分度盘)装在换刀机械手轴上，故从动盘转速和换刀轴相同。 凸轮轴的转速为n：n=40rmin换刀机械手的工作循环时间为 =1/n=1/40=1.5sError! No bookmark name given.3.2 确定运动循环组成区段根据工作要求，换刀机械手的运动循环由下列五段组成： 换刀机械手旋转抓刀换刀机械手沿轴向伸出距离f拔刀换刀机械手旋转180换刀换刀机械手沿轴向缩回距离f插刀，=换刀机械手反向旋转松刀复位，=与上述五段相对应的工作时间分别为：、 即：+=360 3.3 确定运动循环内各段的分配轴转角及时间一般换刀机械手的初始角取60-90。以免不换刀时影响到加工中心主轴的正常工作。从节省时间和控制该段弧面凸轮压力角考虑，一般取小值，此处取=65,也就是弧面凸轮转过时，从动盘(和换刀机械手同轴)转过=65，取55。因所选取的修正等速运动规律是对称的，故=55。和段是拔、插刀段，在该段内换刀机械手轴由平面沟槽凸轮控制伸出距离f，f的选择需要参考加工中心常用刀具的刀柄长度，以免换刀时和加工中心的主轴部件及刀库产生碰撞。根据常用刀具的刀柄长度此处确定f=1lOmm。、是设计平面沟槽凸轮的主要参数之一，在该段内弧面凸轮的从动盘不转位，处于定位运动状态；为控制平面沟槽凸轮的压力角，此处取=60。段是换刀机械手旋转180交换刀具段，在该段内换刀机械手由弧面凸轮控制从动盘旋转180，以实现刀具的交换。一般弧面分度凸轮的最大压力角就产生在该段内，这也是自动换刀机械手之所以采用多头凸轮的原因所在。最后，确定各段转角为：=55，=60，=130。相应得各段的工作时间为： =36015=023s =36015=025s =36015=054s 且2+2+=15 s3.4运动循环图的优化设计在上面的设计中，换刀机械手从凸轮开始旋转时，就开始换刀，到凸轮转完一周时，换刀机械手反转65复位，这种设计是以换刀最短时间、控制最大压力角和传动误差为零为前提，但是由于凸轮在制造和安装过程中的各类误差不可避免，总是存在一定的啮合间隙和传动误差，因此实际设计运动循环图时不能以此为工作循环图，总是在前和后面各加一段静止期和，以消除由于传动误差带来的影响。和一般取相同值，其大小视弧面凸轮制造精度而定，此处取=7.5。在和段，两个凸轮的从动件均静止(处于定位运动状态)，换刀机械手轴不工作。自动换刀机械手工作情况是：在段，弧面凸轮驱动从动盘正转65，平面沟槽凸轮从动件静止；在段，弧面凸轮从动盘静止，平面沟槽凸轮驱动换刀机械手伸出110mm拔：在段，弧面凸轮驱动换刀机械手旋转1800换刀，平面沟槽凸轮从动件静止：在段，弧面凸轮从动盘静止，平面沟槽凸轮驱动换刀轴缩回110mm实现插刀动作。在段，弧面凸轮驱动机械换刀手轴反转65复位，平面沟槽凸轮从动件静止。通过以上的运动分析两个凸轮的从动盘均是在前一个工作时，另一个静止，不能完全体现凸轮式换刀机械手的工作时间部分可以重叠的优点。因为这两个凸轮的运动只有时间上的顺序关系而无空间上的干涉关系，因此部分换刀动作可以同时进行，这样一方面可以使总的换刀时间缩短，另一方面还可以减小传动的压力角(由于各段的转角变化相对较大而产生的)，重叠的角度多少可以视现场情况而定。加上和以及部分工作重叠进行之后的自动换刀机械手的工作循环。4 数学模型的建立4. 1凸轮从动件运动规律4.1.1 凸轮从动件常用运动规律分析凸轮机构常用的运动规律较多，根据ATC装置中换刀机械手的实际工作情况分析，修正等速、修正正弦、修正梯形三种运动曲线使用的最多，下面就对这三种运动规律进行分析。如表4.1.1所列为修正等速曲线、修正正弦、修正梯形三种运动规律的特征值比较和适用场合。其中：修正等速度曲线的特点是的扭矩小，和最大，只适宜于中、低速，重载和需要小的值的场合。修正梯形曲线最小，适合于高速，最大，不适合于重载，重载机构要求较小，且速度曲线的变化平缓。修正正弦曲线特征值介于修正等速和修正梯形度曲线之间，且该曲线均衡性好，是一光滑曲线，适用于中、高速，中、重载场合，特别用于载荷未知的场合最安全。表4.1.1 三种常用运动规律的特征值和使用场合曲线名称适用场合修正等速1.2758.0134.0015.671201.4中、低速，重载修正梯形2.04.8884.2328.40861.43高速，轻载修正正弦1.765.5283.9085.43569.47中、高速，中重载4.1.2 自动换刀机械手中凸轮从动件运动规律的选择(1)凸轮从动件运动规律的优化选择 关于从动件运动规律选择，一般必须先判别机构的工作类型，然后根据运动规律选择的一般原则，在众多的可用曲线中，挑选符合机构的运动学、动力学等方面设计要求的基本曲线或组合修正曲线。目前可以用作从动件运动规律的运动曲线有许多，如等速度曲线、等加速度曲线、简谐曲线、等跃度曲线、4次曲线、5次曲线、摆角曲线、复合曲线等，这些基本曲线的数学公式比较简单，易于处理，多年来得到了广泛的应用。但是这些曲线被用作凸轮从动件运动规律的控制曲线，有的运动特性不是很好，甚至存在严重的缺点。于是人们就根据各种具体要求，将上述基本曲线经过组合与修正，从而得到了运动特性值优良的一系列曲线。 目前应用最广泛的是由简谐与梯形曲线组合而成的三种特殊情况：修正等速度、修正梯形和修正正弦曲线。凸轮运动规律的优化选择，就是在运动规律的选择过程中如何选择的曲线特性值最好，使设计结果尽可能的满足所设计凸轮机构的工作要求，并使凸轮机构的性能达到最佳。(2)自动换刀机械手中凸轮从动件运动规律选择 自动换刀机械手的最大工作行程为llOmm。此时平面槽凸轮转过65，取从动件加速度曲线最大平均值。则： 由加速度经验判别准则可知，自动换刀机械手的工作属中、低速类型，根据本节上面的分析，确定自动换刀机械手中弧面凸轮分度机构从动盘的运动规律采用修正等速运动规律曲线。由于该曲线和较小，得到的凸轮廓面最大压力角也较小，所需的驱动力较小，较小，凸轮凸脊较宽，也较小，能够满足ATC中分度凸轮机构的工作精度高的要求。 同理可以确定ATC中平面沟槽凸轮从动件运动曲线，即采用修正梯形运动规律。因为平面沟槽凸轮属于几何封闭型的凸轮机构，所选用的修正梯形运动规律的（运动转矩对时间的一阶导数）最小，能减少滚子横越冲击产生的噪声和磨损；其最大，能显著减小凸轮的压力角。4.2双半球形滚子齿式弧面凸轮分度机构的啮合原理4.2.1 坐标系的建立为了提高弧面凸轮分度机构的动力学性能,把新型双半球形滚子齿式弧面凸轮分度机构应用于ATC装置, 利用三维设计软件Pro/E进行设计和仿真。首先, 建立如图4.2.1所示坐标系。 图4.2.1 坐标系图如图4.2.1 所示为分度盘所在坐标系,轴为分度盘回转轴;为凸轮所在的坐标系, 轴为凸轮的回转轴。和轴垂直交错，和方向相反，两坐标系均为右手直角坐标系，其两坐标系的原点和的距离为凸轮与分度盘的中心距分别为分度盘与凸轮的瞬时转角；、为分度盘与凸轮的回转角速度矢量，并分别与、轴同向。并有： （4.2.1）式中，分别为和坐标系各坐标轴方向的单位矢量；和分别为上两坐标系的坐标；且有：。规定：、分别为分度盘与凸轮的回转速度，且：=，= （4.2.2）若已知转角函数则速比函数为： （4.2.3）为简化公式而又不失一般性，令等速回转的凸轮角速度，=1，于是速比函数可表达为：，所以有：=，= （4.2.4）4.2.2 共轭条件及其廓面方程的求解 图 4.2.2 球面几何参数图如图4.2.2所示，分度盘球面齿廓面半径为a，球心到分度盘中心的回转半径为r，如果设定为球面参数，则分度盘上球面齿廓方程在坐标系中可以表示为： （4.2.5）参考相关文献，可确定位于分度盘轮廓面上的瞬时接触线方程为：即： （4.2.6）图4.2.3是双半球形滚子齿式弧面凸轮分度机构的分度盘轮齿廓面上的瞬时接触线分布规律图。图 4.2.3 接触线分布图将瞬时接触线方程、共轭的相切条件等代入到分度凸轮机构中凸轮廓面的面族方程中可得： （4.2.7）依据逆回转运动群，可以得到分度凸轮的廓面方程表达式为： （4.2.8）4.2.3双半球滚子齿式弧面凸轮分度机构的啮合特性分析在双半球滚子齿式弧面分度凸轮研究中，共轭界限讨论和诱导曲率分析是十分重要的，是确定分度凸轮机构啮合性能的主要依据。由第三组微分关系式，可得： （4.2.9） （4.2.10）又由上述相关各式，可得：（4.2.11）注意到母面的法曲率 ， 所以 （4.2.12） （4.2.13）（1）二类界限条件由二类界限条件式，可得二类界限条件的表达式为： （4.2.14）图 4.2.4 接触线族与二类界限曲线分度盘轮齿廓面上的接触线族与二类界限的分布如图4.2.3和图4.2.4所示。取平面为接触线的投影面，为坐标参量，其接触线的主要特征如下：1)分布于球面上的每条瞬时接触线的投影线，均类似于正弦函数曲线，且通过轴方向上的球面顶点，即参数为(0,0)的坐标点，这也是分度盘轮齿在传动中最易磨损的区域。2)接触线成反对称分布在轴的两侧，并存在一条瞬时接触线族的包络曲线，即为(4.2.14)式所表达的二类界限曲线。(2)一类界限条件由于一类界限是对共轭范围的限定，当分度盘的共轭齿廓面超出或超过一类界限条件的限制，将会产生共轭失效或干涉。对于双半球滚子齿式弧面分度凸轮机构，分度盘轮齿廓面为球面，不会在凸轮齿根处形成干涉，故不存在一类界限点及限制条件。(3)共轭的诱导曲率已知线啮合的高副机构的一诱导曲率，只要求得另一诱导主曲率后，便可以确定任意啮合点处、任意方向上的诱导曲率值，即在球面包络条件下的共轭诱导主曲率表达式为： （4.2.15）表4.2.1诱导主曲率随的变化值95.67101.29105.30108.94111.58112.73112.17110.01104.7328.825.519.310.10-10.1-19.3-25.5-28.8100.01106.25109.9112.4113.3112.4109.9106.25100.0127.524.718.39.80-9.8-18.3-24.7-27.595.6710129105.30108.94111.58112.73112.17110.01104.73现以分度数Z=6、中心距A=125mm、回转半径r=40mm、球形滚子齿半径a=lOmm、为修正等速运动规律的双半球滚子齿式弧面凸轮分度机构的抓刀段为例，分别计算每一个转角时，对应的一条瞬时接触线上共轭啮合点处的诱导曲率值。 如表4.2.l所示，从表中数据也可以看出，每一条接触线都通过球面的顶点，即通过球面上轴和轴的坐标为(O，0)点。计算的结果表明： 1)共轭的诱导主曲率值，就是弧面凸轮齿廓面的法曲率，它可以决定啮合副的接触性能；并在传动过程中，其共轭齿廓面间易形成动压油膜，提高了齿面间的润滑性能。 2)在球形包络条件下，共轭廓面间仍呈“凸凹”搭配的传动副形式，接触性能也较好，是较理想的传动副形式。 3)不同点处的诱导主曲率，其值和主曲率方向均不相同；且诱导主曲率均小1/a，改变a值可以控制共轭齿廓面上各点处的接触性能。 4)轮齿共轭区域内，相邻接触线间的诱导曲率变化是连续的，无奇异现象，这对合理地选择该机构的传动参数及设计提供了理论基础和评价依据。4.3媒介点啮合的技术4.3.1媒介点啮合的由来前面讨论了线接触条件下双半球形滚子齿式弧面凸轮分度机构的啮合原理，为后面的此类机构的媒介点啮合技术研究奠定了良好的基础。 由于线啮合副的承载力高、抗磨损能力强，所以在传动机构中占有着重要的地位。然而线啮合副也有它的缺陷，其对制造、安装及受力变形都比较敏感或适应性不强，所以给制造加工带来极大的困难。随着高副机构加工工艺的需要以及高速重载传动装置的大量涌现，对传动副的精度要求也越来越高，因而这一矛盾就更为突出。21,22为了解决这问题，生产上常常采用“鼓形修形”措施，使齿廓面在齿形及齿向方向上均做少许修整，而使齿廓面中部地区相对凸起，此种措施对制造及安装误差或受力变形起补偿作用，使齿面保持良好的接触。并且由于修形后的共轭廓面间的诱导曲率很小，接触面很大，接触强度较高：同时润滑性能良好，磨损小，对机构的制造及安装误差适应性好，其实质就是把线啮合“点啮合”化了，来提高高副机构对误差的适应性。 综上所述，点啮合理论所考虑的问题更为全面，它不但考虑到了理想情况，也考虑了制造误差及受载变形的补偿；它不但涉及机构装置的传动质量，又涉及其制造工艺中的有关问题，因此点啮合理论更加接近客观实际。264.3.2 点啮合的媒介共轭方法 媒介共轭法是应用线啮合理论来研究点啮合问题的一种方法。媒介点共轭的思想起源于“间接创成法”，就是事先确定了展成的“母面”，在特定的运动条件下，分别创成廓面、，并确保它们为共轭曲面。将这种间接创成法原理抽象出来，即为媒介共轭理论。 如图4.3.1所示，已知、为共轭曲面，分别绕、回转，存在有曲面，绕做螺旋运动，使得、之间呈等价共轭。所谓等价共轭是指三个曲面之间均为共轭曲面，每一瞬时具有相同的瞬时接触线，这时称为媒介共轭曲面，它所应有的运动为媒介共轭运动。媒介共轭原理在工程上得到了广泛的应用，它可以通过特殊选择，使得工具廓面（母面）为形状简单的曲面，或使媒介共轭