周軼

[摘 要]弧面凸輪是空間凸輪機構(gòu)的一種特殊結(jié)構(gòu)形式，其凸輪曲面是通過與其嚙合傳動的分度盤上柱面滾子，按照給定的運動規(guī)律互相包絡而形成的空間不可展曲面。本文立足于弧面分度凸輪機械手設計與仿真的分析實際，分析當前存在的弧面分度凸輪機械手設計與仿真的分析問題，并提出針對性的策略，以期為我國弧面分度凸輪機械手設計與仿真的分析提供支持和借鑒。

[關(guān)鍵詞]弧面分度凸輪機構(gòu)；逆向設計；運動仿真

中圖分類號：TP241 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）06-0156-02

前言：弧面分度凸輪機械手是一種基于弧面凸輪機械結(jié)構(gòu)的間歇進行分度的裝置。能夠按照生產(chǎn)工藝的要求進行自動的進行傳送，裝卸，升降，提取，裝配，焊接，鉆孔，堆垛，檢測等任務。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。其主要特點是結(jié)構(gòu)緊湊，工作效率高，壽命長，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.弧面凸輪機械手的設計原理及方法

1.1 弧面凸輪機械手的運動形式

根據(jù)適用場所的不同，弧面凸輪機械手的運動方式也不同，一般情況下，弧面凸輪機械手要搬運物品，要求手臂要能夠進行提升和轉(zhuǎn)動的運動，所以弧面凸輪機械手的運動由這兩者復合形成，主要有從動件來實現(xiàn)。所有的運動類型都是由圍繞著固定軸的轉(zhuǎn)動和軸向垂直的方向運動復合而成的，在現(xiàn)實的工作生活中還要求弧面凸輪機械手能夠?qū)崿F(xiàn)手臂的伸長與縮短[1]。

1.2 弧面凸輪機械手的結(jié)構(gòu)

在初步設計結(jié)構(gòu)類型的過程中，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，運動形式等問題。當弧面凸輪機械手圍繞現(xiàn)代整體設計結(jié)構(gòu)進行旋轉(zhuǎn)運動，系統(tǒng)運動結(jié)構(gòu)將實現(xiàn)整體運動旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的運動結(jié)構(gòu)逐步優(yōu)化，并建立起機械運動結(jié)構(gòu)，不同的機械加工運作模式，實現(xiàn)現(xiàn)代加工技術(shù)逐步實現(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械手的運作效率，應當從保障弧面凸輪機械手的運動靈活性增強，機械運作的整體的結(jié)構(gòu)可以控制在合理有用功大于無用功的均衡分配上，多元化的弧面凸輪機械手的機械運動效率推進現(xiàn)代機械運轉(zhuǎn)的效率，保障機械運作的整體機械加工運作速率。

（2）能否對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。為了對弧面凸輪機械手的工作條件進行初步判定，操作者可以實施弧面凸輪機械手的工作環(huán)境初步檢驗，例如：機械加工技術(shù)環(huán)境，必須實現(xiàn)加工機械技術(shù)的外部環(huán)境滿足機械加工旋轉(zhuǎn)運行的需求，保障輸入軸和連桿設計符合弧面凸輪機械手的運動需求；從弧面凸輪機械手的加工內(nèi)容來看，弧面凸輪機械手的零件加工一般都具有精密性特征，我們在進行零件加工的過程中，保障加工弧度與弧面凸輪機械手之間達到尺寸合理，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計需求。

（3）結(jié)構(gòu)方面的要求，其中包括結(jié)構(gòu)的復雜性，緊湊性，為了完成某些任務零件的拆卸是否方便等?；∶嫱馆啓C械手的工作設計是由圍繞著固定軸的轉(zhuǎn)動和軸向垂直的方向運動復合而成的，弧面凸輪機械手在實際機械加工中的的應用，其工作效率不僅與弧面凸輪機械手的旋轉(zhuǎn)速率具有一定的關(guān)系，同時弧面凸輪機械手的做功速率還要求弧面凸輪機械手能夠?qū)崿F(xiàn)手臂的伸長與縮短，弧面凸輪機械手的做功手臂的長短，實質(zhì)上也受到杠桿原理的影響。當手臂加長，則弧面凸輪機械手的運行的旋轉(zhuǎn)速率加大，但整體速率性的運行過程和運行時間延長，弧面凸輪機械手進行機械加工的速率就會大大增加，新型運動結(jié)構(gòu)所做功的多少則會受到影響，不同的機械運作結(jié)構(gòu)帶來的機械加工速率則會隨著杠桿原理設計進行。弧面凸輪機械手零件加工的速率性發(fā)生做功要求的變化。

（4）維護方面，是否便于維護，發(fā)生故障的幾率為多少等。從弧面凸輪機械手的日常維護角度進行分析，弧面凸輪機械手的運作主要是機械輸入軸和機械連桿做重復運動，我們進行日常中，要及時對弧面凸輪機械手的連接桿與輸入軸的連接處進行潤滑，這樣可以減少弧面凸輪機械手運作時機械輸入軸與連桿之間的摩擦力，保障機械運作的速率，同時做好弧面凸輪機械手的檢驗，也可以保障機械零件加工的運行效率，及時對磨損嚴重的零件進行維護和更換（圖1）。

（5）經(jīng)濟方面，能否保證經(jīng)濟消耗最小化，造成的生產(chǎn)效率最大化，使其最大限度的為使用者帶來效益。為了進一步增加發(fā)揮弧面凸輪機械手在現(xiàn)代機械加工生產(chǎn)中的作用。我們應當在弧面凸輪機械手的應用技術(shù)上進一步開發(fā)，提升弧面凸輪機械手的零件加工效率，提升零件加工的資源應用率，從而實現(xiàn)現(xiàn)代機械零件加工可以發(fā)揮工作效率，促進現(xiàn)代機械加工的經(jīng)濟利益，滿足機械零件的市場需求。

2.主要零件及附件的設計

2.1 連桿的設計

下面以其中一個桿為例介紹其設計，可對右圖來進行參考。水平凸輪的正常轉(zhuǎn)動從而帶動與其相接觸的滾子，而滾子和從動盤連同連桿之間有著相對的位置關(guān)系，其關(guān)系為：滾子通過擺動使連桿也相對擺動，依靠連桿的末端所連接的滾子以推動滑塊從而實現(xiàn)在輸出軸上的水平運動。連桿主要受的力是彎矩，故將XOZ截面設計為圖2左邊的形式。因為這樣的設計可以承受較大的彎矩力。連接靠大端的所銑平面上的四個Φ7.2的孔用M6螺釘加以固定在從動盤上。而小端中有Φ24的孔，這是為了提高精確度，延長使用的壽命，從而便于更換在孔中設計有軸套[2]。

2.2 滾子的設計

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

2.3 輸入軸的設計

這個弧面凸輪機構(gòu)通過與減速機相互連接的電動機傳動進行傳動運動。在軸徑兩端為Φ40，這里為了簡化結(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面的安裝。同時為了使凸輪能合理的完全靠在軸的軸肩處，所以在軸肩處設計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所以三個長度分別為80、63、50mm。在軸上的兩個凸輪可通過螺母進行固定。這里的軸用45鋼進行加工，在調(diào)質(zhì)處理后的硬度應為HRC45～48。從動軸所具有的結(jié)構(gòu)比較簡單，詳細可見圖3[4]。

3.擺動期運動規(guī)律的選用

3.1 弧面凸輪機械手的運動特點

為保證弧面凸輪機械手的準確性，能夠可靠地進行抓取提升和平移等工件?；∶嫱馆啓C械手應具有以下運動的特性：

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

（2）運動的平穩(wěn)性：在進行很多高精度工作的時候都要求弧面凸輪機械手具有穩(wěn)定的運動，以免出現(xiàn)對要求的精準度高的工作造成破壞以及對生產(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 常用的運動規(guī)律

凸輪機構(gòu)的運動規(guī)律目前為止已多大三十余種，足夠多種不同場合的生產(chǎn)需要。例如如等速度曲線，簡諧曲線等運動曲線。但是在進行生產(chǎn)的過程中出現(xiàn)較高要求的情況下，就必須考慮其所具有的較高的運動學的特性，從而對其運動中的特性進行合理的改造，改善凸輪的特性常用方法之一是采用高次多項式將數(shù)條基本曲線一一連接起來。

（1）修正等速運動規(guī)律是由對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)過組合而成的簡諧曲線作為過渡曲線，從而保留了等速曲線的部分優(yōu)點，同時克服了這兩端運動曲線不連續(xù)的缺點。此方式大多用于所需要速度很小或必須進行等速運動的那部分的凸輪的從動件進行的運動規(guī)律，此方法多用于需要低速重載的場合，而并不適合中速和高速。

（2）修正梯形運動規(guī)律是通過對于修正等加速度曲線的進一步修正而得。是能夠針對等加速度運動規(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限大這種缺點，在相應的不連續(xù)部分分別加入了一段簡單的簡歇曲線對其進行過度。從而使加速度和存在的躍度曲線相互連續(xù)起來，從而克服了不連續(xù)造成的缺點。這個方法可以用于中速輕載甚至中載的場合。

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

結(jié)論

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

參考文獻

[1] 張文光.弧面分度凸輪機械手設計與仿真分析研究[D].集美大學，2014.

[2] 侯喜林.弧面分度凸輪機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設計和仿真[D].蘭州理工大學，2012.

[3] 唐曉鵬.弧面分度凸輪機構(gòu)嚙合特性分析與仿真[D].西安理工大學，2010.

[4] 胡新蕾.基于UG的弧面分度凸輪機構(gòu)的參數(shù)化設計及仿真分析[D].青島大學，2009.