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弧面凸轮机械手的参数化设计与仿真 摘要 凸轮机构是自动机械中广泛使用的机构，弧面凸轮机构因其优 良的运动和动力特性在研究和应用领域受到人们的广泛关注，弧面 凸轮机械手即是弧面凸轮机构在工业领域的典型应用，此类型机械 手具有高效、。成本低、精度高等优点，在工业机械手领域具有较为 广泛的应用前景。 本文以三维c a d 软件p r o e n g i n e e rv 4 0 为工具，在前人研究的 基础上，对弧面凸轮机械手做了如下几方面的研究工作： ( 1 ) 以弧面凸轮机械手为研究对象，系统阐述了弧面凸轮机械 手的工作原理、设计方法、运动形式以及结构形式，设计了机构运 动循环图，并以此为基础，对弧面凸轮机械手进行了结构设计； ( 2 ) 以弧面分度凸轮机构为研究核心，系统阐述了弧面分度凸 轮机构的工作原理，推导了弧面凸轮的啮合原理和廓面方程以及通 用简谐运动规律曲线的方程，为后续弧面凸轮的三维建模奠定了重 要的理论基础； ( 3 ) 以p r o e 作为三维建模工具，讨论了利用p r o e 对弧面 分度凸轮进行三维建模的基本原理和方法，详细介绍了弧面凸轮和 平面槽型凸轮三维建模的过程，并以此为基础，利用p r o e 的参数 化功能，对弧面凸轮和平面凸轮进行了参数化设计，为后续对p r o e 的二次开发奠定了基础； ( 4 ) 以v i s u a l b a s i c 作为编程工具，讨论了利用v ba p i 和a g w 方法对p r o e 进行二次开发的基本原理和方法，并以此为基础，开 发了凸轮参数化设计软件，实现了凸轮机构的参数化设计和自动化 三维建模； ( 5 ) 以建立虚拟样机为主要目标，简要叙述了建立弧面凸轮机 械手虚拟样机的基本方法，展示了弧面凸轮机械手的零件、装配体 以及运动仿真的效果，真实再现了弧面凸轮机械手的结构组成和运 动原理。 本文主要有如下几点创新之处： ( 1 ) 在p r o e 的二次开发方面，提出了利用v b 对p r o e 进 行二次开发，实现凸轮机构参数化自动化三维建模的方法。区别于 目前较为通用的利用v c 通过p r o t o o l k i t 进行开发：本文提出的 利用v b 通过a g w 对p r o e 进行二次开发，充分体现了v b 编程容 易入f - 、a g w 传递函数简单、p r o e 参数化建模功能强大的优点。 ( 2 ) 在参数化设计方面，本文设计了凸轮参数化设计软件，可 以对不同类型、不同从动件、不同运动规律的平面凸轮进行参数化 设计，可以直接驱动p r o e 进行三维建模。 ( 3 ) 在弧面凸轮的建模方面，本文直接利用p r o e 的参数化方 程曲线的功能构建弧面凸轮的三维实体，同时，对弧面凸轮结构参 数进行了参数化处理，可以实现相同运动规律下的弧面凸轮参数化 建模，大大提高了建模的效率。 关键字：弧面凸轮机械手，虚拟样机，p r o e ，v b ，参数化建模， 运动仿真 t h ep a r a m e t r i cd e s i g na n ds i m u l a t i o n o f g l o b o i d a lc a mh a n d l e r a b s t r a c t c a mm e c h a n i s m sa r ew i d e l yu s e di na u t o m a t i cm a c h i n e s g l o b o i d a l c a mh a n d l e r sh a v er e c e i v e dw i d ea t t e n t i o ni nr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n f i e l d sf o ri t se m i n e n tk i n e m a t i c sa n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e a sat y p i c a l i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o no fc a mm e c h a n i s m ，t h eg l o b o i d a lc a mh a n d l e r w h i c hh a st h ea d v a n t a g e so fh i g he f f i c i e n c y ，h i g ha c c u r a c ya n dl o wc o s t h a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l do fi n d u s t r i a lr o b o t s o nt h eb a s i so fp r e v i o u ss t u d i e s ，w i t ht h et h r e e d i m e n s i o n a lc a d s o f t w a r ep r o e n g i n e e rv 4 0a sat o o l ，t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h e f o l l o w i n gr e s e a r c ha r e a sa c c o r d i n gt ot h eg l o b o i dc a mh a n d l e r ： ( 1 ) t or e g a r dg l o b o i dc a mh a n d l e ra st h er e s e a r c ho b j e c t ，t h e w o r k i n gp r i n c i p l e ，d e s i g nm e t h o d ，t h ef o r mo fm o t i o na sw e l l a st h e s t r u c t u r a lf o r mo fg l o b o i dc a mh a n d l e ra r es y s t e m a t i c a l l ye x p o u n d e d a n dt h e c i r c u l a t o r ym o t i o ng r a p hi sd e s i g n e dt og u i d et h es t r u c t u r a l d e s i g no ft h i sk i n do fh a n d l e r ( 2 ) t ov i e wg l o b o i dc a mm e c h a n i s ma st h er e s e a r c hc o r e ，t h e w o r k i n gp r i n c i p l e o fg l o b o i d a l i n d e x i n g c a mm e c h a n i s mi s s y s t e m a t i c a l l ye x p o u n d e d f u r t h e r m o r e ，t h ee n g a g e m e n tp r i n c i p l e ， p r o f i l ee q u a t i o n ，a n dt h eu n i v e r s a ll a wo fs i m p l eh a r m o n i cm o t i o nc u r v e o ft h ee q u a t i o no ft h eg l o b o i d a lc a ma r ed r i v e nt ol a ya ni m p o r t a n t t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rf o l l o w u pt h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n g ( 3 ) t om a k ep r o e n g i n e e ra st h et o o lo f3 dm o d e l i n g ，t h eb a s i c p r i n c i p l e sa n dm e t h o d so f3 dm o d e l i n ga r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h e 3 dm o d e l i n gm e t h o d sf o rg l o b o i d a lc a ma n d p l a n e s l o tc a ma r e i n t r o d u c e di nd e t a i l b a s e do nt h a t ，t h eg l o b o i d a lc a ma n dt h ep l a n es l o t c a ma r ed e s i g n e dp a r a m e t r i c a l l yt ol a yt h ef o u n d a t i o nf o rf o l l o w - u p f u r t h e rd e v e l o p m e n tf o rp r o e n g i n e e r ( 4 ) t om a k ev i s u a lb a s i ca st h et o o lo fp r o g r a m ，t h ef u r t h e r i i i d e v e l o p m e n tm e t h o d ，v ba p ia n da g w ( a u t o m a t i o ng a t e w a y ) ，a r e d i s c u s s e d a f t e rt h a t ，t h ep a r a m e t r i cs o f t w a r ei s d e s i g n e d t od r i v e p r o e n g i n e e rt om o d e lp a r a m e t r i c a l l ya n da u t o m a t i c a l l y ( 5 ) t ov i e wv i r t u a lp r o t o t y p i n ga st h em a jo ro b je c t i v e ，t h e3 d m o d e l i n gm e t h o df o rv i r t u a lp r o t o t y p i n go fg l o b o i d a lc a mi sb r i e f l y d e s c r i b e d t h ep a r t s ，a s s e m b l ya n dt h em o t i v es i m u l a t i o na r ed i s p l a y e d t o r e p r o d u c e s t h e c o m p o s i t i o n a n dm o t i o np r i n c i p l e so ft h er e a l s t r u c t u r eo fg l o b o i d a lc a mh a n d l e r s t h i sp a p e rh a st h ef o l l o w i n gi n n o v a t i o n s ： ( 1 、) i nt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n t o f p r o e ，t h e m e t h o df o r t h r e e d i m e n t i o n a lp a r a m e t r i cc a mm o d e l i n gw i t hv bi sa p p r o a c h e di n t h i sp a p e r d i s t i n g u i s h e df r o mt h ec o m m o nu s eo ft h ec u r r e n tm e t h o d ， v ct h r o u g ht h ep r o t o o l k i t ，t h i sp a p e rp r o p o s e st h eu s eo fv b t h r o u g ht h ea g w o np r o ef o rt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n tw h i c hf u l l y i n d i c a t e se a s yp r o g r a m m i n go fv b ，e a s yt r a n s f e rf u n c t i o n so fa g w ， a n dp a r a m e t e r i z e dm o d e l i n ga d v a n t a g e so fp r o e ( 2 ) i nt h ep a r a m e t r i cd e s i g n ，t h i sp a p e rd e s i g n e dc a mp a r a m e t r i c d e s i g ns o f t w a r e ，w h i c hh a st h ea b i l i t y t od e s i g nd i f f e r e n tc a m si n d i f f e r e n tt y p e s ，d i f f e r e n tf o l l o w e r sa n dd i f f e r e n tm o t i o n1 a w s ，a n d w h i c hc a nd r i v ep r o et ob u i l dt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e la u t o m a t i c a l l y ( 3 ) a tg l o b o i d a l c a m m o d e l i n gc o n t e x t ，t h i sp a p e r b u i l d t h r e e d i m e n s i o n a lg l o b o i d a lc a mm o d e l i n gw i t ht h ed i r e c tu s eo fp r o e p a r a m e t r i c a l f u n c t i o nc u r v e a tt h es a m et i m e ，t h eg l o b o i d a lc a m p a r a m e t e r sh a sb e e np a r a m e t e r i z e dt o a c h i e v ep a r a m e t r i cm o d e l i n go f g l o b o i d a lc a mu n d e rt h e s a m em o t i o nl a w s ，t h e r e f o r e ，t h em o d e l i n g e f f i c i e n c yh a sb e e ni m p r o v e dg r e a t l y k e y w o r d s ：g l o b o i d a lc a mh a n d l e r ，v i r t u a lp r o t o t y p i n g ，p r o e ，v b ， 3d p a r a m e t r i c a lm o d e l i n g ，m o t i v es i m u l a t i o n 弧面凸轮机械手的参数化设计与仿真 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 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：二她 日 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) 论文作者挠雄出雌名：恤日 弧面凸轮机械手的参数化设计! 仿真 l 绪论 1 1 课题目的、背景及意义 弧面凸轮机械手( g l o b o i dc a mh a n d l e r ) ，是一种是以弧面凸轮机构为核心的间歇 分度装置( 分割器) ，它能够按照生产工艺的要求，遵循一定的时序来完成工件的传送、 装卸、升降、提取、装配、焊接、钻孔、堆垛、监测等任务，尤其在高温、高压、粉尘、 噪音及带有放射性污染的场合应用更加广泛。其主要特点是结构紧凑、工作可靠、精度 高、使用寿命长、制造成本低，可以广泛应用于汽车、包装、电子、医药等行业，具有 十分广泛的应用前景。 世界上只有美、日、德等少数几个国家以及中国的台湾地区有定型产品。在国内， 凸轮机械手的生产工艺和标准化、系列化程度还远不及国外同类产品，大多数设备依赖 进口，从而大大限制了我国自动化机械和自动化装配线的发展。因此，研发一套拥有自 主知识产权的凸轮机械手的标准化系列化产品，是目前制造业迫切需要解决的问题。 按照传统的设计模式，弧面凸轮机械手的研发通常要经过样机设计、样机试制、调 试试验、改进定型和批量生产等几个步骤。这种研发模式周期长、成本高，而且因为设 计人员通常不愿意为修改机器的局部而给整机带来不可预知的结果，使得产品造型、结 构老化，很难获得最优的产品性能。另一方面，在实际开发设计和系列选型过程中，由 于不同用户会根据自身需求对产品提出不同的性能指标，使得弧面凸轮机械手的研发设 计工作重复量大，设计周期长，从而制约了该型机械手的推广应用。 虚拟样机技术的出现和逐渐成熟，为解决这些问题提供了强有力的工具和手段。虚 拟样机技术就是在建造第一台物理样机之前，设计师利用计算机技术建立机械系统的数 字化模型，进行仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性，从而 修改并得到最优设计方案的技术。 本文的选题旨在利用虚拟样机技术构建弧面凸轮机械手的虚拟样机模型，并通过参 数化尺寸驱动实现弧面凸轮机械手的参数化设计，不同的应用场合可选择不同的结构参 数，通过不同的参数输入自动构建不同的实体模型，进而实现弧面凸轮机械手的多品种、 多规格、系列化的设计。 本课题研究的核心内容是运用p r o e n g i n e e r 对弧面凸轮机械手进行参数化建模和仿 真，并利用v b 编程开发独立的软件实现机械手样机完整意义上的参数化系列化设计。本 课题的研究意义可以体现在两个方面：一是运用模块化设计方法，完成的凸轮机构的参 数化设计模块不仅可以用于弧面凸轮机械手的设计，而且可以应用于其它凸轮机构应用 的场合；二是以参数化方法构建的弧面凸轮机械手虚拟样机为原型，可以为弧面凸轮机 械手的多规格、系列化设计奠定基础，从而填补目前在此研究领域的空白。 陵两科技大学硕1 学位论直 1 2 国内外现状 弧面分度i n i 轮帆构是山美国人c nn e k l u t i n 于2 01 忖纪2 0 年代发明的，并由其所 创建的f e r g u s o n 公可( 1 9 3 0 年创建) 首先进行了系列化，桥准化巾产。c a m e o 凸轮公司 成立9 3 9 午世芰围知名的凸轮分度器制造厂商。2 0 0 1 年，i f er g u s o n 用i c a m c o 合并而 成的t m c 公司成为伞球最大的凸轮分度器制造商，专业制造优质的t n l 轮分度器等凸轮运动 控制产品往高负荷、高速度和商精度工业自动化应用领域t 有盛脊 4 7 。目前拥有r d m 、 e ( 重载) 、r d 、r g s 等多系列分度装置，其中机械手( h a n d i er ) l ：要有旋转机械手( r p p ) 、 线性机械于( l p p ) 和步进驱动装置( w b d ) 三种类型，如图i _ 】所示。除了i m c 公司，在 凸轮分度机构领域知名的制造商还包括n 奉的三共制造所( s a n k y o ) ，美国的s t e i ，r o n 公司、s o p a p 公司台湾德土凸轮有限公司、潭子精密机械股份有限公司等，其产品精度 高、可靠性好，并均有系列化的产品可供选择。 龄一小 ( a ) 旋转机械手( r p p )( b ) 线性机械手( l p p )( c ) 步进驱动装置( w b d ) r o t a r y ( r p p ) p a r t s h a n d l e r sl i n e a r ( l p p ) p a r t s h a n d l e r sw a l k i n g b e a m d r i v e s ( w b d ) 图l _ 1i m c 心司的凸轮机械手 f i g 】- li m cc 硼h 卸d t e r s 目前 轮分度机构主要有以下三种类型： ( i ) 平行分度凸轮机构 渡机构中凸轮曲线、分度盘轴线、滚子轴线相互平行属于其轭凸轮机构，缩小中 心距可消除传动问隙。 ( 2 ) | 盈l 柱分度凸轮机构 凸轮呈i 璺】柱状，凸轮轴线与分度盘轴线垂直交错，滚子轴线与分度盘轴线平行。 ( 3 ) 弧叫分度凸轮机构 凸轮呈【剜弧回转体状，凸轮轴线与分度盘轴线垂直交错滚子均布在分度盘上，其 轴线与分度盘轴线垂直相交，可以通过预紧消除传动丑】隙。 表1 一l 是上述三种分度机构参数及性能比较。 弧两凸轮机馘于的参数化啦l l ，仙“ 太卜l 三神凸轮式分度机构的性能比较”“i 仅博参考l a l l l e l - ic o m p a r i s o no f t h e “o m t 聊o h h m ek i n 6 5o f i n d e x i n gc a m m e c h a n i c s 托杯半 r 分度凸轮捌f ， 膻l ”i 轮弧而分度凸轮 计q 目 蟠 够 器 涝 分虚数 l 63 2 4 分应m 限制范围较窄范刚觉范吊宽 最高分鹰精度 1 5 ”3 0 ”巧“3 0 ”1 0 ”2 0 ” 理论晟岛# 述1 0 0 0 r 呷3 0 0 r p m 3 0 0 0 r 伽 川性一般较赢高 传递玻荷 中、小中，人中、小 设计上的限制多较多少 通常可以j j 铣球 加i 方法通常可以用铣床加1 必须用专用机床加t 或专坩铣床加】： 加j 举标0 一x 或0 t 0 _ x - y 戚0 一t 麻川场合中、高速轻载中、低速中轻袭高速中、重载 加l 成本 m 高高 预载容易较难容易 从上表可以看出，弧面分度凸轮机构在动态性能、分度精度等方面的优势。正因为 如此，弧面分度凸轮机构被广泛应用于加工中心抉刀装置、凸轮式机械手、印刷机等对 分度精度要求较高的机械中。 在国内，有学者曾于1 9 9 9 年1 月以“机械手a n d ( 弧面凸轮o r 空日j 凸轮o r 凸轮) ” 为检索词进行了广泛的查新其结果是国内在该领域尚属空白。笔者曾于2 0 0 9 年1 月登陆 维普信息资源系统( 可检索1 9 8 9 年至今的期刊文献) 以。弧面凸轮机械手”为检索词查询 检索到公开发表的论文1 1 篇全部出白陕西科技大学。 从弧丽凸轮机械手在国内的技术研究来看，这方面的研究发展报快。尽管智能化机 械手机器人发展报快，但目前仍不能取代凸轮机械手。因为后者在适应范围、可靠性、 高速、价格等方面具有十分突出的优越性。文献 3 9 系统研究了弧面凸轮机械手的系列 化设计思想，针对弧面凸轮机械手进行系列化、模块化设计，从而奠定了弧面凸轮机械 陕怕科技人学硕十学位论文 手的“标准化、系列化、通f 丑化”的理论基础，文献 4 0 对机械手设汁- t 的棚关问题作 了较为系统的探讨和阐述，并设计了弧面凸轮机械手的初步样机。舀：此基础e ，文献 3 7 3 8 运用p r o e 的参数化建模功能，实现了弧面凸轮机械手的三维零件的参数化建 模和装配，可以说，我校在弧面凸轮机械手的研究方面是富有成效的。 我国对弧面分度凸轮机构的研究始于2 0 世纪7 0 年代木，陕西科技大学( 原西北轻工业 学院) 、上海工业大学，天津大学、合肥工业大学、吉林工业大学、山东工、i k 人学、大连 轻工业学院、上海工程技术大学等高校以及山东诸城锻压机床厂、西安钟表机械厂等厂 家都在弧面分度凸轮机构的研究制造方面取得了一批成果。 在运动学研究方面，我国在弧面分度凸轮机构运动学研究方面的早期文献主要集中 介绍了弧面分度凸轮机构的压力角、凸轮啮合曲面的曲率半径、从动滚子的转速、凸轮 廓形曲面及接触线方程等 4 5 。到8 0 年代中后期，出现了应用矩阵法、空问回转变换张 量法等方法研究弧面分度凸轮机构几何运动学及啮合原理的文献。文献 1 利用回转变 量张量作为数学工具，推导出了常用空间凸轮机构凸轮轮廓曲面参数及曲率分析的通用 计算公式。文献 3 奠定了平面凸轮和空间凸轮机构学的理论基础。文献 1 6 设计了凸轮 c a d 系统c s c m ，并介绍了如何将专家系统用于凸轮机构设计。文献 1 0 系统介绍了弧 面凸轮机构的创新设计方法，对弧面凸轮的设计方法做了系统总结。文献 8 从先进制造 系统建模的角度，阐述了一种新的机械系统建模理论多色集合理论，可以作为创新 设计方法应用到工业机械手的研究开发领域，对于弧面凸轮机械手的设计理论有一定的 借鉴价值。 在动力学研究方面，文献 5 9 利用集中质量法对弧面凸轮的定位段、上升段的参与 振动和强迫振动建立了振动方程；文献 6 0 利用机构位置离散化方法，建立了弧面凸轮 输入轴和输出轴扭矩及横向振动的多自由度动力学方程；文献 6 1 通过研究从动盘动态 响应，分析了弧面凸轮机构动态精度与负载、系统刚度、配合问隙及工作转速之间的关 系；文献 6 2 以实验的方法对弧面分度凸轮机构传动系统动态特性进行了测试，为理论 研究提供了基础。 从弧面凸轮参数化建模与运动仿真技术来看，弧面凸轮的三维建模的难度主要在于 其廓面的复杂性和运动规律的多样性。文献【1 9 系统讲解t p r o e n g i n e e r - 次开发的基本 方法，简要介绍了利用v b 对p r o e n g i n e e r 进行二次开发的基本方法，为本课题的二次开 发研究提供了宝贵的技术资料。文献 1 5 对平面凸轮机构的参数化建模进行了深入研究， 其内容和观点与本课题平面槽型凸轮的参数化设计相符。文献 1 2 1 8 系统讲解了 p r o e n g i n e e r 运动仿真的基本方法和技巧。从目前的文献资料来看，通过v b ( 或v c 、l i s p ) 编程，计算弧面凸轮的轮廓坐标( x ，y ，z ) ，或将数据导入三维软件p r o e ( 或u g 、 a u t o c a d ) ，这个导入过程是人工操作完成的，或利用o p e n g l 跳开三维建模软件直接 4 弧嘶凸轮机械手的参数化设计与仿真 显示弧亩 】轮的三维绝构| 6 引，或利用弧面凸轮的加工原理以从动滚子运动作为刀具运动 切割凸轮基本体i 而e 然形成弧面凸轮廓面【3 4 1 ，或完全利用p r o e 参数化程序曲线的功能 建模i ) 5 1 。从发展趋势柬看，弧【丽分度凸轮的c a d c a m c a e 体化设计足未束发展的一 个方向，即集j j l _ - e 、建模、运动仿真于一体，并利用三维建模软件的二次丌发技术，开 发独立的弧面分度亡1 1 轮参数化设计软件，这也是本课题研究的一个方向。 参考诸多文献可以看出，弧面凸轮机构仍旧是研究比较活跃的领域，主要研究方向 包括如下几个方面： ( 1 ) 弧面凸轮机构的啮合原理与基础理论研究，侧重数学理论。 ( 2 ) 弧面凸轮的参数化三维建模与仿真技术的研究，侧重c a d 技术的应用。 ( 3 ) 弧面凸轮的制造与检测技术的研究，侧重工艺技术的改进。 ( 4 ) 弧面凸轮分度机构在相关领域的应用，侧重工业应用。 1 3 主要研究的内容 1 3 1 凸轮机构的啮合原理与基础理论 对弧面凸轮的基础理论以及平面槽型凸轮的设计方法进行系统的研究和总结，为弧 面凸轮机械手的建模奠定基础。研究内容主要包括：弧面凸轮机构的基本原理、凸轮机 构运动规律、弧面凸轮设计的计算方法等。 。 1 3 2 弧面凸轮参数化建模技术的研究 利用p r o e n g i n e e r 对弧面凸轮和平面槽型凸轮进行参数化建模，以此为基础，构建 弧面凸轮机械手的三维实体模型。研究内容主要包括：p r o e n g i n e e r 软件的参数化建模方 法、平面凸轮三维建模方法、弧面凸轮三维建模方法等。 1 3 3 弧面凸轮机械手虚拟样机设计 构建弧面凸轮机械手的虚拟样机模型，进而对虚拟样机模型进行运动仿真和二次开 发技术的研究。研究内容主要包括：p r o e n g i n e e r 软件虚拟装配、弧面凸轮机构的运动仿 真以及整机的仿真技术等。 1 3 4 研发凸轮机构参数化设计软件 采用模块化设计方法，利用v b 编程研发平面凸轮和弧面凸轮参数化设计软件，以 期达到对凸轮机构实际意义上的参数化设计。研究内容主要包括：v b 对p r o e n g i n e e r 5 陕阳科技人学硕十学f i ：7 ：论文 进行二次丌发的培小力i ：和原理、软件的设计步骤等。 6 弧【可，j 轮机械手的参数化设计与仿真 2 弧面凸轮机械手的设计原理与方法 2 1 弧面凸轮机械手的运动形式1 2 7 i 1 3 1 1 1 4 0 l 根据应用场合和条件的不同，要求凸轮机械手实现不同的运动。一般情况下，凸轮 机械手搬运物料时，要求手臂能够实现提升和转位运动，它的运动轨迹是由升降和旋转 两种运动复合而成，这两种运动由凸轮从动件实现。典型运动形式如图2 1 所示： ( 2 )( 3 ) ( 迄 ( 4 )( 5 ) ( 1 一1 ( 7 )( 8 ) 【9 ) ( 1 0 )( 1 i )( 1 2 ) 图2 - 1 基本运动形式 f i g2 - 1m o t i o ns t y l e 从图2 1 可以看出，所有的运动类型都是由绕固定轴的转动和轴向垂直运动复合而 成，在实际的应用环境下，还要求手臂长短可调，即旋转半径是可变的；升降行程可调， 即轴向的运动也要求是可变的。为了实现如此复杂的运动形式，需要将凸轮机械手进行 系列化设计，以适应实际工作中的需要。 2 2 弧面凸轮机械手的结构形式 在设计初步的结构形式时，主要基于以下几个因素考虑： ( 1 ) 是否满足预定的功能要求，包括运动形式、功率、转速等； ( 2 ) 对工作条件的适应性，包括工作环境、场地、工作制度、工作可靠性等； ( 3 ) 结构方面的要求，包括结构复杂性、结构是否紧凑、传动效率的大小、为了实 现不同的运动形式，对主控制部件是否可以更换等； ( 4 ) 维护方面的要求，是否便于维修，故障发生的概率等； ( 5 ) 经济性方面的要求，实现最佳的经济效益，具备最优的性价比。 考虑以上多方面的因素，为了实现图2 1 中的运动规律，可以采取多种结构形式。 通常，弧面凸轮机械手以弧面凸轮实现转位，升降运动可以由弧面凸轮、圆柱凸轮或平 面沟槽凸轮实现。 丫 陕曲科技入学硕十学位论文 2 2 1 弧面凸轮转位和弧面凸轮提升 图2 2 所示为两组弧面凸轮机构实现机械手转位和提升动作。 图2 - 2 两组弧面凸轮 f i g2 - 2t w og l o b o i d a lc a m s 2 2 2 弧面凸轮转位和圆柱凸轮提升 图2 3 所示为弧面凸轮驱动输出轴转位，由圆柱凸轮驱动输出轴提升。 圆柱凸 图2 - 3 弧面凸轮和圆柱凸轮 f i g2 - 3o n eg l o b o i d a lc 锄a n do n ec y l i n d r i c a lc a m 8 弧( 自 1 i 轮卡j 【械f 舟勺参数化i 殳计与仿真 2 2 3 弧面凸轮转位和平面沟槽一、轮提升 图2 - 4 所示为弧面凸轮驱动输f f 轴转位，平面沟槽凸轮驱动连杆带动输出轴提厂f 。 2 2 4 小结 平面沟槽凸轮弧面凸轮 图2 - 4 弧面凸轮和平面沟槽凸轮 f i g2 - 4o n eg l o b o i d a lc a ma n d0 1 1 ep l a n ec a m 通过以上三种弧面凸轮机械手对比可以看出： 在传动精度方面，三类凸轮机械手均能保证良好传动精度，以两组弧面凸轮( 图2 2 ) 传动精度最高。 在结构大小方面，利用圆柱凸轮驱动输出轴提升( 图2 。3 ) 可以使结构更为紧凑，缺 点是提升的距离有限，只适合小位移提升的场合。 在加工难度方面，弧面凸轮最难加工，圆柱凸轮其次，平面槽型凸轮最好加工。 在制造成本方面，以平面槽型凸轮( 图2 4 ) 加工成本最低。 以弧面凸轮驱动转位，平面槽型凸轮驱动提升可以在保证传动精度的同时，实现较 为复杂的运动，并能有效降低成本，因此在加工中，已, a t c 换刀机构中得到广泛应用。 本文研究的对象为弧面凸轮驱动转位、平面槽型凸轮驱动提升的机械手。如图3 4 所示，其工作原理是：平面槽型凸轮通过螺钉与弧面凸轮联结在一起同轴转动，转位时， 由弧面凸轮驱动从动盘转动，从动盘内孔有花键槽，与输出轴轴端的花键配合，驱动输 出轴转位；提升时，由平面槽型凸轮驱动连杆摆动，连杆一端的圆柱滚子与输出轴中间 圆柱槽配合，驱动输出轴提升。弧面凸轮和平面槽型凸轮同时转动，可以实现输出轴的 转位、提升的单独或复合运动。 9 坎f 均科技人。学硕十学位论文 2 3 弧面凸轮机械手的运动循环图设计 2 3 1 运动循环图的基本概念 运动循环图是将机器各执fj ：机构的运动循环按同一时间( 或转角) 比例尺绘出的循 环图，并且以某一主要执行机构的工作起点为基准来表示各执行机构的运动循环相对r 该主要执行机构动作的先后次序，以达到相互协调的目的，也称为工作循环图。 设计机器时，首先确定各执行机构，再根据工作要求，使这些机构按动作的先后和 构件工作时互不干涉以及尽可能提高工作效率的原则互相协调配合，以便能正常工作。 常用的运动循环图有： ( 1 ) 直线式循环图：是将运动循环各运动区段的时间和顺序按比例绘在直线坐标轴 上。优点是能清楚的表示各执行机构各行程的起止时间。 ( 2 ) 圆形循环图：是将运动循环各运动区段的时间和顺序按比例绘在圆形坐标上。 优点是在具有分配轴的机器中能比较直观的看出各个执行机构的原动件在分配轴上所处 的相位，便于原动凸轮的安装和调整。 ( 3 ) 直角坐标式循环图：横坐标表示运动循环内各运动区段的时间( 或转角) ，纵 坐标表示执行机构的运动特征( 如位移、转角等) 。优点是能清楚的表示各执行机构的 运动状态和起止时间。 通过上面三种运动循环图的比较，本文中弧面凸轮机械手的运动循环图拟采用直角 坐标式循环图。 2 3 2 执行机构运动循环图的设计 执行机构的运动循环图，是在确定了自动机械工作原理的基础上进行设计和计算。 步骤如下： ( 1 ) 确定执行机构的运动循环。 ( 2 ) 确定运动循环的组成区段。 ( 3 ) 确定运动循环内各区段的时间( 或分配轴转角) 。 ( 4 ) 绘制执行机构的运动循环图。 下面就上列四个步骤分别进行阐述： ( 1 ) 确定凸轮机械手的运动循环 首先设定本文所研究的凸轮机械手一次转位时间为1 5 s ，由于弧面分度凸轮的从动 盘装在凸轮机械手轴上，故从动盘转速和机械手输出轴相同。 凸轮轴的转速为：n = 4 0 ，m i n 凸轮机械手的工作循环时间为“= 1 n = 1 4 0m i n = 1 5 s l o 孤l 1 l 轮机械| 的参数化设计与仿真 ( 2 ) 确定运动f _ f f j 川、绀j 戊k 段 根据工作要求，i l l l 轮机械的运动循环由下列五段组成，如表3 1 所示： 表2 - 1 运动循环参数 t a b l e2 - 1p a r a m e t e r so fm o t i o nr e c y c l e 分段序号i ：车m 车角动作描述关系 1p ， 旋转移角 色= q，1 = ，5 29 、 沿轴向提升 吼= 晚岛= f 。 39 ，旋转1 8 0 。 ，3 4 眈沿轴向卜- 降 幺= 吼，2 = ，4 5 口5 反转痧角归位 幺= qf l = ，5 q + 吼+ 岛+ 瓯+ 见= 3 6 0 。 合计 ，1 + ，2 + ，3 + ，4 + ，5 = 1 5s ( 3 ) 确定运动循环内各段的分配轴转角及时间 凸轮机械手的初始位置角矽取6 0 。 - - 9 0 。，从节省时间和控制该段弧面凸轮压力角 考虑，一般取小值，此处取矽= 6 5 0 ，即在弧面凸轮轴转过p 时，从动盘轴转过6 5 。由 于所选的修正等速运动规律是对称的，故缺= 鼠= 5 5 0 。 岛和只段是提升下降段，在该段内凸轮机械手轴由平面沟槽凸轮控制伸出距离f ， 根据工艺要求，取f = l1 0 m m 。0 2 和以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，为控制平面沟槽凸轮的压力角，取见= 幺= 6 0 。 敏段是凸轮机械手旋转1 8 0 。，在该段内凸轮机械手由弧面凸轮控制从动盘旋转1 8 0 0 以实现刀具的交换，一般弧面凸轮的最大压力角就产生在该段内，计算可以得出： 岛= 3 6 0 。一2 0 , 一2 0 2 = 1 3 0 0 最后，确定各段转角为：b = q = 5 5 。，只= 0 2 = 6 0 0 ，b = 1 3 0 0 相应各段的工作时间为： ，l = 岛3 6 0 0 1 5 0 2 3j r 2 = 幺3 6 0 。x 1 5 = o 2 5s t 3 = 岛3 6 0 0 1 5 = 0 5 4s 且满足关系2 f ，+ 2 ，2 + f 1 = 1 5s ( 4 ) 绘制执行机构的运动循环图 在上面的设计中，凸轮机械手从凸轮开始旋转时，就开始转位，到凸轮转完一周时， 凸轮机械手反转6 5 。归位，这种设计，是以最短时间、控制最大压力角和传动误差为零 作为前提条件的，但是由于凸轮的制造和安装过程中，总是存在一定的啮合间隙和传动 误差，因此，实际设计循环图时小能以此为if 1 碱纠i 图，总是在q 前和敏后面各加一段 静止期酿和耽，以消除由于：传动误芹带水的影响，p ，和包一般取相同值，其大小丰见弧 面凸轮制造精度而定，在此处取o o = 0 6 = 7 5 0 ? n j 铱和酿段，两个凸轮的从动件均静止。 凸轮机械手工作情况是：在鼠段，弧【f l l t i l l 轮! 妪动从动盘正转6 5 。，平面沟槽凸轮从 动件静止；在秒，段，弧面凸轮从动盛静【f ：，、p 嘶沟槽凸轮驱动凸轮机械手上升l1 0 m m ； 在b 段，弧面凸轮驱动凸轮机械手旋转1 8 0 。，f 面沟槽凸轮从动件静止；在耽段，弧 面凸轮的从动盘静止，平面沟槽凸轮驱动机械f 卜降l l o m m ；在敏段，弧面凸轮驱动机 械手反转6 5 。归位，平面沟槽凸轮从动件静i i ：。 通过以上的运动分析，两个凸轮的从动甜均足在前一个工作时，另一个静止，不能 完全体现凸轮式凸轮机械手的工作时问部分叮以重叠的优点。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，凶此，部分动作可以同时进行，这样一 方面可以使时间缩短，另一方面，由于各段的转角相对变大，还可以减小传动压力角。 重叠的角度多少视现场情况和工作情况而定。 加上酿和眈以及部分工作重叠进行之后的凸轮机械手的工作循环图如图2 5 所示。 接 蜱 翎 懿 求 缒 聋 澄 求 1 f 凸轮牟| 川娉3 6 0 。 ojl 。 0 i n 2 o 心 jl h 1 r o 一 ：2 - l 1rl 1r r 7 5l5 0 。l6 0 。1 2 5 。 6 0 。5 0 。l 7 5 。 0 j r11r1r1 s l 1 5 。2 0 02 0 01 5 o 一15 ： jl g g o = 1r r 一 7 2 5 。- l一6 5 。l j8 5 o l一 6 5 。 l j7 2 5 。- l 0 图2 - 5 运动循环图 f i g2 - 5m o t i o nc y c l ec h a r t 1 2 弧面门j 轮机械f 杓参数化l 世i f1 j 仿真 2 4 从动件运动规律的设计原理与应用 设计运动规律是凸轮设计的前提，而逸扦合适的运动规律则足凸轮设计的基础，对 j 二每个设计者束说，如何得到满足设计要求、使川fj 的、经济实用的凸轮机构，选择合 适的运动规律将是十分重要的一环。 2 4 1 运动参数无因次化 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 等进行无因次处理，变成用相应大写字母表示的无因次量。 设某个升程运动段的位移曲线为：s = s t t ) ，时州t 的变化区问为 0 ，t h 】，t = t 。时，s = h 。 则其速度v 、加速度a 、跃扇、跳度q 可依次表示为： d s 1 ，= d t 咖d 2 s d ld t z d n d 3s j 斑d t 3 d id 4 s 铲言2 孑 则相应的无因次量定义为： 丁：二 厶 s ：