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1、13直动型弧面凸轮机械手的设计第一章 绪 论1.1 凸轮机构的种类与特点凸轮机构形式繁多，是一种小型、简易、精密的机械，且因为它兼有传动、导向及控制个机构的各种功能，而得到了广泛地应用。可产生复杂的运动轨迹，实现非等速运动等。其工作特点和设计方法随机构形式而异，一般按凸轮的几何形状分类。详细可见下面图2-1。盘形凸轮一般平面凸轮。 平面凸轮 移动凸轮是盘形凸轮的一种特殊形式，可视为转动轴线在无限远处。圆弧凸轮轮廓可为整圆或多段圆弧。 圆柱凸轮从动件接触位置沿凸轮轴线方向 空间凸轮圆锥凸轮工作表面分布在端面或圆锥表面。 图2-1 凸轮类别1.2 凸轮分度装置的形式与特点由于本设计主要研究的是摆动
2、、分度凸轮的结构，现就此方面作一比较详细的阐述和比较。凸轮分度装置实属凸轮摆动装置的一种特例。现已有系列化产品，形成了一定规范的分类。凸轮分度机构是自动机械中实现高速、高精度间歇分度运动的新型传动装置，具有分度精度高、高速性能好、运转平稳、结构紧凑、体积小、重量轻、噪音低、寿命长等优点。凸轮分度装置有圆柱凸轮分度装置、弧面凸轮分度装置及平行凸轮分度装置三大类型。前两种属空间凸轮，后者属平面共轭凸轮。可见下面图2-2。弧面凸轮分度机构利用弧面凸轮的工作曲面与从动盘上呈辐射状的分度运动与定位的，从而将连续的回转运动变为间歇运动输出。其特点是输入与输出轴呈空间正交，可多姿态安装使用，广泛应用于各种自
3、动机的间歇转位分度及自动生产线的步进运动。分度数：124 分度精度：1545箱体中心距：40300mm平行凸轮分度机构利用一组平面共轭凸轮作为主动件进行连续匀速转动输入，凸轮共轭曲面与从动盘上各层滚子依次啮合，来实现输出轴的分度运动与定位，从而将连续的回转运动转变为间歇运动输出，其特点是输入轴与输出轴平行。分度数：112 分度精度：1545箱体中心距：60350mm 圆柱凸轮分度机构利用圆柱凸轮的工作曲面与从动盘端面同一圆周上均布的滚子依次啮合，推动从动盘作间歇运动输出。其特点是输入轴与输出轴呈空间垂直相交，通常输出轴垂直向上安置使用。 分度数：660 分度精度：3060箱体中心距：60120
4、0mm图2-2 分度凸轮的类别通过比较可见区别如下：（1） 空间凸轮分度装置适用于分度数比较大的场合。而平行凸轮分度装置的最小分度数为1。（2） 空间凸轮分度装置的输入输出轴是空间交错垂直的，而平行凸轮分度装置的输入输出两轴是平行的。（3） 圆柱凸轮分度装置的空间结构最为紧凑，所用的空间最小，弧面凸轮分度装置次之。（4） 平行凸轮分度装置的输出轴可从机体两侧伸出，两侧同时输出。（5） 平行凸轮分度装置可在很高的速度下使用，其最大分度速度可达2000次/分。而空间凸轮分度装置则一般在中、低速情况下使用。1.3 本课题的主要内容运动规律是凸轮在运动阶段运动特性的体现。根据弧面凸轮机械手的特点，选择
5、最合适的运动规律以满足其设计的要求。完成弧面凸轮机械手的结构设计，通过设计方案的比较，确定选用的结构形式。根据相关计算公式，计算凸轮的运动参数和几何尺寸。由动力学知识设计从动盘、输出、输入轴等。并对凸轮机构重要部件进行强度寿命校核。最后还应设计合理的箱体、选用相应的减速器和电动机。第二章 方案的拟定与比较2.1 设计要求2.1.1 主要给定参数本设计中的主要给定参数见下面表2-1。 表2-1 主要参数项目相关参数周期1s承载能力3Kg凸轮与从动盘间的中心距150mm水平行程150mm竖直行程70mm 2.1.2 运动循环要求此机械手主要用于冲模送料及其他相应的自动生产线中，其运动轨迹有特殊的要
6、求。下图21所示的就是本设计机械手手臂即输出轴的运动轨迹。 6 3 1 2 4 5 停歇期 停歇期图2-1 运动循环图其中1、2、4、5部分是升降运动，其高度就是机械手的竖直行程。3、6部分为水平部分为水平运动。具体地说，首先，机械手在升降凸轮控制下向下运动接近工件，运动到位后在短暂的停歇期靠手爪抓取工件。接着手臂向上运动到一定位置，升降运动停止。然后 ,手臂在水平凸轮的下作水平运动。待运动到位后，接着又由升降凸轮控制到达所需位置后，手爪放下工件，回升。最后在水平凸轮的控制下回到初始位置，完成一个工作循环。由以上分析也可看出，凸轮机械手的实际运动轨迹是由水平和升降两种直线运动组合而成的。这两种
7、运动分别靠相应的凸轮来控制实现，要求两个凸轮的运动有良好的配合。2.2 方案的拟定与比较为了实现给定的运动轨迹，可采用多种结构形式。在初步设计其结构时应基于以下几个因素考虑：（1） 否满足预定的功能要求，包括运动形式、功率、转速等。（2） 对工件条件的适应性、包括工作场地、工作可靠性等。（3） 结构方面的要求，包括结构的复杂性、紧凑性、合理性等。（4） 维护方面的要求，是否便于安装、维修等。（5） 经济性方面的要求，应实现最佳的经济效益，有最优的性价比。经初步确定有以下两种方案：方案一：采用两个普通盘形凸轮，一个推动输出工作端W作X向水平运动，另一个使W端作Z向竖直运动。可见右边的示意图图2-
8、2。 图2-2 方案1示意图方案二： 采用两个弧面凸轮，从动盘上有两个轴线沿转盘径向分布的滚子，跨在凸轮圆环面的突脊上。靠轮廓面推动从动盘摆动，从而实现输出手臂的水平竖直运动。可见右边的示意图图2-3。图2-3 方案2示意图 结合结构设计的几点考虑因素，认为两种方案都不错。第一种结构虽相对复杂点，但采用的是普通平面凸轮，设计、加工都比较容易。第二种结构简单，但采用空间凸轮，设计、加工复杂。然而由于近年来，计算机辅助设计/制造的研究获得一定成果，且随着新设备、新工艺、新材料的不断涌现，凸轮的设计与制造已变的比较方便。在数控机床上可较容易的加工出高精度的空间 凸轮。所以此设计中采用第二种方案。第三
9、章 主要运动参数和几何尺寸的确定凸轮分度装置是通过凸轮机构将输入轴的连续运动转变为输出轴的间歇转动。本设计确切的讲应为弧面凸轮间歇摆动驱动装置，此机构用于两垂直交错轴间的间歇传动。凸轮为回转体轮廓制成脊状，从动盘上有两个轴线沿盘径向分布的滚子，当凸轮旋转时，摆动段轮廓推动滚子，使从动盘转动；当凸轮转到停歇段时，从动盘上的滚子跨在凸轮圆环面突脊上，从动盘停止转动。所以这种凸轮不必附其它复杂装置就能获得较好定位，又可通过从动盘上的调心端盖调整中心距来消除滚子与凸轮突脊间的间隙，也可补偿磨损。3.1 凸轮升程角及停歇角分布本设计根据要求机械手每分钟的工作循环60次，工作循环时间即周期Tp=1s。由于
10、凸轮机械手运动曲线由两组独立的弧面凸轮经一定的机构变换组合而成。经分解后，可知其有以下几个时间段组成。可见图3-1和表3-1。 A C h B h D图3-1 工作循环图 表3-1循环时间段表T1输出轴在A、B之间下降 准备取料输入轴转角1T2输出轴在B处停歇 抓取工件输入轴转角2T3输出轴在B、A之间上升提升工件输入轴转角3T4输出轴在A、C之间平移 移动送料输入轴转角4T5输出轴在C、D之间下降准备送料输入轴转角5T6输出轴在D处停歇 释放物料输入轴转角6T7输出轴在D、C之间上升空程返回输入轴转角7T8输出轴在C、A之间平移空程返回输入轴转角8 且应满足： Tp=T1+T2+T3+T4+
11、T5+T6+T7+T8=1s 1+2+3+4+5+6+7+8=360图3-1表示水平和竖直两个方向的运动时间错开时的运动示意图。这时运动轨迹为一“门”字形。在一个运动循环中水平X方向要完成两个行程，竖直Z方向要完成四个行程。设B、D抓放动作都需要相当于凸轮转角30的时间（即30/360=1/12秒）因此，应在300凸轮转角内完成上述六个行程。若设X、Z方向运动完成一个行程的时间分别是t、t，相应的凸轮动程角、，设两个方向取相同的运动规律，而且实际加速度也相等。a=a由无因次量转换公式： a= hA/ ta= hA/ tW=/ t=/ t由以上诸多公式可得以下比例式： h：h= t：t：=：=：=1：0.67由上可知： =300/（12+0.674）64 640.6743取整： =70 =40由此可画出下面的循环图图3-2。 h h 50 70 110 180 220250 290 360图3-2 原始循环图注：图中所有的斜线均为修正弦曲线。Y轴坐标即凸轮升程。为了增大两个凸轮的动程角可将X、Z向的动作有一段时间同时进行。可采用如图3-4的改进循环图。这样合成的运动轨迹为倒“U”字形，见图3-3。这时取=90 =50 120（360）170（290） 30 100190 270 50 70 22
