弧面凸輪機(jī)構(gòu)換刀機(jī)械手運(yùn)動循環(huán)圖設(shè)計(jì)與規(guī)律曲線選擇分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u25429弧面凸輪機(jī)構(gòu)換刀機(jī)械手運(yùn)動循環(huán)圖設(shè)計(jì)與規(guī)律曲線選擇分析案例 171431.1凸輪換刀機(jī)械手運(yùn)動循環(huán)圖設(shè)計(jì) 1258101.1.1運(yùn)動循環(huán)圖的基本概念 1121891.1.2運(yùn)動循環(huán)圖的設(shè)計(jì) 297951.2凸輪規(guī)律曲線選擇 397781.1.1凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動曲線參數(shù)無量綱化 3327581.1.2運(yùn)動規(guī)律的選擇原則 41.1凸輪換刀機(jī)械手運(yùn)動循環(huán)圖設(shè)計(jì)1.1.1運(yùn)動循環(huán)圖的基本概念在設(shè)計(jì)一個相互配合，有一個或者是多個動作同時完成的結(jié)構(gòu)之前，要先弄清楚結(jié)構(gòu)之間的相互配合關(guān)系，然后充分的考慮空間大小，使各部件在相互配合切互不干涉的條件下高效的運(yùn)轉(zhuǎn)。運(yùn)動循環(huán)圖是將各個零件的運(yùn)動依靠時間或者角度（凸輪換刀用的是同一轉(zhuǎn)角）按比例畫出，表達(dá)各零件間相互協(xié)調(diào)配合關(guān)系的圖，稱為運(yùn)動循環(huán)圖。常見的三種運(yùn)動循環(huán)圖：直線式運(yùn)動循壞圖：優(yōu)點(diǎn)：清楚地表達(dá)順序與時間先后關(guān)系；缺點(diǎn)：運(yùn)動規(guī)律的直觀性差；圓周式運(yùn)動循環(huán)圖：優(yōu)點(diǎn)：直觀性強(qiáng)，容易看出在軸上的位置；缺點(diǎn)：同心圓太多則變得復(fù)雜，不能表達(dá)運(yùn)動規(guī)律；3、直角坐標(biāo)式運(yùn)動循環(huán)圖：優(yōu)點(diǎn)：可以展示動作的先后順序，反映零部件在各個區(qū)域的運(yùn)動規(guī)律，便于設(shè)計(jì)；缺點(diǎn)：構(gòu)件較多的時候，畫圖比較復(fù)雜，不方便；1.1.2運(yùn)動循環(huán)圖的設(shè)計(jì)1、運(yùn)功循環(huán)圖的選擇：凸輪機(jī)構(gòu)換刀機(jī)械手可以看成是一個聯(lián)合凸輪（弧面凸輪部分）與一個分度盤相互配合，弧面凸輪為主動件，弧面凸輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動帶動分度盤旋轉(zhuǎn)運(yùn)動（弧面凸輪與分度盤的軸線子相互垂直）；還有就是聯(lián)合凸輪（平面溝槽凸輪部分）與機(jī)械手臂相互配合，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動：所以看作是一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和一個直線運(yùn)動相互配合；綜上所述，通過對比上述三種類型的循環(huán)圖并且結(jié)合凸輪換刀機(jī)械手的配合運(yùn)動情況，我們選擇直角坐標(biāo)式運(yùn)動循環(huán)圖。2、運(yùn)動簡述：凸輪機(jī)構(gòu)換刀機(jī)械手的原動力來自于凸輪，從動件是旋轉(zhuǎn)的機(jī)械手臂，主動件聯(lián)合凸輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為機(jī)械手臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動與沿著其軸向的移動，一個周期內(nèi)，機(jī)械手臂需要完成抓刀、拔刀、換刀、插刀、退刀等五個動作，其中拔刀與插刀的兩個動作是由平面溝槽凸輪經(jīng)過傳動桿帶動機(jī)械手臂上下移動完成動作的，剩余的抓刀、換刀、退刀的三個動作是由弧面分度凸輪配合分度盤完成的，在以前學(xué)者的研究基礎(chǔ)上曲線圖經(jīng)過改進(jìn)后設(shè)計(jì)如圖2-1所示[18-19]。換刀過程如下所述：抓刀：弧面凸輪加工誤差不能控制的很好，再加上裝配誤差，導(dǎo)致凸輪與滾子不能夠理想的配合，所以我們預(yù)留7°的停歇期作為緩沖，當(dāng)弧面凸輪繞軸轉(zhuǎn)過7°之后，開始正式的配合，弧面凸輪旋轉(zhuǎn)50°后，使之預(yù)期配合的分度盤旋轉(zhuǎn)60°（機(jī)械手初始的安裝角度），使機(jī)械手的兩個爪正對兩把需要交換的刀具。拔刀：平面溝槽凸輪繞軸旋轉(zhuǎn)60°（角度與壓力角有關(guān)，多次比較定為60°），經(jīng)過杠桿構(gòu)件使機(jī)械手沿著機(jī)械手臂的軸線方向向下移動90mm拔出刀具（長度由刀柄長度確定，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊選取取BT40系列刀柄設(shè)定S=90mm）[20]；換刀：弧面分度凸輪繞其軸線旋轉(zhuǎn)126°，使與之配合的分度盤旋轉(zhuǎn)180°，完成刀具的交換；插刀：凸輪旋轉(zhuǎn)60°，經(jīng)過杠桿構(gòu)件使機(jī)械手沿著機(jī)械手臂的軸線方向向上移動90mm插入刀具；退刀：完成插刀之后，我們需要將機(jī)械手復(fù)位，所以弧面分度凸輪繞軸旋轉(zhuǎn)57°，帶動分度盤逆時針旋轉(zhuǎn)60°，使機(jī)械手復(fù)位，并且預(yù)留了7°的間歇角度；3、運(yùn)動循環(huán)圖如圖2-1；圖2-1運(yùn)動循環(huán)圖1.2凸輪規(guī)律曲線選擇凸輪曲線的設(shè)計(jì)選擇對于凸輪機(jī)構(gòu)換刀機(jī)械手的力學(xué)性能影響是非常大的[21-22]。合理的凸輪曲線能夠降低換刀機(jī)構(gòu)的振動，延長換刀機(jī)構(gòu)的壽命。1.1.1凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動曲線參數(shù)無量綱化為了便于研究運(yùn)動規(guī)律的共同特征，分度盤與機(jī)械手臂的運(yùn)動規(guī)律要用無量綱參數(shù)表達(dá)，如下：無量綱時間TT=t式中：ts——分度盤轉(zhuǎn)動的時間（s）；tf——轉(zhuǎn)盤的分度期時間（s）；θ——凸輪的轉(zhuǎn)角（（rad）或(°))；θf無量綱速度VV=dS式中：ω1ω2無量綱位移SS=?式中：??無量綱加速度AA=d式中：ε2:轉(zhuǎn)盤的角加速度（rad/S2），ε2和無量綱躍度JJ=d式中：j2:轉(zhuǎn)盤的躍度（rad/S2），j2和1.1.2運(yùn)動規(guī)律的選擇原則1、選擇運(yùn)動規(guī)律時，要充分地考慮Vmax、Amax、Jmax等特征值的大小，因?yàn)樵撎卣髦涤绊懲馆啌Q刀機(jī)構(gòu)的工作性能。2、幾種常見的運(yùn)動規(guī)律及其特征值[23-24]，如圖表2-2所示：表2-2運(yùn)動規(guī)律及其特征值序號運(yùn)動規(guī)律名稱VmaxAmaxJmax適用的場合1余弦加速度1.574.93-15.50中、低速，中載2正弦加速度1.006.2839.48中速，輕載33-4-5次多項(xiàng)式1.885.7760中、高速，中載4修正等速1.338.38105.28中、低速，重載5修正梯形加速度1.004.8961.43中、高速，輕載6修正正弦加速度1.765.5369.47中、高速，中、重載1、計(jì)算選擇：由前文知道機(jī)械手上下移動距離最大90mm；并且實(shí)現(xiàn)一個拔刀或者是插刀的過程平面溝槽凸輪轉(zhuǎn)過的角度為60°；由表2-2可以得知Amax的平均值是6；假設(shè)換刀的時間為0.8S，則弧面凸輪主軸轉(zhuǎn)速為N=60/0.8=75r/min；taam≤1g（為低速機(jī)構(gòu)）；1g≤am≤3g（中速機(jī)構(gòu)）；3g<a對比上述我們所涉及的凸輪換刀機(jī)構(gòu)為中速運(yùn)動機(jī)構(gòu)，在換刀的過程中需要換刀機(jī)構(gòu)平穩(wěn)運(yùn)行，不可以有速度的突變，所以綜合的考慮選擇修正正弦加速度運(yùn)動規(guī)律。修正的正弦加速運(yùn)動規(guī)律分為初始階段、中間階段、結(jié)束階段、計(jì)算公式如下[22]：初始階段（0≤T≤1/8）S=1V=πA=4J=16中間階段（0≤T≤1/8）S=1V=