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1、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、分
2、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，广泛应用于各种自动机
3、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：601200m
4、m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，选择最合
5、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求。
6、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。这两种运动
7、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2-2。
8、 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。第三章
9、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。由于凸轮
10、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+T5
11、+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
12、：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 70 220 240 图3-3 改进轨迹图h 190 270 100 360h5070 120 170
13、220240 290 360 图3-4 改进循环图3.2 主要运动参数(1) 凸轮转速 n (r/min)根据已知条件可知转速 n=60r/min连续旋转(2) 凸轮角速度 W (1/s)W=2 n/60=260/60=2/s取绝对值，不考虑正负号。(3) 凸轮的动程角 ()在满足动停比K的要求下，宜取较大值，但此设计中输入轴上同时有两个凸轮，输出轴在同一个周期内实现的动作较多。综合考虑由图3-4改进循环图，水平凸轮的动程角 =90 提升凸轮的动程角 =50(4) 停歇期转角 （）水平凸轮停歇期转角 =90提升凸轮停歇角转角 =40(5) 凸轮角位移 （）以凸轮动程角开始处作为=0，一般取的部
14、长为12，这里取2。(6) 从动盘的摆动期时间 t（s）t=t/2=1s/4 其中t为输入轴即凸轮所在轴转1周的时间，由已知可知t=1s。 t=t/2=5s/36(7) 从动盘的停歇期时间 t（s） t=1s/12 t=1s/9(8) 凸轮摆动廓线旋向及旋向系数P凸轮和从动盘的方向关系可用类似于蜗轮蜗杆传动的方法判定L表左旋 P=+1 R表右旋 P=-1这里选用左旋 P=+1(9) 从动盘摆动期转角 （）水平从动盘 =40提升从动盘 =20(10)从动盘摆动角位移 （）=S S为所选运动规律的无因次位移，其恒为正。(11)从动盘摆动期角速度 W(rad/s) W=V/ t V为所选用运动规律的
15、无因次速度。(12)从动盘与凸轮在分度期的角速度比 W/WW/W=V/ V同上(W/W)=V/ 其中V=1.76水平从动盘与凸轮的 (W/W)=0.51.76=0.88提升从动盘与凸轮的 (W/W)=0.51.76=0.883.3 几何尺寸计算(1) 中心距 C () 为凸轮轴线与转盘轴线间垂直距离，本设计已给出 C=150(2) 许用压力角 ()一般可取3050 之间 ,这里取=40。(3) 从动盘节圆半径 R()由公式 RCtan/(W/W)+tancos(+0.5P) R150tan40/(W/W)+tan40 73.21 (因两处相同故两从动盘大小一致) 取70(4) 凸轮节圆半径 R
16、()由C= R+ R 可知R=150-70=80(5) 滚子中心距 ()取60 则=360/Z Z=6(6) 滚子半径 R() R=(0.50.7) Rsin(/Z)由以上数据可知 R=(0.50.7)70sin30 =17.524.5考虑到要选用NAKD螺柱滚针轴承，结合其系列尺寸选取 R=17.5(7) 滚子宽度 b () b=(11.4) R=17.524.5结合NAKD螺柱滚针轴承标准 b=18(8) 间隙 （即为滚子外侧端面与凸轮底部滚子宽度方向的间隙）e=(0.20.3)b 经计算 e=3.65.4 可取e=5(9) 凸轮定位环面两侧夹角 ()此角与滚子中心角一致，亦为60(10)
17、 凸轮顶弧面半径 r() r= =61.87(11)凸轮定位环面侧面长度 h () h=b+e=17.5+5=22.5(12)凸轮定位环面外圆直径 D=2C- r (cos/2-)其中 =arcsin(R/ r)=arcsin(17.5/61.87)=16.43则 D=2150-61.87cos(60/2-16.43) =179.71(13)凸轮定位环面内圆直径 Di () Di= D-2hcos(/2)=179.71-222.5cos30=140.74(14)凸轮理论宽度 Le () Le=2(R+b/2+e)sin(/2)=2(70+17.5/2+5)sin30=83.75(15)凸轮实际
18、宽度 L () LeL Le+2Rcos(/2) 83.75L 83.75+217.5 cos(60/2) 83.75L114.06具体在后面再由凸轮的突脊升程而定。 L暂取95(16)凸轮理论端面直径 De () De=2C-( R+b/2+e)cos(/2)=2150-(70+18/2+5) cos(60/2)=154.51(17)凸轮实际端面直径 D () D= De+(L- Le)tan(/2) =154.51+(95-83.75)tan30 =161.01通过上述各部分的初步设计对凸轮的几何尺寸已初步确定可参考图3-5和表3-2。 图3-5 弧面凸轮的几何尺寸 表3-2 凸轮主要参数
19、凸轮类型尺寸类型水平凸轮提升凸轮轴径4040滚子半径2020行程15070动程角（）9050凸轮节圆半径8080凸轮端面直径161.01161.01凸轮定位环面直径179.71179.71凸轮宽度95753.4 摆动期运动规律的选用3.4.1 弧面凸轮机械手的运动特点为保证其准确、可靠地抓取、提升、平移工件。弧面凸轮机械手应具有以下运动特性：（1） 精度高弧面凸轮机械手要求提升和平移的定位精度较高。否则，易发生放置不到位或无法抓取等现象。不同的运动规律产生不同的冲击载荷和惯性力，精度当然也不同。（2） 运动的平稳性从动盘的运动规律直接影响凸轮的轮廓形状和工作性能。从动盘运动要求平稳，不产生刚性
20、和柔性冲击。总希望从动盘在摆动期开始和终了时角速度、角加速度等于零。速度和加速度无突变不引起惯性力。这样可有效提高抓取和平移的可靠性，减少噪音、提高使用寿命。3.4.2 凸轮机构常用的运动规律 凸轮的运动规律已打三十余种，可使用不同场合的需要。如等速度曲线、简谐曲线、摆动曲线、复合曲线等。这些基本的数学公式都比较简单，但在较高要求的情况下，考虑其应具有较高的运动学特性，必须对其运动特性进行改造。改善凸轮特性的方法是采用高次多项式把数条基本曲线连接起来。目前长采用的有以下两三种即修正等速、修正梯形、修正正弦规律。修正等速运动规律由对等速度曲线修正而得的，即在等速曲线两端各加一段组合的简谐曲线作为
21、过渡曲线，保留等速曲线Vm 的优点，克服了两端V不连续的缺点。多用于需要Vm很小或必须有等速运动部分的凸轮从动件的运动规律，多用于低速重载场合，不适合中、高速。修正梯形运动规律是通过对修正等加速度曲线修正而得。针对等加速度运动规律加速度曲线在两端和中间不连续而存在跃度趋向无限大的缺点，在相应不连续的地方分别加入一段简歇曲线作为过渡曲线。从而使其加速度和跃度曲线连续起来，克服了不连续的缺点。可用于中速轻载或中载的场合。修正正弦运动规律是对余弦曲线的结果。在余弦曲线的两端各加上一段正弦曲线作为过渡曲线，保留了Vm、Am较小的优点，又克服了两端加速度不连续的缺点。较前两种运动规律相比，修正正弦运动曲
22、线的优点是Vm、Am较小、综合性能很好、通用性强。适用于中速情况，特别是在负载不明的情况时，此曲线最为保险。并具有较好吸振性，可实现平稳运动，一般来讲，修正正弦运动曲线是比较理想的双停标准曲线。综合比较以上各种运动规律，认为选择修正正弦运动规律最为理想。第四章 主要零件及附件的设计与计算通过前两章的设计与计算，已初步确定了凸轮和从动盘的形状和尺寸。接下来就应设计计算杆的相应尺寸。为了设计方便起见，将有关的要求及已知条件罗列如下：机构要实现倒“U”形的运动轨迹，其中有两段停滞时间。要求竖直行程70，水平行程150；输入轴与从动轴的中心距C=150；=40、=20（、可见图4-1机构示意图所示。4
23、.1 杆长计算4.1.1 计算杆1的长度 O D A C B E 图4-1 机构示意图 图4-2由图4-2可看出杆1长度为BD的长度BD=75/sin20-(60-10)=169.28OC=75/tan20=206.06则滑槽的理论长度为CE CE=OB-OC=75/sin20- 75/tan20 =13.22考虑到竖直行程为70，则滑槽的实际长度为： 1个竖直行程+滑槽的理论长度+滚子半径+余量 O4.1.2 计算杆2的长度为了减小箱体尺寸，应尽量大些，若=70 时，杆2末端为竖直状态。结合图4-3则有以下关系式 OA-OACOS20=BC OA=16.58BC 而BC最小为70，可看出杆2
24、长度将太大。 C A 为了取得较合理的值，应先确定下图图4-4中的角。 图4-3BC=BC/cos(10+) OB=AB/2sin10=201.557/cos(10+) 经推算 ABC=10+ B为使OB值不是太大，若取OB为 200250之间， 90- C则 -1026.27 可见在此范围内较合理。 80取-10 则OB=201.56 杆2长为 201.557-（70-10）=151.56 A4.1.3 计算杆3的长度 图4-4 结合图4-5可看出：L1=OBsin10=35L2 由水平从动盘和杆1相关尺寸计算，旨在保证杆1末端滑槽和杆3末 杆2端滑块在同一水平面。 10 L1L2=75/t
25、an20=206.06 则杆3的长度为（L1+ L2）/cos的角度应考虑到导轨的安装不与 杆3 L2提升凸轮发生干涉。越小，力学 性能越好, 不能太大，具体待后 面再定。4.2 连杆的设计 图4-5下面以杆1为例介绍其设计, 可对照图 4-6来参考。水平凸轮的转动带动与其接触的滚子，而滚子、从动盘、杆1有相对的位置关系：滚子的摆动使杆1也相对摆动，靠连杆末端的滚子推动滑块从而实现输出轴的水平运动。连杆1主要受的是弯矩，故将XOZ截面设计为右图图4-6左边的形式。这样可以承受较大的弯矩。她的连接靠大端所铣平面上的四个7.2的孔用M6的螺钉固定在从动盘上。小端有24的孔，为了提高精度、延长使用寿
26、命、便于更换在孔中设计有轴套。 图464.3 滚子的设计 本设计中的滚子要求也较高，不光要有准确的定位，而且要求摩擦小、转动灵活、便于润滑。我们自然想到了要用滚动轴承，但单个定做成本一定很高，而且精度也不一定能保证。通过查阅大量的资料发现，上海永久轴承厂的一种专用轴承。对此只要稍作改动，即可满足本设计的需要。详细可见下面图4-7所示。它外圈采用滚轮式，以栓轴代替内圈，其设计合理，结构紧凑。根据第三章的设计计算采用该厂的NAKD35型轴承。滚子外圈为35柄为16与从动盘间的配合为H7/s6 图4-74.4 输入轴的设计 图4-8本机构通过与减速机相连的电动机传动传动运动。轴径两端为40，为简化结构轴承处轴承亦采用40，考虑到轴上有一定的轴向载荷，可采用圆锥滚子轴承GB/T297-1994 30208型。为安装的方便采用面对面安装。为了使凸轮能完全靠在轴肩处，在轴肩处设计了砂轮越程槽，其尺寸为21.5。轴上要安装水平凸轮、提升凸轮及联轴器，故轴上设置了键槽，均采用GB/T1096-1979普通平键，bh=128 三个长度分别为80、63、50。轴上的两个凸轮可通过圆螺母固定。轴用45钢加工，调质处理后硬度为HRC4548。从动轴的结构比较简单，基于此基础这里对此不再介绍，详细可见零件图。
