直動(dòng)型弧面凸輪機(jī)械手的設(shè)計(jì)

張 麗ZHANG LI

（遼寧省機(jī)電工程學(xué)校 模具焊接教研室，遼陽 111004）

0 引言

近年來，自動(dòng)機(jī)械手發(fā)展很快，純機(jī)械的機(jī)械手，在可靠性,價(jià)格方面具有優(yōu)越性。弧面凸輪機(jī)械手作為一種新型機(jī)械手，具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性好、成本低、精度高的特點(diǎn)，在現(xiàn)代生產(chǎn)上仍具有十分重要的地位。

1 方案的擬定與比較

1.1 設(shè)計(jì)要求

1.1.1 主要參數(shù)，如表1所示

表1 主要參數(shù)

1.1.2 運(yùn)動(dòng)循環(huán)要求

此機(jī)械手用于沖模送料中，其輸出軸的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖1 運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖

1、2、4、5是升降運(yùn)動(dòng)，其高度就是機(jī)械手的豎直行程。3、6為水平運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手在升降凸輪控制下向下運(yùn)動(dòng)接近工件，到位后在短暫的停歇期靠手爪抓取工件。手臂向上運(yùn)動(dòng)到一定位置，升降運(yùn)動(dòng)停止。手臂在水平凸輪控制下作水平運(yùn)動(dòng)。待運(yùn)動(dòng)到位后，由升降凸輪控制到達(dá)所需位置后，手爪放下工件，回升。最后在水平凸輪的控制下回到初始位置，完成一個(gè)工作循環(huán)。

凸輪機(jī)械手的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡是由水平和升降兩種直線運(yùn)動(dòng)組合而成的，分別靠相應(yīng)的凸輪來控制實(shí)現(xiàn)，要求兩個(gè)凸輪的運(yùn)動(dòng)有良好的配合。

1.2 方案擬定

確定方案：

采用兩個(gè)弧面凸輪，從動(dòng)盤上有兩個(gè)軸線沿轉(zhuǎn)盤徑向分布的滾子，跨在凸輪圓環(huán)面的突脊上。靠輪廓面推動(dòng)從動(dòng)盤擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)輸出手臂的水平豎直運(yùn)動(dòng)。可見右邊的示意圖：圖2所示。方案結(jié)構(gòu)簡單，采用空間凸輪，設(shè)計(jì)、加工復(fù)雜，在數(shù)控機(jī)床上可加工出高精度的空間凸輪。

圖2 示意圖

2 主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)和幾何尺寸的確定

2.1 凸輪升程角及停歇角分布

本設(shè)計(jì)根據(jù)要求機(jī)械手每分鐘的工作循環(huán)60次，工作循環(huán)時(shí)間即周期Tp＝1s。

由于凸輪機(jī)械手運(yùn)動(dòng)曲線由兩組獨(dú)立的弧面凸輪經(jīng)一定的機(jī)構(gòu)變換組合而成。經(jīng)分解后，可知其有以下幾個(gè)時(shí)間段組成。如圖3所示。

圖3 工作循環(huán)圖

2.2 主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)

3 主要零件的設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.1 桿長計(jì)算

由圖4可看出桿1長度為│BD│的長度

│BD│＝75/sin20°－(60－10)＝169.28mm

│OC│＝75/tan20°＝206.06mm

則滑槽的理論長度為│CE│

│CE│＝│OB│－│OC│

圖4 計(jì)算桿1的長度

＝ 75/sin20°－ 75/tan20°

＝13.22mm

考慮到豎直行程為70mm，則滑槽的實(shí)際長度為：

1個(gè)豎直行程+滑槽的理論長度+滾子半徑+余量

3.1.2 計(jì)算桿2的長度經(jīng)推算桿2長為 151.56mm

3.2 滾子的設(shè)計(jì)

滾子的要求較高，要有準(zhǔn)確的定位，摩擦小、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、便于潤滑。要用一種專用軸承NAKD35型軸承。

3.3 水平從動(dòng)盤設(shè)計(jì)

此機(jī)構(gòu)上應(yīng)設(shè)有兩個(gè)安裝滾子的孔，由于滾子直接和凸輪接觸，所以這兩個(gè)安裝孔的要求較高，特別是垂直度、粗糙度及孔中心線間的夾角等都有嚴(yán)格的要求.為了安裝和拆卸的要求，不影響其強(qiáng)度，且便于安裝,可在其下部再鉆一小孔。滾子與從動(dòng)盤間的配合為H7/s6，過盈配合。在A向處要安裝連桿1，為保證足夠強(qiáng)度，采用四個(gè)M6×20的內(nèi)六角螺釘。提升從動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)與形式與此大致一致。

4 直動(dòng)型凸輪式機(jī)械手系列設(shè)計(jì)LPP200

4.1 方案確定

根據(jù)工藝要求等條件，確定其結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。該機(jī)構(gòu)由兩個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)組成。一個(gè)推動(dòng)輸出端W作X方向的水平運(yùn)動(dòng)；另一個(gè)使W作Z方向的垂直運(yùn)動(dòng)。從動(dòng)件中的三個(gè)滑動(dòng)副可以保證X、Z兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)互相獨(dú)立。兩個(gè)從動(dòng)系統(tǒng)可以把行程放大

根據(jù)生產(chǎn)條件給定：

行程：X 方向HX＝200mm

Z 方向HZ＝70mm

設(shè)計(jì)速度：ω＝2Πs-1（即凸輪所在軸——輸入軸的轉(zhuǎn)速60/min）

4.2 基本參數(shù)計(jì)算

4.2.1 主要距離計(jì)算

根據(jù)給定的條件可計(jì)算出主要距離，如表2所示：

表2 主要距離計(jì)算

4.2.2 動(dòng)程角的確定

在一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)中水平X方向要完成兩個(gè)行程，豎直Z方向要完成四個(gè)行程。設(shè)B、D抓放動(dòng)作都需要相當(dāng)于凸輪轉(zhuǎn)角30°的時(shí)間（即30/360＝1/12秒）因此，應(yīng)在300°凸輪轉(zhuǎn)角內(nèi)完成上述六個(gè)行程。若設(shè)X、Z方向運(yùn)動(dòng)完成一個(gè)行程的時(shí)間分別是thx、thz，相應(yīng)的凸輪動(dòng)程角θhx、θhz，設(shè)兩個(gè)方向取相同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而且實(shí)際加速度也相等。

為了兩個(gè)凸輪的動(dòng)程角，改善其受力狀況，可讓X、Z向的運(yùn)動(dòng)有一段時(shí)間內(nèi)同時(shí)進(jìn)行，采用倒“U”型的運(yùn)動(dòng)軌跡。

θhx＝ 80° θhz＝ 60°

4.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)機(jī)械中的凸輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足工藝要求，能實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)，能承受工作中連續(xù)載荷的作用，尺寸緊湊而符合整機(jī)的安裝要求，易于加工與裝配，而且成本低、壽命長。為了保證凸輪的形位約束，X向凸輪可采用一組共扼盤形凸輪，為提高裝配的精度，減少端面的跳動(dòng)，可將它們裝在同一個(gè)凸輪座上。Z向凸輪則可做成槽凸輪。作為自動(dòng)機(jī)械的從動(dòng)件，可分為直動(dòng)桿和擺桿。從動(dòng)件除受拉、壓應(yīng)力外，還常常受到彎矩作用，應(yīng)此必須具有足夠的抗壓和抗彎剛度。

先將裝配圖草圖繪制如下，并表出主要部件與附件，以便對設(shè)計(jì)有一總體的認(rèn)識(shí)和了解。

圖5 裝配圖

5 結(jié)束語

間歇傳動(dòng)是自動(dòng)機(jī)械和半自動(dòng)機(jī)械中常見的機(jī)械傳動(dòng)方式之一，其作用是使設(shè)備中某些構(gòu)件產(chǎn)生周期性的運(yùn)動(dòng)和停歇。對于弧面凸輪間歇擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，國內(nèi)未見到有此類型的機(jī)構(gòu)出現(xiàn)。所以本設(shè)計(jì)具有一定的挑戰(zhàn)性及現(xiàn)實(shí)意義。

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