擺線輪立加工裝的模塊化設計

劉遠志，王林平，劉德慶

（1.煙臺大學機電汽車工程學院，山東 煙臺 264006；2.煙臺艾迪精密機械股份有限公司，山東 煙臺 264006）

擺線輪，如圖1所示，是機器人RV（Rotate-Vector）減速器中的關鍵零部件，其自身最終精度的高低將直接影響RV減速機的整體運動與傳動精度[1]。因此，加工過程中的任何一道工序必須考慮其變形與精度問題，其中立加工序對其后的雙端面磨和磨齒工序產生重要影響，并最終影響擺線輪的產品質量。由于擺線輪的尺寸系列較多，造成工裝的種類繁多，不但增加了加工中設計、制造工裝的成本，也增加了更換工裝時間。而模塊化后，可在通用模塊的基礎上加裝專用模塊，減少了工裝的數量，適應擺線輪的批量化生產，減少工時從而提高生產效率[2]；同時，使用模塊化的設計，因為模塊具有可更換的特點，在使用過程中如出現損壞的情況，只需將損壞的部分加以更換即可，省去了再設計的時間，減少了維修的成本。

19世紀50年代歐美國家提出了“模塊化設計”這一新的設計理念，它使得程序開始出現標準化、通用化和系列化。國外企業比如KUKA、ABB、帝人等，比較重視模塊化的設計方法，在提高生產效率的同時仍能保證精度。而國內由于機器人研究的起步較晚，主要研究精力多偏向于樣機的試制，忽視了對模塊化設計理念的研究。

本文提出的模塊化設計將減少工裝的總數量和更換時間，減少操作者的勞動量，提高生產率。

1 工裝夾具的設計要求

擺線輪設計要求如圖1所示，本文所述立加工序加工的區域為最外沿的擺線齒形和三個Φ36的圓形孔，該工裝就是確保該特征的精確加工。其余特征均由上步工序完成。因此，其工裝夾具因夠滿足以下要求：

圖1 擺線輪設計圖

（1）完全約束擺線輪的六個自由度，保證擺線輪在加工過程中不能發生移動；

（2）擺線輪夾緊應受力均勻，不能使工件發生形變；

（3）排屑順暢，且加工區域可與切削液充分接觸；

（4）擺線輪、刀具、夾具之間不能發生碰撞干涉[3]。

1.1 工裝夾具設計方案

根據以上要求，設計的工裝主要由底盤、定向塊和壓板組成，工裝的總裝模型如圖2所示。定向塊可徑向滑動調整，確定位置后用內六角螺栓固定。壓板用內六角螺母擰緊固定，以A2擺線輪為例，根據實際加工后的測量數據總結規律，以35 N·m的扭矩擰緊螺母（用0～50 N·m的扭矩扳手），即可滿足加工要求。

圖23D裝配

1.2 底盤的設計

圖3 為底盤的設計模型。中心定位柱可約束X、Y軸的平移自由度和X、Y軸的旋轉自由度。底盤由立式加工中心加工，需保證中心定位柱與外圓的同軸度≤0.01 mm，底面的平面度≤0.01.中心定位柱與擺線輪中心孔采取間隙配合，配合特性選用H7/h6，零件可自由拆裝，而工作時一般相對靜止不動。

圖3 底盤

1.3 定向塊的設計

圖4 所示為定向塊的設計模型。將定向塊插入定向槽中，可以約束Z軸的旋轉自由度。用立式加工中心加工，定向塊與定向槽采用間隙配合，配合特性采用H7/g6，用于間隙很小的滑動配合，可自由移動或滑動并精密定位。

圖4定向塊

1.4 壓板的設計

圖5 所示為仿形壓板的設計模型。將壓板放在異型孔孔上，可以約束Z軸的平移自由度。用立式加工中心加工。

圖5 壓板

2 工裝的模塊化設計

一臺機器人需要六種不同尺寸系列的擺線輪，如果每種工裝只能加工一種尺寸的擺線輪，為加工這些擺線輪，則需要設計六種對應的工裝，這樣增加了工裝的設計和加工工作量。現將其進行模塊化設計。

擺線輪系列零件的相同點在于其結構相似；加工部位相同，都為外部擺線齒廓和內部圓孔；裝夾方式相同，采用周向定位加端面壓緊；不同點在于不同系列的擺線輪尺寸不同，同時裝夾的數量也不同。

模塊化后的工裝分為底板模塊、底盤模塊、周向定位模塊以及壓緊模塊，底板模塊為通用模塊，其余為專用模塊。底板模塊為通用模塊，根據不同型號擺線輪的直徑，在底板（見圖6）上預鉆螺紋孔，用以固連底盤和底板，如圖7、圖8所示。經過模塊化設計后，通過在底板通用模塊的基礎上加裝不同型號的擺線輪，可以實現各工裝部件轉換[3-4]。因此，尺寸差異，不同型號的擺線輪安裝的數量不同，不同型號的擺線輪安裝的數量如表1所示。

圖6 底板

圖7 A2總裝圖

圖8 A6總裝圖

表1 不同型號的擺線輪安裝的數量

3 基于ANSYS的有限元仿真分析

為驗證整個工裝在受壓板預緊力、刀具切削力及在工作振動狀態下其他外力的共同作用下的可靠性，對整套工裝進行有限元分析。以A2型號的擺線輪為例，結果如圖9所示。整套工裝系統的最大變形發生在仿形壓板的外邊緣處，最大變形量為4.62×10-7mm.工件的變形發生在與壓板接觸的區域，其變形量為5.78×10-8mm，安全因數為15，遠大于1.可見在理論上該工裝系統安全可靠。

圖9 有限元分析圖

該工裝已投入到實際生產中，在正確操作的前提下產品合格率為100%，驗證了該套工裝的可靠性。如圖10所示為成功加工出擺線輪樣品。

圖10 成品實物圖

參考文獻：

[1]鄧效忠，張艷珍，李天興，等.RV減速器擺線針輪傳動精度控制的研究現狀及需要解決的技術問題[J].機械傳動，2015，（02）：162-165.

[2]宋汝江，曹志明.模塊化意義及其發展趨勢[J].航天標準化，1995，（06）：28-29.

[3]韓文立.工裝設計校驗及優化技術研究[D].北京：北京理工大學，2015.

[4]蔡燕華.分析模塊化設計方法及其在機械設計中的應用[J].科技傳播，2014，（04）：160，154.