面向曲面的三頭浮動式拋光機械手設計*

楊保健，伍錦棠，鐘永華，王宏民，何耀城

（五邑大學智能制造學部，廣東江門 529020）

0 引言

現今，市場的競爭越來越劇烈，具有復雜曲面的產品越來越多，雖然通過數控、電火花加工以及CAD/CAM的應用，產品曲面的形狀加工基本可以實現自動化，但是因為目前自動化拋光機器及其耗材成本很高，所以產品曲面的拋光加工主要還是交由熟練的工人憑借其豐富的經驗完成[1-2]。這對工人的技術要求高，既費時又費力，而且曲面拋光后的表面質量穩定性難以保證。所以提高自動化水平、提高效率、降低環境污染在拋光領域顯得尤為重要。

三頭浮動式拋光機是一種能夠自適應貼合各種曲面的拋光機。三頭浮動式拋光機可以代替工人的體力勞動，更可代替或輔助工人的腦力勞動，自動完成對各種產品的曲面加工。加工前，工人只需根據不同表面加工要求選用并更換不同的拋光用具；在整個加工過程，工人只需要在旁觀察等候更換拋光件。這大大提高工作和生產效率，提高生產自動化程度；也大大降低拋光工人的學習成本，降低對拋光工人的技能要求，降低工人的勞動強度，改善工人的工作環境[3-4]。三頭浮動式拋光機在保證和提高產品精度的同時，在一定程度上降低生產成本，有助于幫助合作企業提高自動化生產水平。

1 浮動式拋光機械手結構設計

三頭浮動式拋光機設計的靈感來源于三頭浮動式剃須刀。三頭浮動式拋光機運用這類剃須刀貼合凹凸不平的面部的特性，讓拋光頭能夠實現一定幅度的浮動，從而自動調整自身與拋光曲面的相對位置，實現自適應貼合各種曲面的功能。

1.1 三維平臺設計

在XYZ平臺上，三頭浮動拋光機固定在Z軸上，再在平臺底部安裝一個可自轉的夾具，用以夾緊拋光件，并讓拋光工件旋轉起來。而夾具則需要根據拋光工件的形狀設計專用夾具。

因為浮動式拋光頭可以自適應地貼合拋光表面，所以運動軌跡較為簡單，故采用雙X軸式XYZ平臺，如圖1所示。

圖1 雙X軸式XYZ拋光平臺

1.2 拋光頭設計

設計一行星輪機構，如圖2（a）所示，用1個電機控制3個拋光頭獨自轉動。通過1根主電機軸經由行星輪機構帶動另外3根從動軸獨自轉動，如圖2所示。因為拋光頭在與拋光平面接觸進行拋光時，拋光頭轉速會變慢。而拋光不銹鋼的一般轉速為3 000 r/min，轉速為1 500 r/min的電機比較經濟實惠[5-6]，故把轉動比定為：1∶2。出于對拋光裝置體積的考慮，所以定齒輪模數為1，小齒輪齒數為23，厚度為15 mm；大齒輪齒數為46，厚度為20 mm。故傳動比為：i=46/23=2，齒輪分度圓直徑為：d大=46 mm，d小=23 mm。整體裝置結構設計如圖2所示。

圖2 拋光頭三維模型

拋光輪與行星輪軸的聯結是拋光頭設計的重點。球頭連接機構和間隙配合都能實現浮動的功能。但是球頭連接結構不能夠傳遞扭矩，且拋光效果很差[7]，達不到拋光要求，故采用間隙配合來傳遞扭矩，具體結構如圖3所示。3個凸齒與3個凹齒之間存在一定的間隙，而間隙空間的存在使得拋光部件可以浮動。另外用3個彈簧讓拋光浮動部件移位后復位，同時用3個彈簧給1個壓緊力給拋光浮動部件，讓其能夠與拋光件平面緊緊貼合。拋光浮動部件圖3（b）所示。

彈簧支撐起拋光浮動部件，彈簧和間隙的存在使它可以浮動且浮動可控。當拋光頭壓到拋光平面進行拋光時，拋光浮動部件會壓下彈簧，改變它與拋光平面的相對位置，讓它始終貼合拋光平面，跟隨凹凸不平的平面改變；當拋光頭離開拋光平面后，拋光浮動部件會自動復位。浮動式拋光頭的這種自適應性有助于提高拋光作業的自動化程度。

圖3 拋光頭的間隙配合聯結

2 關鍵部件有限元分析

行星減速機構既能公轉也可自轉，實現單拋光頭的自拋和三拋光頭的混拋。對行星減速機構進行有限元仿真分析。在Unigraphics系統的高級分析模塊中，首先將幾何模型轉換為有限元模型，然后進行前置處理包括賦予質量（Quality）屬性、施加約束（Constraint）和載荷（Load）等。接著提交解算器（Solver）進行分析求解，采用默認解算器NX Nastran進行求解.最后進入后處理階段，采用直接顯示資料或顯示圖形等方法來表達求解結果，仿真分析結果如圖4所示。等效應力情況如圖4（a）所示，該零件工作時所受的最大應力是0.177MPa，此值乘上安全系數后略小于材料的許用彎曲應力，為此該零件設計較為合理，無需進行優化。行星齒輪間接觸面的接觸應力最大約為0.1 MPa，均勻分布在接觸處的齒面上。

圖4 有限元分析結果

3 結論

基于三頭剃須刀的工作原理，設計三頭浮動式拋光機械手，并對行星減速機構進行有限元分析，結果顯示行星齒輪所受的最大應力和齒面接觸應力均小于許用應力，所設計的拋光頭結構能夠滿足曲面拋光的工藝需求。