鄒 運(yùn)，王 盟

(大連高金數(shù)控集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧大連 116620)

1 弧面凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律與方程

采用機(jī)械式的復(fù)合凸輪機(jī)構(gòu)代替電子控制，是提高系統(tǒng)可靠性的有效方法。復(fù)合凸輪實(shí)際上是通過兩套凸輪機(jī)構(gòu)組合在一起來實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的耦合，換刀系統(tǒng)的復(fù)合凸輪是由實(shí)現(xiàn)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的分度凸輪和實(shí)現(xiàn)機(jī)械手插刀、拔刀到動(dòng)作的槽式凸輪組合而成。

自動(dòng)換刀系統(tǒng)機(jī)械手的換刀動(dòng)作順序是在初始位置順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60度，此時(shí)機(jī)械手一端抓住主軸上的舊刀具一端抓住運(yùn)刀軌道上的新刀具，機(jī)械手拔刀165mm，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180度，插刀165mm，把舊刀具放到運(yùn)刀軌道上，新刀具插在主軸上，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60度，停在了原來初始位置，換刀機(jī)構(gòu)和復(fù)合凸輪實(shí)物如圖1，圖2所示。

圖1 換刀機(jī)構(gòu)

圖2 復(fù)合凸輪

機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)是通過復(fù)合凸輪的分度輪及錐齒輪旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的;機(jī)械手的插刀、拔刀直線位移動(dòng)作是通過復(fù)合凸輪的溝槽凸輪及其連接的擺桿擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。工程圖紙上復(fù)合凸輪配合軌跡的要求如圖3所示。

圖3 凸輪運(yùn)動(dòng)曲線

圖3中上邊這條曲線是擺桿直線輸出位移，下邊這條曲線是分度輪旋轉(zhuǎn)角度輸出，橫坐標(biāo)是復(fù)合凸輪的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)輸入角度。圖中標(biāo)識(shí)“MS”為改進(jìn)正弦修正，“CW”為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，“CCW”為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。由圖中可以看出在擺桿移動(dòng)過程和分度輪旋轉(zhuǎn)過程都是用改進(jìn)正弦修正，在輸出值變化的曲線段兩端的1/8處是分界點(diǎn)，其整個(gè)加速度曲線用三段三角函數(shù)曲線代替，這樣的曲線的優(yōu)點(diǎn)是加速度值較小而且整個(gè)域內(nèi)連續(xù)，把圖3中初始值和終值及表1中的各個(gè)幾何參數(shù)帶入改進(jìn)正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可得出復(fù)合凸輪輸出運(yùn)動(dòng)方程如下。

擺桿輸出端的運(yùn)動(dòng)方程S(φ(t))：

分度輪轉(zhuǎn)角輸出端的運(yùn)動(dòng)方程Φ(φ(t))：

參數(shù)說明：h—從動(dòng)件行程;β—凸輪行程角;φ—凸輪轉(zhuǎn)角;s(φ)—從動(dòng)件位移;v(φ)—從動(dòng)件速度;a(φ)—從動(dòng)件加速度。

2 凸輪三維建模

采用solidwork復(fù)雜曲面建模技術(shù)建立弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)的基本幾何參數(shù)如表1所示。

表1 復(fù)雜曲面弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)基本幾何參數(shù)

弧面分度凸輪的毛坯是通過凸輪的頂弧面半徑畫弧，然后利繞中心線旋轉(zhuǎn)生成。具體命令是首先草圖繪制，畫出凸輪截面邊界輪廓，然后利用特征工具欄中的旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)/基體命令繞中心線旋轉(zhuǎn)草圖360°得到弧面分度凸輪基體的毛坯，然后在凸輪底面新建草圖，畫出凸輪所在凸輪的輪廓圓后，使用特征工具欄中的拉伸凸臺(tái)/基體命令生成凸輪所在的凸臺(tái)，最終得到弧面分度凸輪的毛坯模型，以下的操作命令均在該毛坯上執(zhí)行。在SOLIDWORKS中繪制3D草圖，利用插入→草圖繪制的實(shí)體→方程式驅(qū)動(dòng)的曲線命令在凸輪毛坯上建立嚙合的滾子的理論廓面曲線如圖5所示。

圖4 弧面分度凸輪的毛坯模型

圖5 分度盤弧面曲線

空間復(fù)合凸輪自動(dòng)換刀裝置中弧面分度凸輪的運(yùn)動(dòng)可以分為起始段，分度1段，停歇1段，分度2段，停歇2段，分度3段和結(jié)束段，各段行程如表2所示。

表2 各段行程

對(duì)同一個(gè)滾子來說，最低點(diǎn)K1和最高點(diǎn)K2的軌跡曲線相互平行，所有滾子的軌跡曲線組成封閉的3對(duì)互相平行的6條封閉曲線。下面以滾子1的K1點(diǎn)為例說明其軌跡曲線建模過程，其方程如表3所示。

表3 曲線方程

(續(xù)表)

同理，令r=45，可以得到滾子1的K2點(diǎn)的理論軌跡曲線。應(yīng)該注意的是，SOLIDWORKS中的對(duì)于角度的單位默認(rèn)為弧度，因此凸輪和分度盤的轉(zhuǎn)角等單位應(yīng)該先化為弧度之后再代入，同時(shí)，建立曲線的時(shí)候應(yīng)該注意坐標(biāo)系的建立是否正確，弧面分度凸輪的旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)該是Z軸，否則建立的曲線會(huì)產(chǎn)生很大偏差。 分度盤所有滾子的理論滾子繪制出來之后，應(yīng)用插入→曲面→邊界曲面命令，將不同半徑相互平行的軌跡曲線掃描生成空間曲面，即為弧面分度凸輪的理論廓面曲面。生成理論輪廓曲面之后，使用SOLIDWORKS中插入→切除→加厚命令對(duì)凸輪毛坯進(jìn)行實(shí)體切除，理論廓面曲面的法向偏置距離為分度盤滾子的半徑15mm，即得到了弧面分度凸輪的精確輪轂曲面模型，生成的復(fù)雜曲面弧面分度凸輪如圖6所示。

圖6 復(fù)雜曲面弧面分度凸輪

3 結(jié)束語

本文根據(jù)弧面凸輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，使用Solidworks軟件對(duì)其三維輪廓進(jìn)行參數(shù)化建模，為弧面凸輪的精確設(shè)計(jì)提供了一種準(zhǔn)確、快捷的方法，同時(shí)為進(jìn)一步研究凸輪副的動(dòng)力學(xué)性能打下了基礎(chǔ)。

［1］劉昌祺，等.凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)——機(jī)構(gòu)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［3］王洪泉，李玉勝，韓克鎮(zhèn).弧面分度凸輪的數(shù)字化設(shè)計(jì)與研究［J］.山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，26(5)：64－66.

［4］陳兆榮.弧面分度凸輪通用方程式研究［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2012(5)：22 －23，26.

［5］韓先征.弧面分度凸輪的三維模型建立［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012(1)：117－118.

［6］鄭武.弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)的廓面研究及基于SolidWorks的實(shí)體造型［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2002，21(6)：934－935.