加工中心換刀機(jī)械手研究

摘要隨著裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，以加工中心為代表的高檔數(shù)控機(jī)床的需求量與日俱增，作為加工中心的關(guān)鍵功能部件自動(dòng)換刀機(jī)械手的問題得到了國家的高度重視。2007年5月國家發(fā)布了《高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備重大專項(xiàng)》，并將“大型刀庫及自動(dòng)換刀裝置”列入國家“十一五”發(fā)展規(guī)劃和國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要。為實(shí)現(xiàn)加工中心關(guān)鍵功能部件的，本文以弧面凸輪式換刀機(jī)械手為對(duì)象，開展了換刀機(jī)械手運(yùn)動(dòng)循環(huán)過程設(shè)計(jì)、從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)、關(guān)鍵零件弧面凸輪的設(shè)計(jì)和加工等研究工作。完成的主要工作以下：根據(jù)加工中心對(duì)自動(dòng)換刀機(jī)械手的工作要求，完成了弧面凸輪式換刀機(jī)械手運(yùn)動(dòng)循環(huán)過程的設(shè)計(jì)，按修正正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律完成了主動(dòng)件弧面凸輪工作輪廓面的設(shè)計(jì)，并應(yīng)用軟件進(jìn)行了從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的優(yōu)化。應(yīng)用三維設(shè)計(jì)軟件UG建立了換刀機(jī)械手主要部件的三維零件模型和裝配模型，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了裝配間隙分析和檢查，開發(fā)了自動(dòng)換刀機(jī)械手的虛擬樣機(jī)。針對(duì)加工中心自動(dòng)換刀裝置中的部件弧面凸輪采用了基于滾子中心線的建模方法，解決了傳統(tǒng)方法中用共軛曲面理論建立曲面輪廓方程所存在的不足?；赨G平臺(tái)，應(yīng)用其二次開發(fā)工具UG/GRIP完成了弧面凸輪的建模和數(shù)控加工程序的開發(fā)工作。分析了用DMU80TFSK-25G五軸聯(lián)動(dòng)加工中心進(jìn)行凸輪加工的工藝方案，開發(fā)了凸輪加工刀具位置源文件（CLSFFSK-25G五軸聯(lián)動(dòng)加工中心建立了虛擬數(shù)控機(jī)床，利用仿真技術(shù)對(duì)加工過程進(jìn)行了模擬驗(yàn)證，證實(shí)了刀軌的正確性和在FSK-25G機(jī)加工的可行性。：加工中心自動(dòng)換刀機(jī)械手弧面凸輪WiththerapiddevelopmentoftheMechanicalmanufacturingindustryinourcountry,itneedsmoreandmorehigh-gradenumericalcontrolmachinetoolssuchastheProcessingCentre.Asakeycomponentintheprocessingcenter,theATCmanipulator’sresearchanditsdomesticproblemhavebeenincreasingattention.ernmentputout《Theimportantitemsof theseniornumerically-controlledmachineandthebasedmanufactureequipmentonmay2007.Intheitems,thestateput“thelargetoolstorageandATC ”intotheprojectofTheState’sdevelopmentprogramoffiveyearsof15thandTheState’smediumandlong-termdevelopment ThispaperforcesonthekeyproblemintheresearchanddevelopmenttheATCofConvexgloboidalcamtype.Theresearchworkincludeofcyclogramofmachinedesign,thedesignofthefollower’smovementrule,andthedesignandprocessofthekeycomponentconvexgloboidalcam.ThispapermainlycompletedtheworkasAccordingtotheneedoftheProcessingCentreATCmanipulator,thispapercompletedthedesignofthecamATCmanipulator’smotivecycleprocess.Andusedthesoftwaretoselecttheoptimaldesignofthemovementofthefollower.Used3DsoftwareUGtocreatethe3DpartsmodelsandassemblymodelofthemainpartsintheATCmanipulator.Andbasedonthemodel,itysistheassemblygapandchecktheinterferenceofthepartsandcompletethevirtualprototypeofATC.ForthecnvexgloboidalcamwhichisthecorecomponentsintheProcessingCentreATCmanipulator,thepapercreatesamethodbasedonarollertothecenterlinetosetthemodel.Andsolvedthe ingsbyusingtheconjugatesurfacetheorytoestablishthesurfacecontoursequationinthetraditionalmethods.ThenbasedonthesoftwareUGplatform,thispaperusedthetoolUG/GRIPtocompletetheconvexgloboidalcamModelingandthenecessarydataforthepreparationoftheNCprocedures.ysetheprocessofmakinguseofthefiveaxis’smachiningcenters,DMU80TandFSK-25Gtoprocesstheconvexgloboidalcamrespectively.Openoutthetoolpathsoursefileofconvexgloboidalcam’sprocessandbuildthevirtualnumerically-controlledmachineaccordingtoFSK-25Gfiveaxismachiningcenters.SimulateandverificatetheprocessmakinguseofthesimulationtechniqueandapprovethecorrectnessofthetoolpathfileandthefeasibilityprocessinginFSK-：Processing AutomaticalTool Convexgloboidal第一 緒11加工中心簡介加工中心(MachiningCenter)是一種具有自動(dòng)換刀功能的高效自動(dòng)化機(jī)床，由機(jī)械部件與數(shù)控系統(tǒng)組成，適用于加工復(fù)雜零件。這種機(jī)床能裝多把刀具，在一次裝夾中完成銑、鏜、鉆、擴(kuò)、鉸、攻螺紋、切內(nèi)槽等工序的加工。高精度加工中心可以代替精密坐標(biāo)鏜床，還可作為基礎(chǔ)部件組成柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)[1-4]。加工中心的工作過程為：根據(jù)零件圖樣制定工藝方案，采用手工編程或計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程方式編制零件的加工程序，將加工零件所需的機(jī)床各種動(dòng)作及全部工藝參數(shù)變成機(jī)床數(shù)控裝置所能接受的信息代碼，并把這些信息代碼在信息載體上，將信息載體送到輸入裝置讀出信息，并送入數(shù)控裝置。進(jìn)入數(shù)控裝置的信息，經(jīng)過一系列處理和運(yùn)算變成脈沖信號(hào)，部分信號(hào)送到機(jī)床的伺服系統(tǒng)，通過伺服機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行放大，再經(jīng)過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床有關(guān)部件，使刀具和工件嚴(yán)格執(zhí)行零件程序所規(guī)定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。部分信號(hào)送到可編程序控制器中，用以控制機(jī)床的其它輔助動(dòng)作，如冷卻液的開關(guān)和自動(dòng)更換刀具等。加工中心的基本結(jié)構(gòu)由三部分組成:①CNC數(shù)控系統(tǒng)。加工中心一般都采用CNC數(shù)控系統(tǒng)。②伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)的作用是把來自數(shù)控裝置的信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)床移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)。③機(jī)械部件。加工中心和一般通用機(jī)床相比，其結(jié)構(gòu)簡單，精12自動(dòng)換刀裝置的組成在實(shí)際生產(chǎn)中，大多數(shù)零件都要進(jìn)行多道工序的加工。當(dāng)用數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)多工序加工時(shí)，真正用于切削工件的時(shí)間只占整個(gè)作業(yè)時(shí)間的30%左右，其余大部分時(shí)間都花在安裝、調(diào)整刀具、裝卸、搬運(yùn)零件和檢查加工精度等輔助工作上。為充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的作用，在機(jī)床中配備自動(dòng)換刀裝置而成為加工中心。自動(dòng)換刀裝置[5-10]](AutomaticToolChanger，簡稱ATC)由刀庫、機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)裝置等部分組成。刀庫的功能是用于刀成此功能的機(jī)構(gòu)稱為機(jī)械手。機(jī)械手包括送刀臂、擺刀站和換刀臂等部分。機(jī)械手完成刀具裝卸和在主軸頭與刀庫之間的傳遞。驅(qū)動(dòng)裝置是使刀庫和機(jī)械手實(shí)現(xiàn)其功能的動(dòng)力裝置，一般由步進(jìn)電機(jī)或液壓(或氣液機(jī)構(gòu))或凸輪機(jī)構(gòu)組成。自動(dòng)換刀裝置的形式多種多樣，其換刀過程、選刀方式、刀庫結(jié)構(gòu)、機(jī)械手類型等各不相同，但都是在數(shù)控裝置及可編程序控制器的控制下，由電機(jī)、或氣動(dòng)機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)刀庫和機(jī)械手來實(shí)現(xiàn)刀具的選擇和交換。早期自動(dòng)換刀裝置采用轉(zhuǎn)塔式機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀，后來陸續(xù)出現(xiàn)了無換刀機(jī)械手式和帶換刀機(jī)械手式的自動(dòng)換刀裝置。無換刀機(jī)械手式換刀主要有兩種方式：一種是懸臂式刀庫，水平安放在銑頭旁邊，刀庫留有一個(gè)空缺的刀位，換刀時(shí)偏心輪帶動(dòng)刀庫回轉(zhuǎn)，然后拔刀、轉(zhuǎn)位、換刀，最后插刀進(jìn)入主軸。另一種是刀庫固定，用機(jī)床主軸運(yùn)動(dòng)去配合刀庫，完成插刀和拔刀動(dòng)作。這種無機(jī)械手式ATC換刀時(shí)必須先將用過的刀具送回刀庫，然后再從刀庫中取出新刀具。該兩種動(dòng)作不能同時(shí)進(jìn)行，換刀時(shí)間較長。雖然結(jié)構(gòu)簡單，但機(jī)床配置的刀具量較少。帶換刀機(jī)械手式換刀類型比較多，按驅(qū)動(dòng)裝置的不同可以分凸輪式、式、齒輪式、連桿式以及多種機(jī)構(gòu)復(fù)合式，其中以凸輪式應(yīng)用最廣，采用該換刀形式的加工中心可以配備較多的刀具。刀庫刀庫是刀具的裝置，刀庫主要有以下幾種形式轉(zhuǎn)塔式刀庫包括水平轉(zhuǎn)塔頭和垂直轉(zhuǎn)塔頭兩種。如圖1.1a、1.1b所示。特點(diǎn)：所有刀具固定在同一轉(zhuǎn)塔上，無換刀臂，儲(chǔ)刀數(shù)量有限，通常為6～8把。一般僅用于輕便而簡單的機(jī)型。常見于車削中心和鉆削中心。在鉆削中心儲(chǔ)刀位置即主軸，其外部結(jié)構(gòu)緊湊但內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，精度要求高。圖1.1轉(zhuǎn)塔式刀庫盤式刀庫該刀庫呈盤狀，刀具沿盤面垂直排列(包括徑向取刀和軸向取刀)。沿盤面徑向排列或成銳角排列的刀庫，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，應(yīng)用較多，但刀具單環(huán)排列，空間利用率低，如圖1.2a～1.2c所示。如果要增加刀庫容量必須使刀庫的外徑增大，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也相應(yīng)增大，選刀運(yùn)動(dòng)時(shí)間增長。此刀庫所存貯的刀具數(shù)量一般不多于32把。對(duì)于刀具呈多環(huán)排列的刀庫，其空間利用率高，但取刀機(jī)構(gòu)復(fù)雜，適用于機(jī)床空間受限制而刀庫容量大的場(chǎng)合；雙盤式結(jié)構(gòu)是兩個(gè)較小容量的刀庫分置于主軸兩側(cè)，布局較緊湊，儲(chǔ)刀數(shù)量也相應(yīng)增大，適用于中小型加工中心。鏈?zhǔn)降稁?/p>

圖1.2盤式刀庫鏈環(huán)形式有多種形式，包括單環(huán)鏈和多環(huán)鏈，如圖1.3a～1.33c所示。圖1.3鏈?zhǔn)降稁煸摰稁焖伎臻g小，適用于刀具容量較大的場(chǎng)合，一般用于刀具數(shù)在30～120把的機(jī)床。該刀庫結(jié)構(gòu)可通過增加鏈條長度增加刀具數(shù)，而不必增加圓周速度，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小于盤式刀庫。直線式刀庫和組合刀庫直線式刀庫結(jié)構(gòu)簡單，刀具單行排列，刀庫容量小，多用于數(shù)控車床和鉆床上。組合刀庫一般是轉(zhuǎn)塔式刀庫的組合，轉(zhuǎn)塔式與盤式刀庫的組合及鏈?zhǔn)降稁斓慕M合。單個(gè)刀庫的儲(chǔ)刀量較小，換刀速度快。另外，還有一些密集型的鼓輪式、彈匣式和格子式刀庫。這些密集型刀庫雖占地面積小，但由于結(jié)構(gòu)限制，基本上不用于單機(jī)加工中心，多用于FMS的集中供刀系統(tǒng)。換刀機(jī)械手換刀機(jī)械手是執(zhí)行刀庫和主軸之間換刀動(dòng)作的裝置，分為以下幾種類型：單臂機(jī)械手該換刀機(jī)械手僅有一個(gè)。可細(xì)分為單手式和雙手式兩種單手式：一個(gè)換刀臂僅有一個(gè)抓刀手（圖1.4a）特點(diǎn)：所有動(dòng)作均由單手完成，執(zhí)行動(dòng)作多，換刀時(shí)間長，但結(jié)構(gòu)簡單，刀庫與主軸軸線平行或垂直的情況均適用。圖1.4機(jī)械手雙手式：一個(gè)換刀臂兩端各有一個(gè)抓刀手（圖14b特點(diǎn)：機(jī)械手同時(shí)抓取主軸和刀庫上的刀具，回轉(zhuǎn)180度，同時(shí)放回和裝入刀具，換刀時(shí)間短，較為常用，多用于刀座與主軸軸線平行的場(chǎng)合。雙臂機(jī)械手兩個(gè)機(jī)械，每個(gè)端部都有一個(gè)抓刀手（圖1.4c。特點(diǎn)：其抓刀和換刀動(dòng)作類似于人手動(dòng)作，除執(zhí)行換刀動(dòng)作外有些還可以起刀具的作用。這種機(jī)械手換刀時(shí)間短，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。帶送刀臂、擺刀站和換刀臂的機(jī)械手送刀臂將刀具從刀庫中取出送到擺刀站，由擺刀站將刀具送到換刀位圖1.5帶送刀刀臂、擺刀站和換刀臂的機(jī)械手置，最后由換刀臂進(jìn)行換刀。如圖1.5所示，A為送刀臂，B為擺刀站，C為換刀臂，D為刀庫，E為主軸。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，各部分在空間巧妙配置和組合，更具變化性。換刀時(shí)間較短，適用于刀庫距離主軸較遠(yuǎn)的場(chǎng)合。典型換刀機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)目前主要有(包括氣液)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械式凸輪聯(lián)動(dòng)兩種a.式：采用式驅(qū)動(dòng)的ATC，插、拔刀動(dòng)作均由油缸完成。常見的方案是機(jī)械手裝在套筒上，活塞桿固定，缸套同套筒一起移動(dòng)，油缸左右腔進(jìn)油完成換刀動(dòng)作。機(jī)械手的回轉(zhuǎn)既可采用回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動(dòng)，也可采用直線運(yùn)動(dòng)油缸通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)。圖1.6凸輪聯(lián)動(dòng)式機(jī)械手b.凸輪聯(lián)動(dòng)式：機(jī)械凸輪聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的ATC，插、拔刀動(dòng)作通常由凸輪驅(qū)動(dòng)擺桿來完成。回轉(zhuǎn)動(dòng)作常通過弧面分度凸輪或平行分度凸輪帶動(dòng)滾子盤直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械手或再通過一對(duì)齒輪驅(qū)動(dòng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)。典型的凸輪換刀裝置如圖1.6所示。從已有統(tǒng)計(jì)資料來看，機(jī)械式凸輪聯(lián)動(dòng)換刀比式驅(qū)動(dòng)換刀快大約倍。原因有以下幾個(gè)方面：凸輪聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)ATC動(dòng)作可，驅(qū)動(dòng)一般一動(dòng)作確認(rèn)無誤后，才能進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作。前者驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可由設(shè)計(jì)者選擇，驅(qū)動(dòng)卻不行在相同沖擊、振動(dòng)和噪聲指標(biāo)限制條件下，凸輪驅(qū)動(dòng)比驅(qū)動(dòng)可獲得更大的換刀速度。另外， 驅(qū)動(dòng)裝置所使用的電磁閥及 元件的可靠性也比凸輪低得多。但凸輪的缺點(diǎn)是造價(jià)高，且長時(shí)間使用后會(huì)出現(xiàn)磨損，影響換刀動(dòng)作可靠性。由于驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手需要采用嚴(yán)格的密封，還需較復(fù)雜的緩沖機(jī)構(gòu)，控制機(jī)械手動(dòng)作的電磁閥都有一定的時(shí)間常數(shù)，因此換刀速度較慢。凸輪聯(lián)動(dòng)式單臂雙抓機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，不需要復(fù)雜的系統(tǒng)及其密封、緩沖機(jī)構(gòu)，沒有漏油現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。13弧面凸輪式換刀機(jī)械手弧面凸輪式換刀機(jī)械手[15,16]的部件為換刀弧面凸輪，它是一種高速、高精度的空間分度機(jī)構(gòu)，具有體積小，結(jié)構(gòu)緊湊、剛性好，運(yùn)動(dòng)特性良好。這種機(jī)構(gòu)可以方便地采用各種豐富靈活的凸輪曲線，能實(shí)現(xiàn)各類復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制要求。自弧面凸輪式換刀機(jī)械手出現(xiàn)以來，以其換刀速度快，可靠性好，運(yùn)行平衡等優(yōu)點(diǎn)逐步取代了其它形式的換刀機(jī)構(gòu)，其換刀時(shí)間一般可在2秒左右，最快可到0.5其主要特點(diǎn)有：高速。由于嚙合間隙小，因而轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)和沖擊小，動(dòng)態(tài)性能好，轉(zhuǎn)速可達(dá)1200r/min，遠(yuǎn)超其它凸輪機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速。高剛度。結(jié)構(gòu)緊湊，可獲得很高的剛度。高精度。無須定位裝置，傳動(dòng)鏈短，傳動(dòng)精度高。低噪聲。滾子與凸脊側(cè)面為線接觸，傳動(dòng)平穩(wěn)，無剛性沖擊。高效益，長壽，易調(diào)整。滾子與凸輪之間為滾動(dòng)磨擦傳動(dòng)，傳動(dòng)效率高，更換滾子方便。加工要求高?；∶嫱馆啚榭臻g曲面，形狀復(fù)雜，制造加工14國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)加工中心是在數(shù)控銑床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。1952年，麻省理工學(xué)院首先實(shí)現(xiàn)了三坐標(biāo)銑床的數(shù)控化，數(shù)控裝置采用真空管電路。1955年，第一次進(jìn)行了數(shù)控機(jī)床的批量制造。數(shù)控機(jī)床是電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)械技術(shù)的綜合應(yīng)用，是機(jī)械加工領(lǐng)域劃時(shí)代的重大技術(shù)突破。數(shù)控機(jī)床利用編程軟件，將簡單工序集中起來，從而大大提高零件的加工效率和加工質(zhì)量。但在復(fù)雜零件工序高度集中時(shí)，必須頻繁地更換刀具以滿足不同工序的加工要求，從而限制了生產(chǎn)效率的提高。為了解決自動(dòng)換刀問題，提高生產(chǎn)效率，最早出現(xiàn)了轉(zhuǎn)塔頭立式鉆銑床。1956年富士通研究成功數(shù)控轉(zhuǎn)塔式?jīng)_床[3,5]。IBM公司同期也研制成功了“APT”(刀具程序控制裝置)。1958年K&T公司研制出帶ATC(自動(dòng)刀具交換裝置)的加工中心。同年，UT公司首次把銑鉆等多種工序集中于一臺(tái)數(shù)控銑床中，通過自動(dòng)換刀方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工，成為世界上第一臺(tái)加工中心。1967年出現(xiàn)了FMS(柔性制造系統(tǒng))。1978年以后，加工中心迅速發(fā)展，帶有ATC裝置可實(shí)現(xiàn)多種工序加工的機(jī)床，步入了機(jī)床發(fā)展的黃金時(shí)代。1983年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了數(shù)控刀具錐柄的國際標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)換刀系統(tǒng)便形成了統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)模式。日本三井在上世紀(jì)八十年代中期將弧面凸輪用于ATC的刀臂旋轉(zhuǎn)控制，取得極佳效果。20年來此類機(jī)構(gòu)長盛不衰，已成為ATC機(jī)構(gòu)的主流。目前發(fā)達(dá)國家數(shù)控加工中心的自動(dòng)換刀機(jī)械手主要采用弧面凸輪式換刀機(jī)械手。國際機(jī)床制造個(gè)業(yè)刀庫及ATC的研制和生產(chǎn)，已形成專業(yè)化的格局。國外生產(chǎn)ATC裝置的主要廠家有：德國KTC刀庫系統(tǒng)、德國MIKSCH公司、德國Alfing-Kessler公司、德國Homsberg-Lamb公司、德國CHIRON公司、奧地利ANGERG公司、意大利MCM-CLOCK公司、新加坡SUGINO公司、SODIC公司、FANUC公司等[13]。近30年來，機(jī)床行業(yè)迅速崛起，特別是機(jī)床功能部件的開發(fā)得到高度重視。以德士、、首輪、吉埔等公司為骨干，已成為刀庫和凸輪式ATC的專業(yè)化生產(chǎn)，不僅滿足了機(jī)床行業(yè)自身的需求，而且了歐美市場(chǎng)，近年來大舉進(jìn)入陸市場(chǎng)，而且占有較大的市場(chǎng)份額。隨著世界制造中心向中國的轉(zhuǎn)移，國內(nèi)機(jī)床行業(yè)正蓬勃發(fā)展，機(jī)床制造水平逐步提高，數(shù)控機(jī)床已成為機(jī)床生產(chǎn)廠家的主品，近年來每年舉辦的數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)充分展示我國數(shù)控裝備制造成果。同時(shí)，對(duì)加工中心功能部件的研究也引起了部分科研機(jī)構(gòu)和機(jī)床生產(chǎn)廠的高度重視，目前，國內(nèi)致力于自動(dòng)換刀機(jī)械手研制的單位有：機(jī)床、大連組合機(jī)床、發(fā)那科機(jī)電有限公司（由機(jī)床與FANUC公司于1992年共同組建的合資公司）、第一機(jī)床廠、齊齊哈爾二機(jī)床（）公司、小巨人機(jī)床有限公司（共享與 馬扎克公司合資）、株洲凸輪精機(jī)等。但國產(chǎn)換刀機(jī)械手相比國外產(chǎn)品，在換刀精度、換刀速度和工作的可靠性等方面還存在有較大的差距，迄今為止，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床所配備的自動(dòng)換刀機(jī)械手主要依賴進(jìn)口，進(jìn)口地相對(duì)集中在[17]。與國外成技術(shù)相比，我國在自動(dòng)換刀裝置的研究上還存在一些關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決：如優(yōu)良運(yùn)動(dòng)曲線選擇、機(jī)構(gòu)運(yùn)行可靠性、換刀復(fù)合凸輪的設(shè)計(jì)，凸輪的精密加工等。為縮短差距，國內(nèi)生產(chǎn)廠家和科研單位正加強(qiáng)自動(dòng)換刀裝置的研制合作。2008年1月，呼和浩特眾環(huán)（）與就“數(shù)控機(jī)床功能部件關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目正式簽署了“數(shù)控?fù)Q刀機(jī)構(gòu)空間凸輪設(shè)計(jì)制造技術(shù)研究”協(xié)議和技術(shù)開發(fā)合同書，旨在通過雙方合作，解決自動(dòng)換刀裝置在國產(chǎn)化過程中的關(guān)鍵技術(shù)難題。15課題研究意義隨著我國機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展，以加工中心為代表的高檔數(shù)控機(jī)床的市場(chǎng)需求量與日俱增。為促進(jìn)國產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床有發(fā)展，國家加大了科技投入。2007年5月國家發(fā)布了《高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備重大專項(xiàng)》，其中將“大型刀庫及自動(dòng)換刀裝置”列入國家“十一五”發(fā)展規(guī)劃和國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要。由此可見，高檔數(shù)控機(jī)床中的關(guān)鍵部件——自動(dòng)換刀裝置的問題已得到國家的高度重視。因此，開展自動(dòng)換刀裝置的研究，有利于促進(jìn)國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，帶動(dòng)機(jī)床的延伸，振興民族工業(yè)。16主要研究內(nèi)容和章節(jié)安排為實(shí)現(xiàn)高檔數(shù)控機(jī)床功能部件的，本文主要研究弧面凸輪式換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)與制造問題，包括運(yùn)動(dòng)循環(huán)過程設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)曲線選擇、機(jī)構(gòu)運(yùn)行可靠性分析、弧面凸輪的設(shè)計(jì)、加工及機(jī)床加工仿真等。各章節(jié)安排如下：第一章為緒論，綜述加工中心、換刀裝置已有成果，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，和本課題的研究意義。第二章進(jìn)行工作循環(huán)圖的設(shè)計(jì)，在分析各類運(yùn)動(dòng)曲線特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用軟件進(jìn)行了分析和優(yōu)化，找出從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律優(yōu)化曲線。第三章應(yīng)用三維設(shè)計(jì)軟件UG建立了主要部件的零件模型和裝配模型，采用滾子線轉(zhuǎn)角的造型方法，建立了理想的凸輪模型，同時(shí)得到可用于數(shù)控加工的輔助刀軌文件。第四章概述弧面凸輪的加工方法，并做出了最優(yōu)選擇，完成加工工藝及機(jī)床選型，并完成了UG/GRIP程序與人工混合編程。第五章編寫了加工刀軌文件，并建立虛擬機(jī)床，利用仿真技術(shù)對(duì)加工過程進(jìn)行模擬驗(yàn)證。同時(shí)，對(duì)刀軌進(jìn)行后處理工作，完成了自動(dòng)編程。第二章機(jī)械手運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化弧面凸輪式機(jī)械手可以在所設(shè)定的周期內(nèi)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作協(xié)調(diào)，并完成規(guī)定的動(dòng)作循環(huán)。運(yùn)動(dòng)循環(huán)的設(shè)計(jì)是否合理，直接影響到機(jī)械的動(dòng)作的協(xié)調(diào)和工作的效率。作為應(yīng)用于高速間歇分度的弧面凸輪機(jī)構(gòu)，振動(dòng)、噪聲、沖擊和磨損對(duì)工作性能的影響是十分嚴(yán)重的。在選擇從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，主要應(yīng)考慮使其具有較良好的動(dòng)力學(xué)特性，保證其加速度等性能指標(biāo)不太大而且不突變。因此從動(dòng)件規(guī)律的優(yōu)化選擇是影響機(jī)械手性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。21換刀機(jī)械手運(yùn)動(dòng)循環(huán)設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖機(jī)械循環(huán)圖是表示各執(zhí)行機(jī)構(gòu)在自動(dòng)機(jī)械工作循環(huán)內(nèi)有相互關(guān)系的示意圖，是將機(jī)器各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)循環(huán)，按同一時(shí)間(或轉(zhuǎn)角)比例尺繪出的，并且以某一 要執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作起點(diǎn)為基準(zhǔn)，來表示各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)循環(huán)相對(duì)于該主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的先后次序，以達(dá)到相互協(xié)調(diào)的目的，也稱為工作循環(huán)圖[14,17]。加工中心 刀機(jī)械手，在執(zhí)行換刀動(dòng)作的過程中，為保證各動(dòng)作的協(xié)調(diào)，需要使用運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖。換刀機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)循 2.1所示，換刀機(jī)械手進(jìn)行一次換刀循環(huán)的最基本動(dòng)作有：抓刀：機(jī)械 旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，同時(shí)抓住主軸上 刀庫中的刀具。拔刀：主軸松開，機(jī)械手同時(shí)將主軸和刀庫中的刀具拔出。換刀：機(jī)械手向前旋轉(zhuǎn)180度，刀具交換位置 將主軸中的刀具和刀庫中處于換刀位置的刀具交換位置。插刀：同時(shí)將刀具插入主軸和刀庫，然后主軸夾緊刀具。復(fù)位：機(jī)械手反向旋轉(zhuǎn)和動(dòng)作（1）中相同的角度，機(jī)械手回到原始位置，一個(gè)換刀周期完成。由以上換刀過程可知：換刀過程主要由兩個(gè)換刀運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)：旋轉(zhuǎn)分度運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)換刀過程中機(jī)械手的抓刀、轉(zhuǎn)位180和返回安全位置等動(dòng)作。換刀裝置的直線平移運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在換刀過程中的拔刀、插刀動(dòng)作。其中換刀裝置的旋轉(zhuǎn)分度運(yùn)動(dòng)由弧面凸輪分度機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。換刀過程中弧面凸輪作等速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)輸出軸按給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行定位旋轉(zhuǎn)；換刀裝置的直線平移運(yùn)動(dòng)由平面溝槽凸輪擺動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。平面溝槽凸輪作等速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)搖臂機(jī)構(gòu)在一定角度范圍內(nèi)擺動(dòng)，搖臂再帶動(dòng)輸出軸作上下運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)中，弧面凸輪分度機(jī)構(gòu)與平面凸輪擺動(dòng)機(jī)構(gòu)固連組合在一起，由同一個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。通過凸輪運(yùn)動(dòng)曲線的設(shè)計(jì)，使機(jī)械手在一個(gè)換刀運(yùn)作循環(huán)內(nèi)（一周旋轉(zhuǎn)）連續(xù)完成抓刀、撥刀、180度換刀、插刀、回零動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手聯(lián)動(dòng)換刀。換刀機(jī)械手運(yùn)動(dòng)循環(huán)的設(shè)計(jì)換刀機(jī)械手運(yùn)動(dòng)循環(huán)[18]的設(shè)計(jì)如圖2.2所示。圖中描述了ATC凸輪聯(lián)動(dòng)換刀動(dòng)作關(guān)系的曲線。凸輪從零位開始旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到θ1時(shí)，機(jī)械手開始抓刀。旋轉(zhuǎn)到θ2時(shí)，機(jī)械手 旋轉(zhuǎn)1角，完成抓刀動(dòng)作。凸輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)到θ3時(shí)，ATC開始拔刀。到θ5時(shí)，拔刀動(dòng)作完成。從θ4開始到θ7，ATC 從1旋轉(zhuǎn)到3，完成180°換刀。從θ6到θ8，ATC完成插刀動(dòng)作。從θ9到θ10，ATC從Φ3反轉(zhuǎn)到Φ2，完成回零動(dòng)作，換刀結(jié)束。各轉(zhuǎn)角大小關(guān)系的確定，如圖2.2所示。各輸出機(jī)械手角度和輸出凸輪角度如下： 12345678910123h凸輪的初始回轉(zhuǎn)角 的確定：當(dāng)換刀機(jī)械手位于零位時(shí)，凸輪的定位53。根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的制動(dòng)角度來定，一般取=10-30度，1=0.5，上述設(shè)計(jì)中取值為1=7.5度。凸輪的拔、插刀轉(zhuǎn)角53和86一般取40~60之間，上述設(shè)計(jì)中取52.5間歇12132298，當(dāng)凸輪在12角度之間旋轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)械手不動(dòng)作，主軸和刀套在凸輪從1轉(zhuǎn)到2之間完成松刀的動(dòng)作，在9轉(zhuǎn)到8之間完成刀具的鎖緊動(dòng)作。一般的12的取值相同，在0~40度之間，也可以根據(jù)機(jī)床的不同特性取不同的值，以此來滿足不同的工作要求，上述設(shè)計(jì)中取值為1=25度，2=40度。重合角12的確定：在機(jī)械手工作過程中，升降凸輪和轉(zhuǎn)位凸輪的運(yùn)動(dòng)順序是升降凸輪完成插或拔刀動(dòng)作后，轉(zhuǎn)位凸輪才開始旋轉(zhuǎn)，這樣的工作循環(huán)中，兩凸輪機(jī)械的動(dòng)作不會(huì)發(fā)生。但在實(shí)際的工作中，完全可以在升降凸輪沒完全完成動(dòng)作時(shí)，轉(zhuǎn)位凸輪就開始旋轉(zhuǎn)。這樣，兩個(gè)凸輪的動(dòng)作就有一部分是同時(shí)進(jìn)行的，就產(chǎn)生了一定的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)科研經(jīng)驗(yàn)和凸輪機(jī)構(gòu)的工作的實(shí)際情況，一般在升降凸輪達(dá)到總高度80%時(shí)，轉(zhuǎn)位凸輪就可以旋轉(zhuǎn)，而不會(huì)影響到其它的機(jī)構(gòu)。比如當(dāng)采用修正正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，無因次量時(shí)間T=0.7時(shí)，S=0.82，所以一般設(shè)定，當(dāng)升降凸輪運(yùn)動(dòng)到總長時(shí)間75%時(shí)，轉(zhuǎn)位凸輪就可以旋轉(zhuǎn)了。154276，上述設(shè)計(jì)中取值為1=17.52=32.5度。從動(dòng)件的抓刀轉(zhuǎn)角，換刀轉(zhuǎn)角，回位轉(zhuǎn)角180D一般根據(jù)具體的空間 結(jié)構(gòu)來定：一般設(shè)12180度。

32，取值60度到90度之間，本文中取值22從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的設(shè)計(jì)弧面凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律特點(diǎn)弧面凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是指分度轉(zhuǎn)盤的輸出運(yùn)動(dòng)規(guī)律，其規(guī)律與特性直接影響凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的精確度、沖擊和振動(dòng)的大小。用于換刀機(jī)械手的弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)的常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律與一般凸輪機(jī)構(gòu)相比有幾個(gè)特點(diǎn)：弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律只有工作行程（升程）而無回程，即總是升-停型運(yùn)動(dòng)曲線。升程為機(jī)構(gòu)中從動(dòng)轉(zhuǎn)盤的分度階段，停程為從動(dòng)轉(zhuǎn)盤的停歇階弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)一般是在中、高速情況下運(yùn)動(dòng)的，所以在選擇運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)應(yīng)著重考慮其具有良好的動(dòng)力學(xué)特性，加速度A和躍度J的最值要小?；∶娣侄韧馆啓C(jī)構(gòu)還要有較高的位置精度要求，為減少動(dòng)載，平均加速度A的值要較小，在附近J值要小而變化平緩。運(yùn)動(dòng)參數(shù)的無因次化正確選取從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律是凸輪設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。研究弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)時(shí)，總是以主動(dòng)凸輪的轉(zhuǎn)角θ為自變量，一般凸輪的角速度為常數(shù)。而從動(dòng)轉(zhuǎn)盤的運(yùn)動(dòng)曲線卻不盡相同[17,19,20,]。為研究方便，可將從動(dòng)轉(zhuǎn)盤的進(jìn)行歸一化處理：即將各運(yùn)動(dòng)量（時(shí)間、位移、速度、加速度等）都轉(zhuǎn)化成只表示相對(duì)比例關(guān)系的無因次量[15,21,22]（T，S，A，J。主要有以下項(xiàng)目：T

Tt ShVdS h/式中t為從動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間。

d A d h/thd J d h/th為升程段或回程段的總時(shí)間。hth相對(duì)應(yīng)的位移。弧面凸輪機(jī)構(gòu)基本的運(yùn)動(dòng)規(guī)律凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[15,23]一般是由幾種基本運(yùn)動(dòng)曲線（如擺線曲線、簡諧曲線和多項(xiàng)式曲線等）組合或變形而來的。這些運(yùn)動(dòng)曲線各有優(yōu)缺點(diǎn)，下面是幾種常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律表達(dá)式及其特點(diǎn)：1、簡諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律簡諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律的加速度按余弦規(guī)律變化，又稱余弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律，位移按簡諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律變化，其位移、速度、加速度、躍度表達(dá)式為：S1(1cosT)Vsin2A2cos2J3sin22、擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律的加速度按正弦規(guī)律變化，又稱正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律，位移按擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律變化，其位移、速度、加速度、躍度表達(dá)式為：ST1sin2V1cos2TA2sin2TJ42cos23、等加速運(yùn)動(dòng)規(guī)律等加速運(yùn)動(dòng)規(guī)律是指加速與段具有相同的加速度值的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在所有的運(yùn)動(dòng)規(guī)律中具有最小的最大加速度。SVA

（加速段S2T24TV4TA

（段4、梯形加速運(yùn)動(dòng)規(guī)律梯形加速運(yùn)動(dòng)規(guī)律是指速度和加速度及躍度隨時(shí)間的變化曲線呈梯形規(guī)律。它有加速度值比較小的優(yōu)點(diǎn)。此外，還有如圓弧運(yùn)動(dòng)規(guī)律，橢圓運(yùn)動(dòng)規(guī)律等各種特性的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這里不作詳細(xì)列舉。運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特性值為定量表示運(yùn)動(dòng)曲線的性能，引入下列各特性值：①最大速度V，②最大加速度A，③最大動(dòng)載轉(zhuǎn)矩特性值A(chǔ)V4最大躍度J這些特性值從不同角度反映凸輪機(jī)構(gòu)的工作性能。凸輪機(jī)構(gòu)的輪廓壓力角一般隨速度的增大而增加。壓力角過大，會(huì)導(dǎo)致磨損加劇，效率下降，甚至自鎖咬死，因此當(dāng)凸輪尺寸較小或凸輪分度期轉(zhuǎn)角較小時(shí)，宜選用V值較小的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。V與機(jī)構(gòu)的動(dòng)量有關(guān)，動(dòng)量大的機(jī)構(gòu)在突然停止時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊力。因此對(duì)于承受重載、質(zhì)量大的分度轉(zhuǎn)盤，應(yīng)采用V較小的運(yùn)動(dòng)曲線。A與機(jī)構(gòu)的慣性力有關(guān)，A越大，則機(jī)構(gòu)的慣性力越大，慣性力是中、高速機(jī)構(gòu)所受的主要作用力，并且與凸輪轉(zhuǎn)速的平方成一定比例，故高速運(yùn)行時(shí)應(yīng)選用A較小的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。J是一種衡量振動(dòng)的指標(biāo)，在一定程度上表征了加速度曲線的連續(xù)性和平穩(wěn)性，因此也是選擇運(yùn)動(dòng)曲線時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)。在高速機(jī)構(gòu)中，要求高階導(dǎo)數(shù)值連續(xù)，而且絕對(duì)值盡量要小，以便減少振動(dòng)，提高工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度。不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，各特征值都不相同，也就產(chǎn)生不同的沖擊力和慣性力，對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行結(jié)果產(chǎn)生重要的影響。常見運(yùn)動(dòng)規(guī)律特征值如下：1 正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)2 余弦運(yùn)動(dòng)規(guī)

VmaxAmaxJmaxVmaxAmaxJmax3 等速運(yùn)動(dòng)規(guī)VmaxAmaxJmax通用簡諧運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的構(gòu)建前述各種基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律雖然都有各自的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在各自的不足，甚至有的還存在嚴(yán)重的缺點(diǎn)?？梢愿鶕?jù)具體的設(shè)計(jì)要求，將上述基本曲線經(jīng)過組合與修正，從而得到運(yùn)動(dòng)特性值優(yōu)良的系列曲線。目前工程上應(yīng)用很廣的中速機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，是把簡諧運(yùn)動(dòng)與梯形運(yùn)動(dòng)規(guī)律[15,16,20]組合起來，形成一類運(yùn)動(dòng)特性優(yōu)良的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。這種通用的簡諧運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律由七段簡諧和梯形規(guī)律運(yùn)動(dòng)特性的曲線組成。它兼有梯形運(yùn)動(dòng)規(guī)律最大加速度A小和簡諧曲線在兩端運(yùn)動(dòng)規(guī)律連續(xù)的優(yōu)點(diǎn)。其加速度曲線如下圖所示：圖2.3七段式簡諧曲線由文獻(xiàn)[15]可得，上述通用簡諧運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的各加速度運(yùn)動(dòng)函數(shù)表達(dá)式如下所示：AsinTi (0TTT T (TTT T Acos

2

(TTT1A

T3T22 (TTT （2- A2sin 4i

(T4TT5

T5T42

(T5TT6 T A2cos 6i T7T62上式中A1為組合曲線加速度正最大值，A2為負(fù)最大加速度的絕對(duì)值，T0=0，T7=1，T1到T6將曲線分成七段，各段的不同取值對(duì)組合曲線的特性產(chǎn)生重大的影響。對(duì)公式（2-1）分別進(jìn)行求導(dǎo)、兩次積分，則分別得到躍度，速度及位移表達(dá)式。對(duì)躍度，加速度和速度分析是尋求優(yōu)良運(yùn)動(dòng)曲線的基礎(chǔ)。利用三角函數(shù)關(guān)系可以進(jìn)一步簡化公式，令P(TT)/F(i1) （2- Fi2(TiTi1)/i則公式（2-1）可以簡化為 (0T(TTT A1sin (T2TT3

（2-A (TTT （2-

(TTT (T5 (T5TT6Asin (TTT 對(duì)公式（3-4）微分,可得到躍度的表達(dá)式F 1 J (2-

cos A2cos 對(duì)公式（2-4）積分兩次，可分別得到速度和位移的表達(dá)式ATC A2F3cosP3VAFcosP 2 A2T AFcos 2

(2-AF2sinPCT 1 AF2sinPCT 3 SC AF2sinPCT

(2-2 AT2/2CT 2 利用T0=0時(shí)，S=0時(shí)，V=0T7=1時(shí)，S=1T1-T6SV的連續(xù)條件，從公式（2-5）（26）C，BA1，A216個(gè)未知條件。CAT 1 C3A1T2 1 CAF 1 CAF 2 C6A2T5CAT 2 B1BA(F

1

2)T(CC) A(F2

12 T2)T(CC)

2 BT(C BT(CC)B5 A(F21T2)T(CC)

2 BA(F21T2)T(CC) 2 3 FFF2(TT)2/2F3 FF

(2-MF2(TT)2/2F2(TT)(1T)F(1T 3 公式（2-10）M(F1F2F3F5F6F7A2 (2-23從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的優(yōu)化通過上節(jié)對(duì)七段通用簡諧運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的構(gòu)建，可從中發(fā)現(xiàn)，此類型從動(dòng)件的規(guī)律的變化完全由時(shí)間值T1、T2、T3、T4、T5，T6的值來決定。這些時(shí)間值的變化，不但決定了從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律類型，還決定了各特征值的大小，從而為我們選擇合適的規(guī)律提供了思路。時(shí)間取值對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響在自動(dòng)機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)中，有三種特殊的曲線應(yīng)用最為廣泛，它們是修正正弦，修正等速，修正梯形曲線。修正正弦曲線是在余弦曲線兩端各加上一段正弦曲線而得，這樣既保持了余弦曲線mm小的特點(diǎn)，又克服了其兩端加速度不連續(xù)的缺點(diǎn)。修正等速曲線是在等速度曲線的兩端各加上一段組合曲線（組合曲線由正弦，余弦，簡諧組成）而得，這樣在保留了m小的基礎(chǔ)上，又克服了原兩端加速V不連續(xù)的缺點(diǎn)。同理修正梯形曲線是在等加速的不連續(xù)處（兩端和中間）加上簡諧曲線作為過渡曲線來改善其性能。這三種曲線，看上去有較大區(qū)別，其實(shí)都可歸屬于七段通用簡諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律。時(shí)間組合對(duì)曲線性質(zhì)變化的影響，如下表2.1所示。七段通用簡諧運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)T值組合表T曲線名稱等加速0011余弦000111擺線01修正等速01修正正弦01修正梯形01非對(duì)稱擺線01梯形擺線01單停留修正梯形011優(yōu)化的目標(biāo)換刀機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)要求快速、平穩(wěn)，對(duì)振動(dòng)和精度也有要求。因此，運(yùn)動(dòng)曲線優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)常取對(duì)Am求極小值，并對(duì)VmJm加以約束，而且在運(yùn)動(dòng)曲線尾段要求J值要較小，以減少振動(dòng)。其優(yōu)化目標(biāo)如下：其中,設(shè)計(jì)變量約束條件為 AJ0ii1A 2 （2-0TTTTTT 上述優(yōu)化目標(biāo)中，因約束條件為變量T的非線性函數(shù)，能夠同時(shí)達(dá)到各參數(shù)最優(yōu)化并求解是的。為了比較全面地把握各個(gè)方面的情況，下面將對(duì)各種時(shí)間組合得到的加速度A和躍度J的曲線進(jìn)行分析與比較，從中選擇出比較理想的運(yùn)動(dòng)曲線。簡介及編程6.5[24]軟件前身是由Mathorks于1982年推出的一套高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化軟件。它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形顯示于一體，其強(qiáng)大的擴(kuò)展功能為各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。工具箱中主要包括信號(hào)處理(signalprocessing)，控制系統(tǒng)(controlsystem)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(neuralnetwork)，圖像處理(imageprocessing),，魯棒控制(robustcontrol)，非線形系統(tǒng)控制(nonlinearsystemcontroldesign)，系統(tǒng)辨識(shí)(systemidentification),小波(wavelet)等工具箱。這些工具箱給各個(gè)領(lǐng)域的研究和工程應(yīng)用提供了有力的工具。借助于這些“巨人肩上的工具”，各個(gè)層次的研究人員可直觀方便的進(jìn)行分析、計(jì)算及設(shè)計(jì)工作，可以大大地節(jié)省軟件開發(fā)時(shí)間。針對(duì)廣泛且蓬勃發(fā)展的圖像處理而開發(fā)的圖像處理工具箱函數(shù)更是廣大從事圖像處理研究人員的利器。他包括了圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像壓縮、圖像分析、圖像分割及識(shí)別等大量基本命令和函數(shù)。本文基于在圖像處理上的強(qiáng)大功能，充分利用數(shù)學(xué)計(jì)算的能力，并在對(duì)有關(guān)資料的整理收集下，對(duì)簡諧組合式運(yùn)動(dòng)曲線進(jìn)行分析和比較，從而選擇出較理想的運(yùn)動(dòng)曲線。下面所示為部分程序： xy x0t0t1t2t3t4t5t6t7f1f2f3f4f5f6f7r1r2ymaxymin; aa1a2m;f6=2*(t6-f7=2*(t7-forifelseifx0<=t2elseify=[y,-a1/f3*sin((x0-t2)*pi/((t3-elseifelseifelseifx0<=t6簡諧曲線的A，J圖及優(yōu)化選擇通過以上程序，可生成常用簡諧曲線的A，J圖和各曲線特征值，如下所示。1 修正正弦曲線各時(shí)間值為：T1=1/8，T1=1/8，T3=1/2，T4=1/2，T5=7/8， 如圖2.4可得a1=a2=5.528,躍度最大為69.47圖2 修正等速曲線各時(shí)間值為：如圖2.5可得a1=a2=8.013,躍度最大為201.38圖3、修正梯形曲線：各時(shí)間值為：T1=1/8，T1=3/8，T3=1/2，T4=1/2，T5=5/8，T6=7/82.6可得a1=a2=4.888,躍度最大為J=61.43。圖以上幾種修正曲線為凸輪設(shè)計(jì)中常用，比較而言，修正梯形曲線AJ的峰值較小，相對(duì)來說適合作為弧面凸輪的設(shè)計(jì)曲線。4、優(yōu)化曲線選擇為了得到更加理想的運(yùn)動(dòng)曲線，在查找已有資料的基礎(chǔ)上，對(duì)各種組合進(jìn)行調(diào)試。下面的一條優(yōu)化曲線便是在某公司一成熟產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，經(jīng)改進(jìn)和調(diào)試而得到的。此運(yùn)動(dòng)曲線為非對(duì)稱加速曲線，其各時(shí)間值為：T1=0.129，T2=0.279T3=0.369，T4=0.6296，T5=0.8203，T6=0.9683，如下圖2.7可得a1=5.31,躍度最大為J=65,但其結(jié)束段J值較小，大約41左右，對(duì)于有多段停留段的弧面凸輪換刀機(jī)械手，此運(yùn)動(dòng)曲線更有利于提高停留精度和減少振動(dòng)。而且其a1J的最大值同修正曲線相比，也比較理想。圖第三 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及建31換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)綜合考慮各種換刀方式的優(yōu)缺點(diǎn)，本文在換刀機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式上選用弧面凸輪聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)，主要由兩個(gè)聯(lián)動(dòng)凸輪(弧面凸輪和平面凸輪)來完成所有換刀動(dòng)作的控制。其中弧面凸輪帶動(dòng)機(jī)械臂按要求的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)角作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂抓刀、轉(zhuǎn)位和復(fù)位等動(dòng)作；平面凸輪通過搖桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)械臂按要求的行上下直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)拔刀和插刀動(dòng)作。機(jī)械臂采用單臂雙手式，換刀臂兩端各有一個(gè)抓刀手，換刀時(shí)換刀臂在弧面凸輪聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)的控制下同時(shí)抓取主軸和刀庫上的刀具，同時(shí)放回和裝入刀具，換刀時(shí)間短。刀庫采用盤式換刀方式，它能在較小的空間內(nèi)安裝較多的刀具，適合中小型加工中心的換刀。3 弧面凸輪的設(shè)計(jì)在換刀機(jī)械手中，弧面凸輪是其關(guān)鍵零件，直接影響到機(jī)械手在換刀過程中動(dòng)作的平穩(wěn)性、定位精度和換刀速度等，因此弧面凸輪的設(shè)計(jì)是換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的技術(shù)。凸輪的輪廓面為復(fù)雜的空間不可展面，設(shè)計(jì)計(jì)算繁雜，目前大多數(shù)文獻(xiàn)利用共軛曲面理論與包絡(luò)理論為基礎(chǔ)對(duì)弧面凸輪廓面進(jìn)行求解，以得到凸輪廓面的精確計(jì)算。弧面凸輪求解坐標(biāo)系建立弧面凸輪機(jī)構(gòu)的基本組成是由凸輪槽夾持滾子，滾子支撐在轉(zhuǎn)盤（從動(dòng)件）上?；∶嫱馆啠ㄖ鲃?dòng)件）作等速轉(zhuǎn)動(dòng)，通過滾子驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)。滾子轉(zhuǎn)盤和弧面凸輪分別繞各自回轉(zhuǎn)中心定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，兩回轉(zhuǎn)定軸交錯(cuò)90度。運(yùn)動(dòng)分析模型如圖3-1如示，弧面凸輪的等速回轉(zhuǎn)使從動(dòng)滾子盤按要求運(yùn)動(dòng)規(guī)律轉(zhuǎn)動(dòng)。為求解弧面凸輪輪廓方程，需要建立弧面凸輪坐標(biāo)系。一般在弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)上建立四組直角坐標(biāo)系，如圖示。包括：與機(jī)架相連的定坐標(biāo)系o-xyz從動(dòng)件坐標(biāo)系o1-x1y1z1滾子坐標(biāo)系o1’-凸輪坐標(biāo)系o2-弧面凸輪廓面方程由空間嚙合原理，運(yùn)用空間回轉(zhuǎn)張量作分析工具，經(jīng)一系列復(fù)雜的推導(dǎo)，可得到以下的弧面分度凸輪的曲面方程。XC(xflf)cos1cos2yfsin1cos2zfsin2cYC(xflf)sin1yfZC(xflf)cos1sin2yfsin1sin2zfcos2cxf

3-yfrcosf 2z rsinf f1和2式組成了曲面方程。其中：Xc,Yc,Zc為曲面上某點(diǎn)的坐標(biāo)。Xf,Yf,Zf為從動(dòng)件參數(shù)方程。lf為從動(dòng)件到中心距離，c為主動(dòng)件和從動(dòng)件中心距。f12公別為滾子轉(zhuǎn)過角度和弧面凸輪轉(zhuǎn)過角度，r為滾子半徑，為滾子圓周f參數(shù)并可由以上參數(shù)得到。f為滾子軸徑上的長度參數(shù)，為可變量。用廓面方程建模存在的不足以上公式給出了弧面凸輪廓面上各點(diǎn)的坐標(biāo)值。公式中凸輪的角位移2和滾子軸徑上的長度參數(shù)f作為兩個(gè)因變量。通常是先在滾子軸徑上取一固定長度參數(shù)f，隨時(shí)間變化凸輪的角位移2，可得一系列坐標(biāo)點(diǎn)，作為一組數(shù)據(jù)。改變滾子軸徑上長度參數(shù)的取值，可陸續(xù)計(jì)算出各滾子軸徑寬度上，整個(gè)分度過程中，凸輪輪廓曲面若干組點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。得到的以上數(shù)據(jù)可導(dǎo)入三維建模軟件，由此來生成弧面凸輪廓面。具體有兩種作法，法是直接利用點(diǎn)云的生成輪廓面。另法是先利用成組數(shù)據(jù)生成系列空間曲線，再由曲線生成輪廓面。最后將生成的各面縫合成實(shí)體并凸輪基體做相減運(yùn)算，可最終得到弧面凸輪的三維建模。以上造型方法是直接從包絡(luò)面方程得出弧面凸輪實(shí)體，但在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)這種方法存在有局限性和不足：1、其方法由點(diǎn)到線，線再到面，數(shù)據(jù)量相當(dāng)大，為獲得高精度的輪廓面會(huì)增加計(jì)算處理難度。2、處理運(yùn)動(dòng)過程復(fù)雜，有多頭嚙合等情況時(shí)，曲面造型難度成倍加大，多曲面情況難以把握，容易出錯(cuò)。3、最重要的一點(diǎn)，其造型方法和實(shí)際數(shù)控加工過程不相關(guān)（生成的點(diǎn)云面在實(shí)際加工中沒有作為加工依據(jù)，實(shí)際加工是以仿嚙合過程的法），造成了紙上造型和實(shí)際加工的脫離，它的應(yīng)用價(jià)值有限，局限于做仿真或驗(yàn)證之類?；跐L子中心軸廓面求1、建模思路及方法針對(duì)以上建模方法存在的不足，設(shè)想如果能在三維軟件中仿真嚙合運(yùn)動(dòng)與弧面凸輪數(shù)控加工的過程，同時(shí)在此過程中于凸輪基體上去除材料，這樣既能生成弧面凸輪的三維模型，還可以得到后續(xù)數(shù)控加工的相關(guān)數(shù)據(jù)。通過對(duì)弧面凸輪運(yùn)動(dòng)過程的分析，可以把弧面凸輪的輪廓面的產(chǎn)生，看成是主從件運(yùn)動(dòng)中由滾子實(shí)體切削而成。由此，以UG為開發(fā)平臺(tái)，利用UG軟件的二次開發(fā)功能（uggrip語言）,探索通過模擬弧面分度凸輪的加工過程來構(gòu)造模型的思路和步驟：先生成圓柱體的毛坯基體。按從動(dòng)滾子的截面形狀形成圓柱體或各種形體的刀具，用求差的運(yùn)算將刀具從毛坯中減去。按從動(dòng)件與主動(dòng)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，將刀具繞從動(dòng)轉(zhuǎn)盤的中心旋轉(zhuǎn)一個(gè)增量的角度，再具與毛坯相減。如此循環(huán)，如同加工過程，在毛坯上形成弧面凸輪的輪廓面。具體的成型方法如下：通過對(duì)主動(dòng)件凸輪和從動(dòng)件滾子的嚙合分析，可以看出從動(dòng)件滾子盤始終繞Z方向定軸回轉(zhuǎn)，弧面凸輪同時(shí)繞一與從動(dòng)件成90度的Y方向定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。而且我們注意到從動(dòng)件滾子的線始終處于XOY平面上，并且在一定的角度范圍（62X360/6，即-6060，）內(nèi)和凸輪嚙合，這一點(diǎn)是解決問題的關(guān)鍵所在。第一步：取如圖3.3的嚙合截面，可設(shè)想以從動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)工中心Oc為中心，以線方向的矢量上生成一個(gè)滾子體，并和毛坯基體相減。第二步：弧面凸輪以等角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)際嚙合始終發(fā)生在XOY面上，也就是兩定軸中心連線和Y軸所形成的面上。因此，我們給整個(gè)系統(tǒng)加上一和凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的大小相等的角速度，這樣凸輪可看成靜止的，而滾子從動(dòng)件繞凸輪中心Y軸作公轉(zhuǎn)的同時(shí)，還繞自身的中心轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)某一時(shí)刻，滾子從動(dòng)件繞凸輪中心Y軸公轉(zhuǎn)過某一角度，在新的兩中心連線X‘和Y軸所形成的面上，可以重復(fù)第一步作的工作，因?yàn)槿缜笆鰢Ш鲜冀K發(fā)生在同一面上。（反轉(zhuǎn)是人為加上的）這樣，凸輪的每一轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)滾子從動(dòng)件繞自身的每一轉(zhuǎn)角，上述步驟得以連續(xù)而成型。2、簡化的坐標(biāo)系的建立以凸輪順時(shí)鐘轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)滾子盤逆時(shí)鐘轉(zhuǎn)動(dòng)，建立如圖示坐標(biāo)系O-XYZ為主三坐標(biāo)直角坐標(biāo)系O-X‘Y為輔的二坐標(biāo)直角坐標(biāo)系

上面的主視圖表現(xiàn)的是從動(dòng)滾子盤的一個(gè)滾子在兩個(gè)嚙合面上繞自身中心Oc轉(zhuǎn)過了角度j，jOc為起點(diǎn)的滾子中心軸線與X軸的夾角來定義。下面的俯視圖表現(xiàn)的是主動(dòng)件凸輪在初始位和轉(zhuǎn)過角度i位置的情況。主動(dòng)凸輪所轉(zhuǎn)到的i角度將對(duì)應(yīng)從動(dòng)滾子中心軸線對(duì)應(yīng)的一個(gè)角度j。i的取值為（0360度），而j的取值將限定在一定嚙合范圍內(nèi)，如6滾子的情況取值為（-到60度）3、公式的推導(dǎo)本文以圓柱滾子（可適合各型滾子體）為例，只要知道不同時(shí)刻的中心軸線上的首尾兩點(diǎn)坐標(biāo)，就可通過兩點(diǎn)相減得到中心軸線的矢徑。利用grip軟件的二次開發(fā)功能，可在此矢徑上生成圓柱體，并和凸輪基體做減運(yùn)算，當(dāng)所取時(shí)間步長足夠小時(shí)，可得到滿足精度要求的弧面凸輪。在輔助坐標(biāo)系O-X‘Y上可以取滾子盤自身中心點(diǎn)和沿滾子中心軸線L處點(diǎn)，由上圖幾何關(guān)系可得以下坐標(biāo)公式。X X 1

2 clcosj 1Y 1

Y lsin 2

3-

Z1 Z2 由圖示幾何關(guān)系，從輔助坐標(biāo)系O-X‘Y到主坐標(biāo)O-XYZ的矩陣變換如下示：X cos Y Y

3-Z sin 0Z 3-33-4可得兩點(diǎn)在主坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為：X1 csiniY1 Z ccosi1 X2 csinilcosicosjY2 lsin

3- Z2 ccosilsiniZ2 式3-5可得滾子線在主坐標(biāo)系中的矢量X2 X1 lsinicosjY2Y1 lsin

3- Z lsinisin 2 1 式3-53-6，利用grip軟件的相關(guān)函數(shù)，可在此矢徑上生成所需相減圓柱3 弧面凸輪的三維建模建模工具簡介UG/OpenGRIP[46,47,48](GraphicsInteractiveProgramming)UG軟件提供的一個(gè)用于二次開發(fā)的軟件工具，是一種的圖形交互編程語言，開發(fā)者可以用GRIP編程的方法自動(dòng)實(shí)現(xiàn)在UG下進(jìn)行的絕大部分操作。GRIP命令很像英語單詞，語法與BASICFORTRANGRIP編程的方法比用UG交互的方法更有效。由于與UG系統(tǒng)緊密集成，所以，利用GRIP程序，可以完成與UG的各種交互操作。例如:調(diào)用一些實(shí)體生成語句，創(chuàng)建幾何體和制圖實(shí)體，可以控制UG系統(tǒng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)文件管理功能，可以存取UG數(shù)據(jù)庫，提取幾何體的數(shù)據(jù)和屬性，可以編輯修改已存在的幾何體參數(shù)等。GRIP還有一些交互命令用于控制實(shí)體狀態(tài)、菜單的選取、以及調(diào)用UG的通用的構(gòu)造子功能等。UGUG/OpenGRIPGRIP語言編輯器,用這個(gè)工具可以編輯、修改、編譯、連接程序。GRIP語言與一般的通用語言一樣，有其自身的語法結(jié)構(gòu)，程序結(jié)構(gòu)，內(nèi)部函一種面向工程師的語言。GRIP進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，其操作步驟為1)編寫源程序利用文本編輯器編寫源代碼，以擴(kuò)展名為.grs存盤。2)編譯源程序?qū)⒃闯绦蜻M(jìn)行編譯生成擴(kuò)展名為.gri的編譯文件若主程序中含子程序，則兩者要分別進(jìn)行編譯，時(shí)主程序自動(dòng)對(duì)子程序進(jìn)行。3)程將擴(kuò)展名為.gri的文件生成可執(zhí)行的GRIP文件，擴(kuò)展名為.grx.4)運(yùn)行程序UGFile菜單下的ExecuteUG/open菜單項(xiàng)可以執(zhí)行*.grx文件，也可以通過其它方式執(zhí)行*.grx文件，如通過用戶化的菜單或框弧面凸輪建模實(shí)例下面以某型加工中心換刀機(jī)械手弧面凸輪的建模來具體說明以上的建模方法。如圖3.4所示主從件運(yùn)動(dòng)關(guān)系圖，X軸方向表示主動(dòng)件凸輪的角位移i。Y軸方向表示從動(dòng)件滾子盤的轉(zhuǎn)角位移j。中心距C=125，從動(dòng)件滾子數(shù)為6各動(dòng)程段以修正正弦曲線規(guī)律運(yùn)動(dòng) 圖從上面主從件運(yùn)動(dòng)關(guān)系圖中我們可以看到，此換刀裝置中的部件換刀弧面凸輪有多段交變的動(dòng)程與靜程段，而且中間時(shí)段從動(dòng)件轉(zhuǎn)角較大，需多頭嚙合，因而此弧面凸輪將有多段嚙合溝槽，比普通常見單段連續(xù)嚙合溝槽凸輪情況要復(fù)雜得多，用常用的點(diǎn)云構(gòu)建廓面法因廓面的多段且不連續(xù)而難以處理。而本文中所述基于滾子中心軸線的弧面凸輪輪廓面法能比較簡易地處理此類問題，具體步驟如下：1i，j的關(guān)系表主動(dòng)凸輪i的范圍為（0-360度），而在公式C，D中的從動(dòng)滾子轉(zhuǎn)角j被限度于（-60-60度），因而我們對(duì)實(shí)際從動(dòng)盤轉(zhuǎn)角j（-5-240度）作技術(shù)處理（找到對(duì)應(yīng)嚙合區(qū)內(nèi)的滾子線與X軸的夾角，即設(shè)j=j-60*n，n=-1,0,1,2...，如下表示。表3.1滾子與凸輪轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)表2、作出各滾子連續(xù)溝槽表i，j的關(guān)系表圖可以整理所得各嚙合連續(xù)溝槽的分布圖表3.2六個(gè)滾子凸輪連續(xù)槽圖表3UGNXgrip語言編程，按所需的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如第二章中提到的優(yōu)化曲線，修正梯形規(guī)律等，得到i，j對(duì)應(yīng)數(shù)值，按表圖所得i，j區(qū)段分布情況，仿切削過程分別生成各分段的過續(xù)溝槽輪廓面，構(gòu)建完成了換刀弧面凸輪，同時(shí)式C，D于程序中生成數(shù)控加工所需加工刀軌輔助文件，如下所示：---.059---.048---.035---.022---.007-.0083.4主要部件建 圖UGNX軟件為設(shè)計(jì)平臺(tái)對(duì)加工中心換刀機(jī)械手進(jìn)行三維建模，建立了關(guān)鍵部件的零件模型。圖3.6換刀機(jī)構(gòu)主箱體,箱蓋圖圖3.7組合凸輪3.8從動(dòng)件滾子管3.9機(jī)械手裝配圖3.5裝配分UG高級(jí)裝配模塊（AdvancedAssemblies）提供了產(chǎn)品級(jí)裝配設(shè)計(jì)的特殊功能：包括大裝配檢查功能；管理、共享和檢查用于確定復(fù)雜產(chǎn)品布局的數(shù)字模型，完成全數(shù)字化的電子樣機(jī)裝配；對(duì)整個(gè)產(chǎn)品、指定的子系統(tǒng)或子部件進(jìn)行可視化和裝配分析；定義各種檢查工況，并可選擇以批處理方式運(yùn)行；零部件軟、硬的精確報(bào)告。實(shí)現(xiàn)方法是先在裝配工具條中選擇interferencecheck圖標(biāo)，再在圖形窗口中選擇裝配部件中要進(jìn)行分析的零件，系統(tǒng)分析完成以后，對(duì)發(fā)生硬的零件將以高亮度顯示，并彈出如下圖的信息輸出窗口。其中標(biāo)識(shí)為hard的是硬，必須給予修正；標(biāo)識(shí)為Touching，為部件彼此接觸。圖3.10裝配換刀機(jī)械手的總裝圖如圖3.11所示：3.11總裝圖第四 弧面凸輪的加弧面凸輪是換刀機(jī)械手中的關(guān)鍵零件，其制造精度的高低直接影響到機(jī)械手在換刀過程中動(dòng)作的平穩(wěn)性、定位精度等?；∶嫱馆喌募庸な亲詣?dòng)換刀機(jī)械手整套系統(tǒng)成功與否的所在。本章對(duì)弧面凸輪的加工做詳細(xì)的探討。41弧面凸輪的傳統(tǒng)加工方法概述在數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)之前，弧面凸輪的加工主要有以下幾種方法劃線手挫法該方法是先在毛坯上劃線，再用鉆床沿劃線輪廓將絕大多數(shù)加工余量去除，然后用銼刀進(jìn)一步加工和修整，直至加工出凸輪輪廓。這種加工方法其加工精度不高，即使是圓弧與直線輪廓也很難獲得較高的加工精度。此方法只適合于對(duì)運(yùn)動(dòng)精度要求不高的凸輪加工。逐點(diǎn)坐標(biāo)法逐點(diǎn)坐標(biāo)法是利用計(jì)算機(jī)計(jì)算刀具中心的坐標(biāo)，按凸輪理論輪廓要求，以很精細(xì)的間隔一點(diǎn)一點(diǎn)地給出各刀位點(diǎn)的加工坐標(biāo)。然后根據(jù)這些坐標(biāo)，用手工操作方法控制萬能銑床的銑刀中心或坐標(biāo)鏜床的鏜桿中心的運(yùn)動(dòng)，逐點(diǎn)地將凸輪輪廓加工出來。其加工精度取決于坐標(biāo)點(diǎn)間隔的疏密程度、機(jī)床的精度和操作者的經(jīng)驗(yàn)。創(chuàng)成法創(chuàng)成法是利用某些機(jī)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生符合要求的運(yùn)動(dòng)軌跡來實(shí)現(xiàn)凸輪加工的一種特殊方法。現(xiàn)已成功研制出用于加工簡諧曲線和多次項(xiàng)曲線輪廓的凸輪。但是創(chuàng)成法加工凸輪的范圍是很有限的，機(jī)床的性太強(qiáng)，只適合于大批量的生產(chǎn)。仿形加工法仿形加工法分靠模仿形法和數(shù)控仿形法。靠模仿形法是采用仿形機(jī)床，通過凸輪樣板加工出與靠模完全一樣或成正比例的凸輪。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能連續(xù)切削，生產(chǎn)率高，成本低，能進(jìn)行磨削加工。數(shù)控仿形法是通過數(shù)控裝置發(fā)出的仿形控制信號(hào)來控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)。以上的方法適合大批量的生產(chǎn)，但明顯缺乏靈活42弧面凸輪數(shù)控加工方法弧面分度凸輪的廓面是空間不可展曲面，這給加工造成了很大的難度。自從該凸輪機(jī)構(gòu)問世以來，國內(nèi)外眾多學(xué)者都針對(duì)弧面分度凸輪結(jié)構(gòu)上的特殊性而在加工方面進(jìn)行了許多有益的嘗試，特別隨著數(shù)控技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛，一些思路新穎且加工精度高的加工方法應(yīng)運(yùn)而生，很好地解決了復(fù)雜，小批量，型號(hào)變化多的空間凸輪的加工難題，成為國內(nèi)外加工弧面分度凸輪普遍采用的方法。下面分別對(duì)常見的弧面分度凸輪的數(shù)控加工方法及其分類做個(gè)介紹[49。按凸輪的廓面的成形方法不同，主要分為兩大類：自由曲面加工和法。4.2.1按自由曲面加工自由曲面法是指在對(duì)弧面凸輪的廓面進(jìn)行計(jì)算和加工時(shí)，視廓面為由點(diǎn)組成的任意空間曲面，即不考慮其曲面的包絡(luò)性。其理論依據(jù)是用等距曲面理論進(jìn)行任意曲面的加工。由于凸輪廓面通常是內(nèi)凹形的，為避免加工時(shí)的刀具與廓面干涉，該方法使用半徑小于凸輪滾子半徑的球頭刀具，刀桿按凸輪從動(dòng)件的擺動(dòng)規(guī)律擺動(dòng)，并輔助三個(gè)方向的移動(dòng)，用以補(bǔ)償由于刀具半徑的減少而產(chǎn)生的擺動(dòng)中心的偏移。該方法的特點(diǎn)有：弧面凸輪廓面加工的關(guān)鍵在于按給定的距離確定其等距曲面上任意一點(diǎn)的坐標(biāo)（即確定刀具中心的軌跡），而弧面凸輪的基本方程是以接觸角為基礎(chǔ)，若已知凸輪表面上一點(diǎn)的接觸角也就知道了該點(diǎn)的法線方向，刀具中心軌跡就在此法線上，所以數(shù)據(jù)處理比較方便。另外，此方法可實(shí)現(xiàn)凸輪廓面的單側(cè)加工，從而克服了法同時(shí)雙面加工的缺點(diǎn)。該方法的不足之處在于：由于是按自由曲面的點(diǎn)位加工，丟失了凸輪輪廓曲面的包絡(luò)性質(zhì)，從而影響到凸輪機(jī)構(gòu)的嚙合特性，并且計(jì)算過程復(fù)雜，加工效率低，加工誤差比較大。4.2.2法加工這是目前普遍使用的方法。一般須聯(lián)動(dòng)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)（弧面凸輪加工機(jī)床），或者兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)和兩個(gè)直線坐標(biāo)，進(jìn)行四軸加工。實(shí)際應(yīng)用中，常采用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床加工。在粗加工階段，采用比滾子直徑小的銑刀，大進(jìn)給量銑削；精加工工序中，使用與滾子從動(dòng)件曲面幾何特征參數(shù)一致的成型銑刀，繞從動(dòng)件滾子運(yùn)動(dòng)中心，與凸輪毛坯按共軛關(guān)系不進(jìn)行刀具補(bǔ)償加工。因?yàn)槿舨删哐a(bǔ)償，就算補(bǔ)償量很小，也容易造成廓面的失真，機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性變差。此方法的加工特點(diǎn)：其加工運(yùn)動(dòng)規(guī)律與凸輪正常使用時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律完全相同，加工過程與原理容易理解，實(shí)際加工也容易實(shí)現(xiàn)，其誤差來源可以主要是由于刀具的磨損和機(jī)床本身的精度產(chǎn)生。所以如果能建立模型計(jì)算刀具的磨損量，及時(shí)更換刀具，其誤差是可以控制的。缺點(diǎn)是：銑刀同時(shí)銑削凸輪溝槽的兩側(cè)，一側(cè)為順銑，另一側(cè)為逆銑，加工質(zhì)量受影響，還需用磨削或其他精加工來提高加工精度。法按修形與否可分為帶修形和不帶修形兩類。不帶修形是指加工過程凸輪和刀具完全按共軛關(guān)系來成形加工曲面。帶修形加工是在法加工的基礎(chǔ)上，對(duì)刀具中心的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行修正，以達(dá)到改善凸輪運(yùn)動(dòng)性能的目地。它在保證了共軛運(yùn)動(dòng)關(guān)系的前題下，通過局部的微小修形，使凸輪易于安裝，嚙合進(jìn)出平穩(wěn)，減少磨擦。按隨著技術(shù)的進(jìn)步,對(duì)精密弧面凸輪的設(shè)計(jì)要求已越來越高,凸輪廓面修形工作現(xiàn)已做得很細(xì)[55]。例如:每個(gè)滾子都以“”的方式進(jìn)入嚙合狀態(tài)；相鄰滾子在同時(shí)嚙合驅(qū)動(dòng)(或阻擋)從動(dòng)件時(shí)，實(shí)行“壓力角優(yōu)者為先，次者退避”的原則；凸輪直段按預(yù)載要求適當(dāng)加厚并將這種加厚延拓至相接的曲段來保持平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)減振的目的；所有的非工作廓面減薄以留出滾子運(yùn)動(dòng)的間隙并利于凸輪機(jī)構(gòu)的裝配調(diào)整等。帶修形的加工，對(duì)數(shù)控程序的編制和加工機(jī)床都提出了更高的要求：不僅程序復(fù)雜得多，加工必須五軸機(jī)床的參與。法按刀具的加工方式又可分為刀具做行星加工和刀具不做行星加工兩類。普通的加工一般指刀具不做行星加工的方法。刀具做行星加工法又稱兩重包絡(luò)法，是指用一個(gè)半徑小于滾子半徑的圓柱刀具來加工凸輪廓面，刀具為行星式運(yùn)動(dòng)，其自轉(zhuǎn)是繞刀具中心高速旋轉(zhuǎn)，而公轉(zhuǎn)是繞滾子中心的旋轉(zhuǎn)，滾子中心的擺動(dòng)與凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)符合已選定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。加工原理：用半徑為r（r<R）的圓柱刀具偏離刀具一段距離（R-r，并繞等價(jià)刀具軸線回轉(zhuǎn)，其包絡(luò)面顯然是半徑等于R的等價(jià)圓柱刀具表面，再使刀具按法原理運(yùn)動(dòng)，其包絡(luò)面就是待加工的凸輪廓面。此方法的特點(diǎn)：兩重包絡(luò)加工方式計(jì)算簡單，無理論誤差，可選刀具的范圍廣，柔性很強(qiáng)，特別適應(yīng)于單件小批量生產(chǎn)，是等價(jià)加工和可控誤差加工的有益補(bǔ)充。缺點(diǎn)：該方法是一種點(diǎn)位加工方式，對(duì)應(yīng)廓面上每一點(diǎn)有不同的刀位。所以加工效率相對(duì)較低。由于加工的非連續(xù)性，加工后凸輪廓面存在波紋，公轉(zhuǎn)速度越低，波紋越嚴(yán)重。以上是對(duì)國內(nèi)普通弧面分度凸輪的廓面加工的方法分別做了論述，進(jìn)行了比較，各有優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)際加工制造時(shí)，可視具體情況采用不同的方式，也可多種方式相互結(jié)合以進(jìn)行廓面的優(yōu)化加工。43弧面凸輪數(shù)控加工工藝準(zhǔn)備毛坯準(zhǔn)備4-1所示零件為第三章實(shí)例中提及的凸輪毛坯和用UG完成的弧面凸輪三維造型。凸輪的直徑D=194,厚度H=72,滾子中心距C=125,滾子直徑r=20,滾子數(shù)為6個(gè)，毛坯的外輪廓弧面轉(zhuǎn)角120D。凸輪加工時(shí)的定位面為凸輪的軸孔和端面，毛坯的外輪廓半徑為凸輪的頂圓半徑。加工工藝和數(shù)控加工方法弧面凸輪的加工精度高，一般需經(jīng)粗加工、半精加工和精加工等加工過程。其廓面的加工工藝路線為：車頂圓——粗銑槽——精銑削——熱處理——粗磨——精磨——檢驗(yàn)。結(jié)合第三章的結(jié)論和以上弧面凸輪廓面數(shù)控加工方法分析，可知采用 法加工是最符合實(shí)際嚙合運(yùn)動(dòng)情況并能準(zhǔn)確成形凸輪廓面。數(shù)控機(jī)床的選型1、理想的弧面凸輪加工機(jī)床數(shù)控旋轉(zhuǎn)分度采用法加工換刀弧面凸輪時(shí)，所采用的數(shù)控機(jī)床其基本配置應(yīng)具有兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軸。理想的機(jī)床配置如圖4.2所示：其中一個(gè)機(jī)床回轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)弧面凸輪繞中心軸旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)回轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)刀具仿滾子做嚙合式切削加工，刀具的旋轉(zhuǎn)中心和從動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)中心重合。但是，一般的數(shù)控機(jī)床不可能正好能滿足以上數(shù)控旋轉(zhuǎn)分度2、通用數(shù)控機(jī)床加工弧面凸輪的解決方案

用通用數(shù)控機(jī)床加工弧面凸輪時(shí)，最少要擁有兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軸，在此基礎(chǔ)上，還需要增加兩個(gè)直線移動(dòng)軸，用于對(duì)刀具的回轉(zhuǎn)中心進(jìn)行調(diào)整，使其與從動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)中心重合，產(chǎn)生與理想機(jī)床相同的效果。所以，采用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是解決此類加工問題的合理選擇。一般五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床通常為3+2類型，即三個(gè)直線坐標(biāo)和兩個(gè)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)。3+2類型的五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床又可分為三大類型：兩個(gè)旋轉(zhuǎn)刀具頭加三個(gè)直線坐標(biāo)移動(dòng)軸。一個(gè)旋轉(zhuǎn)刀具頭和一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)加三個(gè)直線坐標(biāo)移動(dòng)軸。雙轉(zhuǎn)臺(tái)加三個(gè)直線坐標(biāo)移動(dòng)軸。很明顯，a類機(jī)床不適合弧面凸輪的加工，bc類機(jī)床中我們可能找到適合加工弧面凸輪的類型。下面結(jié)合具體機(jī)床對(duì)其進(jìn)行可行性分析。我校擁有一臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，其型號(hào)為DMU80T。與普通機(jī)床相比，該機(jī)床具有精度高、工序集中、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)備還設(shè)有位移監(jiān)測(cè)裝置，可以實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)，便于加工復(fù)雜的零件和曲面。此機(jī)床屬于上述類型中的b類機(jī)床：一個(gè)旋轉(zhuǎn)刀具頭和一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)類型，各軸的行程為：X=800,Z=630,C:回轉(zhuǎn)B=10到-90機(jī)床結(jié)構(gòu)如圖4.3示 當(dāng)用此機(jī)床加工弧面凸輪時(shí)，可將弧面凸輪水平放置于XY平面轉(zhuǎn)臺(tái)上，凸輪中心和數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸C中心重合。由前述可知，數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)對(duì)凸輪主動(dòng)件的嚙合運(yùn)動(dòng)的模擬，剩下的問題是可以利用繞B軸轉(zhuǎn)動(dòng)的刀具頭來模擬從動(dòng)件滾子盤的運(yùn)動(dòng)情況。從圖中可知，可通過控制X，Z，和B軸的聯(lián)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)刀具的作繞從動(dòng)盤中心旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)，因此，上述機(jī)床理論上可實(shí)現(xiàn)弧面凸輪的加工。但是，用此機(jī)床加工弧面凸輪時(shí)受機(jī)床B軸轉(zhuǎn)動(dòng)行程的限制。BBOXDMU80T機(jī)床的刀具主軸（B軸）只能在+10到-90度之間擺動(dòng)，所以一次裝夾只能加工出凸輪廓面的下半段（4.4示，要加工出弧面凸輪的全部輪廓，還需要將凸輪翻轉(zhuǎn)過來裝夾，再加工出凸輪廓面的上半段，并與下半段對(duì)接，從而加工出一個(gè)完整的凸輪廓面。因此，用該機(jī)床加工弧面凸輪，由于受B旋轉(zhuǎn)行程的限制，不是理想的選擇。而且采用翻轉(zhuǎn)的方法加工凸輪廓面，不僅增加了程序編制的難度，同時(shí)也會(huì)影響廓面的加工精度。只是在缺少合適加工設(shè)備的條件下，才不失為一種解決方案。根據(jù)行程計(jì)算，該加工中心可加工中心距20150的弧面凸輪。為獲得理想的弧面凸輪廓面，解決弧面凸輪的加工問題，本文利用某企業(yè)的五軸數(shù)控機(jī)床，該機(jī)床為KOPP公司生產(chǎn)的FSK-25G，其五軸聯(lián)動(dòng)形式屬于上述c類機(jī)床，為雙轉(zhuǎn)臺(tái)類型，該機(jī)床在加工精度上不僅達(dá)到高精度五軸機(jī)床的標(biāo)準(zhǔn)，還配備了特殊的高精度行星磨頭，可方便地實(shí)現(xiàn)粗銑和精磨工序的加工。該機(jī)床的各軸程如下：X=800,Z=480,A:回轉(zhuǎn)B=-70到+70機(jī)床的結(jié)構(gòu)如圖4.5示。此機(jī)床的各運(yùn)動(dòng)軸和一般五軸機(jī)床相比，在各軸的主從關(guān)系上有其特別之處，數(shù)控旋轉(zhuǎn)度B尾Z刀具主從上圖4.5中可以看出，它具有繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)的分度轉(zhuǎn)臺(tái)A，可將弧面凸輪安裝于X轉(zhuǎn)動(dòng)的A轉(zhuǎn)臺(tái)上，凸輪中心和數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)A旋轉(zhuǎn)軸中心重合。而分度轉(zhuǎn)臺(tái)A又安裝在可繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的B轉(zhuǎn)臺(tái)上，B轉(zhuǎn)臺(tái)安裝于沿X軸移動(dòng)的導(dǎo)軌平臺(tái)上。刀具安裝在Z軸上，可對(duì)三個(gè)直角坐標(biāo)系產(chǎn)生相對(duì)的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)。從下圖4.6可知，數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)A帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)對(duì)凸輪主動(dòng)件的嚙合運(yùn)動(dòng)的模擬；而繞B軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)臺(tái)可帶動(dòng)凸輪在XZ平面偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度(旋轉(zhuǎn)點(diǎn)B與凸輪中心不重合)，同時(shí)和X，Z軸的配合聯(lián)動(dòng)可模擬從動(dòng)件滾子盤滾子的運(yùn)動(dòng)情況來加工數(shù)控旋轉(zhuǎn)度B尾Z刀具主X數(shù)控程序的手工編寫方法隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展和大量優(yōu)秀數(shù)控編程軟件的出現(xiàn)，數(shù)控編程已從手工編程，AT語言編程，直至發(fā)展到如今的交互式圖形自動(dòng)編程。自動(dòng)編程不但大大提高了工作效率，而且解決了過去手工編程[49]所無法解決一些的空間曲面問題，現(xiàn)已成為數(shù)控編程的主流。但手工編程由于編程人員的直接參與，在對(duì)某類問題處理的簡潔和準(zhǔn)確性方面，有其不可替代性。在弧面凸輪采用法加工這個(gè)問題上，針對(duì)某類特殊機(jī)床，可采用手工編寫關(guān)鍵進(jìn)退刀數(shù)控代碼和計(jì)算機(jī)輔助生成加工點(diǎn)位相結(jié)合，也不失為一種比較有效的解決途徑。加工方案比較和選定針對(duì)前面提到的兩種機(jī)床，下面分別對(duì)它們的加工和編程進(jìn)行分析并從中得到比較理想的方案。方案一：采用DeckelMaho公司生產(chǎn)的DMU80T五軸五聯(lián)動(dòng)加工中心加工弧面凸輪，加工方式為刀具偏轉(zhuǎn)與弧面凸輪旋轉(zhuǎn)，同時(shí)刀具在XZ平面內(nèi)聯(lián)動(dòng)。BBO轉(zhuǎn)角XCr；從動(dòng)件中心到刀尖中心距離C：為弧面凸輪中心距i:為弧面凸輪圓周轉(zhuǎn)角j:為加工刀具在XZX軸的偏角。L：旋轉(zhuǎn)刀根點(diǎn)到刀尖長度從圖4.7可知，一方面，主軸刀具頭通過B軸轉(zhuǎn)動(dòng)并且配合XZ兩直角坐標(biāo)的聯(lián)動(dòng)，使加工刀具始終保持繞固定的從動(dòng)盤中心的轉(zhuǎn)動(dòng)；另一方面，弧面凸輪C軸的中心，繞Z軸轉(zhuǎn)角，ij的對(duì)應(yīng)關(guān)系可由選擇的運(yùn)動(dòng)規(guī)律通過程序而定?，F(xiàn)將加工坐標(biāo)定于凸輪體的中心，通過計(jì)算，可得到以下的刀根坐標(biāo)，此刀根坐標(biāo)為數(shù)控加工的部分：XC(Lr)cosY(Lr)sinZBj式中的j定義為刀具在XZ面與X軸的偏角，是方便和第三章中的程序中的偏角有對(duì)應(yīng)關(guān)系，在對(duì)第三章中的UG-GRIP程序做小的改動(dòng)很容易得到數(shù)控加工的加工代碼。這個(gè)加工方案在加工原理上容易理解，但加工中要實(shí)時(shí)考慮j角變化對(duì)加工代碼的影響，而且此機(jī)床一次只能加工凸輪的一半，加工另一半時(shí)需考慮對(duì)凸輪加工精度的影響。方案二：采用KOPP公司生產(chǎn)的FSK-25G加工中心，用五軸聯(lián)動(dòng)[55]方法加工弧面凸輪。該加工方式為雙轉(zhuǎn)臺(tái)式，數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)A帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)；而繞B軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)臺(tái)可帶動(dòng)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)A和凸輪在XZ平面偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度(旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)B與凸輪中