換刀機械手設(shè)計帶CAD圖

換刀機械手設(shè)計帶CAD圖,機械手,設(shè)計,CAD 湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文加工中心換刀機械手的研究姓名：謝政申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：機械制造及其自動化指導(dǎo)教師：馬秋成;周定伍20080515摘摘 要要 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_自動換刀機械手的國產(chǎn)化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)控機床與基礎(chǔ)制造裝備重大專項 ，并將“大型刀庫及自動換刀裝置 ”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。為實現(xiàn)加工中心關(guān)鍵功能部件的國產(chǎn)化，本文以弧面凸輪式換刀機械手為對象，開展了換刀機械手運動循環(huán)過程設(shè)計、從動件運動規(guī)律設(shè)計、關(guān)鍵零件弧面凸輪的設(shè)計和加工等研究工作。 論文完成的主要工作以下： (1) 根據(jù)加工中心對自動換刀機械手的工作要求， 完成了弧面凸輪式換刀機械手運動循環(huán)過程的設(shè)計，按修正正弦加速度運動規(guī)律完成了主動件弧面凸輪工作輪廓面的設(shè)計，并應(yīng)用 Matlab 軟件進(jìn)行了從動件運動規(guī)律的優(yōu)化。 (2) 應(yīng)用三維設(shè)計軟件 UG 建立了換刀機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干涉檢查，開發(fā)了自動換刀機械手的虛擬樣機。 (3) 針對加工中心自動換刀裝置中的核心部件弧面凸輪， 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。基于 UG 平臺，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。 (4) 分析了用 DMU80T 和 FSK-25G 五軸聯(lián)動加工中心進(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（CLSF） ，并針對 FSK-25G 五軸聯(lián)動加工中心建立了虛擬數(shù)控機床，利用仿真技術(shù)對加工過程進(jìn)行了模擬驗證，證實了刀軌的正確性和在 FSK-25G 機床上加工的可行性。 關(guān)鍵詞： 加工中心 自動換刀機械手 弧面凸輪 Abstract With the rapid development of the Mechanical manufacturing industry in our country, it needs more and more high-grade numerical control machine tools such as the Processing Centre. As a key component in the processing center, the ATC manipulators research and its domestic problem have been increasing attention. The government put out The important items of the senior numerically-controlled machine and the based manufacture equipment on may 2007.In the items,the state put “the large tool storage and ATC ”into the project of The States development program of five years of 15th and The States medium and long-term development program This paper forces on the key problem in the research and development of the ATC of Convex globoidal cam type . The research work include of cyclogram of machine design ,the design of the followers movement rule ,and the design and process of the key component convex globoidal cam. This paper mainly completed the work as follows: 1.According to the need of the Processing Centre ATC manipulator, this paper completed the design of the cam ATC manipulators motive cycle process. And used the software Matlab to select the optimal design of the movement of the follower. 2.Used 3D software UG to create the 3D parts models and assembly model of the main parts in the ATC manipulator. And based on the model, it analysis the assembly gap and check the interference of the parts and complete the virtual prototype of ATC. 3.For the cnvex globoidal cam which is the core components in the Processing Centre ATC manipulator, the paper creates a method based on a roller to the center line to set the model. And solved the shortcomings by using the conjugate surface theory to establish the surface contours equation in the traditional methods. Then based on the software UG platform, this paper used the tool UG/GRIP to complete the convex globoidal cam Modeling and the necessary data for the preparation of the NC procedures. 4. Analyse the process of making use of the five axiss machining centers, DMU80T and FSK-25G to process the convex globoidal cam respectively.Open out the tool path sourse file of convex globoidal cams process and build the virtual numerically-controlled machine according to FSK-25G five axis machining centers.Simulate and verificate the process making use of the simulation technique and approve the correctness of the tool path file and the feasibility processing in FSK-25G Key Words： Processing Centre Automatical Tool Changer Convex globoidal cam 湘潭大學(xué)湘潭大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)湘潭大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文 1第一章 緒 論 第一章 緒 論 1.1 加工中心簡介 1.1 加工中心簡介 加工中心(Machining Center)是一種具有自動換刀功能的高效自動化機床，由機械部件與數(shù)控系統(tǒng)組成，適用于加工復(fù)雜零件。這種機床能裝多把刀具，在一次裝夾中完成銑、鏜、鉆、擴、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)和計算機集成制造系統(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，采用手工編程或計算機自動編程方式編制零件的加工程序，將加工零件所需的機床各種動作及全部工藝參數(shù)變成機床數(shù)控裝置所能接受的信息代碼，并把這些信息代碼存儲在信息載體上，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)過一系列處理和運算變成脈沖信號，部分信號送到機床的伺服系統(tǒng)，通過伺服機構(gòu)對其進(jìn)行放大，再經(jīng)過傳動機構(gòu)，驅(qū)動機床有關(guān)部件，使刀具和工件嚴(yán)格執(zhí)行零件程序所規(guī)定的相對運動。部分信號送到可編程序控制器中，用以控制機床的其它輔助動作，如冷卻液的開關(guān)和自動更換刀具等。 加工中心的基本結(jié)構(gòu)由三部分組成:CNC 數(shù)控系統(tǒng)。加工中心一般都采用CNC 數(shù)控系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)的作用是把來自數(shù)控裝置的信號轉(zhuǎn)換為機床移動部件的運動。機械部件。加工中心和一般通用機床相比，其結(jié)構(gòu)簡單，精度高，結(jié)構(gòu)剛性好，可靠性高；顯著區(qū)別是具有對零件進(jìn)行多工序加工的能力。 1.2 自動換刀裝置的組成1.2 自動換刀裝置的組成 在實際生產(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)控機床實現(xiàn)多工序加工時，真正用于切削工件的時間只占整個作業(yè)時間的 30%左右，其余大部分時間都花在安裝、調(diào)整刀具、裝卸、搬運零件和檢查加工精度等輔助工作上。為充分發(fā)揮數(shù)控機床的作用，在機床中配備自動換刀裝置而成為加工中心。 自動換刀裝置5-10 (Automatic Tool Changer，簡稱 ATC)由刀庫、機械手和驅(qū)動裝置等部分組成。刀庫的功能是用于存儲刀具，并把即將要用的刀具準(zhǔn)確地送到換刀位置，供換刀機械手完成新舊刀具的交換。刀庫配置在主軸附近，換刀機構(gòu)在主軸和刀庫之間執(zhí)行換刀動作，完成此功能的機構(gòu)稱為機械手。機械手包括送刀臂、擺刀站和換刀臂等部分。機械手完成刀具裝卸和在主軸頭與刀庫之間的湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文 2傳遞。驅(qū)動裝置是使刀庫和機械手實現(xiàn)其功能的動力裝置，一般由步進(jìn)電機或液壓(或氣液機構(gòu))或凸輪機構(gòu)組成。 自動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、液壓或氣動機構(gòu)來驅(qū)動刀庫和機械手來實現(xiàn)刀具的選擇和交換。早期自動換刀裝置采用轉(zhuǎn)塔式機構(gòu)來實現(xiàn)自動換刀，后來陸續(xù)出現(xiàn)了無換刀機械手式和帶換刀機械手式的自動換刀裝置。 無換刀機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，刀庫留有一個空缺的刀位，換刀時偏心輪帶動刀庫回轉(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，用機床主軸運動去配合刀庫，完成插刀和拔刀動作。這種無機械手式 ATC 換刀時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。該兩種動作不能同時進(jìn)行，換刀時間較長。雖然結(jié)構(gòu)簡單，但機床配置的刀具量較少。 帶換刀機械手式換刀類型比較多，按驅(qū)動裝置的不同可以分凸輪式、液壓式、齒輪式、連桿式以及多種機構(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。 1.2.1 刀庫 刀庫 刀庫是存儲刀具的裝置，刀庫主要有以下幾種形式11,12： a. 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：所有刀具固定在同一轉(zhuǎn)塔上，無換刀臂，儲刀數(shù)量有限，通常為 68把。一般僅用于輕便而簡單的機型。常見于車削中心和鉆削中心。在鉆削中心儲刀位置即主軸，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 湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 b. 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 1.2a1.2c 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)動慣量也相應(yīng)增大，選刀運動時間增長。此刀庫所存貯的刀具數(shù)量一般不多于 32 把。對于刀具呈多環(huán)排列的刀庫，其空間利用率高，但取刀機構(gòu)復(fù)雜，適用于機床空間受限制而刀庫容量大的場合；雙盤式結(jié)構(gòu)是兩個較小容量的刀庫分置于主軸兩側(cè)，布局較緊湊，儲刀數(shù)量也相應(yīng)增大，適用于中小型加工中心。 圖 1.2 盤式刀庫 c.鏈?zhǔn)降稁?鏈環(huán)形式有多種形式，包括單環(huán)鏈和多環(huán)鏈，如圖 1.3a1.33c 所示。 圖 1.3 鏈?zhǔn)降稁?該刀庫所占空間小， 適用于刀具容量較大的場合， 一般用于刀具數(shù)在 30120把的機床。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)動慣量小于盤式刀庫。 d. 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)控車床和鉆床湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文 4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。單個刀庫的儲刀量較小，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，基本上不用于單機加工中心，多用于 FMS 的集中供刀系統(tǒng)。 1.2.2 換刀機械手換刀機械手 換刀機械手是執(zhí)行刀庫和主軸之間換刀動作的裝置，分為以下幾種類型： a. 單臂機械手 該換刀機械手僅有一個手臂?？杉?xì)分為單手式和雙手式兩種： (1) 單手式：一個換刀臂僅有一個抓刀手（圖 1.4a）。 特點：所有動作均由單手完成，執(zhí)行動作多，換刀時間長，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 機械手 (2) 雙手式：一個換刀臂兩端各有一個抓刀手（圖 1.4b） 。 特點：機械手同時抓取主軸和刀庫上的刀具，回轉(zhuǎn) 180 度，同時放回和裝入刀具，換刀時間短，較為常用，多用于刀座與主軸軸線平行的場合。 b. 雙臂機械手 兩個機械手臂，每個手臂端部都有一個抓刀手（圖 1.4c） 。 特點：其抓刀和換刀動作類似于人手動作，除執(zhí)行換刀動作外有些還可以起運輸?shù)毒叩淖饔?。這種機械手換刀時間短，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。 c. 帶送刀臂、擺刀站和換刀臂的機械手 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械手 湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文 5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：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。換刀時間較短，適用于刀庫距離主軸較遠(yuǎn)的場合。 1.2.3 典型換刀機構(gòu)驅(qū)動方式典型換刀機構(gòu)驅(qū)動方式 機械手的驅(qū)動目前主要有液壓(包括氣液)驅(qū)動和機械式凸輪聯(lián)動兩種。 a.液壓式：采用液壓式驅(qū)動的 ATC，插、拔刀動作均由油缸完成。常見的方案是機械手裝在套筒上，活塞桿固定，缸套同套筒一起移動，油缸左右腔進(jìn)油完成換刀動作。機械手的回轉(zhuǎn)既可采用回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動，也可采用直線運動油缸通過齒輪齒條機構(gòu)來驅(qū)動。 圖 1.6 凸輪聯(lián)動式機械手 b.凸輪聯(lián)動式：機械凸輪聯(lián)動驅(qū)動的 ATC，插、拔刀動作通常由凸輪驅(qū)動擺桿來完成?；剞D(zhuǎn)動作常通過弧面分度凸輪或平行分度凸輪帶動滾子盤直接驅(qū)動機械手或再通過一對齒輪驅(qū)動機械手旋轉(zhuǎn)。典型的凸輪換刀裝置如圖 1.6 所示。 從已有統(tǒng)計資料來看，機械式凸輪聯(lián)動換刀比液壓式驅(qū)動換刀快大約 12倍。原因有以下幾個方面： (1) 凸輪聯(lián)動驅(qū)動 ATC 動作可重疊，液壓驅(qū)動一般在前一動作確認(rèn)無誤后，才能進(jìn)行下一個動作。 (2) 前者驅(qū)動的運動規(guī)律可由設(shè)計者選擇，液壓驅(qū)動卻不行。 (3) 在相同沖擊、振動和噪聲指標(biāo)限制條件下，凸輪驅(qū)動比液壓驅(qū)動可獲得更大的換刀速度。另外，液壓驅(qū)動裝置所使用的電磁閥及液壓元件的可靠性也比湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文 6凸輪低得多。但凸輪的缺點是造價高，且長時間使用后會出現(xiàn)磨損，影響換刀動作可靠性。 (4) 由于液壓驅(qū)動的機械手需要采用嚴(yán)格的密封，還需較復(fù)雜的緩沖機構(gòu)，控制機械手動作的電磁閥都有一定的時間常數(shù)，因此換刀速度較慢。凸輪聯(lián)動式單臂雙抓機械手的優(yōu)點是由電機驅(qū)動，不需要復(fù)雜的液壓系統(tǒng)及其密封、緩沖機構(gòu)，沒有漏油現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。 1.3.弧面凸輪式換刀機械手1.3.弧面凸輪式換刀機械手 弧面凸輪式換刀機械手15,16的核心部件為換刀弧面凸輪，它是一種高速、高精度的空間分度機構(gòu)，具有體積小，結(jié)構(gòu)緊湊、剛性好，運動特性良好。這種機構(gòu)可以方便地采用各種豐富靈活的凸輪曲線，能實現(xiàn)各類復(fù)雜的運動控制要求。自弧面凸輪式換刀機械手出現(xiàn)以來，以其換刀速度快，可靠性好，運行平衡等優(yōu)點逐步取代了其它形式的換刀機構(gòu)， 其換刀時間一般可在 2 秒左右， 最快可到 0.5秒。 其主要特點有： 1. 高速。由于嚙合間隙小，因而轉(zhuǎn)動時振動和沖擊小，動態(tài)性能好，轉(zhuǎn)速可達(dá) 1200r/min，遠(yuǎn)超其它凸輪機構(gòu)的轉(zhuǎn)速。 2. 高剛度。結(jié)構(gòu)緊湊，可獲得很高的剛度。 3. 高精度。無須定位裝置，傳動鏈短，傳動精度高。 4. 低噪聲。滾子與凸脊側(cè)面為線接觸，傳動平穩(wěn)，無剛性沖擊。 5. 高效益，長壽，易調(diào)整。滾子與凸輪之間為滾動磨擦傳動，傳動效率高，更換滾子方便。 6. 加工要求高?；∶嫱馆啚榭臻g曲面，形狀復(fù)雜，制造加工困難。 1.4 國內(nèi)外研究動態(tài)1.4 國內(nèi)外研究動態(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，美國麻省理工學(xué)院首先實現(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)控機床的批量制造。 數(shù)控機床是電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、機械技術(shù)的綜合應(yīng)用，是機械加工領(lǐng)域劃時代的重大技術(shù)突破。數(shù)控機床利用編程軟件，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，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。 湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文 71956 年日本富士通研究成功數(shù)控轉(zhuǎn)塔式?jīng)_床3,5。美國 IBM 公司同期也研制成功了“APT”(刀具程序控制裝置)。1958 年美國 K&T 公司研制出帶 ATC(自動刀具交換裝置)的加工中心。同年，美國 UT 公司首次把銑鉆等多種工序集中于一臺數(shù)控銑床中， 通過自動換刀方式實現(xiàn)連續(xù)加工， 成為世界上第一臺加工中心。 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 裝置可實現(xiàn)多種工序加工的機床，步入了機床發(fā)展的黃金時代。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)，自動換刀系統(tǒng)便形成了統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)模式。日本三井哲夫在上世紀(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 年來此類機構(gòu)長盛不衰，已成為 ATC 機構(gòu)的主流。目前發(fā)達(dá)國家數(shù)控加工中心的自動換刀機械手主要采用弧面凸輪式換刀機械手。 國際機床制造個業(yè)十分重視刀庫及 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)有限公司、 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、日本SODIC 公司、日本 FANUC 公司等13。 近 30 年來，臺灣機床行業(yè)迅速崛起，特別是機床功能部件的開發(fā)得到高度重視。以德士、譚子、首輪、吉埔等公司為核心骨干，臺灣已成為刀庫和凸輪式 ATC的專業(yè)化生產(chǎn)基地，不僅滿足了臺灣機床行業(yè)自身的需求，而且走向了歐美市場，近年來大舉進(jìn)入中國大陸市場，而且占有較大的市場份額。 隨著世界制造中心向中國的轉(zhuǎn)移，國內(nèi)機床行業(yè)正蓬勃發(fā)展，機床制造水平逐步提高，數(shù)控機床已成為機床生產(chǎn)廠家的主流產(chǎn)品，近年來每年舉辦的數(shù)控機床展覽會充分展示我國數(shù)控裝備制造成果。同時，對加工中心功能部件的研究也引起了部分科研機構(gòu)和機床生產(chǎn)廠的高度重視，目前，國內(nèi)致力于自動換刀機械手研制的單位有：北京機床研究所、大連組合機床研究所、北京發(fā)那科機電有限公司（由北京機床研究所與日本 FANUC 公司于 1992 年共同組建的合資公司）、北京第一機床廠、齊齊哈爾二機床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司、寧夏小巨人機床有限公司（寧夏共享集團(tuán)與日本山崎馬扎克公司合資）、株洲金航凸輪精機有限公司等。但國產(chǎn)換刀機械手相比國外產(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)控機床所配備的自動換刀機械手主要依賴進(jìn)口，進(jìn)口地相對集中在臺灣17。 與國外成熟的技術(shù)相比，我國在自動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)良運動曲線選擇、機構(gòu)運行可靠性、換刀復(fù)合凸輪的設(shè)計，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自動換刀裝置的研制合作。2008 年 1 月，呼和浩特眾環(huán)（集團(tuán)）有限公司與清華大學(xué)就“數(shù)控機床功能部件關(guān)鍵技術(shù)研究”項目正式簽署了 “數(shù)控?fù)Q刀機構(gòu)空間凸輪設(shè)計制造湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文 8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，解決自動換刀裝置在國產(chǎn)化過程中的關(guān)鍵技術(shù)難題。 1.5 課題研究意義1.5 課題研究意義 隨著我國機械制造行業(yè)的發(fā)展，以加工中心為代表的高檔數(shù)控機床的市場需求量與日俱增。為促進(jìn)國產(chǎn)高檔數(shù)控機床有發(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)控機床與基礎(chǔ)制造裝備重大專項 ，其中將“大型刀庫及自動換刀裝置 ”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)控機床中的關(guān)鍵部件自動換刀裝置的國產(chǎn)化問題已得到國家的高度重視。因此，開展自動換刀裝置的研究，有利于促進(jìn)國產(chǎn)數(shù)控機床的發(fā)展，帶動機床產(chǎn)業(yè)鏈的延伸，振興民族工業(yè)。 1.6 主要研究內(nèi)容和章節(jié)安排1.6 主要研究內(nèi)容和章節(jié)安排 為實現(xiàn)高檔數(shù)控機床功能部件的國產(chǎn)化，本文主要研究弧面凸輪式換刀機械手的設(shè)計與制造問題，包括運動循環(huán)過程設(shè)計、運動曲線選擇、機構(gòu)運行可靠性分析、弧面凸輪的設(shè)計、加工及機床加工仿真等。 各章節(jié)安排如下： (1) 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。 (2) 第二章進(jìn)行工作循環(huán)圖的設(shè)計，在分析各類運動曲線特點的基礎(chǔ)上，應(yīng)用 Matlab 軟件進(jìn)行了分析和優(yōu)化，找出從動件運動規(guī)律優(yōu)化曲線。 (3) 第三章應(yīng)用三維設(shè)計軟件 UG 建立了主要部件的零件模型和裝配模型，采用滾子軸心線轉(zhuǎn)角的造型方法，建立了理想的凸輪模型，同時得到可用于數(shù)控加工的輔助刀軌文件。 (4)第四章概述弧面凸輪的加工方法，并做出了最優(yōu)選擇，完成加工工藝及機床選型，并完成了 UG/GRIP 程序與人工混合編程。 (5) 第五章編寫了加工刀軌文件，并建立虛擬機床，利用仿真技術(shù)對加工過程進(jìn)行模擬驗證。同時，對刀軌進(jìn)行后處理工作，完成了自動編程。 湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文 912453 第二章 機械手運動設(shè)計及優(yōu)化 第二章 機械手運動設(shè)計及優(yōu)化 弧面凸輪式機械手可以在所設(shè)定的周期內(nèi)，自動實現(xiàn)動作協(xié)調(diào)，并完成規(guī)定的動作循環(huán)。運動循環(huán)的設(shè)計是否合理，直接影響到機械的動作的協(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構(gòu)，振動、噪聲、沖擊和磨損對工作性能的影響是十分嚴(yán)重的。在選擇從動件運動規(guī)律時，主要應(yīng)考慮使其具有較良好的動力學(xué)特性，保證其加速度等性能指標(biāo)不太大而且不突變。因此從動件規(guī)律的優(yōu)化選擇是影響機械手性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。 2.1 換刀機械手運動循環(huán)設(shè)計2.1 換刀機械手運動循環(huán)設(shè)計 2.1.1 運動循環(huán)圖運動循環(huán)圖 機械循環(huán)圖是表示各執(zhí)行機構(gòu)在自動機械工作循環(huán)內(nèi)有相互關(guān)系的示意圖，是將機器各執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)，按同一時間(或轉(zhuǎn)角)比例尺繪出的，并且以某一主要執(zhí)行機構(gòu)的工作起點為基準(zhǔn)，來表示各執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)相對于該主要執(zhí)行機構(gòu)運動的先后次序，以達(dá)到相互協(xié)調(diào)的目的，也稱為工作循環(huán)圖14,17。加工中心換刀機械手，在執(zhí)行換刀動作的過程中，為保證各動作的協(xié)調(diào)，需要使用運動循環(huán)圖。 2.1.2 換刀機械手的運動循環(huán)換刀機械手的運動循環(huán) 如圖 2.1 所示，換刀機械手進(jìn)行一次換刀循環(huán)的最基本動作有： (1) 抓刀：機械手手臂旋轉(zhuǎn)一個角度，同時抓住主軸上和刀庫中的刀具。 (2) 拔刀：主軸松開，機械手同時將主軸和刀庫中的刀具拔出。 (3) 換刀：機械手手臂向前旋轉(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。 (4) 插刀：同時將刀具插入主軸和刀庫，然后主軸夾緊刀具。 (5) 復(fù)位：機械手手臂反向旋轉(zhuǎn)和動作（1）中相同的角度，機械手回到原始位置，一個換刀周期完成。 湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文 10由以上換刀過程可知：換刀過程主要由兩個換刀運動來實現(xiàn)： 1）旋轉(zhuǎn)分度運動，實現(xiàn)換刀過程中機械手的抓刀、轉(zhuǎn)位 180 和返回安全位置等動作。 2）換刀裝置的直線平移運動，實現(xiàn)機械手在換刀過程中的拔刀、插刀動作。 其中換刀裝置的旋轉(zhuǎn)分度運動由弧面凸輪分度機構(gòu)來實現(xiàn)。換刀過程中弧面凸輪作等速旋轉(zhuǎn)運動，帶動輸出軸按給定的運動規(guī)律進(jìn)行定位旋轉(zhuǎn)；換刀裝置的直線平移運動由平面溝槽凸輪擺動機構(gòu)來實現(xiàn)。平面溝槽凸輪作等速旋轉(zhuǎn)，帶動搖臂機構(gòu)在一定角度范圍內(nèi)擺動，搖臂再帶動輸出軸作上下運動。設(shè)計中，弧面凸輪分度機構(gòu)與平面凸輪擺動機構(gòu)固連組合在一起，由同一個電動機驅(qū)動。通過凸輪運動曲線的設(shè)計，使機械手在一個換刀運作循環(huán)內(nèi)（一周旋轉(zhuǎn)）連續(xù)完成抓刀、撥刀、180 度換刀、插刀、回零動作，實現(xiàn)了機械手聯(lián)動換刀。 2.1.3 換刀機械手運動循環(huán)的設(shè)計換刀機械手運動循環(huán)的設(shè)計 換刀機械手運動循環(huán)18的設(shè)計如圖 2.2 所示。圖中描述了 ATC 凸輪聯(lián)動換刀動作關(guān)系的曲線。凸輪從零位開始旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到1 時，機械手開始抓刀。旋轉(zhuǎn)到2 時，機械手手臂旋轉(zhuǎn)1 角，完成抓刀動作。凸輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)到3 時，ATC開始拔刀。 到5 時， 拔刀動作完成。 從4 開始到7， ATC 手臂從1 旋轉(zhuǎn)到3，完成 180換刀。從6 到8，ATC 完成插刀動作。從9 到10，ATC 手臂從3 反轉(zhuǎn)到2，完成回零動作，換刀結(jié)束。各轉(zhuǎn)角大小關(guān)系的確定，如圖 2.2 所示。各輸出機械手角度和輸出凸輪角度如下： 12456789310123湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文 1117.5= 257.5= 382.5= 4117.5= 5135= 6210= 7242.5= 8262.5= 9302.5= 10352.5= 165= 2180= 3240= 115h = （1）凸輪的初始回轉(zhuǎn)角1的確定：當(dāng)換刀機械手位于零位時，凸輪的定位角53=。根據(jù)驅(qū)動電機的制動角度來定，一般取=10-30 度，1=0.5，上述設(shè)計中取值為1=7.5 度。 （2）凸輪的拔、插刀轉(zhuǎn)角53和86一般取 4060 之間，上述設(shè)計中取52.5。 （3）間歇角1，2的確定：132=，298=，當(dāng)凸輪在1及2角度之間旋轉(zhuǎn)時，機械手不動作，主軸和刀套在凸輪從1轉(zhuǎn)到2之間完成松刀的動作，在9轉(zhuǎn)到8之間完成刀具的鎖緊動作。一般的1，2的取值相同，在040 度之間，也可以根據(jù)機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)計中取值為1=25 度，2=40 度。 （4）重合角1，2的確定：在機械手工作過程中，升降凸輪和轉(zhuǎn)位凸輪的運動順序是升降凸輪完成插或拔刀動作后，轉(zhuǎn)位凸輪才開始旋轉(zhuǎn)，這樣的工作循環(huán)中，兩凸輪機械的動作不會發(fā)生干涉。但在實際的工作中，完全可以在升降凸輪沒完全完成動作時，轉(zhuǎn)位凸輪就開始旋轉(zhuǎn)。這樣，兩個凸輪的動作就有一部分是同時進(jìn)行的，就產(chǎn)生了一定的運動重疊。根據(jù)科研經(jīng)驗和凸輪機構(gòu)的工作的實際情況，一般在升降凸輪達(dá)到總高度 80%時，轉(zhuǎn)位凸輪就可以旋轉(zhuǎn)，而不會影響到其它的機構(gòu)。比如當(dāng)采用修正正弦運動規(guī)律時，無因次量時間 T=0.7 時，S=0.82，所以一般設(shè)定，當(dāng)升降凸輪運動到總長時間75%時，轉(zhuǎn)位凸輪就可以旋轉(zhuǎn)了。154=，276=，上述設(shè)計中取值為1=17.5 度，2=32.5 度。 （5）從動件的抓刀轉(zhuǎn)角1，換刀轉(zhuǎn)角2，回位轉(zhuǎn)角180?一般根據(jù)具體的空間湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文 12結(jié)構(gòu)來定：一般設(shè)1=3=32，取值60度到90度之間，本文中取值65度，2取值180度。 2.2 從動件運動規(guī)律的設(shè)計2.2 從動件運動規(guī)律的設(shè)計 2.2.1 弧面凸輪機構(gòu)運動規(guī)律特點弧面凸輪機構(gòu)運動規(guī)律特點 弧面凸輪機構(gòu)的運動規(guī)律是指分度轉(zhuǎn)盤的輸出運動規(guī)律，其規(guī)律與特性直接影響凸輪機構(gòu)運動的精確度、沖擊和振動的大小。用于換刀機械手的弧面分度凸輪機構(gòu)的常用運動規(guī)律與一般凸輪機構(gòu)相比有幾個特點： （1）弧面分度凸輪機構(gòu)的運動規(guī)律只有工作行程（升程）而無回程，即總是升-停型運動曲線。升程為機構(gòu)中從動轉(zhuǎn)盤的分度階段，停程為從動轉(zhuǎn)盤的停歇階段。 （2）弧面分度凸輪機構(gòu)一般是在中、高速情況下運動的，所以在選擇運動規(guī)律時應(yīng)著重考慮其具有良好的動力學(xué)特性，加速度A和躍度J的最值要小。 （3）弧面分度凸輪機構(gòu)還要有較高的位置精度要求，為減少動載扭曲，平均加速度A的值要較小，在定位位置附近J值要小而變化平緩。 2.2.2 運動參數(shù)的無因次化運動參數(shù)的無因次化 正確選取從動件運動規(guī)律是凸輪設(shè)計的重要內(nèi)容。研究弧面分度凸輪機構(gòu)的運動時，總是以主動凸輪的轉(zhuǎn)角 為自變量，一般凸輪的角速度為常數(shù)。而從動轉(zhuǎn)盤的運動曲線卻不盡相同17,19,20,。為研究方便，可將從動轉(zhuǎn)盤的進(jìn)行歸一化處理：即將各運動量（時間、位移、速度、加速度等）都轉(zhuǎn)化成只表示相對比例關(guān)系的無因次量15,21,22（T，S，A，J） 。主要有以下項目： 時間T ： hhtTt= 位移S： sSh= 速度V： /hdSvVdTh t= 湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文 13加速度A： 222/hd SaAd Th t= 躍度J： 333/hd SaJd Th t= 式中: t為從動件轉(zhuǎn)動時間。 ht 為升程段或回程段的總時間。 h 為與ht 相對應(yīng)的位移。 2.2.3 弧面凸輪機構(gòu)基本的運動規(guī)律弧面凸輪機構(gòu)基本的運動規(guī)律 凸輪機構(gòu)從動件常用的運動規(guī)律15,23一般是由幾種基本運動曲線（如擺線曲線、簡諧曲線和多項式曲線等）組合或變形而來的。這些運動曲線各有優(yōu)缺點，下面是幾種常用運動規(guī)律表達(dá)式及其特點： 1、簡諧運動規(guī)律 簡諧運動規(guī)律的加速度按余弦規(guī)律變化，又稱余弦運動規(guī)律，位移按簡諧運動規(guī)律變化，其位移、速度、加速度、躍度表達(dá)式為： 2、擺線運動規(guī)律 擺線運動規(guī)律的加速度按正弦規(guī)律變化，又稱正弦運動規(guī)律，位移按擺線運動規(guī)律變化，其位移、速度、加速度、躍度表達(dá)式為： 231(1 cos)2sin2cos2sin2STVTATJT= 湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文 14 21sin221 cos22 sin24cos2STTVTATJT= = 3、等加速運動規(guī)律 等加速運動規(guī)律是指加速與減速段具有相同的加速度值的運動規(guī)律，在所有的運動規(guī)律中具有最小的最大加速度。 244STVTA= （加速段） 2241444STTVTA= += += （減速段） 4、梯形加速運動規(guī)律 梯形加速運動規(guī)律是指速度和加速度及躍度隨時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。 此外，還有如圓弧運動規(guī)律，橢圓運動規(guī)律等各種特性的運動規(guī)律，這里不作詳細(xì)列舉。 2.2.4 運動規(guī)律的特性值運動規(guī)律的特性值 為定量表示運動曲線的性能，引入下列各特性值： 最大速度V ， 最大加速度 A ， 最大動載轉(zhuǎn)矩特性值A(chǔ)V，4 最大躍度 J 這些特性值從不同角度反映凸輪機構(gòu)的工作性能。凸輪機構(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， 宜選用V 值較小的運動規(guī)律。V與機構(gòu)的動量有關(guān)，動量大的機構(gòu)在突然停止時會產(chǎn)生很大的沖擊力。因此對于承受重載、質(zhì)量大的分度轉(zhuǎn)盤，應(yīng)采用V 較小的運動曲線。A與機構(gòu)的慣性力有關(guān)，A越大，則機構(gòu)的慣性力越大，慣性力是中、高速機構(gòu)所受的主要作用力，湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文 15并且與凸輪轉(zhuǎn)速的平方成一定比例，故高速運行時應(yīng)選用A 較小的運動規(guī)律。J 是一種衡量振動的指標(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，因此也是選擇運動曲線時的一個重要參數(shù)。在高速機構(gòu)中，要求高階導(dǎo)數(shù)值連續(xù)，而且絕對值盡量要小，以便減少振動，提高工作機構(gòu)的運動精度。不同的運動規(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，對機構(gòu)的運行結(jié)果產(chǎn)生重要的影響。常見運動規(guī)律特征值如下： 1、 正弦運動規(guī)律 maxmaxmax26.2839.48VAJ= 2、 余弦運動規(guī)律 maxmaxmax1.974.93VAJ= 3、 等速運動規(guī)律 maxmaxmax240VAJ= 2.2.5 通用簡諧運動運動規(guī)律的構(gòu)建通用簡諧運動運動規(guī)律的構(gòu)建 前述各種基本運動規(guī)律雖然都有各自的優(yōu)點，但同時也存在各自的不足，甚至有的還存在嚴(yán)重的缺點?？梢愿鶕?jù)具體的設(shè)計要求，將上述基本曲線經(jīng)過組合與修正，從而得到運動特性值優(yōu)良的系列曲線。目前工程上應(yīng)用很廣的中速機構(gòu)的運動規(guī)律，是把簡諧運動與梯形運動規(guī)律15,16,20組合起來，形成一類運動特性優(yōu)良的運動規(guī)律。這種通用的簡諧運動運動規(guī)律由七段簡諧和梯形規(guī)律運動特性的曲線組成。它兼有梯形運動規(guī)律最大加速度A小和簡諧曲線在兩端運動規(guī)律連續(xù)的優(yōu)點。其加速度曲線如下圖所示： 湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文 1611111221233234424554256626776sin(0)2()cos()20()sin()2()cos()2TATTTATTTTTATTTTTATTTTTATTTTTATTTTTATTTTT=iiii 圖 2.3 七段式簡諧曲線 由文獻(xiàn)15可得，上述通用簡諧運動運動規(guī)律的各加速度運動函數(shù)表達(dá)式如下所示： （2-1） 上式中A1為組合曲線加速度正最大值，A2為負(fù)最大加速度的絕對值，T0=0，T7=1，T1到T6將曲線分成七段，各段的不同取值對組合曲線的特性產(chǎn)生重大的影響。對公式（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。對躍度，加速度和速度分析是尋求優(yōu)良運動曲線的基礎(chǔ)。 利用三角函數(shù)關(guān)系可以進(jìn)一步簡化公式，令 湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文 171()/(1)4iiiPTTFi=+ （2-2） 12()/iiiFTT= （2-3） i =1,2,3,4,5,6,7 則公式（2-1）可以簡化為 11111213233425452562767sin(0)()sin()0()sin()()sin()APTTATTTAPTTTATTTAPTTTATTTAPTTT= （2-4） 對公式（3-4）微分,可得到躍度的表達(dá)式: 111133255277cos0cos0cos0cosAPFAPFJAPFAPF= (2-5) 對公式（2-4）積分兩次，可分別得到速度和位移的表達(dá)式: 111112233342555262777coscoscoscosAFPCATCA FPCVCA FPCATCA FPC+=+ (2-6) 湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文 182111112122233333442255552266227777sin/2sinsin/2sinAFPCTBATC TBA FPC TBSCBA FPC TBATC TBA FPC TB+=+ (2-7) 利用 T0=0時，V=0 S=0時，V=0 T7=1時，S=1 以及T1-T6處S與V的連續(xù)條件，從公式（2-5） （2-6）中可解出C，B ，A1，A2共計16個未知條件。 11221 1131 224133525462557266CF ACATCCATCCAFCCA FCCATCCATC= +=+=+= +=+= + (2-8) 12221111121223132223243343543542262655565227276667601()()21()()2()()1()()21()()2BBA FTT CCBBA FTT CCBBT CCBBT CCBBA FTT CCBBA FTT CCB= +=+=+=+=+= + (2-9) 122232113321211123222765565654() /2(1)()(1)()() /2()(1)(1)FTTFFTTTTFAFFFM FTTFTTTFT+=+(2-10) 公式（2-10）中123567()/()MFFFFFF=+ 21AMA= (2-11) 湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文 192.3 從動件運動規(guī)律的優(yōu)化2.3 從動件運動規(guī)律的優(yōu)化 通過上節(jié)對七段通用簡諧運動運動規(guī)律的構(gòu)建，可從中發(fā)現(xiàn)，此類型從動件的規(guī)律的變化完全由時間值T1、T2、T3、T4、T5，T6的值來決定。這些時間值的變化，不但決定了從動件運動規(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。 2.3.1 時間取值對運動規(guī)律的影響時間取值對運動規(guī)律的影響 在自動機械凸輪機構(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mV ,mA小的特點，又克服了其兩端加速度不連續(xù)的缺點。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mV小的基礎(chǔ)上，又克服了原兩端加速度V不連續(xù)的缺點。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，其實都可歸屬于七段通用簡諧運動規(guī)律。時間組合對曲線性質(zhì)變化的影響，如下表2.1所示。 七段通用簡諧運動運動T值組合表 T 曲線名稱 T0 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 等加速 0 0 0.5 0.5 0.5 0.5 1 1 余弦 0 0 0 0.5 0.5 1 1 1 擺線 0 025 02505 05 075075 1 修正等速 0 1/16 1/16 1/4 3/4 15/16 15/16 1 修正正弦 0 1/8 1/8 1/2 1/2 7/8 7/8 1 修正梯形 0 1/8 3/8 1/2 1/2 5/8 7/8 1 非對稱擺線 0 0.2 0.2 0.4 0.4 0.7 0.7 1 梯形擺線 0 1/8 3/8 1/2 1/2 5/8 5/8 1 單停留修正梯形 0 1/8 3/8 1/2 1/2 5/8 1 1 表 2.1 湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文 20 3011234561201TmmmVAdTVJAJTTTTTTT=ii2.3.2 優(yōu)化的目標(biāo)優(yōu)化的目標(biāo) 換刀機械手的運動要求快速、平穩(wěn)，對振動和精度也有要求。因此，運動曲線優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)常取對mA求極小值，并對mV，mJ加以約束，而且在運動曲線尾段要求J值要較小，以減少振動。其優(yōu)化目標(biāo)如下： 目標(biāo)：minA(T) 其中,設(shè)計變量T=T1，T2，T3，T4，T5，T6 約束條件為 （2-12） 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)，能夠同時達(dá)到各參數(shù)最優(yōu)化并求解是困難的。為了比較全面地把握各個方面的情況，下面將對各種時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動曲線。 2.3.3 MATLAB 簡介及編程簡介及編程 Matlab6.524軟件前身是由美國MathWorks公司于1982年推出的一套高性能的數(shù)值計算和可視化軟件。它集數(shù)值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，其強大的擴展功能為各個領(lǐng)域的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。Matlab工具箱中主要包括信號處理(signal processing)， 控制系統(tǒng)(control system)， 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(neural network)，圖像處理(image processing),，魯棒控制(robust control)，非線形系統(tǒng)控制(nonlinear system control design)，系統(tǒng)辨識(system identification),小波(wavelet)等工具箱。這些工具箱給各個領(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” ，各個層次的研究人員可直觀方便的進(jìn)行分析、計算及設(shè)計工作，可以大大地節(jié)省軟件開發(fā)時間。 針對廣泛且蓬勃發(fā)展的圖像處理而開發(fā)的Matlab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、圖像壓縮、圖像分析、圖像分割及識別等大量基本命令和函數(shù)。本文基于Matlab在圖像處理上的強大功能，充分利用Matlab數(shù)學(xué)計算的能力，并在對有關(guān)資料的整理收集下，對簡諧組合式運動曲線進(jìn)行分析和比較，從而選擇出較理想的運動曲線。下面所示為部分程序： 湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文 21 syms x y x0 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 r1 r2 ymax ymin ; syms a a1 a2 m ; t0=0; t1=input(please input t1:) t2=input(please input t2:) t3=input(please input t3:) t4=input(please input t4:) t5=input(please input t5:) t6=input(please input t6:) t7=1; f1=2*(t1-t0)/pi; f2=2*(t2-t1)/pi; f3=2*(t3-t2)/pi; f4=2*(t4-t3)/pi; f5=2*(t5-t4)/pi; f6=2*(t6-t5)/pi; f7=2*(t7-t6)/pi; m=(f1+t2+f3-t1)/(f5+t6+f7-t5); r1=f7-f72+0.5*t62+f52-0.5*t52+f5*t4; r2=f32-0.5*t22-f12+0.5*t12-f3*t3; a=r2-m*r1; %a1=1/a; %a2=m*a1; a1=5.308; a2=5.31; x=linspace(0,1,1000); y=; for x0=x if x0=t1 y=y,a1/f1*cos(x0*pi/(t1*2); elseif x0=t2 y=y,0; elseif x0=t3 y=y,-a1/f3*sin(x0-t2)*pi/(t3-t2)*2); 湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文 22 elseif x0=t4 y=y,0; elseif x0=t5 y=y,-a2/f5*cos(x0-t4)*pi/(t5-t4)*2); elseif x0=t6 2.3.4 簡諧曲線的簡諧曲線的 A，J 圖及優(yōu)化選擇圖及優(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： 各時間值為：T1=1/8，T1=1/8，T3=1/2，T4=1/2，T5=7/8，T6=7/8如圖2.4可得a1=a2=5.528,躍度最大為69.47。 圖 2.4 2、 修正等速曲線： 各時間值為：T1=1/16，T1=1/16，T3=1/4，T4=3/4，T5=15/16，T6=15/16如圖2.5可得a1=a2=8.013,躍度最大為201.38。 湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文 23圖 2.5 3、 修正梯形曲線： 各時間值為：T1=1/8，T1=3/8，T3=1/2，T4=1/2，T5=5/8，T6=7/8，如圖2.6可得a1=a2=4.888,躍度最大為J=61.43。 圖 2.6 以上幾種修正曲線為凸輪設(shè)計中常用，比較而言，修正梯形曲線A和J的峰值較小，相對來說適合作為弧面凸輪的設(shè)計曲線。 4、 優(yōu)化曲線選擇 為了得到更加理想的運動曲線，在查找已有資料的基礎(chǔ)上，對各種組合進(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。 此運動曲線為非對稱加速曲線，其各時間值為：T1=0.129，T2=0.279，T3=0.369，T4=0.6296，T5=0.8203，T6=0.9683，如下圖2.7可得a1=5.31,躍度最湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文 24大為J=65,但其結(jié)束段J值較小，大約41左右，對于有多段停留段的弧面凸輪換刀機械手，此運動曲線更有利于提高停留精度和減少振動。而且其a1和J的最大值同修正曲線相比，也比較理想。 圖 2.7 湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文 25第三章 機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計及建模 第三章 機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計及建模 3.1 換刀機械手結(jié)構(gòu)3.1 換刀機械手結(jié)構(gòu) 綜合考慮各種換刀方式的優(yōu)缺點，本文在換刀機械手驅(qū)動方式上選用弧面凸輪聯(lián)動結(jié)構(gòu)，主要由兩個聯(lián)動凸輪(弧面凸輪和平面凸輪)來完成所有換刀動作的控制。其中弧面凸輪帶動機械臂按要求的運動規(guī)律和運動轉(zhuǎn)角作旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)機械臂抓刀、轉(zhuǎn)位和復(fù)位等動作；平面凸輪通過搖桿機構(gòu)帶動機械臂按要求的行程作上下直線運動，實現(xiàn)拔刀和插刀動作。 機械臂采用單臂雙手式，換刀臂兩端各有一個抓刀手，換刀時換刀臂在弧面凸輪聯(lián)動結(jié)構(gòu)的控制下同時抓取主軸和刀庫上的刀具，同時放回和裝入刀具，換刀時間短。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。 3.2 弧面凸輪的設(shè)計3.2 弧面凸輪的設(shè)計 在換刀機械手中，弧面凸輪是其關(guān)鍵零件，直接影響到機械手在換刀過程中動作的平穩(wěn)性、定位精度和換刀速度等，因此弧面凸輪的設(shè)計是換刀機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計中的核心技術(shù)。 弧面凸輪機構(gòu)與平面凸輪機械相比，它具有體積小、機構(gòu)剛度大、傳動效率高等優(yōu)點，多用于高速、高精度場合。但弧面凸輪的輪廓面為復(fù)雜的空間不可展面，設(shè)計計算繁雜，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)對弧面凸輪廓面進(jìn)行求解，以得到凸輪廓面的精確計算。 3.2.1 弧面凸輪求解坐標(biāo)系建立弧面凸輪求解坐標(biāo)系建立 弧面凸輪機構(gòu)的基本組成是由凸輪槽夾持滾子，滾子支撐在轉(zhuǎn)盤（從動件）上?；∶嫱馆啠ㄖ鲃蛹┳鞯人俎D(zhuǎn)動，通過滾子驅(qū)動轉(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，兩回轉(zhuǎn)定軸交錯90度。運動分析圖 3.1 22湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文 26模型如圖3-1如示，弧面凸輪的等速回轉(zhuǎn)使從動滾子盤按要求運動規(guī)律轉(zhuǎn)動。 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構(gòu)上建立四組直角坐標(biāo)系，如圖示。包括： （1） 與機架相連的定坐標(biāo)系o-xyz。 （2） 從動件坐標(biāo)系o1-x1y1z1。 （3） 滾子坐標(biāo)系 o1-x1y1z1 （4）凸輪坐標(biāo)系o2-x2y2z2 3.2.2 弧面凸輪廓面方程弧面凸輪廓面方程 由空間嚙合原理，運用空間回轉(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。 3-1 3-2 1和2式組成了曲面方程。其中：Xc,Yc,Zc 為曲面上某點的坐標(biāo)。Xf,Yf,Zf為從動 件 參 數(shù) 方 程 。lf為 從 動 件 到 中 心 距 離 ，c為 主 動 件 和 從 動 件 中 心 距 。 1，2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，f為滾子圓周參數(shù)并可由