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[摘 要]弧面凸轮是空间凸轮机构的一种特殊结构形式，其凸轮曲面是通过与其啮合传动的分度盘上柱面滚子，按照给定的运动规律互相包络而形成的空间不可展曲面。本文立足于弧面分度凸轮机械手设计与仿真的分析实际，分析当前存在的弧面分度凸轮机械手设计与仿真的分析问题，并提出针对性的策略，以期为我国弧面分度凸轮机械手设计与仿真的分析提供支持和借鉴。
[关键词]弧面分度凸轮机构；逆向设计；运动仿真
中图分类号：TP241 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）06-0156-02
前言：弧面分度凸轮机械手是一种基于弧面凸轮机械结构的间歇进行分度的装置。能够按照生产工艺的要求进行自动的进行传送，装卸，升降，提取，装配，焊接，钻孔，堆垛，检测等任务。尤其是在高温高压粉尘噪音及带有高辐射的环境中使用更佳。其主要特点是结构紧凑，工作效率高，寿命长，精度高，适用于汽车制造，包装，电子，医药等行业，使用前景极佳。
1.弧面凸轮机械手的设计原理及方法
1.1 弧面凸轮机械手的运动形式
根据适用场所的不同，弧面凸轮机械手的运动方式也不同，一般情况下，弧面凸轮机械手要搬运物品，要求手臂要能够进行提升和转动的运动，所以弧面凸轮机械手的运动由这两者复合形成，主要有从动件来实现。所有的运动类型都是由围绕着固定轴的转动和轴向垂直的方向运动复合而成的，在现实的工作生活中还要求弧面凸轮机械手能够实现手臂的伸长与缩短[1]。
1.2 弧面凸轮机械手的结构
在初步设计结构类型的过程中，主要要考虑以下情况：
（1）能否完美的满足原有既定的工作模式，如工作效率，运动形式等问题。当弧面凸轮机械手围绕现代整体设计结构进行旋转运动，系统运动结构将实现整体运动旋转结构的运动结构逐步优化，并建立起机械运动结构，不同的机械加工运作模式，实现现代加工技术逐步实现综合技术的工作模式的工作循环，为了保障弧面凸轮机械手的运作效率，应当从保障弧面凸轮机械手的运动灵活性增强，机械运作的整体的结构可以控制在合理有用功大于无用功的均衡分配上，多元化的弧面凸轮机械手的机械运动效率推进现代机械运转的效率，保障机械运作的整体机械加工运作速率。
（2）能否对工作条件有完美的满足，如工作环境，工作内容，制度以及可靠性等。为了对弧面凸轮机械手的工作条件进行初步判定，操作者可以实施弧面凸轮机械手的工作环境初步检验，例如：机械加工技术环境，必须实现加工机械技术的外部环境满足机械加工旋转运行的需求，保障输入轴和连杆设计符合弧面凸轮机械手的运动需求；从弧面凸轮机械手的加工内容来看，弧面凸轮机械手的零件加工一般都具有精密性特征，我们在进行零件加工的过程中，保障加工弧度与弧面凸轮机械手之间达到尺寸合理，零件加工结构上突出其存在的最佳加工状态，为现代零件加工提供了更加完善的加工设计需求。
（3）结构方面的要求，其中包括结构的复杂性，紧凑性，为了完成某些任务零件的拆卸是否方便等。弧面凸轮机械手的工作设计是由围绕着固定轴的转动和轴向垂直的方向运动复合而成的，弧面凸轮机械手在实际机械加工中的的应用，其工作效率不仅与弧面凸轮机械手的旋转速率具有一定的关系，同时弧面凸轮机械手的做功速率还要求弧面凸轮机械手能够实现手臂的伸长与缩短，弧面凸轮机械手的做功手臂的长短，实质上也受到杠杆原理的影响。当手臂加长，则弧面凸轮机械手的运行的旋转速率加大，但整体速率性的运行过程和运行时间延长，弧面凸轮机械手进行机械加工的速率就会大大增加，新型运动结构所做功的多少则会受到影响，不同的机械运作结构带来的机械加工速率则会随着杠杆原理设计进行。弧面凸轮机械手零件加工的速率性发生做功要求的变化。
（4）维护方面，是否便于维护，发生故障的几率为多少等。从弧面凸轮机械手的日常维护角度进行分析，弧面凸轮机械手的运作主要是机械输入轴和机械连杆做重复运动，我们进行日常中，要及时对弧面凸轮机械手的连接杆与输入轴的连接处进行润滑，这样可以减少弧面凸轮机械手运作时机械输入轴与连杆之间的摩擦力，保障机械运作的速率，同时做好弧面凸轮机械手的检验，也可以保障机械零件加工的运行效率，及时对磨损严重的零件进行维护和更换（图1）。
（5）经济方面，能否保证经济消耗最小化，造成的生产效率最大化，使其最大限度的为使用者带来效益。为了进一步增加发挥弧面凸轮机械手在现代机械加工生产中的作用。我们应当在弧面凸轮机械手的应用技术上进一步开发，提升弧面凸轮机械手的零件加工效率，提升零件加工的资源应用率，从而实现现代机械零件加工可以发挥工作效率，促进现代机械加工的经济利益，满足机械零件的市场需求。
2.主要零件及附件的设计
2.1 连杆的设计
下面以其中一个杆为例介绍其设计，可对右图来进行参考。水平凸轮的正常转动从而带动与其相接触的滚子，而滚子和從动盘连同连杆之间有着相对的位置关系，其关系为：滾子通过摆动使连杆也相对摆动，依靠连杆的末端所连接的滚子以推动滑块从而实现在输出轴上的水平运动。连杆主要受的力是弯矩，故将XOZ截面设计为图2左边的形式。因为这样的设计可以承受较大的弯矩力。连接靠大端的所铣平面上的四个Φ7.2的孔用M6螺钉加以固定在从动盘上。而小端中有Φ24的孔，这是为了提高精确度，延长使用的寿命，从而便于更换在孔中设计有轴套[2]。
2.2 滚子的设计
在弧面凸轮机械手的设计中对滚子要求也较高，要求滚子不光要有较为准确的定位，并且还要求摩擦小、转动灵活、便于润滑等特点。在这里自然想到了用滚动轴承，却又发现单个定做成本一定过高，并且不能保证其精度。通过查阅大量的资料之后发现，举例说明：上海某轴承厂所制造的一种专用轴承与此相似。只需要对此稍作改动，就可完全满足本设计的需要。详细可见右图所示。这个滚子在滚子的外圈采用滚轮的形式，用栓轴代替了内圈，这两点使设计合理，结构紧凑[3]。 2.3 输入轴的设计
这个弧面凸轮机构通过与减速机相互连接的电动机传动进行传动运动。在轴径两端为Φ40，这里为了简化结构所以在轴承处轴承亦采用Φ40，在考虑到轴上有一定的轴向载荷的情况下，可采用的圆锥滚子轴承为GB/T297-199430208型。为了安装方便选择采用面对面的安装。同时为了使凸轮能合理的完全靠在轴的轴肩处，所以在轴肩处设计了合理的砂轮越程槽，这里的尺寸为2×1.5。在轴上要安装的零件有水平凸轮、提升凸轮以及联轴器，所以轴上设置了键槽，这里均采用GB/T1096-1979的普通平键，由于b×h=12×8所以三个长度分别为80、63、50mm。在轴上的两个凸轮可通过螺母进行固定。这里的轴用45钢进行加工，在调质处理后的硬度應为HRC45～48。从动轴所具有的结构比较简单，详细可见图3[4]。
3.摆动期运动规律的选用
3.1 弧面凸轮机械手的运动特点
为保证弧面凸轮机械手的准确性，能够可靠地进行抓取提升和平移等工件。弧面凸轮机械手应具有以下运动的特性：
（1）精度高：要拥有更好的准确性和进行工作时的效率，就要求弧面凸轮机械手必须拥有极高的精准度，以便完成更多的具有一定难度的工作，适应多种工作环境以及工作状态。例如：弧面凸轮机械手进行机械加工中，实施机械加工零件的关键性抓取，并使零件处于平铺状态，零件加工设计的各个部分与零件加工各个部分之间形成了良好的零件平面吻合，从而保障机械零件加工的运动平面处于同一水平状态，实现现代零件加工技术逐精确性、稳定性加工。
（2）运动的平稳性：在进行很多高精度工作的时候都要求弧面凸轮机械手具有稳定的运动，以免出现对要求的精准度高的工作造成破坏以及对生产造成不必要的损失。尽量不引起由于惯性造成的位移。
3.2 常用的运动规律
凸轮机构的运动规律目前为止已多大三十余种，足够多种不同场合的生产需要。例如如等速度曲線，简谐曲线等运动曲线。但是在进行生产的过程中出现较高要求的情况下，就必须考虑其所具有的较高的运动学的特性，从而对其运动中的特性进行合理的改造，改善凸轮的特性常用方法之一是采用高次多项式将数条基本曲线一一连接起来。
（1）修正等速运动规律是由对等速度的曲线修正而得到的，也就是在等速曲线的两端各自加一段经过组合而成的简谐曲线作为过渡曲线，从而保留了等速曲线的部分优点，同时克服了这两端运动曲线不连续的缺点。此方式大多用于所需要速度很小或必须进行等速运动的那部分的凸轮的从动件进行的运动规律，此方法多用于需要低速重载的场合，而并不适合中速和高速。
（2）修正梯形运动规律是通过对于修正等加速度曲线的进一步修正而得。是能够针对等加速度运动规律和加速度曲线在作用力的两端和中间不连续而且是存在有跃度趋向无限大这种缺点，在相应的不连续部分分别加入了一段简单的简歇曲线对其进行过度。从而使加速度和存在的跃度曲线相互连续起来，从而克服了不连续造成的缺点。这个方法可以用于中速轻载甚至中载的场合。
（3）修正正弦运动规律是相对余弦曲线的结果。就是指在余弦曲线的两个端点各自加上一段经由正弦曲线作为过渡而形成的的曲线，从而保留了速度较小的优点，同时又克服了在两端加速度方面不连续的这种缺点。相比较前两种运动规律来说，修正正弦运动曲线的突出优点是速度较小，综合来讲性能很好，通用性更强。通畅用于中速情况，尤其是在负载尚不明确的情况时，这种曲线最为保险。
结论
在进行弧面凸轮机械手的研究过程中，要勇于创新保证其能够更好地被投入生产使用中，为社会的发展更好的贡献出力量。
参考文献
[1] 张文光.弧面分度凸轮机械手设计与仿真分析研究[D].集美大学，2014.
[2] 侯喜林.弧面分度凸轮机构参数优化设计和仿真[D].兰州理工大学，2012.
[3] 唐晓鹏.弧面分度凸轮机构啮合特性分析与仿真[D].西安理工大学，2010.
[4] 胡新蕾.基于UG的弧面分度凸轮机构的参数化设计及仿真分析[D].青岛大学，2009.
[关键词]弧面分度凸轮机构；逆向设计；运动仿真
中图分类号：TP241 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）06-0156-02
前言：弧面分度凸轮机械手是一种基于弧面凸轮机械结构的间歇进行分度的装置。能够按照生产工艺的要求进行自动的进行传送，装卸，升降，提取，装配，焊接，钻孔，堆垛，检测等任务。尤其是在高温高压粉尘噪音及带有高辐射的环境中使用更佳。其主要特点是结构紧凑，工作效率高，寿命长，精度高，适用于汽车制造，包装，电子，医药等行业，使用前景极佳。
1.弧面凸轮机械手的设计原理及方法
1.1 弧面凸轮机械手的运动形式
根据适用场所的不同，弧面凸轮机械手的运动方式也不同，一般情况下，弧面凸轮机械手要搬运物品，要求手臂要能够进行提升和转动的运动，所以弧面凸轮机械手的运动由这两者复合形成，主要有从动件来实现。所有的运动类型都是由围绕着固定轴的转动和轴向垂直的方向运动复合而成的，在现实的工作生活中还要求弧面凸轮机械手能够实现手臂的伸长与缩短[1]。
1.2 弧面凸轮机械手的结构
在初步设计结构类型的过程中，主要要考虑以下情况：
（1）能否完美的满足原有既定的工作模式，如工作效率，运动形式等问题。当弧面凸轮机械手围绕现代整体设计结构进行旋转运动，系统运动结构将实现整体运动旋转结构的运动结构逐步优化，并建立起机械运动结构，不同的机械加工运作模式，实现现代加工技术逐步实现综合技术的工作模式的工作循环，为了保障弧面凸轮机械手的运作效率，应当从保障弧面凸轮机械手的运动灵活性增强，机械运作的整体的结构可以控制在合理有用功大于无用功的均衡分配上，多元化的弧面凸轮机械手的机械运动效率推进现代机械运转的效率，保障机械运作的整体机械加工运作速率。
（2）能否对工作条件有完美的满足，如工作环境，工作内容，制度以及可靠性等。为了对弧面凸轮机械手的工作条件进行初步判定，操作者可以实施弧面凸轮机械手的工作环境初步检验，例如：机械加工技术环境，必须实现加工机械技术的外部环境满足机械加工旋转运行的需求，保障输入轴和连杆设计符合弧面凸轮机械手的运动需求；从弧面凸轮机械手的加工内容来看，弧面凸轮机械手的零件加工一般都具有精密性特征，我们在进行零件加工的过程中，保障加工弧度与弧面凸轮机械手之间达到尺寸合理，零件加工结构上突出其存在的最佳加工状态，为现代零件加工提供了更加完善的加工设计需求。
（3）结构方面的要求，其中包括结构的复杂性，紧凑性，为了完成某些任务零件的拆卸是否方便等。弧面凸轮机械手的工作设计是由围绕着固定轴的转动和轴向垂直的方向运动复合而成的，弧面凸轮机械手在实际机械加工中的的应用，其工作效率不仅与弧面凸轮机械手的旋转速率具有一定的关系，同时弧面凸轮机械手的做功速率还要求弧面凸轮机械手能够实现手臂的伸长与缩短，弧面凸轮机械手的做功手臂的长短，实质上也受到杠杆原理的影响。当手臂加长，则弧面凸轮机械手的运行的旋转速率加大，但整体速率性的运行过程和运行时间延长，弧面凸轮机械手进行机械加工的速率就会大大增加，新型运动结构所做功的多少则会受到影响，不同的机械运作结构带来的机械加工速率则会随着杠杆原理设计进行。弧面凸轮机械手零件加工的速率性发生做功要求的变化。
（4）维护方面，是否便于维护，发生故障的几率为多少等。从弧面凸轮机械手的日常维护角度进行分析，弧面凸轮机械手的运作主要是机械输入轴和机械连杆做重复运动，我们进行日常中，要及时对弧面凸轮机械手的连接杆与输入轴的连接处进行润滑，这样可以减少弧面凸轮机械手运作时机械输入轴与连杆之间的摩擦力，保障机械运作的速率，同时做好弧面凸轮机械手的检验，也可以保障机械零件加工的运行效率，及时对磨损严重的零件进行维护和更换（图1）。
（5）经济方面，能否保证经济消耗最小化，造成的生产效率最大化，使其最大限度的为使用者带来效益。为了进一步增加发挥弧面凸轮机械手在现代机械加工生产中的作用。我们应当在弧面凸轮机械手的应用技术上进一步开发，提升弧面凸轮机械手的零件加工效率，提升零件加工的资源应用率，从而实现现代机械零件加工可以发挥工作效率，促进现代机械加工的经济利益，满足机械零件的市场需求。
2.主要零件及附件的设计
2.1 连杆的设计
下面以其中一个杆为例介绍其设计，可对右图来进行参考。水平凸轮的正常转动从而带动与其相接触的滚子，而滚子和從动盘连同连杆之间有着相对的位置关系，其关系为：滾子通过摆动使连杆也相对摆动，依靠连杆的末端所连接的滚子以推动滑块从而实现在输出轴上的水平运动。连杆主要受的力是弯矩，故将XOZ截面设计为图2左边的形式。因为这样的设计可以承受较大的弯矩力。连接靠大端的所铣平面上的四个Φ7.2的孔用M6螺钉加以固定在从动盘上。而小端中有Φ24的孔，这是为了提高精确度，延长使用的寿命，从而便于更换在孔中设计有轴套[2]。
2.2 滚子的设计
在弧面凸轮机械手的设计中对滚子要求也较高，要求滚子不光要有较为准确的定位，并且还要求摩擦小、转动灵活、便于润滑等特点。在这里自然想到了用滚动轴承，却又发现单个定做成本一定过高，并且不能保证其精度。通过查阅大量的资料之后发现，举例说明：上海某轴承厂所制造的一种专用轴承与此相似。只需要对此稍作改动，就可完全满足本设计的需要。详细可见右图所示。这个滚子在滚子的外圈采用滚轮的形式，用栓轴代替了内圈，这两点使设计合理，结构紧凑[3]。 2.3 输入轴的设计
这个弧面凸轮机构通过与减速机相互连接的电动机传动进行传动运动。在轴径两端为Φ40，这里为了简化结构所以在轴承处轴承亦采用Φ40，在考虑到轴上有一定的轴向载荷的情况下，可采用的圆锥滚子轴承为GB/T297-199430208型。为了安装方便选择采用面对面的安装。同时为了使凸轮能合理的完全靠在轴的轴肩处，所以在轴肩处设计了合理的砂轮越程槽，这里的尺寸为2×1.5。在轴上要安装的零件有水平凸轮、提升凸轮以及联轴器，所以轴上设置了键槽，这里均采用GB/T1096-1979的普通平键，由于b×h=12×8所以三个长度分别为80、63、50mm。在轴上的两个凸轮可通过螺母进行固定。这里的轴用45钢进行加工，在调质处理后的硬度應为HRC45～48。从动轴所具有的结构比较简单，详细可见图3[4]。
3.摆动期运动规律的选用
3.1 弧面凸轮机械手的运动特点
为保证弧面凸轮机械手的准确性，能够可靠地进行抓取提升和平移等工件。弧面凸轮机械手应具有以下运动的特性：
（1）精度高：要拥有更好的准确性和进行工作时的效率，就要求弧面凸轮机械手必须拥有极高的精准度，以便完成更多的具有一定难度的工作，适应多种工作环境以及工作状态。例如：弧面凸轮机械手进行机械加工中，实施机械加工零件的关键性抓取，并使零件处于平铺状态，零件加工设计的各个部分与零件加工各个部分之间形成了良好的零件平面吻合，从而保障机械零件加工的运动平面处于同一水平状态，实现现代零件加工技术逐精确性、稳定性加工。
（2）运动的平稳性：在进行很多高精度工作的时候都要求弧面凸轮机械手具有稳定的运动，以免出现对要求的精准度高的工作造成破坏以及对生产造成不必要的损失。尽量不引起由于惯性造成的位移。
3.2 常用的运动规律
凸轮机构的运动规律目前为止已多大三十余种，足够多种不同场合的生产需要。例如如等速度曲線，简谐曲线等运动曲线。但是在进行生产的过程中出现较高要求的情况下，就必须考虑其所具有的较高的运动学的特性，从而对其运动中的特性进行合理的改造，改善凸轮的特性常用方法之一是采用高次多项式将数条基本曲线一一连接起来。
（1）修正等速运动规律是由对等速度的曲线修正而得到的，也就是在等速曲线的两端各自加一段经过组合而成的简谐曲线作为过渡曲线，从而保留了等速曲线的部分优点，同时克服了这两端运动曲线不连续的缺点。此方式大多用于所需要速度很小或必须进行等速运动的那部分的凸轮的从动件进行的运动规律，此方法多用于需要低速重载的场合，而并不适合中速和高速。
（2）修正梯形运动规律是通过对于修正等加速度曲线的进一步修正而得。是能够针对等加速度运动规律和加速度曲线在作用力的两端和中间不连续而且是存在有跃度趋向无限大这种缺点，在相应的不连续部分分别加入了一段简单的简歇曲线对其进行过度。从而使加速度和存在的跃度曲线相互连续起来，从而克服了不连续造成的缺点。这个方法可以用于中速轻载甚至中载的场合。
（3）修正正弦运动规律是相对余弦曲线的结果。就是指在余弦曲线的两个端点各自加上一段经由正弦曲线作为过渡而形成的的曲线，从而保留了速度较小的优点，同时又克服了在两端加速度方面不连续的这种缺点。相比较前两种运动规律来说，修正正弦运动曲线的突出优点是速度较小，综合来讲性能很好，通用性更强。通畅用于中速情况，尤其是在负载尚不明确的情况时，这种曲线最为保险。
结论
在进行弧面凸轮机械手的研究过程中，要勇于创新保证其能够更好地被投入生产使用中，为社会的发展更好的贡献出力量。
参考文献
[1] 张文光.弧面分度凸轮机械手设计与仿真分析研究[D].集美大学，2014.
[2] 侯喜林.弧面分度凸轮机构参数优化设计和仿真[D].兰州理工大学，2012.
[3] 唐晓鹏.弧面分度凸轮机构啮合特性分析与仿真[D].西安理工大学，2010.
[4] 胡新蕾.基于UG的弧面分度凸轮机构的参数化设计及仿真分析[D].青岛大学，2009.