1、凸轮式自动换刀装置的刚柔耦合动力学研究1一直以来，加工制造水平一直受到装备制造业的基础数控机床的影响，高档数控机床所掌握的装备制造业核心技术，直接体现了一个国家的工业发展水平与综合国力。自动换刀装置作为高速加工中心的核心部件之一，其主要功能在于可以使加工过程中的非切削时间缩短，并且可以避免对于工件的多次装夹从而减少误差，从而使得生产效率提高、生产成本减少，进而可以将数控机床乃至整个生产线的生产速度加快，运动可靠，。由于机械手的运动可以通过从动件的运动规律来精确控制，并且在拥有优良的动力学性能的同时体积还很小的优势，凸轮式自动换刀逐渐成为主流。目前，国内主要机床制造厂商和其他研究单位主要是通过消
2、化吸收国外技术的方法开发自动换刀机械手，并没有从设计理论和制造技术方面形成系统的研究，因此，所开发的产品与国外的产品相比较而言换刀速度更慢，换刀精度更低，冲击振动更大，噪声更明显，在工作稳定性及换刀可靠性方面都与国外有较大差距。由于这些差距的存在，在大部分国产高档数控机床中采用的还是从外国进口的自动换刀装置。因此，对自动换刀装置展开相应的研究，有利于提高国产数控机床质量及加工性能，促进延伸机床产业链，带动民族工业的振兴。本文在前人的基础上对双弧面凸轮自动换刀装置进行结构设计、三维建模、加工研究、刚柔耦合动力学仿真分析。1.1 国内外相关研究动态1.2.1 自动换刀装置发展与研究现状目前，德国、
3、日本、韩国、奥地利、生产的 HCH 加工中心是如今已知的切削对切削换刀速度最快的加工中心。德国 CHIRON 公司生产的 FZ08S 和 FZ08W 加工中心采取机械手换刀的方式， ，切削对切削换刀时间仅为 1.5 秒。德国 Burkardt 和 Weber GmbH 公司生产的 STAMA MC2014、MC325、MC325-TW 加工中心，采用的是一种转塔刀库，其切削对切削换刀时间为 2 秒。从上世纪 80 年代起，北京机床研究所、大连组合机床研究所、沈阳机床、大连机床、济南第一机床厂、青海机床厂等先后开始研究与开发自己的自动换刀装置。目前，中国正在逐步成为全球的制造业中心，这就要求我国
4、必须将企业的自动化生产程度提高，在生产线上普及精密制造装备，这样才能稳步快速的推进我国的加工制造业前进的步伐。机械手由于具有制造成本低，生产产品效率高等优点，被广泛用于各种现代化加工机床中。时至今日，我国生产自动换刀机械手的技术水平仍然不高，所以为了加工质量及可靠性，许多国产机床所采用的自动换刀机械手仍旧依靠进口，其中大部分来自台湾地区。近几十年来，台湾的机床行业以非常高的速度发展，将很大的精力投入到了机床功能部件方面的研发中去。即使从全球的角度了来看，在台湾已然形成了凸轮式自动换刀凸轮式自动换刀装置的刚柔耦合动力学研究2装置及其刀库的规模化专业规范化生产，而且在中国大陆也相当大的比例的市场份
5、额，同时，在欧美市场也具有一定的竞争力。1.2.2 系统多体动力学分析与仿真机械系统通常是指由若干个物体为了达到某些特定的动作通过运动副连接所组成的系统，一般会有一个或多个外部的力或力矩对系统内部的物体产生作用，如施加驱动或者约束。复杂机械系统通常都具有涉及多个学科门类、包含数量众多的机械零件、零件的结构形状复杂多变以及所涉及的该系统复杂多样的功能原理等特点。机械系统动力学则主要分析研究的是机械系统的位移、速度、加速度与其所受的力或者力矩之间的变化关系,将多刚体系统或多柔体系统通过一定的约束相连接从而构成复杂的机械系统，并对其进行多维度、随时间变化并且高度非线性的复杂动力学求解，从而达到可以较
6、为准确地预测在某些特定的外载荷激励作用下系统中被研究对象的动态响应的目的。由于可以完成高精度的建模，在复杂机械产品系统的设计中，多体动力学仿真已经被大范围使用，在实际应用中，多体动力学仿真可以完成模拟系统的工作过程、对机构进行运动的干涉分析和装配的干涉分析、预测机构性能等工作。牛顿-欧拉方法中的分离体法是先根据牛顿第三定律将机构中所有构件所承受的力或力矩确定下来，然后再根据需要对方程进行求解即可。与牛顿-欧拉方法不同，拉格朗日方法描述系统构成是通过广义坐标来实现的，通过构件拉格朗日函数来构件系统的运动方程。1.2.3 数字化样机技术简介传统的产品开发过程其实就是一个循环往复的过程，在这个循环往
7、复的过程中不仅将大量的时间和金钱投入进去，而且还很难提高产品质量，如图 1-1 a）所示。数字化样机技术（Digital Prototype Technology）是一项将物理样机在计算机环境中模拟出来的技术，该技术在一个清晰直观的计算机环境中通过 等技术手段将产品/资料集成到一起，进而可以完成产品的设计、仿真及分析研究。现如今，结合实际的工作状况，在计算机技术的帮助下可以对机器的真实运动情况进行模拟，进而可以设计零件的结构，将系统暴露的缺陷加以改进，最终做出符合设计要求的物理样机，以这种产品开发与实验检测并行的设计方式，可以尽可能的减少实验装置和物理样机的制造环节中所产生的损失，最大限度的将
8、设计效率及整机质量提高，其开发过程如图 1-1 b）所示。凸轮式自动换刀装置的刚柔耦合动力学研究3概念设计 详细设计制造物理样机试制物理样机产品定型生产发现问题 ， 修改设计 ，并重新制造样机 a）传统产品开发流程概念设计 详细设计测试数字化样机产品定型生产b）数字化样机开发流程图 1-1 流程对比Fig. 1-1 The traditional product development process contrast with digital prototype美国的 Robert R.Ryan 博士对数字化样机技术进行了总结定义，数字化样机技术是应用于基于仿真设计过程的，面向于系统设计的技
9、术。对于像是系统的运动、振动、冲击等各零部件的形态性能和系统的装配性能更为看重。功能化数字化样机的解决方案全面体现了三维模型在虚拟环境下准确测试产品的性能。数字化工厂的仿真解决方案是仿真产品生产的制造过程和装配过程，进而提前发现并解决在产品生产制造和装配的过程中有可能会遇到的问题。美国航空宇航局（NASA）在虚拟环境下，模拟火星探测器“探路号”在实际环境中可能遇到的问题，最终完成了火星登陆计划。美国福特公司基于数字化样机技术完成了新车型的设计，大幅降低了设计周期和研发成本 33。如今，数字化样机技术在我国工业领域开始得到传播和应用，专业研究机构和高等院校对数字化样机技术开展了较多的研究。雷静桃
10、建立了四足步行机的数字化样机，通过分析动力学模型，验证了四足步行机的合理性，对下一步物理样机的试制具有指导意义 34。陈继芳基于 ADAMS 建立了某液压支撑平台数字化样机，通过分析计算，得到系统动态响应参数，为液压支撑平台系统的试制提供了理论依据 35。马大勇研究弧面凸轮机构设计中现实存在的难题，指出该机构在设计和研究中所遇到的相关问题可以通过借助数字化样机技术的方法来解决 36。1.2 课题的主要研究内容本文以自动换刀装置中的双弧面凸轮自动换刀机构为对象，对其进行了包括自动换刀机构原理及结构的设计并进行三维建模、弧面凸轮非等价加工方法及误差分析、创建与实际相符合的自动换刀机构的多自由度刚柔
11、耦合动力学模型以及利用 ADAMS 等软件建立刚柔耦合动力学虚拟样机并完成行仿真分析等研究。（1）利用双弧面凸轮自动换刀装置多体动力学仿真研究旧、和对装置进行协同虚凸轮式自动换刀装置的刚柔耦合动力学研究4拟样机的建模、装配、有限元分析、系统多刚体以及柔性多体动力学仿真。（2）对双弧面凸轮自动换刀装置和传统的凸轮式自动换刀装置的结构特点进行了比较分析,分析其工作原理,匹配运动循环图并优化了各类凸轮机构运动规律。（3）基于柔性动力学理论和接触力学方法,建立弧面分度凸轮机构啮合传动动力学模型。为虚拟样机动态分析提供理论依据。（4）仿真分析研究复杂弧面分度凸轮机构的传动特性,模拟了复杂弧面分度凸轮传动
12、的柔性变形和接触冲击等特性。凸轮式自动换刀装置的刚柔耦合动力学研究51 自动换刀装置的设计及弧面凸轮的建模凸轮机构的结构样式简单振动产生的冲击小；具有可靠性高，寿命长等特点 1。液压式自动换刀装置与凸轮式自动换刀装置相比，换刀时间更长。凸轮式自动换刀装置的换刀时间可缩减到 2 秒以内，而且其动作亦可重叠有没有中间环节的控制，因而凸轮式自动换刀装置被更多企业所采用。本章介绍了课题的选题背景及来源,调研了国内外自动换刀装置的发展及其研究现状,重点介绍了凸轮式自动换刀装置,并给出了采用多体动力学与机械系统联合仿真的方法,最后提出本文的主要研究内容。2.1 凸轮机构的运动规律在设计凸轮机构的过程中，不
13、能简单的将凸轮曲线理解为凸轮的轮廓曲线，凸轮曲线是从动件的运动规律曲线，除了凸轮轮廓的形状由凸轮曲线决定之外，机构的运动特性也受凸轮曲线的影响。2.1.1 运动规律的无量纲化在凸轮机构的设计中，需要根据凸轮在现实中的工作情况对运动参数进行设计。将凸轮运动规律标准化、统一化，可以更加简便地研究凸轮机构从动部件运动规律的共同特性，因此需要将涉及到的各个运动参数：位移 s、速度 v、加速度 a、时间 t、跃度 j和跳度 q 等进行同一的无量纲化处理，得到相应的无量纲量：无量纲位移 S、无量纲速度 V、无量纲加速度 A、无量纲时间 T、无量纲跃度 J 和无量纲跳度 Q，其具体定义如下：（2-1）qht
14、dTSJQjAahtdSVvtThsStT432凸轮式自动换刀装置的刚柔耦合动力学研究6式中：t有量纲时间变量；th从动件升程或回城所消耗的时间；s有量纲位移函数；h对应 th 相应的位移量。2.1.2 凸轮常用运动规律凸轮机构的运动学和动力学的探究一般都与凸轮的运动规律有着紧密的关系，在设计过程中应根据实际情况况进行选用。在凸轮机构的使用过程中，由于基本运动规律存在缺陷，为了使机构具有更好的运动学特性，人们将基本运动规律进行改正，得到三种简谐梯形组合的运动规律 3。三种运动规律如图 2-1 所示：（a）修正等速（b）修正梯形（c）修正正弦图 2-1 简谐梯形组合运动规律曲线Fig. 2-1
15、Harmonic trapezoidal combined curve三种简谐梯形的运动规律都是对基本的运动规律进行改正而得到的，如表 2-4 所示：表 2-4 三种常用运动规律Table 2-4 Three common motion laws原有运动规律 修正方法 优点 应用场合修正等速运动规律 等速运动规律将简谐曲线分别加在等速曲线的两端作为过渡曲线V 连续Vm 较小低速场合等速场合修正梯形运动规律 梯形动规律选取简谐曲线分别加在等加速度曲线的两端和中间作为过渡曲线a 连续Am 较小中速轻载场合修正正弦运动规律 余弦曲线选取一段正弦曲线分别加在余弦曲线的两端Vm、Q m 值小综合性较好通
16、用性最强高速中载场合凸轮式自动换刀装置的刚柔耦合动力学研究72.1.3 弧面凸轮机构的类型及特点弧面凸轮机构是实现空间垂直交错轴之间的间歇运动的机构，弧面凸轮的基体为弧形回转体，在基体上生成凸脊式轮廓，从动盘上装有沿圆周分布均匀的滚子，当凸轮连续转动时，凸轮上的轮廓曲面驱动从动盘进行间歇运动和定位，从而使得从弧面凸轮输入的连续旋转运动转化为从动盘输出的间歇旋转运动。由凸轮截面的形状来区分，将弧面凸轮分为凸脊型和沟槽型两种，根据其旋向可以分为左旋型和右旋型，其中左旋用L 表示，右旋用 R 表示。（a）凸脊型（b）沟槽型图 2-2 两种类型的弧面凸轮机构Fig. 2-2 Two types of
17、globoid cam mechanisms图 2-2（ a）为凸脊型，从动盘上相邻的两个滚子将凸脊跨夹住，通过凸脊来实现对从动盘位置的控制；图 2-2（b）为沟槽型，从动盘的滚子镶嵌于沟槽中，通过沟槽来实现从动盘的定位。在凸轮的分度段，凸轮轮廓驱动从动盘滚子，使从动盘实现分度旋转；在凸轮的停歇段，从动盘上相邻的滚子夹在凸脊的两侧不动，使从动盘保持静止不转动。弧面凸轮机构定位准确，滚子与凸轮间的间隙可以通过调整凸轮与从动盘的中心距来消除，还能够补偿磨损。凸脊型弧面凸轮机构在高速轻载的场合更适合使用，当用于低速重载的场合时，在分度期会产生较大的横越冲击，引起机构的碰撞和冲击的产生 37；沟槽型弧
18、面凸轮机构在中低速重载场合更适合使用，在低速时工作性能表现优良，在高速时分度的动态性能变差。2.1.4 弧面凸轮轮廓方程关于弧面凸轮廓面理论的研究文献众多，在此不进行重复的推导，直接给出基于空间包络曲面共轭原理的凸轮廓面方程 38-40。为了表明弧面凸轮机构的轮廓曲面与从动盘滚子柱面之间的几何关系，需根据凸轮与从动盘建立对应的空间坐标系，如图 2-4 所示：其中，定坐标系 S0（ O0X0Y0X0） ，凸轮式自动换刀装置的刚柔耦合动力学研究8Z0 轴垂直于纸面向外；辅助计算定坐标系 ，Y 0 垂直于纸面向里；与凸)(00ZXOS轮相连坐标系为 S1（ O1X1Y1X1） ， Z1 垂直于纸面向
19、外；与从动盘相连坐标系为S2（ O2X2Y2Z2） 。 图 2-4 弧面凸轮机构坐标系示意图Fig. 2-4 Schematic diagram of cam coordinate system 六角轴从动盘上滚子圆柱工作面方程为：（2-27） sin,co22zyrx式中：滚子高；r滚子圆柱形工作面参数角；滚子半径；滚子圆柱形工作面在坐标系 S2 下坐标。2,yzx，凸轮与滚子的共轭接触方程的表达式：（2-28）12costanrp式中：滚子的位置角，即 与 间夹角；2x0o凸轮的旋向，当凸轮为左旋时 ，右旋时 ；p 1p1p凸轮式自动换刀装置的刚柔耦合动力学研究9凸轮与从动盘角速度的比值。
20、12/凸轮理论廓面方程：（2-29）cosinsincoin221 2ypxzzpy式中：凸轮工作轮廓面在动坐标系中 S1（ O1X1Y1X1） 的坐标；1,y凸轮转角。凸轮的运动规律确定之后，可以根据凸轮转角 得到从动盘相对应的角位移 以及i凸轮和从动盘的角速比 ，相应滚子的位置角 可以通过下式计算求得：）（ 21/（2-30）ip0， （2-31 ）fiSfi式中：从动盘分度期转位角；f无因次位移；取绝对值；i滚子起始位置角。02.2 自动换刀装置的工作原理及整机设计市场上自动换刀装置有多种结构模式，虽然其换刀程序、选刀方法、刀库构成、机械手形式、驱动方式等各有不同，但是其核心部件的工作原
21、理是没有差别的。2.2.1 自动换刀装置的组成自动换刀装置通常由三个部分组成：刀库、机械手和驱动装置。刀库的功能是存储不同工序加工时所需要的多把不同的刀具，并且配合数控系统的调配，把下一步工序所需要的刀具快速精准地送到指定换刀位置，以便机械手完成前后两个工序所需刀具的互换动作。机械手的主要功能就是联合刀库将前后两个工序所用到刀具进行位置的互换。驱动装置一般由动力系统和传动系统组成，配合刀库并控制机械手完成其预定动作，主要由气液组合机构或凸轮传动机构组成。2.2.2 换刀机构的工作过程凸轮式自动换刀装置的换刀动作主要由换刀机构驱动完成。换刀动作由两个运动共同合成，即机械手刀臂的回转运动和沿直线的
22、上下往复运动。（1）刀臂的回转运动，回转运动的主要主要动作是机械手先旋转一定角度 抓刀，然后旋转 180实现转位，最后反向旋转一定角度 复位。回转运动通常是靠回转弧面凸轮式自动换刀装置的刚柔耦合动力学研究10凸轮机构的运动来实现驱动，回转弧面凸轮连续匀速旋转，通过弧面凸轮上的曲面轮廓来驱动从动盘从而带动机械手，实现所需的回转运动。（2）刀臂的沿直线的上下往复运动，该运动的主要机械手的拔刀动作和插刀动作组成。直线往复运动可由摆动弧面凸轮机构来实现驱动，摆动弧面凸轮做连续匀速旋转运动，控制拨叉在一定角度范围内往复摆动，通过套环与拨叉的接触，将拨叉的摆动运动转换为输出轴的直线运动，从而带动机械手刀臂
23、进行沿直线的上下往复运动。两个弧面凸轮安装在同一输入轴上，由一个电机驱动，通过对两个凸轮动作的综合考量并进行配对设计，使换刀机械手在同一个换刀过程中先后完成 7 个连续换刀动作（抓刀、松刀、拔刀、换刀、插刀、夹紧、复位） ，以下是具体换刀过程，如图 4-2 所示：图 4-2 换刀过程示意图Fig. 4-2 Schematic diagram of tool change process1.抓刀 2.松刀 3.拔刀 4.换刀 5.插刀 6.夹紧 7.复位运动循环图的设计运动循环图是用来描述同一台机器中各不同的执行机构在一个工作循环内互相协调配合的示意图，它将各机构的循环运动按相同时间依据比例尺绘
24、出，并且设定某个主要构件的起始位置作为起点，并以此来确定其他各个执行机构相对于该主要执行构件运动的先后顺序，以达到工作时互相没有干涉，并尽量极高工作效率的目的。自动换刀装置的换刀动作是由机械手手臂的回转运动和直线往复运动合成的，因此在设计执行机构之前需要进行运动循环图的设计，来协调在换刀动作的执行过程中各构件的运动轨迹。本次所设计的装置为双弧面凸轮结构，将实现回转动作的多头弧面凸轮命名为回转凸轮式自动换刀装置的刚柔耦合动力学研究11弧面凸轮，将实现机械手沿直线往复运动的弧面凸轮命名为摆动弧面凸轮。以回转弧面凸轮的分度起点作为特征位置，设计出双凸轮配合结构的运动循环图。常用的运动循环图有三种，即
25、直线式、圆周式和直角坐标式。本文采用直角坐标式，它可以清楚明确地看出各执行构件运动的前后顺序。回转弧面凸轮的运动循环图由三个分度期和四个停歇期组成，摆动弧面凸轮的运动循环图由一个升程，一个回程，三个停歇期组成，如图4-6 所示，其中 x 轴代表凸轮转角， y 轴代表与之相配合的从动盘转角（或从动件位移） 。图 4-6 换刀机构工作循环图Fig. 4-6 The movement cycle of tool change mechanism运动循环图的设计过程：（1）确定回转弧面凸轮初使转角 1：弧面凸轮与从动盘会出现一定的啮合间隙从而造成传动误差，因此在机构运行初始段和终止段加入一小段静止期，
26、可以在一定程度上减小传动误差的影响。 ， 为凸轮定位角。 一般根据电机制动角度确定。5.01一般 ，本文中取 ，则 。305.71（2）确定回转弧面凸轮抓刀、复位转角：抓刀转角与复位转角应相等，可取 12-。5-910（3）定义摆动弧面凸轮拔刀和插刀所需的转角：在完成抓刀、插刀动作之前，需预留一段角度，让刀臂有完成松刀与夹紧两个动作的时间。拔刀转角 与插刀转角35-凸轮式自动换刀装置的刚柔耦合动力学研究12通常为 。本文所取拔刀、插刀角度都为 。68-705 65（4）确定摆动弧面凸轮松刀与夹刀转角：当弧面凸轮在 以及 之间转动时，23-89-机械手刀臂静止。这时主要由机床主轴完成刀具的松刀与
27、夹紧。通常这两个角度取值相同。本文所取值分别为 ，因此可确定摆动弧面凸轮的前后两个停歇期所需的转角为1。5.72（5）定义重合角 ：机械手在换刀时，为了提高换刀速度，可以在手臂的直线运21，动完成 80%时，即通过弧面凸轮控制机械手进行旋转，这样就会使两个运动产生部分重叠，减少换刀所需时间。重合角 ，重合角 ，可取451-672-。021，（6）从动盘的抓刀转角 ，换刀转角 ，复位转角 的确定：抓刀转角 一般在1231之间，复位转角应保证手臂回到初始位置，即 。换刀转角通常取 ，90 1- 80因此确定 。 60-86321 ，根据以上确定的凸轮旋转角度，自动换刀装置在一个工作循环中换刀过程如
28、下：弧面凸轮旋转 ，机械手开始抓刀；弧面凸轮从 旋转到 时，手臂旋转 抓取刀具；5.7 5.7. 65弧面凸轮从 旋转到 时，机械手松刀；弧面凸轮从 旋转到 时，刀臂5.7 572.137作直线运动同时拔出主轴上及刀库中的刀具；弧面凸轮从 旋转到 时，刀臂.142旋转 进行换刀；弧面凸轮从 旋转到 时，刀臂作直线运动分别将刀具插180.2.28入到主轴上和刀库中；弧面凸轮从 旋转到 时，主轴和刀库夹紧刀具；弧面730凸轮从 旋转到 ，刀臂反向旋转 复位，返回初始位置；弧面凸轮继续旋5.325.365转 ，完成一整个换刀周期。.72.2.3 双弧面凸轮自动换刀机械手装置的设计自动换刀机械手装置的
29、换刀动作主要由机械手刀臂的回转运动和直线往复运动共同组成。可以完成回转运动的机构有槽轮机构、不完全齿轮机构、棘轮机构及凸轮机构，其中凸轮机构适用于高速运动，其特点是定位精度准确，平稳性能高，振动冲击小。刀臂的直线往复运动是从动力源的旋转运动经由摆动机构的控制转化而来，常见的摆动机构有凸轮机构、连杆机构、油缸摆动机构等。手臂的回转运动需完成逆时针旋转 角度、逆时针转 、反向旋转 角度前后三个不同动作，动作复杂且动作幅度大，而弧面凸180轮机构分度准确，承载能力大，有较好的运动学特性，高速运动时转动平稳，因此机械手刀臂沿直线的上下往复运动可通过弧面凸轮机构来实现。本文的自动换刀装置采用双弧面凸轮机
30、构，该方案由一个回转弧面凸轮和一个摆动弧面凸轮机构共同构成，其中回转弧面凸轮控制刀臂的旋转换刀运动，摆动弧面凸轮驱动拨叉摆动，从而控制刀臂沿直线的上下往复运动，如图 4-5 所示。凸轮式自动换刀装置的刚柔耦合动力学研究13图 4-5 换刀机构方案三Fig. 4-5 Design plan c of tool change mechanism本次以换刀速度 2 秒来设计自动换刀装置，采用台湾德士产品型号 A402DEX01 的ATC 装置的主要参数，如表 4-3 所示：表 4-3 ATC 装置主要参数Table 4- 3 The main parameters of ATC序号 名称 数值1 换
31、刀时间 2s2 承载能力 8kg/side3 驱动马力 3/4HP(0.55kw)4 弧面凸轮与从动盘中心距 120mm5 水平行程 110mm在本文中对涉及到的滚子的要求较高，不仅要求有准确的定位，而且要求摩擦小、转动灵活、便于润滑。这时首选就是滚动轴承，但是由于单个定做成本过高，而且精度也不一定能保证。通过查阅大量的资料发现，上海永久轴承厂的一种专用轴承可满足本设计的需要，滚子详细尺寸如图 4-10 所示。它的外圈使用的是滚轮式设计，内圈用栓轴来代替，其机构设计巧妙，布局紧凑。本文选用该厂生产的螺栓滚轮带偏心套NAKD22E 型和 NAKD26E 型轴承，与从动盘的配合间隙为 H7/s6。
32、滚子主要参数如表4-8 所示：凸轮式自动换刀装置的刚柔耦合动力学研究14图 4-10 螺栓滚轮带偏心套 NAKDE 型轴承详细尺寸Fig. 4-10 The details dimensions of NAKDE bearing表 4-8 螺栓滚轮带偏心套 NAKDE 型轴承主要参数Table 4- 8 The main parameters of NAKDE bearingH D 螺纹 S C B B1 B2 G1 g1 deNAKD22E型4 22 25.10M12 13 36 10 12.5 0 13NAKD26E型4 26 .12 13 36 10 12.5 0 13通过联轴器的连接，
33、将减速电机输出的动力传递到输入轴上，带动安装有回转弧面凸轮和摆动弧面凸轮的输入轴匀速转动。回转弧面凸轮通过凸轮上的凸脊推动回转从动盘转动，从动盘固连在套筒上，套筒与输出轴通过花键连接，从而套筒驱动输出轴，完成输出轴上机械手的回转运动。摆动弧面凸轮带动摆动从动盘间歇摆动，摆动从动盘与拨叉共同固定安装在拨叉轴上，故而从动盘驱动拨叉做摆动间歇运动，拨叉通过套环带动输出轴实现沿直线的上下运动。通过输出轴的回转运动和沿直线的上下运动相结合，实现 ATC 装置的换刀动作。为了将装置的传动系统表示清楚，去除箱体、箱盖后的效果如图 4-18 所示。凸轮式自动换刀装置的刚柔耦合动力学研究15a）主视图 a）左视
34、图c）俯视图 d）轴测图图 4-18 方案二传动系统设计Fig. 4-18 Transmission of plan II将各个零部件按照功能要求进行装配，为了表示清楚，去除箱盖后装置结构如图4-21 所示。图 4-21 方案二 ATC 装置Fig. 4-21 Design plan II of ATC device通过三维爆炸图可以直观的表达装置的结构组成，如图 4-22 所示。凸轮式自动换刀装置的刚柔耦合动力学研究16图 4-22 方案二 ATC 装置爆炸图Fig. 4-22 Exploded drawing of Design plan II2.3 基于 Creo 的凸轮机构设计与三维建
35、模自动换刀装置所用的回转弧面凸轮需要实现从动盘复杂的间歇正反转位，有多段不同的动程段与停歇段相交替，而且在循环周期内有从动盘旋转 的情况出现，故需要180实现多头同时啮合，使得曲面更加繁复。下文基于滚子的中心轴线，考虑各个运动段弧面凸轮与从动盘滚子的啮合状态，采用空间包络曲面的共轭原理，以一种精确三维建模方法创建所需的回转弧面凸轮。在同一工作周期内，自动换刀机械手装置须完成抓刀、松刀、拔刀、换刀、插刀、夹紧、复位 7 个基本动作，其中抓刀、换刀、复位 3 个动作由回转弧面凸轮机构驱动完成，拔刀、插刀动作由摆动弧面凸轮机构完成对其的控制。回转弧面凸轮机构的从动盘运动有四个停歇段、两个升程段和一个
36、回程段，在停歇期要完成松刀、拔刀、插刀、夹紧动作，两个升程分别对应机械手刀臂正转 抓刀动作和正转 换刀动作，回程对65180应机械手反转 复位动作。从动盘套筒推动机械手刀臂旋转，回转弧面凸轮控制从动65盘套筒，从而使机械手可以完成 3 个基本动作。自动换刀装置一般用于高速加工中心，要求机械手运动平稳可靠，而想要保证机械手在高速运动时也能保持运动平稳，就必须选择合理可靠的运动规律，所以本文选择综合性能较好的修正正弦运动规律，该运动规凸轮式自动换刀装置的刚柔耦合动力学研究17律有较强的通用性，可以确保运动过程平稳、没有过大的冲击载荷、加长凸轮机构的使用寿命。2.3.1 回转弧面凸轮的设计根据运动循
37、环图可知，本次设计的回转弧面凸轮有一个回程段，两个升程段和四个停歇期，其中第二升程段需实现分度盘的 转位，需采用多头弧面凸轮（回转弧面凸180轮） ，回转弧面凸轮的运动参数如表 4-4 所示：表 4-4 回转弧面凸轮运动参数Table 4- 4 The motion parameters of rotation globoid cam序号 参数名称 参数值及说明1 凸轮头数 H 32 分度盘滚子数 Z 63 分度数 I 34 凸轮廓面旋向 P 左旋时，P=1；右旋时，P=-15 凸轮分度期转角（动程角） f 50,12,5031fff 6 凸轮停歇期转角 d .76.742dddd7 分度盘分
38、度期转角 f ,8,631 fff 凸轮轴转速： min/302/6rn凸轮角速度： as （1）分度盘节圆半径（4-3）fmfpVcrtan2式中：c中心距，凸轮轴线和分度盘轴线之间的垂直距离；许用最大压力角；m凸轮的动程角；f分度盘的分度角；所选运动规律的最大无量纲速度；mV根据表 3-4 列出的值，将三个分度期凸轮动程角 ，分度盘转角 带入式（3-3）ff中，取其中的最小值，得到 。 mrp382（2）凸轮节圆半径（4-4）102pprr（3）相邻两滚子轴线间的夹角 z凸轮式自动换刀装置的刚柔耦合动力学研究18（4-5）603Zz（4）从动盘滚子半径 和滚子宽度 b（4-6）2sin)7
39、.5.(zpr（4-7）410b结合 NAKD 螺柱滚针轴承标准，取滚子半径 ，宽度 。m1mb14（5）凸轮的顶弧面半径 cr（4-8 ）22)/(rpc（6）顶弧面半径与滚子轴线的夹角 （4-9）c/arsin（7）凸轮定位环面外圆直径 和内圆直径0Di（4-10 ）2o0zcD（4-11）sebiel（8）凸轮理论宽度（4-12）2sin21min zeebrl凸 轮 宽 度 最 小 值（4-13）coaxzfel凸 轮 宽 度 最 大 值式中：le凸轮的理论宽度；e间隙值，一般至少 510mm，通常可按 e=(0.20.5)b 计算。总之，凸轮宽度 l 的范围在 lmin 和 lmax
40、 之间，即 le l le+2rfcos(z/2)。（9）凸轮实际端面直径 D（4-14）2tan2cos21 zezlebrcD（10）滚子中心轴线上一点到从动盘中心的距离 r最大距离 （4-15）/2maxrp最小距离 （4-16）inb计算后得到多头弧面凸轮基本参数如表 4-5 所示：凸轮式自动换刀装置的刚柔耦合动力学研究19图 3-2 弧面凸轮基体尺寸Fig. 3-2 Basic dimensions of globoidal cam表 3-1 多头弧面凸轮主要参数Table 3- 1 The main parameters of multi-ridge globoid cam序号 参
41、数名称 数值1 中心距（c） 120mm2 分度盘节圆半径( )2pr 38mm3 凸轮节圆半径( )1 82mm4 从动盘滚子半径( )11mm5 凸轮顶弧面半径( )cr32.57mm6 凸轮定位环面外圆直径( )0D176.31mm7 凸轮实际端面直径( ) 165mm8 凸轮宽度 l 60mm9 滚子中心轴线上一点到从动盘中心的最大距离 maxr45mm10 滚子中心轴线上一点到从动盘中心的最小距离 in30mm2.3.2 弧面凸轮运动过程分析如图 3-3 所示，是回转弧面凸轮的展开示意图，当机械手开始工作时，凸轮转角，滚子 1 和滚子 6 与凸脊 A 相啮合，6 个滚子的启始位置角分
42、别为0， ，此时的状况对应运动循150，-，90，3-4321 30，96环图的起点。（1）准备阶段，凸轮旋转 ，凸脊 A 与滚子 1、6 参与运动，对应第一停歇段，.7从动盘保持不动，此过程主要是为了减少由弧面凸轮和从动盘棍子的啮合间隙而造成传凸轮式自动换刀装置的刚柔耦合动力学研究20动误差的影响。（2）抓刀阶段，凸轮继续匀速旋转 ，凸脊 A、B 和滚子 6、1、2 参与运动，50对应第一升程段，从动盘转动 ，通过这一段的运动，凸轮推动从动盘进而带动61f输出轴上的刀臂旋转，使刀臂同时抓住主轴和刀库的刀具，完成抓刀动作。（3）拔刀阶段，凸轮继续匀速旋转 ，凸脊 B 和滚子 1、2 参与运动，
43、对应第二停歇段，从动盘保持不动，在这一阶段，刀臂由摆动弧面凸轮控制完成沿直线的向下拔刀运动，将刀具分别从刀库和主轴上拔下来。（4）换刀阶段，凸轮继续匀速旋转 ，凸脊 B、C、D 、E 和滚子1251、2、3、4、5 参与运动，对应第二升程段，从动盘转动 ，在此阶段，从动1802f盘带动刀臂旋转，从而完成刀库和主轴上的两把刀具的位置互换工作。（5）插刀阶段，凸轮继续匀速转动 ，凸脊 E 和滚子 4、5 参与运动，对应第三60停歇段，从动盘保持不动，在这一阶段，刀臂在摆动弧面凸轮的控制下完成沿直线的向上插刀运动，将完成位置互换的刀具分别插入到主轴和刀库中去。（6）复位阶段，凸轮继续匀速转动 ，凸脊
44、 E 和滚子 3、4、5 参与运动，对应5回程段，从动盘反转 ，在这一阶段，刀臂由分度盘带动，回到工作初始位置。653f（7）结束阶段，从动盘在此阶段不再运动，共旋转 ，凸轮继续旋转 ，凸1805.7脊 A 和滚子 3、4 参与运动，对应第四停歇段，从动盘保持不动，在此阶段整个机构不再运动，完成一个完整的工作周期。在一个工作周期完成后，凸轮完成一周的旋转，从动盘相较开始时转过 ，完180成一次完整的换刀动作。当下一次换刀开始时，滚子 3、4 相当于上一次工作时滚子1、6 的功能，并将上面的动作重复一遍 44。图 3-3 多头弧面凸轮展开示意图Fig. 3-3 Schematic diagram
45、 of expand multi-ridge globoid cam2.3.3 理论轮廓程序的编制联合前文所得到的弧面凸轮与滚子的共轭接触方程和凸轮理论廓面方程，然后结合弧面凸轮工作时的运动顺序，即可分别得出从动盘滚子在升程段、回程段和停歇段所对应的弧面凸轮理论廓面的曲线的程序 45-48。1）第一停歇期程序对于滚子 1BAECDE凸轮式自动换刀装置的刚柔耦合动力学研究21)cos(21cos1/tan/2011/30Rryxwrpwvtfvftfwtpin）（ ）（ ）（ ）（ ）（ ）（ ）（ ）（ ）（ ）（ ）（ ）（ 12/09/876/543/21)cos(2)sin( )sin(
46、)co()in( cosi yxpz zpz )16(/54/)3(为了使弧面凸轮的理论廓面曲面更加准确，现将滚子旋转轴上的任意一点到从动盘旋转轴的最大距离 和最小距离 之差平分为 6 段，依次代入上面方程。 1rr同理，滚子 6 所对应的程序只需将上面程序中的 改为 即可。012）其它停歇段程序只需将不同停歇段参与工作的滚子分别对应入上文的程序段（4）中，并做相应的替换即可。3）第一升程段程序对于滚子 6（1）第一升程段凸轮式自动换刀装置的刚柔耦合动力学研究22)cos(2)sin( )sin()co(2)sin(ico2 sico)si(12)cos(1/(tan)/()4/()804cs
47、(1/23 )4/()180sin(10628/ yxpz zpyRrzxwrpwvtfpimivftpin piifftm 16/54/3)12(/0/)9(8/7)6(/54/)3(2/1（2）第二升程段只需将第一升程段的程序（1） （4） （7）替换成下方的程序即可。即：)/()3180cos(3( )3/*1804sin92)4/0*86/m pmpiv miift 7(4（3）第一回程段同理，只需将第一升程段的程序（1） （4） （7）替换成下方的程序即可。即：)/()1804cos( )/(180sinf0/7 ppiv pit7(/41/在这个过程中先后有滚子 6、1、2 参与运
48、动，而对于其他滚子所对应的程序，只需将第一升程段中的程序段（3）中的 分别替换为相应的 和 ，即可得到滚子0121、2 所对应的弧面凸轮理论廓面的曲线程序。4）其他动程段程序只需将相应动程段参与运动的滚子所对应的号码带入上文第一升程段中的程序段（3）并做替换即可。2.3.4 回转弧面凸轮的实体建模基于 Creo 三维软件平台，弧面凸轮的基体可由凸轮顶弧面半径 ，弧面凸轮定位cr环面外圆直径 ，凸轮实际宽度 等基本参数来确定其基本尺寸。通过 Creo 完善的曲0Dl面建模功能，通过上文编写的方程，建立回转弧面凸轮相应的理论轮廓曲线（如图 3-凸轮式自动换刀装置的刚柔耦合动力学研究234（a）所示） ，并且通过拟合操作将生成的曲线合并成弧面凸轮的理论轮廓曲面（如图3-4（b ）所示） ，最后对该理论轮廓曲面进行法向偏置并切除材料 49-51，得到弧面凸轮精确三维模型如图 3-4（c ）所示。a）弧面凸轮理论轮廓曲线 b）弧
