换刀机构圆弧分度复合凸轮三维建模

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2013年 8月 邹 运 ，等：换刀机构 圆弧分度复合凸轮 三维建模分度轮旋转过程都是用改进正弦修正，在输出值变化的曲线段两端的 1/8处是分界点，其整个加速度曲线用三段 三角函数曲线代替 ，这样 的 曲线 的优点是加速度值较小而且整个 域 内连续 ，把 图 3中初始值和终值及 表 1中的各个几 何参 数带 入改进 正 弦加速度运动规律，可得出复合凸轮输出运动方程如下 。

摆杆输 出端 的运动方程 S t： ÷in <94125 ÷n÷ 94.125< <142.875 ÷n 142.875< sl l65 151.<6221l165 ÷n - z zsl65- ÷抽÷ 29.125< <27.875l165- ÷n 27.875< ㈣0 286<6<3601分 度轮 转角 输 出端 的运 动方 程 t：o- -÷ 。- ÷sin÷ 。- -÷sin 0 ÷n l - -丁 ”- J÷in÷ ÷n l80 ÷n 40.375≤ <4646<6<122122≤ <138138≤ <234234<6<250250≤ <313f31-<6<318.375叭 ÷in÷ 318.375< <350.625s。 71 in 6313/ 350.625< s 240 356≤ <3602参数说明： -从动件行程 ；JB- 凸轮行 程角； -凸轮转角；s -从动件位移； -从动件速度；n -从动件加速度 。

2 凸轮三维建模采用 solidwork复杂曲面建模技术建立弧面分度凸轮机构的基本几何参数如表 1所示。

表 1 复杂曲面弧面分度凸轮机构基本几何参数复杂曲面弧面分度凸轮机构基本几何参数中心距 Cmm l9O凸轮节圆半径 rpmil1 l38分度盘节圆半径 r mm 52凸轮顶弧面半径 mm 47.5凸轮宽度 Lmm 93分度盘圆柱滚 子个数 n个 6相邻两滚子间夹角 。 60。

圆柱滚子半径 Rrmm 15滚子宽度 bmm 14凸轮定位环面侧面长度hmm 16.5弧面分度凸轮的毛坯是通过 凸轮的顶弧面半径画弧，然后利绕 中心线 旋转生成。具体命令是 首先草图绘制 ，画出凸轮截面边界轮廓 ，然后利用特征工具栏 中的旋 转 凸 台/基 体命 令 绕 中心 线 旋转 草 图360。得到弧面分度凸轮基体的毛坯，然后在凸轮底面新建草图 ，画出凸轮所在凸轮 的轮廓圆后 ，使用特征工具栏中的拉伸 凸台/基体命令生成 凸轮所 在的凸台，最终得到弧面分度凸轮的毛坯模 型，以下 的操作命令均在该毛坯上执行。在 SOLDWORKS中绘制3D草图 ，利用插入-草 图绘制的实体- 方程式驱动的曲线命令在凸轮毛坯上建立啮合 的滚子的理论廓面曲线如图 5所示。

图 4 弧面分 度凸轮的毛坯模型 图 5 分度盘弧面 曲线空 间复合 凸轮 自动换刀 装置 中弧面 分度 凸轮的运动可以分为起始段 ，分度 l段 ，停歇 1段 ，分度2段 ，停歇 2段 ，分度 3段 和结束段 ，各段行程 如表2所示 。

表 2 各段行程行程 分度 停歇 分度 停歇 分度 参 数 起始段 结束段 1段 1段 2段 2段 3段凸轮停 1。 76。 63。 d。

转角凸轮 左旋转 向对同-个滚 子来 说 ，最低点 K 和最高点 K：的轨迹 曲线相互平行 ，所有滚子 的轨迹 曲线组成封闭· 112· 组合机床与自动化加工技术 第 8期的 3对互相平行的 6条封闭曲线。下面以滚子 1的K.点为例说明其轨迹曲线建模过程，其方程如表 3所 示 。

表 3 曲线方程参数说明：r.：63，C：190，分度盘位置角 中，凸轮0的取值范围 停歇期转角 0-，凸轮分度期转角 0，，分度盘分度期转角 P ，凸轮左旋 P：10d1。 60。

xrcos0-pi 4 0-pi/45-0.25 sin160-4 pi/45/3 pi12 cos0-CCOS01。≤0≤6.625。 Y：-r cos0-pi 40-pi/45-0.25 sin160-4 pi/45/3 pi12 sin0csin0zr sin0-pi 4 0-pi/45-0.25sin160- 4 pi/45/3 pi120f45。Pf60。

y-rcos0-pi 24 0-pi/45-2.25 sin16 0/3-4 pi/l35 pi/3/3 pi126.625。≤0 sineCsineXr C0f0-pi f 240-pi/45-2.25 sin≤40.375。

160/3-4 pi/135 pi/3/3 pi12COS0-C c0s0zr sin0-pi 24 0-pi/45-2.25 sin160/3-4 pi/l 35 pi/3/3 pi120f：45。Pf60。

xr COS0-pi44 0-pi/45-0.25 sin160-4 pi/45/3 pi12 COS040.375。≤0 -C C080≤46。 Y-r cos0-pi 44 0-pi/45-0.25 sin160-4 pi/45/3 pi12 sinOC sin0Zr sin0-pi 44 0-pi/45-0.25sin160-4 pi/45/3 pi120 d：76。中 0。

Y-r cos5 pi/3sin0Csin0zr sin5 pi/30f 128。Pf - 180。

Xr cos5 pi/3 pi 1800/128-122 pi/128-0.25 sin1800/32-122 pi/32/pi4 COS0-C cos0Y -r cos5 pi/3 pi180 0/128-122 122。≤0≤ 138。

pi/128-0.25 sin18O 0/32-122 pi/32/pi4sin0c sin0zr sin5 pi/3pi 180 0/128-122 pi/128-0.25 sin180 0/32-122 pi/32/pi40 r：128。Pf -1 80。

xr COS5 pi/3 pi 2180 0/128-122pi/128-2.25 sinf 180 0/96-122 pi/96pi/3/pi4 cos0-c COS0Y-rCOS5 pi/3 pi 2180 0/128-122 138。≤0≤234。

pi/128-2.25 sinf 180 0/96 - 122 pi/96pi/3/pi4 sin0C sin0zr sin5 pi/3 pi 21800/128-122pi/128-2.25 sin180 0/96-122 pi/96pi/3/pi4续 表参数说明 ：r 63，C190，分度盘 位置 角 中，凸轮0的取值范围 停歇期转角 0d，凸轮分度期转角 0f，分度盘分度期转角 Pf，凸轮左旋 P10f128。Pf - 18O。

xrCOS5 pi/3 pi 4180 0/128-122pi/128-0.25 sin1800/32-122 pi/32/pi4 cos0-c cos0y-r 0o85 pi/3pi41800/128-122 234。≤0≤250。

pi/128-0.25 sinf180 0/32-122 pi/32/pi4sin0C sin0zr s n5 pi/3 pi女418O 0/128-l22pi/128-O.25 n18O0/32-122 pi/32/pi40d63。中 180。

y-r c0s2 pi/3 s n0C s n0zr n2 pi/30f43。Pf -60xr c0s2 pi/3pi 180 0/43-313 pi/43- 0.25s n7200/43-l252 pi/43/3pi12cosO-C cos0。

313。≤0 y-r c0s2 pi/3 pi 180 0/43-313 pj/≤318.375。 43-0.25 720 0/43-1252 pi/43/3pi12s n0C 5 n0zr 2 pi/3 pi十180 e/43-313 pi/43- O.25 5 720 0/43-1252 pi/43/3pjl20f：43。Pf -6O。

xr cos2 pi/3pi 2l 8O 0/43-313pi/43-2.25 24O 0/43-1252 pi/129pi/3/3 pi12 cose-C c0se318.375。≤e y-r c0s2 pi/3pi 218Oe/43-313≤35O.625。 Pi/43-2.25 2400/43-1252 pi/l29pi/3/3 pil2s n0c s Hez：r 2 pi/3pi 2180 0/43-313 pi/43-2.25 240 0/43-1252 pi/129 pi/3/3 pi120 r43。Pf -6O。

xr cos2 pi/3pi 4l8O0/43-3l3pi/43-0.25s 72O O/43-l252 pi/43/3 pi12 c0s0-C c0s035O.625。≤0 y-r cos2 pi/3pi 4180 0/43-313≤356。 pi/43-O.25 72O 0/43-1252 pi/43/3 pi12 s n0cs n0zr s n2 pi/3pi 4180 0/43-313 pi/43-0.25 s n72Oe/43-1252 pi/43/3pi12Od4。 240。

y-r c0spis neCs n0zr s pi同理 ，令 r45，可以得到滚子 1的 K，点的理论轨迹曲线。应该注意的是，sD 0刖 中的对于角度的单位默认为弧度，因此凸轮和分度盘的转角等单位应该先化为弧度之后再代人，同时，建立曲线的时候应该 注意坐标 系的建立是 否正确 ，弧面分度凸轮的旋转轴应该是 z轴 ，否则建立的曲线会产生很大偏差。 下转第 115页2013年 8月 韦 杰，等：盘式刀库及 自动换刀装置可靠性评价 ·1 15·MTTR ∑T ∑ /∑ri 20 il ii f L 1式 中：Ⅳ - 在评定周期 内系统的累计故障频数 ；n- 系统抽样台数 ；- 在评定周期内第 i台系统修复性维修所需的时间h；r - 在评定周期内第i台系统出现的故障频数。

依据表 2可以计算得到每 台盘式刀库及 自动换刀 装 置 的 累 计 修 复 时 间 ：T1 3.4h；T2 2.2h；739.3h有 3台盘式刀库；共有 1 1个故障数据；代入到式2中，得到 豫 1.35h可知 ，该型链式刀库及 自动换 刀装 置的平均修复时间大约为 1.35小时。

4 故障分析及改进措施由上述故 障数 据统计表可知 ，圆盘式 刀库及 自动换刀系统的主要故 障形式是 ：机械手掉刀 、刀库定位和锁紧装置不稳 、电机损坏 ，还有极少数的故 障是由于油路不畅引起的。故障次数最多 的是机械手故障，占故障总数的 1/2。造成这种故障的具体形式和故障原因分以下几种情况：刀库转不到位，主要由电机转动故障、传动误差引起；刀库到位不准，由于机械传动部件的磨损、检查 机构故障和安装有误引起 ；机械手在刀库上卡死 ，由于机械 手刀架滑键加工 偏差引起磨损；刀具夹不紧引起掉刀 ，原因是卡紧螺母松动，机械手锁紧不起作用；刀具换刀时掉刀，是因为换刀时主轴箱没有回到换刀点或换刀点漂移机械手抓刀时没有到位就开始拔刀 ；机械手运行不畅 ，是因为有异物堵塞引起 的故障。而刀库定位和锁紧装置不稳是 由于机械传动部件出现故 障或换刀时由于换刀气压不足，导致换刀过程卡祝电机停转报警是 因为刀库位置不正导致的电机负载过大烧坏电机引起。

5 结论针对 圆盘刀库及 自动换刀装置的特点 ，采用平均故障间隔换刀次数和平均修复时间对其可靠性进行了评价。所研究的盘式刀库及 自动换刀装置的平均故障间隔换刀次数为 43550次；平均修复时间约为1.35小时。以盘式刀库及 自动换刀装置产品实际使用 为例 ，正常工作 时假设平 均每年换刀次数为 1万次左右，如果是跟踪用户使用过程中的故障信息进行可靠性评价 ，需要 5台刀库及 自动换刀装 置连续工作近-年 的时间才 能得 到平均故 障 间隔换 刀次数 ，而通过可靠性试验，加速暴露 了大型盘式刀库及自动换刀装置的可靠性薄弱环节，试验仅用-个月就可对产品的可靠性进行评 价 ，可靠性加速试 验可为产品的可靠性增长设计提供及时的参考。此外，本文还对盘式刀库及 自动换刀装置的故障部位、故障模式和故障原因进行了统计分析。