行程可调凸轮机械手的机构设计

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凸轮机械手是-种结构与运行轨迹相对简单 、小型、精密的执行机械手 ，因为它兼有传动、导向及控制机构等功能.得到了较广泛的应用。该机械手可产生复杂的运动轨迹 .实现非等速运动。工作特点和设计方法随机构形式而异 ，且具有结构简单 、成本低、使用平稳可靠 、无冲击振动且故障率低等优势。但 目前绝大多数的凸轮机械手工作行程不可调或只能实现微调.这使得凸轮机械手的广泛应用受到了限制 ]。

针对上述情况.设计-种水平方向上具有较大调节范围的双圆柱沟槽凸轮机械手，主要用于 自动化设备中抓放物料或零部件的装配.并对其中的主要结构进行了详细的设计计算1圆柱沟槽凸轮机械手的机构设计图1为取料 (装配)机械手的运动轨迹动作示意基 金项 目：国 家 科 技 型 中 小 企 业 技 术 创 新 基 金(11c26214403l1 广东势技计划项目(2Ol1B010300012)；三峡 大学求索”大学生创新基金 项 目作者简介 ：陈德(1986.)，硕士，从 事结构优化与分析研 究工作 。

收稿 日期 ：2013.03.08图，其中轨迹 1、2、4、5为执行机构的上下运动，其高度 日表示机械手在竖直方向上的行程：轨迹 3、6为水平运动. 表示机械手在水平方向上的行程大校工作时.机械手在竖直方向推力凸轮控制下向下运动接近物料(轨迹 1)；抓取物料(停歇期)。后在竖直方向推力凸轮控制下向上运动(轨迹 2)：再通过水平方 向推力凸轮的控制实现水平运动(轨迹 3)；运动到位后.竖直方向推力凸轮控制向下运动(轨迹 4)；放下(装配)物料(停歇期)，再 回升(轨迹 5)；最后在水平方向推力凸轮控制下到达初始位置(轨迹6)：完成了-个工作循环。因此 .用于控制水平和竖直方向运动的圆柱凸轮需要精确配合.以实现输出端倒U”字形的运动轨迹二-二- 二.二.-7停歇期 停歇期图l 运动轨迹动作示意图设计的凸轮机械手结构如图2所示。该机械手主要由执行机构、行程调节机构、水平方向推力凸轮以及竖直方向推力凸轮组成。

自动化应用 i 20135期 39 ， 二 系 统 解 决 方 案 图2 凸轮机械手结构示意图1.1水平推力圆柱凸轮的设计从 图2可知.在水平推力凸轮的设计中.机械手采用摆动滚子从动件圆柱沟槽凸轮.以利于水平方向上行程可调节功能的实现。在-个运动循环中，执行机构在水平方向上应完成-次往复运动.而竖直方向需要完成两次往返运动 假设在工作中机械手的工作周期1s.执行机构在抓韧放置动作过程中需要 1/12个周期，即1/12s，此过程中凸轮转动的角度为 30，因此，整个机械手应在 300的凸轮转角中完成上述的 6个动作。

图3为水平推力圆柱凸轮机构示意图.应用单参数曲面族的包络理论.可得到圆柱沟槽凸轮轮廓面的解析式为：。

L p2[ (1cOS% ) o和- )-roin 12]2ONarctan [ (1c0s )-Locos###- )-rcsino"1。]zLosin###- )rocoso-l0式中，Ⅳ±1，表示摆杆与圆柱凸轮的布局方式；为摆杆的长度 ；R。为滚子中心线上-点所在圆的半径； - 为摆杆的摆程角； 为摆杆的瞬时摆角； 。为升程角或者回程角； 。和 tT 分别为上轮廓面和下轮廓面时的取值。且为：s - )。

tT1a：t：arctan------- -- - 神 ( - )图 3 摆动滚子从动件圆柱凸轮机构40 、nnⅣ.chinacaaa.corn l自动化应用另外.设滚子与轮廓面接触点处压力角为 .即摆杆头速度矢量与滚子受力矢量间的夹角为：carccosr B舯 器 COSU cO。SnB-O， 印 sin###- -)， cos###-%坠-)，R 。尺 。cos -Rsin 0，R esin 尺cos Oto，Z 0，R Rp俾 c0s p- sin ，R sin os Rp，Z，R 。

针对凸轮机械手的设计 .为了满足机械手的动作实现要求.首先利用-组数据进行水平推力凸轮的设计 ，此后再进行行程调节机构的设计。相关的参数为：凸轮的外部直径 D60.0ram.凸轮高 H40.0ram.滚子半径 to5.0mm.滚子高度 ho8.0ram.摆动平面与凸轮轴间的距离 /o35.Omm，滚子摆杆的长度 L。40ram，滚子摆杆的摆程角 30。，许用压力角 a30。，升程和回程均为正弦加速度运动规律，010246。～参数代入上述公式，可以求得水平方向推力凸轮的轮廓线 。

如图4所示x/mm图 4 水平推力凸轮轮廓线1.2竖直推力圆柱凸轮的设计如图2所示.机械手中竖直方向推力凸轮采用直动滚子圆柱凸轮机构.当水平方向推力凸轮完成-个运动周期时.竖直方向凸轮需完成两个周期的运动。

以实现工作过程 中的抓料和放料 (装配)的动作 其中，第-次升程和回程角度分别为 0148、0238，第二次升程和回程角度分别为 38、02'48，滚子半径 FO5.Omm.滚子高度 ho8.Omm，许用压力角 ：30o。

根据直动滚子圆柱凸轮的设计方法.可以获得竖直方向推力凸轮轮廓线.如图 5所示。

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180x/mm图5 竖直推力凸轮轮廓线1.3行程调节机构的设计及行程调节测试在实际中.人们往往更多地关注机械手是否能够在水平方向上实现行程可调的功能，以满足生产中兼容不同行程的取料功能或者装配零件的需要 因此，这里主要实现凸轮机械手水平方向上的行程可调功能。

水平方向运动控制采用杠杆原理 .其中 a为滚子部分 、b为铰接结构、c为滑块结构。工作时，滚子始终在水平推力凸轮的沟槽中滑动.因此 段为输入端 .6c段为输出端.并且输入端的长度保持不变 在滚子沿着轨迹槽循环滑动的过程中.6c段往复摆动 .而 e端处的滑块在与水平臂杆固结的滑槽中进行上下滑动。

从而实现机械手水平方向上的往复运动图6水平方向运动控制原理为了实现水平方向行程可调的功能.采用行程调节原理，如图7所示。整个调节机构 由外套杆、内杆和旋紧装置组成 .外套杆上端与图 6中c处相连接 .内杆下端与图 6中的 b处相连接 .内杆可以在外套杆中滑动 .完成输出段长度的可调节功能.最终实现行程变化的调节。调节行程以后 ，利用旋紧装置将内杆和外套杆卡紧.以保持输 出端臂长调节好后稳定不变 。

使工作过程平稳。为避免内杆从外套杆中滑脱 .在内杆的上端和外套杆的下端设置有防脱结构对行程调节机构进行两次调节后.机械手执行机构在水平和竖直方向上的合运动轨迹如图 8所示 .从图中可以看出水平方向上可调行程为 90～200ram系 统 解 决 方 案 黪0 20 40 60 80 l00 120 140 160 1 80 200 220x/mm图 8执行机构运动轨迹图2结语设计了-种行程可调的凸轮机械手 .该机械手整体结构简单紧凑，利用同轴安装的两个圆柱沟槽凸轮实现了机械手的循环往复运动：还利用杠杆原理实现了水平方向行程的可调节功能。