直动型弧面凸轮机械手的设计
械手结构的设计和分析
机械手腕部的结构分析
机器手手腕的自由度数，应根据作业需要来设计。机器手手腕自由度数目愈多，各关节的运动角度愈大，则机器手腕部的灵活性愈高，机器手对对作业的适应能力也愈强。
机器手手腕要与末端执行器相联，因此，要有标准的联接法兰，结构上要便于装卸末端执行器。
机器手的手腕机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递。
为了减轻机器手运动部分的惯量，提高机器手的控制精度，一般腰部回转运动部分的壳体是由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。
腰部结构要便于安装、调整。
机械手腰座结构的设计要求分析
机械手腰座结构的具体采用方案
腰座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现，要么是通过摆动液压缸或液压马达来实现，目前的趋势是用前者。因为电动方式控制的精度能够很高，而且结构紧凑，不用设计另外的液压系统及其辅助元件。考虑到腰座是机器手的第一个回转关节，对机械手的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动。一般电机都不能直接驱动，考虑到转速以及扭矩的具体要求，采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。
直角坐标机器手结构
圆柱坐标机器手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，这种机器手构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。
圆柱坐标机器手结构
球坐标机器手的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，这种机器手结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。
03
机械手腰座结构的分析
腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。
腰座要有足够大的安装基面，以保证机器手在工作时整体安装的稳定性。
弧面凸轮数控转台的设计——3D建模与装配
弧面凸轮数控转台的设计——3D建模与装配摘要：弧面凸轮机构是一种高速装置，广泛的应用于各种机械传动中。
为适应当代社会对弧面凸轮制造加工精度等方面的要求，本设计利用UG强大的二次开发功能，通过运用UG/API语言进行编程，从而开发出弧面凸轮的建模命令，使得弧面凸轮的3D建模与装配变得简单。
关键词：弧面凸轮，UG二次开发，3D建模，装配The Design Of Globoidal Indexing Cam NC rotate table——3Dconstruction mode and AssemblyAbstract：Globoidal indexing cam mechanism is a high speed indexing drivingdevice,it is widely used in many kinds of mechanical transmission .In order to fit the social request of Arc Cam manufacturing and processing precision, this Design used a strong secondary development function of UG. By using UG/API programming, therefore, to develop a modeling command Arc Cam. And make it easy to 3D Modeling and assembling.Keywords:Globoidal indexing cam, Secondary development function of UG, 3D Modeling and assembling.1 / 56第1章绪论1．1课题的研究背景弧面凸轮减速器是一种新型、高效的减速器，在国内尚属于研究阶段。
机器人机械手的设计要求要点
机械手的设计要求机械手总体结构的类型工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。
各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下。
1.直角坐标机器人结构直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的.由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度（μm级）。
但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。
因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。
直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。
直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。
2.圆柱坐标机器人结构圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的。
这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。
其工作空间是一个圆柱状的空间。
3. 球坐标机器人结构球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的。
这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。
主要应用于搬运作业。
其工作空间是一个类球形的空间。
4. 关节型机器人结构关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的。
关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。
相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。
此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。
手臂的设计要求机器人手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机器人所要求的工作空间内的运动。
在进行机器人手臂设计时，要遵循下述原则；1.应尽可能使机器人手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机器人运动学正逆运算简化，有利于机器人的控制。
2.机器人手臂的结构尺寸应满足机器人工作空间的要求。
工作空间的形状和大小与机器人手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。
但机器人手臂末端工作空间并没有考虑机器人手腕的空间姿态要求，如果对机器人手腕的姿态提出具体的要求，则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。
直动型弧面凸轮机械手的机构与结构设计
文章编号:1004-2539(2006)01-0047-02直动型弧面凸轮机械手的机构与结构设计(陕西科技大学, 陕西咸阳 712081)杨芙莲 杨 妮 葛正浩 张晓燕摘要 对直动型弧面凸轮机械手进行了系统的研究,并着重对其机构设计、结构设计进行了深入探讨,绘出了其整机结构图。
关键词 弧面凸轮机械手 机构设计 结构设计引言随着工业自动化程度的不断提高,各种自动化机械手的大量涌现,把人们从繁重和危险的工作中解放出来,大大提高了工作效率,并能高精度、高质量地完成各种复杂的重复性工作。
机械手是工业自动化中一个重要的组成部分,在汽车、家电等制造业中有着广泛的应用。
由液压或气压驱动并由微电脑控制的机械手较为常见,这类机械手使用灵活方便、适应性强。
但如果用这类机械手完成较简单的重复性工作,就显得结构复杂、成本较高、冲击振动较大且故障率高。
而采用弧面凸轮作为驱动机构的机械手,结构简单、成本低、使用平稳可靠且无冲击振动,属于自动化领域的新型机械传动机械手。
1 弧面凸轮机械手的机构设计图1所示为直动型弧面凸轮机械手的机构结构简图,由两组弧面凸轮 连杆组合机构分别实现X 、Y 方向的输出运动。
机械手在提升弧面凸轮2的控制下做升降运动,实现抓放工件(或其它工作);在水平弧面凸轮1的控制下做水平运动,实现工作目标或工作行程。
图2所示为机械手手臂即输出轴的运动轨迹,其中1、2、4、5部分是升降运动,其高度为机械手的竖直行程;3、6部分为水平运动,其距离为机械手的水平行程。
这两个方向的运动需精确配合,才可实现输出端 门!字形或倒U形运动轨迹。
1.水平弧面凸轮2.提升弧面凸轮图1 直动型弧面凸轮机械手的机构结构简图为了使直动型弧面凸轮机械手机构的设计合理、图2 运动轨迹示意图准确、快速,对其进行了计算机辅助设计。
先建立数学模型,然后输入基本参数(基本参数为运动周期T 、承载能力P 、水平行程X 和竖直行程Y),由计算机进行数值计算和逻辑判断这两项烦琐的任务,直至设计结果满意为止,设计流程框图如图3所示。
凸轮机械手设计
本科毕业设计（论文）通过答辩设计说明书课题：凸轮机械手设计班级：设计：审核：目录一、目录 (2)二、前言 (3)（一）机械手的用途说明 (3)（二）设计机械手的目的、意义 (3)（三）设计指导思想应达到的技术性能要求 (4)三、设计方案论证 (5)（一）机械手的原始依据 (5)（二）机械手的运动方案论证 (6)四、机械手各组成部件设计计算 (8)（一）抓取机械设计 (8)（二）手腕机构 (12)（三）手臂设计 (14)（四）缓冲装置设计 (22)（五）定位机构设计 (25)（六）机械手驱动系统设计 (25)五、机械手控制系统设计 (25)六、设计总结 (26)七、参考文献 (27)引言机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。
不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。
机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。
因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。
工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。
它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。
机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。
在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。
机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。
弧面凸轮机械手系列化设计
标准件的特点是它的全部特征都被明确地规定了， 不存在任何的设计 自由度。“ 标准”包括国家标准，专 业标准和企业标准。广泛采用标准件，显然可 以大大 减少设 计工作量 。产品 系列化 就 是 以最少 的 品种 规格 来满 足产 品最 大的功能范 围。产品间 的结构尽量 相 同、 尺 寸变化 成 比例 。系列化 产 品 的不 同规格 之 间显然 应
对则形成系列化 的凸轮机械手 。
图 ２ 弧面凸轮 机械手
图 ３ 运动过程示意图
１ 弧面 凸轮机 械 手工作原理简 介 本课题所 研究 的弧面 凸轮 机 械手 是 由两组 弧 面 凸
系列化设计方法实际上是运用 了模块化设计原理 ，
轮控制 ， 手臂可完成 的竖直移动和绕竖直轴的回转。 其外形图如图 １ 机构示意图如图２ ， ，升降弧面凸轮通
关键词 ：凸轮 ；机械 手；系列化 ；模块化设计 ；成组技术 中图分类号 ：Ｔｔ２ ｔｌ 文献标 识码 ：Ａ 文章编 号 ：１０ —３８ ２０ ）２ ４ —３ ０ １ ８１｛０２ —０９
０ 引言 弧面凸轮机械手又称抓放装置 （ ｉ Ｐ ｋ＆Ｐ ｃ Ｕ ｃ ｌｅ 一 ａ
血） ，也称之为近距 离 操纵 机 械 手 ，在 英 语 里为 Ｈ Ｎ Ａ． Ｄ Ｅ 。世界 上 只有 美 、 日、德少数 几个 国家有定 型 产 ＬＲ 品。该机械 手 广 泛 应 用 于 汽 车 、包 装 、电子 、医 药 、 摄影 、仪 表 、纺 织 、军 品 、电 力 传送 、造 纸 等 行 业 ， 成功而方便 、高 速而精确地 实现 了装卸 、转送 、升 降 、 提取 、装 配 、焊 接 、钻孔 、锯 、堆垛 转 位 、绞孔 和 检测 等功能 ，大大地 提高 了行业 自动化水平 。 在 国内 ，本 课 题组 曾 于 １９ ９９年 １月 以 “ 械 手 机 ａｄ （ 间凸轮 ｏ弧面凸轮 ｏ 凸轮 ） ｎ 空 ｒ ｒ ”为检索式 进行 了 广泛地查 新 ，其结 果 是 国 内在 该 领域 尚属空 白 ｊ 因 。 此实施该课题研 究 可提 高许 多行 业 的 自动化 水平 ，有 较好的社会经 济效益 。
弧面凸轮机械手的参数化设计与仿真的开题报告
弧面凸轮机械手的参数化设计与仿真的开题报告
一、研究背景与意义
随着工业自动化和信息化的发展，机械手在生产制造中得到了广泛应用。
弧面凸轮机械手是一种典型的空气动力机械手，已被广泛应用于汽车生产线、电子制造、食品加工等领域。
针对机械手的设计与制造，常常需要进行参数化设计和仿真分析。
参数化设计能够快速调整机械手的设计参数，以满足不同生产需求；仿真分析能够预测机械手的运动轨迹、工作效率等性能指标，减少设计制造成本。
因此，本研究旨在探索弧面凸轮机械手的参数化设计和仿真分析方法，为机械手的设计与制造提供技术支持。
二、研究内容和方法
1.参数化设计方法：采用SolidWorks软件对弧面凸轮机械手的设计进行参数化建模。
通过设置控制参数，实现机械手的自动调整和优化设计。
2.运动仿真方法：利用ADAMS软件对机械手进行运动仿真。
通过设置不同的工作条件，分析机械手的运动轨迹、工作空间、动力学性能等指标。
3.优化设计方法：采用遗传算法对机械手的设计参数进行优化，以提高机械手的性能指标。
对比不同优化算法的效果，找到最优化解。
三、研究计划和进度安排
本研究的主要任务和进度安排如下：
1.文献研究和初步建模（2个月）
2.参数化设计和仿真分析（4个月）
3.优化设计和性能评估（3个月）
4.论文撰写与答辩（3个月）
四、预期成果
1.弧面凸轮机械手的参数化建模和仿真分析软件；
2.机械手设计参数的优化方法和仿真验证结果；
3.论文和会议发表成果。
机械手直臂部分的总体设计
机械手直臂部分的总体设计1 执行机构的选择（1）手部，是直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型。
手部是用来抓取工件的部件，根据被抓取物件的形状、尺寸、重量、材料和抓取要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。
其中最常用的抓取类型是吸附型和夹持型，吸附型主要是针对于一些正方形表面光滑、轻质的工件或物料，夹持型主要是针对圆柱形状或者是别的一些比较复杂形状的工件或物料。
传力机构形式较多，常用的有：连杆杠杆式、滑槽杠杆式、斜槭杠杆式、丝杠螺母式、齿轮齿条式、重力式和弹簧式。
（2）腕部，即连接手部和臂部的部件，起支撑和改变手部姿态的作用，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。
手腕有独立的自由度。
有回转运动、左右摆动、上下摆动。
一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。
目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。
因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。
（3）臂部，手臂部件是机械手的重要握持部件。
它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。
臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。
如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。
因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。
手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。
因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。
2 驱动机构的选择驱动机构是工业机械手的重要组成部分。
机械原理课件第九章凸轮机构及其设计
rb
1′ 2′ 3′ 4′ 5′ 6′ 7′ 8′ 9′ 10′
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
δ0
δS
-ω
1′ 2′
12
3′
3
ω
d0
rb
δ′0
A1
A2 A3
δ
δ′S
§9-4 盘形凸轮机构基本尺寸的确定 一、凸轮机构中的作用力和凸轮机构的 压力角
依据力平衡条件，分别由∑F x= 0、 ∑F y= 0、∑M B= 0，有
在设计凸轮时，如何选取凸轮基本尺寸(rb ，e )保证
凸轮机构的最大压力角max小于或等于许用压力角[]是
工作中一个应注意的问题。
三、滚子半径的选择
ra = r + rr
1. 凸轮轮廓的内凹部分
设：实际轮廓曲率半径r a
显然：ra > r
结论：实际廓线始终存在。
理论轮廓曲率半径 r
滚子半径rr
-∞
加加速度
δ 位置：发生在 运动的起始点 、中间点和终 止点。
δ
δ
C
∞
δ
3. 余弦加速度(简谐)运动规律
s 56
4
a = 2hw2cos(d/d0 )/(2d20 )
特点：存在柔冲击。
h
3
2
s
1 q
01
2345
δ0
δ
v
位置：发生在运动的起始
δ
点和终止点。 a
δ
da dt ∞
δ
-∞
4. 正弦加速度（摆线）运动规律
s 摆线
a = 2hw2sin(2d/d0 )/d20)
h
特点：既无柔性更无刚性 冲击。
直动型弧面凸轮机械手的设计
１ 个竖 直行 程 ＋滑槽 的理论 长 度 ＋滚子 半径 ＋
余 量
２ 凸轮角速度 Ｗ － ｎ ０＝ ２ ｘ６／ ） －２ ／ ６ 兀 ０ ０＝ ２ｒ ６ ｒ ／ ｓ
３１ ．２计算 杆 ２ ． 的长度经推算杆 ２ 长为 １ １ ６ ｍ ５． ｍ ５
３２ 滚 子 的设计 ．
滚 子 的 要 求 较 高 ， 要 有 准 确 的 定 位 ， 摩 擦 小 、 转 动 灵 活 、 便 于 润 滑 。 要 用 一 种 专 用 轴 承
３３ 水 平从 动盘设 计 ． 此机 构 上 应设 有 两 个 安 装 滚 子 的孔 ， 由于滚
歇 期靠 手 爪抓 取 工件 。手 臂 向上 运动 到 一 定位 置 ， 升 降 运 动停 止 。手 臂 在 水 平 凸轮 控 制 下 作 水 平运
动 。待 运 动 到 位 后 ，由升 降 凸轮 控 制 到 达 所 需位 置 后 ，手 爪 放 下 工 件 ，回 升 。最 后 在 水 平 凸轮 的 控制 下 回到初始 位置 ，完成一 个工作 循环 。 凸轮 机 械手 的实 际 运 动 轨 迹 是 由水 平 和升 降
甸 似
２ 主要运动参数和几何尺寸的确定
２１ 凸轮 升程 角及停 歇角 分布 ．
本 设 计根 据 要 求 机械 手 每 分钟 的工 作 循环 ６ ０ 次 ，工 作循环 时 间即周期 Ｔ ｐ＝ Ｉ。 ｓ
由于 凸轮机 械手 运 动 曲线 由两 组 独立 的弧 面
凸轮 经 一 定 的 机 构变 换 组 合 而 成 。经 分 解 后 ，可 知其 有 以下几个 时 间段组 成 。如图 ３ 示 。 所
ＮＡＫ ５型轴 承 。 Ｄ３
４ 水平 凸轮停歇 期转 角 ０， －９ 。 ） － ０
机械手设计(含CAD图纸)
1 绪论1.1 选题背景机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。
近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。
机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。
目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。
把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强[1]。
当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。
而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。
因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。
1.2 设计目的本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。
本机械手主要与数控车床（数控铣床，加工中心等）组合最终形成生产线，实现加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。
目前，我国的制造业正在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。
本设计能够应用到加工工厂车间，满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸载加工工件的要求，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。
自动化机构设计——凸轮机构
推杆的运动规律
凸轮概念
★基圆：以凸轮最小半径r0 所作的圆，r0称为凸轮的基
圆半径。
★推程、推程运动角：d0
★远休、远休止角： d 01 ★回程、回程运动角：d 0 ★近休、近休止角： d 02
★行程：h
★推杆的运动规律：是指 推杆在运动过程中，其位 移、速度和加速度随时间 变化的规律。
◆组合运动规律
说明明： 凸轮一般为等速运动，有d t, 推杆运动规律
常表示为推杆运动参数随凸轮转角δ变化的规律。
第十页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。
◆多项式运动规律
1. 一次多项式运动规律——等速运动
★运动方程式一般表达式：
s v
C0 ds
C1d / dt C1
a dv / dt 0
偏距圆：以凸轮轴心O为圆心， 以偏距e为半径作的圆。
设计步骤与对心直动相同。
作图步骤：动画演示
应注意的不同点： ★先作出基圆和偏距圆，根据推 杆偏置方向确定其起始位置。
★偏距圆与位移线图对应等分
★推杆在反转运动中依次占据 的位置都是偏距圆的切线；
第二十八页，编辑于星期五：二十二点 二十七 分。
3. 直动滚子推杆盘形凸轮机构
d01：0~120°，推杆等速上升h； d02：120 ° ~180° ，推杆在最高位 置静止不动；
d03时： 180 ° ~270°，推杆以正弦加速
度运动回到最低位置；
d03时： 180 ° ~270°，推杆在最低位 置静止不动。
作图步骤：动画演示
第二十七页，编辑于星期五：二十二点 二十七 分。
2. 偏置直动尖端推杆盘形凸轮机构
中速轻载
余弦加速度运动规律：柔性冲击 中低速重载
弧面凸轮数控转台的设计—机械部分
弧面凸轮数控转台的设计摘要：弧面分度凸轮机构是由美国人C.N.Neklutin于20世纪20年代发明的，并由其所创建的Ferguson公司首先进行了系列化、标准化生产。
该机构是用于两垂直交错轴间的间歇分度步进传动。
由弧面分度凸轮、从动转盘以及在从动转盘径向均布的滚子组成。
由于弧面分度机构具有传动速度高、分度精度和动力学性能好、承载能力大、可靠性好等优点，所以广泛应用于各种自动机械，如烟草机械、包装机械、加工中心换刀机械手等。
分度凸轮机构具有结构简单，能自动定位以及动静比可任意选择的特点，与棘轮机构、槽轮机构、针轮机构等几种传统的间歇运动机构相比，更适合于要求高速、高分度精度的场合，因而广泛应用于各种多工位自动机械、直线步进机械中。
随着自动机械向高速化、精密化、轻量化的方向发展，现有分度凸轮机构已难满足更高要求的需要。
关键词：弧面分度凸轮，参数分析，运动仿真The globoidal indexing cam rotary tableAbstract:The globoidal indexing cam mechanism,which consists of a driving globoidal indexing cam and driven turret with four or six cylindrical rollers was firstly designed by an American,C.N.Neklutin,in 1920s and was manufactured by his own company in series and standard.The globoidal indexing cam mechanism has been using in many kinds of automatic machinery.It has great advantage over other indexing mechanisms,such as high speed、precise index and excellent kinetics.The indexing cam mechanisms are more suitable to the work conditions where high speed and accurate output precision are needed,and have been widely used in all kinds of multi-steps machines,linear intermittent machines due to their advantages of simple structure,automatic positioning compared with other intermittent mechanisms. However,existing indexing cam mechanisms can’t meet the requirements of the fast development of automatic machines.Key words：globoidal indexing cam,Parameter analysis,Motion simulation.第一章绪论1.1引言在当代机械制造业飞速发展过程中，现代机床制造业正在向“高速、精密、复合、智能和环保”的方向前进，而高速、高效加工在其中扮演着重要角色。
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引言间歇传动是自动机械和半自动机械中常用的机械传动方式之一，其作用是使设备中某些构件产生周期性的运动和停歇。
常见的机构如棘轮机构、槽轮机构等均存在着诸如振动、冲击严重；动载荷大、磨损剧烈；定位精度低等缺陷，从而大大限制了其发展和使用。
近年来，随着CAD/CAM的发展，在凸轮的设计、制造中提供了良好的帮助。
在数控机床上人们用包络原理可较容易的加工出无理论误差的凸轮轮廓面。
从而使凸轮机构广泛用于多种场合。
在美国、日本等国，间歇凸轮机构已形成了众多系列化产品，用户可很方便地根据自己需要选购合适的凸轮装置。
其中美国CAMCO、日本三兴线材工业株式会社品种较齐全。
在我国，凸轮间歇装置虽未形成工业化、系列化产品，但也有一些单位进行了长期的研究开发工作。
有些已具备了设计制造各种凸轮间歇装置的能力。
且对于弧面凸轮间歇摆动驱动装置类型的产品，在国内尚未出现或尚未得到广泛应用。
它的研究、设计、开发、推广可广泛应用于冲模送料及其他自动机械生产线中，具有广泛的推广应用前景。
第一章绪论1.1课题的背景及意义当前机械产品正沿着两个方向发展，一是大型化、自动化、成型化；二是小型化、多功能、结构简单、使用可靠。
在此发展过程中，各种各样的自动机械占有令人注目的地位。
近年来，随着社会的发展，机械与自动控制技术结合已成为现代机械制造生产系统中一个重要组成部分。
它的发展很快融和了当今先进的自控技术、信息处理技术、先进制造技术等新兴技术，逐渐形成了一门新的科学。
通过前些天参观中国西部国际装配制造业博览会，对此也感受颇深。
尽管此自动机械手发展很快，但仍不能取代纯机械的机械手，因为后者在可靠性尤其是价格方面都具有十分突出的优越性。
弧面凸轮机械手作为一种新型机械手，具有结构紧凑、可靠性好、成本低、精度高的特点，在现代场合仍具有十分重要的地位。
弧面凸轮机械手可以代替工人机械而繁重的劳动，是一种高效的自动化生产设备。
在国外，特别是美国、日本已有其定型产品。
我国关于这方面的研究还处于初期阶段，基于国内此类产品缺乏，使用者大多依靠进口，相应的使生产成本增加。
因此，研制生产迫在眉睫。
本课题就是在这样的情况提出的。
1.2 凸轮机构的发展概况凸轮机构是一种由凸轮、从动件和机架组成的传动机构，通常以凸轮作为机构的原动件。
其运动方式主要为连续回转和往复摆动。
工程中，大多根据从动件的运动状态（包括位移、速度、加速度等）来设计凸轮的轮廓数据。
早期的工程技术人员大多采用绘制法绘制凸轮轮廓。
这种方法不但效率低且精度差，很难精确地得到压力角和曲率半径，大多也仅限于平面凸轮的设计中。
随着计算机的广泛应用，以矢量法、非线性规划法为代表的各种新算法相继出现，把凸轮轮廓参数的计算推进到了一个崭新的阶段。
近年来，凸轮的计算机辅助设计/制造（CAD/CAM）研究也获得了初步成果，设计者利用计算机终端，只要给定原始的数据即可设计出总体上最优的凸轮。
可直接通过数控机床，并对刀具磨损、加工时的热变形等不定因素进行自适应控制就可加工出高精度的凸轮。
且随着新工艺、新材料的不断涌现，凸轮的设计与制造已变得比较方便，可以预计，凸轮机构在自动机械中的应用范围将越来越广泛，其工作性能将获得明显的改善，从而将更好的促进自动机械的发展。
1.3 凸轮机构的种类与特点凸轮机构形式繁多，是一种小型、简易、精密的机械，且因为它兼有传动、导向及控制个机构的各种功能，而得到了广泛地应用。
可产生复杂的运动轨迹，实现非等速运动等。
其工作特点和设计方法随机构形式而异，一般按凸轮的几何形状分类。
详细可见下面图2-1。
盘形凸轮——一般平面凸轮。
平面凸轮移动凸轮——是盘形凸轮的一种特殊形式，可视为转动轴线在无限远处。
圆弧凸轮——轮廓可为整圆或多段圆弧。
圆柱凸轮——从动件接触位置沿凸轮轴线方向空间凸轮圆锥凸轮——工作表面分布在端面或圆锥表面。
图2-1 凸轮类别1.4 凸轮分度装置的形式与特点由于本设计主要研究的是摆动、分度凸轮的结构，现就此方面作一比较详细的阐述和比较。
凸轮分度装置实属凸轮摆动装置的一种特例。
现已有系列化产品，形成了一定规范的分类。
凸轮分度机构是自动机械中实现高速、高精度间歇分度运动的新型传动装置，具有分度精度高、高速性能好、运转平稳、结构紧凑、体积小、重量轻、噪音低、寿命长等优点。
凸轮分度装置有圆柱凸轮分度装置、弧面凸轮分度装置及平行凸轮分度装置三大类型。
前两种属空间凸轮，后者属平面共轭凸轮。
可见下面图2-2。
弧面凸轮分度机构——利用弧面凸轮的工作曲面与从动盘上呈辐射状的分度运动与定位的，从而将连续的回转运动变为间歇运动输出。
其特点是输入与输出轴呈空间正交，可多姿态安装使用，广泛应用于各种自动机的间歇转位分度及自动生产线的步进运动。
分度数：1～24 分度精度：±15″～45″箱体中心距：40～300mm平行凸轮分度机构——利用一组平面共轭凸轮作为主动件进行连续匀速转动输入，凸轮共轭曲面与从动盘上各层滚子依次啮合，来实现输出轴的分度运动与定位，从而将连续的回转运动转变为间歇运动输出，其特点是输入轴与输出轴平行。
分度数：1～12 分度精度：±15″～45″箱体中心距：60～350mm圆柱凸轮分度机构——利用圆柱凸轮的工作曲面与从动盘端面同一圆周上均布的滚子依次啮合，推动从动盘作间歇运动输出。
其特点是输入轴与输出轴呈空间垂直相交，通常输出轴垂直向上安置使用。
分度数：6～60 分度精度：±30″～60″箱体中心距：60～1200mm图2-2 分度凸轮的类别通过比较可见区别如下：（1）空间凸轮分度装置适用于分度数比较大的场合。
而平行凸轮分度装置的最小分度数为1。
（2）空间凸轮分度装置的输入输出轴是空间交错垂直的，而平行凸轮分度装置的输入输出两轴是平行的。
（3）圆柱凸轮分度装置的空间结构最为紧凑，所用的空间最小，弧面凸轮分度装置次之。
（4）平行凸轮分度装置的输出轴可从机体两侧伸出，两侧同时输出。
（5）平行凸轮分度装置可在很高的速度下使用，其最大分度速度可达2000次/分。
而空间凸轮分度装置则一般在中、低速情况下使用。
1.5 本课题的主要内容运动规律是凸轮在运动阶段运动特性的体现。
根据弧面凸轮机械手的特点，选择最合适的运动规律以满足其设计的要求。
完成弧面凸轮机械手的结构设计，通过设计方案的比较，确定选用的结构形式。
根据相关计算公式，计算凸轮的运动参数和几何尺寸。
由动力学知识设计从动盘、输出、输入轴等。
并对凸轮机构重要部件进行强度寿命校核。
最后还应设计合理的箱体、选用相应的减速器和电动机。
第二章方案的拟定与比较2.1设计要求2.1.1 主要给定参数本设计中的主要给定参数见下面表2-1。
2.1.2 运动循环要求此机械手主要用于冲模送料及其他相应的自动生产线中，其运动轨迹有特殊的要求。
下图2—1所示的就是本设计机械手手臂即输出轴的运动轨迹。
631 2 4 5停歇期停歇期图2-1 运动循环图其中1、2、4、5部分是升降运动，其高度就是机械手的竖直行程。
3、6部分为水平部分为水平运动。
具体地说，首先，机械手在升降凸轮控制下向下运动接近工件，运动到位后在短暂的停歇期靠手爪抓取工件。
接着手臂向上运动到一定位置，升降运动停止。
然后 ,手臂在水平凸轮的下作水平运动。
待运动到位后，接着又由升降凸轮控制到达所需位置后，手爪放下工件，回升。
最后在水平凸轮的控制下回到初始位置，完成一个工作循环。
由以上分析也可看出，凸轮机械手的实际运动轨迹是由水平和升降两种直线运动组合而成的。
这两种运动分别靠相应的凸轮来控制实现，要求两个凸轮的运动有良好的配合。
2.2 方案的拟定与比较为了实现给定的运动轨迹，可采用多种结构形式。
在初步设计其结构时应基于以下几个因素考虑：（1）否满足预定的功能要求，包括运动形式、功率、转速等。
（2）对工件条件的适应性、包括工作场地、工作可靠性等。
（3）结构方面的要求，包括结构的复杂性、紧凑性、合理性等。
（4）维护方面的要求，是否便于安装、维修等。
（5）经济性方面的要求，应实现最佳的经济效益，有最优的性价比。
经初步确定有以下两种方案：方案一：采用两个普通盘形凸轮，一个推动输出工作端W作X向水平运动，另一个使W端作Z向竖直运动。
可见右边的示意图图2-2。
图2-2 方案1示意图方案二：采用两个弧面凸轮，从动盘上有两个轴线沿转盘径向分布的滚子，跨在凸轮圆环面的突脊上。
靠轮廓面推动从动盘摆动，从而实现输出手臂的水平竖直运动。
可见右边的示意图图2-3。
图2-3 方案2示意图结合结构设计的几点考虑因素，认为两种方案都不错。
第一种结构虽相对复杂点，但采用的是普通平面凸轮，设计、加工都比较容易。
第二种结构简单，但采用空间凸轮，设计、加工复杂。
然而由于近年来，计算机辅助设计/制造的研究获得一定成果，且随着新设备、新工艺、新材料的不断涌现，凸轮的设计与制造已变的比较方便。
在数控机床上可较容易的加工出高精度的空间凸轮。
所以此设计中采用第二种方案。
第三章主要运动参数和几何尺寸的确定凸轮分度装置是通过凸轮机构将输入轴的连续运动转变为输出轴的间歇转动。
本设计确切的讲应为弧面凸轮间歇摆动驱动装置，此机构用于两垂直交错轴间的间歇传动。
凸轮为回转体轮廓制成脊状，从动盘上有两个轴线沿盘径向分布的滚子，当凸轮旋转时，摆动段轮廓推动滚子，使从动盘转动；当凸轮转到停歇段时，从动盘上的滚子跨在凸轮圆环面突脊上，从动盘停止转动。
所以这种凸轮不必附其它复杂装置就能获得较好定位，又可通过从动盘上的调心端盖调整中心距来消除滚子与凸轮突脊间的间隙，也可补偿磨损。
3.1 凸轮升程角及停歇角分布本设计根据要求机械手每分钟的工作循环60次，工作循环时间即周期Tp=1s。
由于凸轮机械手运动曲线由两组独立的弧面凸轮经一定的机构变换组合而成。
经分解后，可知其有以下几个时间段组成。
可见图3-1和表3-1。
A ChzB hxD图3-1 工作循环图且应满足： T p=T1+T2+T3+T4+T5+T6+T7+T8=1sφ1+φ2+φ3+φ4+φ5+φ6+φ7+φ8=360°图3-1表示水平和竖直两个方向的运动时间错开时的运动示意图。
这时运动轨迹为一“门”字形。
在一个运动循环中水平X方向要完成两个行程，竖直Z方向要完成四个行程。
设B、D抓放动作都需要相当于凸轮转角30°的时间（即30/360=1/12秒）因此，应在300°凸轮转角内完成上述六个行程。
若设X、Z方向运动完成一个行程的时间分别是thx 、thz，相应的凸轮动程角θhx 、θhz，设两个方向取相同的运动规律，而且实际加速度也相等。
amx=amz由无因次量转换公式： amx = hx×A/ thx²a mz = hz×A/ thz²W d =θhx/ thx=θhz/ thz由以上诸多公式可得以下比例式： hx ：hz= thx²：thz²θhx ：θhz=xh：zh=150：70=1：0.67由上可知：θhx=300°/（1×2+0.67×4）≈64°θhz≈64°×0.67≈43°取整：θhx =70°θhz=40°由此可画出下面的循环图图3-2。