龔青山，羅敏，任愛華，鄭方焱

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，湖北十堰 442002；2.湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖北十堰 442002）

自動(dòng)換刀裝置用多頭復(fù)雜弧面凸輪參數(shù)化設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)特性分析

龔青山1，羅敏2，任愛華1，鄭方焱1

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，湖北十堰 442002；2.湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖北十堰 442002）

針對自動(dòng)換刀裝置（ATC）用弧面凸輪工作廓面的復(fù)雜性，應(yīng)用MathCAD和Pro/E軟件實(shí)現(xiàn)ATC用復(fù)雜弧面凸輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)；應(yīng)用ADAMS對ATC裝置中的弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，分析凸輪動(dòng)態(tài)嚙合過程中輸入與輸出軸速度、加速度及嚙合力的變化特性。

自動(dòng)換刀裝置；多頭弧面凸輪；參數(shù)化設(shè)計(jì)；動(dòng)力學(xué)分析

用于自動(dòng)換刀裝置（ATC）中的多頭弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)要滿足加工中心自動(dòng)換刀的時(shí)序、速度和精度要求，在一個(gè)工作周期中存在多個(gè)分度期和停歇期，分度盤要實(shí)現(xiàn)正反2個(gè)方向的分度運(yùn)動(dòng)，而且要求動(dòng)作準(zhǔn)確、可靠，與普通弧面分度凸輪相比較，結(jié)構(gòu)尤為復(fù)雜。ATC用弧面凸輪由多個(gè)獨(dú)立的凸輪槽組成，每個(gè)凸輪槽分別由多段凸輪曲線（面）及直線（槽面）組成；將多段獨(dú)立的凸輪曲線（面）定位直線（槽面）按照運(yùn)動(dòng)要求平滑的銜接，布置在一個(gè)360°的圓周上，從而實(shí)現(xiàn)用一個(gè)多頭多段弧面凸輪來完成機(jī)械手的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及靜止，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手轉(zhuǎn)位，完成“抓刀”和“換刀”動(dòng)作［1］。

1 ATC弧面凸輪運(yùn)動(dòng)過程分析［1-2］

ATC進(jìn)行一次換刀循環(huán)要完成抓刀、拔刀、換刀、插刀、復(fù)位5個(gè)最基本動(dòng)作，其中抓刀、換刀、復(fù)位3個(gè)動(dòng)作由弧面凸輪控制實(shí)現(xiàn)，拔刀、插刀是由其它機(jī)構(gòu)控制實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。

1）在bc段弧面凸輪轉(zhuǎn)過50°，控制機(jī)械手完成65°轉(zhuǎn)位，實(shí)現(xiàn)抓刀動(dòng)作；

2）在de段弧面凸輪轉(zhuǎn)過125°,控制機(jī)械手完成180°轉(zhuǎn)位,實(shí)現(xiàn)刀具交換；

3）在fg段弧面凸輪轉(zhuǎn)過65°，控制機(jī)械手反向65°轉(zhuǎn)位，手臂回到原始位置。

其它ab，cd，ef，gh段配合其它機(jī)構(gòu)如平面凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)拔刀和插刀動(dòng)作。

2 基于MathCAD和Pro/E弧面凸輪參數(shù)化設(shè)計(jì)

2.1 弧面凸輪結(jié)構(gòu)分析和參數(shù)選擇

本文所研究的弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)如表1［3］所示。

表1 弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)

根據(jù)ATC弧面凸輪的高速、穩(wěn)定性運(yùn)動(dòng)要求，機(jī)械手65°正轉(zhuǎn)行程（bc段）和65°反轉(zhuǎn)行程（fg段）采用修正等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律（MCV），180°正轉(zhuǎn)行程（de段）采用修正正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律（MS）。

2.2 弧面凸輪參數(shù)化建模

2.2.1 參數(shù)化建模原理

ATC弧面凸輪的廓面根據(jù)空間包絡(luò)曲面的共軛原理進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，廓面方程如下［1］：

2.2.2 參數(shù)化建模

根據(jù)上面的計(jì)算思想，利用MathCAD軟件編寫程序，計(jì)算出弧面凸輪廓面三維坐標(biāo)，然后生成3個(gè)廓面坐標(biāo)的數(shù)據(jù)文件（圖2），將文件保存為ibl格式，然后應(yīng)用Pro/E曲線功能生成嚙合廓面，通過拉伸等命令，最終完成弧面凸輪三維造型，如圖3所示。然后完成分度盤的造型，最后完成弧面凸輪機(jī)構(gòu)的裝配，如圖4所示。

3 弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析

3.1 定義約束和添加運(yùn)動(dòng)副

在Pro/E環(huán)境下完成弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)的裝配后，然后將裝配好機(jī)構(gòu)導(dǎo)入到ADAMS中，從而建立在ADAMS環(huán)境中弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)參數(shù)化虛擬樣機(jī)。在ADAMS環(huán)境下，對樣機(jī)模型施加各種約束及定義滾子與凸輪之間的接觸。首先對凸輪軸和分度盤軸與機(jī)架之間定義旋轉(zhuǎn)副，只允許各自繞自身軸線旋轉(zhuǎn)；凸輪與凸輪軸、分度盤與分度盤軸之間定義剛性連接；為了真實(shí)反應(yīng)運(yùn)動(dòng)情況，6個(gè)滾子與滾子軸之間定義為旋轉(zhuǎn)副；最后分別定義6個(gè)分度盤滾子與凸輪之間的作用力為contact。［4-5］

3.2 設(shè)置運(yùn)動(dòng)參數(shù)

根據(jù)自動(dòng)換刀裝置速度要求，設(shè)定弧面分度凸輪等速轉(zhuǎn)動(dòng)速度為60 r·min-1，凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周即可完成一次換刀任務(wù)，即完成一次換刀時(shí)間為1 s。凸輪材料為20CrMnTi鋼，表面硬度為HRC55～60，分度盤材料為45#鋼。采用Impact函數(shù)來計(jì)算接觸力，凸輪和滾子碰撞所引起的碰撞力，可以作為2個(gè)變曲率半徑柱體碰撞問題。完成參數(shù)設(shè)置后的虛擬樣機(jī)如圖5所示。

3.3 虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真分析

對樣機(jī)進(jìn)行時(shí)間t為1s、步長step為100的動(dòng)力學(xué)仿真，在ADAMS/PostProcessor中觀察仿真結(jié)果。在運(yùn)動(dòng)仿真中，弧面分度凸輪作為主動(dòng)件，驅(qū)動(dòng)分度盤作分度運(yùn)動(dòng)?；∶娣侄韧馆喌人俎D(zhuǎn)動(dòng)速度為（360（°）·s-1），凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周即可完成一次換刀任務(wù)，即換刀時(shí)間約為1 s?；∶娣侄韧馆啓C(jī)構(gòu)在自動(dòng)換刀裝置中主要是驅(qū)動(dòng)換刀機(jī)械手做正轉(zhuǎn)65°抓刀、正轉(zhuǎn)180°交換刀、反轉(zhuǎn)65°回位運(yùn)動(dòng)。如圖6所示為弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)輸出軸角位移曲線，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7為輸出軸角速度隨時(shí)間變化曲線,由圖7可以看出，輸出軸按設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)。在機(jī)械手65°正轉(zhuǎn)行程和65°反轉(zhuǎn)行程采用修正等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，圖7中0～0.35 s之間。查文獻(xiàn)［1］，無量綱速度最大值Vmax為1.28。

將式（3）變形得出

將Vmax代入式（4）得

圖7仿真值601.013與理論值基本相符。

在機(jī)械手180°正轉(zhuǎn)行程采用修正正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律，圖6中0.35～0.65 s之間。查文獻(xiàn)［1］，Vmax為1.76。

將Vmax代入式（4）得

圖7仿真結(jié)果915.8707與理論值相符。

圖8為輸出軸角加速度曲線，仿真結(jié)果波動(dòng)比較厲害，與理論值誤差較大。圖9為分度盤滾子與凸輪廓面嚙合，從嚙入到嚙出動(dòng)態(tài)嚙合力。

3.4 誤差分析

分度盤的角加速度波動(dòng)較厲害，這主要是因?yàn)榉抡嬷姓駝?dòng)、零件產(chǎn)生彈性變形等，以及仿真過程中對參數(shù)的取值存在誤差，主要包括阻尼系數(shù)、碰撞指數(shù)、摩擦系數(shù)等，并且理論計(jì)算沒有考慮這些因素，使得仿真結(jié)果誤差較大。

4 結(jié)論

應(yīng)用MathCAD和Pro/E軟件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)ATC用復(fù)雜弧面凸輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)，為ATC用復(fù)雜弧面凸輪設(shè)計(jì)提供了一種新的建模方法；利用ADAMS對建立的模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，并仿真結(jié)果與理論值進(jìn)行比較和分析，表明虛擬樣機(jī)模型建立的正確性；對改進(jìn)和優(yōu)化弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，提高ATC弧面凸輪的動(dòng)力學(xué)性能有重要的意義。

［1］劉靜.雙凸輪聯(lián)動(dòng)自動(dòng)換刀技術(shù)的研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2008.

［2］龔仲華.數(shù)控技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：45-55.

［3］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［K］.（第1卷）.5版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007：4-122～4-135.

［4］徐鋒,徐年富,賀煒.基于CATIA和ADAMS的弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)的建模和仿真［J］.機(jī)械傳動(dòng),2009,33（5）：42-43.

［5］郭衛(wèi)東.虛擬樣機(jī)技術(shù)與ADAMS應(yīng)用實(shí)例教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

Parameterized Design and Dynamic Analysis of Complex Multithread Globoidal Cam for Automatic Tool Changer

Gong Qingshan1，Luo Min2，Ren Aihua1，Zheng Fangyan1
（1.Dept.ofMechanical Engineering，Hubei Automotive Industries Institute，Shiyan 442002，China; 2.School ofElectrical and Information Engineering，Hubei Automotive Industries Institute，Shiyan 442002，China）

The parameterized design of the Globoidal Cam Indexing Mechanism used in Automatic Tool Changer（ATC）is realized by using MathCAD and Pro/E.The dynamics simulation of the mechanism is carried out in ADMAS.The change characteristics of angular velocity，angular acceleration of the input and output shaft and contact force between the engagement roller and the cam are analyzed.

Automatic Tool Changer（ATC）;multi-thread globoidal cam;parameterized design;dynamics analysis

TH132.47

A

1008-5483（2011）03-0026-04

2011-07-07

龔青山（1982-），男，湖北十堰人，碩士生，從事凸輪理論與應(yīng)用研究。