楊保健，伍錦棠，鐘永華，王宏民，何耀城

（五邑大學(xué)智能制造學(xué)部，廣東江門(mén) 529020）

0 引言

現(xiàn)今，市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越劇烈，具有復(fù)雜曲面的產(chǎn)品越來(lái)越多，雖然通過(guò)數(shù)控、電火花加工以及CAD/CAM的應(yīng)用，產(chǎn)品曲面的形狀加工基本可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但是因?yàn)槟壳白詣?dòng)化拋光機(jī)器及其耗材成本很高，所以產(chǎn)品曲面的拋光加工主要還是交由熟練的工人憑借其豐富的經(jīng)驗(yàn)完成[1-2]。這對(duì)工人的技術(shù)要求高，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，而且曲面拋光后的表面質(zhì)量穩(wěn)定性難以保證。所以提高自動(dòng)化水平、提高效率、降低環(huán)境污染在拋光領(lǐng)域顯得尤為重要。

三頭浮動(dòng)式拋光機(jī)是一種能夠自適應(yīng)貼合各種曲面的拋光機(jī)。三頭浮動(dòng)式拋光機(jī)可以代替工人的體力勞動(dòng)，更可代替或輔助工人的腦力勞動(dòng)，自動(dòng)完成對(duì)各種產(chǎn)品的曲面加工。加工前，工人只需根據(jù)不同表面加工要求選用并更換不同的拋光用具；在整個(gè)加工過(guò)程，工人只需要在旁觀察等候更換拋光件。這大大提高工作和生產(chǎn)效率，提高生產(chǎn)自動(dòng)化程度；也大大降低拋光工人的學(xué)習(xí)成本，降低對(duì)拋光工人的技能要求，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工人的工作環(huán)境[3-4]。三頭浮動(dòng)式拋光機(jī)在保證和提高產(chǎn)品精度的同時(shí)，在一定程度上降低生產(chǎn)成本，有助于幫助合作企業(yè)提高自動(dòng)化生產(chǎn)水平。

1 浮動(dòng)式拋光機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三頭浮動(dòng)式拋光機(jī)設(shè)計(jì)的靈感來(lái)源于三頭浮動(dòng)式剃須刀。三頭浮動(dòng)式拋光機(jī)運(yùn)用這類(lèi)剃須刀貼合凹凸不平的面部的特性，讓拋光頭能夠?qū)崿F(xiàn)一定幅度的浮動(dòng)，從而自動(dòng)調(diào)整自身與拋光曲面的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)貼合各種曲面的功能。

1.1 三維平臺(tái)設(shè)計(jì)

在XYZ平臺(tái)上，三頭浮動(dòng)拋光機(jī)固定在Z軸上，再在平臺(tái)底部安裝一個(gè)可自轉(zhuǎn)的夾具，用以?shī)A緊拋光件，并讓拋光工件旋轉(zhuǎn)起來(lái)。而夾具則需要根據(jù)拋光工件的形狀設(shè)計(jì)專用夾具。

因?yàn)楦?dòng)式拋光頭可以自適應(yīng)地貼合拋光表面，所以運(yùn)動(dòng)軌跡較為簡(jiǎn)單，故采用雙X軸式XYZ平臺(tái)，如圖1所示。

圖1 雙X軸式XYZ拋光平臺(tái)

1.2 拋光頭設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一行星輪機(jī)構(gòu)，如圖2（a）所示，用1個(gè)電機(jī)控制3個(gè)拋光頭獨(dú)自轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)1根主電機(jī)軸經(jīng)由行星輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)另外3根從動(dòng)軸獨(dú)自轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2所示。因?yàn)閽伖忸^在與拋光平面接觸進(jìn)行拋光時(shí)，拋光頭轉(zhuǎn)速會(huì)變慢。而拋光不銹鋼的一般轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，轉(zhuǎn)速為1 500 r/min的電機(jī)比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠[5-6]，故把轉(zhuǎn)動(dòng)比定為：1∶2。出于對(duì)拋光裝置體積的考慮，所以定齒輪模數(shù)為1，小齒輪齒數(shù)為23，厚度為15 mm；大齒輪齒數(shù)為46，厚度為20 mm。故傳動(dòng)比為：i=46/23=2，齒輪分度圓直徑為：d大=46 mm，d小=23 mm。整體裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 拋光頭三維模型

拋光輪與行星輪軸的聯(lián)結(jié)是拋光頭設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。球頭連接機(jī)構(gòu)和間隙配合都能實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)的功能。但是球頭連接結(jié)構(gòu)不能夠傳遞扭矩，且拋光效果很差[7]，達(dá)不到拋光要求，故采用間隙配合來(lái)傳遞扭矩，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。3個(gè)凸齒與3個(gè)凹齒之間存在一定的間隙，而間隙空間的存在使得拋光部件可以浮動(dòng)。另外用3個(gè)彈簧讓拋光浮動(dòng)部件移位后復(fù)位，同時(shí)用3個(gè)彈簧給1個(gè)壓緊力給拋光浮動(dòng)部件，讓其能夠與拋光件平面緊緊貼合。拋光浮動(dòng)部件圖3（b）所示。

彈簧支撐起拋光浮動(dòng)部件，彈簧和間隙的存在使它可以浮動(dòng)且浮動(dòng)可控。當(dāng)拋光頭壓到拋光平面進(jìn)行拋光時(shí)，拋光浮動(dòng)部件會(huì)壓下彈簧，改變它與拋光平面的相對(duì)位置，讓它始終貼合拋光平面，跟隨凹凸不平的平面改變；當(dāng)拋光頭離開(kāi)拋光平面后，拋光浮動(dòng)部件會(huì)自動(dòng)復(fù)位。浮動(dòng)式拋光頭的這種自適應(yīng)性有助于提高拋光作業(yè)的自動(dòng)化程度。

圖3 拋光頭的間隙配合聯(lián)結(jié)

2 關(guān)鍵部件有限元分析

行星減速機(jī)構(gòu)既能公轉(zhuǎn)也可自轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)單拋光頭的自拋和三拋光頭的混拋。對(duì)行星減速機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真分析。在Unigraphics系統(tǒng)的高級(jí)分析模塊中，首先將幾何模型轉(zhuǎn)換為有限元模型，然后進(jìn)行前置處理包括賦予質(zhì)量（Quality）屬性、施加約束（Constraint）和載荷（Load）等。接著提交解算器（Solver）進(jìn)行分析求解，采用默認(rèn)解算器NX Nastran進(jìn)行求解.最后進(jìn)入后處理階段，采用直接顯示資料或顯示圖形等方法來(lái)表達(dá)求解結(jié)果，仿真分析結(jié)果如圖4所示。等效應(yīng)力情況如圖4（a）所示，該零件工作時(shí)所受的最大應(yīng)力是0.177MPa，此值乘上安全系數(shù)后略小于材料的許用彎曲應(yīng)力，為此該零件設(shè)計(jì)較為合理，無(wú)需進(jìn)行優(yōu)化。行星齒輪間接觸面的接觸應(yīng)力最大約為0.1 MPa，均勻分布在接觸處的齒面上。

圖4 有限元分析結(jié)果

3 結(jié)論

基于三頭剃須刀的工作原理，設(shè)計(jì)三頭浮動(dòng)式拋光機(jī)械手，并對(duì)行星減速機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，結(jié)果顯示行星齒輪所受的最大應(yīng)力和齒面接觸應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，所設(shè)計(jì)的拋光頭結(jié)構(gòu)能夠滿足曲面拋光的工藝需求。