凸轮机械手

2024-12-18

凸轮机械手（精选4篇）

凸轮机械手篇1

0 引言

近年来,自动机械手发展很快,纯机械的机械手,在可靠性,价格方面具有优越性。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,在现代生产上仍具有十分重要的地位。

1 方案的拟定与比较

1.1 设计要求

1.1.1 主要参数,如表1所示

1.1.2 运动循环要求

此机械手用于冲模送料中,其输出轴的运动轨迹。

1、2、4、5是升降运动,其高度就是机械手的竖直行程。3、6为水平运动。机械手在升降凸轮控制下向下运动接近工件,到位后在短暂的停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两种直线运动组合而成的,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。

1.2 方案拟定

确定方案:

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所示。

方案结构简单,采用空间凸轮,设计、加工复杂,在数控机床上可加工出高精度的空间凸轮。

2 主要运动参数和几何尺寸的确定

2.1 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。如图3所示。

2.2 主要运动参数

1)凸轮转速连续旋转n=60r/min

2)凸轮角速度W=2 n/60=2π×60/60=2π/s

3)水平凸轮的动程角θhx=90°

提升凸轮的动程角θhz=50°

4)水平凸轮停歇期转角θd1=90°

提升凸轮停歇角转角θd2=40°

5)凸轮动程角取2°。

6)从动盘的摆动期时间tf1=θhx×t/2π=1s/4tf2=θhz×t/2π=5s/36

7)从动盘的停歇期时间td1=1s/12td2=1s/9

8)凸轮摆动廓线旋向及旋向系数P左旋P=+1

9)水平从动盘φf1=40°

提升从动盘φf2=20°

10)从动盘摆动角位移φi(°)φi=Sφf

11)从动盘摆动期角速度W2=φf×V/tf

3 主要零件的设计与计算

3.1 杆长计算

由图4可看出杆1长度为│BD│的长度

则滑槽的理论长度为│CE│

考虑到竖直行程为70mm,则滑槽的实际长度为:

1个竖直行程+滑槽的理论长度+滚子半径+余量

3.1.2 计算杆2的长度经推算杆2长为151.56mm

3.2 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NAKD35型轴承。

3.3 水平从动盘设计

此机构上应设有两个安装滚子的孔,由于滚子直接和凸轮接触,所以这两个安装孔的要求较高,特别是垂直度、粗糙度及孔中心线间的夹角等都有严格的要求.为了安装和拆卸的要求,不影响其强度,且便于安装,可在其下部再钻一小孔。滚子与从动盘间的配合为H7/s6,过盈配合。在A向处要安装连杆1,为保证足够强度,采用四个M6×20的内六角螺钉。提升从动盘的结构与形式与此大致一致。

4 直动型凸轮式机械手系列设计LPP200

4.1 方案确定

根据工艺要求等条件,确定其结构如图5-1所示。该机构由两个凸轮机构组成。一个推动输出端W作X方向的水平运动;另一个使W作Z方向的垂直运动。从动件中的三个滑动副可以保证X、Z两个方向的运动互相独立。两个从动系统可以把行程放大

根据生产条件给定:

行程:X方向HX=200mm

Z方向HZ=70mm

设计速度:ω=2Πs-1(即凸轮所在轴——输入轴的转速60/min)

4.2 基本参数计算

4.2.1 主要距离计算

根据给定的条件可计算出主要距离,如表2所示:

4.2.2 动程角的确定

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。

为了两个凸轮的动程角,改善其受力状况,可让X、Z向的运动有一段时间内同时进行,采用倒“U”型的运动轨迹。

4.3 结构设计

自动机械中的凸轮机构结构设计应满足工艺要求,能实现预定的运动,能承受工作中连续载荷的作用,尺寸紧凑而符合整机的安装要求,易于加工与装配,而且成本低、寿命长。为了保证凸轮的形位约束,X向凸轮可采用一组共扼盘形凸轮,为提高装配的精度,减少端面的跳动,可将它们装在同一个凸轮座上。Z向凸轮则可做成槽凸轮。作为自动机械的从动件,可分为直动杆和摆杆。从动件除受拉、压应力外,还常常受到弯矩作用,应此必须具有足够的抗压和抗弯刚度。

先将装配图草图绘制如下,并表出主要部件与附件,以便对设计有一总体的认识和了解。

5 结束语

间歇传动是自动机械和半自动机械中常见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。对于弧面凸轮间歇摆动驱动装置,国内未见到有此类型的机构出现。所以本设计具有一定的挑战性及现实意义。

参考文献

[1]张波,等.多功能上下料用机械手液压系统[J].液压与气动,2002.

[2]朱春波,等.气动上下料机械手[J].液压气动与密封,1999.

[3]周伯英.工业机器人设计[M].北京:机械工业出版社,1995.

[4]蔡自兴.机器人学[M].北京:清华大学出版社,2000.

[5]王天然.机器人[M].北京:化学工业出版社,2002.

[6]王承义.机械手及其应用[M].北京:机械工业出版社.1981.

[7]机械设计手册(第1-5卷).

[8]天津大学.工业机械手设计基础[M].天津人民出版社.1980.

印刷机械凸轮机构失效分析篇2

关键词：凸轮机构,印刷机械,失效

1 凸轮受力分析

1.1 凸轮在正常运转的过程中, 在每一个循环周期中都会和相邻的部件产生摩擦, 这种荷载作用在凸轮上, 对凸轮产生了很大的影响。期间作用在凸轮上的荷载力来自于不同的方向, 其大小和作用点都是在不断的变化的。

1.2 根据分析对象的特点, 对于凸轮机构所承受的载荷可看成是变的静载荷。如果载荷方向与从动件升程方向相反, 则在加速段, 此载荷与惯性力同向;而在减速段, 此载荷则与惯性力反向。根据Hertz创立的金属弹性接触理论, 在印刷机械中凸轮和滚子的接触属于典型的赫兹接触, 即凸轮与滚子在接触区域发生局部弹性变形, 载荷作用在公法线上, 变形区域为一长方形表面, 其最大接触应力发生在接触区域的中线上嗍。为简化分析, 计算时凸轮机构所承受的载荷采用一个循环周期内最大的瞬时载荷, 认为危险部位失效时凸轮副失效。

2 有限元分析

2.1 以某型印刷机械中的凸轮摩擦副为研究对象, 已知滚子从动件的升程为85mm, 凸轮基圆半径为80mm, 滚子半径为25mm。根据分析对象的特点, 实际凸轮滚子摩擦副的有限元模型如图l所示。

2.2 凸轮副材料的选配影响其摩擦学特性, 应选择具有良好的抗点蚀、抗擦伤性和固态互溶性低的材料配对。本文所分析的某凸轮副材料性能如表l所示。其中凸轮材料为Cu—Cr-Mo耐磨铸铁。

2.3 在MSC.MARC软件中, 选用四面体单元对凸轮副几何模型划分网格, 在凸轮与滚子的接触部分划分的单元比较密集, 其它部分较为稀疏。对凸轮施加约束限制其在空间的全部自由度, 对滚子施加约束限制其除接触法线方向外的全部自由度。并将二者设置为弹性可变形体, 施加接触约束。在滚子上施加载荷后提交任务, 计算凸轮机构的受力情况。结果如图2所示。

3 失效分析及磨损机理

3.1 在实际的工作当中, 凸轮以及从动件一般情况下是处于边界润滑状态, 无法形成流动状态的润滑油膜, 所形成的油膜厚度还不及凸轮摩擦表面的粗糙度, 那么这种状态下, 机器在运转的时候就相当于在半干摩擦的状态下工作。在机器运转中, 造成金属表面磨损一个重要的因素就是在膜弹流润滑下, 在金属的表面会有凸起的峰点, 他们的接触直接造成机器的磨损。根据相关的理论依据, 在机器运行期间, 在摩擦副界面之间, 润滑油膜可以建立一个动压的承载压力, 所产生的动压值可以将赫兹接触状况下的接触应力挤压表面分开。在机器运转的条件下, 由于自身的旋转, 润滑介质会产生流体润滑油膜的承载力, 这样的话就可以在旋转体和滑动面之间制造一点空隙, 使之隔开。在运行, 如果油膜的厚度不够, 不能够将两个接触面之间的粗糙峰有效的隔离的话, 那么摩擦副将会进入到混合摩擦的状态下, 也就是说在膜润滑和微凸体接触的时候, 在他们之间同时存在部分膜润滑和边界润滑的状态。在机器的运转速度很高的状态下, 就会产生一定的摩擦热, 导致润滑油膜破断, 摩擦的系数将会更大, 严重的情况下可能会发生局部位置的烧结。通常情况下, 机械的磨损事故都是在这种状态下发生的, 在凸轮和滚子的接触表面上, 是凸轮摩擦副产生最大法向应力的位置, 在据表层一定深度的材料内部则会产生最大的剪切力, 在这两种力道的作用下, 在机械的亚表层就极容易发生塑性的变形和形成裂纹的源头。微裂纹扩展与连接就形成磨屑。根据凸轮轮廓与滚子的受力状况和摩擦副的磨损特征, 可以看出其失效方式与齿轮传动类似, 属于疲劳磨损和粘着磨损失效。凸轮和其从动机构滚子是以滑动摩擦为主的点接触或线接触摩擦副。在摩擦过程中, 摩擦界面的接触首先是占总表面百分之几的微凸体的接触, 当载荷作用时真实接触点上的应力超过其屈服极限, 将会发生塑变流动;接触点受到反复的揉擦压力, 导致表层分子结构歪变, 在范德华力和静电引力等的相互作用下, 产生强烈的粘附作用, 使界面发生“冷焊”, 出现金属“转移”现象, 物质将从摩擦副的一方转移到摩擦副的另一方。为减轻摩擦、磨损和防止机械损伤, 可以在润滑油中加入少量润滑油极压抗磨剂, 以形成具有油性 (低温、轻载荷) 或极压性 (高温、重载荷) 的润滑油。这种添加剂在摩擦过程中能牢固吸附在金属表面上, 使界面接触点的凸部填平, 减少滑动阻力和防止擦伤, 并利用摩擦化学反应, 产生化学吸附膜和半流体的润滑膜, 承受摩擦载荷, 极压化学反应膜对抑制边界摩擦磨损起重要作用。

结语

通过以上的叙述, 对凸轮机构在印刷的过程中可能产生失效的原因进行了分析, 在分析的过程中, 对各个因素都进行了深入的剖析, 为以后在印刷中出现故障做出了参考, 可以对故障做出事先预防, 出现故障可以及时的进行诊断和解决, 使机器可以得到及时的维修, 尽量的减少损失。在印刷行业中, 如果机器出现了故障, 将会为生产带来很大的损失, 所以说要对这些进行全面的分析, 综合各方面因素进行考量, 使印刷机械能够更好的为印刷业服务。

参考文献

[1]顾文彬.凸轮机构的摩擦磨损失效分析.纺织机械, 2005.

[2]史义军.印钞机械共轭盘形凸轮参数设计与数控加工研究.南京理工大学, 2006.

[3]莫亚梅.凸轮机构研究的现状及发展趋势.南通工学院学报.1999.

多功能凸轮机械手臂的设计与制作篇3

在现代化社会进程中, 工业的地位不言而喻, 其对于国民经济的重要性更是众所周知。而机械手臂在现代工业中占据着举足轻重的地位, 然而现状则是我国自动化水平与世界还存在一定的差距, 我国工业机器人及自动化成套装备的发展在很多方面的技术需要更大的提升, 零部件的自动抓取放置机构就是其中之一。怎样完成在特定的时间、地点、特殊条件下的复杂工艺机械化是当下众多加工生产单位头疼的大问题。数据表明, 由于某些特殊工艺加工时的夹具不当, 机械操作经验主导而致的工伤意外事故占据着不容忽视的比例, 可以说机械手臂的研制和开发刻不容缓。本文介绍的基于凸轮机械手臂在一定程度上缓解了该现状, 对于国内中低端市场该领域的空白有一定填补作用, 机构在传统机械手臂的基础上对于操作时的空间感进一步加强, 可完成前后、左右、上下、多工位旋转等一系列立体三维工位变换, 较以往设计再次创新。

二、凸轮机械手臂的创新方案

传统凸轮机械手臂的结构组成一般较为繁琐, 组件较多。本文所介绍的凸轮机械手臂一改传统限制, 用一台电机作为能量输出, 带动中心凸轮转动, 完成顶出动作, 以凸轮外端至远点为机械手臂最大行程, 凸轮至近点作为最小行程。电机安装在机构整体的至高处, 以上下垂直传动的方式带动凸轮运作, 减少了电机的占用空间, 由此设计减少中间环节的齿轮结构, 与此同时排除了由于齿轮传动上所带来的结构不稳定性。

在比较了各种回程方式后, 本机构选择了弹簧作为机械手臂回程的动力源, 两条标准弹簧拉动主体机构完成夹紧动作, 经严格的计算后弹簧配置与电机的动力源形成一定的平衡, 既不过大也不过小。由此带来的好处就是回程机构简单实用, 造价低廉, 易于实现大规模批量生产。

考虑了现代化生产轻量化科技化的发展需求, 在传统机械手臂的实际尺寸上精简了许多累赘的配置, 对于主体支撑柱的设计则采用方形多台阶形式, 以各级台阶作为机构升降的基础, 由此保证了机械手臂在每一级的稳定性和升降的操作简洁。同时多台阶的设计模式也为装置的实际安装带来了方便, 使得机构的利用率大大提高。

机械手臂的底座分为两层, 上底座为固定整体机构所用, 下底座与上底座之间由多轴承连接, 此新颖设计可以在需要时灵活改变机构位置, 由上下底座之间发生的相对位移和转动实现机构的前后及多工位转动。

以上各类设计较为全面地考虑了机械手臂的多种特质, 具有外形美观, 操作简单易懂, 变动灵活、配置机动性强等优势。

三、动力系统 (以项目制作的样机为例)

本机械手臂样机采用一台12V直流电机, 电机数据如下:电压:12V;电阻:2Ω;力矩:15kg·cm;转速:可调, 分为12, 9, 6, 3, 1.5五个档级。

由于需要机构完成特定时间的夹取放置, 在装夹的过程中可能发生一些操作行为, 所以本电机运作并不是单独工作, 由驱动器, 控制器, 电源适配器, 数控单片机共同完成控制, 配合实现转动的连续和点动。能实现定时定点的开关, 使得凸轮转动角度实现可操控性, 对机械手臂的开合大小时间实现无缝操作。既可以满足现代化大规模生产实践的应用, 也可以满足小规模单产加工的功能。完成一次装夹后, 可以选择重复装夹动作 (适应流水线操作) 或者单点单动模式 (适用于人工不规律操作) 。进一步讲, 操作者可以根据加工的需求来选择适合的操作模式, 在需要的时候灵活调配变换。

四、凸轮机械手臂的运行原理及制造

凸轮机械手臂设计图纸 (见图1) , 机械手臂示意图 (见图2) 。

运行原理及方案:电机输出能量带动减速装置转动, 通过连接轴将动能传递给外端凸轮, 凸轮转动后依靠转矩扭力撑开被弹簧拉紧的两条机械手主臂, 带动夹具运动, 当凸轮转至最大行程之后夹具停止运动, 弹簧回收夹紧构件从而完成一次夹取。

加工中以数控机床、加工中心、电火花线切割等技术为主。一是使用电火花线切割技术, 完成所有构件的大致雏形, 并精确加工机械手手爪部分。二是使用数控铣床, 完成精加工。三是对较难的加工部分通过三维建模之后数控编程, 用现代化的加工中心完成此部分, 例如较为复杂的电机盒等零件。四是将不便于实现加工或者标准件等采用外购形式 (例如:轴承、电机等) 。

完成上述加工及采购后用螺纹紧固件连接装配各级零件, 校核数据之后凸轮机械手臂制造完成。

五、结语

通过上文的介绍, 我们发现基于凸轮机械手臂的创新设计是可行的, 该设计具备操作简洁, 实用性强, 造价低廉, 应用范围广, 外形美观等特点。在实际应用中可以发挥重要作用, 稍作改善则可涵盖各行各业的各种加工环节。加工制作实体之后, 基本满足设计需要, 运行结果令人满意。我们期待能通过此次创新设计, 切实解决一部分劳动者的操作难题, 为基层作业人员提供一个更加安全稳定的工作环境, 也希望本项目能得到更多的关注, 在今后的发展中带来更切实的应用, 付诸实践, 造福社会。

摘要：针对现阶段中国基层机械手臂应用率低下, 工业自动化尚不完善的格局进行凸轮机械手臂的简化创新设计, 研制多功能凸轮机械手臂, 结构新颖外形美观, 实用性强, 具有一定的社会意义和实用价值。

关键词：机械手,凸轮式,成型设计

参考文献

[1] .李广鑫, 曹为.基于solidworks的机械手臂虚拟设计与运动仿真[R].全国先进制造技术高层论坛暨第九届制造业自动化与信息化技术研讨会, 2010

[2] .方代正.新型弧面凸轮钢球式工业机械手设计与研究[D].陕西科技大学, 2004

凸轮机械手篇4

传统凸轮机构主要由凸轮, 从动件和机架组成, 是一种高副机构, 相对于连杆机构, 传统凸轮机构可以实现的输出和输入关系更为复杂, 但是凸轮难于加工和制造, 承载能力低, 且易磨损, 运动可靠性差的缺点, 一直是传统凸轮机构在各种机械运动控制装置中的尴尬所在, 为了解决这些问题, 提出一种新型凸轮机构——无机械凸轮。

2 无机械凸轮的结构和运动分析

无机械凸轮是由伺服直线电机直接带动从动件运动, 去掉了传统凸轮机构中的凸轮, 伺服直线电机的运动由数字信号处理器控制, 通过检测从动件的位置、速度、加速度与理论位置、速度、加速度之间的误差, 数字信号处理器发出控制伺服直线电机运动的指令, 伺服驱动器根据输入信号的电压控制伺服直线电机, 从而改变伺服直线电机的动子的位移或速度, 从而调整运动使之更符合理论值。数字信号处理器中存有许多个从动件的运动规律, 当从动件需要实现某种运动规律时, 可以从数字信号处理器中调用。同样, 我们也可以自己根据实际需要编写程序来实现从动件的运动规律。

伺服电机实现无机械凸轮运动:通过调周期给伺服驱动器发送命令使伺服驱动器发送命令控制伺服直线电机运行各种曲线, 定义一个凸轮表和一个定时器, 根据不同的曲线计算出凸轮表, 凸轮表中的数据时每次定时器中断填充计时值, 中断时发送一条命令, 同时根据内部计数索引在凸轮表中取出定时值修改定时器。伺服驱动器控制伺服直线电机控制无机械凸轮的运动, 而伺服驱动器的输入信号电压是由数字信号处理器根据速度检测和位移检测反馈来改变, 因此无机械凸轮是依靠各种控制器和检测器相互协调、控制的具有反馈功能的智能凸轮。

3 无机械凸轮的优缺点

3.1 经济性:

传统凸轮机构中凸轮制造成本高加工困难, 无机械凸轮去掉了传统凸轮机构中的凸轮, 因此极大的降低了凸轮机构的成本, 提高了生产率。

3.2 运动性:

无机械凸轮由于依靠伺服直线电机控制, 并且由运动控制系统实时监测系统的运动误差, 然后反馈给数字信号处理器, 因此, 相对于传统凸轮, 无机械凸轮可以达到非常高的运动准确性、快速性和可靠性。

3.3 输出运动的柔性:

输出运动的柔性是指凸轮机构从动件可以输出的不同运动规律的种类, 种类越多, 柔性越大。传统的凸轮机构是根据从动件的运动规律设计出凸轮的轮廓曲线, 不同的从动件运动规律所设计出的凸轮的轮廓曲线也不同, 所以一个凸轮机构只能输出一种运动, 与之相比, 无机械凸轮由于数字信号处理器中存有各种各样的从动件的运动规律, 同时用户也可以自己编写不同的运动规律, 因此, 输出的运动柔性大很多。

3.4 改善从动件的运动柔性或者刚性冲击:

以从动件等速运动为例, 当从动件等速运动时, 速度存在突变产生刚性冲击, 无机械凸轮可以通过编程实现从动件速度的渐变来消除刚性冲击, 同样, 也可以编程实现加速度渐变来消除柔性冲击。

3.5 缺点:

由于目前伺服直线电机还无法达到很高的功率, 所以无机械凸轮还不能用于载荷非常大的工况。

4 无机械凸轮的发展前景

无机械凸轮未来可以代替传统凸轮广泛用于汽车制造、冶金、机械加工、水利水电等各个领域。比如在机械加工中, 将马达轴上的传统凸轮用无机械凸轮代替, 即可实现原有的功能, 采用无机械凸轮能提供更高的加工精度, 并提高生产率。随着伺服电机的功率的提高, 无机械凸轮机构的应用将更加广泛。

5 总结

相对于传统凸轮产品, 无机械凸轮产品性能稳定, 准确性好, 使用范围广, 同时价格适中, 具有广阔的应用前景。

摘要：基于伺服直线电机, 提出一种新型凸轮机构——无机械凸轮, 通过对无机械凸轮的研究和分析, 并与传统凸轮的比较, 得出无机械凸轮在各种机械的运动控制中相对于传统凸轮的优势和无机械凸轮的发展前景。

关键词：伺服直线电机,无机械凸轮,传统凸轮,发展前景

参考文献

[1]赵卫军.机械原理.西安:西安交通大学出版社, 2002.