擺線輪立加工裝的模塊化設(shè)計(jì)

劉遠(yuǎn)志，王林平，劉德慶

（1.煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264006；2.煙臺(tái)艾迪精密機(jī)械股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264006）

擺線輪，如圖1所示，是機(jī)器人RV（Rotate-Vector）減速器中的關(guān)鍵零部件，其自身最終精度的高低將直接影響RV減速機(jī)的整體運(yùn)動(dòng)與傳動(dòng)精度[1]。因此，加工過程中的任何一道工序必須考慮其變形與精度問題，其中立加工序?qū)ζ浜蟮碾p端面磨和磨齒工序產(chǎn)生重要影響，并最終影響擺線輪的產(chǎn)品質(zhì)量。由于擺線輪的尺寸系列較多，造成工裝的種類繁多，不但增加了加工中設(shè)計(jì)、制造工裝的成本，也增加了更換工裝時(shí)間。而模塊化后，可在通用模塊的基礎(chǔ)上加裝專用模塊，減少了工裝的數(shù)量，適應(yīng)擺線輪的批量化生產(chǎn)，減少工時(shí)從而提高生產(chǎn)效率[2]；同時(shí)，使用模塊化的設(shè)計(jì)，因?yàn)槟K具有可更換的特點(diǎn)，在使用過程中如出現(xiàn)損壞的情況，只需將損壞的部分加以更換即可，省去了再設(shè)計(jì)的時(shí)間，減少了維修的成本。

19世紀(jì)50年代歐美國(guó)家提出了“模塊化設(shè)計(jì)”這一新的設(shè)計(jì)理念，它使得程序開始出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化。國(guó)外企業(yè)比如KUKA、ABB、帝人等，比較重視模塊化的設(shè)計(jì)方法，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)仍能保證精度。而國(guó)內(nèi)由于機(jī)器人研究的起步較晚，主要研究精力多偏向于樣機(jī)的試制，忽視了對(duì)模塊化設(shè)計(jì)理念的研究。

本文提出的模塊化設(shè)計(jì)將減少工裝的總數(shù)量和更換時(shí)間，減少操作者的勞動(dòng)量，提高生產(chǎn)率。

1 工裝夾具的設(shè)計(jì)要求

擺線輪設(shè)計(jì)要求如圖1所示，本文所述立加工序加工的區(qū)域?yàn)樽钔庋氐臄[線齒形和三個(gè)Φ36的圓形孔，該工裝就是確保該特征的精確加工。其余特征均由上步工序完成。因此，其工裝夾具因夠滿足以下要求：

圖1 擺線輪設(shè)計(jì)圖

（1）完全約束擺線輪的六個(gè)自由度，保證擺線輪在加工過程中不能發(fā)生移動(dòng)；

（2）擺線輪夾緊應(yīng)受力均勻，不能使工件發(fā)生形變；

（3）排屑順暢，且加工區(qū)域可與切削液充分接觸；

（4）擺線輪、刀具、夾具之間不能發(fā)生碰撞干涉[3]。

1.1 工裝夾具設(shè)計(jì)方案

根據(jù)以上要求，設(shè)計(jì)的工裝主要由底盤、定向塊和壓板組成，工裝的總裝模型如圖2所示。定向塊可徑向滑動(dòng)調(diào)整，確定位置后用內(nèi)六角螺栓固定。壓板用內(nèi)六角螺母擰緊固定，以A2擺線輪為例，根據(jù)實(shí)際加工后的測(cè)量數(shù)據(jù)總結(jié)規(guī)律，以35 N·m的扭矩?cái)Q緊螺母（用0～50 N·m的扭矩扳手），即可滿足加工要求。

圖23D裝配

1.2 底盤的設(shè)計(jì)

圖3 為底盤的設(shè)計(jì)模型。中心定位柱可約束X、Y軸的平移自由度和X、Y軸的旋轉(zhuǎn)自由度。底盤由立式加工中心加工，需保證中心定位柱與外圓的同軸度≤0.01 mm，底面的平面度≤0.01.中心定位柱與擺線輪中心孔采取間隙配合，配合特性選用H7/h6，零件可自由拆裝，而工作時(shí)一般相對(duì)靜止不動(dòng)。

圖3 底盤

1.3 定向塊的設(shè)計(jì)

圖4 所示為定向塊的設(shè)計(jì)模型。將定向塊插入定向槽中，可以約束Z軸的旋轉(zhuǎn)自由度。用立式加工中心加工，定向塊與定向槽采用間隙配合，配合特性采用H7/g6，用于間隙很小的滑動(dòng)配合，可自由移動(dòng)或滑動(dòng)并精密定位。

圖4定向塊

1.4 壓板的設(shè)計(jì)

圖5 所示為仿形壓板的設(shè)計(jì)模型。將壓板放在異型孔孔上，可以約束Z軸的平移自由度。用立式加工中心加工。

圖5 壓板

2 工裝的模塊化設(shè)計(jì)

一臺(tái)機(jī)器人需要六種不同尺寸系列的擺線輪，如果每種工裝只能加工一種尺寸的擺線輪，為加工這些擺線輪，則需要設(shè)計(jì)六種對(duì)應(yīng)的工裝，這樣增加了工裝的設(shè)計(jì)和加工工作量。現(xiàn)將其進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。

擺線輪系列零件的相同點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)相似；加工部位相同，都為外部擺線齒廓和內(nèi)部圓孔；裝夾方式相同，采用周向定位加端面壓緊；不同點(diǎn)在于不同系列的擺線輪尺寸不同，同時(shí)裝夾的數(shù)量也不同。

模塊化后的工裝分為底板模塊、底盤模塊、周向定位模塊以及壓緊模塊，底板模塊為通用模塊，其余為專用模塊。底板模塊為通用模塊，根據(jù)不同型號(hào)擺線輪的直徑，在底板（見圖6）上預(yù)鉆螺紋孔，用以固連底盤和底板，如圖7、圖8所示。經(jīng)過模塊化設(shè)計(jì)后，通過在底板通用模塊的基礎(chǔ)上加裝不同型號(hào)的擺線輪，可以實(shí)現(xiàn)各工裝部件轉(zhuǎn)換[3-4]。因此，尺寸差異，不同型號(hào)的擺線輪安裝的數(shù)量不同，不同型號(hào)的擺線輪安裝的數(shù)量如表1所示。

圖6 底板

圖7 A2總裝圖

圖8 A6總裝圖

表1 不同型號(hào)的擺線輪安裝的數(shù)量

3 基于ANSYS的有限元仿真分析

為驗(yàn)證整個(gè)工裝在受壓板預(yù)緊力、刀具切削力及在工作振動(dòng)狀態(tài)下其他外力的共同作用下的可靠性，對(duì)整套工裝進(jìn)行有限元分析。以A2型號(hào)的擺線輪為例，結(jié)果如圖9所示。整套工裝系統(tǒng)的最大變形發(fā)生在仿形壓板的外邊緣處，最大變形量為4.62×10-7mm.工件的變形發(fā)生在與壓板接觸的區(qū)域，其變形量為5.78×10-8mm，安全因數(shù)為15，遠(yuǎn)大于1.可見在理論上該工裝系統(tǒng)安全可靠。

圖9 有限元分析圖

該工裝已投入到實(shí)際生產(chǎn)中，在正確操作的前提下產(chǎn)品合格率為100%，驗(yàn)證了該套工裝的可靠性。如圖10所示為成功加工出擺線輪樣品。

圖10 成品實(shí)物圖

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧效忠，張艷珍，李天興，等.RV減速器擺線針輪傳動(dòng)精度控制的研究現(xiàn)狀及需要解決的技術(shù)問題[J].機(jī)械傳動(dòng)，2015，（02）：162-165.

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[4]蔡燕華.分析模塊化設(shè)計(jì)方法及其在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].科技傳播，2014，（04）：160，154.