无急回特性曲柄摇杆自动抛光装置的设计

金世伟，黄立波，吴小珍，李国军，肖兴龙

(华中光电技术研究所-武汉光电国家实验室，武汉 430223)

无急回特性曲柄摇杆自动抛光装置的设计

金世伟，黄立波，吴小珍，李国军，肖兴龙

(华中光电技术研究所-武汉光电国家实验室，武汉 430223)

为了对激光腔体圆弧面进行自动抛光，达到镀银时表面粗糙度Ra0.08的要求，需设计一种具有圆弧轨迹往复运动的装置。根据零件特点，采用无急回特性曲柄摇杆机构产生的运动轨迹完成抛光加工。先确定摇杆摆动角度和长度，运用机械原理的知识，计算出各杆长的长度，再运用Creo2.0软件进行运动学仿真，并通过实物对零件进行抛光试验。结果表明，无急回特性曲柄摇杆自动抛光装置设计方案可行，表面粗糙度检测结果为Ra0.05，能够满足加工要求，可实现一次装夹加工4个工件。

曲柄摇杆机构；无急回特性；运动学仿真

0 引言

激光腔体圆弧面镀银后可使光波在其中来回反射，是激光传播的载体，该面在镀银时对表面粗糙度的要求很高，达Ra0.08。为了对具有一定批量的激光腔体圆弧面进行自动抛光，达到表面粗糙度的精度要求，可以设计合适的曲柄摇杆机构，运用其产生的轨迹对激光腔体圆弧面进行自动抛光。

目前，先进的抛光技术有磁流变抛光、电流变抛光、液体射流抛光、磁射流抛光、化学-机械抛光等[1-2]。这些抛光方法需要专门的仪器设备，费用较高，对实际的加工应用推广带来较大的困难，相比较而言，柔性接触式抛光方法的成本更低，更易于推广。关佳亮等人采用气囊抛光的方法，实现了对铝合金回转体外表面的抛光，表面粗糙度可达Ra0.039μm[3]。韩强等人建立了杆机构的柔性抛光装置，实现了对45钢零件表面大型曲面柔性抛光[4]。李静等人建立了球形抛光工具抛光工艺过程模型，通过仿真研究了主要工艺参数对材料去除的影响规律，并对P20预硬化塑料模具钢表面抛光，获得镜面效果[5]。上述的报道主要针对凸面，而对内凹面零件抛光的研究相对较少。

本文根据零件加工需求，建立摇杆摆角φ、曲柄圆心位置A到摇杆最近极位点C1距离AC1与摇杆c的比值x、最小传动角γmin的函数关系，设计出无急回运动特性曲柄摇杆自动抛光装置，通过Creo2.0软件进行运动学仿真分析并经过实际加工试验，验证设计的正确性。

1 摆角及各杆长的确定

1.1 摆角的确定

如图1所示，激光腔体圆弧面为需要抛光加工区域，此面是圆柱面的一部分。在实际加工中使用过回转运动对该面进行抛光，但容易造成零件边缘塌边现象。若设计出能产生满足圆弧轨迹运动要求的曲柄摇杆，并沿着圆柱母线运动，便能扫描出零件的圆弧表面，运用这个特点便能对圆弧面进行抛光。由于在工作过程中，正、反行程都在工作，为了使保证加工质量，需设计出无急回特性曲柄摇杆机构。

图1 需抛光加工的圆弧面

分析零件特征可知，其圆弧面半径为R20mm，圆心角为106.8°，母线长度为70mm，考虑到需要抛光整个圆弧面，抛光头需要做切入切出的运动，因而，其摇杆摆动角度φ要略大于106.8°，定为110°。

1.2 各杆长的确定

对于曲柄摇杆机构，如图2所示，当摇杆CD分别处于C1D和C2D两个极位时，曲柄AB1和AB2之间存在极位夹角θ，衡量急回程度的行程速度变化系数K与极位角θ的关系为：

K=(180°+θ)/(180°-θ)

(1)

θ值越小，K值越小，机构的急回运动性质越不显著[6-7]。当θ值为0时，便无急回特性，此时，B1、A、B2、C1、C2五点共线。在零件底部有一个大平面和一个靠面，可以使用这两个面作为定位面，再利用零件两侧壁上的螺纹孔压紧装夹在水平工作台上。运用该特点，再结合曲柄摇杆的特征及激光腔体零件的尺寸，可以较方便的设计出无急回特性曲柄摇杆机构自动抛光装置。

图2 一般曲柄摇杆机构简图

(2)

图3 无急回特性曲柄摇杆机构简图

当摇杆处于C2D极位时，存在如下关系：

(3)

联立式(2)、式(3)，得：

(4)

(5)

机架杆长d可以通过勾股定理表达出来：

(6)

对于曲柄摇杆机构，最小传动角γmin可衡量机构的传力性能，值越大，传力性能越好[8]。γmin出现在曲柄与机架连线重合的两个位置之一处，有文献证明无急回曲柄摇杆机构在这两个位置时的传动角相等，且满足以下关系[9-10]：

a2+d2=b2+c2

(7)

因此，最小传动角γmin可表达为：

(8)

(9)

由于摇杆摆角φ已经确定为110°，式(9)可表达为：

(10)

从式(10)中可知，γmin随着x的增大而增大，其图像如图4所示，当x>2时，γmin增大趋势缓慢。为了使结构紧凑，且γmin尽可能大，取x为2，γmin为33.3°。此时，在受力较小运动较慢的情况下，不会发生自锁，满足使用要求。若取c=50，则a=40.958，b=140.958，d=143.846，便确立了无急回特性曲柄摇杆机构的尺寸。

图4 最小传动角γmin的函数图形

2 运动学仿真与验证

2.1 运动学仿真

将上述各杆长尺寸在Creo2.0软件中建模，经过装配后得到了无急回曲柄摇杆机构，如图5所示。曲柄的转速通过变频器控制，并通过减速器减速，可以在10r/s～30r/min范围内调整。在Creo2.0软件中，设置曲柄的转动速度为180°/s，通过测量功能得到摇杆的摆动角度、速度、和加速度图像，如图6所示。从仿真分析结果可知，摇杆的角度、角速度、角加速度为周期为2s的往复运动，去程和回程时间相等，呈现出无急回特性；最大摆角与最小摆角对称，在±55°范围内往复运动；角速度在最大值附近变化平稳，但角加速度在最大值附近出现尖角，也说明该装置不适合高速运行。摇杆上的电机带动抛光头做旋转运动，摇杆做往复摆动，而机架沿圆弧面母线的直线运动，形成的复合运动轨迹可以可满足抛光需求。

图5 无急回曲柄摇杆机构模型

图6 无急回曲柄摇杆机构运动分析

2.2 结果与分析

无急回特性曲柄摇杆自动抛光装置实物如图7所示，抛光头是柔软的抛光布，可适应零件表面形状变化，在抛光过程中，逐步去掉零件表面的高点，使零件表面保持相似的微观结构，实现抛光加工。在实际工作时，柔性抛光轮由于受到一定的压力，会产生弹性形变，形成小平面接触，抛光效率较高，抛光加工只需15min左右便可完成。在安装夹具上，每个零件两端用和圆弧面半径相同的侧板相连，并用螺钉固定，可实现一次装夹最多抛光4个零件。

图7 无急回特性曲柄摇杆机构实物图

零件抛光后，零件表面得到较大的改善，表面光滑，呈现出镜面效果，其抛光前后的对比如图8所示。从图中可知，零件的圆弧面在抛光前，表面不见刀痕，但是没有达到加工要求。经过该装置抛光后，零件表面粗糙度明显减小，镜面效果明显，可辨认出反射的文字。经过表面粗糙度仪测量，其值为Ra0.05，达到零件加工精度要求。

图8 零件抛光前后效果对比图

3 结论

通过对无急回特性曲柄摇杆机构的分析，建立摇杆摆角φ、曲柄圆心位置A到摇杆最近极位点C1距离AC1与摇杆c的比值x、最小传动角γmin的函数关系，设计出无急回特性曲柄摇杆自动抛光装置，通过Creo2.0软件仿真分析，验证运动的正确性，经过实际加工试验，零件的表面粗糙度可达到Ra0.05，满足加工要求，可实现一次装夹最多对4个零件自动抛光。

[1] 袁巨龙，吴喆，吕冰海，等. 非球面超精密抛光技术研究现状[J].机械工程学报，2012,48(23)：167-177.

[2] 李卫权. 镜面抛光技术的进展[J].电镀与精饰，2013，35(12)：18-22.

[3] 关佳亮，张孝辉，马新强，等. 软金属球精密/超精密镜面抛光工艺[J].北京工业大学学报，2015，41(1)：20-24.

[4] 韩强，詹建明，徐克品，等. 大型曲面柔顺抛光材料去除的理论建模及实验研究[J].机械科学与技术，2016，35(11)：1709-1714.

[5] 李静，赵吉宾，关丽荣，等. 球形抛光工具的研抛工艺研究[J].航空精密制造技术，2015,51(6)：5-8.

[6] 陈科位，陈殿生，张自强，等. 翅膀对仿蝗虫机器人空中姿态影响分析[J]. 北京航空航天大学学报，2016，42(1)：165-171.

[7] 陈星谷，尹文庆，张美娜. 曲柄摇杆复合平行四边新型栽植机构的设计与试验[J]. 机械设计，2015，32(9)：65-70.

[8] 苏有良. 按最小传动角最大的曲柄摇杆机构优化设计[J]. 机械设计，2014，31(6)：29-33.

[9] 杨帆，林钰珍，岑思燕. 一种无急回特性的儿童床设计[J]. 机械研究与应用，2013，26(3)：88-91.

[10]齐晓霞. 无急回运动特性的曲柄摇杆机构的设计[J]. 机械工程与自动化，2015(4):105-106.

DesignofCrankRockerMechanismAutomaticPolishingDevicewithNonQuick-returnCharacteristic

JIN Shi-wei, HUANG Li-bo, WU Xiao-zhen, LI Guo-jun, XIAO Xing-long

(Huazhong Institute of Electro-Optics-Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Wuhan 430223，China)

In order to realize the automatic polishing of laser cavity surface and meet the requirement of surface roughnessRa0.08 for silver plating, a device which has reciprocating circular arc track needs to be designed. According to the characteristics of the part, a motion trajectory of crank rocker mechanism with non-quick return characteristic was used to finish the polishing process. Firstly rocker swing angle and length were determined, each rod length was devised by using the knowledge of mechanical principle, a crank rocker mechanism automatic polishing device with non-quick return characteristic was designed. Then Creo2.0 software was used to simulate the kinematics, and the polishing test was carried out. The result shows that the design of crank rocker mechanism automatic polishing device with non quick-return characteristic is feasible. The part surface roughness isRa0.05, which can meet the processing requirements and process 4 parts after one time clamping.

crank rocker mechanism; non quick-return characteristic; kinematics simulation

TH122;TG65

A

1001-2265(2017)12-0140-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.12.035

2017-02-28；

2017-03-27

金世伟(1988—)，男，湖北随州人，华中光电技术研究所助理工程师，硕士，研究方向为机械制造及其自动化，(E-mail)jinshiwei929@163.com 。

(编辑李秀敏)