杨保健，伍锦棠，钟永华，王宏民，何耀城

（五邑大学智能制造学部，广东江门 529020）

0 引言

现今，市场的竞争越来越剧烈，具有复杂曲面的产品越来越多，虽然通过数控、电火花加工以及CAD/CAM的应用，产品曲面的形状加工基本可以实现自动化，但是因为目前自动化抛光机器及其耗材成本很高，所以产品曲面的抛光加工主要还是交由熟练的工人凭借其丰富的经验完成[1-2]。这对工人的技术要求高，既费时又费力，而且曲面抛光后的表面质量稳定性难以保证。所以提高自动化水平、提高效率、降低环境污染在抛光领域显得尤为重要。

三头浮动式抛光机是一种能够自适应贴合各种曲面的抛光机。三头浮动式抛光机可以代替工人的体力劳动，更可代替或辅助工人的脑力劳动，自动完成对各种产品的曲面加工。加工前，工人只需根据不同表面加工要求选用并更换不同的抛光用具；在整个加工过程，工人只需要在旁观察等候更换抛光件。这大大提高工作和生产效率，提高生产自动化程度；也大大降低抛光工人的学习成本，降低对抛光工人的技能要求，降低工人的劳动强度，改善工人的工作环境[3-4]。三头浮动式抛光机在保证和提高产品精度的同时，在一定程度上降低生产成本，有助于帮助合作企业提高自动化生产水平。

1 浮动式抛光机械手结构设计

三头浮动式抛光机设计的灵感来源于三头浮动式剃须刀。三头浮动式抛光机运用这类剃须刀贴合凹凸不平的面部的特性，让抛光头能够实现一定幅度的浮动，从而自动调整自身与抛光曲面的相对位置，实现自适应贴合各种曲面的功能。

1.1 三维平台设计

在XYZ平台上，三头浮动抛光机固定在Z轴上，再在平台底部安装一个可自转的夹具，用以夹紧抛光件，并让抛光工件旋转起来。而夹具则需要根据抛光工件的形状设计专用夹具。

因为浮动式抛光头可以自适应地贴合抛光表面，所以运动轨迹较为简单，故采用双X轴式XYZ平台，如图1所示。

图1 双X轴式XYZ抛光平台

1.2 抛光头设计

设计一行星轮机构，如图2（a）所示，用1个电机控制3个抛光头独自转动。通过1根主电机轴经由行星轮机构带动另外3根从动轴独自转动，如图2所示。因为抛光头在与抛光平面接触进行抛光时，抛光头转速会变慢。而抛光不锈钢的一般转速为3 000 r/min，转速为1 500 r/min的电机比较经济实惠[5-6]，故把转动比定为：1∶2。出于对抛光装置体积的考虑，所以定齿轮模数为1，小齿轮齿数为23，厚度为15 mm；大齿轮齿数为46，厚度为20 mm。故传动比为：i=46/23=2，齿轮分度圆直径为：d大=46 mm，d小=23 mm。整体装置结构设计如图2所示。

图2 抛光头三维模型

抛光轮与行星轮轴的联结是抛光头设计的重点。球头连接机构和间隙配合都能实现浮动的功能。但是球头连接结构不能够传递扭矩，且抛光效果很差[7]，达不到抛光要求，故采用间隙配合来传递扭矩，具体结构如图3所示。3个凸齿与3个凹齿之间存在一定的间隙，而间隙空间的存在使得抛光部件可以浮动。另外用3个弹簧让抛光浮动部件移位后复位，同时用3个弹簧给1个压紧力给抛光浮动部件，让其能够与抛光件平面紧紧贴合。抛光浮动部件图3（b）所示。

弹簧支撑起抛光浮动部件，弹簧和间隙的存在使它可以浮动且浮动可控。当抛光头压到抛光平面进行抛光时，抛光浮动部件会压下弹簧，改变它与抛光平面的相对位置，让它始终贴合抛光平面，跟随凹凸不平的平面改变；当抛光头离开抛光平面后，抛光浮动部件会自动复位。浮动式抛光头的这种自适应性有助于提高抛光作业的自动化程度。

图3 抛光头的间隙配合联结

2 关键部件有限元分析

行星减速机构既能公转也可自转，实现单抛光头的自抛和三抛光头的混抛。对行星减速机构进行有限元仿真分析。在Unigraphics系统的高级分析模块中，首先将几何模型转换为有限元模型，然后进行前置处理包括赋予质量（Quality）属性、施加约束（Constraint）和载荷（Load）等。接着提交解算器（Solver）进行分析求解，采用默认解算器NX Nastran进行求解.最后进入后处理阶段，采用直接显示资料或显示图形等方法来表达求解结果，仿真分析结果如图4所示。等效应力情况如图4（a）所示，该零件工作时所受的最大应力是0.177MPa，此值乘上安全系数后略小于材料的许用弯曲应力，为此该零件设计较为合理，无需进行优化。行星齿轮间接触面的接触应力最大约为0.1 MPa，均匀分布在接触处的齿面上。

图4 有限元分析结果

3 结论

基于三头剃须刀的工作原理，设计三头浮动式抛光机械手，并对行星减速机构进行有限元分析，结果显示行星齿轮所受的最大应力和齿面接触应力均小于许用应力，所设计的抛光头结构能够满足曲面抛光的工艺需求。