热镦挤送料机械手.doc

(完整word版)热镦挤送料机械手

目 录

第1章 课程设计的任务 1
1.1设计任务 1
1.1.1 设计题目 1
1.2 设计内容 1
1.3 设计技术参数 2
1.4 国内外技术应用和发展现状[2] 2
1.5 国内外技术发展趋势 3
第2章 运动分析 3
2.1 参数分析 3
2.2 运动周期计算 3
第3章 机构功能分解 4
3.1 驱动装置选择 4
3.2 机械手上下摆动机构设计及选择 5
3.3 机械手臂水平回转机构设计及选择 6
3.4 传动类型选择 8
3.5 机械手的总体结构方案 9
第4章 机械手运动执行机构设计计算 9
4.1 凸轮连杆机构的设计计算 9
4.2 不完全齿轮+连杆+齿轮齿条机构的设计计算 12
4.3 机械手整体传动比计算 12
4.4 机械手整体自由度计算 12
参考文献
个人总结

第1章 课程设计的任务
1.1设计任务
1.1.1 设计题目
设计二自由度关节式热镦挤送料机械手，由电动机驱动，夹送圆柱形墩料，往40t墩头机送料。以方案A为例，它的动作顺序是：手指夹料，手臂上摆15°，手臂水平回转120°，然后下摆15°，手指张开放料;手臂再上摆，水平反转，下摆，同时手指张开，准备夹料。主要要求完成对手臂上下摆动以及水平回转的机械运动设计。图1-1为热镦挤送料机械手的外观图。
图1-1 热镦挤送料机械手
1.2 设计内容
1.机械手一般包括连杆机构、凸轮机构和齿轮机构。
2.设计传动系统并确定其传动比分配。
3.设计平面连杆机构。对所设计的平面连杆机构进行速度、加速度分析，绘制运动线图。
4.设计凸轮机构。按各凸轮机构的工作要求选择从动件的运动规律，确定基圆半径，校核最大压力角与最小曲率半径。对盘状凸轮要用电算法计算出理论廓线、实际廓线值。画出从动件运动规律线图及凸轮廓线图。
5.设计计算齿轮机构。
6.编写设计计算证明书。
7.学生可进一步完成：凸轮的数控加工、机械手的计算机动态演示验证等。
1.3 设计技术参数
表1-1 热镦挤送料机械手技术参数[1]
方案号
最大抓力
/kg
手指夹工
件最大直径
/mm
手臂转
角度
/（°）
手臂转
半径
/mm
手臂上下
摆动角度
/（°）
送料频率
/（次/min）
电动机转速
/（r/min）
A
2
25
120
685
15
15
1450
B
3
30
100
700
20
10
960
C
1
15
110
500
15
20
1440
1.4 国内外技术应用和发展现状[2]
（1）21世纪是科技高度发达的时代，人们的消费力不断增加。市场对质量可靠性能卓越的产品的需求大量增加，为满足市场需求，各个企业工厂不断建成现代化生产线，通过智能机器人来代替人力去快速高效的生产。各种高效率的机械手可以满足工厂的生产需求，还可以克服恶劣环境完成工作。机械机械手的优势十分明显.机械手作业的准确性和不同环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。它不但能代替部分人工操作，还能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸。同时，它还能操作必要的工具进行焊接和装配，它高效不间断地工作在各种复杂环境中,从而极大改善了工人的劳动条件，显著提高了劳动生产率，加快了工业生产机械化和自动化的步伐，所以机械手的研制很有必要。
（2）机械手应用范围十分广泛，它常应用与机械制造、电子、冶金、轻重工业中，机 械手是工业机器人的一种，它是在工业机器人的基础之上发展起来的。机械手的种类很多，常见的有液压式、电动式、气动式和机械式机械手。我们所设计的机械手为机械式。机械手的主要部件为手部和运动机构，运动机构用来控制的各种动作，使机械手完成上下摆动、左右回转、伸缩、摆动等等运动。手部
是根据所要抓取的物体的形状、材质、大小、重量等因素来设计的。机械手的自由度影响机械手的灵活性、通用性，通常机械手自由度为4-5个，一般的专用的机械手由2-3个自由度。机械手通常用作机床、生产线等工作场合的上下料、换刀等工作。机械手的特点是工作时间长，工作精度高，抗干扰能力强，可以在恶劣环境中工作。
1.5 国内外技术发展趋势
机械手的未来发展方向为代替人工进行长时间重复高精通的工作，同时替代人工在环境恶劣，高温有毒等环境中工作。机械手的模块化同时也是它的发展趋势，通过模块化处理，可以使机械手快速响应，完成不同的工作。随着时间的发展，机械手会变得越来越先进，逐步向智能化、模块化发展。
第2章 运动分析
2.1 参数分析
按照方案A的设计技术参数来设计，即最大抓力为2kg，手指夹工件最大直径为25mm，手臂转角度为120°，手臂转半径为685mm，手臂上下摆动角度为15°，送料频率为15次/分钟，点转机转速为1450r/min。
2.2 运动周期计算
根据参数可知，机械手送料频率为15次/分钟,电机转速为1450r/min，通过简单计算可知，每周期运动时间为4秒钟，这4s可进行如下分配：机械手手指夹料（0.4s）——机械手手臂上摆15度（0.4s）——机械手手臂水平回转120度（0.8s）——机械手手臂下摆（0.4s）——机械手手指张开放料（0.4s）——机械手手臂上摆15度（0.4s）——机械手手臂水平反转120度（0.8s）——机械手手臂下摆 15度（0.4s）。为了更加方便明白表示运动过程，通过运动周期计算绘制了圆形运动循环图2-1，它可以更加直观更形象的描绘出机械手水平运动与上下摆动的运动关系，即在平动时水平停止，在进行上下摆动时水平方向静止，两者互相不干扰。

图2-1 圆形运动循环图
第3章 机构功能分解
3.1 驱动装置选择
课题中所设计的热镦挤送料机械手的工作环境实在工厂中，它的工作电压为380V,频率为50HZ，电机转速为1450r/min，所以选择同步转速为1500r/min。机械手最大抓重2kg，所需功率不大，所以通过查询机械设计手册可以优先选择Y112M-4型号电动机【3】来作为机械手的原动机，完成要求的工作动作。
表3-1 Y112M-4电动机参数
电动机型号
额定功率/kW
满载转速/(r/min)

质量/kg
Y112M-4
4
1440
2.2
2.3
43

3.2 机械手上下摆动机构设计及选择
根据设计总体要求可以知道机械手上下摆动15°，为完成所需要的动作，需要 设计机构来驱动机械手实现运动要求，可是实现上下运动的机构很多，有凸轮机构，铰链四杆机构，曲柄滑块机构，螺杆等机构，下面，设计几种方案来完成手臂的上下摆动运动。
方案一：凸轮连杆机构
凸轮是具有曲线轮廓的构件，它的运动可以通过高副接触传递给从动件，是从动件运动，它的运动状态可以是连续的，也可以是不连续的。因为凸轮具有这样的特点，所以凸轮连杆机构可直接驱动从动件进行上下运动，进而使机械手手臂上下摇动。而凸轮连杆机构具有结构简单、便于计算、成本低廉的优点。但是它也存在缺点，那就是具有一定程度的冲击。考虑到机械手最大抓重为2kg，工作强度不大，冲击也较小，所以该结构可以完成上下摆动动作。下图3-1为凸轮连杆机构的示意图。
图3-1 凸轮连杆机构的示意图

方案二：曲柄滑块+曲柄摇杆机构
通过偏心转动带动连杆运动，再由连杆拉动滑块，从而完成从动件的间歇上下摆动。使机械手完成要求的上下摆动15°的要求。该机构结构简单，下图3-2为曲柄滑块+曲柄摇杆机构的简图。

图3-2 曲柄滑块+曲柄摇杆机构
方案三： 圆柱凸轮机构+连杆
圆柱凸轮是将移动凸轮卷成圆柱体衍化而来，它是空间运动。通过圆柱凸轮的不断转动，使连杆上下摆动，进而驱动机械手运动。该方案结构较为复杂，圆柱凸轮成本较高，计算较为麻烦。可以完成机械手的上下摆动。下图3-3为圆柱凸轮机构+连杆简图。
图3-3圆柱凸轮机构+连杆简图
综合分析，方案一更加适合该机械手的上下摆动运动，计算也较为简便，实际加工也不难完成。
3.3 机械手臂水平回转机构设计及选择
手臂的水平回转运动与手臂上下摆动不同时进行，环形运动循环图清晰明了的表述了两种运动的工作时间。手臂水平放下的回转可以通过多种机构完成，如不完全齿轮机构，曲柄摇杆机构，棘轮机构等，通过综合考虑，设计以下几种方案：
方案一：曲柄摇杆机构
通过设计曲柄摇杆机构可以按设计要求实现机械手臂的水平回转运动。该机构简单，计算方便，适合运用于低转速的工作环境中，但该机构有个缺点，就是最大摆角时，刚好是机构的死角，机构容易卡死不动。下图3-4为曲柄摇杆机构的简图。
图3-4 曲柄摇杆机构运动简图
方案二：不完全齿轮+齿轮齿条机构[4]
经过减速器将动力传动到不完全齿轮处驱动其转动，因为是不完全齿轮，可以通过设计有齿区域占整个齿轮区域的比例来调节改变间歇时间，齿轮转动带动连杆前后移动，拉动齿条移动。通过齿条与齿轮啮合来驱动连杆转动。如图3-4在课题的设计要求中可知要完成机械手水平回转120°，所以不完全齿轮齿数应该是完全齿轮的三分之一。下图3-5为不完全齿轮+齿轮齿条机构。
图3-5 不完全齿轮+齿轮齿条机构
1- 齿轮①；2-齿条；3-齿轮②；4-不完全齿轮
方案三：圆柱凸轮+连杆+齿轮齿条机构
该方案和方案二类似，只是把不完全齿轮组合换成了圆柱凸轮+连杆，相比之下凸轮的计算和设计更为复杂一点。下图3-6为圆柱凸轮+连杆+齿轮齿条机构简图。
图3-6 圆柱凸轮+连杆+齿轮齿条机构
综合分析，方案二更加合适该机械手的水平回转间歇运动，因为齿轮的组合具有比较好的稳定性。
3.4 传动类型选择
带传动特点：带传动有传送比较平稳，噪声较小，能进行一定的缓冲吸振的优点，但是带传动的承载能力比较低。传递相同的转矩时要比其他机构的尺寸大，通常将带传动放在传动系统的高速级。 
齿轮传动特点：齿轮传动有着工作可靠，使用寿命长，瞬时传动比为常数，传动效率高等优点，但它的成本也高，在精度低的时候，震动和噪声比较大，不宜用于轴间距大传动。 
链传动特点：链传动没有滑动并且不需很大的张紧力,作用在轴上的载荷较小，效率高，它的缺点是只能用于平行间的传动，瞬时速度不均匀，工作时有噪声，费用较高。 
摩擦轮传动特点：摩擦轮优点在于制造简单，在过载时可以发生打滑从而防止机器中重要零件的损坏，可以实现无级变速，但它的缺点也较为明显，那就是传动效率较低，传动比不能保证，而且寿命较低，必须采用压紧装置时才能使用。 
蜗杆传动特点：它的优点在于工作平稳、没有噪声、结构较为紧凑、冲击小，它的优点还有结构尺寸小、重量轻、零件数目少。缺点是效率低，结构复杂，制造材料较贵，制造较难。
对这五种传动方式进行对比，考虑热镦挤送料机械手的结构、工作环境和所需力等方面的要求综合选择带传动和齿轮传动，电动机通过带轮将转矩传递到减速器，通过减速器减速达到需要的转速带动机械手的水平回转运动和上下摆动。
3.5 机械手的总体结构方案
轴2
轴3
通过上述对各个方案的设计分析，将选择出来的最优方案综合整理，确定热镦挤送料机械手的整体结构，如图3-7所示。选用凸轮连杆机构来完成机械手的上下摆动，选用不完全齿轮+连杆+齿轮齿条来实现机械手的120°水平回转，使用减速器来减速达到所需转速。
轴1
图3-7 热镦挤送料机械手的整体结构
第4章 机械手运动执行机构设计计算
4.1 凸轮连杆机构的设计计算
由机械手设计要求可知，凸轮连杆机构的运动应该满足机械手上下摆动15°，假设凸轮连杆机构的支承点距离机械手转动点为100mm，则通过计算
𝑡𝑎𝑛15°=𝑥/100，得出𝑥=27mm，即凸轮最高点与最低点距离相差27mm。
通过运动过程计算凸轮外形
圆盘凸轮基圆半径尺寸=25mm，外圆半径=+27=52mm。
手臂夹料时间占比为： =
对应旋转角度为：360°×1/5=72°
手臂上摆时间占比为： =
对应旋转角度为：360°×1/5=72
手臂下摆时间占比为： =
对应旋转角度为：360°×1/5=72°
手臂回转时间所占比为： =
对应旋转角度为：360°×2/5=144° 以O为圆心，e为半径所作的圆成为偏距圆O以凸轮轮廓线最小矢径为半径所作的圆为基圆，基圆半径为25mm， 凸轮转动时从动件的最大位移为行程 ，推程运动角为从动件由最低点到最高点凸轮所转过的角度，回程运动角为从动件由最高点到最低点凸轮所-转过的角度，根据运动规律画凸轮连杆机构图4-1.
图4-1 凸轮连杆机构图
从动件运动规律：由于机器的运动速度较慢，对动力要求不是很高，所以在推程与回程中选择等加速和等减速，即加速度为0。
下面开始我们绘制曲线图来直观的看出凸轮运动时，连杆运动的位移，速度还有加速度的规律。图4-2表示连杆的位移，图4-3表示连杆的速度，图4-4表示连杆的加速度。

图4-2 位移图

图4-3 速度图

图4-4 加速度图
4.2 不完全齿轮+连杆+齿轮齿条机构的设计计算
齿轮模数𝑚=1 
因为机械运动较慢，对动力的要求不高，转动速度不是很快，所以对不完全齿轮的要求不高。通过运动循环图和机械手的运动动作进行分析可以进行如下设计：完全齿轮共60齿，则直径为60mm。如图3-5，不完全齿轮与完全齿轮③啮合，运动过程为先不完全齿轮进行空转，待转动三分之二后带动完全齿轮③转动二分之一，齿条带动另一个齿轮①转动120°，之后不完全齿轮再转动三分之二后又带动完全齿轮③转动二分之一，齿条又带动另一个齿轮①回转120°这样就满足了机械手回转的要求了。
齿轮①齿数z=45,则它的分度圆直径d=mz=45×1=45mm 
齿条移动距离𝐿=×2π×=47.1mm 
齿条长度>𝐿，所以选择齿条长度为60mm。 
齿条长度 
设曲柄长度为a，连杆长度为b，则齿条移动距离为2a，即齿条移动的距离为23.55mm，为保证在运动过程中齿条不与曲柄相接触，应该满足如下条件，即： 
b−a>47.1mm
所以，b的长度选择60mm。
4.3 机械手整体传动比计算
热镦挤送料机械手以发动机Y112M-4为动力源，如图3-5，通过带轮将动力传递到减速器部分，其中带轮部分传动比为4，即轴1的转动速度为360r/min，在减速器部分中，高速级传动比为4，低速级传动比为3。使得不完全齿轮的转速为30r/min，最终传递到回转机构完成间歇水平回转运动，使得回转机构一分钟能够送料15次。
减速器轴2输出的力带动凸轮转动，来完成机械手上下摆动的运动，在轴2输出力时，需要用直齿锥齿轮对力的方向进行改变，直齿锥齿轮间的传动比同样3，这样，通过不完全齿轮齿条连杆机构和凸轮连杆机构的综合应用，就可以完成运动循环图中所要求完成的动作。
4.4 机械手整体自由度计算
机械手各部分尺寸可以根据前面各章节计算得出。该机械手为空间机构，该机械手存在3个公共约束，确定该机械手的空间自由度为
W=（6-3）n-（5-3）-(4-3)-2=2

15

参考文献:
[1]裘建新.机械原理课程设计[M].北京：高等教育出版社，2009
[2] 陶湘厅 袁锐波 罗璟. 机械手的应用现状及发展前景[Z].北京：中国力学学会学术大会，2007
[3] 闻邦春.机械设计手册9(第5版)[M].北京:机械工业出版社.2009
[4]文森. 热镦挤送料机械手.百度文库[EB/OL].2015.7/2017.2

个人总结
本次设计的题目是热镦挤送料机械手，它的作用是快速高效的完成工作机的上下料工作。机械手的优点在于不惧环境的恶劣，可以在高温高压等环境中工作，同时还善于进行长时间重复性的工作。我所设计的机械手结构较为简单，它的执行机构是本设计的重要组成部分，该部分对机械手的灵活性、通用性、稳定性等都有很大的影响。本次设计从传动方式的选择开始，依次完进行了对执行机构的分析，上下摆动机构的设计计算，水平回转的设计计算，并且对其结构组成进行了研究。这次设计让我学到很多，通过本次设计我了解了机械手的基本设计思想，了解到了各个机构的作用和基本类型，对各机构有了进一步的了解，明白了它们的运动原理，但由于所学的知识和本人的实践有限，很多设计内容，比如说轴和轴承的设计和计算，齿轮的加工，键的设计等等很多重要内容都无法一一完成。这次机械原理的课程设计我只能完成一个很粗浅设计，通过这次设计，让我更加明确了以后的学习方向，为以后的设计奠定了一点基础。