机械原理课程设计热墩机械手.doc

机械原理课程设计说明书

——热镦挤送料机械手B
目录

第一章 设计题目及要求 1
1.1 设计题目简介 1
1.2 设计数据及要求 1
1.3 设计任务与提示 2
第二章 热镦挤送料机械手摆臂的设计 3
2.1 机械手上下摆臂设计方案A 3
2.2 机械手上下摆臂设计方案B 4
2.3 机械手上下摆臂设计方案C 4
2.4 摆臂方案的确定 5
第三章 热镦挤送料机械手回转装置设计 6
3.1 回转装置设计方案A 6
3.2 回转装置设计方案B 6
3.3 回转装置设计方案C 7
3.4 驱动装置的选择 8
3.4.1 常用电动机的结构特征 8
3.4.2 选定电动机的容量 8
3.5 回转装置方案的确定 9
3.6 循环图的拟定及运动路线图 9
第四章 热镦挤送料机械手方案的确定与计算 10
4.1 拟订的方案 10
4.2 最终方案的确定与说明 12
4.3 方案的计算 12
第五章 相关建模过程及仿真 15
第六章 设计总结 18
第七章 参考文献 18

第一章 设计题目及要求
1.1 设计题目简介
设计二自由度关节式热镦挤送料机械手，由电动机驱动，夹送圆柱形镦料，往40吨镦头机送料。以方案A为例，它的动作顺序是：手指夹料，手臂上摆15º，手臂水平回转120º，手臂下摆15º，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。主要要求完成手臂上下摆动以及水平回转的机械运动设计。图1为机械手的外观图。

图1：机械手的外观图
1.2 设计数据及要求
方案号
最大抓重
kg
手指夹持工件最大直径
mm
手臂回转角度
（º）
手臂回转半径
mm
手臂上下摆动角度
（º）
送料
频率
次/min
电动机转速
r/min
B
3
30
100
700
20
10
960
表 1

1.3 设计任务与提示
设计任务
1.至少提出可行的两种运动方案，然后进行方案分析评比，选出一种运动方案进行设计；
2. 设计传动系统并确定其传动比分配。
3. 图纸上画出步进送料机的机构运动方案简图和运动循环图。
4. 对平面连杆机构进行尺度综合，并进行运动分析；验证输出构件的轨迹是否满足设计要求；求出机构中输出件的速度、加速度；画出机构运动线图。
5.用软件（VB、MATLAB、ADAMS或SOLIDWORKS等均可）对执行机构进行运动仿真，并画出输出机构的位移、速度、和加速度线图。
6. 编写设计计算说明书，其中应包括设计思路、计算及运动模型建立过程以及效果分析等。
7. 在机械基础实验室应用机构综合实验装置验证设计方案的可行性。
设计提示
1. 机械手主要由手臂上下摆动机构、手臂回转机构组成。工件水平或垂直放置。设计时可以不考虑手指夹料的工艺动作。
2. 此机械手为空间机构，确定设计方案后应计算空间自由度。
3. 此机械手可按闭环传动链设计。
第二章 热镦挤送料机械手摆臂的设计
运动方案确定：
机械臂往返运动方案A：手指夹料，手臂上摆20°，手臂水平回转100°，手臂下摆20°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。
机械臂往返运动方案B：手臂下摆20°手指夹料，后上摆20°与手臂水平回转100°同时进行，手臂下摆20°手指放开放料，其后手臂上摆20°，手臂水平反转转100°与手臂下摆20°同时进行，准备夹料。
两种方案相比较，方案B效率更高，不用停止机械转动，可实现节能减排低碳的目的。所以选择方案B

2.1 机械手上下摆臂设计方案A
采用凸轮带动摇杆的机构来实现机械手上下的摆动。其中要满足摆杆长为700MM，上下摆动的角度位20度。此种方式设计简单，能达到相应的设计强度要求。并且在运动过程中使用了弹性回程，相对减小了出现问题的可能性。方案A如图1所示：

图1 手臂上下摆动方案A图

2.2 机械手上下摆臂设计方案B
采用凸轮带动连杆机构实现上下运动。通过凸轮带动杆2，且通过连杆之间的相互作用实现安放在C出的机械手达到预期的运动轨迹及线路。此方案能满足较高的强度，各杆之间受力相对均衡。但此方案设计相对复杂。
方案B如图2所示：.
图2
1-凸轮 2-滚子 3-折杆 4 5-连杆
其中在C处安放机械抓手

2.3 机械手上下摆臂设计方案C
采用凸轮带动连杆机构实现上下运动。不完全齿轮和齿条的完美配合能实现机械手臂的上下往复运动，此方案结构简单易于实现，由于是齿轮传动，其配合相对精确。但此方案采用的重力回程对机械本身容产生机械疲劳和相对振动，从而影响其准确性。方案C如图3所示：
图3

2.4 摆臂方案的确定
根据给出的设计要求可以看出，机械手臂的抓举重量为两3KG，方案A设计简单，且能达到强度要求，并且其机构简单，易于实现，安装也较为容易。方案B机构相对较多，不利于安放，并且此套装置用于一般小型工厂，故要求其占地面积要小，根据综合考虑，选取方案A作为机械手上下摆动装置

第三章 热镦挤送料机械手回转装置设计
3.1 回转装置设计方案A
采用齿轮齿条进行机械装置的回转.其优点为：承载力大，传动精度较高可达0.1mm，可无限长度对接延续，传动速度可以很高＞2m∕s，齿轮齿条传动缺点：传动噪音大， 磨损大。设计的齿轮齿条传动如图4所示（模数m取值为1）

图4
3.2 回转装置设计方案B
采用齿轮进行机械装置的回转.其优点为：可传递空间任意轴间的运动和动力，即轴可以平行，交叉或交错；转动平稳，其传动比恒定，大多数齿轮的传动比是常数；适应范围广（传递速度、功率范围都大）；寿命长；效率高；结构紧凑等优点。齿轮传动缺点： 制造成本高，刚性传动没有过载保护作用，振动和噪音等。设计的齿轮传动如图5所示

图5 齿轮水平回转装置图
3.3 回转装置设计方案C

图6 曲柄摇杆机构进行回转
3.4 驱动装置的选择
选择电机类型：　电动机是机器中运动和动力的来源，其种类很多，有电动机、内机、蒸汽机、水轮机、气轮机、液动机等。电动机结构简单、工作可靠、控制方便、维护容易，一般机械上大多数是均采用电动机驱动。
3.4.1 常用电动机的结构特征
（1）.Y系列三相异步电动机
该系列电机能防止水滴、灰尘、铁屑或其他杂物浸入电机内部，它是我国近年来研制成功的型电动机。
(2). 电磁条速三相异步电动机
名称：YCD电磁调速三相异步电动机。有组合式和整体式两种机构，这两种调速电动机为防护式，空气自冷，卧式安装，且无碳刷，集电环等滑动接触部件。

3.4.2 选定电动机的容量
电动机的容量选得合适与否，对电动机的工作和经济性都有影响。当容量小于工作要求时，电动机不能保证工作装置的正常的工作，或使用电动机因长期的过载而过早损坏；容量过大则电动机的价格高，能量不能充分利用，且常常不在满载下运行，其效率和功率的因数都较低，造成浪费。
电机的容量的主要由电动机的运行时的发热情况决定，而发热又与其工作情况决定。
工作机所需工作功率，应由机器工作阻力和运动参数计算得来的，可按下式计算：
（T=3KG*10*700MM）(T=9550 P/N )
其中：T——工作机的阻力矩，；
n——工作机的转速，；
传动装置的总效率组成传动装置的各部分运动副效率之积，即
其中： 分别为轴承、齿轮、斜齿轮的传动效率
按推荐的传动比合理范围，取一级传动i1=20-50，二级圆柱直齿轮的传动比i2=4-6, 三级圆柱直齿轮的传动比i3=2-4,总的传动范围为40-200.
经过综合考虑决定选用Y132S—4型号电动机（电流A：11.6 转速: 1440r/mm 效率:85.5 功率因数 cosø:0.82 功率:5.5kw）

3.5 回转装置方案的确定
根据综合考虑，通过齿轮齿条传动的方式进行回转更加适合设计要求。由于齿轮齿条传动承载力大，传动精度较高可达0.1mm，可无限长度对接延续，传动速度可以很高＞2m∕s。满足设计要求。因而选择回转方案A作为机械手回转装置。

3.6 循环图的拟定及运动路线图
根据设计题目的要求。对机械手的运动过程做了如下的分解。.
机械手
下摆20°
停止
上摆20°
停止
上摆20°
下摆20°
转台
停止
水平回转100°
停止
停止
水平反转100°
停止

图7 运动路线图

第四章 热镦挤送料机械手方案的确定与计算
4.1 拟订的方案
方案a：由电动机提供动力源，通过皮带轮传动，并分两路。一路通过圆锥齿轮和蜗杆，使凸轮连杆运动，从而完成安装在连杆末端的抓手上下摆动，上下摆动的夹角为20°；另一路同样通过圆锥齿轮传动，再传动给两组不完全齿轮，通过连在转台上的轴，从而使转台完成水平100°的回转运动。如图8。
图8

1——电动机 2——机械手摆动装置 3——转台 4——抓手 5——机械手水平回转装置

方案b: 由电动机提供动力源，通过皮带轮传动，并分两路。一路通过皮带轮与凸轮的传动，从而完成机械手的上下摆动，上下摆动的夹角为20°。另一路由圆锥齿轮传动，带动曲柄转动，从而使摇杆水平回转100°，而摇杆又通过支柱与转台相连，从而使整个转台一起水平回转。如图7。

图7
1——电动机 2——机械手摆动装置 3——抓手 4——转台 5——机械手水平回转装置

方案c：分两部分完成。一部分由电动机提供动力源，带动凸轮转动，从而完成机械手的上下摆动，上下摆动的夹角为20°。且安装有弹性回程，使机构传动平稳，提升了机械整体以及所抓货物的稳定性。如图8所示：
图8
另一部分由曲柄的回转带动齿条做往复运动，从而驱动齿轮带动中转轴产生角度为100度的回转运动。而正是因为齿条的往复运动，齿轮从而实现了正反转。如图9所示：
图9
4.2 最终方案的确定与说明
根据确定的运动运动路线，可以确定方案C跟适合设计要求，在达到设计要求的同时，其加工难度，加工花费等性价比更高。因而选择C方案。如图10所示：

上下摆：凸轮加摇杆的组合； 水平摆：凸轮+齿条的组合。

图10

4.3 方案的计算
参数：传动比分配
齿轮的齿数为z=54，则其分度圆直径为d=m z =54mm,则齿条移动的距离L=（100°／360°）x2 π x(54／2)=15π =47.12mm
齿条长度应大于47.12mm,所以齿条长可取60mm

曲柄滑块机构的设计

设曲柄AB的长为a，连杆AC的长为b，A在A’位置时齿条处于最高位置，A在A”位置时齿条处于最低位置；因为它是一个对心曲柄机构，则齿条移动的距离L=2a，而前面已求得L=47.12mm,所以a=23.56mm；要保证在运动过程中齿条不与曲柄相碰撞，必须使得齿条在最低位置时两铰链的距离大于a，即b-a＞a，由此可得b＞2a=47.12mm，可取b=55mm

上下摆动凸轮的设计

根据上下摆角度数及摇杆的长度可以根据计算确定凸轮的实际轮廓线，凸轮和摆杆接触位置为摆杆的1/3，且上下摆角为20度。根据三角形勾股定理可得 1/3L*tan20 。此数据为确定凸轮轮廓线的依据。
根据凸轮的行程和机械手运动周期，绘制运动位移图如下：

第五章 相关建模过程及仿真

SE实体建模图

solidworks凸轮的建模

Solidworks大齿轮的建模

机械手臂运动的位移图
机械手臂运行的速度图像

机械手臂运行的加速度图像

第六章 设计总结
通过这次试验，不仅在设计过程中发现了我对课本知识掌握的薄弱，而且一遍又一遍的学习和复习了轮系设计和连杆机构的设计。在完成课程设计的同时，充分锻炼了我查阅资料和应用资料计算的能力。总体来说这次课程设计收获很大。要充分感谢我的指导老师温老师的悉心讲解，很多难懂晦涩的地方，在温老师的指导下，茅塞顿开。总的来说这次课程设计收获很大。

第七章 参考文献
[1]牛鸣岐,王保民,王振甫.机械原理课程设计手册.重庆:重庆大学出版社,2001
[2]机械工程手册电机工程手册编辑委员会编. 机械工程手册第59篇、冲压机械化与自动化. 北京：机械工业出版社，1982
[3]王知行,刘延荣.机械原理.北京:高等教育出版社,2000