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机械原理课程设计说明书机械原理课程设计说明书 热镦挤送料机械手热镦挤送料机械手 B B 指导老师 温亚莲指导老师 温亚莲 设设 计计 者 者 李霞李霞 学学 号 号 班班 级 机电级 机电 3 班班 西南交通大学峨眉校区 机械原理课程设计热墩机械手 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 西南交通大学峨眉校区 机械原理课程设计热墩机械手 1 第一章第一章 设计题目及要求设计题目及要求 1 11 1 设计题目简介设计题目简介 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 15 手臂水平回转 120 手臂下摆 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 机械手机体 底座 图 1 机械手的外观图 1 2 设计数据及要求设计数据及要求 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 手臂 回转 半径 mm 手臂上下 摆动角度 送料 频率 次 min 电动机转 速 r min B3301007002010960 表 1 西南交通大学峨眉校区 机械原理课程设计热墩机械手 2 1 3 设计任务与提示设计任务与提示 设计任务设计任务 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 西南交通大学峨眉校区 机械原理课程设计热墩机械手 3 第二章第二章 热镦挤送料机械手摆臂的设计热镦挤送料机械手摆臂的设计 运动方案确定 运动方案确定 机械臂往返运动方案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 西南交通大学峨眉校区 机械原理课程设计热墩机械手 4 2 2 机械手上下摆臂设计方案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 西南交通大学峨眉校区 机械原理课程设计热墩机械手 5 2 4 摆臂方案的确定摆臂方案的确定 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 西南交通大学峨眉校区 机械原理课程设计热墩机械手 6 第三章第三章 热镦挤送料机械手回转装置设计热镦挤送料机械手回转装置设计 3 1 回转装置设计方案回转装置设计方案 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 西南交通大学峨眉校区 机械原理课程设计热墩机械手 7 图 5 齿轮水平回转装置图 3 3 回转装置设计方案回转装置设计方案 C 图 6 曲柄摇杆机构进行回转 西南交通大学峨眉校区 机械原理课程设计热墩机械手 8 3 4 驱动装置的选择驱动装置的选择 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 13 4 1 常用电动机的结构特征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 23 4 2 选定电动机的容量选定电动机的容量 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 w P 计算 T 3KG 10 700MM T 9550 P N Kw Tn Pw 9550 其中 T 工作机的阻力矩 mmN n 工作机的转速 min r 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 0 n 3210 其中 分别为轴承 齿轮 斜齿轮的传动效率 1 2 3 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 西南交通大学峨眉校区 机械原理课程设计热墩机械手 9 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 cos 0 82 功率 5 5kw 3 5 回转装置方案的确定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 西南交通大学峨眉校区 机械原理课程设计热墩机械手 10 第四章第四章 热镦挤送料机械手方案的确定与计算热镦挤送料机械手方案的确定与计算 4 1 拟订的方案拟订的方案 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 西南交通大学峨眉校区 机械原理课程设计热墩机械手 11 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 西南交通大学峨眉校区 机械原理课程设计热墩机械手 12 4 2 最终方案的确定与说明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 方案的计算方案的计算 参数 传动比分配传动比分配 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 x 54 2 15 47 12mm 齿条长度应大于 47 12mm 所以齿条长可取 60mm 西南交通大学峨眉校区 机械原理课程设计热墩机械手 13 曲柄滑块机构的设计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上下摆动凸轮的设计 西南交通大学峨眉校区 机械原理课程设计热墩机械手 14 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 西南交通大学峨眉校区 机械原理课程设计热墩机械手 15 第五章第五章 相关建模过程及仿真相关建模