热墩机械手张林江.doc

Comment u1 宋体 三号 居中 注意最右边下划线请对齐 机械原理课程设计机械原理课程设计 设计说明书设计说明书 学生姓名 张林江 学 号 8011211203 所属学院 机械电气化工程学院 专 业 机械设计 班 级 15 2 指导老师 兰海鹏 日 期 2012 06 06 塔里木大学机械电气化工程学院制 15 届课程设计 热镦机械手机构设计 1 前言前言 机械原理 课程的核心内容是研究机械产品概念相关的机构设计和机构系 统设计的基础理论和基本方法 机械产品概念设计的最终结果主要是得到机械 运动方案 亦可称之为机构系统方案 它体现了机械产品的功能和工作原理 方案设计阶段是机械产品设计最富创造性的阶段 因此机械原理课程对于培养 我们学生的创新思维和创新能力至关重要 作为机械原理课程的最要一部分 机械原理设计对于提高机械原理课程学习起到十分重要的作用 使得我们初步 掌握如何去创新设计机械产品的手段和能力 进入 21 世纪以来 市场愈加需要各种各样性能优良 质量可靠 价格低廉 效率高 能耗低的机械产品 而决定产品性能 水平 市场竞争能力和经济效 益的重要环节是产品设计 机械产品设计中 首要任务是进行机械运动方案的 设计和构思 各种传动机构和执行机构的选用和创新设计 这要求设计者综合 应用各类典型机构的结构组成 运动原理 工作特点 设计方法及其在系统中 的作用等知识 根据使用要求和功能分析 选择合理的工艺动作过程 选用或 创新机构型式并巧妙地组合新的机械运动方案 从而设计出机构简单 制造方 便 性能优良 工作可靠 实用性强的机械产品 在全球化的知识经济时代 人类将更多地依靠知识创新 技术创新及知识和 技术的创新应用 来赢得市场竞争力和产品生命力 设计中的创新需要丰富的 创新性思维 没有创新性的构思 就没有产品的创新 而机械产品的创新是机 械系统的运动方案设计 机械原理课程设计结合一种简单机器进行机器功能分析 工艺动作过程确定 执行机构选择 机械运动方案评定 机构尺度综合 机械运动方案设计等 使 学生通过一台机器的完整的运动方案设计过程 进一步巩固 掌握并初步运用 机械原理的知识和理论 对分析 运算 绘图 文字表达及设计资料查询等诸 多方面的独立工作能力进行的训练 培养理论与实际相结合 应用计算机完成 机构分析和设计的能力 更为重要的是培养开发的创新能力 因此 机械原理 课程设计在机械学生的知识体系训练中 具有不可替代的重要作用 培养和提高学生的创新思维能力是高等教育改革的一项重要任务 机械原理是 机械类专业必修的一门重要的技术基础课 它是研究机械的工作原理 构成原 理 设计原理与方法的一门学科 特别是机械原理课程中关于机械运动方案的 设计是机械工程设计中最具有创造性的内容 对培养学生的创新设计能力起着 十分重要的作用 机械原理课程设计是机械原理教学的一个重要环节 热镦机械手机构设计 2 目录目录 摘要摘要 2 课程设计任务书课程设计任务书 3 1 1 设计题目 3 1 2 设计数据及要求 4 1 3 设计提示 4 二二 机构功能分解机构功能分解 4 2 1 机械手的工艺动作流程及时间分配 4 三三 机构方案设计与选择机构方案设计与选择 5 3 1 手臂上下摆动机构的设计与选择 5 3 2 手臂回转机构的设计与选择 7 3 3 传动部分的设计 8 四四 机构方案计算机构方案计算 11 4 1 电动机功率计算 11 4 2 手臂上下摆动机构的计算 11 4 3 手臂回转机构的计算 13 4 4 传动部分的计算 15 4 41 圆柱齿轮 15 4 42 轴的设计 19 4 43 带传动设计 19 五五 设计小结设计小结 25 六六 参考资料参考资料 25 热镦机械手机构设计 3 课程设计任务书课程设计任务书 1 1 设计题目设计题目 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 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 技术参数见表 1 表 1 热镦挤送料机械手技术参数 热镦机械手机构设计 4 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 A3251207001510 144 0 1 3 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 二二 机构功能分解机构功能分解 2 1 机械手的工艺动作流程及时间分配机械手的工艺动作流程及时间分配 送料频率为 20 次 min 即每次 3s 这 3s 可进行如下分配 手指夹料 0 4s 手臂上摆 20 0 5s 手臂回转 110 1 6s 手臂下摆 20 0 5s 手指松开 0 4s 手臂上摆 20 0 5s 手臂反转 110 1 6s 手臂下摆 20 0 5s 执行机构在一个周期的运动如表 2 所示 动作序 号 动作名称转角 时间 s 1 手指夹料0 0 4 2 手臂上摆20 0 5 3 手臂回转 110 110 1 6 4 手臂下摆20 0 5 5 手指放料0 0 4 6 手臂上摆20 0 5 7 手臂反向回转 110 110 1 6 8 手臂下摆20 0 5 表 2 机构运动循环图 热镦机械手机构设计 5 三三 机构方案设计与选择机构方案设计与选择 3 1 手臂上下摆动机构的设计与选择手臂上下摆动机构的设计与选择 1 执行机构一执行机构一 机械手手臂上下摆动机构机械手手臂上下摆动机构 方案一 盘形凸轮 摇杆机构 不完全齿轮 方案二 圆筒凸轮 连杆机构 热镦机械手机构设计 6 方案三 盘形凸轮 摇杆机构 这里我们采用方案三 使用盘形凸轮机构直接驱动从动件的上下运动 进而通过低复使手臂摇动 这个方案 在计算过程中比较容易 即 s l tan 式中 s 为从动件 热镦机械手机构设计 7 3 2 手臂回转机构的设计与选择手臂回转机构的设计与选择 方案一 盘形凸轮 摇杆机构 方案二 不完全齿轮 曲柄滑块 齿轮齿条 方案三 圆柱凸轮 齿轮齿条机构 方案采用圆柱凸轮 齿轮齿条 传动准确 便于分析计算 3 3 传动部分的设计传动部分的设计 传动部分将电动机的高速转动转化为执行机构所需的转速 一般的机械 都是在第一 热镦机械手机构设计 8 级变速中采用带传动 其他的传动部分使用齿轮传动 有的机构根据需要 还会采用链传 动 涡轮蜗杆等传动机构 本方案设计采用带传动 齿轮传动 3 4 机构整体方案的设计机构整体方案的设计 根据上述各部分选出来的方案可以将机械手整体方案确定下来 其整体的原理图和尺 寸图分别如图 3 1 和 3 2 所示 图 3 1 机构整体结构原理图 热镦机械手机构设计 9 图 3 2 机构整体结构尺寸图 确定了整体的机构方案 现将其工作的过程分析如下 电动机带动小带轮转动转动 这时候小带轮的转速即为电动机的转速为 1440r min 小带轮通过 v 带带动打带轮转动 带 传动的传动比为 4 所以大带轮和齿轮 1 的转速为 360r min 齿轮 1 和齿轮 2 的传动比为 3 所以齿轮 2 和齿轮 4 的转速为 120r min 齿轮 4 和齿轮 3 的出动比也为 3 所以齿轮 3 齿轮 5 和盘形凸轮的转速都为 40r min 根据机构的循环图可知 手臂摆动的周期为 1 5s 正好可以用 40r min 的盘形凸轮带动 齿轮 6 与齿轮 5 的传动比为 4 所以齿轮 6 和圆柱凸 轮的转速为 10r min 第四章第四章 热墩挤送料机械手方案热墩挤送料机械手方案 的确定与计算的确定与计算 4 1 拟定的方案拟定的方案 方案如下 由电动机提供动力源 通过皮带轮传动 并且经过皮带轮和齿轮间的传动达到减速的 目的 最后利用一个四杆机构 达到一个水平转动的效果 另一方面 在装置中设计一个导轨墙 热镦机械手机构设计 10 将机臂穿过该导轨墙 而导轨设计成两个半圆弧度加直线过渡的导轨 因而在机臂水平摆动的 时候上滑一定角度的效果 其中有个不完全齿轮 5 通过齿轮 5 的啮合与否达到转动与不转动 即转动与装卸料的目的 图 4 1 手臂上下摆动机构示意图 机械手臂两支点距 s1 LAB 68 69mm 在运动过程中机械手臂上下摆动 20 度 假设从 B 摆动到 B 处 如图 4 2 所示 过程中可近似看作 AB 垂直于 BB 则 LBB 68 69 tan20 25mm 即圆盘凸轮的导程需为 S 25mm 图 4 2 圆盘凸轮的基圆半径设计尺寸为 R1 25mm 则外圆半径为 R2 S R1 50mm 根据动作的时间分布 回转机构运动一个回合 手臂上下摆动运动两个回合 所以手 臂夹料时间占比为 0 2 1 5 对应的占角度为 360 0 2 1 5 48 度 手臂上摆和下摆均占时间 比为 0 25 1 5 则对应的角度为 360 0 25 1 5 60 度 手臂回转时间所占对应的圆盘凸轮轮廓线 角度为 360 60 60 24 192 度 即如图 4 3 所示 外圆对应的角度为 192 度 基圆所对应的 角度为 48 度 基圆过度到外圆或外圆过度到基圆 即上摆或下摆过程 所对应的角度为 60 度 热镦机械手机构设计 11 图 4 3 圆盘凸轮的外轮廓线 4 3 手臂回转机构的计算手臂回转机构的计算 1 圆柱凸轮的计算 图 4 4 如图 4 4 由于滑块在圆柱凸轮槽中相对于坐标系作左右运动 垂直方向无任何影响 所 以圆柱半径可以任意取值 取圆柱半径为 100mm 轮槽宽度为 8mm 深度为 10mm 导程在 下面齿轮齿条中计算出 s 50mm 2 齿轮齿条的计算 齿轮齿条的计算 热镦机械手机构设计 12 图 4 4 设齿条的运动速度为 v 齿轮的分度圆半径为 r 齿轮转速为 则 v r s r 手臂旋转的角度为 110 即 110 180 选择齿轮的齿数为 26 模数为 2 则 圆柱凸轮的导程 s s r 26 11 18 49 9164mm 分度圆直径为 d m z 26 2 52mm 齿轮的分布图如图五所示 图 4 5 齿轮传动的结构示意图 将电动机的 1440r min 转化为执行件周期 T 6s 的转速 10r min 其传动比为 1440 10 144 选择第一级为带传动 其传动比为 4 则齿轮部分的传动比 144 4 36 3 3 4 齿轮传动的结构示意图如图 4 5 所示 图中 z1 z4 z5 的齿数为 i16 40 z2 z3 的齿数为 60 z6 的齿数为 40 齿宽先均设为 10mm 所有齿轮均为标准直齿圆柱齿轮 标准压力角 20 取模数 m 2 齿顶高系数 h 1 顶 隙系数 0 25 c 下面为各齿轮的设计尺寸 热镦机械手机构设计 13 z1 z4 z5 的齿根圆 分度圆 齿顶圆尺寸图 z2 z3 的齿根圆 分度圆 齿顶圆尺寸图 热镦机械手机构设计 14 z6 的齿根圆 分度圆 齿顶圆尺寸图 所有直齿圆柱齿轮相关信息如表 4 所示 表表 4 圆柱齿轮相关参数圆柱齿轮相关参数 齿数 z 公式 204060 分度圆 直径 dd mz4080120 基圆 直径 DD d cos 37 675 2112 8 齿高 hh h hf4 54 54 5 齿顶圆 直径 d d d 2h 4484124 齿根圆 直径 dfdf d 2hf35 575 5115 5 热镦机械手机构设计 15 轴的设计轴的设计 尺寸设计 轴直径统一设计为 d 22mm 其中大带轮与齿轮 Z1 之间轴长 H1 40mm 齿 轮 Z2 Z4 间周长 H2 40mm Z3 Z5 间周长 H3 40mm Z6 和圆柱凸轮间轴长 H4 40mm Z5 与 圆盘凸轮间轴长 H5 200mm 材料选择 根据书表 15 1 由于直径较小 故选择材料为 38CrMoAlA 热处理方式为调质处 理 4 2 最终方案的确定最终方案的确定 1 皮带轮 1 2 皮带轮 2 3 齿轮 3 4 齿轮 4 5 齿轮 5 6 齿轮 6 7 齿轮 7 8 齿轮 8 9 圆柱凸轮 9 10 盘形凸轮 10 11 齿条 11 4 3 方案的计算方案的计算 热镦机械手机构设计 16 参数 电动机的转速 1440r min 皮带轮 1 半径 R1 5cm 皮带轮 2 半径 R2 20cm 齿轮 3 齿数 Z3 30 齿轮 4 齿数 Z4 180 m3 m4 d3 1 6d4 齿轮 5 齿数 Z5 60 不完全齿轮 模数 m5 2 齿轮 6 齿数 Z6 120 模数 m6 2 齿轮 7 齿数 Z7 80 模数 m7 2 机臂到达水平导轨时与水平线夹角 曲柄摇杆机构中 摇杆长 c 200mm 摆角 110 度 曲柄长 a 120mm 行程速比系数为 1 5 1 曲柄摇杆机构运动分析 通过计算机辅助分析程序得 机架长 d 302 9mm 连杆长 b 380 4mm 2 上摇过程分析 当机臂滑上导轨的水平轨道时 上摆角度 满足 tan 80 4 300 0 268 所以 arctan0 286 15 从而满足了上摆 15 的预期目的 3 传动过程分析 a 机臂转动阶段 即不完全齿轮 5 与齿轮 6 完全啮合状态 传动比计算 i16 R2 Z4 Z6 R1 Z3 Z5 72 1 2 3 14 1440 60 5 1 36 5 6 即每转一周耗时 1 5s 此时 齿轮 6 由于不啮合而导致停转 用时 t2 1 5s 用以装卸料 b 完整周期计算 在一个行程周期内 机