热墩机械手张林江

1、15届课程设计机械原理课程设计设计说明书 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 宋体，三号，居中，注意最右边下划线请对齐 塔里木大学机械电气化工程学院制前言“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

2、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、

3、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、

4、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。目录摘要- 2 -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

5、- 4 -二 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 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 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 设计小结- 25 -六 参考资料- 25 -课程设计任务书1.1设计题目图1机械手的外观图1.2

6、60;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。技术参数见表1。表1 热镦挤送料机械手技术参数方案号最大抓重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/minA3251207001510

7、14401.3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 机构功能分解2.1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

8、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 机构运动循环图三 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( 1 ) 执行机构一: 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 方案三

9、： 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。3.2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

10、传动。3.4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 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

11、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 热墩挤送料机械手方案的确定与计算4.1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,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=

12、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

13、-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。图4.3 圆盘凸轮的外轮廓线4.3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

14、15;/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40，z2、z3的齿数为60，z6的齿数为40。齿宽先均设为10

15、mm.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; 下面为各齿轮的设计尺寸：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4 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×cos37.675.2112.8齿高hh=h+hf4.54.54.5齿顶圆直径dd= d+2h4484124齿根圆直径dfdf= d-2hf35.575.5115.5轴的设计 尺寸设计:

16、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910-盘形凸轮10 11-齿条11 4.3 方案的计算参数：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

17、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=380.4mm2.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

18、.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)=721=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，机臂先是水平转动1.5s到达终点。卸料（或装料）1.5s，接着回转1.5s到达起始位置，最后装料（或卸料）1.5s，所以一个周期T=2(t1+t2)=6s。从而一分钟内可以完成60/6=10次周期的运动，基本完成送料频率10次/min的预期效果。五 设计小结该机器依靠齿轮和曲柄摇杆机构来实现机械手臂的水平回转摆动。而在实现回转的动作时，运用了不完全齿轮和完全齿轮的配合来完成回转周期及停歇运动。并且通过增加传动齿轮的齿数和改变传动比的方式来使最后的运动到达指定要求。而在实现上摆及下摆的运动中，我们小组通过集思广益，最后讨论研究出了利用带有坡度的导轨使得机械臂能按要求滑上指定高度，从而达到上摆一定角度的效果