课程设计报告热镦挤送料机械手.docx
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课程设计报告热镦挤送料机械手
机械原理课程设计
题目热镦挤送料机械手
学院
专业年级
学号姓名
指导教师
二○一六年六月
一总设计要求....................................3
1.1设计题目..................................3
1.2设计任务..................................4
1.3设计提示..................................4
二运动循环设计..................................4
2.1方案选择..................................4
2.2原理分析..................................4
2.3时间设定..................................5
三运动机构设计..................................6
3.1原动机的选择...............................6
3.2传动机构的设计..............................6
3.3上下机构的设计..............................7
3.4左右运动的设计..............................8
四运动方案总述..................................9
4.1运动方案拟定...............................9
4.2传动机构运动分析............................9
4.2上下运动分析...............................11
4.3左右运动分析...............................13
4.5总述.....................................14
五设计小结.....................................17
六参考文献.....................................18
一总设计要求
1.1设计题目
机械手的外观图
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。
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/min
A
2
25
120
685
15
15
1450
B
2.5
27.5
110
690
17.5
12.5
1450
C
3
30
100
700
20
10
960
D
1.5
22.5
105
600
17.5
15
960
E
1
15
110
500
15
20
1440
1.2设计任务
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：
机械手的计算机动态演示验证等。
1.3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
二运动循环设计
2.1方案选择
通过讨论，我们选择方案A进行设计，即：
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
A
2
25
120
685
15
15
1450
2.2原理分析
热墩挤送料机器手的设计从工作路线上分析为机器臂手指夹料，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15º，水平反转120º，在下摆15º这八个过程为一个周期，即完成一次送料。
因此可以分析出该机器手的运动分为上下运动和左右回摆运动。
2.3时间设定
送料频率15次/min,即1次/4s。
一次送料过程包括：
手指抓料，手臂上摆15°，回转120°，手臂下摆15°，手指松开送料，手臂上摆15°，手臂回转120°，下摆15°，这八个过程时间均设定为0.5s。
由此可制作出一张表格和一个时间对应图来反映出机械臂的运动路线。
机器手运动循环表
上下运动
停止
上摆
停止
下摆
停止
上摆
停止
下摆
回摆运动
停止
停止
回转
停止
停止
停止
反转
停止
时间
0.5s
0.5s
0.5s
0.5s
0.5s
0.5s
0.5
0.5s
图2机器手运动循环图
三运动机构设计
3.1原动机的选择
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：
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：
分别为皮带、齿轮的传动效率
按推荐的传动比合理范围，取一级传动i=2，二级圆柱直齿轮的传动比i=10-30,总的传动范围为20-60.
经过上网查阅资料，决定选用ZGY20-1.1/4型号电动机（转速:
1450r/min功率:
1.1kw）
3.2传动机构的设计
经过小组讨论与分析，我们决定采用皮带传动和齿轮传动。
皮带传动有以下几个优点：
1）可用于两轴中心距离较大的传动。
2）皮带具有弹性、可缓冲和冲击与振动，使传动平稳、噪声小。
3）当过载时，皮带在轮上打滑，可防止其它零件损坏。
4）结构简单、维护方便。
5）由于皮带在工作中有滑动，故不能保持精确的传动比。
6）外廓尺寸大，传动效率低，皮带寿命短。
所以我们决定用皮带传动进行第一级的传动。
接下来我们采用圆柱直齿齿轮传动。
齿轮传动是应用最多的一种传动形式，它有如下特点：
1）能保证传动比稳定不变。
2）能传递很大的动力。
3）结构紧凑、效率高。
4）制造和安装的精度要求较高。
5）当两轴间距较大时，采用齿轮传动就比较笨重
通过齿轮传动的多级减速可以达到我们所需要的转速。
经过讨论，我们选取标准直齿圆柱齿轮标准传动，压力角取ɑ=20°,模数取m=3,齿顶高系数hɑ*=1,顶隙系数c*= 0.25。
因此我们通过皮带传动与齿轮传动的结合达到我们的设计要求。
3.3上下运动的设计
方案一圆柱凸轮机构+连杆机构利用圆柱凸轮实现从动件的停歇和上下运动，再通过连杆，实现手臂的上下摆动
优点：
圆筒凸轮结构简单、紧凑，所能承受的力也比盘形凸轮要大
缺点：
圆柱凸轮较难设计
方案二滚子从动件盘型凸轮机构+滑块机构利用凸轮实现从动件的停歇和上下运动，再通过滑块，实现手臂的上下摆动
滚子从动件盘型凸轮机构+滑块机构
优点：
1.凸轮计算简便；2.凸轮结构简单，容易生产
缺点：
凸轮和从动件之间有冲击，磨损严重
经过比较与分析，方案一的圆柱凸轮设计困难，方案二的盘型凸轮设计简便，便于计算分析。
由于该机器手最大的抓重为2kg，重量较小，因此盘型凸轮所承受的力也不会太大，磨损不会
过于严重，综上所述，盘型凸轮完全符合设计要求。
经过综合考虑，我们选择方案二最佳。
3.4左右运动的设计
方案一 不完全齿轮＋连杆机构 利用不完全齿轮控制停歇时间，再通过曲柄遥杆机构实现机械手手臂水平回转120°
不完全齿轮＋连杆机构
优点：
1.结构简单，容易加工；2.连杆机构和齿轮计算简便
缺点：
1.四连杆机构有急回特性2.不完全齿轮有冲击
方案二不完全齿轮 + 曲柄滑块 + 齿轮齿条机构齿轮与齿条组成对心式曲柄滑块机构，通过齿轮的转动带动齿条左右移动，从而带动转台齿轮左右移动，使得机械手臂转动120度
不完全齿轮 + 曲柄滑块 + 齿轮齿条机构
优点：
1.不存在急回特性，避免了急回所带来的损坏
2.曲柄滑块机构和齿轮计算简便
缺点：
不完全齿轮有冲击
两种方案都是通过不完全齿轮控停歇时间，当机械手臂在上下摆动的时候，使得转台齿轮停止转动。
由于机器手的回转角度较大，连杆机构难以满足要求，同时连杆机构具有急回特性，对机构具有损坏。
综上所述，选择方案二为最佳。
四运动方案总述
4.1运动方案拟定
首先，由电动机提供动力源，通过大小皮带轮的转动，先进行第一轮减速，然后通过定轴轮系继续减速，再通过锥齿轮换向，使得原路分支成两路，为上下摆动与水平回转提供动力。
使凸轮转动，从而完成手臂的上下15度的摆动；另一路通过锥齿轮继续传动给不完全齿轮，通过曲柄滑块机构，齿轮齿条的配合以及连在转台上的轴，使的手臂来回转动120度。
机构的空间自由度为2，需要两个动力输入，由锥齿轮完成。
4.2传动机构运动分析
根据运动循环图我们设计电动机经过传动后转速为30r/min,据此我们设计如下减速机构
减速机构简图
1.皮带轮机构
皮带轮1直径为144mm，皮带轮2直径为290mm.
2.轮系机构
经过讨论，我们选取模数为3的标准齿轮
m=3α=20ha*=1c*=0.25,材料：
45
名称
符号
公式
1，3，5
2
4
6
齿数
z
20
80
60
40
分度圆直径
d
d=mz
60
240
180
120
基圆直径
db
hb=dcosα
56.38
225.53
169.14
112.76
齿顶高
ha
ha=ha*m
3
3
3
3
齿顶圆直径
da
da=d+2ha
66
246
186
126
齿根圆直径
df
df=d-2hf
52.5
232.5
172.5
112.5
齿距
p
P=πm
9.42
9.42
9.42
9.42
齿厚
s
s=p/2
4.71
4.71
4.71
4.71
槽宽
e
e=p/2
4.71
4.71
4.71
4.71
顶隙
c
c=c*m
0.75
0.75
0.75
0.75
基圆齿距
pb
pb=pcosα
8.85
8.85
8.85
8.85
法向齿距
pn
pn=pcosα
8.85
8.85
8.85
8.85
2.锥齿轮机构
Z=48,m=3材料45ha=3hf=3.75
分度圆锥角δ=arccotz2/z1=45°
分度圆直径d=144
齿顶圆直径da=d+2hacos=148.24
齿根圆直径df=d-2hfcos=138.70
锥距R=101.82
齿顶角tanθa=ha/R=0.030
齿根角tanθf=hf/R=0.036
当量齿数zvi=zi/cos=67.89
3.传动比的计算
皮带轮传动比：
i1=290/144
齿轮传动比：
i2=（z2*z4*z6）/（z3*z5*z7）=24
总传动比：
i=i1*i2=145/3
水平转动输入转速：
30r/min
上下运动输入转速：
30r/min
4.3上下运动分析
上下运动主要执行机构是凸轮，对上下运动的分析即是对凸轮的分析
经过讨论分析，我们进行了尺寸设定，如下图所示：
根据这些参数设定以及机器手运动循环图，我们试用软件设计了凸轮
1.从动件运动规律
2.凸轮的参数设定
凸轮转速n=30r/min
基圆半径r=46mm
凸轮厚度b=20mm
携程h=78mm
3凸轮设计
根据从动件运动规律我们设计了凸轮运动规律
第一阶段
第二阶段
第三阶段
第四阶段
摆动动作
停止
上摆15°
停止
下摆15°
从动件运动规律
停止
正弦
停止
正弦
从动件位移
0~0
0~78
78~78
78~0
凸轮转过角度
90°
90°
90°
90°
根据以上数据我们使用软件进行了分析，对分析数据进行了部分截图
根据这些数据我们描绘出凸轮的轮廓曲线
最小曲率半径为46mm
4.4左右运动分析
左右运动我们设计的主要执行机构是不完全齿轮 + 曲柄滑块 + 齿轮齿条机构，并通过摇杆导轨机构实现机器臂的左右回摆。
因此左右运动的分析就是对不完全齿轮 + 曲柄滑块 + 齿轮齿条机构的分析。
1.不完全齿轮
齿轮9为不完全齿轮，模数3，有齿部分为90°，齿数为24，齿轮10的齿数为48。
即齿轮9转一圈，齿轮10转半圈。
2.对心曲柄滑块机构
根据转台旋转120°，我们可以知道曲柄的长度以及齿条的最小长度为齿轮11的周长的1/3。
我们确定齿轮z11的模数为3，齿数为24。
则齿条的最小长度为24π，即75.4mm。
因此我们设计齿条的长度80mm。
则曲柄的长度为12π，即39.7mm。
综上：
曲柄长度为39.7mm，齿条长度为80mm。
同时我们通过solidworks分析出运动时滑块的运动情况
1）滑块速度图像
2）滑块位移图像
4.5总述
通过对以上各个分机构的设计，然后将各个机构有机的结合即可实现我们所需要的功能。
我们基于solidworks进行了三维建模，将各个部分结合一起，并进行motion分析，进一步完善我们的机构。
1.基于solidworks的三维仿真
1）减速机构图
2）上下运动图
3）左右运动图
4）热墩挤送料机器手三维仿真图
2.运动分析总述
电动机通过皮带轮以及定轴轮系的减速，使电动机的1450r/min减速至30r/min。
然后通过圆锥齿轮的分向，使垂直方向也有一个30r/min的转速，分别带动上下运动与左右运动。
驱动凸轮，使机械臂上下摆动。
同时又驱动不完全齿轮和曲柄滑块机构，在配合上摆动导轨机构使机械臂左右摆动。
不完全齿轮可以使左右运动和上下运动相互配合出我们所要的形式。
机械臂上下运动角速度图
机械臂左右运动角速度图
五设计小节
该机器依靠凸轮来实现机械手臂的间隙上下摆动。
而在实现手臂的间隙回转的动作上，运用了不完全齿轮和齿轮齿条以及摆动导轨机构。
并且通过增加传动齿轮的数量和改变传动比的方式来使最后运动到达指定要求。
此方案结构简单，各运动部件之间的运动都易于实现，不会出现干涉现象。
由于传动链较短，累积误差也不会太大，从而可以满足。
紧张的课程设计顺利结束了。
在这次设计过程中，我掌握了很多设计知识，对于有些设计软件的使用更加熟练。
发现有些东西非常有用，比如solidworks，通过solidworks实现了对机构的三维建模，对我们对机构运动分析具有很大的帮助，并且通过solidworks的运动仿真分析，产生机构的运动图像，使我们对这些机构有了更深层次的认识。
在设计的过程中我们也碰到了很多问题，机构的功能不能完全掌握、传动性不明确、运动循环图不清晰以及机构不能完美的连贯起来。
这些都是最重要也是最难的。
经过老师的指导和与同学进行交流、讨论，终于有所收获，明白了很多。
机械学作为一门传统的基础学科，内容丰富，涉及面广。
目前，机械学正与电子电气、液压等多种学科，联系更为紧密，它的综合性更强。
机械学的学习将是一个艰苦但却值得努力的过程。
经过这次课程设计，我们在接下来的学习中注重基础知识的掌握，加强软件的使用。
六参考文献
[1]申永胜主编.机械原理.北京：
清华大学出版社，2005
[2]邹慧君.机械设计课程设计手册.浙江：
高等教育出版社，1998
附录：
凸轮理论轮廓曲线设计C语言程序
#include
#include
#definePI3.1415926
voidmain（）
{FILE*fp;
doublee=0.0,ro=80.0,rt=10.0,h=28.2,phi1=120.0,phis=60.0,phi_1=120.0,phi_s=60.0;
/*各字母含义：
e偏距，基圆半径ro,滚子半径rt,行程h,推程运动角phi1,远休止角phis,回程运动角phi_1,近休止角phi_s*/
doubles,alp[181],x[181],y[181],x1,y1,xr[181],yr[181];
/*分别代表从动件位移，压力角，理论轮廓曲线点的位置x,y，x，y对运动角的微分，实际轮廓曲线的位置x,y*/
doubleic,ic1,ic2,ic3,so,s1,cop,sip,phi,gam,bel,del=5.0,q,t;/*定义变量*/
inti;
gam=phi1+phis;
bel=phi1+phis+phi_1;
ic=（int）（360.0/del）;
ic1=（int）（phi1/del）;
ic2=（int）（gam/del）;
ic3=（int）（bel/del）;
so=sqrt（ro*ro-e*e）;
printf（"\nNoTHETATheoreticalcontourcurve.Actualcontourcurveofcam.pressureangle\n"）;
/*在屏幕上输出文件头*/
printf（"degx/mmy/mmX/mmY/mmrad\n"）;
fp=fopen（"myf2.c","w"）;
fprintf（fp,"\nNoTHETATheoreticalcontourcurve.Actualcontourcurveofcam.pressureangle\n"）;
fprintf（fp,"degx/mmy/mmX/mmY/mmrad\n"）;
for（i=0;i<=ic;i++）/*每隔五度建立循环*/
{
phi=i*del*PI/180.0;/*将角度化为幅度*/
cop=cos（phi）;
sip=sin（phi）;
if（i<=ic1）/*推程运动判断*/
{
s=（h/2.0）*（1.0-cos（180.0*phi/phi1））;
s1=h*PI*sin（180.0*phi/phi1）/2.0/phi1;
x1=-（s+so）*sip+s1*cop-e*cop;
y1=（s+so）*cop+s1*sip-e*sip;
}
elseif（i<=ic2）/*远休止角*/
{
s=h;
s1=0;
x1=-（s+so）*sip-e*cop;
y1=（so+s）*cop-e*sip;
}
elseif（i<=ic3）/*回程等减速运动判断*/
{s=（h/2.0）*（1-cos（（PI-phi）*180/phi1））;
s1=-（90*h/phi_1）*sin（（bel*PI-180*phi）/phi_1）;
x1=s1*cop-（so+s）*sip-e*cop;
y1=s1*sip+（so+s）*cop-e*sip;
}
else/*近休止角*/
{
s=0;
s1=0;
x1=-（s+so）*sip-e*cop;
y1=so*cop-e*sip;
}
t=fabs（s1-e）;
alp[i]=atan2（t,（s+so））;/*计算压力角*/
q=rt/sqrt（x1*x1+y1*y1）;
x[i]=（s+so）*cop-e*sip;/*理论轮廓曲线位置*/
y[i]=（s+so）*sip+e*cop;
xr[i]=x[i]-q*y1;/*实际轮廓曲线位置*/
yr[i]=y[i]+q*x1;
phi=i*del;
printf（"\n%2d%12.3f%12.3f%12.3f%12.3f%12.3f%12.3f",i+1,phi,x[i],y[i],xr[i],yr[i],alp[i]）;
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