热镦挤送料机械手机械原理课程设计说明书.docx
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热镦挤送料机械手机械原理课程设计说明书
为了培养面向21世纪知识经济时代的科技人才，国家进行了课程体制改革，而机械原理课程设计能够培养机械类专业学生的创新能力，今天我们设计的热墩挤送料机械手，由于机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。
它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
机械手主要由手部和运动机构组成。
手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。
运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。
运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度，选择何时的自由度作出合适的机械手以满足生产的要求，简便了工作。
目录
一、总设计要求……………………………………..
1、设计题目………………………………………..
2、设计任务……………………………………….
二、功能分解…………………………………………
三、选用的机构…………………………….
四、机构的运动循环图…………………………….
五、原动件的选择…………………………….
六、传动比的分配…………………………….
七、主要机构介绍…………………………….
1、齿轮设计…………………………….
2、对心直动滚子推杆盘形凸轮机构……………
3、不完全齿轮机构设计…………………….
八、设计方案的评价…………………………….
九、总结…………………………….
十、参考文献…………………………….
一、总设计要求
1、设计题目
设计二自由度关节式热镦挤送料机械手，由电动机驱动，夹送圆柱形墩料，往40t墩头机送料。
以方案A为例，它的动作顺序是：
手指夹料，手臂上摆12度，手臂水平回转120度，于管下摆15度，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。
主要要求完成对手臂上下摆动以及水平回转的机械运动设计。
如下
为机械手的外观图和技术参数表.
机械手技术参数
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。
（5）设计计算齿轮机构。
二、功能分解
送料机构由2种动作的组合：
一、做上下摆动
当料被抓紧后，通过凸轮对连杆一端的位置的改变进行对杆的摆角进行调整，从而实现对物料的拿起和放下的动作。
二、间歇的回转运动
当手臂上摆时，通过锥齿轮和不完全啮合齿轮实现间歇的回转运动
三、选用的机构
名称
作用
凸轮机构
通过轴的带动用凸轮使手臂实现上下摆动
不完全齿轮机构
通过不完全啮合齿轮达到间歇的效果
圆柱齿轮机构
通过齿轮达到减速效果
圆锥齿轮机构
通过锥齿轮的特点达到改变方向的效果
连杆机构
通过连杆实现转动
四、机构的运动循环图
五、原动机的选择
由发动机转速x可以知道功率为p=3kw。
总速比i总=η电动机/η工作机=96（其中η工作机为送料频率）。
六、传动比的分配
电动机转速:
960r/min,生产率:
次/10min。
凸轮完成一次周期的时间:
t1=6;机械臂完成一次竖直运动或水平运动的时间:
t2=1.5;;与凸轮相连接的主动轴转速:
20r/min；又因为上带轮减速倍率为2倍，下带轮减速倍率为4倍，带轮的从动轴转速为:
480r/min;上执行机构中的两队减速齿轮的传动比为x1和x2，则x1*x2=480/20;的出两个传动比分别为1:
4，1:
6。
七、主要机构介绍
Ⅰ、齿轮机构
减速齿轮
由于原动机的转速较高，nd=r/min，在此工作机不需要如此高的转速，我们需要设计减速齿轮降低转速，增大转矩，以实现工作机的正常稳定工作。
数据计算
1、数据计算
①工作机（输出轴）的转速计算
电机转速=x生产率=y
完成一次周期的时间：
t1=60/y
完成一次上下或平移的时间：
t2=t1/4
输出轴的转速：
2yr/min
2减速齿轮的传动比计算
因为带轮的减速为两倍，所以输入轴的转速为x/2r/min
第一级齿轮减速倍数（传动比）为：
x1
第二级齿轮减速倍数（传动比）为：
x2
x1*x2=（x/2）/2y
2、渐开线标准减速齿轮传动计算公式
名称
代号
计算公式
小齿轮
大齿轮
模数
m
（根据齿轮受力情况和结构需要确定，选取标准值）
压力角
α
选取标准值
分度圆直径
d
d1=mz1
d2=mz2
齿顶高
ha
ha1=ha2=ha
m
齿根高
hf
hf1=hf2=（ha
+c
）m
齿全高
h
h1=h2=（2ha
+c
）m
齿顶圆直径
da
da1=（z1+2ha
）m
da2=（z2+2ha
）m
齿根圆直径
df
df1=（z1-2ha
-2c
）m
df2=（z2-2ha
-2c
）m
基圆直径
db
db1=d1cosα
db2=d2cosα
齿距
p
p=πm
基圆齿距
pb
pb=pcosα
齿厚
s
s=πm/2
齿槽宽
e
e=πm/2
顶隙
c
c=c
m
标准中心距
a
a=m（z1+z2）/2
传动比
i
i12=w1/w2=z2/z1=d2/d1=dh2/dh1
3、渐开线标准齿轮数据
名称
代号
参数
齿轮
1
2
3
4
5
6
7
8
模数
m
2
2
2
2
2
2
2
2
齿数
z
100
25
150
25
100
25
25
压力角
α
20
20
20
20
20
20
20
20
分度圆直径
d
200
50
300
50
200
50
300
50
齿顶高
ha
2
2
2
2
2
2
2
2
齿根高
hf
2.5
2.5
2.5
2.5
2.5
2.5
2.5
2.5
齿全高
h
4.5
4.5
4.5
4.5
4.5
4.5
4.5
4.5
齿顶圆直径
da
204
54
304
54
204
54
304
54
齿根圆直径
df
195
45
295
45
195
45
295
45
基圆直径
db
187.93
46.98
281.90
46.98
187.93
46.98
281.90
46.98
齿距
p
6.28
6.28
6.28
6.28
6.28
6.28
6.28
6.28
基圆齿距
pb
5.90
5.90
5.90
5.90
5.90
5.90
5.90
5.90
齿厚
s
3.14
3.14
3.14
3.14
3.14
3.14
3.14
3.14
齿槽宽
e
3.14
3.14
3.14
3.14
3.14
3.14
3.14
v
顶隙
c
0.25
0.25
0.25
0.25
0.25
0.25
0.25
0.25
传动比
i
1:
4
1:
6
1:
4
1:
6
锥齿轮
机构为了能够实现既定运动，需要进行运动转向才能将电机的转动变成所需的运动，所以需要用到锥齿轮链接。
锥齿轮公式及其参数
名称
代号
计算公式
参数
分锥角
δ
δ
=arctan（z1/z2）
45
齿顶高
ha
ha=ha
m=m
2
齿根高
hf
hf（ha
+c
）m=1.2m
2.4
分度圆直径
d
d=mz
36
齿顶圆直径
da
da=d+2hacosδ
41.64
齿根圆直径
df
df=d-2hfcosδ
32.475
锥距
r
r=m
/2
25.46
齿根角
θ
tanθ
=hf/r
3
顶锥脚
δ
δ
=δ
+θ
48
10
49
根锥角
δ
δ
=δ-θ
41
顶隙
c
c=c
m
0.4
分度圆齿厚
s
s=πm/2
3.14
当量齿数
z
z
=z
/cos
3.14
齿宽
b
b
r/3
8
模数
m
视情况自己设定
2
齿数
z
视情况自己设定
18
Ⅱ、对心直动滚子推杆盘形凸轮机构
在该凸轮机构中，由凸轮的转动带动推杆在竖直方向做周期性运动。
凸轮运动分为3个阶段，推程阶段，回程阶段，近休止阶段。
1、凸轮机构基本尺寸的确定。
如下图建立Oxy直角坐标系。
凸轮基圆半径r0的确定，在偏距一定推杆的运动规律已知的条件下，加大基圆半径r0,可以减小压力角α，从而改善机构的传力特性，但如果过大又会使机构的尺寸过于庞大，故定基圆半径r0=50mm。
凸轮滚子推杆滚子半径的选择，用p1表示凸轮工作廓线的曲率半径，用p表示理论廓线的曲率半径。
所以有p1=p±r1；为了避免发什么失真现象，应该是p的最小值大于0，即使p>r1；另一方面滚子的尺寸还受其强度，结构的限制，不能太小通常取滚子半径：
r1=（0.1~0.5）*r0。
在此，取r1=0.2*r0=10mm。
2、原始数据及分析。
已知数据，推程运动结束时的凸轮总转角，d1=150o，其中（d1-d0）为推程角；回程运动结束时的凸轮总转角，d2=300o，其中（d2-d1）为回程角；近休止运动结束时的凸轮总转角，d3=360o,其中（d3-d2）为近程休止角；凸轮中心到推杆中心轴线的偏距，e=0；基圆半径，r0=50；从动杆的总行程，h=59；凸轮角速度，ω=1r/s；滚子半径，r1=10。
待求数据，推动从动杆的位移，s；推动从动杆的速度，v；推动从动杆的加速度，a；以凸轮中心为原点竖直和水平方向分别为x,y轴，建立平面直角坐标系。
凸轮轮廓的轨迹x轴坐标点，x；凸轮轮廓的轨迹y轴坐标点，y。
3、推杆的运动规律及凸轮的轮廓线方程。
①推程过程:
0＜d≤150o
a、等加速推程阶段:
0＜d≤75o
推杆从动杆的位移:
s=2hδ2/δ02=2hd2/d12
推杆从动杆的速度:
v=4hωδ/δ02=4hωd/d12
推杆从动杆的加速度:
a=4hω2/δ02=4hω2/d12
b、等减速推程阶段:
75o＜d≤150o
推杆从动杆的位移:
s=h-2h（δ0-δ）2/δ02=2h（d1-d）2/d12
推杆从动杆的速度:
v=4hω（δ0-δ）/δ02=4hω（d1-d）/d12
推杆从动杆的加速度:
a=-4hω2/δ02=-4hω2/d12
②回程过程:
150o＜d≤300o
a、等加速回程阶段:
150o＜d≤225o
推杆从动杆的位移:
s=h-2hδ2/δ02=h-2hd2/（d2-d1）2
推杆从动杆的速度:
v=-4hωδ/δ02=-4hωd/（d2-d1）2
推杆从动杆的加速度:
a=-4hω2/δ02=-4hω2/（d2-d1）2
b、等减速回程阶段:
225o＜d≤300o
推杆从动杆的位移:
s=2h（δ0-δ）2/δ02=2h（d2-d1-d）2/（d2-d1）2
推杆从动杆的速度:
v=-4hω（δ0-δ）/δ02
=-4hω（d2-d1-d）/（d2-d1）2
推杆从动杆的加速度:
a=4hω2/δ02=4hω2/（d2-d1）2
③近休止过程:
300o＜d≤360o
推杆从动杆的位移:
s=0
推杆从动杆的速度:
v=0
推杆从动杆的加速度:
a=0
推程过程及其回程过程中凸轮轮廓轨迹:
x=x1-r1cosθy=y1-r1sinθ
其中理论轮廓线方程:
x=（s0+s）sinδ+e*cosδ=（s0+s）sinδ
y=（s0+s）cosδ-e*sinδ=（s0+s）cosδ……其中s0=（r02+e2）1/2=r0
图中B点处法线n-n斜率:
tanθ=dx/-dy=（dx/dδ）/（-dy/dδ）=sinθ/cosθ
由上述三式可得:
sinθ=（dx/dδ）[（dx/dδ）2+（dy/dδ）2]1/2
cosθ=-（dy/dδ）[（dx/dδ）2+（dy/dδ）2]1/2
凸轮运动与机械臂运动关系如下表所示。
推程阶段
回程阶段
近休止阶段
凸轮总转角
150o
300o
360o
用时
5/8
5/8
1/4
机械臂运动
上摆15o
下摆15o
水平静止夹料
Ⅲ、不完全齿轮机构设计
1、主要特点。
从动轮每转一周停歇的次数，每次停歇时间的长短，每次运动转过的角度，主动轮没赚一周从动轮停歇的次数等，可调幅度比槽轮机构大得多，设计相对较为灵活。
从啮合过程来看，从动轮在每次运动的开始与终止时刻冲击较大，故不完全齿轮机构的动力学特性较差。
可以采取措施，例如附加顺心线机构以改善力学性能，但增加了机构的复杂程度。
故不完全齿轮机构一般用于低速轻载的场合。
2、设计步骤。
已知:
从动轮每一次转角ψ2=120o，停动比k∈[0.45~0.55]
主、从动轮上齿数z1=z2=48,模数m=2，压力角α=20o,ha2*=1。
按
1.15o
3、数据列表
序号
名称
符号
计算公式或确定方法
数据值
1
分度圆压力角
α
标准值（一般取20o）
20o
2
从动轮齿
顶高系数
ha2*
标准值（一般取1）
1
3
一对标准齿轮齿顶圆的
两个焦点间所对从动轮
中心角之半
β2
β2=arcos{[z2（z1+z2）+2（z2-z1）]/（z1+z2）（z2+2）}
16.26o
4
从动轮顶圆压力角
αa2
αa2=arcos[z2cosα/（z2+2ha2*）]
25.25o
5
从动轮顶圆齿厚所对中心角之半
θ2
θ2=[π/2z2-（invαa2-invα）]
0.88o
6
单齿传动（z’=1）中从动轮每次运动所转角度ψ的齿数
k
K’=z2[2β2-2π/Z2+2θ2]/2π计算结果去掉小数部分后所得的整数
3
7
单齿传动（z1=1）中从动轮每次转角
δ2
δ2=2πk/z2
22.5o
8
从开始啮合时，与主动轮首齿啮合的从动轮齿厚中心线与连心线间夹角
r2
r2=（k-1）π/z2
7.5o
9
主动轮末齿齿顶高系数
ha1*’’
ha1*’’=[z1+（z12-2G）1/2]/2
0.52
10
主动轮首齿齿顶高系数
ha1*’
按ha1*’≤ha1*’’条件选取
0.4
11
主动轮首齿齿圆压力角
αa1
αa1=arcos[z1cosα/z1+2ha1*’’]
22.44o
12
啮合角
α‘
一般为标准中心距安装α‘=α
20o
13
第一对与第二队齿间重叠系数
ε
ε=[z1（tanαa1tanα’）]+z2
（tanαa2-tanα’）/2π
1.24
14
主动轮末齿齿顶圆压力角
αa2
αa2=arccos[z2cosα/z1+2ha1*’’]
22.43o
15
主动轮顶圆齿厚所对中心角之半
θ1
θ1=（π/2z2）-（invαa2-invα）
1.5o
16
主动轮末齿中心线与过锁止狐起点下的半径
ψ1
ψ1=arcsin[（z2+2ha2*）sin（δ2-r2-θ2）/（z1+2ha1*）]-θ1
12.9o
17
从动轮每次一转角
ψ
N=2π/ψ必须为整数，按工作要求确定
11.14o
18
从动轮每次转过的齿数
z2’
z2’=ψz2/2π=z2/N
16
19
主动轮上两锁弧间的实际齿数
z1’
z1’=z2’-k+1
14
20
主动轮首末两齿中心线间的夹角
ξ
ξ=2π（z1’-1）/z1
97.51o
21
从动轮每一次运动的时间
tf
tf=T（ψ+ξ+ψ1）/2π
0.338T
22
从动轮每一次停歇的时间
td
td=T-tf
0.663T
23
动停比
k
k=tf/td
0.51
24
从动轮顶圆齿厚为0.5mm时所对中心角
λ2
λ2=1/（z2+2ha2*）
1.15o
25
锁止弧半径
R
R=m[（z2+2）2+（z1+z2）2-2（z2+2）
（z1+z2）cos（r2+θ2-λ2）]1/2/2
46.86
不完全齿轮运动与机械臂运动关系如下表:
机械臂运动/齿轮3运动
不完全齿轮1
不完全齿轮2
与齿轮3啮合
用时
下上15o/停止
顺时针900
逆时针90o
与齿1不啮合
与齿2不啮合
1.5
逆时针120o
顺时针90o
逆时针90o
与齿1啮合
与齿2不啮合
1.5
下上15o/停止
顺时针90o
逆时针90o
与齿1不啮合
与齿2不啮合
1.5
顺时针120o
顺时针90o
逆时针90o
与齿1不啮合
与齿2啮合
1.5
第一阶段第二阶段第三阶段第四
（其中双线表示不完全齿轮带齿部分，单线表不带齿部分）
八、设计方案的评价
该方案通过凸轮实现凸轮实现机械臂上下摆动15o的工作要求，通过不完全齿轮实现间歇和机械臂水平120o的转动。
上下两部分执行机构衔接较为得当。
动力分配合理，整个方案设计简单，同时能很好完成要求的运动工作。
九、总结
这是我们步入大学之后的第一次做课程设计，虽然有些茫然和不知所措，但是在老师的指导和同学的互相帮助下还是按时完成了设计。
这次课程设计让我体会很深，也学到了很多新东西，作为一名机械系，机械设计制造及其自动化专业的大学生，我觉得能做类似的课程设计是十分有意义，而且是十分必要的。
十、参考文献
1、《机械原理》（第七版）-------------孙桓，陈作模等主编
2、《间歇运动机构设计与应用创新》------邹慧君，殷鸿梁主编
3、《机械原理课程设计》----------------高英武，杨文敏主编
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