機械原理課程設(shè)計熱鐓擠送料機械手

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1、 熱鐓擠送料機械手的設(shè)計——課程 設(shè)計 機械原理課程說明書 設(shè)計題目：熱鐓擠送料機械手 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 學(xué) 院：機電工程學(xué)院 專 業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)老師： 浙江海洋學(xué)院教務(wù)處 2008年6月30日 設(shè)計任務(wù)書 1 設(shè)計題目 熱鐓擠送料機械手

2、 2 工作原理及其工藝動作過程 機械手夾送圓柱形鐓料，手指夾料，再通過凸輪或連桿機構(gòu)使手臂上擺15，然后手臂水平回轉(zhuǎn)120，到達指定點手臂下擺15，手指張開放料；手臂再上擺，水平反轉(zhuǎn)，下擺，同時手指張開，準備夾料，往復(fù)這些運動。 3 原始數(shù)據(jù)及設(shè)計要求 （1）最大抓重 2㎏ （2）手指夾持工件最大直徑 25㎜ （3）手臂回轉(zhuǎn)角度 120 （4）手臂回轉(zhuǎn)半徑 685㎜ （5）手臂上下擺動角度 15 (6) 送料頻率 15次/分 （7）工作阻力很小。要求選用的機構(gòu)簡單、輕便、運動靈活可靠。 （8）電動機轉(zhuǎn)速 1450轉(zhuǎn)/分 4 設(shè)計方案提示 （1）機械手主

3、要由手臂上下擺動機構(gòu)、手臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)組成。工件水平或垂直放置，設(shè)計時可以不考慮手指夾料的工藝過程。 （2）此機械手為空間機構(gòu)，確定設(shè)計方案后應(yīng)計算空間自由度。 (3) 此機械手可按閉環(huán)傳動鏈設(shè)計。 5 設(shè)計任務(wù) （1） 機械手一般包括連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)和齒輪機構(gòu)。 （2） 設(shè)計傳動系統(tǒng)并確定其傳動比分配。 （3） 設(shè)計平面連桿機構(gòu)。對所設(shè)計的平面連桿機構(gòu)進行速度、加速度分析，繪制運動線圖。 （4） 設(shè)計凸輪機構(gòu)。按各凸輪機構(gòu)的工作要求選擇從動件的運動規(guī)律，確定基圓半徑，校核最大壓力角與最小曲率半徑。對盤狀凸輪要用解析法計算理論輪廓線、實際輪廓線值。繪制從動件運動規(guī)律線圖及凸輪

4、輪廓線圖。 （5） 設(shè)計計算齒輪機構(gòu)。 （6） 編寫設(shè)計計算證明書。 （7） 學(xué)生可進一步完成凸輪的數(shù)控加工、機械手的計算機動態(tài)演示驗證等。 目錄 前言……………………………………………………………………………….…………………. 5 第1章 總論擠設(shè)計要求……………………………………………………….……………6 1.1 設(shè)計要求…………………………………………………………………………...……………6 1.2 工作原理以及工藝動作流程圖…………………………

5、………………………………6 1.2.1機械手上下擺動動作的設(shè)計…………………………………………………………………..6 1.2.2機械手水平回轉(zhuǎn)動作的設(shè)計…………………………………………………………………..7 1.2.3熱鐓擠送料機械手工藝動作流程……………………………………………………………..8 第2章 機械驅(qū)動裝置選擇與傳動系統(tǒng)設(shè)計………………………………….9 2.1驅(qū)動裝置的選擇………………………………………………………………………….9 2.1.1 常用電動機的機構(gòu)特征……………………………………………………………………….9 2.1.2選定電動機的容量………………

6、...…………………………………………………………...9 2.2傳動類型的選擇……………………………………………..………………………….………10 第3章 主要執(zhí)行機構(gòu)方案設(shè)計…………………………………………….……….11 3.1手臂擺動機構(gòu)的選擇設(shè)計……………………………………………………….………11 3.2手臂水平回轉(zhuǎn)機構(gòu)的選擇設(shè)計………………………………….…………….………11 3.3形態(tài)學(xué)矩陣……………………………………………………………………….……………12 3.4擬定運動循環(huán)圖…………………………………………………….……….………………12 3.5機械系

7、統(tǒng)運動轉(zhuǎn)換功能圖……………………………………………….………………12 第4章 機械運動系統(tǒng)設(shè)計方案擬定………………………………….…………13 4.1擬定的方案……………………………………………………………………….……………13 第5章 系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)處理及方案選擇………………………………………...14 5.1對方案a的數(shù)據(jù)處理………………………………………………………………………14 5.2對方案b的數(shù)據(jù)處理………………………………………………………………………16 5.3方案的選擇………………………………………………………………….…………………16 5.4成品的尺寸

8、設(shè)計…………………………………………………………..…………………16 第6章 方案的評價…………………………………………………………………………17 6.1方案評價表…………………………………………………………………….………………17 結(jié)束語………………………………………………………………………………...……………..19 參考文獻…………………………………………………………………………………………..19 摘要 機械原理課程設(shè)計是使學(xué)生較全面的，系統(tǒng)

9、掌握和深化機械原理課程 的基 本原理和方法的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生機械運動方案設(shè)計，創(chuàng)新設(shè)計以及應(yīng)用計算機對工程實際中各種機構(gòu)進行分析和設(shè)計能力的一門課程。熱鐓擠送料機械手的設(shè)計，充分的展示了機械原理課程理論和實際應(yīng)用的結(jié)合。 關(guān)鍵詞 機械原理 課程設(shè)計 機械手 熱鐓機 前言 進入21世紀以來，市場愈加需要各種各樣性能優(yōu)良、質(zhì)量可靠、價格低廉、效率高、能耗低的機械產(chǎn)品，而決定產(chǎn)品性能、水平、市場競爭能力和經(jīng)濟效益的重要環(huán)節(jié)是產(chǎn)品設(shè)計。機械產(chǎn)品設(shè)計中，首要任務(wù)是進行機械運動方案的設(shè)計和構(gòu)思、各種傳動機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)的選用和創(chuàng)新設(shè)計。這要求設(shè)計者綜合應(yīng)用各類典型機構(gòu)的

10、結(jié)構(gòu)組成、運動原理、工作特點、設(shè)計方法及其在系統(tǒng)中的作用等知識，根據(jù)使用要求和功能分析，選擇合理的工藝動作過程，選用或創(chuàng)新機構(gòu)型式并巧妙地組合新的機械運動方案，從而設(shè)計出機構(gòu)簡單、制造方便、性能優(yōu)良、工作可靠、實用性強的機械產(chǎn)品。 在全球化的知識經(jīng)濟時代，人類將更多地依靠知識創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新及知識和技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，來贏得市場競爭力和產(chǎn)品生命力。設(shè)計中的創(chuàng)新需要豐富的創(chuàng)新性思維，沒有創(chuàng)新性的構(gòu)思，就沒有產(chǎn)品的創(chuàng)新，而機械產(chǎn)品的創(chuàng)新是機械系統(tǒng)的運動方案設(shè)計。 機械原理課程設(shè)計結(jié)合一種簡單機器進行機器功能分析、工藝動作過程確定、執(zhí)行機構(gòu)選擇、機械運動方案評定、機構(gòu)尺度綜合、機械運動方案設(shè)計等，使學(xué)

11、生通過一臺機器的完整的運動方案設(shè)計過程，進一步鞏固、掌握并初步運用機械原理的知識和理論，對分析、運算、繪圖、文字表達及設(shè)計資料查詢等諸多方面的獨立工作能力進行的訓(xùn)練，培養(yǎng)理論與實際相結(jié)合、應(yīng)用計算機完成機構(gòu)分析和設(shè)計的能力，更為重要的是培養(yǎng)開發(fā)的創(chuàng)新能力。因此，機械原理課程設(shè)計在機械學(xué)生的知識體系訓(xùn)練中，具有不可替代的重要作用。 培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新思維能力是高等教育改革的一項重要任務(wù)。機械原理是機械類專業(yè)必修的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，它是研究機械的工作原理、構(gòu)成原理、設(shè)計原理與方法的一門學(xué)科，特別是機械原理課程中關(guān)于機械運動方案的設(shè)計是機械工程設(shè)計中最具有創(chuàng)造性的內(nèi)容，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能

12、力起著十分重要的作用。機械原理課程設(shè)計是機械原理教學(xué)的一個重要環(huán)節(jié)。 第1章 總論及設(shè)計要求 1.1設(shè)計要求 熱鐓擠送料機械手，它是有電動機驅(qū)動，通過機械手的動作，夾送圓柱形鐓料，往40t鐓頭機送料。機械手的手臂的上下擺動有凸輪搖桿機構(gòu)實現(xiàn)，機械手的水平回轉(zhuǎn)有間隙機構(gòu)實現(xiàn)。具體的動作順序：手指夾料，手臂上擺15，手臂水平回轉(zhuǎn)120，手臂下擺15，手指張開放料；手臂再上擺，水平反轉(zhuǎn)，下擺，同時手指張開，準備夾料。熱鐓擠送機械手能實現(xiàn)最大抓重為2kg，最大直徑為25mm的圓柱形鐓料。（不考慮機械手抓手的動作） 方案號 最大抓重 手指夾持工件最大直徑/mm 手

13、臂回轉(zhuǎn)角度 /() 手臂回轉(zhuǎn)半徑 /mm 手臂上下擺動角度 /() 送料頻率 /(次/min) 電動機轉(zhuǎn)速（r/min） A 2 25 120 685 15 15 1450 B 3 30 100 700 20 10 960 C 1 15 110 500 15 20 1440 表1.1 熱鐓擠送料機械手技術(shù)參數(shù) 1.2工作原理以及工藝動作流程圖 1.2.1機械手上下擺動動作的設(shè)計： 機械手上下擺動方案a： 圖1.2(a) 凸輪搖桿機構(gòu) 機械手上下擺動方案b： 圖1.2（b）凸輪連桿機構(gòu) 1.2.2機械

14、手水平回轉(zhuǎn)動作的設(shè)計： 機械手水平回轉(zhuǎn)方案a： 圖1.2（c）不完全齒輪機構(gòu) 機械手水平回轉(zhuǎn)方案b： 圖1.2（d）曲柄搖桿機構(gòu) 1.2.3熱鐓擠送料機械手工藝動作流程 表1.2 工藝動作流程表 第2章 機械驅(qū)動裝置選擇與設(shè)計 2.1 驅(qū)動裝置的選擇 選擇電機類型：　電動機是機器中運動和動力的來源，其種類很多，有電動機、內(nèi)機、蒸汽機、水輪機、氣輪機、液動機等。電動機結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、控制方便、維護容易，一般機械上大多數(shù)是

15、均采用電動機驅(qū)動。 2.1.1 常用電動機的結(jié)構(gòu)特征 （1）.Y系列三相異步電動機 該系列電機能防止水滴、灰塵、鐵屑或其他雜物浸入電機內(nèi)部，它是我國近年來研制成功的型電動機。 (2). 電磁條速三相異步電動機 名稱：YCD電磁調(diào)速三相異步電動機。有組合式和整體式兩種機構(gòu)，這兩種調(diào)速電動機為防護式，空氣自冷，臥式安裝，且無碳刷，集電環(huán)等滑動接觸部件。 2.1.2 選定電動機的容量 電動機的容量選得合適與否，對電動機的工作和經(jīng)濟性都有影響。當容量小于工作要求時，電動機不能保證工作裝置的正常的工作，或使用電動機因長期的過載而過早損壞；容量過大則電動機的價格高，能量不能充

16、分利用，且常常不在滿載下運行，其效率和功率的因數(shù)都較低，造成浪費。 電機的容量的主要由電動機的運行時的發(fā)熱情況決定，而發(fā)熱又與其工作情況決定。 工作機所需工作功率，應(yīng)由機器工作阻力和運動參數(shù)計算得來的，可按下式計算： 其中：T——工作機的阻力矩，； n——工作機的轉(zhuǎn)速，； 傳動裝置的總效率組成傳動裝置的各部分運動副效率之積，即 其中： 分別為軸承、齒輪、斜齒輪的傳動效率 按推薦的傳動比合理范圍，取一級傳動i1=20-50，二級圓柱直齒輪的傳動比i2=4-6, 三級圓柱直齒輪的傳動比i3=2-4,總的傳動范圍為40-200. 經(jīng)過綜合考慮決定選用Y

17、132S—4型號電動機（電流A：11.6 轉(zhuǎn)速: 1440r/mm 效率:85.5 功率因數(shù) cos:0.82 功率:5.5kw） 2.2 傳動類型的選擇 考慮減小噪聲、振動等方面的要求時，最好選用帶傳動。當原動機驅(qū)動主動輪時，由于帶與帶輪間的摩擦（或嚙合），便拖動從動輪一起轉(zhuǎn)動，并傳遞一定動力。帶傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、選價低廉以及緩沖吸振等特點，在近代機械中被廣泛應(yīng)用. 圖2.2（a） 鏈傳動 圖2.2（b） 帶傳動 但是齒輪傳動的制造及安裝精度要求高，價格較貴，且不宜用于傳動距

18、離過大的場合。蝸桿傳動的傳動比大，承載能力較齒輪低，常布置在傳動系統(tǒng)的高速級，以獲得較小的結(jié)構(gòu)尺寸；同時，摩擦力大，發(fā)熱大。同時蝸桿傳動在嚙合處有相對滑動。當滑動速度很大，工作條件不夠良好時，會產(chǎn)生較嚴重的摩擦與磨損，從而引起過分發(fā)熱，使?jié)櫥闆r惡化，因而摩擦損失較大，效率低； 根據(jù)以上的分析比較，再結(jié)合要求的工作條件可以得到，在此采用帶傳動。 第3章 主要執(zhí)行機構(gòu)方案設(shè)計 3.1手臂擺動機構(gòu)的選擇設(shè)計 選擇凸輪連桿機構(gòu)實現(xiàn)機械手的上下擺動： 1-凸輪 2-滾子 3-折桿 4 5-連桿 圖3.1凸輪連桿機構(gòu) 3

19、.2手臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)的選擇設(shè)計 選擇不完全齒輪實現(xiàn)間歇運動： 1 2-不完全外齒輪 3 4-不完全內(nèi)齒輪 圖3.2不完全齒輪組合機構(gòu) 3.3形態(tài)學(xué)矩陣 功能元解 動力源 電動機 A1 汽油機 A2 柴油機 A3 液壓機 A4 傳動裝置 蝸桿傳動 B1 鏈傳動 B2 帶傳動 B3 齒輪傳動 B4 手臂上下擺動機構(gòu) 凸輪+搖桿機構(gòu) C1 凸輪+連桿機構(gòu) C2 手臂水平回轉(zhuǎn)機構(gòu) 不完全齒輪機構(gòu) D1 曲柄搖桿機構(gòu) D2

20、 表3.1 形態(tài)學(xué)矩陣表 系統(tǒng)解的可能方案數(shù)： F=4*4*2*2=64 其中列出較為理想的兩種： A1+B3+C1+D1或A1+B3+C2+D1 3.4擬定運動循環(huán)圖 機械手 上擺15 停止 下擺15 停止 上擺15 下擺15 轉(zhuǎn)臺 停止 水平回轉(zhuǎn)120 停止 停止 水平反轉(zhuǎn)120 停止 凸輪連桿轉(zhuǎn)角 150 180 330 360 150（第二周） 180 圖3.2運動循環(huán)圖 3.5機械系統(tǒng)運動轉(zhuǎn)換功能圖 圖3.3機械系統(tǒng)運動轉(zhuǎn)換功能圖

21、 第4章 機械運動系統(tǒng)設(shè)計方案制訂 4.1擬訂的方案 方案a：由電動機提供動力源，通過皮帶輪傳動，并分兩路。一路通過圓錐齒輪和蝸桿，使凸輪連桿運動，從而完成安裝在連桿末端的抓手上下擺動，上下擺動的夾角為15；另一路同樣通過圓錐齒輪傳動，再傳動給兩組不完全齒輪，通過連在轉(zhuǎn)臺上的軸，從而使轉(zhuǎn)臺完成水平120的回轉(zhuǎn)運動。 1——電動機 2——機械手擺動裝置 3——轉(zhuǎn)臺 4——抓手 5——機械手水平回轉(zhuǎn)裝置 圖4.1 方案b: 由電動機提供動力源，通過皮帶輪傳動，并分兩路。一路通過皮帶輪與凸輪的傳動，從而完成機械手的上下擺動，上下擺動的夾角為15。另一路由圓錐齒輪傳動，帶

22、動曲柄轉(zhuǎn)動，從而使搖桿水平回轉(zhuǎn)120，而搖桿又通過支柱與轉(zhuǎn)臺相連，從而使整個轉(zhuǎn)臺一起水平回轉(zhuǎn)。 1——電動機 2——機械手擺動裝置 3——抓手 4——轉(zhuǎn)臺 5——機械手水平回轉(zhuǎn)裝置 圖4.2 第5章 系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)處理及方案選擇 5.1對方案a數(shù)據(jù)處理 圖6.1 參數(shù)： 電動機的轉(zhuǎn)速：1440r/min 皮帶輪1半徑R1=10cm 皮帶輪2半徑R2=25cm 圓錐齒輪3齒數(shù)Z1=15 圓錐齒輪4齒數(shù)Z2=30 齒輪14齒數(shù)Z3=20

23、 蝸桿5齒數(shù)Z4=1且為右旋 凸輪6基圓半徑r0=90mm 滾子7半徑Rr=10mm 傳動比計算：w1=2πf=2*3.14*1440/60=144rad/s 由w1r1=w2r2 w2=w1*r1/r2=58rad/s 齒輪3對齒輪14的傳動比i1=w3/w14=z1*z14/z3*z5=15*20/20*1=15 W14=w3/15=w2/15=4rad/s 凸輪推程角1=150 t1=1/w14= 38s 凸輪遠休角2=30 t2= 2/w14=8s 因此不完全齒輪使轉(zhuǎn)臺水平轉(zhuǎn)動的時間間隔為8s。 圖6.2 凸輪連桿及運動規(guī)律圖

24、 不完全齒輪的從動件的運動時間和停歇時間計算： 圖6.3 不完全齒輪運動 停歇時間示意圖 不完全齒輪數(shù)z1=1的主動輪等速轉(zhuǎn)動時，主動輪轉(zhuǎn)動的角度Q=Q2+Q3,從動件相應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度為Q1,設(shè)主動輪轉(zhuǎn)一周的時間為t1,則： 從動輪的運動時間t2為：t2=( Q2+Q3)*t1/2π 從動輪的停歇時間t3為：t3=(1- (Q2+Q3)/ 2π)/t1 5.2對方案b數(shù)據(jù)處理 圖6.3 圖6.4曲柄搖桿示意圖及角速度和角加速度規(guī)律圖 5.3方案的選擇 由于方案a有明顯的運動和停歇動作，更符合設(shè)計要求，因此可以選擇方

25、案a更合適。而方案b的轉(zhuǎn)臺是曲柄搖桿機構(gòu)完成，沒有明顯的停歇工作，但由曲柄搖桿機構(gòu)的運動規(guī)律圖看出，其沒有柔性和剛性沖擊。而方案a也有其缺點是，凸輪連桿機構(gòu)和不完全齒輪均有不穩(wěn)定和沖擊。 5.4成品的尺寸設(shè)計 包裝尺寸：長寬高 110011001500 第6章 方案的評價 6.1方案評價表 評價方案表A: 序號 評價項目 評價等級 評價尺度（評價分數(shù)） 1 功能目標完成情況 很好 好 較好 不太好 不好 10 8 5 3 0 2 工作原理的先進性 先進 較先進 一般

26、落后 10 8 4 0 3 系統(tǒng)的工作效率 高 較高 一般 低 10 8 4 0 4 系統(tǒng)機械傳動的精度 高 較高 一般 低 10 8 4 0 5 系統(tǒng)的復(fù)雜程度 簡單 較復(fù)雜 復(fù)雜 10 5 0 6 系統(tǒng)方案的可靠性 可靠 較可靠 一般 不可靠 10 8 4 0 7 系統(tǒng)方案的新穎性 新穎 較新穎 一般 不新穎 10 8 4 0 8 系統(tǒng)方案的實用性 實用 一般 不實用 10 5 0 9 系統(tǒng)方案的經(jīng)濟成本 低

27、 較低 高 較高 10 8 4 0 表 項目 方案 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨ 累計得分 a 10 7 8 7 6 7 8 9 6 68 b 6 7 7 6 7 7 6 8 7 61 表5.1方案評價表A 方案評價表b： 方案評價標準 方案a 方案b 成本低 + ++ 便于加工 + + 結(jié)構(gòu)簡單 + + 便于方便 + + 操

28、作方便 ++ + 總計 4個“+”， 1個“++” 4個“+” 1個“++” “＋＋”：“很好”，“＋”：“好”，“－”：“不好”。 表5.2 方案評價表B 結(jié)束語 緊張的課程設(shè)計順利結(jié)束了。在這次設(shè)計過程中，我掌握了很多設(shè)計知識，學(xué)會了幾個軟件的使用并有所提高。發(fā)現(xiàn)有些東西非常有用，比如AutoCAD、畫板的使用。但是也碰到了很多問題，機構(gòu)的功能不能完全掌握、傳動性不明確、運動循環(huán)圖不清晰以及機構(gòu)不能完美的連貫起來。這些都是最重要也是最難的。經(jīng)過老師的指導(dǎo)和同學(xué)間討論，終于有所收獲，明白了很

29、多。 機械學(xué)作為一門傳統(tǒng)的基礎(chǔ)學(xué)科，內(nèi)容豐富，涉及面廣。目前，機械學(xué)正與電子電氣、液壓等多種學(xué)科，聯(lián)系更為緊密，它的綜合性更強。機械學(xué)的學(xué)習(xí)將是一個艱苦但卻值得努力的過程。 參考文獻 [1]牛鳴岐,王保民,王振甫.機械原理課程設(shè)計手冊.重慶:重慶大學(xué)出版社,2001 [ 2 ]機械工程手冊電機工程手冊編輯委員會編. 機械工程手冊第59篇、沖壓機械化與自動化. 北京：機械工業(yè)出版社，1982 [3]王知行,劉延榮.機械原理.北京:高等教育出版社,2000 [4 ]哈爾濱機械原理課程設(shè)計指導(dǎo)書。北京:高等教育出版社，2005 [5]陳秀寧.機械設(shè)計課程設(shè)計.浙江：浙江大學(xué)出版社，1995 [6]鄒慧君.機械設(shè)計課程設(shè)計手冊.浙江：高等教育出版社，1995 19