課程設計—熱鐓擠送料機械手

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1、精選優(yōu)質文檔-----傾情為你奉上 機械原理課程設計 題目 熱鐓擠送料機械手 學 院 專業(yè)年級 學號姓名 指導教師 二○一六 年 六 月 目錄 一 總設計要求. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 1.1 設計題目. . . . . . . . .

2、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 設計任務. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 設計提示. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 二 運動循環(huán)設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.1 方案選擇

3、. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.2 原理分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.3 時間設定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 三 運動機構設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4、 . . 6 3.1 原動機的選擇. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3.2 傳動機構的設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3.3 上下機構的設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3.4 左右運動的設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5、. . 8 四 運動方案總述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 4.1 運動方案擬定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 4.2 傳動機構運動分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 4.2 上下運動分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6、 . . . 11 4.3 左右運動分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 4.5 總述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14 五 設計小結. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17 六 參考文獻. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7、. . . . . . . . . . . . . . . . .18 一 總設計要求 1.1設計題目 機械手的外觀圖 設計二自由度關節(jié)式熱鐓擠送料機械手，由電動機驅動，夾送圓柱形鐓料，往40噸鐓頭機送料。以方案A為例，它的動作順序是：手指夾料，手臂上擺15o，手臂水平回轉120o，手臂下擺15o，手指張開放料。手臂再上擺，水平反轉，下擺，同時手指張開，準備夾料。主要要求完成手臂上下擺動以及水平回轉的機械運動設計。 鐓擠送料機械手技術參數(shù) 方案號 最大抓重 kg 手指夾持工件最大直徑 mm 手臂回轉角度 （o） 手臂回轉半徑 mm 手臂上下擺動角度 （o）

8、 送料 頻率 次/min 電動機轉速 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設計任務 1.機械手一般包括連桿機構、凸輪機構和齒輪機構。 2.設計傳動系統(tǒng)并確定其傳動比分配。 3.設計平面連桿機構。對所設計的平面連桿機構進

9、行速度、加速度分析，繪制運動線圖。 4.設計凸輪機構。按各凸輪機構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。對盤狀凸輪要用電算法計算出理論廓線、實際廓線值。畫出從動件運動規(guī)律線圖及凸輪廓線圖。 5.設計計算齒輪機構。 6.編寫設計計算證明書。 7.學生可進一步完成：機械手的計算機動態(tài)演示驗證等。 1.3設計提示 1. 機械手主要由手臂上下擺動機構、手臂回轉機構組成。工件水平或垂直放置。設計時可以不考慮手指夾料的工藝動作。 2. 此機械手為空間機構，確定設計方案后應計算空間自由度。 3. 此機械手可按閉環(huán)傳動鏈設計 二

10、運動循環(huán)設計 2.1方案選擇 通過討論，我們選擇方案A進行設計，即： 方案號 最大抓重 kg 手指夾持工件最大直徑 mm 手臂回轉角度 （o） 手臂回轉半徑 mm 手臂上下擺動角度 （o） 送料 頻率 次/min 電動機轉速 r/min A 2 25 120 685 15 15 1450 2.2原理分析 熱墩擠送料機器手的設計從工作路線上分析為機器臂手指夾料，手臂上擺15o，手臂水平回轉120o，手臂下擺15o，手指張開放料，手臂再上擺15o，水平反轉120o，在下擺15o這八個過程為一個周期，即完成一次送料。因此可以分析

11、出該機器手的運動分為上下運動和左右回擺運動。 2.3時間設定 送料頻率15次/min,即1次/4s。 一次送料過程包括：手指抓料，手臂上擺15°，回轉120°，手臂下擺15°，手指松開送料，手臂上擺15°，手臂回轉120°，下擺15°，這八個過程時間均設定為0.5s。由此可制作出一張表格和一個時間對應圖來反映出機械臂的運動路線。 機器手運動循環(huán)表 上下運動 停止 上擺 停止 下擺 停止 上擺 停止 下擺 回擺運動 停止 停止 回轉 停止 停止 停止 反轉 停止 時間 0.5s 0.5s 0.5s 0.5s 0.5s 0.5s 0.

12、5 0.5s 圖2 機器手運動循環(huán)圖 三 運動機構設計 3.1原動機的選擇 電動機的容量選得合適與否，對電動機的工作和經濟性都有影響。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——工作機的轉速，

13、； 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： 分別為皮帶、齒輪的傳動效率 按推薦的傳動比合理范圍，取一級傳動i=2，二級圓柱直齒輪的傳動比i=10-30,總的傳動范圍為20-60. 經過上網查閱資料，決定選用ZGY20-1.1/4型號電動機（ 轉速: 1450r/min 功率:1.1kw） 3.2 傳動機構的設計 經過小組討論與分析，我們決定采用皮帶傳動和齒輪傳動。皮帶傳動有以下幾個優(yōu)點： 1)可用于兩軸中心距離較大的傳動。 2)皮帶具有彈性、可緩沖和沖擊與振動，使傳動平穩(wěn)、噪聲小。 3)當過載時，皮帶在輪上打滑，可防止其它零件損壞。

14、 4)結構簡單、維護方便。 5)由于皮帶在工作中有滑動，故不能保持精確的傳動比。 6)外廓尺寸大，傳動效率低，皮帶壽命短。 所以我們決定用皮帶傳動進行第一級的傳動。接下來我們采用圓柱直齒齒輪傳動。齒輪傳動是應用最多的一種傳動形式，它有如下特點： 1)能保證傳動比穩(wěn)定不變。 2)能傳遞很大的動力。 3)結構緊湊、效率高。 4)制造和安裝的精度要求較高。 5)當兩軸間距較大時，采用齒輪傳動就比較笨重 通過齒輪傳動的多級減速可以達到我們所需要的轉速。經過討論，我們選取標準直齒圓柱齒輪標準傳動，壓力角取ɑ=20°,模數(shù)取m=3,齒頂高系數(shù)hɑ*=1,頂隙系數(shù)c*=?0.25。因此我們

15、通過皮帶傳動與齒輪傳動的結合達到我們的設計要求。? 3.3上下運動的設計 方案一 圓柱凸輪機構+連桿機構 利用圓柱凸輪實現(xiàn)從動件的停歇和上下運動，再通過連桿，實現(xiàn)手臂的上下擺動 優(yōu)點：圓筒凸輪結構簡單、緊湊，所能承受的力也比盤形凸輪要大 缺點：圓柱凸輪較難設計 方案二 滾子從動件盤型凸輪機構+滑塊機構 利用凸輪實現(xiàn)從動件的停歇和上下運動，再通過滑塊，實現(xiàn)手臂的上下擺動 滾子從動件盤型凸輪機構+滑塊機構 優(yōu)點：1.凸輪計算簡便；2.凸輪結構簡單，容易生產 缺點：凸輪和從動件之間有沖擊，磨損嚴重 經過比較與分析，方案一的圓柱凸輪設計困難，方案二的盤型凸輪

16、設計簡便，便于計算分析。 由于該機器手最大的抓重為2kg，重量較小，因此盤型凸輪所承受的力也不會太大，磨損不會 過于嚴重，綜上所述，盤型凸輪完全符合設計要求。經過綜合考慮，我們選擇方案二最佳。 3.4 左右運動的設計 方案一　不完全齒輪＋連桿機構　　　　利用不完全齒輪控制停歇時間，再通過曲柄遙桿機構實現(xiàn)機械手手臂水平回轉120° 不完全齒輪＋連桿機構 優(yōu)點：1.結構簡單，容易加工； 2.連桿機構和齒輪計算簡便 缺點：1.四連桿機構有急回特性 2.不完全齒輪有沖擊 方案二 不完全齒輪?+?曲柄滑塊?+?齒輪齒條機構 齒輪與齒條組成對心式曲柄滑塊機構，通過齒

17、輪的轉動帶動齒條左右移動，從而帶動轉臺齒輪左右移動，使得機械手臂轉動120度 不完全齒輪?+?曲柄滑塊?+?齒輪齒條機構 優(yōu)點：1.不存在急回特性，避免了急回所帶來的損壞 2.曲柄滑塊機構和齒輪計算簡便 缺點：不完全齒輪有沖擊 兩種方案都是通過不完全齒輪控停歇時間，當機械手臂在上下擺動的時候，使得轉臺齒輪停止轉動。由于機器手的回轉角度較大，連桿機構難以滿足要求，同時連桿機構具有急回特性，對機構具有損壞。綜上所述，選擇方案二為最佳。 四 運動方案總述 4.1 運動方案擬定 首先，由電動機提供動力源，通過大小皮帶輪的轉動，先進行第一輪減速，然后通過

18、定軸輪系繼續(xù)減速，再通過錐齒輪換向，使得原路分支成兩路，為上下擺動與水平回轉提供動力。使凸輪轉動，從而完成手臂的上下15度的擺動；另一路通過錐齒輪繼續(xù)傳動給不完全齒輪，通過曲柄滑塊機構，齒輪齒條的配合以及連在轉臺上的軸，使的手臂來回轉動120度。機構的空間自由度為2，需要兩個動力輸入，由錐齒輪完成。 4.2 傳動機構運動分析 根據運動循環(huán)圖我們設計電動機經過傳動后轉速為30r/min,據此我們設計如下減速機構 減速機構簡圖 1. 皮帶輪機構 皮帶輪1直徑為144mm，皮帶輪2直徑為290mm. 2.輪系機構 經過討論，我們選取模數(shù)為3的標準齒輪 m=3 α=20 h

19、a*=1 c*=0.25,材料：45 名稱 符號 公式 1，3，5 2 4 6 齒數(shù) z 20 80 60 40 分度圓直徑 d d=mz 60 240 180 120 基圓直徑 db hb=dcosα 56.38 225.53 169.14 112.76 齒頂高 ha ha=ha*m 3 3 3 3 齒頂圓直徑 da da=d+2ha 66 246 186 126 齒根圓直徑 df df=d-2hf 52.5 232.5 172.5 112.5 齒距 p P=πm 9.42 9.

20、42 9.42 9.42 齒厚 s s=p/2 4.71 4.71 4.71 4.71 槽寬 e e=p/2 4.71 4.71 4.71 4.71 頂隙 c c=c*m 0.75 0.75 0.75 0.75 基圓齒距 pb pb=pcosα 8.85 8.85 8.85 8.85 法向齒距 pn pn=pcosα 8.85 8.85 8.85 8.85 2.錐齒輪機構 Z=48,m=3 材料45 ha=3 hf=3.75 分度圓錐角 δ=arccotz2/z1=45° 分度圓直徑 d

21、=144 齒頂圓直徑 da=d+2hacos=148.24 齒根圓直徑 df=d-2hfcos=138.70 錐距 R=101.82 齒頂角 tanθa=ha/R=0.030 齒根角 tanθf=hf/R=0.036 當量齒數(shù) zvi=zi/cos=67.89 3.傳動比的計算 皮帶輪傳動比：i1=290/144 齒輪傳動比：i2=(z2*z4*z6)/(z3*z5*z7)=24 總傳動比：i=i1*i2=145/3 水平轉動輸入轉速：30r/min 上下運動輸入轉速：30r/min 4.3 上下

22、運動分析 上下運動主要執(zhí)行機構是凸輪，對上下運動的分析即是對凸輪的分析 經過討論分析，我們進行了尺寸設定，如下圖所示： 根據這些參數(shù)設定以及機器手運動循環(huán)圖，我們試用軟件設計了凸輪 1. 從動件運動規(guī)律 2. 凸輪的參數(shù)設定 凸輪轉速n=30r/min 基圓半徑r=46mm 凸輪厚度b=20mm 攜程 h=78mm 3凸輪設計 根據從動件運動規(guī)律我們設計了凸輪運動規(guī)律 第一階段 第二階段 第三階段 第四階段 擺動動作 停止 上擺15° 停止 下擺15° 從動件運動規(guī)律 停止 正弦 停止 正弦 從動件位移 0 ~

23、 0 0 ~ 78 78 ~ 78 78 ~ 0 凸輪轉過角度 90° 90° 90° 90° 根據以上數(shù)據我們使用軟件進行了分析，對分析數(shù)據進行了部分截圖 根據這些數(shù)據我們描繪出凸輪的輪廓曲線 最小曲率半徑為46mm 4.4 左右運動分析 左右運動我們設計的主要執(zhí)行機構是不完全齒輪?+?曲柄滑塊?+?齒輪齒條機構，并通過搖桿導軌機構實現(xiàn)機器臂的左右回擺。因此左右運動的分析就是對不完全齒輪?+?曲柄滑塊?+?齒輪齒條機構的分析。 1. 不完全齒輪 齒輪9為不完全齒輪，模數(shù)3，有齒部分為90°，齒數(shù)為24，齒輪10的齒數(shù)為48。

24、即齒輪9轉一圈，齒輪10轉半圈。 2.對心曲柄滑塊機構 根據轉臺旋轉120°，我們可以知道曲柄的長度以及齒條的最小長度為齒輪11的周長的1/3。我們確定齒輪z11的模數(shù)為3，齒數(shù)為24。則齒條的最小長度為24π，即75.4mm。因此我們設計齒條的長度80mm。則曲柄的長度為12π，即39.7mm。 綜上：曲柄長度為39.7mm，齒條長度為80mm。 同時我們通過solidworks分析出運動時滑塊的運動情況 1）滑塊速度圖像 2）滑塊位移圖像 4.5 總述 通過對以上各個分機構的設計，然后將各個機構有機的結合即可實現(xiàn)我們所需要的功能。我們基于solidworks進行

25、了三維建模，將各個部分結合一起，并進行motion分析，進一步完善我們的機構。 1.基于solidworks的三維仿真 1） 減速機構圖 2） 上下運動圖 3） 左右運動圖 4）熱墩擠送料機器手三維仿真圖 2. 運動分析總述 電動機通過皮帶輪以及定軸輪系的減速，使電動機的1450r/min減速至30r/min。然后通過圓錐齒輪的分向，使垂直方向也有一個30r/min的轉速，分別帶動上下運動與左右運動。驅動凸輪，使機械臂上下擺動。同時又驅動不完全齒輪和曲柄滑塊機構，在配合上擺動導軌機構使機械臂左右擺動。不完全齒輪可以使左右運動和上下運動相互配合出我們所要的形式。

26、 機械臂上下運動角速度圖 機械臂左右運動角速度圖 五 設計小節(jié) 該機器依靠凸輪來實現(xiàn)機械手臂的間隙上下擺動。而在實現(xiàn)手臂的間隙回轉的動作上，運用了不完全齒輪和齒輪齒條以及擺動導軌機構。并且通過增加傳動齒輪的數(shù)量和改變傳動比的方式來使最后運動到達指定要求。此方案結構簡單，各運動部件之間的運動都易于實現(xiàn)，不會出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。由于傳動鏈較短，累積誤差也不會太大，從而可以滿足。 緊張的課程設計順利結束了。在這次設計過程中，我掌握了很多設計知識，對于有些設計軟件的使用更加熟練。發(fā)現(xiàn)有些東西非常有用，比如solidworks，通過solidworks實現(xiàn)了對機構的三維建模，對我們對機構運動

27、分析具有很大的幫助，并且通過solidworks的運動仿真分析，產生機構的運動圖像，使我們對這些機構有了更深層次的認識。在設計的過程中我們也碰到了很多問題，機構的功能不能完全掌握、傳動性不明確、運動循環(huán)圖不清晰以及機構不能完美的連貫起來。這些都是最重要也是最難的。經過老師的指導和與同學進行交流、討論，終于有所收獲，明白了很多。機械學作為一門傳統(tǒng)的基礎學科，內容豐富，涉及面廣。目前，機械學正與電子電氣、液壓等多種學科，聯(lián)系更為緊密，它的綜合性更強。機械學的學習將是一個艱苦但卻值得努力的過程。?經過這次課程設計，我們在接下來的學習中注重基礎知識的掌握，加強軟件的使用。 六 參考文獻 [1] 申

28、永勝主編.機械原理.北京：清華大學出版社，2005 [2]鄒慧君.機械設計課程設計手冊.浙江：高等教育出版社，1998 附錄：凸輪理論輪廓曲線設計C語言程序 #include #include #define PI 3. void main() { FILE *fp; double e=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; /*各字母含義：e偏距，基圓半徑ro,滾子半徑rt,行程h,推程運動角phi1,遠休止角phis,回程運動角phi

29、_1,近休止角phi_s*/ double s,alp[181],x[181],y[181],x1,y1,xr[181],yr[181]; /*分別代表從動件位移，壓力角，理論輪廓曲線點的位置x, y，x，y對運動角的微分，實際輪廓曲線的位置x, y*/ double ic,ic1,ic2,ic3,so,s1,cop,sip,phi,gam,bel,del=5.0,q,t; /*定義變量*/ int i; gam=phi1+phis; bel=phi1+phis+phi_1; ic=(in

30、t)(360.0/del); ic1=(int)(phi1/del); ic2=(int)(gam/del); ic3=(int)(bel/del); so=sqrt(ro*ro-e*e); printf("\n No THETA Theoretical contour curve. Actual contour curve of cam. pressure angle \n"); /*在屏幕上輸出文件頭*/

31、 printf(" deg x/mm y/mm X/mm Y/mm rad\n"); fp=fopen("myf2.c","w"); fprintf(fp,"\n No THETA Theoretical contour curve. Actual contour curve of cam. pressure angle \n"); fprintf(fp," deg x/mm y/mm X/mm

32、 Y/mm rad\n"); for(i=0;i<=ic;i++) /*每隔五度建立循環(huán)*/ { phi=i*del*PI/180.0; /*將角度化為幅度*/ cop=cos(phi); sip=sin(phi); if(i<=ic1) /*推程運動判斷*/ {

33、 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; } else if(i<=ic2) /*遠休止角*/ { s=h; s1=

34、0; x1=-(s+so)*sip-e*cop; y1=(so+s)*cop-e*sip; } else if(i<=ic3) /*回程等減速運動判斷*/ {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*s

35、ip; } 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)); /*計算壓力角*/ q=rt/sqrt(x1*x1+y1*y1); x[i]=(s+

36、so)*cop-e*sip; /*理論輪廓曲線位置*/ y[i]=(s+so)*sip+e*cop; xr[i]=x[i]-q*y1; /*實際輪廓曲線位置*/ 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]); fprintf(fp,"\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]); } fclose(fp); } 專心---專注---專業(yè)