熱鐓擠送料機械手設計

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1、 江西農(nóng)業(yè)大學 《機械原理》課程設計 說明書 設計題目 熱鐓擠送料機械手 工學院 系（學院） 機械設計制造及其自動化 專業(yè) 082 班 設計者 劉燕梅 指導教師 林金龍 2010年12月28日 目錄 一、總設計要求 1 1.1、設計題目 2 1.2、設計基本數(shù)據(jù) 3 1.3、設計任務 4 二、機械手執(zhí)行機構(gòu)和傳動機構(gòu)的方案設計與評價 5 2.1、執(zhí)行機構(gòu)的方案設計與評價 6 2.2、傳動機構(gòu)的方案設計與評價 7 三

2、、機械手的工藝動作流程及時間分配 8 四、功能分解 9 五、機構(gòu)選用 10 5.1、原動力的選擇 11 5.2、執(zhí)行機構(gòu)的選擇 12 5.3、總傳動比及傳動比的分配 13 六、主要機構(gòu)的設計 14 6.1、圓筒凸輪+連桿機構(gòu) 15 6.2、齒輪齒條機構(gòu) 16 6.3、曲柄滑塊機構(gòu) 17 6.4、不完全齒輪機構(gòu) 18 七、主要零件及其主要參數(shù) 19 八、總體評價 20 九、結(jié)束語 21 十、參考文件 22  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

3、經(jīng)濟效益的重要環(huán)節(jié)是產(chǎn)品設計。機械產(chǎn)品設計中，首要任務是進行機械運動方案的設計和構(gòu)思、各種傳動機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)的選用和創(chuàng)新設計。這要求設計者綜合應用各類典型機構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成、運動原理、工作特點、設計方法及其在系統(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、技術創(chuàng)新及知識和技術的創(chuàng)新應用，來贏得市場競爭力和產(chǎn)品生命力。設計中的創(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

4、系統(tǒng)的運動方案設計。 機械原理課程設計結(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、機械運動方案設計等，使學生通過一臺機器的完整的運動方案設計過程，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、文字表達及設計資料查詢等諸多方面的獨立工作能力進行的訓練，培養(yǎng)理論與實際相結(jié)合、應用計算機完成機構(gòu)分析和設計的能力，更為重要的是培養(yǎng)開發(fā)的創(chuàng)新能力。 因此 , 機械原理課程設計在機械學生的知識體系訓練中，具有不可替代的重要作用. 培養(yǎng)和提高學生的創(chuàng)新思維能力是高等教育改革的一項重要任務。機械原理是機械類專業(yè)必修的一

5、門重要的技術基礎課，它是研究機械的工作原理、構(gòu)成原理、設計原理與方法的一門學科，特別是機械原理課程中關于機械運動方案的設計是機械工程設計中最具有創(chuàng)造性的內(nèi)容，對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新設計能力起著十分重要的作用。機械原理課程設計是機械原理學的一個重要環(huán)節(jié)。 一、總 設 計 要 求 1.1、設計題目 設計二自由度關節(jié)式熱鐓擠送料機械手，由電動機驅(qū)動，夾送圓柱形墩料，往40t墩頭機送料。它的動作順序是：手指夾料，手臂上擺15度，手臂水平回轉(zhuǎn)120度，然后下擺15度，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。主要要求完成對手臂上下擺動以及水平回

6、轉(zhuǎn)的機械運動設計。如下 為機械手的外觀圖和技術參數(shù)表. 1.2﹑設計基本數(shù)據(jù) （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 最大抓重/kg 手指夾持公件最大直徑/mm 手臂回轉(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

7、動機轉(zhuǎn)速/（r/min） 2 25 120 685 15 15 1450 1.3﹑設計任務 （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） 設計傳動系統(tǒng)并確定其傳動比分配。 （3） 設計平面連桿機構(gòu)。對所設計的平面連桿機構(gòu)進行速度加速度分析，繪制運動圖線。 （4） 設計凸輪機構(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出理論廓線，實際廓線，實際廓線值，繪制從動件運動規(guī)律線圖及凸輪廓線圖。 （5） 設計計算齒輪機構(gòu)。 （6） 編寫設計計算證明書。

8、（7） 進一部完成凸輪的數(shù)控加工，機械手的計算機動態(tài)演示驗證等。 二 、機械手執(zhí)行機構(gòu)和傳動機構(gòu)的方案設計與評價 2.1、執(zhí)行機構(gòu)的方案設計與評價 ( 1 ) 執(zhí)行機構(gòu)一: 機械手手臂上下擺動機構(gòu) 方案一: 圖a 盤形凸輪 + 搖桿機構(gòu) 方案二： 圖b 不完全齒輪 + 曲柄搖桿機構(gòu) 方案三： 圖d 圓筒凸輪 + 連桿機構(gòu) ( 2 ) 執(zhí)行機構(gòu)二: 機械手水平回轉(zhuǎn)機 方案一: 圖a 盤形凸輪 + 搖桿機構(gòu) 方案二： 圖b 不完全齒輪 + 曲柄搖桿機構(gòu) 方案三： 圖 c 不完全齒輪 + 曲

9、柄滑塊 + 齒輪齒條 （3）對執(zhí)行機構(gòu)一備選方案的評價與選擇 凸輪與從動件之間為點或線接觸，物料抓重太重的話，易使凸輪變得笨重，磨損快，且行程越長，凸輪輪廓加工越困難，所以方案一首先被淘汰掉；方案二機構(gòu)較多，較繁瑣，所以也被淘汰掉；方案三中圓筒凸輪結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，所能承受的力也比盤形凸輪要大，所以執(zhí)行機構(gòu)一選擇方案三最佳。 （4）對執(zhí)行機構(gòu)二備選方案的評價與選擇 方案一和方案二與執(zhí)行機構(gòu)一中的前兩種方案一樣；因為機械手水平回轉(zhuǎn)角度較大，為120°，所以選用齒輪齒條機構(gòu)來完成比較容易做到；因此選擇方案三最好。

10、 圖a 盤形凸輪 + 搖桿機構(gòu) 圖b 不完全齒輪 + 曲柄搖桿機構(gòu) 圖c 不完全齒輪 + 曲柄滑塊 + 齒輪齒條機構(gòu) 圖d 圓筒凸輪 + 連桿機構(gòu) 2.2、傳動機構(gòu)的方案設計與評價 ( 1 ) 傳動機構(gòu)的方案種類: 方案一: 圖e 蝸

11、輪蝸桿傳動 方案二： 圖f 鏈輪傳動 方案三： 圖g V帶傳動 （2）方案評價與選擇 方案一中，雖然蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比大、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，但其對制造和安裝精度要求較高，同時摩擦力大、發(fā)熱大，而且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；同時為了散熱和減小磨損，需貴重抗磨材料和良好的潤滑裝置，故成本較高，另外，蝸桿的軸向力較大。方案二中，鏈輪傳動也存在較大的摩擦與磨損。方案三中，帶輪傳動結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、可緩沖、吸振，造價

12、低廉、成本低。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，選用帶輪傳動最佳。 圖e 蝸輪蝸桿傳動 圖f 鏈輪傳動 圖g V帶傳動  三、機械手的工藝動作流程及時間分配 送料頻率為15次／min,即每次／4s;這4s可進行如下分配： 手指夾料(0.2s)——手臂上擺15°(0.4s)——手臂回轉(zhuǎn)120°(1.0s)——手臂下擺15°(0.4s)——手指松開(0.2s)——手臂

13、上擺15°(0.4s)——手臂反轉(zhuǎn)120°(1.0s)——手臂下擺15°(0.4s) 動作序號 動作名稱 轉(zhuǎn)角 1 手指夾料 0° 2 手臂上擺 15° 3 手臂回轉(zhuǎn)120° 120° 4 手臂下擺 15° 5 手指放料 0° 6 手臂上擺 15° 7 手臂反向回轉(zhuǎn)120° 120° 8 手臂下擺 15° 四、功能分解 4.1、熱鐓擠送料機械手的機構(gòu)選型 功能 執(zhí)行構(gòu)件 工藝動作 執(zhí)行機構(gòu) 抓料 手指 夾緊 機械手 運送原料 手臂 直線上下左右往返運動 曲柄滑塊機構(gòu) 圓筒凸輪連桿機構(gòu)

14、 不完全齒輪機構(gòu) 齒輪機構(gòu)——齒條機構(gòu) 五、機構(gòu)選用 5.1、原動力的選擇 根據(jù)機械手所搬運物品滿足的動力，選擇小額功率電動機，作為原動力。 5.2、執(zhí)行機構(gòu)的選擇 （1）機械手上下擺動機構(gòu)選用 圓筒凸輪+連桿機構(gòu) （2）機械手水平回轉(zhuǎn)機構(gòu)選用 不完全齒輪+曲柄滑塊+齒輪齒條機構(gòu) 5.3、總傳動比及傳動比的分配 已知電動機的轉(zhuǎn)速為1450r/min，送料頻率為15次/min即i總=1450/15=96.67 i1=i總=n電/n11=96.67=1.5 x2x2x2x2x2x2 i1=i帶x(Z2/Z1) x(Z4'/Z3 )x(Z6'/Z5')x

15、(Z8'/Z7')x(Z10'/Z9')x(Z12'/Z11') i2=?i1=n電/n10=48.33=1.51x2x2x2x2x2 i2=i帶x(Z2/Z1) x(Z4/Z3 )x(Z6/Z5)x(Z8/Z7)x(Z10/Z9) 齒輪1和齒輪2為直齒錐齒輪,其當量齒數(shù)分別為Z1 =18,Z2=36; 齒輪11'為不完全齒輪,(僅半圓周有齒), Z11'=18 其余均為標準直齒圓柱齒輪,標準壓力角ɑ=20°,取模數(shù)m=1,齒頂高系數(shù)hɑ*=1,頂隙系數(shù)c*= 0.25; Z3 =Z5 =Z7 =Z9 =Z5' =Zz7' =Z9'= Z12'=18

16、Z4 =Z6 =Z8 =Z10 =Z4' =Z6'= Z8' =Z10'=36 圖h 機械手運動循壞總圖 六、主要機構(gòu)設計 6.1、圓筒凸輪連桿機構(gòu) 圖6.1 ●對機構(gòu)進行自由度計算, n=4 ,pl= 5 , ph=1,所以 F=3n--2pl--ph=3x4--2x5--1=1 ● 參照圖h,軸E、G、H、J、K沿x方向共線安裝，由此可得 LEK=m／2(Z3+ Z4)+ m／2(Z5+ Z6) + m／2(Z7+ Z8) + m／2(Z9+ Z10)

17、 = m／2(Z3+ Z4+ Z5+ Z6+ Z7+ Z8+ Z9+ Z10) = 1／2(18+ 36+18+ 36+18+ 36+18+ 36) = 108mm ● (h／2)／LEK = h=2LEK x=2x108x0.1305=28.2mm ● 所以凸輪行程為28.2mm,完成一次送料所需時間為t=60s／15=4s, 而凸輪轉(zhuǎn)2周，所以凸輪轉(zhuǎn)一周需2s,據(jù)此可畫出滾子的運動位移圖，即圓筒凸輪輪廓。如下所示： 6.2、齒輪齒條機構(gòu)

18、 圖6.2 l 齒輪11的齒數(shù)為Z11=48，則其分度圓直徑為d11=m Z11 =48mm<36x2=72mm,則齒條移動的距離L=（120°／360°）x2 x(48／2)=16 =50.24mm 齒條長度應大于50.24mm,所以齒條長可取80mm 6.3、曲柄滑塊機構(gòu) 圖6.3 ● 參照圖h計算可得軸E、軸F沿x坐標軸方向的距離為 L1= m／2(

19、Z3+ Z4)+ m／2(Z9′+ Z10′) - m／2(Z11′+ Z12′) = 1／2（18+36+18+36-18-18）=36mm ● 同樣參照圖h計算可得軸E、軸F沿y坐標軸方向的距離為 L2= m／2(Z5′+ Z6′)+ m／2(Z7′+ Z8′) =1／2(36+18)+ 1／2(36+18) =54mm ● 設曲柄AB的長為a，連桿BC的長為b，齒條移動到最上、最下的位置分別 是AB1C1和AB2C2；因為它是一個對心曲柄滑塊機構(gòu)，所以 LAC1=b+a, LAC2=b-a,則齒條移動的距離L= LAC1-LAC2=2a，而

20、前面已求得 L=50.24mm,所以a=25.12mm＜L2-d11／2=54mm-24mm=30mm,且a＜L1=36mm， 所以曲柄不會與齒輪11相碰； 要保證在AB2C2位置時齒條不會與曲柄相碰撞，必須使得LAC2＞a, 即b-a＞a，由此可得b＞2a=50.24m，可取b=60mm. 6.4、不完全齒輪機構(gòu) 圖6.4 上圖分別為齒輪12‵（左齒輪）與齒輪11‵（右齒輪），其中齒輪11‵為不完全齒輪，即一個半齒齒輪，Z12′=18，所以d12′=

21、m xZ12′=18mm, d11′=18mm, 七、主要零件及其主要參數(shù) 標準壓力角ɑ=20°,取模數(shù)m=1,齒頂高系數(shù)hɑ﹡=1,頂隙系數(shù)c﹡= 0.25 名稱 符號 公式 完全齒輪 完全齒輪 完全齒輪 不完全齒輪 2 ，4， 6 ，8， 10 4‵，6‵，8‵，10‵ 11 1 ，3，5 ，7， 9 5‵，7‵，9‵，12‵ 11‵ 齒數(shù) Z 36 48 18 9 分度圓直徑 d d=mz 36 48 18 18 齒頂高 hɑ hɑ= hɑ* x m 1 1 1 1

22、 齒跟高 hf hf=( hɑ*+c*)m 1.25 1.25 1.25 1.25 齒全高 h h=hɑ+hf 2.25 2.25 2.25 2.25 齒頂圓直徑 dɑ dɑ= d+2hɑ 38 50 20 20 齒齒根圓直徑高 df df= d-2hf 33.5 45.5 15.5 15.5 八、總體評價 該機器依靠凸輪和連桿機構(gòu)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(zhuǎn)的動作上，運用了不完全齒輪和齒輪齒條以及連桿的配合來完成。并且通過增加傳動齒輪的數(shù)量和改變傳動比的方式來

23、使最后運動到達指定要求。此方案結(jié)構(gòu)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。 九、結(jié)束語 緊張的課程設計順利結(jié)束了。在這次設計過程中，我掌握了很多設計知識，學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(nèi)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。 十、參考文獻 [1]鄭文緯,吳克堅主編. 機械原理. 北京:高等教育出版社, 1997 [2]朱孝錄主編. 機械傳動設計手冊. 北京:電子工業(yè)出版社, 2007 [3]劉毅主編. 機械原理課程設計. 武漢:華中科技大學出版社, 2008 [4]牛鳴岐,王保民,王振甫主編. 機械原理課程設計手冊. 重慶:重慶大學出版社, 2001