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1、 機械原理課程設(shè)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O一六年六 月 目錄 一總設(shè)計要求 3 1.1設(shè)計題目 3 1.2設(shè)計任務(wù) 4 1.3設(shè)計提示 4 二運動循環(huán)設(shè)計 4 2.1方案選擇 4 2.2原理分析 4 2.3時間設(shè)定 5 三運動機構(gòu)設(shè)計 6 3.1原動機的選擇 6 3.2傳動機構(gòu)的設(shè)計 6 3.3上下機構(gòu)的設(shè)計 7 3.4左右運動的設(shè)計 8 四運動方案總述 9 4.1運動方案擬定 9 4.2傳動機構(gòu)運動分析 9 4.2上下運動分析 11 4.3左右運動分析 13

2、 4.5總述 14 五設(shè)計小結(jié) 17 六參考文獻 18 總設(shè)計要求 1.1設(shè)計題目 設(shè)計二自由度關(guān)節(jié)式熱鐓擠送料機械手，由電動機驅(qū)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150,手臂水平回轉(zhuǎn)120o, 手臂下擺15 o,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。 主要要求完成手臂上下擺動以及水平回轉(zhuǎn)的機械運動設(shè)計。 鐓擠送料機械手技術(shù)參數(shù) 萬案 號 取大抓 重 kg 手指夾持 工件最大 直徑 mm 手臂回 轉(zhuǎn)角度 (0) 手臂回 轉(zhuǎn)半徑 mm 手臂上下 擺動角度

3、 (0) 送料 頻率 次 /mi n 電動機 轉(zhuǎn)速 r/mi n 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(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

4、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(shè)計計算齒輪機構(gòu)。 6. 編寫設(shè)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(shè)計提示 1. 機械手主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動作。 2. 此機械手為空間機構(gòu)，確定設(shè)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(shè)計 二運動

5、循環(huán)設(shè)計 2.1方案選擇 通過討論，我們選擇方案 A進行設(shè)計，即： 萬案 號 最大抓重 kg 手指夾持 工件最大 直徑 mm 手臂回轉(zhuǎn) 角度 (0) 手臂回轉(zhuǎn) 半徑 mm 手臂上下 擺動角度 (0) 送料 頻率 次/min 電動機轉(zhuǎn) 速 r/mi n A 2 25 120 685 15 15 1450 2.2原理分析 熱墩擠送料機器手的設(shè)計從工作路線上分析為機器臂手指夾料， 手臂上擺150,手臂水平回 轉(zhuǎn)1200，手臂下擺15o,手指張開放料，手臂再上擺15o,水平反轉(zhuǎn)1200，在下擺15o這八個 過程為一個周期，即完成一次送料

6、。因此可以分析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(shè)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(zhuǎn)120。，手臂下擺15°,手指松開送料, 手臂上擺15°,手臂回轉(zhuǎn)120°,下擺15°，這八個過程時間均設(shè)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(zhuǎn) 停止 停止 停止 反轉(zhuǎn) 停止 時間 0.5s 0.5s 0.5s 0.5s 0.5

7、s 0.5s 0.5 0.5s 圖2機器手運動循環(huán)圖 機器手回轉(zhuǎn)運動循環(huán)圖 三運動機構(gòu)設(shè)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(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Pw，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： Tn Pw ——Kw 9550 其中

8、：T 工作機的阻力矩，N mm ; n 工作機的轉(zhuǎn)速， r /min ； 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 0 1 2 3 n 其中：1 2 3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(jīng)過上網(wǎng)查閱資料，決定選用 ZGY20-1.1/4型號電動機（ 轉(zhuǎn)速：1450r/min 功率:1.1kw） 3.2傳動機構(gòu)的設(shè)計 經(jīng)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

9、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。 4） 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)緊湊、效率咼。 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(zhuǎn)速。 經(jīng)過討論，我們選取標

10、準直齒圓柱齒輪 標準傳動，壓力角取a =20° ,模數(shù)取m=3,齒頂高系數(shù)ha *=1,頂隙系數(shù)c*= 0.25。因此我們通 過皮帶傳動與齒輪傳動的結(jié)合達到我們的設(shè)計要求。 3.3上下運動的設(shè)計 利用圓柱凸輪實現(xiàn)從動件的停歇和上下運動，再通過連 方案一圓柱凸輪機構(gòu)+連桿機構(gòu) 桿，實現(xiàn)手臂的上下擺動 園柱凸輪+連桿機枸 優(yōu)點：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 缺點：圓柱凸輪較難設(shè)計 方案二 滾子從動件盤型凸輪機構(gòu)+滑塊機構(gòu) 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(gòu) +滑塊機構(gòu) 優(yōu)點：1

11、.凸輪計算簡便；2.凸輪結(jié)構(gòu)簡單，容易生產(chǎn) 缺點：凸輪和從動件之間有沖擊，磨損嚴重經(jīng)過比較與分析，方案一的圓柱凸輪設(shè)計困難，方案二的盤型凸輪設(shè)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(shè)計要求。經(jīng)過綜合考慮，我們選擇方案二最佳。 3.4左右運動的設(shè)計 利用不完全齒輪控制停歇時間，再通過曲柄遙桿機構(gòu) 方案一 不完全齒輪+連桿機構(gòu) 不完全齒輪+連桿機構(gòu) 優(yōu)點：1.結(jié)構(gòu)簡單，容易加工； 2.連桿機構(gòu)和齒輪計算簡便 缺點：1.四連桿機構(gòu)有急回特性 2.不完全齒輪有沖擊 方案二不完全齒輪

12、+曲柄滑塊+齒輪齒條機構(gòu) 齒輪與齒條組成對心式曲柄滑塊機構(gòu)， 通過齒輪的轉(zhuǎn)動帶動齒條左右移動，從而帶動轉(zhuǎn)臺齒輪左右移動，使得機械手臂轉(zhuǎn)動 120度 不完全齒輪+曲柄滑塊+齒輪齒條機構(gòu) 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(gòu)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(zhuǎn)臺齒輪停止 轉(zhuǎn)動。由于機器手的回轉(zhuǎn)角度較大，連桿機構(gòu)難以滿足要求，同時連桿機構(gòu)具有急回特性，對 機構(gòu)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

13、力源，通過大小皮帶輪的轉(zhuǎn)動，先進行第一輪減速，然后通過定軸輪系 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(zhuǎn)提供動力。使凸 輪轉(zhuǎn)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(gòu)，齒輪齒條的配合以及連在轉(zhuǎn)臺上的軸， 使的手臂來回轉(zhuǎn)動120度。機構(gòu)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(gòu)運動分析 根據(jù)運動循環(huán)圖我們設(shè)計電動機經(jīng)過傳動后轉(zhuǎn)速為 30r/min,據(jù)此我們設(shè)計如下減速機構(gòu) 減速機構(gòu)簡圖 1.皮帶輪機構(gòu) 2輪 皮帶輪1直徑為144mm皮帶輪2直徑為290mm. 2.輪

14、系機構(gòu) 經(jīng)過討論，我們選取模數(shù)為3的標準齒輪 m=3 a =20 ha*=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=dcosa 56.38 225.53 169.14 112.76 齒頂咼 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

15、 172.5 112.5 齒距 P P=n m 9.42 9.42 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=pcosa 8.85 8.85 8.85 8.85 法向齒距 pn pn=pcosa 8.85 8.85 8.85 8.85 2.錐齒輪機構(gòu) Z=48,m=3 材料 45 ha=3 hf=3.75 分度圓錐角

16、 S =arccotz2/z仁45 分度圓直徑 d=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 tan 0 a=ha/R=0.030 齒根角 tan 9 f=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：i仁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(zhuǎn)動輸入轉(zhuǎn)速：30r/mi n 上下運動輸入轉(zhuǎn)速：30r/mi n 4.3上下運

17、動分析 上下運動主要執(zhí)行機構(gòu)是凸輪，對上下運動的分析即是對凸輪的分析 經(jīng)過討論分析，我們進行了尺寸設(shè)定，如下圖所示： 根據(jù)這些參數(shù)設(shè)定以及機器手運動循環(huán)圖，我們試用軟件設(shè)計了凸輪 1.從動件運動規(guī)律 2.凸輪的參數(shù)設(shè)定 凸輪轉(zhuǎn)速n=30r/min 基圓半徑r=46mm 凸輪厚度b=20mm 攜程 h=78mm 3凸輪設(shè)計 根據(jù)從動件運動規(guī)律我們設(shè)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 ~ 0 0 ~ 78

18、 78 ~ 78 78 ~ 0 凸輪轉(zhuǎn)過角度 90° 90° 90° 90° 根據(jù)以上數(shù)據(jù)我們使用軟件進行了分析，對分析數(shù)據(jù)進行了部分截圖 &:i 側(cè)誡國噌止 虻 Bn 進液邃：停IL 0-^73 遠雞觀律：正 90 Q 器 u. uuai 92 D. 005石 Q. 01? o.om o. 口m % o. iso? Q.刃莎 閒 0. 3G料 yy 0. =U3Z 100 0.1307 1

19、QL q aw 300 L 17? L. 1臟 根據(jù)這些數(shù)據(jù)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(shè)計的主要執(zhí)行機構(gòu)是不完全齒輪 +曲柄滑塊+齒輪齒條機構(gòu)，并通過搖桿導 軌機構(gòu)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(gòu)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。即齒輪9 轉(zhuǎn)一圈，齒輪10轉(zhuǎn)半圈。 2.對心曲柄滑塊機構(gòu) 根據(jù)轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)120°,

20、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。貝U齒條的最小長度為24n,即75.4mm因此我們 設(shè)計齒條的長度80mm則曲柄的長度為12n，g卩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 O.OC 0.J0 1,50 2.0G 2 50 時閭sec) 4.00 2）滑塊位移圖像 -160 O.QO 0.W 1.QQ 1 70 2.00 2 50 時間(sec ? 0C 2 50

21、 4.5總述 我們 止宀舉井 步完善我 通過對以上各個分機構(gòu)的設(shè)計，然后將各個機構(gòu)有機的結(jié)合即可實現(xiàn)我們所需要的功能 基于solidworks進行了三維建模，將各個部分結(jié)合一起，并進行motion分析，進- 們的機構(gòu)。 1.基于solidworks 的三維仿真 1）減速機構(gòu)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

22、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(zhuǎn)速，分別帶動上下運動與左右運動。 驅(qū)動凸 輪，使機械臂上下擺動。同時又驅(qū)動不完全齒輪和曲柄滑塊機構(gòu)， 在配合上擺動導軌機構(gòu)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。 機械臂上下運動角速度圖 -3& 19 -0 0 0D 1 60 3.20 4 80 6 40 8.00 960 11.20 14.40 1ALOO 時間(sec) 機械臂左右運動角速度圖 -36&

23、6J0 a 00 9劃 1120 12.30 制上D 16 00 時閭(secj Q.00 1.6C 3.20 4 80 五設(shè)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(zhuǎn)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(gòu)。 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(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。 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，對于有些設(shè)計 軟件的使用更加熟練。發(fā)現(xiàn)有些東西非常

24、有用，比如 solidworks，通過solidworks實現(xiàn)了對機 構(gòu)的三維建模，對我們對機構(gòu)運動分析具有很大的幫助， 并且通過solidworks的運動仿真分析， 產(chǎn)生機構(gòu)的運動圖像，使我們對這些機構(gòu)有了更深層次的認識。 在設(shè)計的過程中我們也碰到了 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(chǔ)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

25、值得努力的過程。 經(jīng)過這次課程設(shè)計，我們在接下來的學習中注重基礎(chǔ)知識的掌握，加 強軟件的使用。 六參考文獻 [1] 申永勝主編?機械原理.北京：清華大學出版社，2005 [2] 鄒慧君.機械設(shè)計課程設(shè)計手冊.浙江：高等教育出版社，1998 附錄：凸輪理論輪廓曲線設(shè)計 C語言程序 #i nclude #in clude #define PI 3.1415926 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,

26、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_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; b

27、el=phi1+phis+phi_1; ic=(i nt)(360.0/del); ic1=(i nt)(phi1/del); ic2=(i nt)(gam/del); ic3=(i nt)(bel/del); so=sqrt(ro*ro-e*e); prin tf("\n No THETA Theoretical con tour curve. Actual con tour curve of cam. pressure an gle \n"); /*在屏幕上輸出文件頭*/ printf(" deg x/mm y/mm rad\n"); fp=fope n("myf2.c","

28、w"); fprin tf(fp,"\n No THETA Theoretical pressure an gle \n"); fpri ntf(fp," deg Y/mm rad\n"); for(i=0;i<=ic;i++) 循環(huán)*/ { X/mm Y/mm con tour curve. Actual con tour x/mm y/mm /* curve of cam. X/mm 每隔五度建立 度*/ cop=cos(phi); sip=si n( phi); if(iv=ic1)

29、/* { s=(h/2.0)*(1.0-cos(180.0*phi/phi1)); s1= h*PI*si n( 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) /* { s=h; s仁0; x1=-(s+so)*sip-e*cop; y1=(so+s)*cop-e*sip; } else if(i<=ic3) /* 動判斷*/ {s=(h/2.0)*(1-cos((PI-phi)*180/phi1)); s1

30、=-(90*h/phi_1)*si n( (bel*PI-180*phi)/phi_1); x1=s1*cop-(so+s)*sip-e*cop; y1=s1*sip+(so+s)*cop-e*sip; } else /* { s=0; s仁0; x1=-(s+so)*sip-e*cop; y1=so*cop-e*sip; } t=fabs(s1-e); alp[i]=ata n2(t,(s+so)); /* q=rt/sqrt(x1*x1+y1*y1); x[i]=(s+so)*cop-e*sip; /* 位置*/ y[i]=(s+so)*sip+e*cop;

31、xr[i]=x[i]-q*y1; /* 置*/ 推程運動判斷*/ 遠休止角*/ 回程等減速運 近休止角*/ 計算壓力角*/ 理論輪廓曲線 實際輪廓曲線位 yr[i]=y[i]+q*x1; phi=i*del; prin tf("\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]); fprin tf(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); }