课程设计—热镦挤送料机械手

1机械原理课程设计题目热镦挤送料机械手学院专业年级学号姓名指导教师二○一六年六月2目录一总设计要求....................................31.1设计题目..................................31.2设计任务..................................41.3设计提示..................................4二运动循环设计..................................42.1方案选择..................................42.2原理分析..................................42.3时间设定..................................5三运动机构设计..................................63.1原动机的选择...............................63.2传动机构的设计..............................63.3上下机构的设计..............................73.4左右运动的设计..............................8四运动方案总述..................................94.1运动方案拟定...............................94.2传动机构运动分析............................94.2上下运动分析...............................114.3左右运动分析...............................134.5总述.....................................14五设计小结.....................................17六参考文献.....................................183一总设计要求1.1设计题目机械手机体底座机械手的外观图设计二自由度关节式热镦挤送料机械手，由电动机驱动，夹送圆柱形镦料，往40吨镦头机送料。以方案A为例，它的动作顺序是：手指夹料，手臂上摆15º，手臂水平回转120º，手臂下摆15º，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。主要要求完成手臂上下摆动以及水平回转的机械运动设计。镦挤送料机械手技术参数方案号最大抓重kg手指夹持工件最大直径mm手臂回转角度（º）手臂回转半径mm手臂上下摆动角度（º）送料频率次/min电动机转速r/minA22512068515151450B2.527.511069017.512.51450C3301007002010960D1.522.510560017.515960E1151105001520144041.2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。按各凸轮机构的工作要求选择从动件的运动规律，确定基圆半径，校核最大压力角与最小曲率半径。对盘状凸轮要用电算法计算出理论廓线、实际廓线值。画出从动件运动规律线图及凸轮廓线图。5.设计计算齿轮机构。6.编写设计计算证明书。7.学生可进一步完成：机械手的计算机动态演示验证等。1.3设计提示1.机械手主要由手臂上下摆动机构、手臂回转机构组成。工件水平或垂直放置。设计时可以不考虑手指夹料的工艺动作。2.此机械手为空间机构，确定设计方案后应计算空间自由度。3.此机械手可按闭环传动链设计二运动循环设计2.1方案选择通过讨论，我们选择方案A进行设计，即：2.2原理分析热墩挤送料机器手的设计从工作路线上分析为机器臂手指夹料，手臂上摆15º，手臂水平回转120º，手臂下摆15º，手指张开放料，手臂再上摆15º，水平反转120º，在下摆15º这八个过程为一个周期，即完成一次送料。因此可以分析出该机器手的运动分为上下运动和左右回摆方案号最大抓重kg手指夹持工件最大直径mm手臂回转角度（º）手臂回转半径mm手臂上下摆动角度（º）送料频率次/min电动机转速r/minA225120685151514505运动。2.3时间设定送料频率15次/min,即1次/4s。一次送料过程包括：手指抓料，手臂上摆15°，回转120°，手臂下摆15°，手指松开送料，手臂上摆15°，手臂回转120°，下摆15°，这八个过程时间均设定为0.5s。由此可制作出一张表格和一个时间对应图来反映出机械臂的运动路线。机器手运动循环表上下运动停止上摆停止下摆停止上摆停止下摆回摆运动停止停止回转停止停止停止反转停止时间0.5s0.5s0.5s0.5s0.5s0.5s0.50.5s图2机器手运动循环图6三运动机构设计3.1原动机的选择电动机的容量选得合适与否，对电动机的工作和经济性都有影响。当容量小于工作要求时，电动机不能保证工作装置的正常的工作，或使用电动机因长期的过载而过早损坏；容量过大则电动机的价格高，能量不能充分利用，且常常不在满载下运行，其效率和功率的因数都较低，造成浪费。电机的容量的主要由电动机的运行时的发热情况决定，而发热又与其工作情况决定。工作机所需工作功率wP，应由机器工作阻力和运动参数计算得来的，可按下式计算：KwTnPw9550其中：T——工作机的阻力矩，mmN；n——工作机的转速，min/r；传动装置的总效率0组成传动装置的各部分运动副效率之积，即n3210其中：123分别为皮带、齿轮的传动效率按推荐的传动比合理范围，取一级传动i=2，二级圆柱直齿轮的传动比i=10-30,总的传动范围为20-60.经过上网查阅资料，决定选用ZGY20-1.1/4型号电动机（转速:1450r/min功率:1.1kw）3.2传动机构的设计经过小组讨论与分析，我们决定采用皮带传动和齿轮传动。皮带传动有以下几个优点：1)可用于两轴中心距离较大的传动。2)皮带具有弹性、可缓冲和冲击与振动，使传动平稳、噪声小。3)当过载时，皮带在轮上打滑，可防止其它零件损坏。4)结构简单、维护方便。5)由于皮带在工作中有滑动，故不能保持精确的传动比。6)外廓尺寸大，传动效率低，皮带寿命短。所以我们决定用皮带传动进行第一级的传动。接下来我们采用圆柱直齿齿轮传动。齿轮传动是应用最多的一种传动形式，它有如下特点：1)能保证传动比稳定不变。2)能传递很大的动力。3)结构紧凑、效率高。4)制造和安装的精度要求较高。5)当两轴间距较大时，采用齿轮传动就比较笨重通过齿轮传动的多级减速可以达到我们所需要的转速。经过讨论，我们选取标准直齿圆柱齿轮标准传动，压力角取ɑ=20°,模数取m=3,齿顶高系数hɑ*=1,顶隙系数c*=0.25。因此我们通过皮带传动与齿轮传动的结合达到我们的设计要求。73.3上下运动的设计方案一圆柱凸轮机构+连杆机构利用圆柱凸轮实现从动件的停歇和上下运动，再通过连杆，实现手臂的上下摆动优点：圆筒凸轮结构简单、紧凑，所能承受的力也比盘形凸轮要大缺点：圆柱凸轮较难设计方案二滚子从动件盘型凸轮机构+滑块机构利用凸轮实现从动件的停歇和上下运动，再通过滑块，实现手臂的上下摆动滚子从动件盘型凸轮机构+滑块机构优点：1.凸轮计算简便；2.凸轮结构简单，容易生产缺点：凸轮和从动件之间有冲击，磨损严重8经过比较与分析，方案一的圆柱凸轮设计困难，方案二的盘型凸轮设计简便，便于计算分析。由于该机器手最大的抓重为2kg，重量较小，因此盘型凸轮所承受的力也不会太大，磨损不会过于严重，综上所述，盘型凸轮完全符合设计要求。经过综合考虑，我们选择方案二最佳。3.4左右运动的设计方案一不完全齿轮＋连杆机构利用不完全齿轮控制停歇时间，再通过曲柄遥杆机构实现机械手手臂水平回转120°不完全齿轮＋连杆机构优点：1.结构简单，容易加工；2.连杆机构和齿轮计算简便缺点：1.四连杆机构有急回特性2.不完全齿轮有冲击方案二不完全齿轮+曲柄滑块+齿轮齿条机构齿轮与齿条组成对心式曲柄滑块机构，通过齿轮的转动带动齿条左右移动，从而带动转台齿轮左右移动，使得机械手臂转动120度不完全齿轮+曲柄滑块+齿轮齿条机构9优点：1.不存在急回特性，避免了急回所带来的损坏2.曲柄滑块机构和齿轮计算简便缺点：不完全齿轮有冲击两种方案都是通过不完全齿轮控停歇时间，当机械手臂在上下摆动的时候，使得转台齿轮停止转动。由于机器手的回转角度较大，连杆机构难以满足要求，同时连杆机构具有急回特性，对机构具有损坏。综上所述，选择方案二为最佳。四运动方案总述4.1运动方案拟定首先，由电动机提供动力源，通过大小皮带轮的转动，先进行第一轮减速，然后通过定轴轮系继续减速，再通过锥齿轮换向，使得原路分支成两路，为上下摆动与水平回转提供动力。使凸轮转动，从而完成手臂的上下15度的摆动；另一路通过锥齿轮继续传动给不完全齿轮，通过曲柄滑块机构，齿轮齿条的配合以及连在转台上的轴，使的手臂来回转动120度。机构的空间自由度为2，需要两个动力输入，由锥齿轮完成。4.2传动机构运动分析根据运动循环图我们设计电动机经过传动后转速为30r/min,据此我们设计如下减速机构减速机构简图1.皮带轮机构10皮带轮1直径为144mm，皮带轮2直径为290mm.2.轮系机构经过讨论，我们选取模数为3的标准齿轮m=3α=20ha*=1c*=0.25,材料：45名称符号公式1，3，5246齿数z20806040分度圆直径dd=mz60240180120基圆直径dbhb=dcosα56.38225.53169.14112.76齿顶高haha=ha*m3333齿顶圆直径dada=d+2ha66246186126齿根圆直径dfdf=d-2hf52.5232.5172.5112.5齿距pP=πm9.429.429.429.42齿厚ss=p/24.714.714.714.71槽宽ee=p/24.714.714.714.71顶隙cc=c*m0.750.750.750.75基圆齿距pbpb=pcosα8.858.858.858.85法向齿距pnpn=pcosα8.858.858.858.852.锥齿轮机构Z=48,m=3材料45ha=3hf=3.75分度圆锥角δ=arccotz2/z1=45°分度圆直径d=144齿顶圆直径da=d+2hacos=148.24齿根圆直径df=d-2hfcos=138.70锥距R=101.8211齿顶角tanθa=ha/R=0.030齿根角tanθf=hf/R=0.036当量齿数zvi=zi/cos=67.893.传动比的计算皮带轮传动比：i1=290/144齿轮传动比：i2=(z2*z4*z6)/(z3*z5*z7)=24总传动比：i=i1*i2=145/3水平转动输入转速：30r/min上下运动输入转速：30r/min4.3上下运动分析上下运动主要执行机构是凸轮，对上下运动的分析即是对凸轮的分析经过讨论分析，我们进行了尺寸设定，如下图所示：根据这些参数设定以及机器手运动循环图，我们试用软件设计了凸轮1.从动件运动规律2.凸轮的参数设定凸轮转速n=30r/min基圆半径r=46mm凸轮厚度b=20mm12携程h=78mm3凸轮设计根据从动件运动规律我们设计了凸轮运动规律第一阶段第二阶段第三阶段第四阶段摆动动作停止上摆15°停止下摆15°从动件运动规律停止正弦停止正弦从动件位移0~00~7878~7878~0凸轮转过角度90°90°90°90°根据以上数据我们使用软件进行了分析，对分析数据进行了部分截图根据这些数据我们描绘出凸轮的轮廓曲线最小曲率半径为46mm134.4左右运动分析左右运动我们设计的主要执行机构是不完全齿轮+曲柄滑块+齿轮齿条机构，并通过摇杆导