机械原理课程设计热镦挤送料机械手设计方案与分析.docx
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机械原理课程设计热镦挤送料机械手设计方案与分析
摘要
作为机械，其主要作用就是代替劳动力，解放生产力。
在工业生产中，有许多重复又枯燥的往复循环的工作，就比如热镦机的送料过程。
在这种高强度的往复循环过程中，如果是人力劳动极其容易产生疲劳，甚至使人受伤，以至于降低生产效率。
如果用往复循环的机器来完成这个工作，就会大大提高生产效率。
解放工人的双手，达到事半功倍的效果。
因此，设计出既经济又简单的机械结构来替代人力劳动就是本文的目的。
关键词：
热镦机；机械；机器；工业生产；生产效率
ABSTRACT
Asamachine,itsmainfunctionistoreplacethelaborforceandliberatethelaborforce.Inindustrialproduction,therearemanyrepetitiveandboringreciprocatingwork,suchasthefeedingprocessofhotupsettingmachine.Intheprocessofthishigh-intensityreciprocatingcycle,ifhumanlaborisextremelyeasytoproducefatigue,andevenmakepeopleinjured,soastoreduceproductionefficiency.Iftheworkisdonewithreciprocatingmachines,theproductionefficiencywillbegreatlyimproved.Liberatethehandsofworkersandachievetwicetheresultwithhalftheeffort.
Therefore,thepurposeofthispaperistodesignaneconomicalandsimplemechanicalstructuretoreplacehumanlabor.
KEYWORDS:
Hotupsettingmachine;Mechanicalengineering;machine;Industrialproduction;Productionefficiency
2设计要求……………………………………………………………………………3
3机械系统及运动方案设计…………………………………………………………5
3.1运动分解与机构选择………………………………………………………5
3.1.1机械功能的分解………………………………………………………5
3.1.2机构的选型与组合…………………………………………………5
3.2机械系统运动方案设计……………………………………………………10
3.2.1机构的选择…………………………………………………………10
3.2.2机构的组合方案……………………………………………………10
3.2.3方案的选择…………………………………………………………11
3.3机构运动循环图……………………………………………………………12
4机械运动方案分析与计算…………………………………………………………14
4.1圆柱齿轮减速器的设计……………………………………………………14
4.2凸轮机构的设计……………………………………………………………15
4.3齿轮齿条机构的设计………………………………………………………17
4.4导槽机构的设计……………………………………………………………18
5结论…………………………………………………………………………………20
参考文献………………………………………………………………………………21
致谢……………………………………………………………………………………22
1引言
1.1课题来源
热墩机送料机械手作为现代机械化生产的一部分，其效率、安全性和成本尤为重要。
根据以往经验，生产效率的低下是由于人工无法高强度持续的工作，且容易造成工人受伤的情况。
而如果用机械手来完成这一单调乏味且危险系数高的工作。
不仅能提高生产的效率，还能避免工人受伤，降低企业成本。
1.2目的意义
随着现在市场的需求，劳动力成本的上升，工业产品的生产向机械化、自动化发展。
本课题希望用热墩机机械手来代替传统的工人送料，有以下意义：
（1）实现生产的机械化，大幅度地提高生产效率，提高产品的质量，增强产品在市场销售的竞争力；
（2）减少工人人数，解决当前民工荒问题，降低劳动强度，改善劳动条件，降低产品成本；
1.3国内外研究状况与发展趋势
机械手应用范围十分广泛，它常应用与机械制造、电子、冶金、轻重工业中。
机械手是工业机器人的一种，它是在工业机器人的基础之上发展起来的。
机械手的种类很多，常见的有液压式、电动式、气动式和机械式机械手。
我们所设计的机械手为机械械式。
机械手的主要部件为手部和运动机构，运动机构用来控制的各种动作，使机械手完成上下摆动、左右回转、伸缩、摆动等等运动。
手部是根据所要抓取的物体的形状、材质、大小、重量等因素来设计的。
机械手的自由度影响机械手的灵活性、通用性，通常机械手自由度为4-5个，一般的专用的机械手由2-3个自由度。
机械手通常用作机床、生产线等工作场合的上下料、换刀等工作。
机械手的特点是工作时间长，工作精度高，抗干扰能力强，可以在恶劣环境中进行工作。
机械手的未来发展方向为代替人工进行长时间重复高精通的工作，同时替代人工在环境恶劣，高温有毒等环境中工作。
机械手的模块化同时也是它的发展趋势，通过模块化处理，可以使机械手快速响应，完成不同的工作。
随着时间的发展，机械手会变得越来越先进，逐步向智能化、模块化发展。
2设计要求
2.1工作原理及工艺动作过程
由电动机驱动，夹送圆柱形镦料，往40吨镦头机送料。
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。
图1为机械手的外观图。
图2.1机械手的外观图
2.2原始数据及设计要求
1）手臂回转半径685mm。
2）手臂水平回转角度120°，来回间歇回转。
3）手臂上下摆动角度15°，来回间歇摆动。
4）送料频率15次/分。
5）电机转速1450转/分。
6）最大抓重2kg。
7）手指夹持工件最大直径25mm。
8）要求工作阻力小，灵活简单。
表2.2热墩机挤送料机械手技术参数
3机械系统运动方案设计
3.1运动分解与机构选择
3.1.1机械功能的分解
1）动作分析
根据设计要求，该机械的运动可分为三个动作：
电机的减速运动、手臂的水平回转运动和手臂的上下摆动运动。
2）各运动的形式与特点
电机的减速运动：
连续，循环，降低电机速度。
手臂的水平回转运动：
往复，间歇，回转台的轴线保持固定。
手臂的上下摆动运动：
往复，间歇，摆动幅度小。
3）各个运动间的关系
电动机经过传动装置（减速器）将电动机的运动输出给手臂的回转运动和上下摆动，手臂在水平回转运动时，手臂的上下摆动运动停止，手臂上下摆动时手臂的水平回转运动停止，这样循环往复的进行。
3.1.2机构的选型与组合
1）电机的减速运动
根据运动要求，可用减速器实现该功能，可以选择的减速器有：
圆柱齿轮减速器、涡轮——蜗杆减速器和行星齿轮减速器。
A.
圆柱齿轮减速器
优点：
a）可以根据实际的传动比来确定该减速器的级数，并可以根据改变级数来改变各级齿轮的大小，以匹配机械的最佳大小，灵活性高。
b）传递功率可以很大，效率很高。
c）结构和工艺简单，精度易于保证，对制造要求一般。
图3.1.2（1-a）圆柱齿轮减速器
缺点：
一级圆柱齿轮减速器体积大，笨重。
适用场合：
适用于效率高且连续工作的场合。
B.
涡轮——蜗杆减速器
优点：
a）传动比较大，降速效果好。
b）结构紧凑。
c）传动平稳无噪音。
d）具有反向自锁功能。
缺点：
图3.1.2（1-b）涡轮——蜗杆减速器
a）传动效率低，功率损失大，不适用于长期连续运转的机构。
b）一般体积较大。
c）为了散热和减小磨损，常需贵重的抗磨材料和良好的润滑装置，故成本较高。
d）蜗杆的轴向力较大，可承载的扭矩较小。
适用场合：
适用于需要传动平稳和具有自锁性的场合。
C.行星齿轮减速器
优点：
a）结构紧凑，回程间隙小，体积较小，重量轻。
b）精度较高，使用寿命长。
c）额定扭矩可以做得很大。
d）传动比较大。
缺点：
制造精度要求高，结构复杂，价格昂贵。
图3.1.2（1-c）行星齿轮减速器
适用场合：
适用于体积小，高精度机构。
2）手臂的水平回转运动
根据运动要求，可以选择的机构有：
直动从动件盘型凸轮——齿轮齿条机构（从动件底部在凸轮中）、直动从动件盘型凸轮——齿轮齿条机构（从动件底部在凸轮边缘）、凸轮连杆机构。
A.对心直动滚子从动件沟槽盘型凸轮——齿轮齿条机构
E
D
C
BA
图3.1.2（2-a）对心直动滚子从动件沟槽盘型凸轮——齿轮齿条机构
A处为齿轮齿条机构，B处为直动从动件盘型凸轮机构，其中从动件的底部位于凸轮之中，C处为凸轮从动件，D处为转台，E处为手臂。
当减速器将运动传到B处使凸轮B以等角速度转动时，从动件C将间歇地、往复地左右移动，带动从动件上的齿条左右移动，而齿条又带动转台的齿轮间隙地、往复地转动，最后达到转台上的手臂在水平方向上间歇地、往复地转动的目的。
优点：
a）能够通过设计适当的凸轮轮廓，从动件长度，以及齿轮齿条的基本参数，就可以使转台精准地转过工作所需要的角度，停留的时间。
b）结构简单，紧凑，设计方便。
缺点：
a）凸轮轮廓加工困难。
b）凸轮与从动件为线接触，易磨损。
适用场合：
适用于传力不大从动件行程较小的机构。
B.对心直动滚子从动件盘型凸轮——齿轮齿条机构
图3.1.2（2-b）对心直动滚子从动件盘型凸轮——齿轮齿条机构
此机构与上述机构类似，但是将从动件的位置换了并加上了弹簧，如上图。
优点：
a）结构简单，紧凑，设计方便。
b）弹簧有减震功能，在达到机构目的的同时可以让机构运行的更平稳。
缺点：
a）凸轮轮廓加工困难。
b）凸轮与从动件为线接触，易磨损。
适用场合：
适用于传力不大从动件行程较小的机构。
C.凸轮连杆机构
连杆手臂
转台
凸轮
图3.1.2（2-c）凸轮连杆机构
凸轮间歇地，往复地带动连杆运动，从而使转台带动手臂间歇地，往复地水
平转动。
优点：
结构简单，易于安装。
缺点：
连杆的动作难于控制且不够精确。
适用场合：
适用于不需要精确的水平角度转动且低速的机构。
3）手臂的上下摆动
根据运动要求，可以选择的机构有：
圆柱凸轮机构、导槽机构、凸轮连杆机构。
A.
圆柱凸轮机构
如3.1.2（3-a）图，手臂会随着圆柱凸轮机构的轮廓线间歇地往复地上下摆动，从而实现手臂上下摆动的功能。
优点：
a）结构简单，紧凑，易于设计和安装。
b）凸轮机构可以实现任意预期的运动。
缺点：
a）凸轮机构易磨损，传力较小。
b）凸轮轮廓加工困难。
图3.1.2（3-a）圆柱凸轮机构
c）当手臂同时需要上下摆动和水平转动时，该凸轮机构的轴线就不固定了，给设计带来困难。
适用场合：
仅适用于传力不大和轴线固定的场合。
B.
导槽机构
如3.1.2（3-b）图，手臂下方是一垂直于机架的万向轮，万向轮在导槽上运动。
导槽快接近两端时迅速下降一段距离，这样就使得当手臂水平转动到导槽两端时由于重力的作用会迅速下降15o，手臂水平转回时又会上升到与机架平行，角度为0的位置，以实现抓料放料的目的。
图3.1.2（3-b）导槽机构
优点：
a）该机构最大的优点就是不存在轴线跟随手臂旋转的情况，大大降低了设计难度。
b）该机构不需要原动件，且结构简单易于设计和安装，简化了机构的复杂性。
缺点：
易磨损。
适用场合：
适用于轴线固定不需要原动件的机构。
C.凸轮连杆机构
和上述的手臂的水平摆动的凸轮连杆机构一样，只是方向换了。
优缺点与上述相同，但是与导槽机构相比过于复杂和占用空间。
适用场合：
适用于需要原动件驱动机构的场合。
图3.1.2（3-c）凸轮连杆构
3.2机械系统运动方案设计
3.2.1机构的选择
经比较，拟定机构的选择如下
电机减速运动：
圆柱齿轮减速器
手臂的水平回转运动:
对心直动滚子从动件盘型凸轮——齿轮齿条机构（从动件底部在凸轮边缘）
手臂的回转运动：
导槽机构
3.2.2机构的组合方案
方案一：
由电动机提供动力源，通过皮带轮传动将旋转运动带给圆柱齿轮减速器，圆柱齿轮减速器将低速运动带给直动从动件盘型凸轮——齿轮齿条机构，从而使在旋转台上的手臂往复地、间歇地水平运动。
而手臂的上下摆动在导槽机构的作用下被动的周期性地、间歇地上下摆动。
从而达到该机械的目的。
整个机构从左到右安装。
图3.2.2（a）机构的组合方案一
方案二：
由电动机提供动力源，通过皮带轮传动将旋转运动带给圆柱齿轮减速器，圆柱齿轮减速器将低速运动带给直动从动件盘型凸轮——齿轮齿条机构，从而使在旋转台上的手臂往复地、间歇地水平运动。
而手臂的上下摆动在导槽机构的作用下被动的周期性地、间歇地上下摆动。
从而达到该机械的目的。
整个机构从上到下安装。
图3.2.3（b）机构的组合方案二
3.2.3方案的选择
方案一安装容易但是结构太松散，方案二结构紧凑但是安装相对困难一点。
方案一和方案二的联接方式没有什么本质的区别。
经比较，在达到设计要求的同时，方案二更为合适，所以选择方案二。
3.3机构运动循环图
根据设计题目要求，对机械手的运动过程作如下分解
表3.3机构的运动循环表
凸轮转角
0°—150°
150°—180°
180°—330°
330°—360°
转台
水平回转120°
停止
水平反转120°
停止
手臂
上摆15°
停止
下摆15°
停止
上摆15°
停止
下摆15°
停止
图3.3（a）机构的直角坐标式循环图
0°（360°）
图3.3（b）机构的圆形循环图
手臂的水平回转如图3.3（a），手臂跟随着转台在A1B1阶段水平回转120°并停歇一段时间间隔B1C1，然后手臂再跟随着转台在C1D1阶段水平反转120°，回到初始位置，再次停歇一段时间间隔D1E1，随后开始下一次循环；
手臂的上下摆动如图3.3（a），手臂在水平回转和水平反转的起始和终止处（A2B2、C2D2、E2F2、H2D1）分别向上摆动15°和向下摆动15°，在在其他时间段均保持不摆动的状态（B2C2、D2E2、F2G2、H2I2）。
4机械系统运动方案分析与计算
4.1圆柱齿轮减速器的设计
拟采用四级圆柱齿轮减速器，加上皮带轮，相当于五级；
齿轮的模数均为m=5mm；
压力角α=20°。
由于五级圆柱齿轮减速器的传动比为：
i=
=（Z大/Z小）5
则可得（Z大/Z小）=2.5；
综合考虑空间的大小和稳定性，取Z小=20，Z大=50；
采用标准齿轮安装。
皮带轮的小轮直径为d=mZ小=100mm,大轮直径D=mZ大=250mm。
相关参数如下表：
表4.1圆柱齿轮减速器相关参数
小齿轮
大齿轮
传动方式
标准齿轮传动
齿数
20
50
模数
5mm
压力角
20°
基圆半径
47mm
117mm
分度圆半径
50mm
125mm
齿顶高系数
1
顶隙系数
0.25
4.2凸轮机构设计
在该凸轮机构中，由凸轮的转动带动滚子从动件在水平方向上做周期性运动。
凸轮运动分为四个阶段：
推程阶段、远休止阶段、回程阶段和近休止阶段。
凸轮旋转一周需要四秒钟，即周期T=4s,其中设定推程1.5秒，远休止0.5秒，回程1.5秒，近休止0.5秒；换算到凸轮旋转的角度就是推程角135°，远休止角45°，回程角135°，近休止角45°。
取基圆半径ro=50mm。
凸轮滚子从动件滚子半径的选择，用pi表示凸轮工作廓线的曲率半径，用p表示理论廓线的曲率半径。
所以有pi=p±ri;为了避免发什么失真现象，应该是p的最小值大于0，即使p>ri;另一方面滚子的尺寸还受其强度，结构的限制，不能太小通常取滚子半径:
ri=（0.1—0.5）×ro。
此处，取ri=0.2×ro=10mm。
取滚子从动件最大位移即推程h=100mm。
滚子从动件的运动规律如下分析：
推程过程：
0°＜δ≤135°
等加速推程阶段：
0°＜δ≤67.5°
从动件位移：
s=2hδ2/δo2
从动件速度：
v=4hωδ/δo2
从动件加速度：
a=4hω2/δo2
等减速推程阶段：
67.5°＜δ≤135°
从动件位移：
s=2h（δo-δ）2/δo2
从动件速度：
v=4hω（δo-δ）/δo2
从动件加速度：
a=-4hω2/δo2
远休止过程：
135°＜δ≤180°
从动件位移：
s=0
从动件速度：
v=0
从动件加速度：
a=0
回程过程：
180°＜δ≤315°
等加速推程阶段：
180°＜δ≤247.5°
从动件位移：
s=h-2hδ2/δo2
从动件速度：
v=-4hωδ/δo2
从动件加速度：
a=4hω2/δo2
等减速推程阶段：
247.5°＜δ≤315°
从动件位移：
s=2h（δo-δ）2/δo2
从动件速度：
v=-4hω（δo-δ）/δo2
从动件加速度：
a=4hω2/δo2
近休止过程：
315°＜δ≤360°
从动件位移：
s=0
从动件速度：
v=0
从动件加速度：
a=0
s
远休止v
h
推程回程
近休止δδ
图4.2（a）从动件的位移运动规律图4.2（b）从动件的速度运动规律
图4.2（c）从动件的加速度运动规律
凸轮轮廓曲线即可按照上述进行加工。
4.3齿轮齿条机构的设计
取齿轮齿条压力角均为20°，模数均为m=2mm。
①齿条的设计：
由于凸轮设计要求中，从动件的推程为100mm,
则至少需要齿条的长度为100mm,这里取齿条的长度为120mm
可以得出齿条的齿数为Z1=120\（Πm）=19
②齿轮的设计：
根据设计要求，齿条水平向前移动100mm,齿轮转动120°
则可得出以下式子;
100=
ΠmZ2
可以得出齿轮的齿数为Z2=48
理论上只需要齿轮圆周上的三分之一上面有齿，也就是只需要16个齿，排布满三分之一齿轮圆周就是了，这里取20个齿。
齿轮基圆半径rb=0.5mZ2cos20°=45mm
分度圆半径r=0.5mZ2=48mm
齿轮齿条采用标准齿轮安装。
齿轮齿条相关参数如下表：
表4.3齿轮齿条的相关参数
齿条
齿轮
长度
120mm
齿数
19
20
模数
2mm
压力角
20°
基圆半径
45mm
分度圆半径
48mm
齿顶高系数
1
顶隙系数
0.25
4.4导槽机构的设计
已知导槽在水平方向（平行于地面的投影,俯视图）圆弧的曲率中心与手臂转台轴线重合，根据空间的大小，取导槽在水平方向的离手臂转台轴线较近的导槽臂的圆弧曲率半径为R1=145mm，取导槽在水平方向的离到手臂转台轴线较近的导槽臂的圆弧曲率半径为R2=155mm，手臂上的万向轮离手臂转台轴线的水平距离为R3=150mm。
如图16。
根据运动要求，要使手臂向下摆动15°，则就要求万向轮在垂直方向下降的高度为：
h=150sin15≈39mm
这里拟在手臂水平回转15°之内将手臂从水平位置向下摆动15°，所以向下摆动的整个过程的水平位移s=
Π×150=2.62mm,导槽向下的垂直位移部分用一段半个周期的正弦函数来加工，则该正弦函数的幅度为：
h0=39/2=19.5mm
该正弦函数的表达式为：
、
y=19.5sin（ωx）当x=s/2=1.31时ωx=Π/2则ω≈1.2
所以y=19.5sin（1.2x），如图4.4（b）。
图4.4（a）导槽机构的俯视图图4.4（b）手臂摆动的曲线函数
导槽垂直深度（mm）
图4.4（c）导槽的轮廓曲线转台转动的角度（°）
5结论
热敦挤送料机械手的设计不仅能减轻工人们的作业强度，而且还大大提高了工作效率。
在如今强调效率与质量的时代，机械手等产品也广泛运用在各行各业之中，为人们的生活水平的提高做出了很大的贡献。
在这次设计过程中，我掌握了很多设计知识，学会了几个软件的使用并有所提高。
发现有些东西非常有用，比如AutoCAD、inventor等软件的使用和word的常规排版问题。
但是也碰到了很多问题，机构的功能不能完全掌握、传动性不明确、运动循环图不清晰以及机构不能完美的连贯起来。
这些都是最重要也是最难的。
经过老师的指导和同学间讨论，也有所收获，明白了很多。
这次课程设计，加深了我对《机械原理》这门基础专业课的理解，同时也巩固了所学的知识。
还加强了对问题的独立思考和动手能力。
使我懂得了设计的基本步骤和思路。
在设计过程中发现了我对课本知识掌握的薄弱，而且一遍又一遍的学习和复习了轮系设计和连杆机构的设计。
在完成课程设计的同时，充分锻炼了我查阅资料和应用资料计算的能力。
总体来说这次课程设计收获很大。
机械学作为一门传统的基础学科，内容丰富，涉及面广。
目前，机械学正与电子电气、液压等多种学科，联系更为紧密，它的综合性更强。
机械学的学习将是一个艰苦但却值得努力的过程。
参考文献
[1]牛鸣岐,王保民,王振甫.机械原理课程设计手册.重庆:
重庆大学出版社,2001
[2]机械工程手册电机工程手册编辑委员会编.机械工程手册第59篇、冲压机械化与自
动化.北京:
机械工业出版社，1982
[3]王知行，刘延荣.机械原理.北京:
高等教育出版社,2000
[4]邹慧君.机械设计课程设计手册.浙江,高等教育出版社,1995
[5]孙桓葛文杰陈作模主编.机械原理.北京,高等教育出版
[6]AlessandroRemigioBolzoni,EleonoraSegna,GiadaAnnaBeltramini,AhmedHassanSweed,AldoBrunoGiannì,AlessandroBaj.Compu
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