热镦挤送料机械手

机械原理课程说明书

设计题目：热镦挤送料机械手 学生姓名：学 号：学 院：机电工程学院专 业：机械设计制造及其自动化指导老师：

2008

浙江海洋学院教务处年6月30日

设计任务书

1 设计题目 热镦挤送料机械手 2 工作原理及其工艺动作过程

机械手夹送圆柱形镦料，手指夹料，再通过凸轮或连杆机构使手臂上摆15°，然后手臂水平回转120°，到达指定点手臂下摆15°，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，往复这些运动。

3 原始数据及设计要求

（1）最大抓重 2㎏

（2）手指夹持工件最大直径 25㎜ （3）手臂回转角度 120· （4）手臂回转半径 685㎜ （5）手臂上下摆动角度 15· (6) 送料频率 15次/分

（7）工作阻力很小。要求选用的机构简单、轻便、运动灵活可靠。 （8）电动机转速 1450转/分

4 设计方案提示

（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过程。

（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。

5 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。对盘状凸轮要用解析法计算理论轮廓线、实际轮廓线值。绘制从动件运动规律线图及凸轮轮廓线图。

（5） 设计计算齿轮机构。 （6） 编写设计计算证明书。 （7） 学生可进一步完成凸轮的数控加工、机械手的计算机动态演示验证等。

目录

前言……………………………………………………………………………….…………………. 5

第1章 总论挤设计要求……………………………………………………….……………6

1.1 设计要求…………………………………………………………………………...……………6 1.2 工作原理以及工艺动作流程图…………………………………………………………6

1.2.1机械手上下摆动动作的设计…………………………………………………………………..6 1.2.2机械手水平回转动作的设计…………………………………………………………………..7 1.2.3热镦挤送料机械手工艺动作流程……………………………………………………………..8

第2章 机械驱动装置选择与传动系统设计………………………………….9 2.1驱动装置的选择………………………………………………………………………….9

2.1.1 常用电动机的机构特征……………………………………………………………………….9 2.1.2选定电动机的容量………………...…………………………………………………………...9 2.2传动类型的选择……………………………………………..………………………….………10

第3章 主要执行机构方案设计…………………………………………….……….11

3.1手臂摆动机构的选择设计……………………………………………………….………11 3.2手臂水平回转机构的选择设计………………………………….…………….………11 3.3形态学矩阵……………………………………………………………………….……………12 3.4拟定运动循环图…………………………………………………….……….………………12 3.5机械系统运动转换功能图……………………………………………….………………12

第4章 机械运动系统设计方案拟定………………………………….…………13

4.1拟定的方案……………………………………………………………………….……………13

第5章 系统设计数据处理及方案选择………………………………………...14

5.1对方案a的数据处理………………………………………………………………………14 5.2对方案b的数据处理………………………………………………………………………16

5.3方案的选择………………………………………………………………….…………………16 5.4成品的尺寸设计…………………………………………………………..…………………16

第6章 方案的评价…………………………………………………………………………17

6.1方案评价表…………………………………………………………………….………………17

结束语………………………………………………………………………………...……………..19 参考文献…………………………………………………………………………………………..19

摘要 机械原理课程设计是使学生较全面的，系统掌握和深化机械原理课程的基本原理和方法的重要环节，是培养学生机械运动方案设计，创新设计以及应用计算机对工程实际中各种机构进行分析和设计能力的一门课程。热镦挤送料机械手的设计，充分的展示了机械原理课程理论和实际应用的结合。

关键词 机械原理 课程设计 机械手 热镦机

前言

进入21世纪以来，市场愈加需要各种各样性能优良、质量可靠、价格低廉、效率高、能耗低的机械产品，而决定产品性能、水平、市场竞争能力和经济效益的重要环节是产品设计。机械产品设计中，首要任务是进行机械运动方案的设计和构思、各种传动机构和执行机构的选用和创新设计。这要求设计者综合应用各类典型机构的结构组成、运动原理、工作特点、设计方法及其在系统中的作用等知识，根据使用要求和功能分析，选择合理的工艺动作过程，选用或创新机构型式并巧妙地组合新的机械运动方案，从而设计出机构简单、制造方便、性能优良、工作可靠、实用性强的机械产品。

在全球化的知识经济时代，人类将更多地依靠知识创新、技术创新及知识和技术的创新应用，来赢得市场竞争力和产品生命力。设计中的创新需要丰富的创新性思维，没有创新性的构思，就没有产品的创新，而机械产品的创新是机械系统的运动方案设计。

机械原理课程设计结合一种简单机器进行机器功能分析、工艺动作过程确定、执行机构选择、机械运动方案评定、机构尺度综合、机械运动方案设计等，使学生通过一台机器的完整的运动方案设计过程，进一步巩固、掌握并初步运用机械原理的知识和理论，对分析、运算、绘图、文字表达及设计资料查询等诸多方面的独立工作能力进行的训练，培养理论与实际相结合、应用计算机完成机构分析和设计的能力，更为重要的是培养开发的创新能力。因此，机械原理课程设计在机械学生的知识体系训练中，具有不可替代的重要作用。

培养和提高学生的创新思维能力是高等教育改革的一项重要任务。机械原理是机械类专业必修的一门重要的技术基础课，它是研究机械的工作原理、构成原理、设计原理与方法的一门学科，特别是机械原理课程中关于机械运动方案的设计是机械工程设计中最具有创造性的内容，对培养学生的创新设计能力起着十分重要的作用。机械原理课程设计是机械原理教学的一个重要环节。

第1章 总论及设计要求

1.1设计要求

热镦挤送料机械手，它是有电动机驱动，通过机械手的动作，夹送圆柱形镦料，往40t镦头机送料。机械手的手臂的上下摆动有凸轮摇杆机构实现，机械手的水平回转有间隙机构实现。具体的动作顺序：手指夹料，手臂上摆15°，手臂水平回转120°，手臂下摆15°，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。热镦挤送机械手能实现最大抓重为2kg，最大直径为25mm的圆柱形镦料。（不考虑机械手抓手的动作）

1.2工作原理以及工艺动作流程图

1.2.1机械手上下摆动动作的设计： 机械手上下摆动方案a：

图1.2(a) 凸轮摇杆机构

机械手上下摆动方案b：

图1.2（b）凸轮连杆机构

1.2.2机械手水平回转动作的设计： 机械手水平回转方案a：

图1.2（c）不完全齿轮机构

机械手水平回转方案b：

图1.2（d）曲柄摇杆机构

1.2.3热镦挤送料机械手工艺动作流程

表1.2 工艺动作流程表

第2章 机械驱动装置选择与设计

2.1 驱动装置的选择

选择电机类型： 电动机是机器中运动和动力的来源，其种类很多，有电动机、内机、蒸汽

机、水轮机、气轮机、液动机等。电动机结构简单、工作可靠、控制方便、维护容易，一般机械上大多数是均采用电动机驱动。 2.1.1 常用电动机的结构特征

（1）.Y系列三相异步电动机

该系列电机能防止水滴、灰尘、铁屑或其他杂物浸入电机内部，它是我国近年来研制成功的型电动机。

(2). 电磁条速三相异步电动机

名称：YCD电磁调速三相异步电动机。有组合式和整体式两种机构，这两种调速电动机为防护式，空气自冷，卧式安装，且无碳刷，集电环等滑动接触部件。 2.1.2 选定电动机的容量

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Pw，应由机器工作阻力和运动参数计算得来的，可按下式计算：

Tn

Kw 9550

其中：T——工作机的阻力矩，N⋅mm；

Pw=

n——工作机的转速，r/min；

传动装置的总效率η0组成传动装置的各部分运动副效率之积，即 η0=η1⋅η2⋅η3 ηn

其中：η1 η2 η3分别为轴承、齿轮、斜齿轮的传动效率

按推荐的传动比合理范围，取一级传动i1=20-50，二级圆柱直齿轮的传动比i2=4-6, 三级圆柱直齿轮的传动比i3=2-4,总的传动范围为40-200.

经过综合考虑决定选用Y132S—4型号电动机（电流A：11.6 转速: 1440r/mm 效率:85.5 功率因数 cosø:0.82 功率:5.5kw）

2.2 传动类型的选择

考虑减小噪声、振动等方面的要求时，最好选用带传动。当原动机驱动主动轮时，由于带与带轮间的摩擦（或啮合），便拖动从动轮一起转动，并传递一定动力。带传动具有结构简单、传动平稳、选价低廉以及缓冲吸振等特点，在近代机械中被广泛应用.

图2.2（a） 链传动 图2.2（b） 带传动

但是齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离过大的场合。蜗杆传动的传动比大，承载能力较齿轮低，常布置在传动系统的高速级，以获得较小的结构尺寸；同时，摩擦力大，发热大。同时蜗杆传动在啮合处有相对滑动。当滑动速度很大，工作条件不够良好时，会产生较严重的摩擦与磨损，从而引起过分发热，使润滑情况恶化，因而摩擦损失较大，效率低； 根据以上的分析比较，再结合要求的工作条件可以得到，在此采用带传动。

第3章 主要执行机构方案设计

3.1手臂摆动机构的选择设计

选择凸轮连杆机构实现机械手的上下摆动：

1-凸轮 2-滚子 3-折杆 4 5-连杆

图3.1凸轮连杆机构

3.2手臂回转机构的选择设计

选择不完全齿轮实现间歇运动：

1 2-不完全外齿轮 3 4-不完全内齿轮 图3.2不完全齿轮组合机构

3.3形态学矩阵

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表3.1 形态学矩阵表 系统解的可能方案数： F=4*4*2*2=64

其中列出较为理想的两种： A1+B3+C1+D1或A1+B3+C2+D1 3.4拟定运动循环图

图3.2运动循环图

3.5机械系统运动转换功能图

电机减速

运动分解

机械手上下摆动

图3.3机械系统运动转换功能图

第4章 机械运动系统设计方案制订

4.1拟订的方案

方案a：由电动机提供动力源，通过皮带轮传动，并分两路。一路通过圆锥齿轮和蜗杆，使凸轮

连杆运动，从而完成安装在连杆末端的抓手上下摆动，上下摆动的夹角为15°；另一路同样通过圆锥齿轮传动，再传动给两组不完全齿轮，通过连在转台上的轴，从而使转台完成水平120°的回转运动。

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1——电动机 2——机械手摆动装置 3——转台 4——抓手 5——机械手水平回转装置

图4.1

方案b: 由电动机提供动力源，通过皮带轮传动，并分两路。一路通过皮带轮与凸轮的传动，从

而完成机械手的上下摆动，上下摆动的夹角为15°。另一路由圆锥齿轮传动，带动曲柄转动，从而使摇杆水平回转120°，而摇杆又通过支柱与转台相连，从而使整个转台一起水平回转。

1——电动机 2——机械手摆动装置 3——抓手 4——转台 5——机械手水平回转装置

图4.2

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第5章 系统设计数据处理及方案选择

5.1对方案a数据处理

图6.1

参数：

电动机的转速：1440r/min 皮带轮1半径R1=10cm 皮带轮2半径R2=25cm

圆锥齿轮3齿数Z1=15 圆锥齿轮4齿数Z2=30 齿轮14齿数Z3=20 蜗杆5齿数Z4=1且为右旋 凸轮6基圆半径r0=90mm 滚子7半径Rr=10mm 传动比计算：w1=2πf=2*3.14*1440/60=144rad/s

由w1r1=w2r2 w2=w1*r1/r2=58rad/s

齿轮3对齿轮14的传动比i1=w3/w14=z1*z14/z3*z5=15*20/20*1=15 W14=w3/15=w2/15=4rad/s

凸轮推程角ø1=150° t1=ø1/w14= 38s 凸轮远休角ø2=30° t2= ø2/w14=8s

因此不完全齿轮使转台水平转动的时间间隔为8s。

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图6.2 凸轮连杆及运动规律图

不完全齿轮的从动件的运动时间和停歇时间计算：

图6.3 不完全齿轮运动 停歇时间示意图

不完全齿轮数

z11的主动轮等速转动时，主动轮转动的角度Q=Q2+Q3,从动件相应转过的角

=

度为Q1,设主动轮转一周的时间为t1,则： 从动轮的运动时间t2为：t2=( Q2+Q3)*t1/2π 从动轮的停歇时间t3为：t3=(1- (Q2+Q3)/ 2π)/t1

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5.2对方案b数据处理

图6.3

图6.4曲柄摇杆示意图及角速度和角加速度规律图

5.3方案的选择

由于方案a有明显的运动和停歇动作，更符合设计要求，因此可以选择方案a更合适。而方案b的转台是曲柄摇杆机构完成，没有明显的停歇工作，但由曲柄摇杆机构的运动规律图看出，其没有柔性和刚性冲击。而方案a也有其缺点是，凸轮连杆机构和不完全齿轮均有不稳定和冲击。

5.4成品的尺寸设计

包装尺寸：长×宽×高 1100×1100×1500

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第6章 方案的评价

6.1方案评价表

评价方案表A:

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5.1方案评价表A

方案评价表b：

“＋＋”：“很好”，“＋”：“好”，“－”：“不好”。

表5.2 方案评价表B

结束语

紧张的课程设计顺利结束了。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

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表

的使用并有所提高。发现有些东西非常有用，比如AutoCAD、画板的使用。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，终于有所收获，明白了很多。

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 ]哈尔滨机械原理课程设计指导书。北京:高等教育出版社，2005 [5]陈秀宁.机械设计课程设计.浙江：浙江大学出版社，1995 [6]邹慧君.机械设计课程设计手册.浙江：高等教育出版社，1995

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