机械原理课程设计-热镦挤送料机械手

1、产品设计说明书项目：热镦挤送料机械手摘要 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。热镦挤送料机械手设计，充分的展示了机械原理理论课程与实际应用的结合。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

2、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

3、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

4、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学的一个重要环节。目录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc25814 一、总设计要求 PAGEREF _Toc25814 5 HYPERLINK l _Toc301 1.1、课程设计题目分析 PAGEREF _Toc301 5 HYPERLINK l _Toc7439 1.2、课程设计任务 PAGEREF _Toc7439 6 HYPERLINK l _Toc7783 1.3、课程设计提示 PAGEREF _Toc7783 6 HYPERLINK l _Toc25686 二、方案选择和功能分

5、解 PAGEREF _Toc25686 7 HYPERLINK l _Toc6610 2.1、方案选定 PAGEREF _Toc6610 7 HYPERLINK l _Toc29682 2.2、机构功能分解 PAGEREF _Toc29682 7 HYPERLINK l _Toc1158 三、机械手执行机构和传动机构的方案设计与评价 PAGEREF _Toc1158 8 HYPERLINK l _Toc2527 3.1、执行机构的方案设计与评价 PAGEREF _Toc2527 8 HYPERLINK l _Toc22728 3.2、传动机构的方案设计与评价 PAGEREF _Toc22728

6、 9 HYPERLINK l _Toc667 四、机械系统运动方案的拟定 PAGEREF _Toc667 11 HYPERLINK l _Toc26410 4.1、热镦挤送料机械手运动方案的分类 PAGEREF _Toc26410 11 HYPERLINK l _Toc25175 4.2、方案的比较与确定 PAGEREF _Toc25175 11 HYPERLINK l _Toc18800 五、机构运动循环图和机构选用 PAGEREF _Toc18800 12 HYPERLINK l _Toc20664 5.1、运动循环图 PAGEREF _Toc20664 12 HYPERLINK l _T

7、oc29143 5.2、原动力的选择 PAGEREF _Toc29143 12 HYPERLINK l _Toc25479 5.3、执行机构的选择 PAGEREF _Toc25479 12 HYPERLINK l _Toc24954 5.4、总传动比及传动比的分配 PAGEREF _Toc24954 12 HYPERLINK l _Toc14343 六、主要机构设计 PAGEREF _Toc14343 13 HYPERLINK l _Toc9952 6.1、圆筒凸轮连杆机构 PAGEREF _Toc9952 13 HYPERLINK l _Toc6085 6.2、齿轮齿条机构 PAGEREF

8、_Toc6085 14 HYPERLINK l _Toc3579 6.3、曲柄滑块机构 PAGEREF _Toc3579 15 HYPERLINK l _Toc3356 6.4、不完全齿轮机构 PAGEREF _Toc3356 16 HYPERLINK l _Toc29983 七、 方案评价 PAGEREF _Toc29983 17 HYPERLINK l _Toc11472 7.1方案评价表 PAGEREF _Toc11472 17 HYPERLINK l _Toc5823 八、 总体分析与评价 PAGEREF _Toc5823 18 HYPERLINK l _Toc17759 8.1、机构

9、的性质分析 PAGEREF _Toc17759 18 HYPERLINK l _Toc21993 8.2、设计总评价 PAGEREF _Toc21993 18 HYPERLINK l _Toc27131 九、心得体会与自我评价 PAGEREF _Toc27131 19 HYPERLINK l _Toc19424 十、 参考文献 PAGEREF _Toc19424 20一、总设计要求1.1、课程设计题目分析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1为例，它的动作顺序是：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

10、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为热镦挤送料机械手的外观图。技术参数见表2。图1机械手的外观图表2热镦挤送料机械手技术参数方案号最大抓重千克手指夹持工件最大直径毫米手臂回转角度（）手臂回转半径毫米手臂上下摆动角度（）送料频率次/min电动机转速r/min122512068515151450233010070020109603115110500152014401.2、课程设计任务1.热镦挤送料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

11、、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：凸轮的数控加工、热镦挤送料机械手的计算机动态演示验证等。1.3、课程设计提示1. 热镦挤送料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. 此热镦挤送料机械手为空间机构，确定设计方案后应计算空间自由度。3. 此热镦挤送料机械手可按闭环传动链设计。二、方

12、案选择和功能分解2.1、方案选定选择1方案，其设计基本数据如下：最大抓重 2千克手指夹持工件最大直径 25 毫米手臂回转角度 120 手臂回转半径 685 毫米 手臂上下摆动角度 15 送料频率 15 次/ 分工作阻力很小。要求选用的机构简单、轻便、运动灵活可靠。电动机转速 1450 转/分2.2、机构功能分解2.2.1热镦挤送料机械手的构件与功能如下表1为热镦挤送料机械手的构造与功能表1功能执行构件工艺动作执行机构抓料手指夹紧机械手运送原料手臂直线上下左右往返运动曲柄滑块机构圆筒凸轮 连杆机构不完全齿轮机构齿轮机构 齿条机构2.2.2、热镦挤送料机械手工艺动作流程及时间分配如表2所示表2动作

13、序号12345678动作名称手指夹料手臂上摆手臂回转手臂下摆手指放料手臂上摆手臂反向手臂下摆转角0151201501512015时间0.2s0.4s1s0.4s0.2s0.4s1s0.4s三、机械手执行机构和传动机构的方案设计与评价3.1、执行机构的方案设计与评价（1）执行机构一: 热镦挤送料机械手手臂上下摆动机构 方案一: 图 1 盘形凸轮 + 摇杆机构 方案二：图2不完全齿轮 + 曲柄摇杆机构 方案三：图 4 圆筒凸轮 + 连杆机构（2）执行机构二: 热镦挤送料机械手水平回转机构 方案一: 图 1盘形凸轮 + 摇杆机构 方案二： 图 2不完全齿轮 + 曲柄摇杆机构 方案三： 图 3不完全齿

14、轮 + 曲柄滑块 + 齿轮齿条对执行机构一备选方案的评价与选择 凸轮与从动件之间为点或线接触，物料抓重太重的话，易使凸轮变得笨重，磨损快，且行程越长，凸轮轮廓加工越困难，所以方案一首先被淘汰掉；方案二机构较多，较繁琐，所以也被淘汰掉；方案三中圆筒凸轮结构简单、紧凑，所能承受的力也比盘形凸轮要大，所以执行机构一选择方案三最佳。对执行机构二备选方案的评价与选择 方案一和方案二与执行机构一中的前两种方案一样；因为热镦挤送料机械手水平回转角度较大，为120，所以选用齿轮齿条机构来完成比较容易做到；因此选择方案三最好。 图1 盘形凸轮 + 摇杆机构 图2 不完全齿轮 + 曲柄摇杆机构 图3 不完全齿轮

15、+ 曲柄滑块 + 齿轮齿条 图4 圆筒凸轮 + 连杆机构3.2、传动机构的方案设计与评价（1） 传动机构的方案种类: 方案一: 图 5蜗轮蜗杆传动 方案二： 图6链轮传动 方案三： 图 7带传动（2）方案评价与选择 方案一中，虽然蜗轮蜗杆传动机构体积小、结构紧凑、传动比大、运转平稳，但其对制造和安装精度要求较高，同时摩擦力大、发热大，而且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；同时为了散热和减小磨损，需贵重抗磨材料和良好的润滑装置，故成本较高，另外，蜗杆的轴向力较大。方案二中，链轮传动也

16、存在较大的摩擦与磨损。方案三中，带轮传动结构简单、传动平稳、可缓冲、吸振，造价低廉、成本低。根据以上的分析比较，再结合要求的工作条件可以得到，选用带轮传动最佳。 图、5蜗轮蜗杆传动图6链轮传动 图7带传动四、机械系统运动方案的拟定4.1、热镦挤送料机械手运动方案的分类方案1方案2方案3摆动机构盘形凸轮摇杆机构不完全齿轮曲柄摇杆机构 圆筒凸轮连杆机构回转机构盘形凸轮摇杆机构不完全齿轮曲柄摇杆机构不完全齿轮曲柄滑块齿轮齿条传动机构蜗轮蜗杆传动链轮传动带传动4.2、方案的比较与确定根据设计的要求：工作阻力很小、要求选用的机构简单、轻便、运动灵活可靠。1摆动机构：凸轮与从动件之间为点或线接触，物料抓重

17、太重的话，易使凸轮变得笨重，磨损快，且行程越长，凸轮轮廓加工越困难，所以方案一首先被淘汰掉；方案二机构较多，较繁琐，所以也被淘汰掉；方案三中圆筒凸轮结构简单、紧凑，所能承受的力也比盘形凸轮要大，所以摆动机构选择方案三最佳。2回转机构：因为热镦挤送料机械手水平回转角度较大，为120，所以选用齿轮齿条机构来完成比较容易做到；因此选择方案三最好。3传动机构：带轮传动结构简单、传动平稳、可缓冲、吸振，造价低廉、成本低。结合要求的工作条件可以得到，选用带轮传动最佳。 所以经过比较后，方案3作为机械手的运动方案是最合适的。五、机构运动循环图和机构选用5.1、运动循环图表5.1运动循环图机械手上摆15停止下

18、摆15停止上摆15下摆15转台停止水平回转120停止停止水平反转120停止凸轮连杆转角1501803303601501805.2、原动力的选择根据机械手所搬运物品满足的动力，选择小额功率电动机，作为原动力。5.3、执行机构的选择 （1）机械手上下摆动机构选用：圆筒凸轮+连杆机构 （2）机械手水平回转机构选用：不完全齿轮+曲柄滑块+齿轮齿条机构5.4、总传动比及传动比的分配已知电动机的转速为1450r/min，送料频率为15次/min即i总=1450/15=96.67i1=i 总=n 电/n11=96.67=1.5 x2x2x2x2x2x2i1=i 带x(Z2/Z1) x(Z4/Z3 )x(Z6

19、/Z5)x(Z8/Z7)x(Z10/Z9)x(Z12/Z11) i2=i1=n 电/n10=48.33=1.51x2x2x2x2x2 i2=i 带x(Z2/Z1) x(Z4/Z3 )x(Z6/Z5)x(Z8/Z7)x(Z10/Z9)齿轮 1 和齿轮 2 为直齿锥齿轮,其当量齿数分别为 Z1 =18,Z2=36; 齿轮 11为不完全齿轮,(仅半圆周有齿), Z11=18其余均为标准直齿圆柱齿轮,标准压力角=20,取模数m=1,齿顶高系数h*=1,顶隙系数 c*= 0.25;Z3 =Z5 =Z7 =Z9 =Z5 =Zz7 =Z9= Z12=18 ，Z4 =Z6 =Z8 =Z10 =Z4 =Z6=

20、Z8 =Z10=36六、主要机构设计6.1、圆筒凸轮连杆机构图6.1机械手运动循环总图图6.2圆筒凸轮连杆机构1、对机构进行自由度计算，n=4,pl=5 ,ph=1,所以 F=3n-2pl-ph=3x4-2x5-1=12、参照图6.1,轴 E、G、H、J、K 沿 x 方向共线安装，由此可得LEK=m / 2(Z3+ Z4)+ m2(Z5+ Z6) + m2(Z7+ Z8) + m2(Z9+ Z10)= m2(Z3+ Z4+ Z5+ Z6+ Z7+ Z8+ Z9+ Z10)= 12(18+ 36+18+ 36+18+ 36+18+ 36)= 108mm3、（h2)LEK =sin|(15h=2L

21、EK x sin(15/2）=2x108x0.1305=28.2mm4、所以凸轮行程为28.2mm,完成一次送料所需时间为 t=60s15=4s, 而凸轮转 2 周，所以凸轮转一周需 2s,据此可画出滚子的运动位移图，即圆筒凸轮轮廓。如下所示：图6.3.1运动位移图 图6.3.2凸轮理论轮廓曲线 图6.3.3凸轮实际轮廓曲线6.2、齿轮齿条机构图6.4 齿轮 11 的齿数为 Z11=48，则其分度圆直径为 d11=m Z11=48mm36x2=72mm,则齿条移动的距离 L=（120360）x2 x(482)*3.14=50.24mm 齿条长度应大于 50.24mm,所以齿条长可取 80mm6

22、.3、曲柄滑块机构图6.51、参照图6.1计算可得轴 E、轴 F 沿 x 坐标轴方向的距离为 L1= m2(Z3+ Z4)+ m2(Z9+ Z10) - m2(Z11+ Z12)= 12（18+36+18+36-18-18）=36mm2、同样参照图6.1计算可得轴 E、轴 F 沿 y 坐标轴方向的距离为 L2= m2(Z5+ Z6)+ m2(Z7+ Z8)=12(36+18)+ 12(36+18) =54mm3、设曲柄 AB 的长为 a，连杆 BC 的长为 b，齿条移动到最上、最下的位置分别是 AB1C1和 AB2C2；因为它是一个对心曲柄滑块机构，所以LAC1=b+a, LAC2=b-a,则

23、齿条移动的距离 L= LAC1-LAC2=2a，而前面已求得L=50.24mm,所以 a=25.12mmL2-d112=54mm-24mm=30mm,且 aL1=36mm，所以曲柄不会与齿轮 11 相碰；要保证在 AB2C2位置时齿条不会与曲柄相碰撞，必须使得 LAC2a,即 b-aa，由此可得 b2a=50.24m，可取 b=60mm.6.4、不完全齿轮机构图6.6上图分别为齿轮 12（左齿轮）与齿轮 11（右齿轮），其中齿轮 11为不完全齿轮，即一个半齿齿轮，Z12=18，所以 d12=m xZ12=18mm, d11=18mm方案评价7.1方案评价表序号评价项目评价等级评价分数1功能目标

24、完成情况很好好较好不太好不好1085302工作原理的先进性先进较先进一般落后108403系统的工作效率高较高一般低108404系统机械传动的精度高较高一般低108405系统的复杂程度简单较复杂复杂10506系统方案的可靠性可靠较可靠一般不可靠108407系统方案的新颖性新颖较新颖一般不新颖108408系统方案的实用性实用一般不实用10509系统方案的经济成本低较低高较高10840总体分析与评价8.1、机构的性质分析1.执行机构运动的同步性同步性是反映了机械运动系统在一个机械工作循环中各执行机构有相同的工作周期，按一定的节拍完成机械工艺动作要求。通常情况下，要求各执行机构的输入构件按同一转速或按

25、一定的平均速度比传动，使各执行机构的运动周期相同。当然，在某些特殊的机械工艺动作过程，个别执行机构的运动周期是其他执行机构的运动周期的整数倍。那时，可以通过定传动比的机构传动来加以保证。2.机构输出运动的协调性机构的输出特性包括：运动形式、运动轴线、运动方向和运动速率，机械运动特性设计时应先考虑采用何种工作原理；工作原理确定后需构思工艺动作过程。为了满足工艺动作需要，在组成机械系统方案时，应使机构的运动特性符合规定要求，使各执行机构的运动相互协调。3.机构输出运动精度的匹配性因为机械的工艺动作过程是一个整体，对于组成的各个动作精度都是有要求的。运动精度的匹配性市指各机构的运动精度能满足完成工艺动作的需要。选择过低的机构运动精度会使机械无法工作。选择过高的机构运动精度会使制造和设计成本提高，同时也没有必要。8.2、设计总评价该机器依靠凸轮和连杆机构来实现机械手臂的间隙上下摆动。而在实现手臂的间隙回转的动作上，运用了不完全齿轮和齿轮齿条以及连杆的配合来完成。并且通过增加传动齿轮的数量和改变传动比的方式来使最后运动达到指定要求。此方案结构简单，各运动部件之间的运动都易于实现，不会出现干涉现象。由于传动链较短，累积误差也不会太大，从而可以满足。九、心得体会与自我评价在这个学期我学习了机械原理这门课程，在学期