机械手

湖北民族学院
《机械原理》课程设计
说明书
院系：理学院
专业：机械电子工程
指导老师：袁作彬
2011.5.25
一、课程设计任务书
1.1设计题目
图1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。

图1为机械手的外观图。

技术参数见表1。

1.2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：凸轮的数控加工、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。

1.4方案的选择
本次设计选用方案C
（1）手臂回转角度：110°;（2）手臂上下摆动角度：15°; （3）送料频率：20次/min;（4）电动机转速:1440r/min;
二、 机构功能分解
2.1机构分解
此机构由原动机、传动部分、执行部分组成，其功能关系如表2所示。

由于机构的送料频率为20次/min ，则周期T=60s/20次=3s 。

现根据手臂的动作顺序，分配各执行机构动作的时间。

执行机构在一个周期的运动如表3所示：
三、 机构方案设计与选择
3.1手臂上下摆动机构的设计与选择
手臂的上下摆动是间歇运动的，能够实现手臂上下摆动的机构有很多，如：凸轮机构、不完全齿轮+铰链四杆机构。

具体的方案有如下几种：
方案1： 方案2：
图3.1盘形凸轮+摇杆机构 图3.2 不完全齿轮+曲柄摇杆机构
方案3：
图3.3 圆柱凸轮+连杆机构
这3个方案结构都比较简单，方案1使用盘形凸轮机构直接驱动从动件的上下运动，进而通过低复使手臂摇动。

这个方案在计算过程中比较容易，即s=l×tanθ，式中s为从动件。

方案2采用不完全齿轮+曲柄摇杆机构，不完全齿轮带动完全齿轮（曲柄）间歇转动，从而实现摇杆（手臂）的间歇摆动。

但是，这个方案与方案1相比，传动的级数增多，有刚性冲击的存在。

所以这个方案不可取。

方案3采用圆柱凸轮+连杆机构，与方案1比较，连杆机构的运动规律要复杂。

综上所述，方案1作为本次设计的最佳方案。

3.2手臂回转机构的设计与选择
方案1：方案2：
图3.4 盘形凸轮 + 摇杆机构图3.5不完全齿轮+曲柄摇杆机构
方案3：方案4：
图3.6不完全齿轮+曲柄滑块+齿轮齿条机构图3.7圆柱凸轮+齿轮齿条机构这4个方案都能实现手臂的回转要求。

方案1是最为简洁的设计，但是考虑到回转的角度为110°，盘形凸轮 + 摇杆机构需要凸轮的导程较大，受到任务书中机构尺寸外形的限制，这个方案不作为第一选择。

方案2使用的曲柄摇杆机构，使得机构具有急回特性。

但是
摇杆的摆角较大，为110°，根据曲柄摇杆机构的形成条件可得：连杆与摇杆的长度之和只是略大于最短杆（曲柄）与最长杆（机架）之和。

根据铰链四杆机构的分析，其速度、加速度方面不如有齿轮齿条、凸轮机构，冲击较大。

方案3采用不完全齿轮 + 曲柄滑块 + 齿轮齿条机构，其不完全齿轮会发生刚性冲击，曲柄滑块结构没有其他方案简洁且速度、加速度的计算较为麻烦，故不采用。

方案4采用圆柱凸轮+齿轮齿条，传动准确，便于分析计算。

3.3传动部分的设计
传动部分将电动机的高速转动转化为执行机构所需的转速。

一般的机械，都是在第一级变速中采用带传动，其他的传动部分使用齿轮传动。

有的机构根据需要，还会采用链传动、涡轮蜗杆等传动机构。

本方案设计采用带传动+齿轮传动。

3.4机构整体方案的设计
根据上述各部分选出来的方案可以将机械手整体方案确定下来。

其整体的机构示意图如图3.8所示。

图3.8机构整体结构示意图
确定了整体的机构方案，现将其工作的过程分析如下：电动机带动小带轮转动转动。

这时候小带轮的转速即为电动机的转速为1440r/min。

小带轮通过v带带动打带轮转动。

带传动的传动比为4，所以大带轮和齿轮1的转速为360r/min。

齿轮1和齿轮2 的传动比为3，所以齿轮2和齿轮4的转速为120r/min。

齿轮4和齿轮3的出动比也为3，所以齿轮3齿轮5和盘形凸轮的转速都为40r/min。

根据机构的循环图可知，手臂摆动的周期为1.5s，正好可以用40r/min的盘形凸轮带动。

齿轮6与齿轮5的传动比为2，所以齿轮6和圆柱凸轮的转速为20r/min。

四、机构方案计算
4.1手臂上下摆动机构的计算
如图4.1手臂上下摆动机构示意图
图4.1手臂上下摆动机构示意图
此机构（从动件）的运动循环图如图4.2所示。

从动件选择间歇的简谐运动规律。

图4.2 从动件的运动循环图
基圆半径的设计：
对于直动滚子从动件盘形凸轮，可以根据图4.3得到凸轮机构的压力角公式：
tan α＝
s
e
+2
20
-e d ds r ψ
图4.3 偏置直动从动件的压力角
将公式变形得到凸轮基圆半径公式：
=
r 0e s e
d ds 2
2
tan +-±α
ψ
凸轮的导程s=l ×tan ψ=100×tan15°=26.7949mm ，再由表4得：
基圆半径r0=25.0629mm 凸轮在远休止角时的半径r=s+r0=51.8578mm。

再由凸轮的转速n=40r/min,从动件的运动规律，列出计算凸轮理论轮廓线的方程如下：（1）s=0 (0<t<0.2)
（2）s=ssin(ωt) (0.2<t<0.45)
（3）s=0 (0.45<t<1.25)
（4）s=ssin(ωt) (1.25<t<1.5)
根据方程，计算得凸轮的理论轮廓曲线如图4.3所示。

选择滚子的半径r=5mm，则实际轮廓曲线如图4.4所示。

从动件的速度曲线如图4.5所示，加速度曲线如图4.6所示。

图4.3 凸轮的理论轮廓曲线图4.4凸轮实际轮廓曲线
图4.5 从动件的速度曲线图4.6从动件的加速度曲线
4.2手臂回转机构的计算
（1）圆柱凸轮的计算
如图4.7，该凸轮的平均圆柱半径为R，则其展开图为一宽度等于2πR。

利用相对运动原理，对整个移动凸轮机构加以v=－ωR的反向移动后，凸轮静止不动，而从动件一方面与其导轨一起以-v速度反向移动，同时有沿y轴方向按其运动规律运动。

根据图中的几何关系，则该凸轮的理论轮廓曲线的坐标方程为：x=Rψ，y=s×sinψ。

s=r×θ=26×11π/18=49.9164mm。

如图4.8所示
图4.8 凸轮理论轮廓曲线图4.9 实际轮廓线设滚子半径r=5mm，则凸轮的实际轮廓曲线方程为：
X=x±r×θ，Y=y－（±r×cosθ）；
式中，上面一组符号用于下面的外凸轮廓线，下面一组符号用于上面的内轮廓线。

实际轮廓线如图4.9所示。

根据上式，可得从动件的速度、加速的曲线分别如图4.10,、4.11所示。

图4.10 从动件的速度曲线图4.11从动件的加速度曲线
（2）齿轮齿条的计算
设齿条的运动速度为v，齿轮的分度圆半径为r，齿轮转速为ω，则v=rω；s=rθ手臂旋转的角度为110°，即θ=110×π/180。

选择齿轮的齿数为26，模数为2，则圆柱凸轮的导程s= s=r×θ=26×11π/18=49.9164mm。

4.3传动部分的计,
将电动机的1440r/min，转化为执行件周期T=3s的转速（20r/min）,其传动比为1440/20=72。

选择第一级为带传动，其传动比为4，则齿轮部分的传动比i16=72/4=18=3×3×2。

齿轮传动的结构示意图如图4.12所示。

图中z1、z4、z5的齿数为20，z2、z3的齿数为60，z6的齿数为40。

图4.12 齿轮传动的结构示意图
所有齿轮均为标准直齿圆柱齿轮,标准压力角ɑ=20°,取模数m=2,齿顶高系数
hɑ*=1,顶隙系数*c = 0.25;
所有直齿圆柱齿轮相关信息如表4所示。

五、设计小结
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，学会了几个软件的使用并有所提高。

发现有些东西非常有用，比如Solidworks对机构的计算和Matlab 在机械原理课程设计中等方面的使用。

通过对教科书的再次学习，增加了我对机械原理方面的知识。

但是也碰到了很多问题，发现了自己的许多不足：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。

经过与知道老师和同学进行交流、讨论，终于有所收获，明白了很多。

《机械原理》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。

六、参考资料
[1]邹慧君张春林李杞仪主编.机械原理.第二版.北京:高等教育出版社,2006
[2]张春林主编.机械创新设计.第二版.北京：机械工业出版社，2007
[3]濮良贵纪名刚主编.机械设计.第八版. 北京:高等教育出版社，2006
[4] Matlab与数学实验.王兵团张志刚朱婧颜宁生编著.北京：中国铁道出版社.2003
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