装箱机械手机构设计及分析

目录第一章设计任务书 (2)第二章题目分析、机械系统整体方案的设计 (3)第三章机械执行系统方案的设计 (7)第四章机械传动系统方案设计 (8)第五章运动循环图设计 (11)第六章设计小结 (14)第七章参考资料 (15)第一章设计任务书设计题目：装箱机械手机构设计及分析已知条件：在某装箱机械手机构中，要求其手的运动按简图所示JKLM，MLKJ线路重复运动。

其中JK段为取物料上升（物料来自传送带）；KL段为物料水平移动；LM段为手抓放物料于箱内，故对其直线要求较高。

KL段若较平直可提高装箱稳定性，但稍有误差问题不大。

JK是从输送带上抓取物料，其直线度要求不高，只要能将物料提高到C的高度即可。

返回时要求按原来路线逆着走。

尺寸参数为：a=120mm；b=600mm；c=50mm；d=1000mm。

物料提升重量为2千克。

设计任务：* 根据上述设计要求，每人至少提出两种不同设计方案，选取其中最优的方案，进行机构简图设计。

对主体机构进行运动位置分析,并按尺寸绘出相应位置时机构运动简图。

（一号图纸）（尺寸要准确）* 对手爪中手指的开合机构进行机构运动方案设计。

（二号图纸:含结构图,机构图）1* 每人编制一份设计说明书，设计方案均应写入说明书（封面、目录、内容、后记、参考书目等）内。

设计尽量考虑用已学过的机构或几种机构的组合来实现位置要求，还应考虑力求使机构运动性、加工特性、使用性能、经济性等要好。

第二章题目分析、机械系统整体方案的设计题目分析：从题目可以知道，要实现机械手的一系列运动需要各个机构之间的完美配合。

其中所设计的装箱机械手机构中主要分为三个步骤，抓取—移动—放置。

进行动作分解即有抓、上下移动、左右移动和放共6个动作。

时间分配和各动作分配是这次设计的一个重点，当然设计怎样的机构来完成各项动作也是其中必须要完成的任务。

2机械手工作流程：原位夹紧上升左移下降右移上升放开下降总的来说机械手整套装置可分解为简单的四个动作：抓取、放开、横移和竖移。

1.抓取：由图分析可知抓取过程为J点处，由于物体是在传送带上，因此在抓取过程中给机械爪手预留时间较短，即在抓取的时候动作要迅速，这就对我们设计机械手的时候提出了具体的新要求。

同时，在抓的过程保证机械手不能有左右移动和上下移动，以此来保证抓取位置的准确性。

2.放开：相对抓取过程，放开过程相对容易一点，但在放开的同时要保证机械手的静止性，或者说稳定性。

这对整个过程是至关重要的一个部分，能否正确的放置物件关系整个装置的成败。

在这里我们可以考虑利用机械手的自动控制，即当物品到达指定位置后能自动的将物品放开，这里需要我们去参考机械手自动抓取的相关设计。

3.横移：横移过程是在这机构设计要求中位移量最大，这里要考虑用运动放大装置来缩小原动件的动作范围，同时考虑到在横移过程中稳定性是很重要的一点，如果移动不稳定，会对整个机械手成功运输物品造成不利的影响。

根据机械手运动轨迹图，在K点后，机械手由竖移转向横移，在L点，运动由横移转向竖移，所以运动方向的转换也是我们考虑的重点，利用凸轮传动，曲柄滑块都是可以完成这样的方向转换的。

4.竖移：竖移时，在下放其直线度是题目中特别要求的，因此我们可以考虑用滑块机构来保证其直线度。

其次，对速度的控制也是需要考虑的，这对提起或放置过程中保证物体被成功夹起或放开有着不可忽视的作用。

3机械系统整体方案的设计:第一种方案：此方案采用的是曲柄滑块和凸轮的相互组合，适当的设置滑杆的长度，使其能满足上下位移为50、120mm，横向滑杆可以满足其其左右移动600mnm，在上下移动时采用杠杆放大机构是为了减小凸轮的空间大小，减少加工量，节约材料。

采用此种方案的缺点是需要两个电机独立控制曲柄和凸轮的运动，其中控制曲柄的电机为了实现整个机构的可逆性还需要正反转这对电机的寿命有很大的影响，同时也给控制方面提出了难题，增加了操作的复杂性。

第一方案图第二种方案：本方案是利用滑块在特制导轨中的滑动来达到传送机械手的目的。

利用凸轮加一个杠杆机构来完成来回摆动，摆杆带动滑块在导轨中运动。

滑块上连接了一个滚子，利用滚子在导轨中的滚动来代替滑块的直接滑动，有效减小了摩擦。

本方案的优点是只需要一个原动机就能带动机构循环工作运行，而且机构4简单，成本低，具有很高的经济效益。

本方案的不足之处也有不少，滑块的运行速度不均匀，需特制导轨，凸轮形状复杂，有些点受力较大，易磨损等。

再加上这样思路已经被太多人使用过，在此我们不列为最优方案。

第二方案图第三种方案：本方案是我们的最优方案。

本方案最大特点是利用圆柱凸轮和盘式凸轮相结合的方式来完成机械手的横移和竖移，从而只需要一个原电机就可以完成机械手复杂的循环往复运动。

而且通过圆柱凸轮和盘式凸轮上轨道的巧妙配合使得横移和竖移不相互冲突，即在横移时，竖直方向没有位移，在竖移是时，水平方向静止。

同时，为了减小凸轮的制造面积，我们采用了杠杆放大原理，将凸轮产生的较小位移放大为机械手较大的移动。

为减小凸轮所受冲击和磨损，我们在设计盘型凸轮形状时产用的是简谐运动规律来设计。

这种方案也有不足之处，例如体积偏大，结构稍显复杂，有一定的加工难度。

5第三方案图第三章机械执行系统方案的设计在考虑装箱机械手装置的设计时，我们使其满足了在往上提起碰到重物时将其抓紧，在往下输送时遇到平面即重物停止不动时将其放开。

具体装置结构如下：本装置是利用齿轮与齿条的相互啮合来实现手爪的开张与闭合。

在进行抓紧物料时，手爪依靠自身重力向内收缩，此时手爪之间距离大于19mm,分别位于重物两侧，碰到两侧壁时，由于收缩受阻手爪将越抓紧，从而实现抓紧的目的，接下就可以往上提起重物，由于重物自重缘故，重物有向下运动趋势，手爪将一直存在向内的抓紧力以此来保证在移动过程重物不脱落。

在放开重物的时候手爪动作机理如下：当重物已经到了指定位置，即重物不能再有向下的运动了，而此时机械手还有向下运动趋势，所以手爪在齿轮的啮合作用下将6向外张开，从而完成放开重物的动作。

此机械手的优点是不须再外加电源而自动实现抓紧和放开，并且能保证在移动时重物依旧被抓牢，其结构简单，操作方便。

第四章机械传动系统方案设计我们的装箱机械手的传动系统方案如下所示：我们运用圆柱凸轮与盘式凸轮相结合的方式，将两个从动滚子的上下和左右运动结合到了一个转动机构上，从78而实现了以一个电机的转动完成两种不同的运动。

由于机械手的运动轨迹相对来说较长，例如横向移动长达600mm,为了减小凸轮的面积，我们采取了杠杆机构，利用杠杆的放大原理，将凸轮的上的微小移动放大，从而使机械手有较大的位移。

机械手装置传动系统机构简图根据杠杆原理，1~1~10O B O A L L = 2~2~3O C O D L L =所以有: B A L L 10= ； C D L L 3=(A L 、B L 、C L 、D L 分别表示A 、B 、C 、D 四点的位移）根据a=120mm ；b=600mm ；c=50mm ；所以由mm L A 600max =得mm L B 60max =最后我们设定：mm L mm L O B O A 72,7201~1~==mm L mm L O D O C 360,1202~2~==杠杆1杠杆2 CAB DO2O1 E9盘式凸轮的形状如下： 圆柱凸轮侧面展开图如下： 工作原理：当盘式凸轮绕着O 旋转时，从π~0，凸轮推动滚子E 将从左向右运动，即B点也是从左向右运动，通过杠杆后，A 点将从右向左运动。

当从ππ2~时，A 点的运动将会与上所述刚好相反，从而完成横向移动的可逆过程。

当圆柱凸轮也绕着O 轴旋转时，C 点的运动随着圆柱上轨道的上下而上下运动，而通过杠杠后，D 点的运动方向刚好与C 点相反，这样完成从原动件的旋转运动传递到了机械手的上下运动。

一个周期后机械手从原点开始经历上下运动之后又回到了原点。

当盘式向右或向左推动滚子时圆柱凸轮上的轨迹为水平线，即圆柱上滚子不做上下运动，这样机械手只做横向移动，并不上下移动；当圆柱上的滚子做上下运动，盘式凸轮的运转情况是滚子在等直径圆弧上运动，即凸轮并不推动或拉动滚子向左向右运动，这样机械手就只做上下运动。

O π2/π0 2/3π10 盘式和圆柱凸轮的准确搭配使得机械手能精确的完成设定的运动实现抓、放、横移竖移。

第五章 运动循环图设计机械手先从JK 段取物料上升（物料来自传送带）；KL 段为物料水平移动；LM 段为抓手放物料于箱内。

机械手放下物料后，沿ML 段上升a 距离，再沿LK 段往前运动b 距离，到达K 点后，下降c 距离，完成一次运动循环。

返回的时候轨迹为J K L M ~~~。

给定预期轨迹的尺寸分别为：a=120mm ；b=600mm ；c=50mm ；11 根据机械手循环轨迹绘制各点位移如下表：绘制C 点在圆柱面上运动轨迹如下图：C 点的轨迹即是圆柱面上的轨道迹线。

J-K K-L L-M M-L L-K K-JE （+向左，-向右） 0 -60 0 0 +60 0 A （+向左，-向右） 0 +600 0 0 -600 0 C （+向上，-向下） -16.7 0 +40 -40 0 +16.7 D （+向上，-向下）+50-120+120-50各点位移 mm 各点机械手轨迹盘式凸轮从动滚子位移迹线如下图：为了避免凸轮与滚子之间产生刚性冲击，我们对滚子的变速过程采用了简谐运动，同时也避免柔性冲击，这样能大大延长凸轮的使用寿命，也是机械手在运作过程中更为平稳，噪声小。

根据各点运动循环图表，轨迹图，我们可以看出，当滚子完成半个周期时，机械手完成抓、移、放的过程。

后半个周期，机械手沿着前半个周期走过的轨迹逆向返回。

12第六章设计小结所谓实习，就是让我们通过实践，通过自己实际动手动脑来将自己所学融汇贯通并进一步实现创新。

通过这次课程设计，让我收获很多。

首先，通过这一次的课程设计，所学的基本理论得到了一步巩固和加深，让我对自己所学的基本概念和基本知识有了更深层次的了解，知道了原来所学的知识是可以利用在各种场合，只要你有心去发现，去观察，你会看到其实在我么日常生活中处处有着课本上那些知识的影子。

同时，培养了自己分析和解决相关机械原理所涉及的问题的能力。

让我对平面连杆机构，杠杆和凸轮有了更加深刻的理解，进一步增强了自己的设计和分析能力。

其次，这次课程设计过程中，是六个人一组，我们通过与同学们的激烈讨论和相互探讨，一步一步从初始方案到最佳方案，将团结合作的精神发挥的淋漓尽致，感受到了团队的力量。

最后通过这次课程设计，是我们对装箱机械手的工作原理以及机构选型、运动方案的确定以及对凸轮机构进行运动分析有了较为深刻的了解，这都将为我以后参加工作实践打下了基础，同时也激发了我的兴趣，原来机械设计也并不是那么枯燥的，它自有它动人之处让你印象深刻。