机械手-机械原理课程设计说明书

机械原理课程设计
说明书
设计课题：机械手
专业班级：2012级机自05班
小组成员：
张结荣 201204010523
陈庆林 201204010504
肖哲 201204010520
郑然 201204010525
周奕佳 201204010526
指导教师：陈敏钧时间：2014.7.14——2014.7.18
1设计任务书
设计项目：机械手的设计
工作要求：机械手从工件架上抓起工件，然后送人工作台进行加工。

机械手完成以下动作（2选1）。

（1）水平面内转30度，上升100mm，前进50mm;
（2）水平面内转30度，手臂自转90度，前进50mm。

机械手的夹持器还有夹紧和放松动作；
机械手工作频率：20/min；
升降 0.3kw，摆动 0.1kw，伸缩 0.1kw，夹持 0.2kw。

2执行机构的选择与比较
§2-1 转角机构（实现平面转角0
30功能）
方案一
实现平面转角0
30的过程：电机带动不
完全齿轮运动，不完全齿轮带动全齿轮运
动，与全齿轮固结的四杆机构，使滚子在
预先设计好形状的槽内运动，左右运动的
极限位置恰好是30度。

机构评价：
优点：因为槽的形状固定，所以能保证在
一个行程内，机构的平面转角就是30
度。

不完全齿轮的使用，为机械手在
抓放物体时留下了工作时间。

缺点：由于四杆机构的运动被槽限制住，最
短杆无法做周转运动，导致机构的回
程要求齿轮的翻转，必须在前面加入
变速箱改变速度方向。

方案二
实现平面转角0
30的过程：皮带轮传动给
蜗轮蜗杆从而使不完全齿轮，有间歇地带动完全齿轮转动，齿轮通过杆拉动齿条，由齿轮来回往复地带动固接杆转动0
30
机构评价：
优点：同样具有结构简单，传力较小
运动灵活，造价低准确地实现转角
30的要求，可以控制间歇实现循环
功能。

缺点：磨损较严重，效率较低，齿轮
尺寸过大加工难。

方案三
实现平面转角0
30的过程：使用
槽轮实现平面转角30度，只要计算好
槽轮的槽数，就能在主动圆盘转360度时，使从动轮转30度。

机构评价：
优点：结构简单，外形尺寸小，机械效率高，并能平稳的间歇地进行转位。

缺点：传动存在柔性冲击，且是单向的间歇运动，同样要求变速箱改变运动方向。

方案的选择与比较：
只有第二个方案能较好的实现对传动系统的功能要求在平面转动上能准确地控制在30度，制造简单方便。

§2-2 上升机构（实现上升100功能要求）
方案一
实现上升的过程：皮带轮传动，使蜗杆带动蜗轮，蜗轮和齿条配合。

通过控制蜗杆的半径，使转动一周后，使齿条上升100.
机构评价：
优点：蜗杆的轮齿是连续的螺旋尺，故传动平稳，啮合冲击小。

缺点:啮合齿轮间的相对滑动速度较大，摩擦磨损较大，传动效率较低，易出现发热现象，常用耐磨材料制作，成本高。

方案二
实现上升的过程：皮带轮传动给蜗轮蜗杆从而使凸轮转动，凸轮通过顶杆推动滑块滑动，从而使工作杆上升100mm。

机构评价：
优点：结构简单，传力较小，凸轮不用太大就可以达到所需要的高度。

缺点：效率过低，滑块容易磨损且一旦磨断严重影响上升高度，寿命不高。

对机构进行比较：第二个方案较好，结构简单寿命较长也能够准确地
实现上升要求，推杆运动时间与静止时间比较好控制。

§2-3 前进机构（实现前进50mm功能要求）
方案一
通过皮带轮传动，使全齿轮转动，然后带动曲柄滑块机构，在水平导
轨上前进，通过限位卡，固定前进的范围。

优点：运动副皆为低副，底副的两运动副和
机架接触，压强小，可承受较大荷载，有利
于润滑。

缺点：存在冲击，易损坏。

方案二
由于上升功能的机构和前进功能机构一样的，由于上升方案一符合要求，所以前进机构的选择和上升机构一样。

3传动机构的选择与比较
§3-1普通传动
1.皮带轮传动
机构特点：起到缓冲作用，传动平稳无噪声,能缓冲、吸振;过载时带将会在带轮上打滑,可防止薄弱零部件损坏,起到安全保护作用.缺点在于皮带易磨损，寿命不长。

2.链传动
机构特点：它可以在两轴中心相距较远的情况下传递运动和动力;能在低速、重载和高温条件下及灰土飞扬的不良环境中工作;和带传动比较,它能保证准确的平均传动比,传递功率较大,且作用在轴和轴承上的力较小;传递效率较高,一般可达0.95～0.97;链条的铰链磨损后,使得节距变
大造成脱落现象;安装和维修要求较高。

3.齿轮传动
机构特点：能保证瞬时传动比恒定,平稳性较高,传递运动准确可靠;传递的功率和速度范围较大;结构紧凑、工作可靠,可实现较大的传动比;传动效率高,使用寿命长;齿轮的制造、安装要求较高。

4.蜗轮蜗杆传动
机构特点：具有反向自锁的功能，而且相比其它传动具有较大的速比，涡轮蜗杆的输入、输出轴不在同一轴线上，甚至不在同一个平面上。

自身的缺点，那就是涡轮蜗杆的传动效率不够高，精度也不是很高。

传动机构比较：由于电动机处于下方，可保持重心在下，在于齿轮减速器之间安放1皮带轮，这个当然会起到缓冲的作用，效率也挺高的。

电机的转速一般都比较大，由于工作循环为3s/次，所以主轴的转速为180r/min，此时就需要很大的传动比了，齿轮传动一般是在6--7倍之间，不能达到传动要求，所以我们选择用蜗轮蜗杆机构，它的传动比一般在2--70倍之间满足我们所需的传动功能。

选择1皮带轮，4蜗轮蜗杆。

§3-2实现工作时间差的传动机构
1.棘轮机构
机构特点：结构简单，制造方便运动可靠；而且棘轮轴每次转过角度的大小可以在较大的范围调节。

但是做工时有较大的冲击和噪声而且运动精度较差。

2.槽轮机构
机构特点：结构简单外形尺寸小，机械效率高，并能较平稳地间歇地进行转位，但是因传动时存在柔性冲击。

3.凸轮式简谐运动机构
机构特点：只要适当设计出主动凸轮的轮廓，就可使从动盘动载荷小，无刚性冲击和柔性冲击，它具有很高的定位精度，机构紧凑，但是加工精度要求高，造价高。

4.不完全齿轮
机构特点：不完全齿轮机构结构简单制造方便工作可靠，设计时从动轮的运动时间和静止时间比例可以在比较大的范围内变化，但是同时啮合时有较大的冲击。

5.凸轮机构
机构特点：只要适当的设计出凸轮的轮廓曲线就可以使推杆得到各种预期的运动规律，而且响应快速机构简单紧凑。

间歇传动机构比较：由于本次传动有较多的间歇运动，运动时间和静止时间要控制得很到位。

从造价和工作循环方面，所以选择4 不完全机构和5 凸轮机构。

4原动机的选择
功率要求：升降0.3kw，摆动0.1kw，伸缩0.1kw，夹持0.2kw
根据传动效率：P
1
=0.3/0.94/0.7/0.95kw=0.48kw
P
2
=0.1/0.94/0.7/0.96/0.94kw=0.17kw
P
3
=0.1/0.94/0.7/0.95kw=0.16kw
P
4
=0.2/0.94/0.7/0/95kw=0.32kw
总功率：P=0.48kw+0.17kw+0.16kw+0.32kw=1.13kw
查表，选择电机Y90L-4，功率1.5kw，转速1400r/min,符合要求。

传动比：
n
1/n
2
=5，n
2
/n
3
=1，n
3
/n
4
=14，n
1
/n
4
=70
n 1=1400r/min, n
2
=n
3
=280r/min,n
4
=20r/min
5机械系统运动简图
6机械系统运动循环图
时间0 0-0.5s 0.5-1.1s 1.1-1.5s 1.5 1.5-1.9s 1.9-2.5s 2.5-3.0s 夹持机构夹紧静止静止静止放松静止静止静止
转角机构静止正转30 静止静止静止静止静止反转30 上升机构静止静止上升100 静止静止静止下降100 静止
前进机构静止静止静止前进50 静止后退50 静止静止
7机械手的机构设计
01200—
0132 0144 0156 0168 0180 50
55.5
61.1
66.6
72.2
77.8
0288192— 0300
0312
0324
0336
0348
0360
83.3
77.8
72.2
66.6
61.1
55.5
50
§7-1 上升机构（上升100mm的凸轮尺寸设计实际尺寸和图上的比例为
3:1）
§7-2 前进机构（前进50mm的凸轮尺寸设计实际尺寸和图上的比例为2:1）
§7-3 夹紧放松机构（实现机械手夹紧放松功能）
凸轮1轮廓除了在线头所指出不同外其他都是一样的，通过局部轮廓的不同使手轴与手架产生距离差，从而实现夹持动作。

循环开始的时候，机械手松开放入工件。

之后机械手一直夹紧，当转到终点的时候，机械手又张开放下工件，接着又一直夹紧。

0264
0—0
2760
2880
3000
3120
3240
3360
3480
360 35 41.25 47.5 53.75 60 53.75 47.5 41.5 35
§7-4 转角机构（实现平面转角030的功能）
压力角020=α，模数1=m
不完全齿轮1181=Z ，108611=⨯•=m Z d
齿轮2182=Z ，1822==m Z d 齿条63=Z
齿轮4724=Z ，7244=•=m Z d 蜗杆的头数25=Z
齿轮6286=Z ，2866=•=m Z d
7-5 传动机构（传动机构的尺寸设计）
小结：
这次的机械原理的课程设计虽然只有短短的五天时间，但这是非常有意义的五天，作为一个机械自动化专业的学生。

我们的共同目标是成为一个优秀的机械工程师。

然而成为一个合格的机械工程师，只靠书本上学到的知识是不够的，纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。

实践是检验真理的唯一标准，设计刚开始时，由于理论知识的不足，再加上平时没有什么设计经验，有些手忙脚乱，不知从何入手。

然后再老师的指导下，和同学们交流讨论，渐渐地就上手了。

现在想想其实课程设计当中的每一天都是很累的，每天早起晚睡，到处查资料，你想抄袭或者胡乱蒙两个数据上去来骗骗老师都不行，因为你的每一个数据都要从机械设计书上或者机械设计手册上找到出处。

在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。

在整个设计中我懂得了许多东西，树立了对自
轮1的直径101=d 轮1和轮2传动比为5 涡轮头数23=Z
齿轮4的齿数284=Z ，020=α，
2844=•=z m d
蜗轮蜗杆的传动比143
4
2==Z Z i
己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。

而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。

虽然这个设计做的可能不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，为我真正走进社会奠定了基础。

同时，在这次课程设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间可能有不同的意见，但是因为这些分歧而矛盾就太过愚蠢，我们都是为了把设计做好，尊重和互相学习是必须的。

参考文献：
[1]孙桓.机械原理.北京：高等教育出版社.2006。