机械原理课程设计-装箱机械手机构

机械原理设计(1)
课程设计
说明书
设计题目：装箱机械手机构
学生班级：流体1102
学生姓名：李宇
指导教师：杨德勇
日期:2014年1月2日
目录
课程设计的目的 (2)
设计题目及设计要求 (2)
机械手设计的基本步骤及工作流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯.⋯⋯⋯⋯⋯⋯3⋯⋯⋯⋯⋯
务 (3)
设计任
设计说
明 (4)
工作要求 (4)
设计方案 (5)
题目分析 (5)
机械系统整体设计方案 (6)
方案设计过程分析 (7)
最优方案详细分析 (10)
机械抓手设计 (13)
机械传动系统设计方案 (15)
结 (16)
设计小
参考资料 (16)
师评语 (17)
指导老
课程设计的目的
（1）机械原理课程设计旨在使学生运用本课程所学的理论知识以及有关课程的知识，进行一次较全面的综合性的设计练习，从而培养学生分析和解军问题的能力。

（2）通过对装箱机械手的机构方案的拟定及其机构简图设计，增强对设计工作的了解和认识，并培养学生的机构设计能力和机构分析能力。

设计题目及设计要求
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。

今给定预期轨迹的尺寸分别为：a=120mm；b=600mm；c=50mm；
d=1000mm。

物料提升重量为2千克。

机械手设计的基本步骤及工作流程
(1)机械手设计的主要步骤如下图:
(2)机械手工作流程
原位→下降→夹紧→上升→左移
↖↓
右移←上升←放松←下降
设计任务
（1）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）
（2）对手爪中手指的开合机构进行机构运动方案设计。

（3）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。

设计说明
（1）本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，熟练运用本课程知识。

（2）应考虑从动力源到执行部件之间的整体运动传递方案，尤其执行部分更为重要，可参考《机械设计》中的传动方案知识。

（3）除应考虑运动情况外还应考虑力求使机构运动性、加工特性、用性能、经济性等要好，要尽量使用成熟的机构及其组合。

除考虑满足轨迹要求外，还应考虑其各段行程中的运动规律的性能的特殊要求。

工作要求
（1）绘图准确，布局尽可能匀称，图上线条、符号、尺寸标注及书写字体（仿宋体）要规范化，图面整洁，质量要求高。

（2）说明书要求论述内容完整，步骤清楚，分析有条理，字迹工整，绘图准确，装订成册。

（3）计应按预定进度进行，每天务必按时到设计教室，及时完成设计任务，不准无故迟到、早退、旷课等，不准做与设计无关的工作。

设计方案
题目分析
由题意可知：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，为了使其能彼此配合有序稳定的完成指定的任务，在时间上就必须要严格的控制好，因此在设计其执行系统时需按时间进行
分配。

下面就先对抓取—移动—放置这三个步骤进行分析。

抓取：由图分析可知抓取过程为JK段，开始时机械爪手出于K点，开
关启动后，机械爪手向下下降50mm（为了能减少执行系统的空间，可
以在里加上一个放大机构），此时只能是竖直方向的移动，水平移动方
向必须保持静止，当爪手下降到指定的高度，需要给机械爪手预留3
秒的时间保证其能顺利抓取物料，抓取物料结束之后还须上升到初始
的高度，准备进行水平方向的移动，在这下降抓取上升的过程中水平
始终要保持静止。

移动：移动的过程在图示中是属于LK阶段，在机械手抓取物料成功后，
此时竖直方向将不再移动，只有水平方向在移动，移动的距离为
600mm，跟抓取时一样，这里也可以安放一套放大机构来减小执行机
构的空间，在移动的过程中需要让其尽可能的保持稳定性，一方面可以通过减慢速度来提高其稳定性，也可以在设计时采用三角稳定结构，保证你水平移动的稳定性。

放置：放置过程是整个过程的关键所在（LM为下降的过程），如果安放是出现了问题，整个过程都前功尽弃，在安放的过程中最重要的一点就是要保证其直线度的准确性，为此在水平移动是最后要采用减速的方案，使其在最后有缓冲的余地，保证在下降的过程时能稳定下降，下降到120mm时，此时机械手放开物料，整个过程结束。

机械系统整体设计方案
根据题目的意思，以及其中需要着重注意的几点问题，设计了三种可行性的方案。

以及机械手的设计。

方案设计过程分析：
第一种：在这个方案中，我们采取的是三个线段上的运动分别用三个不同的装置进行传动，左端的LM段用的是曲柄滑块结构进行传动，LK 段也是用的曲柄滑块结构进行传动，在JK段，考虑到长段较小，一次
选用凸轮结构进行传动。

本方案中，需要在连接机械手的竖轴上装有卡槽结构，并且需要滑块的两端装有接触开关，保证水平运动到两端点处时，水平传动的曲柄结构电机停转，而控制竖直运动的曲柄或凸轮的电机开始运动，这样，机械手便可以按照预订的轨迹进行运动。

本方案中，出机械的传动装置外，控制机械手的轨道运动共需要三个独立的电机进行传动，如图所示：
方案2：考虑到方案1中用到的电机过多，轨道的三个方向的运动共用到三个电机驱动，在本方案中，将在方案1的基础上进行简化，我们将水平运动用一个凸轮结构来实现，而左右两端的竖直方向的运动用如图所示的机构实现，如图中，由于机械手连接的滑块距离“杠杆中心”距离的不同，在同一曲柄的作用下可以实现滑块行程的不同，取适当的大小即可以实现左端上下运动行程为120mm，右端上下运动行程
为50mm。

对于凸轮，距离凸轮旋转中心的距离差为600mm，就可以
保重左右运动了。

方案3：方案1与方案2均存在不足之处，比如方案1，所用到的
电机过多经济效益较差，，并且各个电机独立运行，依靠触发开关来实现传动的连贯性，而触发开关的设计又存在诸多的问题。

方案2中，用到两个独立的电机驱动，而且在水平方向的行程运用的是凸轮，这样，凸轮的尺寸就会相当大，而且也会用到触发开关来控制。

因此，结合方案1与方案2，现给出本方案的设计见图，如图所示，本方案中，机械手的轨迹运动，只用到一个电机驱动，给出凸轮的适当几何形状，即可实现，在本方案中，不需要额外的电路控制，即可实现循环运动。

最优方案详细分析：
方案3结构分析：如图所示，机械手的竖直方向的运动依靠凸轮
上方连接凸轮内槽的杆子和滚子实现，机械手水平方向的运动依靠凸轮左边连接滚子的横杆和凸轮外周实现。

机械手在竖直方向的位
置随时间变化的关系如图所示：
由此可以确定凸轮内槽的形状为：
R-d1-50,R-d2=120
机械手在水平方向的位置随时间的变化关系为：
可以得出凸轮外周的几何形状为：R2-R1=600*（1:5）=120mm
由于考虑到引导水平运动和竖直运动的滚子接触凸轮的位置成90度的关系，因此，在融合凸轮内槽与外周时有90度的对应关系。

综上可得，凸轮的几何形状为：
在本方案中，可以认为机械手的轨迹运动时依靠两个不同的凸轮实现的，只是为了更少的用到电机，以及节约凸轮用料，一次将两个凸轮综合在一起，凸轮的外周和内槽都可以驱动，这样就可以节约一个电机和一个凸轮。

机械抓手设计：如图所示为我们设计的机械抓手，我们所设
计的抓手的传动机构是蜗轮蜗杆结构，蜗杆直接连接电机，
两侧蜗轮分别连接两“手指”，蜗轮蜗杆结构的传动比较大，并且可以实现自锁，所以可以顺利抓牢指定物体。

机械传动系统的设计方案
对于方案3的选择，需要一个电机带动凸轮转动即可实现所有的行程运动，但若电机直接与凸轮相连，这样显然凸轮的运动速度过快，运
动不稳定，并且可能导致装置损坏，因此应该选择适当传动比的齿轮来实现，我们选择的是200:1传动比的齿轮组，假定电机转速为
1000r/min，这样才能保证机械系统正常的运行。

电机在此转速下，机械手没分钟进行5个运动周期，即进行来回5次抓物。

n1:n2=1/50n3/n4=1/40
机械手本身的传动系统：因为我们设计的机械手运用的是蜗轮蜗杆结构，蜗轮蜗杆结构本身就可以有较大的传动比，因此选择适当的传动比，蜗杆即可以与电机直接相连。

我们选在的蜗轮蜗杆结构的传动比为40:1.
设计小结
通过这次课程设计，我有了很多收获。

首先，通过这一次的课程设计，
我进一步巩固和加深了所学的基本理论、基本概念和基本知识，培养了自己分析和解决与本课程有关的具体机械所涉及的实际问题的能力。

对平面连杆机构和凸轮有了更加深刻的理解，为后续课程的学习奠定了坚实的基础。

而且，这次课程设计过程中，与同学们激烈讨论，团结合作，最终完美的实现了预期的目的，大家都受益匪浅，也对这次经历难以忘怀。

其次通过这次课程设计，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导杆机构进行运动分析有了初步详细精确话的了解，这都将为我以后参加工作实践有很大的帮助。

非常有成就感，培养了很深的学习兴趣。

衷心感谢杨老师这个学期以来的悉心教导与鼓励，在杨老师的耐心指导下，我们才能完成了这次课程设计，并从中学到了非常多的知识。

参考资料
《机械原理课程设计手册》高等教育出版社
《机械原理》人民教育出版社
《机械原理课程设计指导书》高等教育出版社
《机械原理与设计》机械工业出版社
指导老师评语：
WORD格式2013学年装箱机械手机构设计
签字：
成绩评定：
20
专业资料整理。