機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)-二自由度關(guān)節(jié)式熱鐓擠送料機(jī)械手設(shè)計(jì)

目錄目錄 2熱鐓擠送料機(jī)械手 3一、機(jī)械原理設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 31.1、設(shè)計(jì)題目簡(jiǎn)介 31.2、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與要求 31.3、設(shè)計(jì)任務(wù) 41.4、設(shè)計(jì)提示 4二、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 42.1、手臂水平回轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)及選擇 42.2、手臂下擺運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 72.3、利用MATLAB計(jì)算凸輪輪廓線 9三、三維概念模型 11附錄 13計(jì)算凸輪MATLAB程序： 13四、驅(qū)動(dòng)裝置選擇14五、零件的尺寸確定與校核14

熱鐓擠送料機(jī)械手一、機(jī)械原理設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)1.1、設(shè)計(jì)題目簡(jiǎn)介圖5機(jī)械手的外觀圖設(shè)計(jì)二自由度關(guān)節(jié)式熱鐓擠送料機(jī)械手，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，夾送圓柱形鐓料，往40噸鐓頭機(jī)送料。以方案A為例，它的動(dòng)作順序是：手指夾料，手臂上擺18o，手臂水平回轉(zhuǎn)150o，手臂下擺18o，手指張開(kāi)放料。手臂再上擺，水平反轉(zhuǎn)，下擺，同時(shí)手指張開(kāi)，準(zhǔn)備夾料。主要要求完成手臂上下擺動(dòng)以及水平回轉(zhuǎn)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)。圖5為機(jī)械手的外觀圖。1.2、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與要求方案號(hào)最大抓重kg手指夾持工件最大直徑mm手臂回轉(zhuǎn)角度（o）手臂回轉(zhuǎn)半徑mm手臂上下擺動(dòng)角度（o）送料頻率次/min電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速r/min12251506501815960

1.3、設(shè)計(jì)任務(wù)1.至少提出可行的兩種運(yùn)動(dòng)方案，然后進(jìn)行方案分析評(píng)比，選出一種運(yùn)動(dòng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)；2.設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)并確定其傳動(dòng)比分配。3.圖紙上畫(huà)出步進(jìn)送料機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案簡(jiǎn)圖和運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖。4.對(duì)平面連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行尺度綜合，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析；驗(yàn)證輸出構(gòu)件的軌跡是否滿足設(shè)計(jì)要求；求出機(jī)構(gòu)中輸出件的速度、加速度；畫(huà)出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)線圖。5.用軟件（VB、MATLAB、ADAMS或SOLIDWORKS等均可）對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，并畫(huà)出輸出機(jī)構(gòu)的位移、速度、和加速度線圖。6.編寫(xiě)設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)，其中應(yīng)包括設(shè)計(jì)思路、計(jì)算及運(yùn)動(dòng)模型建立過(guò)程以及效果分析等。7.在機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用機(jī)構(gòu)綜合實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。1.4、設(shè)計(jì)提示1.機(jī)械手主要由手臂上下擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成。工件水平或垂直放置。設(shè)計(jì)時(shí)可以不考慮手指夾料的工藝動(dòng)作。2.此機(jī)械手為空間機(jī)構(gòu)，確定設(shè)計(jì)方案后應(yīng)計(jì)算空間自由度。3.此機(jī)械手可按閉環(huán)傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)。二、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1、手臂水平回轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)及選擇在這里給出兩種實(shí)現(xiàn)手臂水平往返120o擺動(dòng)的方案。方案1：使用齒輪齒條與曲柄滑塊的符合機(jī)構(gòu)；其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2.1-1所示；圖2.1-1曲柄滑塊、齒輪齒條方案1采用不完全齒輪+曲柄滑塊+齒輪齒條機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且滿足設(shè)計(jì)要求。方案2：使用不完全齒輪，如圖2.1-2，圖中齒輪13，14為不完全齒輪；圖2.1-2齒輪傳動(dòng)方案2通過(guò)設(shè)計(jì)不完全齒輪的齒數(shù)可以輕松的實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)對(duì)傳動(dòng)比、運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)角、停歇時(shí)間的把握，使得機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確、平穩(wěn)，便于分析計(jì)算，但結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜。綜上最終選擇方案1，另外加上蝸輪蝸桿傳動(dòng)解決傳動(dòng)比較大的問(wèn)題。由電機(jī)轉(zhuǎn)速960r/min，送料次數(shù)15次/min，設(shè)計(jì)曲柄轉(zhuǎn)一圈完成一次送料并回轉(zhuǎn)，所以整個(gè)手臂機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比為；i=傳動(dòng)比較大，為此采用渦輪蝸桿作為第一傳動(dòng)階段傳動(dòng)比：i剩余傳動(dòng)比為5，采用一對(duì)齒輪嚙合傳動(dòng)，齒輪1齒數(shù)為20,齒輪2齒數(shù)為64，即：i該部分機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化如圖2.1-3；圖2.1-3蝸輪蝸桿傳動(dòng)經(jīng)過(guò)減速傳動(dòng)后齒輪2的轉(zhuǎn)速為15r/min，該齒輪帶動(dòng)曲軸，曲軸連接齒條，齒條與手臂齒輪嚙合最終實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在這里手臂齒輪為不完全齒，其全齒時(shí)取齒數(shù)為120。又手臂來(lái)回回轉(zhuǎn)為150o，所以不完全齒的齒數(shù)為40，也可以取齒輪為完全齒，則相應(yīng)齒條為40齒。齒輪2所連曲軸決定了齒條的運(yùn)動(dòng)情況設(shè)曲軸半徑為r，其轉(zhuǎn)速與齒輪2一致，則曲軸旋轉(zhuǎn)一周要完成一次送料與回轉(zhuǎn)，為了盡量使放料和取料的時(shí)間足夠長(zhǎng)，所以有對(duì)曲軸旋轉(zhuǎn)一周進(jìn)行了如圖2.1-4的工況劃分；2.1-4曲軸工況圖圖中AB,CD段為30o，BC,DA段為150o，前兩個(gè)階段齒條移動(dòng)但不與齒輪嚙合；后兩段對(duì)應(yīng)送料與回轉(zhuǎn)階段，這兩個(gè)階段齒輪與齒條嚙合處于工作階段，則可求出齒條有齒段對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度為：l2.2、手臂下擺運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)手臂上下擺動(dòng)角度為18°，在這里采用凸輪槽與搖塊的復(fù)合機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂的上下擺動(dòng)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.2-1。圖2.2-1凸輪搖桿機(jī)構(gòu)手臂要實(shí)現(xiàn)手指夾料，手臂上擺18o，手臂水平回轉(zhuǎn)150o，手臂下擺18o，手指張開(kāi)放料。手臂再上擺，水平反轉(zhuǎn)，下擺，同時(shí)手指張開(kāi)，準(zhǔn)備夾料的工況，在這里畫(huà)出推桿的大致運(yùn)動(dòng)圖像如圖2.2-2。圖2.2-2推桿位移時(shí)間圖圖中AB：手臂下擺；BC：夾料；CD：手臂上擺；DE：手臂水平擺動(dòng)；EF：手臂下擺；FG：放料；GH：手臂上擺；HI：手臂水平擺動(dòng)；以上過(guò)程為整個(gè)手臂的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，搖塊支座與豎直推桿的水平距離為L(zhǎng),初始位置夾角為36°，下擺18°后為54°如圖2.2-3所示。圖2.2-3手臂上下?lián)u動(dòng)于是可得上下擺動(dòng)后的位移差為；AA則凸輪最遠(yuǎn)處距基圓的距離為0.376L。設(shè)計(jì)要求機(jī)構(gòu)1分鐘送料15次，則一個(gè)送料周期為4S，而凸輪在該周期內(nèi)完成了夾料與放料兩個(gè)過(guò)程，即凸輪轉(zhuǎn)了1圈；直接與曲軸同步運(yùn)動(dòng)即可2.3、利用MATLAB計(jì)算凸輪輪廓線在2.2中設(shè)計(jì)了凸輪傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂的上下擺動(dòng)，并計(jì)算了上下擺動(dòng)15°需要的推桿位移長(zhǎng)度為0.376L，L為搖塊支座與推桿的水平距離，由于一個(gè)送料周期為4S，在這期間推桿上下移動(dòng)0.376L。由于手臂的上下擺動(dòng)為高速輕載，在這里選用正弦加速度作為凸輪的設(shè)計(jì)方案，凸輪0.33S完成一次推程，于是有；ω=推桿加速度：a=k對(duì)其積分得到速度：vv推桿開(kāi)始速度為0，所以c1v再對(duì)速度積分得到推桿位移：s=s=-推桿的初始位移為0，所以c2s=-當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)到頂端的時(shí)候，推桿位移為0.376L，于是有：k于是得到凸輪的位移方程為：s=利用MATLAB繪圖得到推桿推程的位移圖像如圖3.1-1；圖2.3-1推桿推程則其回程的位移與推程相反。又0.33S凸輪旋轉(zhuǎn)了360°3*0.33=39.6°，當(dāng)取基圓半徑為30、L為20圖2.3-2凸輪理論輪廓線三、三維概念模型及仿真圖3.1三維模型如圖3.1為概念模型；對(duì)手臂一個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真計(jì)算，得到模型的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，下面給出相關(guān)運(yùn)動(dòng)算例。圖3.1-1為手臂端點(diǎn)速度圖像，圖3.1-2為手臂端點(diǎn)角位移圖像，圖3.1-3為手臂端點(diǎn)角速度圖像，圖3.1-4為手臂端點(diǎn)角加速度圖像。圖3.1-1手臂端點(diǎn)速度圖3.1-2手臂端點(diǎn)角位移圖3.1-3手臂端點(diǎn)角速度圖3.1-4手臂端點(diǎn)角加速度從以上結(jié)果來(lái)看，手臂擺動(dòng)的最大速度為1441mm/s，在半徑為650mm的回轉(zhuǎn)半徑前提下是不算大的，而最大的角加速度為266°/s及，即發(fā)生在手臂到達(dá)左右極限位置時(shí)，此時(shí)的沖擊確實(shí)較大，因?yàn)槭直垡谠撐恢醚杆偻Ｏ拢枰募铀俣容^大，符合設(shè)計(jì)要求。附錄計(jì)算凸輪MATLAB程序：clear;clc;clfL=20;jy=15;t1=0.01:0.01:0.33;w=19;y1=557.5*(-sin(w*t1)/w^2+1/w*t1);plot(t1,y1);figuret2=0.34:0.01:0.66;y2=fliplr(y1);plot(t2,y2);figuret=0.01:0.01:1;y=jy+[y1fliplr(y1(1,1:length(y1)))];%plot(t,y);figuredeg=pi/3*t;%plot(deg,y);figureyt=[jy*ones(1,84)yjy*ones(1,84)y];tt=0.01:0.01:3;dtt=2*pi/3*tt;xx=yt.*cos(dtt);yy=yt.*sin(dtt);plot(xx,yy,'^')holdonplot(0,0,'^')axisequal驅(qū)動(dòng)裝置選擇課題中所設(shè)計(jì)的熱鐓擠送料機(jī)械手的工作環(huán)境實(shí)在工廠中，它的工作電壓為380V,頻率為50HZ，電機(jī)轉(zhuǎn)速為960r/min，所以選擇同步轉(zhuǎn)速為960r/min。機(jī)械手最大抓重2kg，所需功率不大，所以通過(guò)查詢機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可以優(yōu)先選擇功率為5KW的Y132s-4型號(hào)電動(dòng)機(jī)來(lái)作為機(jī)械手的原動(dòng)機(jī)。五、零件的尺寸確定與校核蝸輪計(jì)算根據(jù)GB/T

10085-1988的推存，采用漸開(kāi)線蝸桿（ZI）。

1.材料選擇

蝸桿：考慮到蝸桿傳動(dòng)傳遞的功率較大，速度只是中等，故蝸桿用45鋼；因希望效率高些，耐磨性好些，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度為45~55HRC。蝸輪：考慮到速度較小，沖擊較大，所以蝸輪材料選擇鑄鋁鐵青銅。它有足夠的強(qiáng)度，鑄造性功能好，耐沖擊，廉價(jià)。估測(cè)vs=2m/s

所以，由表9-6得2.按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)根據(jù)閉式蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，再校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。（1）選擇頭數(shù)z1，并估測(cè)傳動(dòng)效率由i=20，查表9-4，選取z1=1,z2=1×20=20估計(jì)傳動(dòng)效率=0.73（2）確定使用系數(shù)K綜合彈性系數(shù)Z

因工作載荷較穩(wěn)定，無(wú)沖擊載荷，轉(zhuǎn)速較低故取確定使用系數(shù)K=1.1因用鋁青銅蝸輪和鋼蝸桿相配，故取Z

=160

（3）確定接觸系數(shù)

Z

假設(shè)蝸桿分度圓直徑

和傳動(dòng)中心距a的比值

為0.45，由圖9-7可查得

Z

=2.4。

（4）確定許用接觸應(yīng)力

根據(jù)蝸輪材料為鋁青銅，金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度>45HRC,估測(cè)滑動(dòng)速度為2m/s可從表12-4中查得蝸輪的基本許用應(yīng)力

210MPa。

（5）計(jì)算中心距a取a=190mm

（6）確定模數(shù)m，蝸輪齒數(shù)z2，蝸桿直徑系數(shù)q，蝸桿導(dǎo)程角，中心距ad1=選m=8,d1=80mm,a=0.5(d1+d2)=0.5(80+240)=160mm另取m=10,d1=90mm,q=9.000a=0.5(d1+d2)=195≥190mm所以適合。(7)確定幾何尺寸

蝸桿

軸向齒距pa=zm=10×2=20mm

直徑系數(shù)q=d1/m=90/2=45

齒頂圓直徑da1=d1+2

m=90+20=110mm

齒根圓直徑df1=導(dǎo)程角

12.6°

蝸桿軸向齒厚Sa=0.5

m=5mm

蝸輪

蝸輪齒數(shù)=20

分度圓直徑d2=mz2=10×20=200mm

齒頂圓直徑da1=d2+2m=200+2×10=320mm

齒根圓直徑df2=d2-

2.4m=00-

2.4×10=276mm

蝸桿的軸向齒距，蝸輪的端面齒距

徑向間距c=0.20m=0.20×10=2.0mm蝸輪寬度B取B=60mm齒輪計(jì)算齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算材料選擇：小齒輪選擇材料為40Cr，需調(diào)質(zhì)處理，硬度為260HB，大齒輪材料為45鋼，硬度為240HB，同樣需要調(diào)質(zhì)處理。1.齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算初步計(jì)算轉(zhuǎn)矩TT齒寬系數(shù)φ可知φ初步計(jì)算許用接觸應(yīng)力σσσAd值可取初步計(jì)算dd3=A初步齒寬bb=φb2.校核計(jì)算圓周速度v精度等級(jí)由表8-4選取精度等級(jí)為9級(jí)齒數(shù)z和模數(shù)m初取z3=40m=dz3=使用系數(shù)KA由表8-5選取K動(dòng)載系數(shù)K由圖8-9選取K齒間載荷分配系數(shù)KFK先求：端面重合度εZK齒向載荷分布系數(shù)KK載荷系數(shù)KK彈性系數(shù)Zε由表8-9可得節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)ZH由圖8-13接觸最小安全系數(shù)SHmin總工作時(shí)間th應(yīng)力循環(huán)次數(shù)NL估計(jì)NN接觸壽命系數(shù)選擇，Z接觸疲勞極限σ許用接觸應(yīng)力σHσσ驗(yàn)算σ3.確定傳動(dòng)主要尺寸實(shí)際分度圓直徑ddd中心距aa齒寬bb取b3=115mm4.齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算重合度系數(shù)YY齒間載荷分配系數(shù)Kα由表8-7可知，齒向載荷分布系數(shù)Kb由手冊(cè)查得，H載荷系數(shù)KK齒形系數(shù)YFa由圖8-16查得，應(yīng)力修正系數(shù)YSa由圖查得，Y彎曲最小安全系數(shù)σFlim由表8-3查得，σ彎曲最小安全系數(shù)SFmin由表8-3選擇，彎曲壽命系數(shù)YN由圖8-3可知，Y尺寸系數(shù)YX可知許用彎曲應(yīng)力σσσ驗(yàn)算σσ軸的設(shè)計(jì)計(jì)算因?yàn)闇p速器功率不大，并且沒(méi)有特殊的要求，所以選擇常見(jiàn)的45鋼即可，并且對(duì)45鋼進(jìn)行調(diào)制處理各軸輸入功率PP7.1軸的設(shè)計(jì)計(jì)算最小軸徑Ⅰ軸最小軸徑：dⅡ軸最小軸徑：dⅢ軸最小軸徑：d軸承選擇表4-1軸承參數(shù)表軸承號(hào)軸承代號(hào)基本尺寸/mm（d×D×B）Ⅰ2系列620630×62×16Ⅱ2系列620945×85×19Ⅲ2系列621365×120×24Ⅰ軸的設(shè)計(jì)表4-2Ⅰ軸各軸段直徑軸段直徑mm原因Ⅰ-Ⅱ22根據(jù)最小直徑選擇Ⅱ-Ⅲ25定位軸肩0.07~0.1Ⅲ-Ⅳ30根據(jù)軸承內(nèi)徑選取Ⅳ-Ⅴ35非定位軸間Ⅴ-Ⅵ52分度圓直徑Ⅵ-Ⅶ35h=Ⅶ-Ⅷ30根據(jù)軸承內(nèi)徑選擇表4-3Ⅰ軸各軸段長(zhǎng)度軸段長(zhǎng)度mm原因Ⅰ-Ⅱ38凸緣聯(lián)軸器選擇Ⅱ-Ⅲ35Ⅲ-Ⅳ2816+9+3Ⅳ-Ⅴ135Ⅴ-Ⅵ75根據(jù)齒寬得出Ⅵ-Ⅶ7Ⅶ-Ⅷ2816+12圖4-1Ⅰ軸簡(jiǎn)圖Ⅱ軸的設(shè)計(jì)表4-4Ⅱ軸各軸段直徑軸段直徑mm原因Ⅰ-Ⅱ35根據(jù)最小直徑選擇Ⅱ-Ⅲ40非定位軸間Ⅲ-Ⅳ45根據(jù)軸承內(nèi)徑選?、?Ⅴ52定位軸肩Ⅴ-Ⅵ60定位軸肩Ⅵ-Ⅶ52定位軸肩Ⅶ-Ⅷ45根據(jù)軸承內(nèi)徑選擇表4-5Ⅱ軸各軸段長(zhǎng)度軸段長(zhǎng)度mm原因Ⅰ-Ⅱ45錐齒輪齒寬選擇Ⅱ-Ⅲ45Ⅲ-Ⅳ4316+9+3Ⅳ-Ⅴ65根據(jù)齒寬得出Ⅴ-Ⅵ20Ⅵ-Ⅶ115Ⅶ-Ⅷ3619+12+5圖4-2Ⅱ軸簡(jiǎn)圖Ⅲ軸的設(shè)計(jì)表4-6Ⅲ軸各軸段直徑軸段直徑mm原因Ⅰ-Ⅱ50根據(jù)最小直徑選擇Ⅱ-Ⅲ56非定位軸肩Ⅲ-Ⅳ65根據(jù)軸承內(nèi)徑選取Ⅳ-Ⅴ72定位軸肩Ⅴ-Ⅵ78非定位軸肩Ⅵ-Ⅶ72定位軸肩Ⅶ-Ⅷ65根據(jù)軸承內(nèi)徑選擇表4-7Ⅲ軸各軸段長(zhǎng)度軸段長(zhǎng)度mm原因Ⅰ-Ⅱ112凸緣聯(lián)軸器選擇Ⅱ-Ⅲ60Ⅲ-Ⅳ3624+12Ⅳ-Ⅴ102Ⅴ-Ⅵ105根據(jù)齒寬得出Ⅵ-Ⅶ10Ⅶ-Ⅷ3624+12圖4-3Ⅲ軸簡(jiǎn)圖軸的校核計(jì)算計(jì)算齒輪受力轉(zhuǎn)矩T3T圓周力F徑向力F計(jì)算支承反力垂直面反力F軸受轉(zhuǎn)矩T許用應(yīng)力值查表16.3σ應(yīng)力校正系數(shù)σ當(dāng)量轉(zhuǎn)矩αT當(dāng)量彎矩在齒輪中間截面處M校