熱鐓機(jī)送料機(jī)械手設(shè)計(jì)-含三維及仿真（課程設(shè)計(jì)）

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方案的計(jì)算 12 第五章 三維建模與仿真 16 5.1 三維模型建立 16 5.2 運(yùn)動仿真 16 第六章 總結(jié) 17 心得體會 17 參考文獻(xiàn) 18 第一章 緒論 1.1 設(shè)計(jì)題目簡介 圖1.1 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，由電動機(jī)驅(qū)動，夾送鐓料。以方案A為例，它的動作順序是：手指夾料，手臂上擺20o，手臂水平回轉(zhuǎn)100o，手臂下擺20o，手指張開放料。手臂再上擺，水平反轉(zhuǎn)，下擺，同時手指張開，準(zhǔn)備夾料。主要要求完成手臂上下擺動以及水平回轉(zhuǎn)的機(jī)械運(yùn)動設(shè)計(jì)。圖1.1為機(jī)械手的外觀圖。 1.2實(shí)訓(xùn)目的和意義 21世紀(jì)是科技高度發(fā)達(dá)的時代，人們的消費(fèi)力不斷增加。市場對質(zhì)量可靠性能卓越的產(chǎn)品的需求大量增加，為滿足市場需求，各個企業(yè)工廠不斷建成現(xiàn)代化生產(chǎn)線，通過智能機(jī)器人來代替人力去快速高效的生產(chǎn)。各種高效率的機(jī)械手可以滿足工廠的生產(chǎn)需求，還可以克服惡劣環(huán)境完成工作。機(jī)械機(jī)械手的優(yōu)勢十分明顯.機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和不同環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間。它不但能代替部分人工操作，還能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸。同時，它還能操作必要的工具進(jìn)行焊接和裝配，它高效不間斷地工作在各種復(fù)雜環(huán)境中,從而極大改善了工人的勞動條件，顯著提高了勞動生產(chǎn)率，加快了工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐，所以機(jī)械手的研制很有必要。 熱鐓擠送料機(jī)械手，該設(shè)計(jì)全面綜合的運(yùn)用了機(jī)械專業(yè)學(xué)生在大學(xué)本科階段所學(xué)的各門專業(yè)課的知識，將這些專業(yè)課程的理論和實(shí)際進(jìn)行了一次重要實(shí)踐。鍛煉了我們查詢資料自我學(xué)習(xí)的能力，培養(yǎng)了我們創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。該設(shè)計(jì)綜合運(yùn)用了Admas、CAD、PORE等軟件，使我們對這些制圖軟件能熟悉運(yùn)用。 機(jī)械手對工業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。它的運(yùn)用，使得在惡劣環(huán)境中的生產(chǎn)工作得以繼續(xù)進(jìn)行。它可以模仿人的手部動作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動抓取、搬運(yùn)和操作，可用來搬運(yùn)物體，成在各個不同環(huán)境中的工作。在工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)械手的應(yīng)用隨處可見，無論是組合機(jī)床，還是流水線生產(chǎn)，都可以運(yùn)用機(jī)械手來進(jìn)行上下料的工作。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究是很有必要的。 1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 機(jī)械手應(yīng)用范圍十分廣泛，它常應(yīng)用與機(jī)械制造、電子、冶金、輕重工業(yè)中，機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人的一種，?它是在工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的。機(jī)械手的種類很多，常見的有液壓式、電動式、氣動式和機(jī)械式機(jī)械手。我們所設(shè)計(jì)的機(jī)械手為機(jī)械式。機(jī)械手的主要部件為手部和運(yùn)動機(jī)構(gòu)，運(yùn)動機(jī)構(gòu)用來控制的各種動作，使機(jī)械手完成上下擺動、左右回轉(zhuǎn)、伸縮、擺動等等運(yùn)動。手部是根據(jù)所要抓取的物體的形狀、材質(zhì)、大小、重量等因素來設(shè)計(jì)的。機(jī)械手的自由度影響機(jī)械手的靈活性、通用性，通常機(jī)械手自由度為4-5個，一般的專用的機(jī)械手由2-3個自由度。機(jī)械手通常用作機(jī)床、生產(chǎn)線等工作場合的上下料、換刀等工作。機(jī)械手的特點(diǎn)是工作時間長，工作精度高，抗干擾能力強(qiáng)，可以在惡劣環(huán)境中工作。 1.4國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展趨勢 機(jī)械手的未來發(fā)展方向?yàn)榇嫒斯みM(jìn)行長時間重復(fù)高精通的工作，同時替代人工在環(huán)境惡劣，高溫有毒等環(huán)境中工作。機(jī)械手的模塊化同時也是它的發(fā)展趨勢，通過模塊化處理，可以使機(jī)械手快速響應(yīng)，完成不同的工作。隨著時間的發(fā)展，機(jī)械手會變得越來越先進(jìn)，逐步向智能化、模塊化發(fā)展。 第二章 熱鐓擠送料機(jī)械手?jǐn)[臂的設(shè)計(jì) 2.1 擺臂方案A的設(shè)計(jì) 采用凸輪帶動搖桿的機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手上下的擺動。上下擺動的角度位20度。此種方式設(shè)計(jì)簡單，能達(dá)到相應(yīng)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。并且在運(yùn)動過程中出現(xiàn)問題的可能性相對較小。如圖2.1 圖2.1 2.2 擺臂方案B的設(shè)計(jì) 采用凸輪帶動連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動。通過凸輪帶動桿2，且通過連桿之間的相互作用實(shí)現(xiàn)安放在C出的機(jī)械手達(dá)到預(yù)期的運(yùn)動軌跡及線路。此方案設(shè)計(jì)相對復(fù)雜，但能滿足較高的強(qiáng)度，各桿之間受力相對均衡。如圖2.2 圖2.2 2.3 擺臂方案C的設(shè)計(jì) 采用曲柄滑塊+曲柄搖桿。通過偏心轉(zhuǎn)動帶動連桿運(yùn)動，再由連桿拉動滑塊，從而完成從動件的間歇上下擺動，使機(jī)械手完成要求的上下擺動度數(shù)的要求。如圖2.3 圖2.3 2.4 擺臂方案的確定 根據(jù)給出的設(shè)計(jì)要求可以看出，機(jī)械手臂的抓舉重量為兩2KG，方案A設(shè)計(jì)簡單，且能達(dá)到強(qiáng)度要求，并且其機(jī)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，安裝也較為容易。方案B機(jī)構(gòu)相對較多，不利于安放，并且此套裝置用于一般小型工廠，故要求其占地面積要小。方案C機(jī)構(gòu)雖然比較簡單，但是相對于A還是比較復(fù)雜的。根據(jù)綜合考慮，選取方案A作為機(jī)械手上下擺動裝置。 第三章 熱鐓擠送料機(jī)械手回轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì) 3.1 回轉(zhuǎn)裝置A的設(shè)計(jì) 采用齒輪進(jìn)行機(jī)械裝置的回轉(zhuǎn).其優(yōu)點(diǎn)為：可傳遞空間任意軸間的運(yùn)動和動力，即軸可以平行，交叉或交錯；轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，其傳動比恒定，大多數(shù)齒輪的傳動比是常數(shù)；適應(yīng)范圍廣（傳遞速度、功率范圍都大）；壽命長；效率高；結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。齒輪傳動缺點(diǎn)： 制造成本高，剛性傳動沒有過載保護(hù)作用，振動和噪音等。設(shè)計(jì)的齒輪傳動如圖3.1 圖3.1 3.2 回轉(zhuǎn)裝置B的設(shè)計(jì) 采用齒輪齒條進(jìn)行機(jī)械裝置的回轉(zhuǎn).其優(yōu)點(diǎn)為:承載力大，傳動精度較高可達(dá)0.1mm，可無限長度對接延續(xù)，傳動速度高于2m/s，齒輪齒條傳動缺點(diǎn)：傳動噪音大，磨損大。設(shè)計(jì)的齒輪齒條傳動如圖3.2所示（模數(shù)m取為1} 圖3.2 3.3 回轉(zhuǎn)裝置C的設(shè)計(jì) 采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行回轉(zhuǎn)。使用的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，使得機(jī)構(gòu)具有急回特性。但是搖桿的擺角較大，但曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動表較復(fù)雜，計(jì)算難度大，致使運(yùn)動的停歇時間難以把握，設(shè)計(jì)難度大。 圖3.3 3.4 回轉(zhuǎn)裝置方案的確定 根據(jù)綜合考慮，通過采用齒輪進(jìn)行機(jī)械裝置的回轉(zhuǎn)更加適合設(shè)計(jì)要求。B方案：齒輪齒條承載力大，傳動精度較高可達(dá)0.1mm，可無限長度對接延續(xù)，傳動速度高于2m/s滿足設(shè)計(jì)要求。綜上認(rèn)為回轉(zhuǎn)方案B作為機(jī)械手回轉(zhuǎn)裝置更好。 3.5 驅(qū)動裝置的選擇 選擇電機(jī)類型：電動機(jī)是機(jī)器中運(yùn)動和動力的來源，其種類很多，有電動機(jī)、內(nèi)機(jī)、蒸汽機(jī)、水輪機(jī)、氣輪機(jī)、液動機(jī)等。電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、控制方便、維護(hù)容易，一般機(jī)械上大多數(shù)是均采用電動機(jī)驅(qū)動。 3.5.1 常用電動機(jī)的結(jié)構(gòu)特征 （1）Y系列三相異步電動機(jī) 該系列電機(jī)能防止水滴、灰塵、鐵屑或其他雜物浸入電機(jī)內(nèi)部，它是我國近年來研制成功的型電動機(jī)。 (2)電磁條速三相異步電動機(jī) 名稱：YCD電磁調(diào)速三相異步電動機(jī)。有組合式和整體式兩種機(jī)構(gòu)，這兩種調(diào)速電動機(jī)為防護(hù)式，空氣自冷，臥式安裝，且無碳刷，集電環(huán)等滑動接觸部件。 3.5.2 選定電動機(jī)的容量 電動機(jī)的容量選得合適與否，對電動機(jī)的工作和經(jīng)濟(jì)性都有影響。當(dāng)容量小于工作要求時，電動機(jī)不能保證工作裝置的正常的工作，或使用電動機(jī)因長期的過載而過早損壞；容量過大則電動機(jī)的價格高，能量不能充分利用，且常常不在滿載下運(yùn)行，其效率和功率的因數(shù)都較低，造成浪費(fèi)。 電機(jī)的容量的主要由電動機(jī)的運(yùn)行時的發(fā)熱情況決定，而發(fā)熱又與其工作情況決定。 工作機(jī)所需工作功率，應(yīng)由機(jī)器工作阻力和運(yùn)動參數(shù)計(jì)算得來的，可按下式計(jì)算： 其中：T——工作機(jī)的阻力矩，；n——工作機(jī)的轉(zhuǎn)速，； 經(jīng)過綜合考慮決定選用Y132S—4型號電動機(jī)（電流A：11.6 轉(zhuǎn)速: 960r/mm 效率:85.5 功率因數(shù) cos?:0.82 功率:5.5kw） 3.6 循環(huán)圖的擬定 根據(jù)設(shè)計(jì)題目的要求。對機(jī)械手的運(yùn)動過程做了如下的分解。如圖3.4 表3.1 機(jī)械手 上擺20° 停止 下擺20° 停止 上擺 20° 下擺 20° 轉(zhuǎn)臺 停止 水平回轉(zhuǎn)100° 停止 停止 水平反轉(zhuǎn)100° 停止 圖3.4 第四章 熱鐓擠送料機(jī)械手方案的確定與計(jì)算 4.1 擬訂的方案 方案a：由電動機(jī)提供動力源，通過皮帶輪傳動，并分兩路。一路通過圓錐齒輪和蝸桿，使凸輪連桿運(yùn)動，從而完成安裝在連桿末端的抓手上下擺動，上下擺動的夾角為15°；另一路同樣通過圓錐齒輪傳動，再傳動給兩組不完全齒輪，通過連在轉(zhuǎn)臺上的軸，從而使轉(zhuǎn)臺完成水平110°的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。 圖4.1（1—電動機(jī) 2—機(jī)械手?jǐn)[動裝置 3—轉(zhuǎn)臺 4—抓手 5—機(jī)械手水平回轉(zhuǎn)裝置） 方案b: 分兩部分完成。一部分由電動機(jī)提供動力源，帶動凸輪轉(zhuǎn)動，從而完成機(jī)械手的上下擺動，上下擺動的角度為20°。另一部分有曲柄的回轉(zhuǎn)帶動齒條做往復(fù)運(yùn)動，從而驅(qū)動齒輪帶動中轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生角度為100°的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，而正是齒條的往復(fù)運(yùn)動，齒輪從而實(shí)現(xiàn)了正反轉(zhuǎn)。 圖4.2 方案C：由電動機(jī)提供動力源，通過皮帶傳送，一方面通過帶動錐齒輪傳動，使用的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，搖桿的擺角較大，為120°，另一方面，通過錐齒輪和直齒輪的傳動，使用偏心轉(zhuǎn)動帶動連桿運(yùn)動，再由連桿拉動滑塊，從而完成從動件的間歇上下擺動。使機(jī)械手完成要求的上下擺動15度的要求。 圖4.3 4.2 最終方案的確定與說明 根據(jù)確定的運(yùn)動運(yùn)動路線，可以確定方案B更適合設(shè)計(jì)要求，在達(dá)到設(shè)計(jì)要求的同時，其加工難度，加工花費(fèi)等性價比更高。因而選擇B方案。如圖4.4。 上下擺：凸輪加搖桿的組合； 水平擺：齒輪齒條的組合。 圖4.4 4.3 方案的計(jì)算 齒輪齒條參數(shù)選定與計(jì)算： 齒輪參數(shù)：m=1 ha*=1 c*=0.25 z=30 齒輪的齒數(shù)為30，則其分度圓直徑為30mm，齒條移動的距離L=（100/360）*2π*（30/2）=26.18，齒條長度應(yīng)大于26.18mm，故齒條長度可取40mm。 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)： 圖4.5 設(shè)曲柄AB的長為a，連桿AC長為b，A在A’位置時齒條處于最高位置，A在A’位置時齒條處于最低位置；因?yàn)樗且粋€對心曲柄機(jī)構(gòu)，則齒條移動的距離L=2a，所以a=13.09mm；要保證在運(yùn)動過程中齒條不與曲柄相碰，必須使得齒條在最低位置時兩鉸鏈的距離大于a，即b-a>a，所以可取b=30mm。 凸輪參數(shù)設(shè)計(jì) 由連桿機(jī)構(gòu)可計(jì)算出凸輪尺寸。桿AB=30mm，BC=30mm。由BC-AB*tan20 o可確定此凸輪的參數(shù)，基圓半徑r=15mm，此數(shù)據(jù)為確定凸輪輪廓線的依據(jù)。 圖4.6 傳動分析： 送料頻率為10次／min,即每次／6s;這6s可進(jìn)行如下分配： 手指夾料(1s)——手臂上擺20°(1s)——手臂回轉(zhuǎn)100°(2s)——手臂下擺20°(1s)——手指松開(1s)——手臂上擺20°(1s)——手臂反轉(zhuǎn)100°(2s)——手臂下擺20°(1s) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)在一個周期的運(yùn)動如下表所示： 表4.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動循環(huán)圖 動作序號 動作名稱 轉(zhuǎn)角（時間s） 1 手指夾料 0°（1） 2 手臂上擺 20°（1） 3 手臂回轉(zhuǎn)110° 100°（2） 4 手臂下擺 20°（1） 5 手指放料 0°（1） 6 手臂上擺 20°（1） 7 手臂反向回轉(zhuǎn)110° 100°（2） 8 手臂下擺 20°（1） 機(jī)械手臂上下擺時間為1s，此時凸輪需轉(zhuǎn)動半圈，所以凸輪的轉(zhuǎn)速為30r/min； 機(jī)械手臂回轉(zhuǎn)時間為2s，此時圓盤需轉(zhuǎn)動半圈，所以圓盤的轉(zhuǎn)速為15r/min。 傳動比分配 上下擺： 齒輪1和齒輪2 的傳動比為4，所以齒輪2和齒輪4的轉(zhuǎn)速為240r/min。齒輪4和齒輪3的傳動比也為4，所以齒輪3齒輪5的轉(zhuǎn)速為60r/min。齒輪6和齒輪5的傳動比為2，所以齒輪6和盤形凸輪的轉(zhuǎn)速都為30r/min。根據(jù)機(jī)構(gòu)的循環(huán)圖可知，手臂擺動的周期為1s，正好可以用30r/min的盤形凸輪帶動。 回轉(zhuǎn)： 同理，齒輪1和齒輪2 的傳動比為4，所以齒輪2和齒輪4的轉(zhuǎn)速為240r/min。齒輪4和齒輪3的傳動比也為4，所以齒輪3齒輪5的轉(zhuǎn)速為60r/min。齒輪6和齒輪5的傳動比為4，所以齒輪6和盤形凸輪的轉(zhuǎn)速都為15r/min。根據(jù)機(jī)構(gòu)的循環(huán)圖可知，手臂回轉(zhuǎn)的周期為2s，正好可以用15r/min的圓盤帶動。 圖4.7 第五章 三維建模與仿真 5.1 三維模型建立 圖5.1 Pro/E整體建模 5.2 運(yùn)動仿真 第六章 總結(jié) 熱墩擠送料機(jī)械手的設(shè)計(jì)不僅能減輕工人們的作業(yè)強(qiáng)度，而且還大大提高了工作效率。在如今強(qiáng)調(diào)效率與質(zhì)量的時代，機(jī)械手等產(chǎn)品也廣泛運(yùn)用在各行各業(yè)之中，為人們的生活水平的提高做出了很大的貢獻(xiàn)。 在這次設(shè)計(jì)過程中，我們掌握了很多設(shè)計(jì)知識，學(xué)會了幾個軟件的使用并有所提高。發(fā)現(xiàn)有些東西非常有用，比如AutoCAD、Pro/E，ADAMS的使用。但是也碰到了很多問題，機(jī)構(gòu)的功能不能完全掌握、傳動性不明確、運(yùn)動循環(huán)圖不清晰以及機(jī)構(gòu)不能完美的連貫起來，這些都是最重要也是最難的。 機(jī)械學(xué)作為一門傳統(tǒng)的基礎(chǔ)學(xué)科，內(nèi)容豐富，涉及面廣。目前，機(jī)械學(xué)正與電子電氣、液壓等多種學(xué)科，聯(lián)系更為緊密，它的綜合性更強(qiáng)。機(jī)械學(xué)的學(xué)習(xí)將是一個艱苦但卻值得努力的過程。 心得體會 過這次實(shí)訓(xùn)，我們收獲了很多，一方面學(xué)習(xí)到了許多以前沒學(xué)過的專業(yè)知識與知識的應(yīng)用，另一方面還提高了自我動手做項(xiàng)目的潛力。本次實(shí)訓(xùn)，對我們潛力的進(jìn)一步鍛煉,?也是一種考驗(yàn)。從中獲得的諸多收獲，也是很可貴的，是十分有好處的。在實(shí)訓(xùn)中我學(xué)到了許多新的知識。是一個讓我把書本上的理論知識運(yùn)用于實(shí)踐中的好機(jī)會,原先，學(xué)的時候感嘆學(xué)的資料太難懂，此刻想來，有些其實(shí)并不難,關(guān)鍵在于理解。 在這次實(shí)訓(xùn)中還鍛煉了我其他方面的潛力，提高了我的綜合素質(zhì)。首先，它鍛煉了我做項(xiàng)目的潛力,提高了獨(dú)立思考問題、自我動手操作的潛力，在工作的過程中，勾了以前學(xué)習(xí)過的知識,并掌握了一些應(yīng)用知識的技巧等。其欺，實(shí)訓(xùn)中的項(xiàng)目作業(yè)也使我更加有團(tuán)隊(duì)精神。 參考文獻(xiàn) 【1】《機(jī)械原理（第八版）》（主編：孫桓、陳作模、葛文杰） 【2】《機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》 18