1、 设计题目： 装箱机械手 能动学院 流体专业 1201 班 设计者： 潘信宇 学 号： 3120201112 指导教师： 孙建荣 2014 年 12 月 31 日 机械原理课程设计 说明书 - 1 - 目 录 1.课程设计的目的 - 2 2.设计题目及设计要求 -2 2.1 概述 -2 2.2 设计参数 -2 3.装箱机械手设计的基本步骤与工作流程 -3 3.1 装箱机械手设计的主要步骤 -3 4.设计任务 -3 5.设计说明 -3 6.工作要求 -3 7.设计方案 -4 7.1 题目分析 -4 7.2 方案介绍 -5 7.3 最优方案详细分析 -7 7.4 机械手抓设计 -11 8.动力设计
2、 -11 9.总结 -12 10.参考文献 -12 11.附 1 号图纸两张 - 2 - 1.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，从而培养学生分析问题和解决问题的能力。 （ 2） 通过对装箱机械手机构方案的拟定及其机构简图设计，增加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的能力。 2.设计题目及设计要求 2.1 概述 在某装箱机械手机构中，要求其手的运动按简图所示 JKLM， MLKJ 线路往复运动，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
3、段为物料下降放入集装箱内。因为 LM 段是手抓放料于箱 内，故对其直线度要求较高。 KL 段若较平直可提高装箱稳定性，但稍有误差问题不大。 JK 段是从输送带上抓取物料，直线度要求不高，只要能将物料提升到 c 的高度即可。返回时要求按原路逆着走。 2.2 设计参数 满足预期轨迹尺寸为 : a=120mm， b=600mm， c=50mm， d=1000mm， 物料提升重量为 : m=2kg。 - 3 - 3.装箱机械手设计的基本步骤与工作流程 3.1 装箱机械手设计的主要步骤： 1、 确定课题 2、 研究内容 3、 制定方案 4、 查询资料 5、 按要求确定硬件配置 6、 设计系统结构 7、
4、记录结果并分析 8、 总结 4.设计任务 (1)根据上述设计要求，小组讨论并最终给出三种设计方案，并画出设计简图。每人选取其中最优的方案进行设计，对主题机构进行运动分析，并按 1:1 尺寸（ 1 号图纸）绘出相应的机构运动简图，且需标出极限位置。 (2)查询机械抓手相关资料，提供一套抓手开合机构的运动方案设计。 (3)每人编制一份设计说明书，设计方案均需写入说明书，各设计方案及其优缺点比较均应写入说明书（封面、目录、内容、展望、参考书目）内。 5.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
5、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、使用性能、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。 6.工作要求 (1)设计图纸准确、布局均匀，图上线条、符号、尺寸标注及书写字体（仿宋体）要求规范，图面整洁。 (2)说明书要求 论述内容完整，步骤清除，分析有条理，字迹工整，方案合理，装订成册。 (3)设计应按预定进度进行，每天必须按时到设计教室，及时完成任务，不准无故迟到，早退，旷课，不做与设计无关的工作。 - 4 - 7.设计方案 7.
6、1 题目分析 装箱机械手主要分为三种运动方式：上下移动、左右移动、静止抓取放开。机械手的设计目的就是为了代替人工提高效率，因此需要每个步骤都需要在保证稳定准确的前提下最大程度的利用时间。因此我们首先对这三种运动进行简要分析。 (1)上下移动 机械手分上下运动，每种运动又分 50mm 和 120mm 行程。 因此，要求上下过程都要保证很高的精度，以此来保证抓取重物的准确性。 已知 J 处为抓取重物点， M 为放下重物点。 由图可知 M-L、 K-J 为未抓取重物过程， J-K、 L-M 为已抓取重物过程，因此设计时可以考虑未抓取时速度可以加快以节省时间，抓取重物时速度稍慢以保证重物准确安全运送。
7、 (2)左右移动 左右移动行程为 600mm，对水平运动直线度要求可以稍低 ，并且行程较大可以使用放大机构 。 左右移动过程 同样分为未抓取重物的 L-K 段，和已抓取重物的 K-L 段。因此，也可设计成快慢两种速度 来 分别满足各自的设计目的。 (3)抓取过 程 抓取过程要求手抓只能做开合运动而位置为了保证准确抓取放下因此不能改变。 考虑到抓取放下需要一定时间，需对移动控制加上休止过程。 综上分析，我们在机构选择时需要考虑休止，快慢，放大行程等问题。另外，如使用电动机带动可能需要使用减速装置等。 - 5 - 7.2 方案介绍 （ 1）方案一 本方案采用剪 叉式机构进行机械手的水平及竖直移动，
8、同时此机构又可以起到放大作用，只需外动力给予很短的行程便可对机械手进行较大范围的移动。另外，剪叉式机构运行平稳，结构 紧凑 坚固，承载量大， 安装 方便，配合凸轮可以在不同位置进行快慢行走。本方案采取两个凸轮分别带动剪叉式机构进行水平、竖直移动，能够达到预期的设计效果。 但是，设计初衷只是进行 2kg 的重物近距离的搬运， 造成 此方案组成机构稍复杂， 粗大笨重， 因此成本较高， 同时 清理保养相对麻烦。 - 6 - （ 2）方案二 本方案思路来源于老师课上讲到的水平搬运重物过河。 鹤式起重机，学名叫做 四连杆门座式起重机、门座起重机。只可以做水平运行，水平回转 。本方案利用 此四连杆机构对机
9、械抓进行 近似水平移动。而且，也可以起到放大作用及速度控制的效果。此方案也可利用配重设计来达到平底一直与凸轮接触 从而准确传动。 同时， 也发现此四连杆机构工作时需要的空间较大，显得笨重。 对于 本 设计初衷 ， 应使用 更加 轻巧 简便 ， 占用 空 间 小 的 设计 方案 。 - 7 - （ 3）方案三 本方案是对老师提供的方案的稍许改进。此方案结构简单，构造合理，安装保养经济方便，运行稳定，对于搬运 2kg 重物十分适合。利用凸轮和杠杆原理进行抓手的移动和休止，机构占用空间小，十分轻巧。 因此，选取方案三为最优方案。 7.3 最优方案详细分析 首先，考虑运动轨迹，选取极限位置 M 为原点
10、建立 X-Y 坐标系。 - 8 - 设定 12s 为一个周期，考虑机械手是否已抓取重物对各行程进行时间分配，列表格如下 序号 移动方式 移动段 位移 /mm 时间 /s 凸轮对应角 /度 有无重物 1 上 M-L 120 1 030 无 2 右 L-K 600 2 3090 无 3 下 K-J -50 0.5 90105 无 4 休止 0 1 105135 抓取 5 上 J-K 50 1 135165 有 6 左 K-L -600 3.5 165270 有 7 下 L-M -120 2 270330 有 8 休止 0 1 330360 放下 根据简图左凸轮控制上下运动，右凸轮控制左右运动。选取
11、左杠杆 1： 5 放大比例，右杠杆 1： 15 放大比例，凸轮推程线图如下： - 9 - 根据整体设计，由于重力作用，左凸轮转子会一直和凸轮表面接触传动，而右边则需设计成槽轮来控制转子的移动。凸轮设计如下： 左凸轮（基圆 30mm） 右槽轮（基圆 40mm） - 10 - 整体设计如下，详 见 1 号图纸： 在 机械手 的 工作 区域 内 ， 不能有 东西 挡住 其 移动 。 在 方案 三 的 设计 中 ， 将 凸轮 的 尖顶 改为 滚子 。 另外 ， 也 对 连杆 做了 一些 改进 ， 以保证 转子 与 凸轮 紧密 的 贴合 。 在 右 凸轮 的 选择上 ， 曾 提出 用 弹簧 加 凸轮 方
12、法 ， 最后 还是 使 用了 槽轮 代替 二者 ， 增加 使用的 安全 性 和 稳定性 。 这样 ， 即使 出现 停电 或者 电机 停转 等 问题 ， 重物 也不会 掉下 或 水平 移动 。 - 11 - 7.4 机械手抓设计 如 上 图为同步抓斗，结构简单，抓取牢固， 反映 快 速 ， 效率较高 ， 可以满足设计 中 对 机械手 的 要求。 抓斗 的 颚瓣 可 根据 重物 的 形状 大小 进行 具体 的 设计 ， 本方案 对此 不再 具体分析 。 8.动力设计 （ 1） 整体 动力设计 ： 方案需电机带动，考虑到凸轮正常转动的速度，应采用减速装置。假定电机转速为 1000r/min，选择 2
13、00： 1 的传 动比。这样，凸轮每分钟运行 5 个周期，即每转 12s，每分钟进行 5 次抓物过程。 另外 ， 为了 保证 两凸轮 的 同步 运行的 准确性 ， 确保 机械手 移动和抓取 的 同步 ， 两凸轮 采用 同步 带传动 ， 使用 同一个 电机 驱动 。 （ 2） 机械手 的 动 力 系统 ： 为了 保证 机械手 运行 中 重物 的 安全 ， 需要 有 自锁 机构 。 所以 ， 动力 系统 中 采用 涡轮 蜗杆 装 置 ， 以 充当 自锁 作用 。 - 12 - 9.总结 本次 机械原理 课程 设计 以 装箱 机械手 为 题目 ， 从 小组 提出 的 三种 方案中 选出一个 进行优化
14、 设计 给出 最终 的 方案 。 通过 这次 设计 ， 对 机械原理 课程 的 知识 进行了 一次 梳理 ， 并 进行了 一次 系统 化 的 使用 ， 对 原理 有了 整体性 的 掌握 。 通过 绘出简图 ， 了解 并 掌握了 简单的 绘图 方法 及 技巧 ， 为 更高的 绘图 任务 打下 基础 。 在 小组 讨论中 ， 大家 交流 思想 ， 分享 灵感 ， 提出 看法 ， 指正 问题 ， 学习到了 很多 平时很难 注意 的 细节 。 老师 整体 的 指导 ， 大方向 确定 ， 减少了 很多 麻烦 ， 各项 任务 也能 十分 正规 的 完成 。 当然 ， 自身 知识 的 局限 很难 设计出 完
15、美 的 方案 ， 很多 的 不足也 需 老师 的 悉心 指点 。 这次 设计 任务 ， 收获很大 ， 很多 东西 ， 只有 亲手 去做 才知难易 ， 才知 问题 。 10.参考文献 1 马履中 .机械原理 与 设计 （ 上册 ） .北京 :机械教育 出版社 ,2011 2 马履中 .机械原理与设计（ 下 册） .北京 :机械教育出版社 ,2011 3 裘 建 新 .机械原理 课程设计 指导书 .北京 :高等 教育出版社 .2005 4 赵满平 , 舒启林 .机械 原理课程设计 .北京 :北京理工大学出版社 ,2014 5 邹慧君 , 张青 .机械原理 设计 手册 . 北京 :高等教育出版社 ,2010
