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壓縮包內含 CAD 圖紙和三維建模及說明書, 壓縮包內含 CAD 圖紙和三維建模及說 明書, 壓縮包內含 CAD 圖紙和三維建模及說明書, 壓縮包內含 CAD 圖紙和三維建模及說明書, 多自由度直角坐標型碼垛機器人本體結構設計 Body structure design of rectangular coordinate palletizing robot with the multi-degree freedom 學生姓名 學號 所在學院 班級 所在專業(yè) 機械設計制造及其自動化 申請學位 指導教師 職稱 副 指 導 教 師 職稱 答辯時間 壓縮包內含 CAD 圖紙和三維建模及說明書, 目 錄 設計總說明 .I INTRODUCTION .II 1 緒論 .1 1.1 碼垛機器人的發(fā)展狀況 .1 1.2 研究目的及意義 .1 2 課題內容及要求 .2 21 研究目標、內容及擬解決的關鍵問題 .2 2.2 參數(shù)要求 .3 3 總體機構設計 .3 3.1 機械抓手設計 .6 3.1.1 方案選擇 .6 3.1.2 力學分析 .7 3.1.3 氣缸選擇 .9 3.2 絲桿螺母副的計算與選型 .9 3.2.1 Z 軸滾珠絲杠螺母副的計算與選型 .9 3.2.2 x 軸和 y 軸滾珠絲杠螺母副的計算與選型 .12 3.3 各軸驅動電機選型 .12 3.3.1 Z 旋轉軸電機的選擇 .13 3.3.2 Z 軸步進電機的計算與選型 .15 3.3.3 x 軸和 y 軸步進電機的選用 .17 3.4 直線滾動導軌副的計算與選型 .18 3.5 軸承的選用 .20 3.5.1 Z 旋轉軸軸承的選用 .20 3.5.2 Z 軸滾珠絲杠下端單向推力球軸承的計算與選型 .20 3.5.3 其他軸承的選用 .21 3.6 錐齒輪傳動的計算與選型 .23 4 總體支架的受力分析 .25 總 結 .29 鳴 謝 .30 參考文獻 .31 壓縮包內含 CAD 圖紙和三維建模及說明書, 設計總說明 直角型碼垛機器人是工業(yè)機器人的一種，通過對它的數(shù)控編程，它能實現(xiàn)可以在 XYZ 三維坐標系中任意一點的移動和遵循可控的運動軌跡?？梢詫崿F(xiàn)很多種碼垛的方式， 在生產線上對替代人工，提高生產效率等具備顯著的應用價值。 本課題設計的設計內容是完成多自由度直角坐標型碼垛機器人本體結構設計，此碼 垛機器人有四個自由度，用于在流水線對紙箱整齊地碼垛在托盤上，能夠快速緊湊地 碼垛?？梢酝ㄟ^快速替換機械抓手和重新編程對不同大小的物體進行快速碼垛，可以 適應不同的碼垛對象，應用廣泛。 第一步：是對國內外有關碼垛機器人領域內的研究背景和發(fā)展狀況進行了解，并了 解其研究目的及意義。 第二步:是對碼垛機器人的總體方案的選擇：通過進行了詳細的對比與選擇，找到 最合適的設計方案，最后方案采用龍門式機構，主要采用是滾珠絲桿螺母副傳動，驅 動裝置采用步進電機，可以通過數(shù)控編程改變碼垛的路線。 第三步:是通過對履帶機器人的使用情況與需求，對機構的選型與計算，主要機構 有機械抓手、滾動絲桿螺母副、直線滾動導軌副、步進電機、滾動軸承等。 第四步:是通過 Pro/E 畫出該碼垛機的總體三維結構圖，通過 CAD 畫出碼垛機總裝 配圖和其零件圖，最后通過 Pro/E 畫出該碼垛機運動仿真。 關鍵詞：碼垛機器人；絲桿螺母；步進電機 壓縮包內含 CAD 圖紙和三維建模及說明書, I INTRODUCTION Right angle type palletizing robot is a kind of industrial robot. Through the NC programming, it can move in the XYZ coordinate system of arbitrary point mobile and follow the trajectories of controllable.It can palletize in so many ways in the production line to replace the workerl, improving production efficiency and having significant application value. This time, the design content of this graduation design is to complete the multi degree of freedom rectangular coordinate palletizing robot body structure design, the palletizing robot has four degrees of freedom, used in the production line of carton packaging of product palletizing in tray.It can compact stacking quickly.It Can replace mechanical grip and re- programe of different size objects for rapid palletizing,and adapt to different palletising object, having a wide range of applications. The first step of the design is to understand at home and abroad of palletizing robot in the field of the research background and development situation, and understand the purpose and significance of the research. The second step is the selection of the overall scheme of the palletizing robot: through detaileing comparison and selection, finding the most suitable design. Finally,i chosed the gantry mechanism, the ball screw nut transmission, drive the stepper motor, through the NC programming change stacking line. The third step is through the use condition and the demand of tracked robot, selectiing and calculating of the agency, main body with mechanical grip and rolling screw nut pair, linear rolling guideways, step motor, rolling bearing and so on. The forth step is through the Pro/E to draw the palletizing machine overall three- dimensional structure, through the CAD to draw out the palletizing machine assembly drawing and the parts drawing. Finally, through the Pro / E ,i draw the palletizing machine motion simulation. KEYWORDS: Palletizing robot；Screw nut；Stepper motor 0 多自由度直角坐標型碼垛機器人本體結構設計 畢業(yè)設計說明書 1 緒論 1.1 碼垛機器人的發(fā)展狀況 目前歐、美、日的各種碼垛機器人在碼垛市場的占有率均超過了 90，絕大數(shù)碼垛 作業(yè)由碼垛機器人完成。并且基本由他們壟斷了全球市場。 我國的工業(yè)機器人在國家支持下，通過“七五”“八五”和“九五”科技攻關，并 取得了長足的進步，國外碼垛機器人在我國市場一統(tǒng)天下的局面正在被打破16。 但是，我國的工業(yè)碼垛機器人其應用水平和技術與其他發(fā)達國家相比還有很大差距， 如國外同類產品可靠性比我國高，起步較晚，運動速度和精度還有很廣提升空間。生 產線技術水平與國外相比仍有差距。和全球市場相比，碼垛機器人應用規(guī)模仍然很小， 我國還未發(fā)展成專門的產業(yè)。并且當前我國的碼垛機器人生產品種規(guī)格多，批量小， 零部件通用化程度低16。 因此迫切需要對碼垛機器人及其相關物流產業(yè)進行全面規(guī)劃，整合資源優(yōu)勢，積極 推進產業(yè)化進程。同時立足實際，完善碼垛機器人相關的產品、系統(tǒng)及結構，努力提 高我國的機器人發(fā)展水平。 1.2 研究目的及意義 人們在工業(yè)生產領域工作時，人們經常受到腐蝕、有毒氣體等因素的危害，使的 工人的工作環(huán)境很惡劣，甚至可能危及生命。但是自從發(fā)明機械人以后，相應各種難 題迎刃而解。碼垛機器人就是作為機器人其中一種，碼垛機器人是機、電一體化高新 技術的產品。碼垛機有很多種類，可以在不同的產量生產中發(fā)揮著巨大的作用?？砂?照要求的編組方式和層數(shù)，完成對各種產品的碼垛。 當碼垛機器人的自由度越高，它 能發(fā)揮的作用越大，但碼垛機使用最優(yōu)化的設計可以使得垛形緊密、整齊。作為工業(yè) 機器人的典型一種，碼垛機器人在工業(yè)應用，尤其是包裝領域正發(fā)揮著越來越大的作 用。張機器人和包裝線現(xiàn)結合，既提高了生產線的工作效率，有提高了生產線的工作 效率，又增強了運行的可靠性，減少了人力資源開支，更讓當代企業(yè)迅速適應不斷變 化的市場要求，產生巨大的經濟效益16。 1 2 課題內容及要求 21 研究目標、內容及擬解決的關鍵問題 碼垛機器人可以分為兩類，分別是直角坐標型和關節(jié)型，如圖 2-1，而我要做的碼 垛機器人要求是直角坐標型的。 圖 2-1（a）直角坐標型碼垛機器人 圖 2-1（b）關節(jié)型碼垛機器人 直角坐標型碼垛機器人是基于空間 XYZ 三軸直角坐標系編程、有三軸及以上自由度， 能夠實現(xiàn)自動控制、可重復編程反復應用，可以適合不同任務的自動化設備。它能夠 搬運物體、操作工具，以完成各種作業(yè)。 本畢業(yè)設計目標是要求掌握工業(yè)碼垛機械手的結構及工作原理，實現(xiàn)機械手的三個 方向的移動和一個方向的回轉，完成一個四自由度的直角坐標型碼垛機器人設計，要 求所設計機器人能抓取一定質量的工件（在具體設計時可以在題目中確定是何類形狀 的物體，并且手爪是氣壓驅動），完成抓取、搬運、碼放功能，并且具有較高的運動 平穩(wěn)性和重復精度。 主要內容是設計一具有四個自由度的直角坐標碼垛機器人，4 根運動軸對應直角坐 標系中的 X 軸、 Y 軸和 Z 軸, 以及 Z 軸上帶有的一個旋轉軸，能夠實現(xiàn)自動裝載和 卸載功能。各軸行程和手爪尺寸及抓取能力按需來設計。 設計內容包括機器人總體設計方案的分析確定，包括機器人的運動學分析、主體部 分結構設計和手爪的設計。 在設計過程中要考慮到很多問題，所涉及的關鍵問題有：1）機器人運動采用何種 驅動電機；2）傳動機構設計的合理和平穩(wěn)；3） 導軌布局的合理性等等。 2.2 參數(shù)要求 1） 單箱重量15KG，一次搬運兩箱，一次總搬運重量30KG。 2 2） 托盤尺寸 16001600，碼垛完了托盤上紙箱最高處到地面1700mm。 3） 行程：X 方向 2200mm, Y 方向 1700mm, Z 方向 1700mm, 水平旋轉：+90 o. 4） 最快碼垛速度可達到 1000mm/s，平均速度為 500mm/s，碼垛精度為 1mm。 5) 碼放方式的要求是在托盤尺寸內每層盡可能多地擺放紙箱，托盤四周的紙箱盡可 能平穩(wěn)，要保證運輸過程中平穩(wěn)不倒。而碼好的托盤每兩層紙箱間要向砌磚墻那樣， 盡可能地相互壓住和咬合，如圖 2-2 單數(shù)層和雙數(shù)層的擺放方式不一樣。這樣才可以 保證碼滿紙箱的托盤（最高 1.7 米）在運輸過程中平穩(wěn)。 圖 2-2（a）單層紙箱排放方式 圖 2-2（b）雙層紙箱排放方式 3 總體機構設計 設計方案初步有兩種方案：一種是懸臂式的碼垛機器人，第二種是龍門式的碼垛 機器人，如圖 2-3。 圖 2-3（a）懸臂式碼垛機器人 圖 2-3（b）龍門式碼垛機器人 因為在工作空間比較大的情況下，龍門式的碼垛機器人機構比較穩(wěn)定，機器人在工 作的時候不容易產生晃動，所以選擇第二種龍門式碼垛機器人。 X 軸和 y 軸可以近似看做 xy 工作臺。主要方案選定是 z 軸。 3 Z 軸是上下運動，有兩個方案：方案一是采用絲桿螺母形式傳動，方案二是采用齒 輪齒條形式傳動。但方案二抓手和物體的重量直接要求齒輪和齒條來承受，對齒條和 齒輪要有很大的要求，而且因為齒輪的傳動特性，會使下降和上升的速度產生齒輪的 多邊形效應。所以比較后采取方案一絲桿螺母形式傳動。 采用絲杠螺母形式也有兩方案可以選擇，第一種方案是絲杠不動，抓手和物體通過 螺母座與絲杠螺母連接做上下運動。第二種是絲杠螺母通過螺母座固定在 y 軸的工作 臺上，而絲杠的底部與抓手連接做上下運動。但第二種方案做上下運動的重量比較大， 會導致做很多無用功從而使碼垛機器人的效率降低。所以通過比較后采取第一種方案。 采用這種方案因為只受到豎直的載荷，所以不需要滾動導軌，只需要滾珠絲桿螺母副 的計算與選型。 機構簡圖如圖 2-4，三維視圖如圖 2-5 和圖 2-6。 圖 2-4 機構簡圖 4 圖 2-5 三維視圖 圖 2-6 三維視圖 5 3.1 機械抓手設計 3.1.1 方案選擇 (1)、因為碼垛機器人要求要準確的把物品放到指定的位置，要求物品能夠緊密放 置，所以機械抓手設計成一遍是固定的夾板，一邊是活動的夾板。 (2)、為了能夠有更大的夾緊力和更好的平衡性能，采用兩個氣缸提供夾緊力。 機械手的動作過程如圖 3-1 所示： 原點 下降 抓緊 X,Y,Z 和 Z 旋轉方向 運動 放松 圖 3-1 機械手的動作過程 機械抓手的三視圖如圖 3-2 和三維圖 3-3 表示： 圖 3-2 三視圖 X,Y,Z 軸和 Z 旋轉 方向的運動 6 圖 3-3 三維圖 3.1.2 力學分析 當物體受到最少夾緊力還處于加緊狀態(tài)時的受力分析如圖 3-4 所示： 7 圖 3-4 受力分析 由受力平衡得 oo NaGaF45sin45sin21 解得 , 即機械抓手要求最少的夾緊力是加緊物體重力的二分之一。題目要2G 求加緊的物體重量最大是 30kg，30kg 物體重力為 300N，則這抓手要求的最少夾緊力為 150N。 由圖可得 ，解得 =370NmF2379633F 由于使用雙氣缸，則一個氣缸提供 185N 的力即可，工廠里一般都有自己的壓縮空氣的 裝置，一般壓縮空氣的氣壓為 0.8MPa，則由壓力公式 F=PS 得 dPaN26)(108.2 解得氣缸的最少直徑為 d=0.0343m=34.3mm 8 3.1.3 氣缸選擇 根據機械設計手冊單行本氣壓傳動P22-204 表 22-4-16 選 10A-5 系列氣缸，氣 缸實體如圖 3-5 所示，該氣缸主要零件用鋁合金制造，重量輕。這里具體選用型號為 10A-5LA50B50，該氣缸為標準型，氣缸直徑為 50mm，行程為 50mm，安裝尺寸符合 ISO 國際標準。 圖 3-5 氣缸 3.2 絲桿螺母副的計算與選型 需要使用絲桿螺母副的有 z 軸、x 軸和 y 軸，x 軸和 y 軸的絲桿螺母副使用環(huán)境差不 多，可以選用同樣的絲桿螺母副，但 z 軸使用情況不一樣，需要單獨計算。 3.2.1 Z 軸滾珠絲杠螺母副的計算與選型 （1）最大工作載荷 Fm 的計算 Z 軸滾珠絲桿螺母如圖 3-6 所示，需要帶動的部分包括機械抓手、z 旋轉軸和絲桿螺 母與 z 旋轉軸連接件，估計這部分重量不會超過 800N，所以 Fz=800N，除此之外，并 沒有收到其他方向的載荷。 9 圖 3-6 滾珠絲桿螺母 計算形式可按矩形導軌方式進行，查系統(tǒng)設計課程設計指導書表 3-29，可以取 該絲桿螺母副顛覆力矩影響系數(shù)為 ，同樣可以取滾動導軌上的摩擦因數(shù)為1.=K 。求得該工作環(huán)境的最大工作載荷為：0.5= N 80 . 度G+Fy zKx Fm （2）滾珠絲桿螺母座上最大動載荷 的計算 Q z 軸的進給速度最快可達 ，我們可以初選絲杠導程為 ，則10m/s=v m 5=Ph 可以計算出絲杠最快轉速 。我們可以取滾珠絲杠螺母副的30r/inr 5/Phn 使用壽命 ，代入計算公式 ，計算出其絲杠壽命系數(shù)150h=T6T1L （單位為： 106 r）。查書系統(tǒng)設計課程設計指導書 表 3-30，可取我們27L0 的載荷系數(shù) ，滾道硬度為 HRC60，則可以取得硬度系數(shù)為 ，則求得絲.2fW 1.0=fH 桿螺母副的最大動載荷： NFfLmHQ14705 30 （3）絲桿螺母副型號的選擇 最大動載荷和初選的絲杠導程根據上面已經計算出來，可查系統(tǒng)設計課程設計指 導書表 3-31，選擇 GD 系列的 4005-4 型滾珠絲杠副，該絲桿螺母副為濟寧博特精密 絲杠制造有限公司所生產，其導程為 Ph=5 mm，公稱直徑為 40 mm，為內循環(huán)固定反向 器雙螺母式，循環(huán)滾珠為 4 圈2 列，精度等級可以取 5 級，可查得其額定動載荷為 15307N，大于上式所計算出來的 FQ，則滿足要求。 （4）所選絲桿螺母副傳動效率 的計算 從上可知公稱導程 ，直徑 ，代入公式 ，計5m=Ph40m=d )/(arctnP =0h 算得絲杠螺旋升角為 。將導軌摩擦角 和絲杠螺旋升角，代入計算公式1721 ，計算可得其傳動效率為 。)+ /tan(= 93.5% （5）滾動絲桿螺母剛度的驗算 1）Z 軸上端采用一對面對面組配的推力角接觸球軸承來固定絲杠上端，下端則采用 一對面對面組配推力角接觸球軸承，外加一個推力球軸承，上、下支承的中心距離計 算出約為 ；鋼的彈性模量可查得為 ；查書系統(tǒng)設計課70m=a Mpa 102.度ES5 程設計指導書表 3-31，可知該絲桿絲杠底徑 ，直徑 ，據此36m=d3.175m=d 可以計算出絲杠截面積為 。則可以計算出絲杠由工作載荷 作用下而引210=S F 10 起的拉/壓變形量 0.6m 度12905 .17/80=度ESFma/1 2）可以根據計算公式 ,求得單圈滾珠數(shù) ；滾珠的圈數(shù)列數(shù)-3w)Dd (Z37=Z 為 42，則可計算出得滾珠總數(shù)量 。當絲杠預緊時，可計算出軸向預緊力為= ，由書系統(tǒng)設計課程設計指導書式（3-27）計算出滾珠與螺紋滾93N=/F mYJ 道間的接觸變形量為 。0.4m 2 3）以上算出的 和 可以代入 ，求得絲杠總變形量1 21總 。由書系統(tǒng)設計課程設計指導書表 3-27 知,5 級精度滾珠6.=0.4總 絲杠有效行程在 時，行程偏差可允許達到 65m，則可見所選絲桿剛度20 足夠。 （6）滾珠絲桿螺母副的壓桿穩(wěn)定性校核 失穩(wěn)時的臨界載荷 可根據系統(tǒng)設計課程設計指導書 式（3-28）計算出來。Fk 查系統(tǒng)設計課程設計指導書表 3-34，應該取其支承系數(shù) ；由絲杠底徑1kf ，則可求得截面慣性矩為 ；當絲桿垂直安裝時，壓m 36.2=d m 842956/42dI 桿穩(wěn)定安全系數(shù) K 應取 2.5；已知滾動螺母至軸向固定處的距離 ，計算出70a 得臨界載荷 ，遠大于工作載荷 ，則所選絲杠不會失穩(wěn)。108N4. kF0N=mF 綜上所述，所選擇的 GD 系列 4005-4 型滾珠絲杠副可以滿足使用要求，其實體如圖 3-7 所示。 圖 3-7 滾珠絲杠副 11 3.2.2 x 軸和 y 軸滾珠絲杠螺母副的計算與選型 X 軸和 y 軸可以選用同樣規(guī)格的滾珠絲桿螺母副，如圖 3-8 所示，因為 x 軸所受垂 直載荷比 y 大，同樣只需要進行對 x 軸的受力分析即可，計算方式與 z 軸差不多。 圖 3-8 滾珠絲桿螺母副 （1）絲桿螺母的最大工作載荷 Fm 的計算 當抓手抓起限定最重的物品碼垛機器人以最大速度運行時，其只受到與工作臺面垂直 垂向的載荷 。已知移動部件總重量估計不大于 ，同樣可以與 z150N =Fz 20N=G 軸一樣按矩形導軌進行計算，可選 K=1.1，=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： 17.5 )+15 (0. +1. =度Gy +z Kx m （2）滾動絲桿螺母副的最大動載荷 FQ的計算 x 軸工作時的最快進給速度同樣可達到為 v=1000mm/s，絲杠導程同樣可選 Ph=5 mm，則絲杠壽命系數(shù)同樣為 L0=2700（單位為：106 r）。則可求得最大動載荷： NfFmHWQ4.29 30 （3）型號選擇 根據計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，以及 x 軸的絲桿比較長，主要受到徑 向載荷，為了保證其剛度，選擇直徑比較大的絲桿，可以選擇與 z 軸相同的濟寧博特 精密絲杠制造有限公司生產的 GD 系列 2005-3 型滾珠絲杠副，其額定動載荷為 15307 N，遠遠大于 FQ，滿足要求。 剛度的驗算與壓桿穩(wěn)定性校核與 z 軸的方式一樣，通過計算得出選擇的滾珠絲杠副 滿足使用要求。 3.3 各軸驅動電機選型 各軸都要求有一定的精度，而且需要電機自鎖，所以電機類型可以選擇為步進電機， 12 各軸所承受的載荷都有些不同，z 旋轉軸沒有起動負載而且轉速很低，z 軸有起動負載 而且移動速度快，x 軸和 y 軸沒有起動負載而且移動速度快，則電機的選型要分開計算。 3.3.1 Z 旋轉軸電機的選擇 該電機主要克服機械抓手和紙箱旋轉時的摩擦力矩，如圖 3-9 所示，而根據該部分 設計的機構知摩擦力矩為軸承的滾動摩擦，數(shù)值較小。抓手和紙箱轉動慣量很大，是 電機設計需要考慮的主要對象。 圖 3-9 電機裝配圖 （1）加在電機轉軸上的總轉動慣量 Jz 的 計算 抓手最大質量為 10kg，容許抓取質量為 30kg，其轉動慣量的計算可近似認為 40kg 紙箱為 400mm100mm100mm 的長方體，則長方體繞 Z 軸的轉動慣量為： Jz=m(a2+b2)/12 （3-1） 式中 a=40cm，b=10cm，m=40kg，則 。22567kg.cm0.498kg.=Jz 可以初選 z 旋轉軸的步進電機型號為 130BYG2502，該電機為兩相混合式，二相四拍驅 動時步距角為 ，查系統(tǒng)設計課程設計指導書表 4-5 查到該型號電機轉子的轉o0.9 動慣量為 ，則可計算出加在步進電機轉軸上的總轉動慣量為248kgcm=J 2571kg.cm=Jz+Jep （2）加在電機轉軸上的等效負載轉矩 Tep 的計算 其最大的等效負載轉矩為快速啟動時電機轉軸所承受的負載，則 13 = （3-2）eqTmax 在考慮傳動鏈的總效率 上，可以計算快速起動時旋轉部件折算到電機轉軸上的 最大加速轉矩我： （3-3） 1602maxameqtnJT 式中 對應最快移動速度的電機最高轉速，其單位為 r/min；mn 步進電機由靜止到加速至最高轉速所需的時間，其單位為 s。at Z 旋轉軸主要是帶動著抓手和紙箱沿電機中心的轉軸運動，因為這部分的轉動慣量 過大，速度不宜過快，因此為了安全，最高的旋轉速度可達到為 ，但平時工作/10o 的速度平均為 。則換算電機的轉速最高速度為 。/s30o 7r/min= 假設該步進電機由靜止到加速至最高轉速所用時間為 =0.4s，傳動鏈總效率 。at 0.9= 則由式（3-3）計算得： mNTax .8329.0461752meq （2）步進電機最大靜轉矩的選定及電機的初選 當輸入電壓降低時，步進電機的驅動電源受電網電壓影響較大，其輸出轉矩會下降， 可能會造成丟步，甚至可能堵轉。因此，選擇步進電機時，需要考慮安全系數(shù)。本工 作環(huán)境可取安全系數(shù) K=4，計算出步進電機的最大靜轉矩應滿足： (3-4)m1.32N=2.84 Tjmax 初步選擇的步進電機型號為 130BYG2502，查系統(tǒng)設計課程設計指導書表 4-5 得 該型號電機的最大靜轉矩為 ?？梢?，所選的電機滿足（3-4）式的使用40 Tjax 要求。 （4）所選用步進電機的性能校核 1）最快轉動電機輸出轉矩校核 給定工作臺最快空載移動速度 ，其步進角為 可求出電機對應17r/min=度o0.9/ 的運行頻率 。由圖 3-10 查得，此頻率運行的電機輸出轉680Hz 17360/.9=maxf 矩 ，大于 ，滿足其使用要求。1NT2.3NeqT 2）最快旋轉時電機運行頻率校核 14 電機運行最高頻率為 。查書系統(tǒng)設計課程設計指導書表 4-5 可知680Hz=maxf 130BYG2502 步進電機的極限運行頻率為 1500Hz，則沒有超出限度。 3）步進電機的起動頻率計算 從上可以知道 ， ，當電機轉軸不帶任何負載時的2567kg.c=Jeq48mJ2ckg 最高起動頻率為 。則可求出步進電機克服慣性負載的起動頻率：10HzfJffmeqL381 則要想保證步進電機起動時保證不失步，任何時候的起動頻率都要求必須小于 138Hz。要使起動頻率選得更低，可以采用軟件升降頻，其通常只有 100Hz。 從上面一系列計算可知，z 旋轉軸選用 130BYG2502 步進電機，可以完全滿足設計 使用要求。 圖 3-10 步進電機的運行矩頻特性130BYG25 3.3.2 Z 軸步進電機的計算與選型 Z 軸是電機是要求帶負載快速啟動，與 z 旋轉軸電機的選型計算不一樣，如圖 3-11 所示。 15 圖 3-11 z 軸電機裝配圖 （1）加在步進電機轉軸上的總轉動慣量 的計算 eqJ 滾珠絲杠總長 l =1700mm，移動部件總重量 G=800N，其他參數(shù)同 z 旋轉軸;同樣算 得各個零部件的轉動慣量如下：上下運動的部分折算到絲杠上的轉動慣 0.51=WJ ，滾珠絲杠的轉動慣量 。因為 z 軸的移動速度很快，不需要減2cmkg 2.8=SJ2cmkg 速器，直徑與絲桿進行連接，又因為要承受著載荷起動，要選擇轉矩比較大的電機， 初選可以與 z 旋轉軸相同的步進電機型號為 ，則加在步進電機轉軸上的130BYG5 總轉動慣量可計算得 eqJmWSJ2.8+054ckg249.=ckg （2）加在步進電機承受最大工作負載時快速起動時的負載的計算 負載轉矩 總共包括三部分：第一部分是移動部件在運動時折算到電機轉軸上的eqT 摩擦轉矩 ；第二部分是機器快速起動時折算到電機轉軸上的最大加速轉矩 ；第f maxT 三部分是負載折算到電機的最大工作負載轉矩 ，則有：tT = + + （3-5）1eqTmaxft z 軸移動速度最快為 1000m/s，選用的絲桿螺母導程為 Ph=5mm，則 nm=1000/5=200r/s=12000r/min。 設步進電機由靜止到加速至最快轉速所需時間 =1s，傳動鏈總效率at 。0.84=.935 16 則同樣由式（3-3）求得： mNTa .478.01624.92mx （3-6）i PGFThf2)( .3.5)80(5. 負載折算到電機轉軸上的最大工作負載轉矩： m.80.18.025tf Nih 最后由式（3-5）可以計算出： = + + =8.2N （3-7）eqTmaxftT 步進電機最大靜轉矩同樣為負載轉矩乘以安全系數(shù) 4，即為 (3-8)m32.8N= 8.4 j 130BYG2502 型號電機的最大靜轉矩 。則選用的電機滿足（3-0=Tjax 8）式的使用要求。 步進電機的性能校核同 z 旋轉軸的校核方式一樣，最后校核出該步進電機符合使用 要求。 3.3.3 x 軸和 y 軸步進電機的選用 X 軸和 y 軸都是水平放置，都沒有收到竟給方向的負載，如圖 3-12 所示。 圖 3-12 電機三維圖 17 計算加在步進電機轉軸上的總轉動慣量 eqJ 滾珠絲杠總長 l =2200mm，電機通過兩副 90o錐齒輪傳動給絲桿；移動部件總重量 G=2500N。同樣可以算得各個零部件的轉動慣量如下：滾珠絲杠的轉動慣量 =3.6SJ 7，上下運動的部分折算到絲杠上的轉動慣 =1.58 ，兩斜齒輪估計傳2cmkg WJ2cmkg 動慣量不會大于 JZ=80kg.cm2。初選步進電機型號為同樣可以為 130BYG2502，則加在步 進電機轉軸上的總轉動慣量為 = + + 2+ = =83.18eqmWSzJ 230+.61.58+4ckg2ckg 同理，根據 z 軸選用電機的方式進行計算，可以計算出得出加在步進電機上的最大 等效負載轉矩為 Teq=12.2N.m，因為 y 軸的受到的負載比 x 軸的要小，y 軸選用 130BYG2502 的電機一樣符合使用要求。 綜上所述，各軸選用的電機型號都為 130BYG2502 步進電機，電機外形如圖 3-13 所 示。 圖 3-13 電機實體圖 3.4 直線滾動導軌副的計算與選型 直線滾動導軌副用于 x 軸和 y 軸，承受垂直的載荷。 （1）計算滑塊承受工作載荷及選取導軌型號 影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素通常是工作載荷。本設計中的 x 軸和 y 軸 都為為水平布置，y 軸是采用雙導軌、四滑塊的支承形式，如圖 3-14 所示，而 x 采用 左右兩個導軌模塊，每個也是采用雙導軌、四滑塊的支承。 18 圖 3-14 直線滾動導軌副 x 軸和 y 軸采用相同規(guī)格的導軌副，因為 x 軸受到的載荷最大，則只需要 x 軸的選型 計算即可。工作時，其不利的情況是一個滑塊承擔垂直于臺面的全部工作載荷，可計 算出這個單滑塊所受的最大垂向載荷為： （3-9） FGPC4 其中，移動部件重量約為 ，外加載荷 F= Fz=1500N（z 軸上下運動時產生20N度 的沖擊）載荷，代入（3-9）式得最大工作載荷 。查書本系統(tǒng)設2kN=150Fmax 計課程設計指導書表 3-41，可以初選直線滾動導軌副的型號為 KL 系列的 型，直線滾動導軌副的額定靜載荷 ，其額定動載荷LG35-JSA47.C0a 。由直線滾動導軌副標準長度，可以選取導軌的長度為 。kN .1=Ca 20m （2）計算距離額定壽命 初選的導軌副的滾道硬度可以取 ，在工作時，溫度不會大于 100，每根導HR6 軌上配有兩只滑塊，其導軌副可取 4 級精度。查書本系統(tǒng)設計課程設計指導書表 3-36 至表 3-40，得 度1.5= 0.9=度0.81=01 則可以計算出其距離壽命： km302)f(maxFCLWRTH 計算結果遠大于期望值 50km，則該選用導軌副符合其使用要求，其實如圖 3-15 所示。 19 圖 3-15 導軌副 3.5 軸承的選用 3.5.1 Z 旋轉軸軸承的選用 Z 旋轉軸只受到軸向力的載荷，所以選擇單向推力球軸承，其軸向當量動載荷 Pa=Fa，F(xiàn) a為軸承所承受的最大軸向力，由于抓手和物體最大重量小于 40kg，則可認為 其軸向當量動載荷 Pa=350N，為了適應其總體機構大小，選擇軸承型號為 51108，其軸 承基本額定動載荷為 62.8kN350N。 其滾動軸承的基本額定壽命為 L10= = =3869893106r PC340628 軸承安裝形式如圖 3-16 所示: 圖 3-16 單向推力球軸承裝配圖 3.5.2 Z 軸滾珠絲杠下端單向推力球軸承的計算與選型 同樣，絲桿只受到軸向力的載荷，所以選擇單向推力球軸承，其軸向當量動載荷 Pa=Fa，F(xiàn) a為軸承所承受的最大軸向力，可采用滾珠絲桿的最大動載荷，則可認為其軸 向當量動載荷 Pa=14705N，為了適應其總體機構大小，選擇軸承型號為 51203，其基本 20 額定動載荷為 27.2kN14705N。 其滾動軸承的基本額定壽命為 L10= = =6.3106r PC3147052 其軸承的安裝形式如圖 3-17 所示和實體圖片如圖 3-18 所示： 圖 3-17 單向推力球軸承裝配圖 圖 3-18 單向推力球軸承實體圖 3.5.3 其他軸承的選用 每個絲桿螺母兩端需要采用一對面對面組配的推力角接觸球軸承，而經過通過以上 方式的計算都可以采用 7305B 型號的角接觸球軸承。同樣，錐齒輪軸兩端也要采用一 對面對面組配的推力角接觸球軸承，同樣經過計算都可以采用 7305B 型號的角接觸球 軸承。則這里要用 16 個 7305B 型號的角接觸球軸承，安裝方式如圖 3-19、圖 3-20、 圖 3-21 所示： 21 圖 3-19 軸承裝配圖 圖 3-20 軸承裝配圖 圖 3-21 軸承裝配圖 22 3.6 錐齒輪傳動的計算與選型 X 軸的簡圖如圖 3-22 所示，錐齒輪的安裝方式圖 3-23 所示，和錐齒輪參數(shù)如圖 3- 24 所示。 圖 3-22 x 軸簡圖 1、電動機； 2、錐齒輪 z1； 3、錐齒輪 z2； 4、絲桿 圖 3-23 齒輪裝配圖 23 圖 3-24 齒輪參數(shù)圖 （1）錐齒輪的初定 已知電機的輸出轉矩最大為 12.2N.m，其最高轉速 12000r/min，平均轉速為 6000r/min，由電機驅動，工作壽命為 15 年（設每年工作 300 天），兩班制。 1）斜齒輪 z1 和 z2 的規(guī)格相同，所以傳動比為 1:1； 2）選取齒輪齒數(shù)為 Z=40； 3）本碼垛機工作速度、功率不高，選用 6 級精度； 4）選擇材料為 40Cr，調質處理，硬度 HBS=241286。 （2）按齒面接觸疲勞強度計算： 1）因為錐齒輪以大端參數(shù)為標準值，依據齒寬中點處的當量齒輪作為強度計算來進 行計算。 初擬齒寬系數(shù) ，取載荷系數(shù) ，節(jié)錐角為 =45 o，HBS=260,查機0.3=R1.2=K 械設計P211 圖 10-25 得 Hlim=539Mpa。 2）由書本機械設計P203 圖 10-20 可以查到得齒輪區(qū)域系數(shù) ZH=2.5，同樣由機 械設計P202 表 10-5 得材料的彈性系數(shù)影響系數(shù)為 ZE=189.8MPa1/2 3）選取接觸疲勞強度壽命系數(shù)。取安全系數(shù)為 S=1.0 計算應力循環(huán)次數(shù) N=60n1jLh=6060001（2830015）=2.59210 10 查機械設計P208 圖 10-23，得 KHN=1。 4)計算接觸疲勞許用應力 許用接觸應力為： H=KHNlim/S=539MPa 5）按齒面接觸強度設計傳動 m4.5938.15.2.0513.024 )().( 233 221 ）（）（ HERZuKTd 24 齒輪模數(shù) m485.109mZd （3）按齒根彎曲疲勞強度計算： 對齒輪取 HBS=260，按線性插值得彎曲疲勞極限為 MPaF 5.241)06(235718lim 許用應力： 查機械設計圖 10-17，得 YFa=2.77 PaSKFN186lim 049.7.2aY m82.1861203. 7.)35.(14.051).(.32321 FRaRuZYKTm （4）綜上所述，應取模數(shù)較大值 m=2 （5）齒數(shù)參數(shù)的計算 齒輪的當量齒數(shù) 57.64205OOCSZr 分度圓直徑 d=Zm=402=80mm 齒寬 ，圓整取 b=17mmm9.12603.21udbR （6）主要設計結論 從動與主動兩個齒輪參數(shù)一樣，齒數(shù) Z=40，模數(shù) m=2mm，分錐角 =45 o，齒寬 b=17，分度圓直徑為 80mm，齒輪采用 40Cr（調質）。齒輪按 6 級精度設計。 4 總體支架的受力分析 對支架的受力分析，主要是校核導軌底座的強度，底座如圖 4-1，因為這機器人的 主要載荷都是有導軌底座承受的，這里要分別對 x 軸和 y 軸的導軌底座的受力分析。 25 圖 4-1 導軌底座三維裝配圖 （1）y 軸的受力分析 y 軸有兩個導軌底座，y 軸只承受的最大的垂直載荷約 3000N，則單個導軌底座承 受的最大的垂直載荷約 1500N，導軌底座的材料為鑄鐵，當 y 軸移動的中間時，某一截 面能得到最大拉應力和最大壓應力。導軌底座的截面鑄鐵梁的載荷和截面尺寸如圖 4-2 和圖 4-3 所示，鑄鐵的抗拉許用應力為t=30MPa，抗壓許用應力為c=160MPa。 已知截面對形心軸 x 軸的慣性矩為 Ix=144.2400104mm4，且y1=31mm。 圖 4-2 導軌底座截面圖 圖 4-3 導軌底座受力分析 26 由平衡方程求出梁的支座約束力為 F1=0.75KN F2=0.75KN 做彎矩圖如圖 4-4 所示： 圖 4-4 彎矩圖 最大的載荷在中間的截面，該截面的彎矩為 M1=1.50.9=1.35kNm，最大拉應力在 截面的下邊緣各點，最大壓應力在截面的上邊緣各點，拉應力求得： 78.11078.)10(24. 1033)1035.(MCy2t 64233 tMPaPammNIx 同理計算出最大壓應力沒有超過許用應力，強度條件滿足的。 （2）x 軸的受力分析 同理 x 導軌底座的截面鑄鐵梁的載荷和截面尺寸如圖 4-5 和圖 4-6 所示 圖 4-5 x 軸導軌底座受力分析 27 圖 4-6 x 軸導軌底座截面圖 同理計算出 x 軸導軌的最大拉應力沒有超過許用應力，最大壓應力沒有超過許用應 力，強度條件滿足的。 28 總 結 本設計是通過運用了大學四年的專業(yè)知識，還有課外海量的擴展知識而得出的結 晶。同樣還需要一定的創(chuàng)新精神，和在同學和老師的無私幫助下克服各種難題而得出 的結果。通過這次畢業(yè)設計，使我對以前學到的專業(yè)知識進一步鞏固和深入理解，和 知道了知識的可貴，并提高了自己的創(chuàng)新設計能力。本設計主要完成下面主要工作。 （1）、簡要介紹了國內外有關碼垛機器人領域內的研究背景和發(fā)展狀況，并闡述 了本論文所設計直角坐標型碼垛機器人的設計思路。 （2）、通過方案對比確定最終適合的方案，并對各部件的計算和選型，和對某些 構件部件的強度校核。 （3）、通過 cad 畫出總裝配圖和零件圖，和 pro/E 畫出三維模型。 鳴 謝 29 鳴 謝 參考文獻 30 參考文獻 1 尹志強.系統(tǒng)設計課程設計指導書M. 北京：機械工業(yè)出版社，2007.5. 2 濮良貴，陳國定，吳立言.機械設計第九版M.北京：高等教育出版社， 2013.5. 3 劉雄文.材料力學第五版M.北京：高等教育出版社，2011.1. 4 王少懷.機械設計師手冊上冊M.北京：電子工業(yè)出版社，2006.8. 5 王少懷.機械設計師手冊中冊M.北京：電子工業(yè)出版社，2006.8. 6 成大先.機械設計手冊單行本機械傳動M.北京：化學工業(yè)出版社，2004.1. 7 吳宗澤.機械設計實用手冊M.北京：化學工業(yè)出版社,1999. 8 李洪.實用機床設計手冊M.遼寧：遼寧科學技術出版社,1999. 9 成大先.機械設計手冊第三版M.北京：化學工業(yè)出版社,2001. 10 盧秉恒,趙萬華,洪軍.機械制造技術基礎M.北京：機械工業(yè)出版,2006. 11 余達太，馬香峰.工業(yè)機器人應用工程M.北京：冶金工業(yè)出版社，2005. 12 李曉剛，劉晉浩.碼垛機器人的研究與應用現(xiàn)狀、問題及對策J.包裝工程， 2011(2). 13 李成偉，貧超。碼垛機器人機構設計與運動學研究J.機械設計與制造. 2010（06）. 14 李金泉，楊向東，付鐵.碼垛機器人機構與控制系統(tǒng)的設計M.北京：北京 理工大學出版社，2011. 15 丁黎光，陳小泉，李伯勝.我國包裝碼垛機械的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.廣西工學院 學報，2011（12）. 16 董春利.機器人應用技術M.北京：機械工業(yè)出版社,2015.