軸式組合機械臂的機械結構設計與仿真設計,組合,機械,結構設計,仿真,設計 機械畢業(yè)設計免費下載 I 摘 要 移動機器人作為機器人學發(fā)展中的一個重要分支，是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策 與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。機械臂是機器人的重要組成 部分，他是機器人的執(zhí)行機構，組合式機械臂是由若干一維機械臂以不同夾角組合而 成，可實現(xiàn)機械臂的直線伸縮，或在 X-Y 平面移動，或在 X-Y-Z 空間定位等功能，以 滿足不同場合下的需要。 本文針對移動機器人組合式機械臂進行設計，首先進行總體的設計方案，擬定螺 旋傳動副為一維機械臂傳動方案，對方案進行特點分析，然后針對關鍵傳動件設計， 選擇電動機，對重要零件進行強度校核，對軸和軸承的壽命進行計算校核，最后對重 要零部件進行結構設計，包括材料的選擇、尺寸的確定、結構工藝性的滿足、以及與 其他零件的配合的要求等。 關鍵詞：一維機械臂，組合機械臂，移動機器人，X-Y 平面 機械畢業(yè)設計免費下載 II Abstract Mobile robot is an important branch of robotics development, is a comprehensive system including environment detecting, a variety of dynamic decision and planning, action control and execution in one. Manipulator is an important part of the robot, he is the executive body of the robot, the combined mechanical arm is composed of several one-dimensional manipulator with different angle combination, linear expansion can realize mechanical arm, or move on the X-Y plane, or function in X-Y-Z space positioning, to meet different occasions. In this paper, the mobile robot combined mechanical arm design, firstly, the overall design scheme, make the spiral transmission pair transmission scheme of one-dimensional mechanical arm, characteristics analysis of the scheme, then the motor selection for key transmission parts, design, strength check of important parts, the life of the shaft and bearings are calculated, finally the structural design of the main parts, including material selection, determine the size, structure, and meet the demand for cooperating with other parts etc.. Key Words: One-dimensional mechanical arm, mechanical arm, mobile robot, X-Y plane 機械畢業(yè)設計免費下載 III 目 錄 摘 要 .........................................................................................................................................I ABSTRACT..............................................................................................................................II 目 錄 ......................................................................................................................................III 第 1 章 緒論 ...............................................................................................................................1 1.1 常見電池型號及尺寸 .......................................................................................................1 1.2 機構 ...................................................................................................................................2 1.3 包裝機的作用 ...................................................................................................................2 1.4 中國包裝機械的發(fā)展 .......................................................................................................3 1.5 本課題研究目的和要求 ...................................................................................................4 第 2 章 整體方案設計 ...............................................................................................................5 2.1 設計參數(shù)與技術要求 .......................................................................................................5 2.2 電池包裝機的傳動原理 ..................................................................................................5 第 3 章 傳動設計與計算 ...........................................................................................................7 3.1 電動推桿設計計算 ...........................................................................................................7 3.1.1 伺服電機的選擇 .......................................................................................................7 3.1.2 滑動螺旋副的計算 .................................................................................................10 3.1.3 聯(lián)軸器的選用 .........................................................................................................13 3.2 膠輥設計 .........................................................................................................................14 3.2.1 微型電機選擇 ..........................................................................................................14 3.2.2 微型皮帶輪傳動設計 ..............................................................................................15 第 4 章 主要零部件結構設計 .................................................................................................17 4.1 機架設計 .........................................................................................................................17 4.1.1 機架設計準則 ..........................................................................................................17 4.1.2 機座主體設計 .........................................................................................................18 機械畢業(yè)設計免費下載 IV 4.2 包裝袋托架設計 ............................................................................................................18 4.3 集料槽設計 ....................................................................................................................19 4.4 軸承選擇與校核 .............................................................................................................20 4.4.1 軸承校核的概念及方法 .........................................................................................20 4.4.2 電動推桿處軸承校核 ..............................................................................................21 第 5 章 安裝檢驗及使用維修 .................................................................................................22 5.1 檢驗規(guī)則 .........................................................................................................................22 5.2 包裝機安裝 ....................................................................................................................22 5.3 設備調整 ........................................................................................................................22 5.4 使用操作 .........................................................................................................................22 5.5 維修保養(yǎng)和故障排除 .....................................................................................................22 總結 ...........................................................................................................................................23 參考文獻 ...................................................................................................................................24 致 謝 .........................................................................................................................................25 軸式組合機械臂的機械結構設計與仿真 1 第 1 章 緒論 1.1 機器人的發(fā)展史 機器人的歷史并不算長，1959 年美國英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺工業(yè) 機器人，機器人的歷史才真正開始。英格伯格在大學攻讀伺服理論，這是一種研究運 動機構如何才能更好地跟蹤控制信號的理論。德沃爾曾于 1946 年發(fā)明了一種系統(tǒng)， 可以“重演”所記錄的機器的運動。 1954 年 , 德沃爾又獲得可編程機械手專利，這種機械手臂按程序進行工作，可 以根據(jù)不同的工作需要編制不同的程序，因此具有通用性和靈活性，英格伯格和德沃 爾都在研究機器人，認為汽車工業(yè)最適于用機器人干活，因為是用重型機器進行工作， 生產(chǎn)過程較為固定。 1959 年，英格伯格和德沃爾聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機器人。 它成為世界上第一 臺真正的實用工業(yè)機器人。此后英格伯格和德沃爾成立了“尤尼梅遜”公司，興辦了 世界上第一家機器人制造工廠。第一批工業(yè)機器人被稱為“尤尼梅特”，意思是“萬 能自動”。 他們因此被稱為機器人之父。 1962 年美國機械與鑄造公司也制造出工業(yè)機器人，稱為“沃爾薩特蘭”，意思 是“萬能搬動”?！庇饶崦诽亍焙汀拔譅査_特蘭”就成為世界上最早的、至今仍在使 用的工業(yè)機器人。 近百年來發(fā)展起來的機器人，大致經(jīng)歷了三個成長階段，也即三個時代。第一 代為簡單個體機器人， 第二代為群體勞動機器人，第三代為類似人類的智能機器人， 它的未來發(fā)展方向是有知覺、有思維、能與人對話。第一代機器人屬于示教再現(xiàn)型 , 第二代則具備了感覺能力 , 第三代機器人是智能機器人 , 它不僅具有感覺能力 , 而 且還具有獨立判斷和行動的能力。 英格伯格和德沃爾制造的工業(yè)機器人是第一代機器人，屬于示教再現(xiàn)型，即人手 把著機械手，把應當完成的任務做一遍，或者人用“示教控制盒”發(fā)出指令，讓機器 人的機械手臂運動，一步步完成它應當完成的各個動作 。 20 世紀 70 年代，第二代機器人開始有了較大發(fā)展，第二代機器人則對外界環(huán)境 實用階段，并開始普及。 第三代機器人是智能機器人，它不僅具有感覺能力，而且還 具有獨立判斷和行動的能力，并具有記憶、推理和決策的能力，因而能夠完成更加復 晉中學院畢業(yè)設計（論文） 2 雜的動作。中央電腦控制手臂和行走裝置，使機器人的手完成作業(yè)，腳完成移動，機 器人能夠用自然語言與人對話。 智能機器人在發(fā)生故障時，通過自我診斷裝置能自我 診斷出故障部位，并能自我修復。 到了 90 年代, 隨著計算機技術、微電子技術、網(wǎng)絡技術等的快速發(fā)展, 機器人技 術也得到了迅猛發(fā)展。目前工業(yè)機器人已廣泛地用于汽車工業(yè)、機械加工工業(yè)、電子 工業(yè)及塑料制品工業(yè)等領域中。在工業(yè)生產(chǎn)中, 弧焊機器人、點焊機器人、裝配機器人、 噴漆機器人及搬運機器人等工業(yè)機器人都已被大量采用。隨著科學與技術的發(fā)展, 工業(yè) 機器人的應用領域也隨之不斷擴大?，F(xiàn)在工業(yè)機器人的應用已開始擴大到核能、采礦、 冶金、石油、化學、航空、航天、船舶、建筑、紡織、制衣、醫(yī)藥、生化、食品等工 業(yè)領域中。除了工業(yè)機器人水平不斷提高之外, 各種用于非制造業(yè)的先進機器人系統(tǒng)也 有了很大的進展。 1.2 我國機器人發(fā)展狀況 我國的工業(yè)機器人從 20 世紀 80 年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持 下，通過“七五”、“八五”科技攻關，已基本掌握了機器人的設計制造技術、控制 系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產(chǎn)了部分機器人關鍵元器件， 開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有 130 多臺套噴漆機器人在 20 多家企業(yè)的近 30 條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人已應用在汽車 制造廠的焊接線上。 目前，我國從事機器人研發(fā)和應用工程的單位 200 多家，擁有量為 3500 臺左右， 其中國產(chǎn)占 20％，其余都是從日本、美國、瑞典等 40 多個國家引進的。2000 年已生 產(chǎn)各種類型工業(yè)機器人和系統(tǒng) 300 臺套，機器人銷售額 6.74 億元，機器人產(chǎn)業(yè)對國民 經(jīng)濟的年收益額為 47 億元。 據(jù)專家對國內 542 家用戶以及汽車、電子電器、工程機械３個行業(yè)的部分用戶進 行統(tǒng)計分析，就全國而言，弧焊、點焊、裝配、噴涂機器人應用的最多；其次是搬運、 上下料（沖壓、壓鑄、鑄鍛、注塑等用的大多是上下料機器人）；再次是包裝、碼垛、 拆垛機器人和密封涂膠機器人，其他機器人用量很少。就行業(yè)而言，汽車行業(yè)以焊接、 噴涂、涂膠作業(yè)較多，沖壓、搬運、裝配次之；電子電器行業(yè)集中在裝配，如大連華 錄一家就用了近 300 臺，其次是搬運和噴涂；工程機械行業(yè)集中用于弧焊，噴涂其次。 此外包裝、碼垛、拆垛機器人目前主要用于石化、輕紡和煙草行業(yè)。 軸式組合機械臂的機械結構設計與仿真 3 1.3移動機器人概述 移動機器人的研究始于 60 年代末期，斯坦福研究院(SR)I 的 NiISSen 和 CharleSRosen 等人，在 1966 年至 1972 年中研造出了取名 Shakey 的自主移動機器人。 目的是研究應用人工智能技術，在復雜環(huán)境下機器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。 與此同時，最早的操作式步行機器人也研制成功，從而開始了機器人步行結構方面的 研究，以解決機器人在不平整地域內的運動問題，設計并研制出了多足步行機器人。 70 年代末，隨著計算機的應用和傳感器技術的發(fā)展，移動機器人研究又出現(xiàn)了新高潮。 特別是在 80 年代中期，設計和制造機器人的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司 開始研制移動機器人平臺，這些移動機器人主要作為大學及研究機構的移動機器人實 驗平臺，從而促進了移動機器人學多種研究方向的出現(xiàn)。90 年代以來，以研制高水平 的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術，高適應性的移動機器人控制技術，真實環(huán)境下的 規(guī)劃技術為標志，開展了移動機器人更高層次的研究。 移動機器人的系統(tǒng)結構： 目前研究的移動機器人都是帶有智能的機器人:機器人本身能認識工作環(huán)境、工作 對象及其狀態(tài)，它根據(jù)人給予的指令和“自身”認識外界的結果來獨立的決定工作方 法，利用操作機構和移動機構實現(xiàn)任務目標，并能適應工作環(huán)境的變化。 這些具有智能的機器人，有的能夠模擬人類用兩條腿走路，可在凹凸不平的地面 上行走移動;有的具有視覺和觸覺功能，能夠進行獨立操作、自動裝配和產(chǎn)品檢驗 ;有的 具有自主控制和決策能力。不僅能夠應用各種反饋傳感器，而且還能夠應用人工智能 中的各種學習、推理和決策技術。 移動機器人一般由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分構成。據(jù)研制目的不同，移動機器 人硬件系統(tǒng)的構成也不盡相同，比較完整的典型結構如圖 1.1 所示。移動機器人的軟件 系統(tǒng)，就相當于機器人的“大腦” ，智能機器人之所以能夠代替人做大量的工作，就是 因為它具有和人類的大腦思維能力相仿的智能控制系統(tǒng)。而這個智能控制系統(tǒng)其實就 是機器人的軟件系統(tǒng)，是人工智能主要技術對于機器人的綜合運用。 這種特殊結構的機器人在工業(yè)裝配、無人惡劣環(huán)境中工作(如滅火、外星球探測和 各類危險的科學研究)以及室內服務工作(如運送、導游和巡邏)等方面具有一定研究價 值。 晉中學院畢業(yè)設計（論文） 4 1.4本課題研究目的和要求 通過對移動機器人組合式機械臂進行設計，進一步鞏固與深化學生對理論課程及 實踐性教學環(huán)節(jié)中所學知識的理解，培養(yǎng)學生綜合運用所學基礎知識、基本理論和基 本技能來分析和解決相關專業(yè)問題，以及收集、整理、分析、利用資料的能力，使學 生受到工程師工作能力的綜合訓練，提高學生的獨立工作能力與綜合素質。 軸式組合機械臂的機械結構設計與仿真 5 第 2 章 整體方案設計 2.1動力源及傳動機構方案的確定 動力源及傳動機構要考慮效率、成本、維護難易、失效、傳動精度要求以及與整 個機構的位置關系。 方案一 使用液動或氣動作為平移和上升的動力源，傳動機構主要為液壓缸或氣缸、活塞、 回轉液壓缸。這就要求一套液壓系統(tǒng)，包括液壓泵、液壓閥、液壓缸或氣缸、密封元 件、導軌等。液壓或氣壓驅動系統(tǒng)具有以下特點： 1、液壓技術是一種比較成熟的技術，它具有動力大、力(或力矩)慣量比大、快速響應 高、易于實現(xiàn)直接驅動等特點，適用于承載能力大、慣量大以及在防爆環(huán)境中工作 的機機器人；缺點是：結構復雜，維護難度大、對環(huán)境有影響、硬件成本高。 2、氣動驅動系統(tǒng)具有速度快、系統(tǒng)結構簡單、價格低等特點小負載的系統(tǒng)中；但由于 空氣的可壓縮性定位不準等難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機械手中，如在 上、下料和沖壓機械手中應用較多。 3、無論是液壓還是氣動，都會致使機械臂的總體重量增加，結構龐大，同時也會增加 它的轉動慣量，對于移動機器人上的機械臂，采用液壓或氣壓傳動，并不理想。 方案二 使用步進電動機作為動力源，傳動機構使用絲杠滑塊傳動。該方案具有以下特點： 1、適合于中等負載，特別適合動作復雜、運動軌跡嚴格的工業(yè)機器人和各種微型機器 人；由于步進電機的廣泛采用，這類驅動系統(tǒng)在機械手機器人領域里被大量選用； 2、絲杠傳動時，有利于主機的小型化及減輕勞動強度；摩擦力矩小，接續(xù)剛度高使溫 升及熱變形減小，有利于改善機械臂的動態(tài)特性，提高工作精度，具有很好的高速 性能。 經(jīng)過方案一和方案二的分析，決定采用方案二。這主要考慮到硬件的制作成本、維 護成本、盡可能地降低總體方案的重量、盡可能的使結構簡單，工藝性更良好，安裝 調試更方便。 晉中學院畢業(yè)設計（論文） 6 2.2 擬定方案圖 根據(jù)上述論述，現(xiàn)擬定方案圖。一維機械臂的傳動如下圖 2-1 所示，它的 X-Y-Z 組合效果如圖 2 所示。 圖 2-1 圖 2-2 一維機械臂由步進電機帶動絲杠轉動，滑塊即可在絲杠帶動下沿導軌移動，在 X/Y/Z 三個方向分別布置一個一維機械臂，即構成了三維機械臂，可實現(xiàn)聯(lián)接在手臂聯(lián) 接座上的手爪在空間定位。 步進電機在數(shù)字化控制下能實現(xiàn)精準定位，因此，本傳動方案更便于控制，相對 于液壓傳動，氣壓傳動，本傳動方案結構簡單，行程更大，因此，本傳動方案是一種 較理想的傳動方案。 軸式組合機械臂的機械結構設計與仿真 7 第 3 章 傳動設計與計算 3.1一維機械臂設計計算 一維機械臂如下圖 3-1 所示，由步進電機帶動絲杠轉動，滑塊即可在絲杠帶動下 沿導軌做直線移動，通過計算機，可精確控制步進電機轉過的角度，因而，可以精確 控制滑塊移動的距離。 圖 3-1 一維機械臂傳動方案 3.1.1 步進電機的選擇 1）機電領域中步進電機的選擇原則 步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉換成旋轉或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。 每輸入一個脈沖電機轉軸步進一個步距角增量。電機總的回轉角與輸入脈沖數(shù)成正比 例，相應的轉速取決于輸入脈沖頻率。 步進電機是機電一體化產(chǎn)品中關鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。 步進電機慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點。廣泛應用于機電一體 化產(chǎn)品中，如：數(shù)控機床、包裝機械、計算機外圍設備、復印機、傳真機等。 選擇步進電機時，首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率。而在選 用功率步進電機時，首先要計算機械系統(tǒng)的負載轉矩，電機的矩頻特性能滿足機械負 載并有一定的余量保證其運行可靠。在實際工作過程中，各種頻率下的負載力矩必須 在矩頻特性曲線的范圍內。一般地說最大靜力矩 Mjmax 大的電機，負載力矩大。 選擇步進電機時，應使步距角和機械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機床所需的脈沖當 量。在機械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當量，一是可以改變絲桿的導程，二是 可以通過步進電機的細分驅動來完成。但細分只能改變其分辨率，不改變其精度。精 晉中學院畢業(yè)設計（論文） 8 度是由電機的固有特性所決定。 選擇功率步進電機時，應當估算機械負載的負載慣量和機床要求的啟動頻率，使 之與步進電機的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿 足執(zhí)行件快速移動的需要。 選擇步進電機需要進行以下計算： （1）計算減速比 根據(jù)所要求脈沖當量，減速比 i 計算如下: i=(φ.S)/(360.Δ ) 式中 φ ---步進電機的步距角（o/脈沖） S ---絲桿螺距（mm) Δ---(mm/脈沖） （2）計算工作臺，絲桿以及齒輪折算至電機軸上的慣量 Jt。 Jt=J1+（1/i2)[(J2+Js）+W/g（S/2π)2] 式中 Jt ---折算至電機軸上的慣量(Kg.cm.s2) J1、J2 --- 齒輪慣量(Kg.cm.s2) Js ----絲桿慣量(Kg.cm.s2) W---工作臺重量（ N） S ---絲桿螺距（cm） （3）計算電機輸出的總力矩 M M=Ma+Mf+Mt Ma=（Jm+Jt).n/T×1.02×10ˉ2 式中 Ma ---電機啟動加速力矩（ N.m) Jm、Jt---電機自身慣量與負載慣量(Kg.cm.s2) n---電機所需達到的轉速（r/min ） T---電機升速時間（s ） Mf=(u.W.s)/(2πηi)×10ˉ2 Mf---導軌摩擦折算至電機的轉矩（ N.m) u---摩擦系數(shù) η---傳遞效率 軸式組合機械臂的機械結構設計與仿真 9 Mt=(Pt.s)/(2πηi)×10ˉ2 Mt---切削力折算至電機力矩（N.m) Pt---最大切削力（N） （4）負載起動頻率估算。數(shù)控系統(tǒng)控制電機的啟動頻率與負載轉矩和慣量有很大 關系，其估算公式為 fq=fq0[(1-(Mf+Mt))/Ml）÷(1+Jt/Jm)] 1/2 式中 fq---帶載起動頻率（ Hz） fq0---空載起動頻率 Ml---起動頻率下由矩頻特性決定的電機輸出力矩（N.m) 若負載參數(shù)無法精確確定,則可按 fq=1/2fq0 進行估算. （5）運行的最高頻率與升速時間的計算。由于電機的輸出力矩隨著頻率的升高而 下降，因此在最高頻率 時，由矩頻特性的輸出力矩應能驅動負載，并留有足夠的余量。 （6）負載力矩和最大靜力矩 Mmax。負載力矩可按式 Ma=（Jm+Jt). n/T×1.02×10ˉ2 和式 Mt=(Pt.s)/(2πηi)×10ˉ2 計算，電機在最大進給速度時，由 矩頻特性決定的電機輸出力矩要大于 Mf 與 Mt 之和，并留有余量。一般來說， Mf 與 Mt 之和應小于（0.2 ～0.4)Mmax. 2）選擇步進電機 由原始設計參數(shù)可知：機械臂的運動速度最高速度不大于 30cm/s, 機械臂的最大 末端載荷不大于 5kg，機械臂的長度不超過 60cm。 （1）滑塊從頭到尾移動的最短時間 StV? S——滑塊移動距離，由于機械臂的總長不超過 600mm,給電機及基座預留一定安 裝空間，因此取絲杠長度為 420mm, t——時間， s421.30t? （2）電機的最高轉速 電機選擇首先依據(jù)推桿快速行程速度?？焖傩谐痰碾姍C轉速應嚴格控制在電機的 晉中學院畢業(yè)設計（論文） 10 額定轉速之內。 3maxmax10hVunnP??? 式中， 為電機的額定轉速（rpm） ；n 為移動時電機的轉速（ rpm） ； 為直線運maxn maxV 行速度（m/min） ；u 為系統(tǒng)傳動比，u=n 電機/n 絲杠=1； 絲杠導程（mm） ，hP 。10hP? 所以 3160/minnr?? 所以，電機最高轉速選為 3000r/min.初步擬定為深圳眾為興技術股份有限公司步進電機 56BYGH630DJP。 56BYGH630DJP 技術參數(shù)如下： 步距角： o1.8 機身長：78mm 靜力矩：1.57N.m （3）計算減速比 根據(jù)所要求脈沖當量，減速比 i 計算如下: i=(φ.S)/(360.Δ ) 式中 φ ---步進電機的步距角（o/脈沖） S ---絲桿螺距（mm) Δ---(mm/脈沖） 計算得 (1.80)/(36.5)1i??? （4）計算工作臺，絲桿以及齒輪折算至電機軸上的慣量 Jt。 Jt=J1+（1/i2)[(J2+Js）+W/g（S/2π) 2] 式中 Jt ---折算至電機軸上的慣量(Kg.cm.s 2) J1、J2 --- 齒輪慣量(Kg.cm.s 2) Js ----絲桿慣量(Kg.cm.s 2) W---工作臺重量（ N） S ---絲桿螺距（cm） 軸式組合機械臂的機械結構設計與仿真 11 22Jt=1+(/i)[JsW/g(S)]? （5）計算電機輸出的總力矩 M M=Ma+Mf+Mt Ma=（Jm+Jt).n/T×1.02×10ˉ2 式中 Ma ---電機啟動加速力矩（ N.m) Jm、Jt---電機自身慣量與負載慣量(Kg.cm.s2) n---電機所需達到的轉速（r/min ） T---電機升速時間（s ） Mf=(u.W.s)/(2πηi)×10ˉ2 Mf---導軌摩擦折算至電機的轉矩（ N.m) u---摩擦系數(shù) η---傳遞效率 Mt=(Pt.s)/(2πηi)×10ˉ2 Mt---切削力折算至電機力矩（N.m) Pt---最大切削力（N） 3)根據(jù)負載轉矩選擇伺服電機 根據(jù)伺服電機的工作曲線，負載轉矩應滿足：當設備作空載運行時，在整個速度范 圍內，加在伺服電機軸上的負載轉矩應在電機的連續(xù)額定轉矩范圍內，即在工作曲線 的連續(xù)工作區(qū)；最大負載轉矩，加載周期及過載時間應在特性曲線的允許范圍內。加 在電機軸上的負載轉矩可以折算出加到電機軸上的負載轉矩。 CLTF?????2 式中， 為折算到電機軸上的負載轉矩（N.m） ；F 為軸向移動滑塊時所需的力LT （N） ；L 為電機每轉的機械位移量（m）L=0.012m； 為絲杠軸承等摩擦轉矩折算到C 電機軸上的負載轉矩（N.m） ， N.m； 為驅動系統(tǒng)的效率。0.1CT??cFW?? 式中， 為推桿反作用力（N） ， =5N； W 為工作臺工件等滑動部分總重量cF （N） ， N； 為摩擦系數(shù)， 。1.5398W???0.2? 晉中學院畢業(yè)設計（論文） 12 所以 50.218cFWN????? 計算轉矩時下列幾點應特別注意。 （a）由于鑲條產(chǎn)生的摩擦轉矩必須充分地考慮。通常，僅僅從滑塊的重量和摩擦 系數(shù)來計算的轉矩很小的。請?zhí)貏e注意由于鑲條加緊以及滑塊表面的精度誤差所產(chǎn)生 的力矩。 （b）由于軸承，螺母的預加載，以及絲杠的預緊力滾珠接觸面的摩擦等所產(chǎn)生的 轉矩均不能忽略。尤其是小型輕重量的設備。這樣的轉矩回應影響整個轉矩。所以要 特別注意。 （c）切削力的反作用力會使工作臺的摩擦增加，以此承受切削反作用力的點與承 受驅動力的點通常是分離的。如圖所示，在承受大的切削反作用力的瞬間，滑塊表面 的負載也增加。當計算切削期間的轉矩時，由于這一載荷而引起的摩擦轉矩的增加應 給予考慮。 （d）摩擦轉矩受進給速率的影響很大，必須研究測量因速度工作臺支撐物(滑塊， 滾珠，壓力)，滑塊表面材料及潤滑條件的改變而引起的摩擦的變化。已得出正確的數(shù) 值。 （e）通常，即使在同一臺的機械上，隨調整條件，周圍溫度，或潤滑條件等因素 而變化。當計算負載轉矩時，請盡量借助測量同種機械上而積累的參數(shù)，來得到正確 的數(shù)據(jù)。 所以 80.12.234LCFT??????? =0.03N.m 所以，臺達伺服電機 ECMA-C30602ES，額定轉矩 0.6n/m，轉速為 3000r/min， 3.1.2 滑動螺旋副的計算 1）螺旋傳動的材料 絲杠螺桿要有足夠的強度，較高的耐磨性和良好的工藝性，一般采用 45 或 50 剛， 較重要的螺桿可采用 40Cr 等合金鋼，本絲杠采用 45 鋼。 推桿（螺母）應該具有較低的摩擦系數(shù)和較高的耐磨性，一般可選用鑄造青銅，如 ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5 及 ZCuAl10Fe3，要求較低時可采用耐磨鑄鐵，本推桿要 求不高，采用球墨鑄鐵 QT400-17。 軸式組合機械臂的機械結構設計與仿真 13 2）耐磨性的計算 設螺母高為 H，螺距為 P，螺紋中徑為 ，螺紋工作高度為 h，則螺紋承載圈數(shù)2d Z=H/P， 螺旋總軸向載荷為 ，每一圈螺紋承受的軸向載荷為 ,其成載面積 。QFzFQ/ 2Adh?? 因此。螺紋工作面上的壓強為 ,己耐磨性條件為：cp 2 []Qc cPpZAdhH??? 表 3-1 滑動螺旋副材料的許用壓強[ ]c 螺桿材料 螺母材料 滑動速度（m/s） 許用壓強 鋼 青銅 18～25 鋼 鋼 低速 7.5～13 鋼 鑄鐵 ＜0.04 13～18 鋼 青銅 ＜0.05 11～18 鋼 鑄鐵 4～7 鋼 耐磨鑄鐵 6～8 鋼 青銅 0.1～0.2 7～10 設 ，則 ，代入上式并整理后可得：2/dH??2d?? 2[]QcFPhp?? 對于鋸齒螺紋，h=0.75P，由上表 3-1，選取[ ]=6Mpa 則cp 2 80.650.651.37[].Qcdp????? 考慮到螺旋導程不能太小,取導程 P=4mm，選取螺桿中徑 ，外徑為 10mm2dm 3）螺母螺紋牙的強度校核 在軸向載荷 的作用下，螺紋牙可能在根部發(fā)生剪斷或彎斷，由于推桿為鑄鐵，QF 螺牙的強度低于螺桿，故只需要校核推桿（螺母）螺紋牙的強度。 材料 許用應力 晉中學院畢業(yè)設計（論文） 14 [σ] [ ]b?[ ]? 螺桿 鋼 3~5s? 青銅 40～60 30～40 耐磨鑄鐵 50～60 40 鑄鐵 45～55 40 螺母 鋼 0.6[σ] 注： 1、 為材料屈服極限；s? 2、載荷穩(wěn)定時，許用應力取大值。 將一圈螺母的螺紋沿根部大徑 D 處展開，并將談看作寬度為 的懸臂梁，在 h/2D? 處作用載荷 ，則螺紋牙危險平剖面 a－a 的剪切強度條件為zFQ/ ??80.13.14QFMpabz? ?????? 符合強度要求。 螺紋牙危險剖面ａ－ａ的彎曲強度條件為 222381.50.6[].436QQb bFhMz paDWbz? ???????? 符合強度要求。 4）螺桿的強度校核 螺桿工作地承受軸向壓力（或拉力） ，又受螺紋力矩 T 的扭轉作用。螺桿QF 危險剖面上既有壓縮（或拉伸）應力，又有扭轉剪應力。因此，螺桿剖面上是正應力 和剪應力的復合應力狀態(tài)。按第四強度理論，其危險截面的強度條件為 軸式組合機械臂的機械結構設計與仿真 15 ??222 32113230.48().6.140.77QeFTd?????????????????????? 強度符合要求。 3.1.3 聯(lián)軸器的選用 電機功率較小，螺桿驅動裝置采用聯(lián)軸器聯(lián)接電機。 聯(lián)軸器是機械傳動中常用的部件。它用來把兩軸聯(lián)接在一起，機器運轉時兩軸不 能分離：只有在機器停車并將聯(lián)接拆開后，兩軸才能分離。 聯(lián)軸器所聯(lián)接的兩軸，由于制造及安裝誤差、承載后的變形以及溫度變化的影響 等，往往不能保證嚴格的對中，而是存在著某種程度的相對位移。這就要求設計聯(lián)軸 器時，要從結構上采取各種不同的措施，使之具有適應一定范圍的相對位移的性能。 根據(jù)對各種相對位移有無補償能力（即能否在發(fā)生相對位移條件下保持聯(lián)接的功 能） ，聯(lián)軸器可分為剛性聯(lián)軸器（無補償能力）和撓性聯(lián)軸器（有補償能力）兩大類。 撓性聯(lián)軸器又可按是否具有彈性元件分為無彈性元件的撓性聯(lián)軸器和有彈性元件的撓 性聯(lián)軸器兩個類別。 十字滑塊聯(lián)軸器又稱滑塊聯(lián)軸器，由兩個在端面上開有凹槽的半聯(lián)軸器和一個兩 面帶有凸牙的中間盤組成。因凸牙可在凹槽中滑動，故可補償安裝及運轉時兩軸間的 相對位移。這種聯(lián)軸器零件的材料可用 45 鋼，工作表面需要進行熱處理，以提高其硬 度；要求較低時也可用 Q275 鋼，不進行熱處理。為了減少摩擦及磨損，使用時應從中 間盤的油孔中注油進行潤滑。 因為半聯(lián)軸器與中間盤組成移動副，不能發(fā)生相對轉動，故主動軸與從動軸的角 速度應相等。但在兩軸間有相對位移的情況下工作時，中間盤就會產(chǎn)生很大的離心力， 從而增大動載荷及磨損。因此選用時應注意其工作轉速不得大于規(guī)定值。 彈性柱銷聯(lián)軸器能傳遞轉矩的能力很大，結構更為簡單，安裝、制造方便，耐久 性好，也有一定的緩沖和吸振能力，允許被聯(lián)接兩軸有一定的軸向位移以及少量的徑 向位移和角位移，適用于軸向竄動較大、正反轉變化較多和起動頻繁的場合。 晉中學院畢業(yè)設計（論文） 16 本次設計中，由凌斯聯(lián)軸器公司樣本資料，查得電動機與減速器軸之間聯(lián)接選用 十字滑塊聯(lián)軸器 LS3-C25。 型號 額定轉矩(n.m) 最高轉速(rpm) 徑向偏差 mm LS3-C25 3.0 5800 1.9 3.2 膠輥設計 圖 3-2 膠輥傳動圖 3.2.1微型電機選擇 微型電動機體積、容量較小，輸 出功率一般在數(shù)百瓦以下的電機和用途、性能及 環(huán)境條件要求特殊的電機。全稱微型特種電機，簡稱微電機。常用于傳動機械負載， 也可作為設備的交、直流電源。微電機門類繁多，大體可分為直流電動機、交流電動 機、自態(tài)角電動機、步進電動機、旋轉變壓器、軸角編碼器、交直流兩用電動機、測 速發(fā)電機、感應同步器、直線電機、壓電電動機、電機機組、其他特種電機等 13 大類。 由于膠輥所傳動力很小，選擇電機時參照同類產(chǎn)品（如打印機）進行選擇，選擇 20BYG28-4 型步進電機 型 號 相數(shù) 電壓 電流 電阻 電感 轉 矩 重量 接線 圖 機身 長度 序 號 規(guī) 格 V A Ω mH g.cm kg mm 20BY 2 10 0.6 10 5.5 400 0.08 B 38 軸式組合機械臂的機械結構設計與仿真 17 G38-4 3.2.2微型皮帶輪傳動設計 電機與輥輪之間以皮帶輪傳動， 1）與傳動比 i 已知大帶輪轉速 n2＝400r/m，帶傳動的傳動比一般為 i ≤ 7，推薦值為 i＝2～5。 故令 i＝2.5，則小帶輪轉速 n1＝1000 r/m。 2）功率與皮帶的帶型 （1）單根 V 帶的額定功率 pr r0P()LK???? P0 為基本額定功率； △ 為單根 V 帶額定功率增量； 為包角修正系數(shù)；K L 為o ? 帶長修正系數(shù)；查文獻[5]表 8-4a、表 8-4b、表 8-5、表 8-2 得 ＝0.006kw，△oP P＝0.002kw， ＝0.97，K L＝1.0。? ＝0.008×0.97×1.0＝0.0776kwr （2）計算功率 是根據(jù)傳遞功率 P 和帶的工作條件參數(shù) KA 而定的，即?????? AcaP? 由文獻[5]表 8-7 查得 KA＝1.1，P ＝0.006kw；所以 KW 進而文獻[5]圖 8-11 選擇 A 型。1.06.AcaPK?? 3）選擇帶輪基準直徑 與帶速控制d （1）小帶輪基準直徑 ；參考文獻[5]表 8-6 和表 8-8 可確定小帶輪基準直徑1 ＝10mm。d （2）小帶輪線速度 即,13.40.52/6061dnv ms???? =0.52m/s。 1 （3）大帶輪基準直徑 ＝i ＝2.5×10＝25mm。2d1 3）中心距 a 及帶的基準長度 ???? （1）中心距的大小要根據(jù)實際應用時結構的尺寸、傳動平衡性以及使用壽命等要 求適當選擇。一般初選帶傳動中心距 為oa 晉中學院畢業(yè)設計（論文） 18 120120.7()()dda??? 即 ＝24.5～70mm。初選 ＝40mm。a0 （2）相應帶長 doL210120()()36.54ddL ma????? 取基準長度 8m? 按〔1〕式 8-23，計算實際中心距 001836.541.8222dLa?????? 變動范圍 min.9.daLm? x7 4） 驗算小帶輪的包角 2157.3180()6.049da???????? 5）計算帶的根數(shù) （1）計算單根 rP ＝0.008×0.97×1.0＝0.0776kwr （2） V 帶根數(shù) 根 取 Z＝1r0.caZ? 軸式組合機械臂的機械結構設計與仿真 19 第 4 章 主要零部件結構設計 對于本電池包裝機的零部件設計，考慮到這種包裝機產(chǎn)品生產(chǎn)批量小，對于零件 部件等，盡量采用標準件常用件，采用易于應用常規(guī)加工方法加工的結構。 4.1 機架設計 4.1.1機架設計準則 底座、機架、箱體、基板等零件都屬于機架零件。 機架零件可劃分為四大類：即機座類、機架類、基板類和箱殼類，對機架零件一般可 提出下列要求: (1)工況要求：即任何機架的設計首先必須保證機器的特定工作要求。例如，保證機架 上安裝的零部件能順利運轉，機架的外形或內部結構不致有阻礙運動件通過的突起,設 置執(zhí)行某一工況所必需的平臺；保證上下料的要求、人工操作的方便及安全等。 (2)剛度要求：在必須保證特定的外形條件下，對機架的主要要求是剛度。如果基礎部 件的剛性不足，則在工作的重力、夾緊力、摩擦力、慣性力和工作載荷等的作用下， 就會產(chǎn)生變形，振動或爬行，而影響產(chǎn)品定位精度、加工精度及其它性能。例如機床 的零部件中，床身的剛度則決定了機床的生產(chǎn)率和加工產(chǎn)品的精度。 (3)強度要求：對于一般設備的機架，剛度達到要求，同時也能滿足強度的要求 (4)穩(wěn)定性要求：對于細長的或薄壁的受壓結構及受彎-壓結構存在失穩(wěn)問題，某些板殼 結構也存在失穩(wěn)問題或局部失穩(wěn)問題。失穩(wěn)對結構會產(chǎn)生很大的破壞，設計時必須校 核。 (5)美觀：目前對機器的要求不僅要能完成特定的工作，還要使外形美觀。 (6)其它：如散熱的要求，防腐蝕及特定環(huán)境的要求。 在滿足機架設計準則的前提下，必須根據(jù)機架的不同用途和所處環(huán)境，考慮下列各 項要求，并有所偏重。 (1)機架的重量輕，材料選擇合適，成本低。 (2)結構合理，便于制造。 (3)結構應使機架上的零部件安裝、調整、修理和更換都方便。 (4)結構設計合理，工藝性好，還應使機架本身的內應力小，由溫度變化引起的變形應 軸式組合機械臂的機械結構設計與仿真 20 力小。 (5)抗振性能好。 (6)耐腐蝕，使機架結構在服務期限內盡量少修理。 (7)有導軌的機架要求機架導軌面受力合理，耐磨性良好。 4.1.2 機座主體設計 1）機座的結構及材料 進行機架結構形式的選擇是一個較復雜的過程，對結構形式、構件截面和結點構 造等均需要結合具體的情況進行仔細的分析。對結構方案要進行技術經(jīng)濟比較。由于 各種設備有不同的規(guī)范和要求，制定統(tǒng)一的機架結構選擇方法較困難。但是，可以利 用結構力學的知識提出下列一般的規(guī)則。這些規(guī)則是為了節(jié)約材料在選擇形式時應遵 守的一般規(guī)律。 （1）結構的內力分布情況要與材料的性能相適應，以便發(fā)揮材料的優(yōu)點。軸力較 彎矩能更充分地利用材料。桿件受軸力作用時，截面上的材料分布是均勻的，所有材 料都能得到充分利用。但在彎矩作用下截面的應力分布是不均勻的，所以材料的應力 分布不夠經(jīng)濟。 機械結構中許多構件所受的都是沿垂直于桿軸的方向作用的。彎矩沿桿變化很迅 速。有垂直載荷處，彎矩曲線有曲率，且曲率與載荷集度成正比。最大的彎矩限于一 小段內，在較長段內材料不能充分利用，這是彎曲構件不經(jīng)濟的另一原因。 （2）結構的作用在于把載荷由施力點傳到基礎。載荷傳遞的路程愈短，結構使用 的材料愈省。 （3）結構的連續(xù)性可以降低內力，節(jié)省材料。 因該電池包裝機為尺寸小，結構緊湊，受力不大，精度要求不高，材料上，為減 輕重量，便于安裝，選擇 HT150 鑄件作為基座。 2）機體部分結構尺寸的確定 (1)安裝電動推桿螺栓直徑的確定 ，取 M8。??Dd25.0~18.? (2)安裝伺服電機螺栓直徑的確定，根據(jù)伺服電機提供的安裝螺紋孔，取 M5。 (3)安裝托架及膠輥螺釘直徑的確定，取 M4。 (4)安裝槽檔塊螺釘直徑的確定，取為 M5,定位銷取為直徑為 5mm. 3）壁厚，根據(jù)安裝要求，取得 14m?? 4.2 包裝袋托架設計 包裝袋托架如下圖 4-1 所示，支架材料為兩塊鈑金件，鈑金件材料為 304 不銹鋼， 軸式組合機械臂的機械結構設計與仿真 21 壁厚 3mm，中間為輥輪，輥輪是橡膠與 45 鋼套銅過盈配合聯(lián)接在一起，輥輪套在芯 軸上，可以繞心軸轉動，當一卷包裝袋用完了，擰開螺母，取下心軸，又可以換用另 一卷包裝袋上去。 圖 4-1 包裝袋托架 4.3 集料槽設計 集料槽的寬度按尺寸按五號電池的長度設計，設計為 50mm,為了方便電池能順利滾 入電池包裝機通道