碼垛機(jī)器人的畢業(yè)設(shè)計說明書

1、碼垛機(jī)器人的畢業(yè)設(shè)計說明書 目錄第一章緒論11.1課題的背景、來源及意義11.2 碼垛機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)程及發(fā)展趨勢21.3 課題的設(shè)計內(nèi)容2第二章 碼垛機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計42.1 方案的確定42.2 總體設(shè)計思路6第三章 碼垛機(jī)器人腕部和腰部設(shè)計73.1 碼垛機(jī)器人腕部設(shè)計73.1.1 減速機(jī)的計算與選型73.1.2聯(lián)軸器的計算與選型83.1.3軸承的選型103.2 碼垛機(jī)器人腰部設(shè)計113.2.1腰部電機(jī)選型113.2.2腰部聯(lián)軸器計算選型123.3 本章小結(jié)13第四章 碼垛機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計144.1 平面機(jī)構(gòu)受力分析144.2 手臂關(guān)節(jié)軸承的選型與校核154.3 銷軸校核164

2、.3.1 后大臂與支架銷軸聯(lián)接校核164.3.2 后大臂與小臂銷軸聯(lián)接校核174.3.3 前大臂與支架銷軸聯(lián)接校核174.3.4 前大臂與小臂銷軸聯(lián)接校核184.3.5 其它銷軸聯(lián)接校核184.4 豎直滾珠絲杠螺母副的計算與選型194.4.1 最大工作載荷的計算194.4.2 最大動載荷的計算194.4.3 初選滾珠絲杠副型號204.4.4 傳動效率計算204.4.5剛度的驗算214.4.6壓桿穩(wěn)定性校核224.5 水平滾珠絲杠螺母副的計算與選型234.5.1最大工作載荷的計算234.5.2最大動載荷的計算234.5.3初選滾珠絲杠副型號244.5.4 傳動效率計算244.5.5剛度的驗算24

3、4.5.6壓桿穩(wěn)定性校核264.6 水平滾動導(dǎo)軌副的計算選型264.6.1滑塊承受工作載荷的計算及導(dǎo)軌型號的選擇264.6.2額定行程壽命的計算284.7 豎直滾動導(dǎo)軌副的計算選型304.7.1滑塊承受工作載荷的計算及導(dǎo)軌型號的選擇304.7.2.額定行程壽命l的計算30第五章 pro/e建模和仿真325.1 主要部件建模及其簡介325.1.1軸承建模的主要過程325.1.2 機(jī)器人的主要部件及裝配模型355.2 三維機(jī)構(gòu)運動仿真的基本介紹375.2.1 機(jī)構(gòu)運動仿真的特點375.2.2 機(jī)構(gòu)運動仿真的工作流程375.2.3 機(jī)構(gòu)仿真運動裝配連接的概念及定義375.2.4 機(jī)構(gòu)的仿真運動38第

4、六章 ansys有限元分析40結(jié)論46參考文獻(xiàn)47謝辭48緒論1.1課題的背景、來源及意義 近幾十年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展及科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，機(jī)器人在碼垛機(jī)、弧焊、噴涂、點焊、搬運、涂膠、測量等行業(yè)有著越來越廣泛的應(yīng)用。機(jī)器人是一個在三維空間中具有較多自由度，并能實現(xiàn)諸多擬人動作和功能的機(jī)器。工業(yè)機(jī)器人則是在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的機(jī)器人，是一種典型的機(jī)電一體化裝置。工業(yè)機(jī)器人是用來搬運材料零件工具等可再編程的多功能機(jī)械手。它綜合運用了機(jī)械與精密機(jī)械、微電子與計算機(jī)、自動控制與驅(qū)動、傳感器與信息處理以及人工智能等多學(xué)科的最新研究成果。碼垛技術(shù)是物流自動化技術(shù)領(lǐng)域的一門新興技術(shù)，所謂的碼垛就是按照集

5、成單元化思想，將一件件物料按照一定的模式堆碼成垛，以便使單元化的物垛實現(xiàn)物料的搬運、裝卸、運輸、存儲、等物流活動。在物體的運輸過程中除了散裝的物體和液體外，一般的物體都是以碼垛的形式進(jìn)行存儲或組裝，這樣即可承載更多的物體，又可節(jié)省空間。隨著物流的飛速發(fā)展以及科技的突飛猛進(jìn)，碼垛技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，尤其是在環(huán)境較惡劣或人工很難做到的情況下。包裝的種類、工廠環(huán)境和客戶需求，物體的安全性等，使得碼垛成為越來越艱巨的任務(wù)，為了克服這些困難，碼垛設(shè)備的各個方面都在不斷地發(fā)展改進(jìn)，如從機(jī)械手到操縱它的軟件，現(xiàn)在對靈活性的需求也在不斷增加。碼垛機(jī)器人是一種具有特殊功能的垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)器人，廣泛應(yīng)用于石油、化

6、工、食品加工、飲料等領(lǐng)域?？赏ㄟ^主計算機(jī)根據(jù)不同的物料包裝、堆垛順序、層數(shù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置實現(xiàn)不同型包裝的碼垛要求。而機(jī)器人碼垛技術(shù)是自動化物料后處理成套設(shè)備中的關(guān)鍵技術(shù)之一，隨著自動稱重、包裝技術(shù)的發(fā)展和性能指標(biāo)的提高，對碼垛技術(shù)也提出了更高的要求。碼垛機(jī)器人手臂應(yīng)具有一定的剛度和強(qiáng)度，防止彈性變形和斷裂。手腕搬運的東西較重，這對其精度提出了更高要求。為滿足自動化生產(chǎn)線產(chǎn)品搬運及碼垛的要求,本課題要求設(shè)計一種碼垛機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分。結(jié)合機(jī)、電、軟、硬件各自特點和優(yōu)勢互補的基礎(chǔ)上，對碼垛機(jī)器人整體機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳動系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計，提出了一套經(jīng)濟(jì)型設(shè)計方案。1.2 碼垛機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)程及發(fā)展趨勢

7、自從世紀(jì)年代，我國碼垛機(jī)器人在國家支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國在機(jī)器人領(lǐng)域取得了很大成就。按機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)程，分為三代機(jī)器人。第一代機(jī)器人，具有示教再現(xiàn)功能或具有可編程的nc裝置，但對外部信息不具備反饋能力；第二代機(jī)器人，不僅具有內(nèi)部傳感器，能獲取外部環(huán)境信息。雖然沒有應(yīng)用人工智能技術(shù)，但是能進(jìn)行機(jī)器人-環(huán)境交互，具有在線自適應(yīng)能力；第三代機(jī)器人，具有多種智能傳感器，能感知和領(lǐng)會外部環(huán)境信息。目前碼垛機(jī)器人的應(yīng)用主要在以下兩個方面。惡劣工作環(huán)境，危險工作場合.這個領(lǐng)域的做業(yè)是一種有害于健康，并危及生命或不安全因素很大而不宜于人去干的作業(yè)。例如在沖床上下料、采礦

8、、鍛造等。第二個是自動化生產(chǎn)領(lǐng)域。碼垛機(jī)器人可用來上下料、碼垛、卸貨以及抓取零件重新定向等作業(yè)。一個簡單抓放作業(yè)機(jī)器人只需較少的自由度，一個給零件定向作業(yè)的機(jī)器人要求具有更多的自由度，增加其靈巧性。工業(yè)機(jī)器人具有減少勞動力費用、提高生產(chǎn)率、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量、增加制造過程的柔性、減少材料浪費、控制和加快庫存的周轉(zhuǎn)、降低成本、消除了危險和惡劣的勞動崗位。目前工業(yè)機(jī)器人的開發(fā)正處在一個蓬勃發(fā)展的階段，在先進(jìn)的工業(yè)發(fā)達(dá)國家里，工業(yè)機(jī)器人的開發(fā)與制造正在形成一個龐大的產(chǎn)業(yè)，全世界每年的工業(yè)機(jī)器人銷售額可達(dá)42億美元。盡管如此，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)仍在不斷拓展，不斷向新的領(lǐng)域進(jìn)軍。我國工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用前景十分寬廣的

9、。但是，由于我國工業(yè)基礎(chǔ)比較薄弱，勞動力比較豐富、低廉，給工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展帶來一定的困難。只有符合我國的國情，才能推動和加快我國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用。工業(yè)機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化是提高機(jī)器人的運動精度，運動速度，減低成本和提高可靠性的重要途徑。近幾年各國注重發(fā)展組合式工業(yè)機(jī)器人。它是采用標(biāo)準(zhǔn)化的模塊件或組合件拼裝而成。除了工業(yè)機(jī)器人用的各種伺服電機(jī)，傳感器外，手臂，手腕和機(jī)身也以標(biāo)準(zhǔn)化。隨著機(jī)器人作業(yè)精度的提高和作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜化，急需開發(fā)新型的微動機(jī)構(gòu)來保證機(jī)器人的動作精度，開發(fā)多關(guān)節(jié)，多自由度的手臂和手指及新型的行走機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)日益復(fù)雜作業(yè)需求。1.3 課題的設(shè)計內(nèi)容本設(shè)計主要是研究

10、碼垛機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要工作內(nèi)容有以下幾點：1 了解搬運機(jī)器人發(fā)展歷程、現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢，掌握碼垛機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點以及基本構(gòu)成部分。2 對碼垛機(jī)器人的總體方案進(jìn)行設(shè)計。設(shè)計幾種方案，對比選出最優(yōu)方案。方案確定后，對各個細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)計。包括腕關(guān)節(jié)電機(jī)、軸承、聯(lián)軸器的選擇；臂部材料的選擇、結(jié)構(gòu)的設(shè)計、受力分析、關(guān)節(jié)處銷軸的校核、關(guān)節(jié)軸承的選型；傳動系統(tǒng)的設(shè)計：電機(jī)、聯(lián)軸器、軸承的選型，滾動絲杠、滑動導(dǎo)軌的選型與校核；腰部電機(jī)、聯(lián)軸器、軸承型號的選擇。3 用pro/e進(jìn)行三維模型設(shè)計。設(shè)計各零部件的三維模型，并將設(shè)計好的零部件進(jìn)行裝配，裝配完成后進(jìn)行運動仿真。不斷改變參數(shù)，觀察機(jī)構(gòu)的運動是否

11、發(fā)生變化。4 利用ansys軟件對主要受力構(gòu)件進(jìn)行有限元分析，生產(chǎn)應(yīng)變、應(yīng)力圖。第二章 碼垛機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1 方案的確定 碼垛機(jī)器人工作過程是往復(fù)循環(huán)的，由于關(guān)節(jié)式手臂運動形式工作范圍大、通用性強(qiáng)，因此本文采用平行四邊形機(jī)構(gòu)作小臂驅(qū)動器的關(guān)節(jié)式機(jī)械手。在此課題的研究中共設(shè)計出三種方案，即方案一、方案二、方案三 。方案一：如圖2-1所示。后大臂沿著絲杠向上運動，前大臂沿著絲杠想向右運動；后大臂向下運動，前大臂向運動，實現(xiàn)碼垛機(jī)器人碼垛過程。此結(jié)構(gòu)能基本滿足設(shè)計要求，但是由于前大臂、后大臂與小臂間通過銷軸連接，運動范圍小，且前大臂與后大臂不相連接，使得機(jī)構(gòu)運動精度低，運動不確定。圖2-1

12、方案一方案二：如圖2-2所示，此機(jī)構(gòu)的前大臂與小臂通過移動副連接，前大臂通過滑塊可以沿著小臂滑動，解決了方案一工作范圍小的缺點。但是由于前大臂與小臂組成移動副，使得摩擦阻力增加，運動效率低，成本高。此機(jī)構(gòu)中前大臂主要起支撐作用，機(jī)構(gòu)的運動主要取決與后大臂，這使得此種方案的運動精度更低。圖2-2 方案二方案三：如圖2-3所示，機(jī)構(gòu)運動原理與圖2-1相同，此機(jī)構(gòu)構(gòu)成平行四邊形，運動具有確定性，銷軸處有關(guān)節(jié)軸承，減少摩擦力，方案三改善了方案一方案二的不足之處。圖2-3 方案三2.2 總體設(shè)計思路碼垛機(jī)器人主要實現(xiàn)不同型包裝的碼垛物體的搬運功能。在對碼垛機(jī)器人的運動形式簡單了解以后，設(shè)計的思路還是很清

13、晰的。本文主要進(jìn)行碼垛機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計，要實現(xiàn)碼垛機(jī)器人在半徑為1.5米的圓周內(nèi)的碼垛運動，必須由四個動作來實現(xiàn)，即腰部的旋轉(zhuǎn)、后大臂的上下運動、前臂的前后運動和手腕的回轉(zhuǎn)運動，而且這四個動作全部由交流伺服電機(jī)驅(qū)動。 由于腕部轉(zhuǎn)速較低，特選用減速機(jī)來驅(qū)動，而且要選擇重量輕的減速機(jī)。此時由于軸立起來以后就有往下竄動的趨勢，而且還要轉(zhuǎn)動，既要保證軸的正常轉(zhuǎn)動，其次還要軸一定的支撐，由此引入了角接觸軸承。軸承型號7305c。電機(jī)軸與傳動軸之間用聯(lián)軸器連接，選擇a型平鍵套筒聯(lián)軸器。機(jī)械手臂的材料和結(jié)構(gòu)的選擇。手臂材料要求強(qiáng)度高，彈性模量大，重量輕，阻尼大，價格低，故選擇碳素結(jié)構(gòu)鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼。手臂做成

14、工字型或打孔以減小重量，減少加工面積。為保證機(jī)構(gòu)運動的精度，將手臂設(shè)計成平行四邊行機(jī)構(gòu)。為減小摩擦，在手臂與手臂、手臂與支撐架之間的銷軸處采用關(guān)節(jié)軸承。為了使手臂傳動準(zhǔn)確，手臂驅(qū)動系統(tǒng)增加了直線滾動導(dǎo)軌作為導(dǎo)向裝置，這就要考慮導(dǎo)軌的受力問題，由于負(fù)載和手臂的重量基本都加在了導(dǎo)軌上，因此要進(jìn)行受力分析。手臂驅(qū)動系統(tǒng)采用低速交流伺服電機(jī)帶動滾動絲杠副旋轉(zhuǎn)從而實現(xiàn)前大臂的左右運動，后大臂的上下運動。此處驅(qū)動電機(jī)選擇伺服電機(jī)。軸承選用角接觸球軸承。腰部旋轉(zhuǎn)速度低，因此選用中低速電機(jī)。由于腰部以上所有構(gòu)件的載荷都由腰部軸承來承擔(dān)，故選用主要承受軸向載荷的推力球軸承。根據(jù)腰部所受總體載荷的大小選擇推力球軸

15、承型號。聯(lián)軸器選擇凸緣聯(lián)軸器。第三章 碼垛機(jī)器人腕部和腰部設(shè)計3.1 碼垛機(jī)器人腕部設(shè)計3.1.1 減速機(jī)的計算與選型本節(jié)減速機(jī)的型號是根據(jù)上海泰一傳動設(shè)備有限公司的r系列斜齒輪減速機(jī)選型手冊選用的。1. 實際服務(wù)系數(shù)確定減速機(jī)是按載荷平穩(wěn)，每天工作時間一定和少量啟停次數(shù)的情況設(shè)計的，而在實際情況使用中往往不是處于此種理想狀態(tài)。減速機(jī)的實際服務(wù)系數(shù)必須按照實際情況的載荷類型、運行時間、使用頻率來確定工作機(jī)系數(shù)f1、原動機(jī)系數(shù)f2和啟動系數(shù)f3，使其三者的乘積小于或等于服務(wù)系數(shù)fb。具體參數(shù)值參見表3-1，3-2, 3-3。表3-1 工作機(jī)系數(shù)f1表3-2 原動機(jī)系數(shù)f2表3-3 啟動系數(shù)f3由

16、表確定本機(jī)構(gòu)的工作系數(shù)f1 2.5，原動機(jī)系數(shù)f2 1.0，起動系數(shù)f3 1.3，那么f1f2f3 2.51.01.3 3.25。2. 確定減速機(jī)型號根據(jù)r系列硬齒面斜齒輪減速機(jī)選型手冊，由f1f2f3fb ，由表1-4選擇fb 3.4的減速機(jī)，型號為rf37-y0.18-4p-48.08-m4-i 。減速機(jī)豎直安放，其具體參數(shù)如表2-4所示：表3-4 減速機(jī)的具體參數(shù)輸入功率/kw輸出轉(zhuǎn)速r/min輸出轉(zhuǎn)矩n.m電動機(jī)型號質(zhì)量/kg減速機(jī)輸出軸的軸頸0.182956rf378.525mm3.1.2聯(lián)軸器的計算與選型聯(lián)軸器計算選型所使用的公式和某些參數(shù)值的選擇參考機(jī)械設(shè)計手冊第五版和機(jī)械設(shè)計課

17、本。1. 聯(lián)軸器的理論轉(zhuǎn)矩3-1式中 ?理論轉(zhuǎn)矩（）；?傳遞的功率（）；?工作轉(zhuǎn)速（）。帶入數(shù)據(jù)得 。2. 聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩 3-2式中：?動力機(jī)系數(shù)，電動機(jī)透平機(jī)的1.0；?工況系數(shù)，由機(jī)械設(shè)計書冊第五版第2卷表6-2-2，查得k1.5；?起動系數(shù)，由制造商確定，與啟動頻率f有關(guān)，選取1.0；?溫度系數(shù),由機(jī)械設(shè)計書冊第五版第2卷表6-2-3查得，1.0。帶入公式得。聯(lián)軸器選用a型平鍵套筒聯(lián)軸器，查機(jī)械設(shè)計手冊第五版第3卷，因聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩要大于計算轉(zhuǎn)矩，而且減速機(jī)輸出軸的軸徑為25mm，所以由表15,1-10確定聯(lián)軸器的有關(guān)參數(shù)如下：表3-4 聯(lián)軸器的具體參數(shù)dh7軸直徑/mm許用轉(zhuǎn)矩/

18、n.md0llc平鍵gb/t10996-2003c1緊定螺釘gb/t117-20002512540752018x251m6x10套筒聯(lián)軸器與軸間的定位靠平鍵連接，緊定螺釘也起定位作用。套筒聯(lián)軸器與軸的裝配如圖3-1所示。圖3-1 ii型平鍵套筒聯(lián)軸器與軸的裝配圖3. 驗算套筒的扭矩強(qiáng)度和鍵的擠壓強(qiáng)度套筒的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度： 3-3式中 ?套筒外徑，由表3-4得到；?軸徑，。將數(shù)值帶入公式得到由套筒的材料為45號鋼，由機(jī)械設(shè)計課本表15-3查得，許用切應(yīng)力為2545mpa，則所選套筒滿足強(qiáng)度要求。平鍵的擠壓強(qiáng)度： 3-4式中 k?鍵工作高度；?鍵工作長度。由表15,1-10確定，d25mm，帶入公式得到

19、，由機(jī)械設(shè)計課本p106,許用擠壓應(yīng)力應(yīng)為鍵，軸，輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，由表6-2，取許用擠壓應(yīng)力為120150mpa。因此平鍵滿足強(qiáng)度條件。3.1.3軸承的選型由于腕部的轉(zhuǎn)速并非高轉(zhuǎn)速，并且承受的載荷為軸向載荷，因此選用角接觸球軸承，且成對使用。由機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)手冊中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，選擇軸承型號為7305c,具體參數(shù)如下表：表3-5 軸承的具體參數(shù)軸承型號ddba基本額定動載荷/kn額定靜載/kn7305c25621713.121.515.8軸承的布置形式選用預(yù)緊布置，用以提高軸承的旋轉(zhuǎn)精度，增加剛性和減小軸的振動。3.2 碼垛機(jī)器人腰部設(shè)計3.2.1腰部電機(jī)選型因為腰部的回

20、轉(zhuǎn)速度較低，所以此處的驅(qū)動電機(jī)選用一般的電機(jī)轉(zhuǎn)速太大，而選擇中低速電機(jī)較為合適。選擇淮安正?？萍加邢薰镜膟d系了電機(jī)，電機(jī)型號為yd112，其額定功率為1.1kw，額定轉(zhuǎn)速為17.5r/min，額定扭矩為600n.m。由于電機(jī)要豎直安裝，因此電機(jī)的外形圖如圖3-2。圖3-2 電機(jī)的外形圖yd系列低速電機(jī)的安裝尺寸如表3-6。表3-6 電機(jī)的安裝尺寸yd系列低速電機(jī)的性能參數(shù)如表3-7。表3-7 電機(jī)的性能參數(shù)3.2.2腰部聯(lián)軸器計算選型聯(lián)軸器的理論轉(zhuǎn)矩3-5式中 ?理論轉(zhuǎn)矩（）；?傳遞的功率（）；?工作轉(zhuǎn)速（）。帶入數(shù)據(jù)得 。聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩3-6式中 ?動力機(jī)系數(shù)，電動機(jī)、透平機(jī)取1.0；

21、?工況系數(shù)，由機(jī)械設(shè)計手冊第五版第2卷表6-2-2查得，取k1.5。?起動系數(shù)，取1.0；?溫度系數(shù)。由機(jī)械設(shè)計手冊第五版第2卷，表6-2-3查得，取1.0。帶入公式得。由機(jī)械設(shè)計手冊第五版第2卷選用凸緣聯(lián)軸器，由表6-2-8選型號為gys7，公稱扭矩為1600 n?m。凸緣聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)原理，如圖3-3。圖3-3 gys7型-凸緣聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)原理圖gys7型-凸緣聯(lián)軸器基本參數(shù)和主要尺寸如下表：表3-8 gys7型-凸緣聯(lián)軸器基本參數(shù)和主要尺寸型號公稱扭矩tnn?m許用轉(zhuǎn)速nr/min軸孔直徑dh7軸孔長度ld螺栓重量 kg.m3鋼鋼y型j1型數(shù)量n直徑mgys716006000551128416

22、064m1213.13.3 本章小結(jié)搬運機(jī)器人腕部的運動相對簡單，只有一個旋轉(zhuǎn)運動。設(shè)計的關(guān)鍵是要保證軸的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)精度。通過本章對腕部的詳細(xì)設(shè)計計算，確定了腕部采用減速機(jī)，聯(lián)軸器選用套筒聯(lián)軸器，軸承選擇角接觸球軸承軸承。腰部的設(shè)計計算主要是為了實現(xiàn)腰部帶動整個搬運機(jī)器人的回轉(zhuǎn)運動。由于腰部回轉(zhuǎn)速度較低，選用yd系列低速電機(jī).通過對電動機(jī)的選擇、聯(lián)軸器的計算選型，最終確定了搬運機(jī)器人腰部的設(shè)計方案。第四章 碼垛機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計4.1 平面機(jī)構(gòu)受力分析搬運機(jī)器人在實現(xiàn)搬運的運動過程中，水平方向的滾珠絲杠副主要承受摩擦力，而垂直方向的滾珠絲杠副主要承受z軸方向的載荷。則當(dāng)機(jī)構(gòu)的小臂處

23、于水平方向、前后大臂與之垂直時，兩個方向的滾珠絲杠副受力最大。具體位置如圖4-1所示。圖4-1 碼垛機(jī)器人運動位置根據(jù)搬運機(jī)器人運動學(xué)分析，可設(shè)各臂長分別為：ab1170 ，bc 260mm ，cd 1080mm ，de 240mm，a點到圖4-1中心線的距離d 150mm 。處于圖4-1位置時小臂的受力情況見圖4-2。圖4-2 小臂受力圖圖4-2中，g1為負(fù)載和電機(jī)的重力，搬運的負(fù)載最大為100n，腕部減速機(jī)的重力約為100n，則g1 200n ；m為負(fù)載和電機(jī)共同的轉(zhuǎn)矩， ；小臂材料為45號鋼，重量約為50n；對小臂列受力方程如下： 4-1解得f1 1237.6154n ，f2 987.6

24、154n4.2 手臂關(guān)節(jié)軸承的選型與校核碼垛機(jī)器人的手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計要注意兩點：一是應(yīng)使手臂剛度大、重量輕；二是應(yīng)使手臂運動速度快、慣性小。首先，因為剛度不夠時，手臂會發(fā)生彎曲變形，則應(yīng)選擇相同條件下，彎曲剛度較大的截面形狀?？紤]完第一點，對于第二點減小慣性沖擊，本章的手臂架選擇了碳素結(jié)構(gòu)鋼材料。而且盡量縮短手臂的懸伸部分長度。圖4-3對小臂進(jìn)行了剪力與彎矩的分析，可知小臂的彎矩越靠近b點越大，因此小臂的結(jié)構(gòu)為末端窄，靠近b點時逐漸加大尺寸，其它手臂結(jié)構(gòu)則采用均勻尺寸。b點為銷軸聯(lián)接，則彎矩和受力主要由銷軸來承受，因此要考慮銷軸的校核。其它的銷軸聯(lián)接同b點一樣進(jìn)行校核，銷軸的聯(lián)接結(jié)構(gòu)如圖4-4。圖

25、4-3 小臂剪力圖和彎矩圖圖4-4 銷軸聯(lián)接結(jié)構(gòu)圖4-5中的關(guān)節(jié)軸承選用自潤滑向心關(guān)節(jié)軸承，由上下軸套固定，在后機(jī)架繞銷軸轉(zhuǎn)動時，既能承受徑向載荷，又能承受任一方向較小的軸向載荷。查閱機(jī)械設(shè)計手冊第五版、單行本、軸承，由表7-1確定所選軸承的型號為ge25es-2rs，其中d 25mm，軸承尺寸見表4-1。表4-1 向心自潤滑關(guān)節(jié)軸承參數(shù)軸承型號尺寸mm額定載荷kn重量kgddbcd1r1r2動載荷靜載荷ge25es-2rs-2rs25422016290.60.6482400.427圖4-5 向心關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)4.3 銷軸校核4.3.1 后大臂與支架銷軸聯(lián)接校核銷軸抗剪強(qiáng)度：4-2銷軸采用45號

26、鋼，其許用切應(yīng)力，許用彎曲應(yīng)力，將以上值帶入公式得銷軸抗彎強(qiáng)度：4-3其中，帶入公式得，因此選擇銷軸的軸徑d 25mm，滿足強(qiáng)度要求。4.3.2 后大臂與小臂銷軸聯(lián)接校核銷軸抗剪強(qiáng)度：銷軸采用45號鋼，其許用切應(yīng)力，許用彎曲應(yīng)力，將以上值帶入公式（4-2）得。銷軸抗彎強(qiáng)度：其中，帶入公式（4-3）得，因此選擇銷軸的軸徑d 25mm滿足強(qiáng)度要求。4.3.3 前大臂與支架銷軸聯(lián)接校核銷軸抗剪強(qiáng)度：銷軸采用45號鋼，其許用切應(yīng)力，許用彎曲應(yīng)力，將以上值帶入公式（4-2）得。銷軸抗彎強(qiáng)度：其中，帶入公式（4-3）得，因此選擇銷軸的軸徑d 50mm滿足強(qiáng)度要求。4.3.4 前大臂與小臂銷軸聯(lián)接校核銷軸抗

27、剪強(qiáng)度：銷軸采用45號鋼，其許用切應(yīng)力，許用彎曲應(yīng)力，將以上值帶入公式（4-2）得銷軸抗彎強(qiáng)度由圖9-3可知，帶入公式（4-3）得，因此選擇銷軸的軸徑d 50mm滿足強(qiáng)度要求。4.3.5 其它銷軸聯(lián)接校核由于小臂和腕部聯(lián)接與前大臂與小臂銷軸聯(lián)接校核的尺寸相同，可選用軸徑為30mm的銷軸。連桿與后大臂的銷軸軸徑為25mm，前大臂、支撐架和連桿三者用銷軸聯(lián)接在一起，連桿與后大臂的銷軸軸徑為25mm。4.4 豎直滾珠絲杠螺母副的計算與選型4.4.1 最大工作載荷的計算按綜合導(dǎo)軌進(jìn)行計算，最大工作載荷公式為： 4-4式中 k?載荷系數(shù)，由機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書表3-29查得，k 1.15；?

28、摩擦系數(shù)，；?進(jìn)給方向的載荷，。如圖4-1中，e點的受力沒有垂直絲杠方向的，因此 0 n。將數(shù)值帶入公式得4.4.2 最大動載荷的計算碼垛機(jī)器人后大臂的運行速度，則最大動載荷4-5式中 ?滾珠絲杠副的壽命，單位為106r；?載荷系數(shù)，由機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書表3-30，取1.2；?硬度系數(shù)，滾道硬度為60hrc時，取硬度系數(shù)1.0。滾珠絲杠副的壽命公式為：4-6式中 t?使用壽命，t 15000h；n?絲杠轉(zhuǎn)速。4-7初選絲杠導(dǎo)程，帶入公式4-7得到。將以上數(shù)值帶入公式4-6得。將、帶入公式4-5得4.4.3 初選滾珠絲杠副型號選擇絲杠型號時應(yīng)使?jié)L珠絲杠副的額定動載荷ca，額定靜載荷

29、，根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，選擇海特dft02005-5型滾珠絲杠副，為雙螺母式，其公稱直徑為20mm，導(dǎo)程為mm，循環(huán)滾珠為5圈1列，精度等級為5級，額定動載荷為n大于，則滿足要求。滾珠絲杠副的具體尺寸參數(shù)如表4-1所示。表4-2 滾珠絲杠副的尺寸參數(shù)4.4.4 傳動效率計算滾珠絲杠螺母副的螺旋升角：傳動效率：4-8式中 ?絲杠螺旋升角。?摩擦角，滾珠絲杠的滾動摩擦系數(shù)，其摩擦角約等于。將數(shù)值帶入公式4-8得：4.4.5剛度的驗算滾珠絲杠副的軸向變行將引起絲杠導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度及運動的平穩(wěn)性，軸向變形主要包括絲杠的拉伸或壓縮變形，絲杠與螺母之間滾道的接觸變

30、行等。因此應(yīng)考慮以下引起軸向變形的因素：絲杠的拉伸或壓縮變形量在總的變形量中占的比重較大,可按下式計算：4-9式中 ?絲杠兩端支承間距離，約為700mm；?絲杠最大工作載荷n；?絲杠材料的彈性模量，鋼的 e2.1mpa；?滾珠絲杠的截面積（按底徑d2確定的）.絲杠底徑mm， 。由于轉(zhuǎn)矩m一般很小，公式的第二項可忽略不計。將數(shù)值帶入公式4-9得。滾珠與螺紋滾道間接觸變形當(dāng)對絲杠加有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向最大負(fù)載的1/3時，之值可減少一半，故其計算公式為：4-10式中 ?滾珠直徑，由表4-1查得 3.175mm。?單圈滾珠數(shù)；?滾珠總數(shù)量，z圈數(shù)列數(shù)；?預(yù)緊力。滾珠絲杠的滾珠數(shù)為：，取整為z 17

31、。滾珠絲杠的預(yù)緊力為：將數(shù)值帶入公式（4-10）得到。由于減小一半，則。剛度校驗絲杠總的變形量0.0266mm 26.6，取絲杠的有效行程為mm。由機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書查表3-27，查得5級精度滾珠絲杠有效行程mm時，行程偏差允許達(dá)到32mm，可見絲杠剛度足夠。4.4.6壓桿穩(wěn)定性校核對已選定尺寸的絲杠在給定的支承條件下，承受最大軸向負(fù)載時，應(yīng)驗算其有沒有產(chǎn)生縱向彎曲（失穩(wěn)）的危險，產(chǎn)生失穩(wěn)的臨界負(fù)載用下式計算：4-11式中 ?臨界載荷n；?絲杠支承系數(shù)，由機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書查表3-34，采用雙推-雙推支承形式，所以 4；?壓桿穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取為2.54。垂直安

32、裝時k 2.5；?截面慣性矩,絲杠截面慣性矩（為絲杠螺紋的底徑；?絲杠兩支承端距離，a700mm。將以上數(shù)值帶入公式4-11得可知壓桿穩(wěn)定性滿足校核。4.5 水平滾珠絲杠螺母副的計算與選型4.5.1最大工作載荷的計算按綜合導(dǎo)軌進(jìn)行計算，最大工作載荷公式4-4為：式中 k?載荷系數(shù)， k 1.15；?摩擦系數(shù)， ；?垂直絲杠的受力，。如圖4-1中，f點的受力沒有水平絲杠方向的，因此0n。將數(shù)值帶入公式4-4得。4.5.2最大動載荷的計算搬運機(jī)器人前大臂的運行速度，則最大動載荷公式4-5為式中 ?滾珠絲杠副的壽命，單位為106r；?載荷系數(shù)，取1.2；?硬度系數(shù)，取硬度系數(shù)1.0。初選絲杠導(dǎo)程，帶

33、入公式4-7得到取使用壽命t 15000h，將其與轉(zhuǎn)速n帶入公式4-6得。查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書的表3-30得 1.2 ，由于硬度，所以 1.0 。帶入公式4-5得。4.5.3初選滾珠絲杠副型號選擇絲杠型號時應(yīng)使?jié)L珠絲杠副的額定動載荷ca，額定靜載荷，根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，選擇海特dft02005-53型滾珠絲杠副，為雙螺母式，其公稱直徑為20mm，導(dǎo)程為mm，循環(huán)滾珠為5圈1列，精度等級為5級，額定動載荷為n大于，則滿足要求。4.5.4 傳動效率計算計算傳動效率公式4-8為：式中 ?絲杠螺旋升角，4.55。?摩擦角，滾珠絲杠的滾動摩擦系數(shù)，其摩擦角約等于。將數(shù)值

34、帶入公式4-8得：4.5.5剛度的驗算滾珠絲杠副的軸向變行將引起絲杠導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度及運動的平穩(wěn)性，軸向變形主要包括絲杠的拉伸或壓縮變形，絲杠與螺母之間滾道的接觸變行等。因此應(yīng)考慮以下引起軸向變形的因素：絲杠的拉伸或壓縮變形量在總的變形量中占的比重較大,可按公式4-9計算：式中 ?絲杠兩端支承間距離，約為700mm；?絲杠最大工作載荷n；?絲杠材料的彈性模量，鋼的 e2.1mpa；?滾珠絲杠的截面積（按底徑d2確定的）.絲杠底徑mm， 。由于轉(zhuǎn)矩m一般很小，公式的第二項可忽略不計。將數(shù)值帶入公式4-9得。滾珠與螺紋滾道間接觸變形當(dāng)對絲杠加有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向最大負(fù)載

35、的1/3時，之值可減少一半，故可按公式4-10計算值：式中 ?滾珠直徑，由表4-1查得 3.175mm。?單圈滾珠數(shù)z17；?滾珠總數(shù)量，z圈數(shù)列數(shù)；?預(yù)緊力。滾珠絲杠的預(yù)緊力為：將數(shù)值帶入公式（4-10）得到。由于減小一半，則。剛度校驗絲杠總的變形量0.006mm 6，取絲杠的有效行程為mm。由機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書查表3-27，查得5級精度滾珠絲杠有效行程mm時，行程偏差允許達(dá)到32mm，可見絲杠剛度足夠。4.5.6壓桿穩(wěn)定性校核對已選定尺寸的絲杠在給定的支承條件下，承受最大軸向負(fù)載時，應(yīng)驗算其有沒有產(chǎn)生縱向彎曲（失穩(wěn)）的危險，產(chǎn)生失穩(wěn)的臨界負(fù)載用公式4-11計算：式中 ?臨界載

36、荷n；?絲杠支承系數(shù)，采用雙推-雙推支承形式，故取 4；?壓桿穩(wěn)定性安全系數(shù)，水平安裝時k4；?截面慣性矩,絲杠截面慣性矩；?絲杠兩支承端距離，a700mm。將以上數(shù)值帶入公式得可知壓桿穩(wěn)定性滿足校核。4.6 水平滾動導(dǎo)軌副的計算選型4.6.1滑塊承受工作載荷的計算及導(dǎo)軌型號的選擇工作載荷是影響直線滾動導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。對于水平布置的工作臺多采用雙導(dǎo)軌，四滑塊的支撐形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷由一個滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為：4-12式中 f?外加載荷； g?移動部件的重量g800n。將數(shù)值帶入4-12得。根據(jù)工作載荷初選海特滾動導(dǎo)軌，fv型導(dǎo)軌。型號

37、為sbs15fv,其額定動載荷，額定靜載荷。滑塊的尺寸及安裝尺寸如表4-3，表4-5為導(dǎo)軌的尺寸及負(fù)載能力。導(dǎo)軌的標(biāo)準(zhǔn)長度如表4-4，選取導(dǎo)軌的標(biāo)準(zhǔn)長度為820mm。表4-3 fv型滑塊的尺寸及安裝尺寸表4-4 導(dǎo)軌的尺寸及負(fù)載能力表4-5 導(dǎo)軌的標(biāo)準(zhǔn)長度4.6.2額定行程壽命的計算在直線導(dǎo)軌系統(tǒng)的使用中，除了已知負(fù)載外，那些未知的震動和沖擊也必須計算在內(nèi)。而且，硬度和溫度也是影響壽命的主要因素。上述選取的fv系列sbs15fv型導(dǎo)軌副的滾道硬度為60hrc，工作溫度不超過100，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。則額定行程壽命為：4-13式中 ?額定行程壽命km；?

38、額定動載荷， 4.58kn；?滑塊上工作載荷， 1.437kn；?硬度系數(shù)，由圖4-6，1.0；?溫度系數(shù)，由圖4-7，1.0；?接觸系數(shù)，由表4-6，,0.81；?載荷系數(shù)，由表4-7，1.0。將以上數(shù)值帶入公式4-13可得。由于常見導(dǎo)軌的距離額定期望壽命為50km，此導(dǎo)軌的額定行程壽命遠(yuǎn)大于50 km，則初選的導(dǎo)軌型號滿足設(shè)計要求。圖4-6 硬度系數(shù)圖4-7 溫度系數(shù)表4-6 接觸系數(shù)表4-7 載荷系數(shù)4.7 豎直滾動導(dǎo)軌副的計算選型4.7.1滑塊承受工作載荷的計算及導(dǎo)軌型號的選擇工作載荷是影響直線滾動導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。對于豎直布置的工作臺多采用雙導(dǎo)軌，四滑塊的支撐形式。考慮最不利

39、的情況，即垂直于臺面的工作載荷由一個滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大水平方向載荷用公式4-12計算：式中 f?外加載荷； g?移動部件的重量g800n。將數(shù)值帶入4-12得，。根據(jù)工作載荷初選海特滾動導(dǎo)軌，fv型導(dǎo)軌。型號為sbs15fv,其額定動載荷，額定靜載荷。導(dǎo)軌和滑塊的尺寸及安裝尺寸如表4-3、4-4。由表4-5，選取導(dǎo)軌的長度為820mm。4.7.2.額定行程壽命l的計算在直線導(dǎo)軌系統(tǒng)的使用中，除了已知負(fù)載外，那些未知的震動和沖擊也必須計算在內(nèi)，并硬度和溫度也是影響壽命的主要因素。根據(jù)上述因素選取的fv系列sbs15fv型導(dǎo)軌副的滾道硬度為60hrc，工作溫度不超過100oc，每根導(dǎo)軌上

40、配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。利用公式4-13計算額定行程壽命為：式中 ?額定行程壽命km；?額定動載荷， 4.58kn；?滑塊上工作載荷， 1.188kn；?硬度系數(shù)，由圖4-6，1.0；?溫度系數(shù)，由圖4-7，1.0；?接觸系數(shù)，由表4-6，,0.81；?載荷系數(shù)，由表4-7，1.0。將以上數(shù)值帶入公式4-13可得,，由于常見導(dǎo)軌的距離額定期望壽命為50km，此導(dǎo)軌的額定行程壽命遠(yuǎn)大于50km則初選的導(dǎo)軌型號滿足設(shè)計要求。第五章 pro/e建模和仿真pro/engineer操作軟件是美國參數(shù)技術(shù)公司（ptc旗下的cad/cam/cae一體化的三維軟件。pro/engin

41、eer軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，pro/engineer作為當(dāng)今世界機(jī)械cad/cae/cam領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣。是現(xiàn)今主流的cad/cam/cae軟件之一，特別是在國內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域占據(jù)重要位置。pro/e第一個提出了參數(shù)化設(shè)計的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決特征的相關(guān)性問題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進(jìn)行選擇，而不必安裝所有模塊。pro/e的基于特征方式，能夠?qū)⒃O(shè)計至生產(chǎn)全過程集成到一起，實現(xiàn)并行工程設(shè)計。它不但可以應(yīng)用于工作站，而且也可以應(yīng)用到單機(jī)上。 pro/e采用了模塊方式，可以分別進(jìn)行草

42、圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計、鈑金設(shè)計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進(jìn)行選擇使用。5.1 主要部件建模及其簡介5.1.1軸承建模的主要過程pro/e建模比較簡單，這里只是簡單介紹一下角接觸球軸承的建模，其余部件略去。機(jī)器人中的角接觸球軸承如圖所示。圖5-1 角接觸球軸承具體的建模步驟如下：創(chuàng)建零件文件。選擇“旋轉(zhuǎn)”工具，彈出旋轉(zhuǎn)控制面板，單擊“位置”按鈕，在彈出的面板中單擊“定義” ，彈出“草繪”對話框。選擇基準(zhǔn)面top為草繪平面，接受默認(rèn)的參照與方向，單擊“草繪”按鈕進(jìn)入草繪界面。繪制完成后的草圖如下圖5-2所示。圖5-2 草圖單擊“繼續(xù)當(dāng)前部分”按鈕即對勾按鈕，完成截面草圖的繪制。

43、接著單擊旋轉(zhuǎn)控制面板的“確定”按鈕，模型效果下圖5-3。圖5-3 內(nèi)外圈選擇“旋轉(zhuǎn)”工具，彈出旋轉(zhuǎn)控制面板，單擊“位置”按鈕，在彈出的面板中單擊“定義” ，彈出“草繪”對話框。選擇基準(zhǔn)面top為草繪平面，接受默認(rèn)的參照與方向，單擊“草繪”按鈕進(jìn)入草繪界面。繪制完成草圖后，單擊“繼續(xù)當(dāng)前部分”按鈕即對勾按鈕，完成截面草圖的繪制。接著單擊旋轉(zhuǎn)控制面板的“確定”按鈕，模型效果下圖5-4。圖5-4 未陣列的角接觸球軸承選擇剛繪制的圓球，然后選擇“陣列”工具，彈出陣列控制面板。在“陣列方式”下拉菜單中選擇“軸”選項，單擊內(nèi)圈中心軸。在陣列控制面板的“陣列數(shù)”文本編輯框輸入陣列數(shù)目10，“角度”文本編輯框輸入陣列角度36，單擊“確定”，模型效果如圖5-