搬運碼垛機器人畢業(yè)設計

1、Company number ： WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998目錄1緒論研究背景及意義隨著現(xiàn)代社會科技水平日新月異的變化，機器人技術已經(jīng)滲透到人類生活中的方 方面面，演著不可替代的角色。機器人是多個學科技術綜合而成的產(chǎn)物，其應用程度 已經(jīng)逐漸寬廣起來研究機器人已經(jīng)成為了當今時代的趨勢。機器人的應用狀況已經(jīng)可 以作為權衡一個國家現(xiàn)化程度高低的重要因素。從機器人工作的環(huán)境來對機器人進行 分類，大體上能劃分成兩種，就是工業(yè)機器人與特種機器人。工業(yè)機器人是一種具有 良好性能的自動化機械裝置，是典型的含有很高科技含量的機電一體化產(chǎn)品。它在提 高產(chǎn)品質(zhì)量、增加經(jīng)濟效益、提高生

2、產(chǎn)率方面起著重要作用。同時工業(yè)機器人的發(fā)展 情況也是日新月異的，所以研發(fā)工業(yè)機器人是一件刻不容緩的事情。碼垛是隨著物流產(chǎn)業(yè)的不斷壯大而發(fā)展起來的一項高新技術，其思想是把物品按 照一定規(guī)律碼放在托盤上，從而能夠使物品的存放、搬運、轉移等活動變成單元化操 作，從而大大提高物流運輸?shù)男?。在物料質(zhì)量不大、尺寸不大、碼垛速度要求不高 的情況下，碼垛工作都是通過人工來實現(xiàn)的。后來為了減輕工人在碼垛時的工作強 度，產(chǎn)生了托盤操作機、工業(yè)機械手等一些比較簡單的機械設施。但是隨著人們對碼 垛速度要求的不斷提高，傳統(tǒng)的人工碼垛方式越來越難以達到人們的要求，這種情況 下碼垛機器人應運而生。作為工業(yè)機器人典型的一種

3、，碼垛機器人技術近幾年有著非?？焖俚陌l(fā)展，這樣 的發(fā)展速度和當今世界制造業(yè)的小批量、多種類的發(fā)展模式是十分吻合的。碼垛機器 人有著工作能力強、運行速度快、體積比較小、抓取種類多、應用范圍廣等特點，從 而在市場上備受青睞，正因為這些優(yōu)點，才使得碼垛機器人被普遍應用于制造業(yè)、碼 垛、裝配、焊接等諸多操作中。近年來，袋裝物品的需求和產(chǎn)量都十分巨大，進而對袋裝物品進行運輸?shù)男枨笠?在急劇增長。在我國有大量的袋裝物品需要進行碼垛、卸垛和運輸。目前，對袋裝物 品的火車運輸來講，火車站臺卸車、站臺碼垛、運輸裝車、運輸卸車、庫房碼垛等工 作一般均為人力操作，這樣做極大地消耗了人力物力。尤其是在環(huán)境比較惡劣的情

4、況 下，工作成本會很大且效率比較低。而結合了機器人技術和碼垛技術的碼垛機器人既 可以大幅度地提高工作效率，又可以大大增強工作過程中的安全性，從而節(jié)約了大量 的人力資源，有很大的經(jīng)濟和現(xiàn)實意義。自從上世紀70年代碼垛領域有了機器人技術的加盥之后，機器人碼垛技術取得了 很大的突破，抓取貨物類型、抓取速度和運行過程中的精確性、穩(wěn)定性都在不停地升 級。碼垛機器人的這些優(yōu)點會使碼垛機器人的廣泛使用變?yōu)橐环N不可阻擋的趨勢，會 擁有極其廣闊的應用前景。人類科技文明的不斷進步大大促進了人們對更有效工作方 式的渴望，減少勞動強度，以及更加高效、高質(zhì)量地完成碼垛工作已經(jīng)逐漸被人們重 視起來。各行各業(yè)對其勞動效率和

5、工作要求都在不斷的提高，因此在碼垛工作上也在 尋找著更加方便、有效的工具來更好地完成各項任務，但是傳統(tǒng)的碼垛方式因為其種 種弊端，已經(jīng)越來越難以滿足企業(yè)的需求了。近幾年來，碼垛機器人在各行各業(yè)的應用在逐漸增多，特別是在物流運輸過程中 有著舉足輕重的作用，尤其是自動化倉庫的出現(xiàn)，更加引導了碼垛機器人的發(fā)展。目 前我國的碼垛設備基本上是進口的，國內(nèi)的碼垛機器人研發(fā)技術還不是十分成熟，我 國的碼垛機器人研究水平和國外還有著很大差距。中國又是一個勞動力密集型的發(fā)展 中國家，耗費人力資源進行的工作特別多，隨著我國對碼垛機器人的不斷需求與我國 碼垛機器人技術落后之間的矛盾曰益突出，開發(fā)和研究自己的碼垛機器

6、人就顯得刻不 容緩。國內(nèi)碼垛機器人的研究現(xiàn)狀國內(nèi)的機器人相關技術起步比較晚，20世紀70年代，國內(nèi)才開始引進機器人技 術，因為當時受著很多因素的限制，發(fā)展相對緩慢，研究水平也較低。到了 80年代， 我國的機器人水平有了較快發(fā)展，“七五”期間，國家也投入了很多的人力、物力來進行 機器人技術的研究，并相繼開發(fā)出了一些工業(yè)機器人和特種機器人，使中國的機器人 從無到有，邁出了一大步。到了新世紀，我國的機器人技術有了長足的進步，各項新 技術不斷涌現(xiàn)，先后出現(xiàn)了電焊、裝配、搬運、切割、碼垛等很多機器人品種，碼垛 機器人的技術也取得了迅速的發(fā)展。在國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學的機器人研究所和上海交通大學的機器人研究

7、所是碼垛 機器人的領頭研究單位。主要的機器人公司是哈爾濱博實自動化設備有限公司、沈陽 新松機器自動化股份有限公司以及首鋼莫托曼機器人有限公司。我國自行設計制造了 多種形式的碼垛機器人，其中直角坐標型和關節(jié)型為主要的結構形式。其中關節(jié)型機 器人的機身比較緊湊，動作靈活并且工作空間大，是機器人中使用最多的一種，世界 上許多知名品牌的機器人公司，如ABB、KUKA、MTOMAN. PUMA等都采用關節(jié) 型機器人。哈爾濱工業(yè)大學研制的機器人碼垛機已經(jīng)成功地應用在了碼垛包裝的生產(chǎn)線上， 并且取得了良好的效果該機器人采用了雙自由度的笛卡爾坐標式機器人碼垛機，并結 合了編組機，這樣就可以一個動作抓取兩個或者

8、三個物品，從而大大提高了工作能 力，可以實現(xiàn)80。袋/小時的工作能力。上海交通大學機器人研究所與沃迪包裝科技有限公司合作，共同研制了新一代 TPR系列碼垛機器人。此機器人采用的是線性四連桿機構和基于PC的控制系統(tǒng)，還能 對碼垛現(xiàn)場進行3D仿真以及自動干涉檢查,可以大大提高機器人的各項性能，其工作 能力可以達到1600包/小時。哈爾濱博實自動化設備有限公司在2006年開發(fā)了基于 FFS的高速高精度的稱重包裝碼垛生產(chǎn)線，這個生產(chǎn)線的生產(chǎn)速度可以高達1600袋/小 時，而在稱重方面的精度可達±%。沈陽新松機器自動化股份有限公司主要研究工業(yè)機器人與工業(yè)自動化技術及產(chǎn)品 的開發(fā)，在自主機器人技

9、術方面，解決了機器人的控制、本體優(yōu)化設計、機器人作業(yè) 和工程應用中的很多難題，成功地開發(fā)了自主的碼垛機器人系統(tǒng)。蘇海新等人設計開發(fā)了一種四自由度新型工業(yè)碼垛機器人，其機械本體結構采用 以平衡吊原理為基礎的連桿機構?？刂葡到y(tǒng)采用的是基于PC和PMAC的分布式控制 系統(tǒng)，這個控制系統(tǒng)開放性和實時性都比較好，伺服控制的精度也十分高。楊潮泉等 人設計研制了一種碼垛SCARA機器人，該機器人機械本體結構使用水平關節(jié)型.控制 系統(tǒng)的核心部分為基于PC的DSP多軸運動控制器。盡管我國在碼垛機器人的研究上取得了一些成就，但是和國外的碼垛機器人技術 相比較，我國還有明顯的差距。曰本和歐美等發(fā)達國家的碼垛機器人技

10、術已經(jīng)到達了 一個比較高的水平，碼垛機器人的工作能力在不斷的提高，碼垛機器人的柔性、處理 速度以及負載能力方面也在不斷提升，應用范圍也在不斷拓展.因此需要我國的科研 工作者更加努力，從而使我國的碼垛機器人技術有個更好的未來碼垛機器人的發(fā)展趨勢為了能夠適應不斷變化的商品對于碼垛的要求，讓碼垛機器人盡可能更好地為碼垛 工業(yè)服務，因此碼垛機器人的未來發(fā)展趨勢主要有：(1)自動化程度越來越高機電綜合技術將會成為碼垛機器人發(fā)展的主流，衡量碼垛機器人技術水平的一個 十分重要的指標將會是自動化程度。碼垛機器人的自動化主要包括自動控制和自動檢 測。一大批的微電子、紅外線、傳感器等新技術，尤其是微小型計算機的廣

11、泛使用會 使碼垛機器人的自動控制和自動檢測水平飛速提升，從而大大提高碼垛質(zhì)量。(2)高速化不僅要促進單機高速化，而且要提高碼垛系統(tǒng)的高速化。在不斷提升自動化程度 的前提下，不斷改進碼垛機器人的結構。同時將整個碼垛系統(tǒng)的生產(chǎn)效率重視起來， 這樣才能讓高速化向更深的層次發(fā)展。(3)采用模塊化結構采用模塊化結構不僅能夠讓碼垛機器人最大限度的滿足不同物品對機器人的要 求，同時可以讓設備的設計和制造更方便，能夠降低成本、縮短生產(chǎn)周期。(4)多功能碼垛機器人對于生產(chǎn)大批量、尺寸固定的商品，一般會有相應的設備進行碼垛。但是近些年 由于多品種、小批量商品市場的不斷壯大以及中、小型用戶的急劇增加，多功能通用 碼

12、垛機器人的發(fā)展速度很快，應用前景也十分開闊。2設計方案設計要求在生產(chǎn)過程中，經(jīng)常要搬運桶裝的重物，工作簡單枯燥，為了滿足某工廠生產(chǎn)的直 徑X高Y420x500mm,重量100kg的桶裝化學品，本論文設計了工作壽命為15年，每 年工作30。天，兩班制，每班8小時的搬運碼垛機器人，來滿足生產(chǎn)要求。機構組成本文設計了一種專門針對桶裝物品的搬運碼垛機器人，該機人結構簡單，制造成 本低廉，運營維護方便，定位精度高，工作節(jié)拍快，適合在勞動密集型企業(yè)推廣使 用。該搬運碼垛機器人結構主要分為三大部分，分別為：起升機構，旋轉機構，堆垛 機構，三個機構相互獨立。各個機構有自己獨立的電機驅(qū)動。搬運碼垛機器人起升機構

13、示意圖如圖0所示圖（）起升機構示意圖它的工作原理是：電機1連接接彈性聯(lián)軸器2連接制動器3,通過減速器4,鏈接 剛性聯(lián)軸器7,帶動卷筒6,通過滑輪機構提升重物5起升或下降。搬運碼垛機器人旋轉機構采用齒輪機構帶動懸臂轉動，槽輪每轉一周，懸臂轉動 90。，從而實現(xiàn)機器人搬運工能。堆垛過程示意圖如圖（2-2）所示，采用用單銷四槽槽輪機構和曲柄滑塊機構組合 實現(xiàn)機器人的堆垛功能。圖（2-2）堆垛過程示意圖堆垛裝置工作原理：每框的第一桶放在如圖所示位置，然后通過曲柄滑塊裝置帶 動和滑塊連在一起的木桶動作到中間位置。以后每次動作將木桶放置到左上角，堆垛 裝置旋轉90。，直至其余四個位置都被裝滿為一個循環(huán)。碼

14、垛機器人路徑規(guī)劃圖(2-3)運動軌跡(1)碼垛機器人工作時，首先從初始位置A旋轉45。到達物品層B上方，角加速度a=s?額定s=s所需時間7=2%+，2=計算：令加/減速階段所用時間乙二,旋轉角度7r/24rad,則勻速運動角度兀/6 rad, 所用時間為G41,)=-at7 a=s-24 21冗 =t,=6-co = a= rad/s(2)然后抓手下放抓取重物，下放高度500mm,下降速度lm/s,耗時乙抓取重 物后上升到初始位置高度500mm,額定上升速度v=lm/s,加速運動減速運動的加速度 a2 =5m/52,所需時間刀=24+，5=。計算：令抓取重物后加速/減速上升距離100mm,耗

15、時。二,勻速上升距離300mm, 耗時/則貝 IJ 02=5111/1v=a2( = lni/s=則，5 二(3)抓手帶動重物旋轉由B到C位置,轉過角度90。角加速度a=s?額定8二$所 需時間看二24+廿。計算：令加/減速階段所用時間j 旋轉角度2/18ad,則勻速運動角度5兀/18 rad,所用時間為。=a-a= rad/s?18 265/r= a-r6-r7% = s18-co = a tG = rad/s(4)然后抓手下放抓取重物至堆垛平臺上，下放高度500mm,下降速度lm/s,耗 時7； = 0.55。堆垛結束后做復合運動返回初始位置，額定上升速度v=lm/s,角加速度 a=s額定

16、cu=s ,加速運動減速運動的加速度“2=5m/s1所需時間八二。所以，搬運碼垛機器人完成一次工作循環(huán)所消耗的時間為品=)+ 1+n+看+n +” = 4.275 s(5)堆垛機構在接受起吊裝置吊裝的第一個重物后，由曲柄滑塊機構將重物運送到平 臺中央，然后每接受一次重物，平臺旋轉90。，直到平臺四個角落的位置填滿(平臺上 共搭載5個重物)為一次循環(huán)，平臺旋轉時間為心=4.275 S,旋轉角速度g=s。3.起升機構設計計算起升機構電機選擇YZR系列起重及冶金用三相異步電機適用于各種形式的起重機械及冶金輔助設備 的電力傳動。電機頻繁啟動制動和反轉。能在額定電壓下直接啟動并具有啟動力矩 大，啟動電流

17、小，機械強度高等特點。所以本文設計的搬運碼垛機器人的起升機構電 機選用YZR型三相異步電機。起升機構電機容量選擇起升機構電機功率可按提升額定起升質(zhì)量時的靜功率計算，即：(3-1)式中Cp一起重機額定起升質(zhì)量100 kgV 額定起升速度Ini/sg 重力加速度，g= (m/52)。一機構的總效率起升機構設計時輸入軸與輸出軸垂直布置，選用CW型圓弧圓柱蝸桿減速器，減 速器效率強二,選用深溝球軸承，效率77承=，滾筒效率珠二,彈性聯(lián)軸器效率 %=,剛性聯(lián)軸器效率縱產(chǎn)，滑輪效率%二。貝 lj tji) = 滑 2 .至剛，7洪=0.982 x 0.96x0.99 x 0.99 x 0.99 x 0.9

18、 =所以月=1 OOOz/o100x9.81x11000x0.805= 1.219 KW實際接電持續(xù)率(JC)pT.=T+T2+T3+T4+T5+T6 =+= ST = T2 +T3 +T6=+=2 sT o(JC1, = = x 100%=%"T.: 4.275 在3 1-82中選擇一個與實際接電持續(xù)率最接近的電機，使其額定功率匕滿足下式:*/小百"318 KWYZR112M型三相異步電機，工作定額40%,功率，轉速1000n/min滿足要求。起升機構鋼絲繩選擇選擇與計算鋼絲繩繩徑應不小于下式計算的最小直徑：lin=cVs=xV98i = mm,查表取d=4mm纖維芯鋼絲

19、繩.抗拉強度1770MP.,鋼芯最小破斷拉力。鋼絲繩標記：4NAT (12+6+1)+ IWS 1770 ZZ GB/T 8918式中S 鋼絲繩最大靜拉力，S=mg=100x=981 NC 鋼絲繩的選擇系數(shù)由機構利用等級T7 (繁忙使用)機構載荷狀態(tài)L2中載查表得機構工作級別M7,鋼絲繩的選擇系數(shù)C=N§鋼絲繩的實際破斷力S。的估算公式為：S。= 丁 /成(3-2)式中d 鋼絲繩的直徑G 鋼絲繩鋼絲的抗拉強度極限。一鋼絲繩中金屬絲截面與整個截面的比值，與鋼繩結構有關，一般取3二K -鋼絲繩編結損失系數(shù)，一般取a=貝|J ： So = 3'14x'(X)4-x 1770

20、 x 106 x0.5x0.88 =根據(jù)所選鋼絲繩的實際破斷力S。驗算安全系數(shù)n ：n=50/5=4-981 =卷筒的設計與計算(1)卷筒直徑計算DIN15020規(guī)定了鋼繩的卷筒和滑輪直徑不得小于下式計算的最小直徑：卷筒：Onin = % 也，"minT XX = mm滑輪：=4 2 Mmm = lx25x = mm取卷筒直徑。出=84 mm滑輪直徑D滑=94 mm式中。砂一以鋼絲繩中心線計算的鋼絲繩卷繞直徑；“min計算的鋼絲繩最小直徑；九一與鋼絲繩卷繞形式，工作級別有關的系數(shù)，不旋轉鋼絲繩的4=1;h 與一次提升的彎曲次數(shù)及方向有關的系數(shù)，由機構工作級別查表“，8-1-54 得:

21、卷筒也=滑輪二25 ；卷筒繩槽結構尺寸設計計算：繩槽半徑：R=()d=x4= mm繩槽深度：標準槽"尸xd=mm繩槽節(jié)距：標準槽Pi =d+(24)=4+3=7(3)卷筒厚度計算：鑄鐵卷筒厚度：640.220 + (610) = 0.22x89.6 + 10 = 11.792mm ,取0 = 12mm(4)卷筒長度計算：單聯(lián)卷筒：L” = )+ 2, + 4=+2x8+21= mm式中：。=(綜"+ Z)p=3卜7=93.5 mm, Hmax ：最大起升高度碼1 3.14x89.6)2915mm,m為滑輪組倍率取m=l,4為鋼絲繩安全圈數(shù)，%之1.53 ,取4二3。4 :無

22、繩槽的卷筒端部尺寸，按需要定，取4二8 mmL-,：固定繩尾所需長度L2 2 3P=3x7=21 min(5)卷筒強度校核：條件：LK3O,所以應用卷筒壁內(nèi)表面最大壓應力進行強度計算,a =A< a (MPci)dPyp符號意：A 與卷筒層數(shù)有關的系數(shù)，查表1,8-1-55取A=1鼠六一鋼絲繩最大拉力，5max=mg+ma=100x (+5)=1481 NJ 卷筒壁厚12 mmb 90? Sb叩一許用壓應力，鑄鐵6尸£ = 厚 = 68.82 MPa%抗壓強度，bv = 6尸xl95=MPa,材料選用HT200灰鐵200。代入/ = 4決=黑 = 17.631 < b、p

23、(MP),所以卷筒強度計算合格。 dr 12x 7起升機構減速器選擇起升機構的傳動比，0根據(jù)電動機的轉速和卷筒的轉速n,由式/0 = - = 4.605 確定，其中 =217.140 (r/min)；° n 217.140叫 3.14x0.088式中n, 一電動機額定轉速，r/min ；n 卷筒轉速；.一起升速度，m/min ；a 滑輪組倍率；卷筒計算直徑，m,。產(chǎn)D+d(D為卷筒直徑，d為鋼絲繩直徑)。(1)選用減速器的公稱輸入功率應滿足：P2m =P2KaSa < 6(3-3)式中P5機械強度計算功率，KW ；02負載功率，KW ; P2 = m v = 100.9.811

24、 =儲工況系數(shù)；查表4,16-2-8得儲=5八一安全系數(shù)；查表4/6-2-9得力二一減速器公稱輸入功率；查表4,16-2-4得：ZDY型減速器，公稱傳動比i=,輸入轉速1000r/min,輸出轉速220 r/min,中心距a=80 mm, =o帶入公式得：P2m =P.KaSa =x x= < (KW)(2)校核熱平衡許用功率：應滿足：斗=打工人力4 %或% 式中當一計算熱功率，KW；%，足2減速器熱功率，查表無冷卻裝置匕尸18 ；:f."于3.一系數(shù) 查表H16-2-10/；環(huán)境溫度系數(shù)，無冷卻條件，環(huán)境溫度為 3。°時力二。力載荷系數(shù)，查表4,16-2-11當小時

25、載荷率為40%時，%=。力公稱功率利 用系數(shù)，等=察、100% = 10.326,查表4,16-2-13用插值法得力二；帶入公式得: & =6/力=0 981 x 1.15x0.74x0.323 =0.26918(%)所以，選擇ZDY型減速器，公稱傳動比i二,輸入轉速1000r/min,輸出轉速220r/min,中心距a=80 mm,耳=滿足設計要求。起升機構聯(lián)軸器的選擇起升機構中聯(lián)軸器應滿足下式要求：r =(3-4)式中T 所傳遞轉矩的計算值，N m ；丁如用一按載荷組合B計算的最大轉矩，對高速軸，小H 其中，為電動 機轉矩的允許過載倍數(shù)，查表得YZR112M三相交流異步電機4二,7

26、；為電動機額定p1 5轉矩，Tn =9550(-w) =9550-=,P為電動機額定功率，kW, n為轉速，r/min ； n1000對低速軸心2 二"可 其中，為起升載荷動載系數(shù)，查表3-16得4=+ (v,-0.2)=+ 0 = ； 4為鋼絲繩最大靜拉力作用于卷筒的轉矩，7=mg Dg=100xx=A /n ；r 聯(lián)軸器許用轉矩，N” 由機械設計手冊查得7占一聯(lián)軸器重要程度系數(shù)，對起升機構，g心角度偏差系數(shù)，電機軸處選用UL型彈性聯(lián)軸器，減速器輸出端選用YL型剛性聯(lián)軸器攵3=1 ；代入公式得：對于高速軸 T = 1.3x 1 x0.8x (2.2x 14.325) = 32.77

27、6 /V - m o 電機軸徑32mm,變速箱輸入軸徑24mm,輸入轉速1000r/mino對于低速軸 T = Ar,niax = 1.3x 1 x 0.8 x (1.37 x 82.4(M ) = 117,409 N m變速箱輸出軸徑32mm，滾筒軸軸徑28mm,轉速n=。型號選擇：對于高速軸：從GB/T 58441986查表1,6-2-24選用UL5型輪胎式聯(lián)軸器.許 用轉矩160N-?，許用最大轉速4000r/min,軸徑在2435之間，符合要求。對于低速軸：從GB/T 58431986查表1,6-2-28選用YL7對中梯型聯(lián)軸器，許 用轉矩160N利，許用最大轉速7600r/min,軸

28、徑在2840之間，符合要求。4.旋轉機構設計計算旋轉機構中電機帶動CW型圓弧圓柱蝸桿減速器，減速器輸出軸帶動標準直齒輪 副進而帶動旋轉軸旋轉，實現(xiàn)旋轉機構運動。旋轉機構電機選擇初選電機時考慮啟動功率按下式計算：Pe=Pst+Pa (kW)(4-1)式中：匕一等速運動時所需的功率即摩擦阻力的功率；心一加速機構所需的功率；(1)摩擦阻力功率計算回轉支撐裝置中的摩擦阻力矩產(chǎn)/十及(N?)； 式中。一徑向軸承中的摩擦阻力矩，N m ；止推軸承中的摩擦阻力矩，N m ；a.徑向軸承中的摩擦阻力矩二;氏/ (N利)乙式中 工一止推軸承所受的水平力，N；4徑向軸承的摩擦系數(shù)，滾動軸承取=；d一徑向軸承的內(nèi)徑

29、，m；計算：也二"gJ100+8),9.8L376.369 Nh 2.8152.815柱式旋轉機構由一個推力滾子軸承承受軸向力，由徑向軸承承受徑向力。，/二m ；所以 Tk = - L = 1X 0.015 X 376.369x0.075 = N 22b.止推軸承中的摩擦阻力矩7；，=(Nm) 式中”一止推軸承所受的垂直力，No4徑向軸承的摩擦系數(shù)，對滾動軸承取=；“一止推軸承的內(nèi)徑與外徑的平均值，m；計算：5桶+"李件)xg= (130+100) x=Nf 75 + 110d = 92.5 mm = m27；, = 1= 1 x0.015x2256.3x0.0925 =

30、1.565 N-mTm = TR+TV =+= N等速運動時所需的功率即摩擦阻力的功率匕=與蕓=匚=導至二(kW) 1UUU1UUU(2)加速機構所需的功率22k29 (kW)(4-2)"1000式中：北2搬運碼垛機器人旋轉時的回轉慣性阻力矩；卬一搬運碼垛機器人旋轉時的角速度，卬=rad/s ； 計算：回轉慣性阻力矩1心：搬運碼垛機器人回轉時的回轉慣性阻力矩由繞回轉中心線回轉的物品慣性阻力矩和回轉部分的慣性阻力矩組成，即Tml = % +%式中：4物品對起升機構回轉中心的轉動慣量，Kg?2； a搬運碼垛機器人起升重物旋轉時的角加速度；計算：J(? = n?/?2 = 100x O.8

31、2 =64 Kg a = rad / s2= J= 64x7.753 = 496.192 Kg - m1搬運碼垛機器人旋轉部分的慣性阻力矩4g(4-3)式中搬運碼垛機器人旋轉機構各部件和構件繞回轉中心的轉動慣量 /=12搬運碼垛機器人起升機重物旋轉時的角加速度； 計算：柱式回轉軸對回轉中心的轉動慣量為=-xl30x0.0852 = 0.470 Kg m222支撐架2對回轉中心的轉動慣量為支撐架3對回轉中心的轉動慣量為E= 人=0.47 + 3.704 + 1.717 = 5.891 Kg/ (=1T*g = E JGia = 5.891x 7.753 = 45.673 (N ?)所以作用在旋轉

32、機構柱式旋轉軸上的轉矩為42 =%+%=+= Nm所以一1000571.865x2.3261000= 1.330(kW)P(=P“ + P0= 0.00413 +1.330 = 1.334 (kW)查3, 1-26選擇Y100L6型三相異步電機，額定功率，同步轉速1000r/min。旋轉機構減速器選擇本文使用CW型圓弧圓柱蝸桿減速器，傳遞交錯軸間的運動和功率。 計算：PR = PBf&(4-4)T2J =TM(4-5)T2R=T2BfyfA(4-6)匕一戒速器計算輸入機械功率，kW；%戒速器計算輸入熱功率，kW；匕一減速器計算輸出機械轉矩，N m ;心火一減速器計算輸出熱轉矩，N-m

33、；戒速器實際輸入功率，%=；心8減速器實際輸出轉矩，T2B= N m ；工一工作載荷系數(shù)，查表4,16-2-50/產(chǎn)；/啟動頻率系數(shù),查表4,16-2-51%=；T 0 975力一小時載荷系數(shù)，由旋轉機構小時載荷率77 =羊= 0.228查表4,16-2-52得 八二;九一環(huán)境溫度系數(shù)，根據(jù)工作環(huán)境溫度查表4,16-2-53得/'_,二；其中：減速器實際輸出轉矩4s等于摩擦阻力矩卻與回轉慣性阻力矩(“2之圖和除以旋轉機構齒輪傳動比，齒O即 耳8 = Ll = G + Zk = .1.777 - D71 .X6) = 295.083 N m%1ti 內(nèi)1.944% =68工人=xx二kW

34、Rr = AJ/=xx二 kW匕=心工力=xx二N-mT2r = T2BfyfA =xx= Nm根據(jù)計算結果，查4,16-2-46,選擇CW型圓弧圓柱蝸桿戒速器，公稱傳動比i = 25, 輸入轉速1000r/min,中心距100 mm,額定輸入功率，額定轉矩640N 鹿旋轉機構聯(lián)軸器的選擇選擇Y100L6型三星異步電機，額定功率，同步轉速1000r/min,最大轉矩堆垛機構中，聯(lián)軸器選擇時應根據(jù)：r =(4-7)式中T 所傳遞轉矩的計算值，N m ；Qmax按載荷組合B計算的最大轉矩，對高速軸，qmax=4，其中人為電動機轉矩的允許過載倍數(shù)，查表得Y100L6三相交流異步電機乙=,，為電動機額

35、定轉p2 2矩，7；=9550(N,M=9550 = Nm, P為電動機額定功率，kW, n為轉速， 1000r/min ；r 聯(lián)軸器許用轉矩，N-m,由機械設計手冊查得r聯(lián)軸器重要程度系數(shù)，對起升機構，"；取一角度偏差系數(shù)，電機軸處選用UL型彈性聯(lián)軸器，減速器輸出端選用YL型剛性聯(lián)軸器勺=1 ；代入公式得：對于電機輸出軸對于低電機軸徑28mm,變速箱輸入軸徑28mm,輸入轉速1000r/mino速軸 T = KaT2 = 2.3 x 295.083 = 678.691 N - m第一工作情況系數(shù)查機械設計表141得£,二。變速箱輸出軸徑48mm,滾筒軸軸徑28mm,轉速n

36、=。型號選擇：對于高速軸：從GB/T 58441986查表選用UL5型輪胎式聯(lián)軸器，許用轉矩 160N"許用最大轉速4000r/min,軸徑在2435之間，符合要求。對于低速軸：從GB/T 58431986查表選用YL11型聯(lián)軸器，許用轉矩1000Nz,許用最大轉速5300r/min,軸徑在5570之間，符合要求。旋轉機構齒輪傳動設計L旋轉機構采用標準直齒輪傳動，齒數(shù)比 = 1.944,電機驅(qū)動，工作壽命15年，每 年工作300天，八小時工作制，每天兩班，中等沖擊載荷。(1)根據(jù)設計要求，選用直齒圓柱齒輪傳動，壓力角取a = 20°。旋轉機構為一 般工作機，查表5, 10-

37、6,選擇7級精度。(2)材料選擇。由表5, 10-1,選擇小齒輪材料為40。(調(diào)質(zhì)),齒面硬度 280 HBS,大齒輪材料為45鋼(調(diào)質(zhì)),齒面硬度240 "85。(3)選小齒輪齒數(shù)Z1=54,大齒輪齒數(shù)Z2=105。2.按齒面接觸疲勞強度設計(1)由式4? 匹HI卒句(4-8)V科 I匕)1)確定公式中各參數(shù)值試選“13 0小齒輪傳遞轉矩(=295083 N . mm ；由表5, 10-7選取齒寬系數(shù)為=1.3。由圖5, 10-20查得區(qū)域系數(shù)Z =2.5。由表5, 10-5查得材料的彈性影響系數(shù)Z£ =189.8M&"2。計算接觸疲勞強度用重合度系數(shù)Z

38、-=54x(tan25.024°-tan20°)+105 x(tan 22.761 °-tan20。)+24-3.14 = 1.814計算接觸疲勞許用應力口由圖5, 10-25d查得小齒輪和大齒輪的接觸疲勞極限分別為%皿=600M&*2 =550 MPa。計算應力循環(huán)次數(shù):乂=60x1.758x1x(2 x 8 x 300x15) = 7.62x1()6由圖5, 10-23查取接觸疲勞壽命系數(shù)Km= 1.34, Kn2=L27。取失效概率為1%,安全系數(shù)5 = 1,則取和中的較小者作為齒輪傳動的接觸疲勞許用應力，所以2)試算小齒輪分度圓直徑12x1.3x2

39、95083 1.944+1 f 2,5x189.8x0.854?=1xx mm1.31.9441704=mm(2)調(diào)整小齒輪分度圓直徑1)計算實際載荷系數(shù)前的數(shù)據(jù)準備。圓周速度v o齒寬b。2)計算實際載荷系數(shù)由表5, 10-2查得使用系數(shù)K.=1.5。根據(jù)吁0.0067級精度，由圖10-8查得動載系數(shù)K,=l。齒輪的圓周力。查表5, 10-3得齒間載荷分配系數(shù)K. =1.1。由表5, 10-7用插值法查得7級精度，小齒輪相對支撐非對稱布置時，得齒向載 荷分布系數(shù)K明=1.554。由此，得到實際載荷系數(shù)3)按實際載荷系數(shù)算的分度圓直徑=dui- =66.653x；J =83.589 mmVV

40、13級相應的模數(shù)將按接觸疲勞強度設計的齒輪模數(shù)就近放大為標準值? = 2 ,算出小齒輪齒數(shù)Z)=4/? = 83.589/2 = 41.794。取4 =41,則大齒輪齒數(shù)Z? ="4=1.944x41 =79.704,取Z? =80,4與Z?互為質(zhì) 數(shù)。這樣設計出的齒輪傳動，既滿足了齒/ =4? = 80、2 = 160面接觸疲勞強度，又滿 足了齒根彎曲疲勞強度，且結構緊湊。3.幾何尺寸計算(1)計算分度圓直徑(2)計算中心距“ =(4 + 出)/2 = (82 4-160)/2 = 121 min(3)計算齒輪寬度考慮到安裝誤差，為保證設計齒寬，將小齒輪略微加寬(510) mm,即

41、取a=112 mm,取大齒輪齒寬與=IS。旋轉機構齒輪傳動強度校核1.齒根彎曲疲勞強度校核一歿鏟傘(4-9)(1)計算各參數(shù)值1)計算實際載荷系數(shù)v = J/2 = 82xlO-3xO. 184/2 = 0.00754m/s, 7 級精度，由圖5, 10-8查得動載系數(shù)(=1 o由式查表5, 10-3得齒間載荷分配系數(shù)K=L1。寬高比/由表5, 10-4用插值法查得=1.554,結合/? = 23.689查圖5, 10-13,得治.=1.58。則載荷系數(shù)為 K戶=KAKvKFaK =1.5x1x1.1x1.58 = 2.6072)確定hYs小%2，匕由圖5, 10-17查得齒形系數(shù)心=2.4,

42、%=2.18。由圖5, 10-18查得應力修正系數(shù)& =1.67, k =1.743)計算Y£= 41 x (tan 26.365 ° - tan 20°)+80 x (tan 23.541 °-tan 20°)+2+ 3.14 = 1.7734滸算瓦計算應力循環(huán)次數(shù)：M =60/。=60x1.758x1x(2 x 8 x 300x15) = 7.62x1()6由圖5, 10-22查得彎曲疲勞壽命系數(shù)K.=0.97, A：flV2=0.94o由圖5, 10-24c查得小齒輪和大齒輪的齒根彎曲疲勞極限分別為,鵬=500M外 ,*2=38。

43、"&。取彎曲疲勞安全系數(shù)s = 1.4,則5)校核彎曲疲勞強度所以齒輪彎曲疲勞強度校核合格。6)齒輪主要參數(shù)齒數(shù)分度圓直徑d = Z? = 41 x2 = 82 mmd2 = Z2m = 80x2 = 160 mm齒頂圓直徑dai = (Zt + 2h；= (41 +2xl)x2 = 86 mm4T2 = © + 2/?*)m = (80 + 2xl)x2 = 164 mm齒根圓直徑dn =(Zj-2h： -2c*)m = (41-2x1-2x0.25)x2 = 77mmd, 2=(Z2- 2h： - 2c )/77 = (80 - 2 x 1 - 2 x 0.25

44、) x 2 = 155 mm 中心距a =(4 + 4) / 2 = (82 +160 )/2 = 121 mm齒輪寬度Z?i = 112 mm b2 = 107 mm旋轉機構軸的設計計算(1)按扭轉強度設計軸1的最小軸徑：9550000 -=-4 < rT(4-10)式中：% 扭轉切應力，MPa ；工一軸1受的扭矩,N mm ;w?一軸的抗扭截面系數(shù).r ;W2.326一軸 1 的轉速，n =x60=x 60 = 22.223 r/min ；2乃 24P軸傳遞的功率，P = kW；4計算截面處軸的直徑，mm；上許用扭轉切應力，MPa,軸的材料取45號鋼,查表5, 15-3得rT=35M

45、Pa ；計算：9550000xP,19550000x1.3344 >3._«=43.426 mm1 0.2向V0.2x35x 22.223按扭轉強度設計軸2的最小軸徑：式中：巧一扭轉切應力，MPa ；軸2受的扭矩，N m/n ；%一軸的抗扭截面系數(shù)，n2一軸 2 的轉速，n2 =勺 x=22.223x1.944 = 43.202r/min ；P軸傳遞的功率，P = kW；計算截面處軸2的直徑,信許用扭轉切應力，MPa,軸的材料取45號鋼,查表得5, 15-3rT=35MPa ；計算:d, N 戶5。7戶二19550000XL334 = 345。mm-V。,2向2 0.2 x35

46、x 43.202(1)二軸上零件的裝配方案設計(2)二軸的強度校核1.輪齒受力分析計算輪齒受力時，可忽略嚙合輪齒間所受的摩擦力。各力按下式計算:(4-11)外=2%4(4-12) (4-13)式中：刀一小齒輪傳遞的轉矩，4=295083 Nmm ；2壓力角，。二20。； 所以 5 =2(/4=2 x 295083 - 82 = 7197.146 Nmm2 .畫出軸的力學模型簡圖見圖（a）圖(a)3 .分別作出二軸在水平方向上的受力簡圖與水平方向上的彎矩圖見圖（b）圖（b）計算:4 .分別作出二軸在豎直方向上的受力簡圖與水平方向上的彎矩圖見圖（c）圖（c）計算: 5作彎矩圖和扭矩圖見圖（d） 計

47、算:圖（d）6.按彎扭合成應力校核軸的強度軸的彎扭合成強度條件為:=- 4 k-i（4-14）W式中：軸的計算應力，MPa ；M 一軸所受的彎矩，N mm ；T 一軸所受扭矩，N-mm ；W軸的抗彎截面系數(shù)，W = f y mm3,其中d為軸徑，b為鍵槽寬 32 2d度，t為軸上鍵槽深度；口"對稱循環(huán)變應力時軸的許用彎應力，MPa ；根據(jù)彎矩和扭矩圖確定危險截面B的強度，軸做循環(huán)往復旋轉，扭轉切應力為對稱循環(huán)變應力，取折合系數(shù)。=1,軸的計算應力為軸材料選用45鋼，調(diào)質(zhì)，查表得對稱循環(huán)變應力時軸的許用彎應力口"與。MPa。由于%所以安全。軸承所受徑向力 %="&q

48、uot; + 嗝=.32816+ 1194.4052 = 3492.206N基本額定靜載荷= 18000 N,，= 0,所以X=l, Y=0o軸向當量動載荷尸=力5耳+肛）= 1.5 x 3492.206 = 5238.309N,人為載荷系數(shù)， 中等沖擊時力二。驗算軸承壽命：預期使用壽命為L=2x8x300xl5=72000h, L<Lh9所以軸承驗算合格。5.堆垛機構設計計算堆垛機構電機選擇堆多機構初選電機時考慮啟動功率按下式計算：Pc=Psl+Pa (kW)(5-1)式中：匕一等速運動時所需的功率即摩擦阻力的功率；乙一加速機構所需的功率；(1)摩擦阻力功率計算回轉支撐裝置中的摩擦阻力

49、矩弓式中 G 止推軸承中的摩擦阻力矩，N；a.止推軸承中的摩擦阻力矩7；,=；4卬(N?)式中E止推軸承所受的垂直力，N。一徑向軸承的摩擦系數(shù)，對滾動軸承取4二；，/止推軸承的內(nèi)徑與外徑的平均值，m；計算：5 =(5x用標+M零件)xg二(5x100+80) x= N,75 + 110a = 92.5 mm = m2Tv = 1/.iF,d = 1 x0.015x5689.8x0.0925 = 3.947 N-mT 3 947x0 184等速運動時所需的功率即摩擦阻力的功率匕=彳W =()(/ = (kW)(2)加速機構所需的功率與小彳簫(kW)(5-2)式中：北2搬運碼垛機器人旋轉時的回轉慣

50、性阻力矩；卬一搬運碼垛機器人旋轉時的角速度，W=S；計算：回轉慣性阻力矩1心搬運碼垛機器人回轉時的回轉慣性阻力矩由繞回轉中心線回轉的物品慣性阻力矩4。和回轉部分的慣性阻力矩7；。組成，即40=3（n?）式中：與一物品對堆垛平臺回轉中心的轉動慣量，Kg./；。一搬運碼垛機器人堆垛平臺旋轉時的角加速度；計算： JQ =8x nr R2 =800x O.22 =32 Kg m2a = rad /s2T<q= a = 32x4.753 = 152.096 Kg - m2搬運碼垛機器人堆垛機構的慣性阻力矩”Gt,g = JGia（Nm）式中搬運碼垛機器人堆垛機構各部件回轉中心的轉動慣量 /=1。一

51、搬運碼垛機器人堆垛機構旋轉時的角加速度；計算：柱式回轉軸對回轉中心的轉動慣量為堆垛平臺對回轉中心的轉動慣量為其中”為平臺質(zhì)量，”和為平臺的長與寬;S J(. =Jt+J2 =0.289+14.4 = 14.689 Kg ,% =自小=14.689 x 4.753 = 69.817 (Nin) 所以作用在堆垛機構柱式旋轉軸上的轉矩為：小=%+%=+= N 中所以 p = Lnim = 221.913x0.184=0()41 (kW)10001000p=pxi+pa= 0.00726 + 0.041 =0.048 (kW)查3, 1-26選擇Y100L6型三星異步電機，額定功率，同步轉速1000r

52、/min。堆垛機構平臺設計堆垛機構中，設計一種曲柄滑塊機構，來實現(xiàn)將每次工作循環(huán)中起升機構運送的 第一件重物由平臺邊角運送到平臺中心，見圖0曲柄滑塊機構中，連桿BD長度為曲柄AB長度的二倍AB=200mm, C處為運送 重物的托盤。當曲柄運動到b處時托盤恰好運送重物到回轉中心，即平臺中心。堆垛 平臺上為了使重物從平臺邊緣運送到平臺中心，需要在平臺上開槽，槽的形狀應和C 點的運動軌跡相符。圖。曲柄滑塊機構槽輪機構設計本機構選用外接徑向槽輪機構，機構參數(shù)：槽數(shù)Z=4槽間角2戶=360。/4 = 90。槽輪每次轉位時曲柄的轉角2a = 180。- 24=180。-90° = 90°

53、;中心距"= 300 mm曲柄相對長度.4 = 0.707曲柄長度廠=加= 0707x3。= 212.1 mm槽輪相對半徑4=槽輪半徑 R = 3 = 0.707x300 = 212.lmm 鎖止弧張角y = 3600 - 2a = 270°圓銷半徑% n "6 = 35 mm相對槽深生也=0.42 a槽深 h = 0.42 xa + rA =161 mm曲柄軸輪轂相對直徑線十"Y 2(1 -=2x (1 -0.707) = 0.586,取仁”=0.6 aa曲柄軸輪轂直徑dK = 0.6xa-2rA = 110 mm鎖止凸弧半徑1V-。= 212.1-3

54、5 = 177.1 mm,取4 =170 mm堆垛機構減速器的選擇堆垛機構使用CW型圓弧圓柱蝸桿減速器，傳遞交錯軸間的運動和功率。計算：Pj = fBff2=XX=“R = J/4=X1X=T?j二xx= /V - mT?r = T21J3f4 =x 1 x二 N e m匕一減速器計算輸入機械功率，kW；%戒速器計算輸入熱功率，kW；%減速器計算輸出機械轉矩，N m ;心火一減速器計算輸出熱轉矩，N m ；戒速器實際輸入功率，之二kW；心8減速器實際輸出轉矩，T1B= N m ；工一工作載荷系數(shù)，查表/尸； 力一啟動頻率系數(shù)，查表八二;力一小時載荷系數(shù)，由旋轉機構小時載荷率 =10。%；查表得/； 二 1 ； 八一環(huán)境溫度系數(shù)，根據(jù)工作環(huán)境溫度查表得九二；根據(jù)計算結果，查機械設計手冊，選擇CW型圓弧圓柱蝸桿減速器，公稱傳動比i = 25,輸入轉速1000r/min,中心距100 mm,額定輸入功率，額定轉矩640N?。堆垛機構聯(lián)軸器的選擇選擇Y100L6型三星異步電機，額定功率，同步轉速1000r/min,最大轉矩堆垛機構中，聯(lián)軸器選擇時應根據(jù)：7 =Of)式中T