搬運(yùn)碼垛機(jī)器人的設(shè)計

...wd......wd......wd...目錄110216緒論 1152611.1研究背景及意義140001.2國內(nèi)碼垛機(jī)器人的研究現(xiàn)狀268171.3碼垛機(jī)器人的開展趨勢418422設(shè)計方案5288482.1設(shè)計要求5242762.2機(jī)構(gòu)組成5112602.3碼垛機(jī)器人路徑規(guī)劃7305883起升機(jī)構(gòu)設(shè)計計算9202283.1起升機(jī)構(gòu)電機(jī)選擇9249633.1.1起升機(jī)構(gòu)電機(jī)容量選擇9187353.2起升機(jī)構(gòu)鋼絲繩選擇選擇與計算10136673.2.1鋼絲繩繩經(jīng)的選擇10176823.3卷筒的設(shè)計與計算1180173.4起升機(jī)構(gòu)減速器選擇1287353.5起升機(jī)構(gòu)聯(lián)軸器的選擇1473664旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計計算16155014.1旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)電機(jī)選擇1690134.2旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器選擇18321824.3旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)聯(lián)軸器的選擇19249544.4旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)齒輪傳動設(shè)計21164534.5旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)齒輪傳動強(qiáng)度校核2466074.6旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)軸的設(shè)計計算27120044.6.1最小軸徑確定27164474.6.2二軸的構(gòu)造設(shè)計及強(qiáng)度校核28146674.6.3二軸上深溝球軸承校核33107475堆垛機(jī)構(gòu)設(shè)計計算34232675.1堆垛機(jī)構(gòu)電機(jī)選擇34153475.2堆垛機(jī)構(gòu)平臺設(shè)計3618785.3槽輪機(jī)構(gòu)設(shè)計36152705.4堆垛機(jī)構(gòu)減速器的選擇37298885.5堆垛機(jī)構(gòu)聯(lián)軸器的選擇38151105.6堆垛機(jī)構(gòu)軸最小直徑計算3930821結(jié)論418416致謝424631參考文獻(xiàn)431緒論1.1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(jī)器人技術(shù)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(jī)器人是多個學(xué)科技術(shù)綜合而成的產(chǎn)物，其應(yīng)用程度已經(jīng)逐漸寬廣起來研究機(jī)器人已經(jīng)成為了當(dāng)今時代的趨勢。機(jī)器人的應(yīng)用狀況已經(jīng)可以作為權(quán)衡一個國家現(xiàn)化程度上下的重要因素。從機(jī)器人工作的環(huán)境來對機(jī)器人進(jìn)展分類，大體上能劃分成兩種，就是工業(yè)機(jī)器人與特種機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人是一種具有良好性能的自動化機(jī)械裝置，是典型的含有很高科技含量的機(jī)電一體化產(chǎn)品。它在提高產(chǎn)品質(zhì)量、增加經(jīng)濟(jì)效益、提高生產(chǎn)率方面起著重要作用。同時工業(yè)機(jī)器人的開展情況也是日新月異的，所以研發(fā)工業(yè)機(jī)器人是一件刻不容緩的事情。碼垛是隨著物流產(chǎn)業(yè)的不斷壯大而開展起來的一項高新技術(shù)，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(yùn)、轉(zhuǎn)移等活動變成單元化操作，從而大大提高物流運(yùn)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(qiáng)度，產(chǎn)生了托盤操作機(jī)、工業(yè)機(jī)械手等一些比較簡單的機(jī)械設(shè)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到達(dá)人們的要求，這種情況下碼垛機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。作為工業(yè)機(jī)器人典型的一種，碼垛機(jī)器人技術(shù)近幾年有著非?？焖俚拈_展，這樣的開展速度和當(dāng)今世界制造業(yè)的小批量、多種類的開展模式是十分吻合的。碼垛機(jī)器人有著工作能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快、體積比較小、抓取種類多、應(yīng)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(jī)器人被普遍應(yīng)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(jìn)而對袋裝物品進(jìn)展運(yùn)輸?shù)男枨笠苍诩眲≡鲩L。在我國有大量的袋裝物品需要進(jìn)展碼垛、卸垛和運(yùn)輸。目前，對袋裝物品的火車運(yùn)輸來講，火車站臺卸車、站臺碼垛、運(yùn)輸裝車、運(yùn)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)境比較惡劣的情況下，工作成本會很大且效率比較低。而結(jié)合了機(jī)器人技術(shù)和碼垛技術(shù)的碼垛機(jī)器人既可以大幅度地提高工作效率，又可以大大增強(qiáng)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(jì)和現(xiàn)實意義。自從上世紀(jì)70年代碼垛領(lǐng)域有了機(jī)器人技術(shù)的加盟之后，機(jī)器人碼垛技術(shù)取得了很大的突破，抓取貨物類型、抓取速度和運(yùn)行過程中的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性都在不停地升級。碼垛機(jī)器人的這些優(yōu)點會使碼垛機(jī)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(yīng)用前景。人類科技文明的不斷進(jìn)步大大促進(jìn)了人們對更有效工作方式的渴望，減少勞動強(qiáng)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(wù)，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(jī)器人在各行各業(yè)的應(yīng)用在逐漸增多，特別是在物流運(yùn)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(dǎo)了碼垛機(jī)器人的開展。目前我國的碼垛設(shè)備基本上是進(jìn)口的，國內(nèi)的碼垛機(jī)器人研發(fā)技術(shù)還不是十分成熟，我國的碼垛機(jī)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開展中國家，消耗人力資源進(jìn)展的工作特別多，隨著我國對碼垛機(jī)器人的不斷需求與我國碼垛機(jī)器人技術(shù)落后之間的矛盾日益突出，開發(fā)和研究自己的碼垛機(jī)器人就顯得刻不容緩。1.2國內(nèi)碼垛機(jī)器人的研究現(xiàn)狀國內(nèi)的機(jī)器人相關(guān)技術(shù)起步比較晚，20世紀(jì)70年代，國內(nèi)才開場引進(jìn)機(jī)器人技術(shù)，因為當(dāng)時受著很多因素的限制，開展相對緩慢，研究水平也較低。到了80年代，我國的機(jī)器人水平有了較快開展，“七五〞期間，國家也投入了很多的人力、物力來進(jìn)展機(jī)器人技術(shù)的研究，并相繼開發(fā)出了一些工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人，使中國的機(jī)器人從無到有，邁出了一大步。到了新世紀(jì)，我國的機(jī)器人技術(shù)有了長足的進(jìn)步，各項新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，先后出現(xiàn)了電焊、裝配、搬運(yùn)、切割、碼垛等很多機(jī)器人品種，碼垛機(jī)器人的技術(shù)也取得了迅速的開展。在國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的機(jī)器人研究所和上海交通大學(xué)的機(jī)器人研究所是碼垛機(jī)器人的領(lǐng)頭研究單位。主要的機(jī)器人公司是哈爾濱博實自動化設(shè)備、沈陽新松機(jī)器自動化股份以及首鋼莫托曼機(jī)器人。我國自行設(shè)計制造了多種形式的碼垛機(jī)器人，其中直角坐標(biāo)型和關(guān)節(jié)型為主要的構(gòu)造形式。其中關(guān)節(jié)型機(jī)器人的機(jī)身比較緊湊，動作靈活并且工作空間大，是機(jī)器人中使用最多的一種，世界上許多知名品牌的機(jī)器人公司，如ABB、KUKA、MTOMAN、PUMA等都采用關(guān)節(jié)型機(jī)器人。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的機(jī)器人碼垛機(jī)已經(jīng)成功地應(yīng)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(jī)器人采用了雙自由度的笛卡爾坐標(biāo)式機(jī)器人碼垛機(jī)，并結(jié)合了編組機(jī)，這樣就可以一個動作抓取兩個或者三個物品，從而大大提高了工作能力，可以實現(xiàn)800袋/小時的工作能力。上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所與沃迪包裝科技合作，共同研制了新一代TPR系列碼垛機(jī)器人。此機(jī)器人采用的是線性四連桿機(jī)構(gòu)和基于PC的控制系統(tǒng)，還能對碼垛現(xiàn)場進(jìn)展3D仿真以及自動干預(yù)檢查，可以大大提高機(jī)器人的各項性能，其工作能力可以到達(dá)1600包/小時。哈爾濱博實自動化設(shè)備在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(dá)1600袋/小時，而在稱重方面的精度可達(dá)±0.1%。沈陽新松機(jī)器自動化股份主要研究工業(yè)機(jī)器人與工業(yè)自動化技術(shù)及產(chǎn)品的開發(fā)，在自主機(jī)器人技術(shù)方面，解決了機(jī)器人的控制、本體優(yōu)化設(shè)計、機(jī)器人作業(yè)和工程應(yīng)用中的很多難題，成功地開發(fā)了自主的碼垛機(jī)器人系統(tǒng)。蘇海新等人設(shè)計開發(fā)了一種四自由度新型工業(yè)碼垛機(jī)器人，其機(jī)械本體構(gòu)造采用以平衡吊原理為根基的連桿機(jī)構(gòu)。控制系統(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。楊灝泉等人設(shè)計研制了一種碼垛SCARA機(jī)器人，該機(jī)器人機(jī)械本體構(gòu)造使用水平關(guān)節(jié)型，控制系統(tǒng)的核心局部為基于PC的DSP多軸運(yùn)動控制器。盡管我國在碼垛機(jī)器人的研究上取得了一些成就，但是和國外的碼垛機(jī)器人技術(shù)相比較，我國還有明顯的差距。日本和歐美等興旺國家的碼垛機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)到達(dá)了一個比較高的水平，碼垛機(jī)器人的工作能力在不斷的提高，碼垛機(jī)器人的柔性、處理速度以及負(fù)載能力方面也在不斷提升，應(yīng)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(jī)器人技術(shù)有個更好的未來1.3碼垛機(jī)器人的開展趨勢為了能夠適應(yīng)不斷變化的商品對于碼垛的要求，讓碼垛機(jī)器人盡可能更好地為碼垛工業(yè)服務(wù)，因此碼垛機(jī)器人的未來開展趨勢主要有：(1)自動化程度越來越高機(jī)電綜合技術(shù)將會成為碼垛機(jī)器人開展的主流，衡量碼垛機(jī)器人技術(shù)水平的一個十分重要的指標(biāo)將會是自動化程度。碼垛機(jī)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(shù)，尤其是微小型計算機(jī)的廣泛使用會使碼垛機(jī)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(jìn)單機(jī)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(jìn)碼垛機(jī)器人的構(gòu)造。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開展。(3)采用模塊化構(gòu)造采用模塊化構(gòu)造不僅能夠讓碼垛機(jī)器人最大限度的滿足不同物品對機(jī)器人的要求，同時可以讓設(shè)備的設(shè)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(jī)器人對于生產(chǎn)大批量、尺寸固定的商品，一般會有相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)展碼垛。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，多功能通用碼垛機(jī)器人的開展速度很快，應(yīng)用前景也十分開闊。2設(shè)計方案2.1設(shè)計要求在生產(chǎn)過程中，經(jīng)常要搬運(yùn)桶裝的重物，工作簡單枯燥，為了滿足某工廠生產(chǎn)的直徑×高=φ420×500mm，重量100kg的桶裝化學(xué)品，本論文設(shè)計了工作壽命為15年，每年工作300天，兩班制，每班8小時的搬運(yùn)碼垛機(jī)器人，來滿足生產(chǎn)要求。2.2機(jī)構(gòu)組成本文設(shè)計了一種專門針對桶裝物品的搬運(yùn)碼垛機(jī)器人，該機(jī)人構(gòu)造簡單，制造成本低廉，運(yùn)營維護(hù)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(yùn)碼垛機(jī)器人構(gòu)造主要分為三大局部，分別為：起升機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，堆垛機(jī)構(gòu)，三個機(jī)構(gòu)相互獨立。各個機(jī)構(gòu)有自己獨立的電機(jī)驅(qū)動。搬運(yùn)碼垛機(jī)器人起升機(jī)構(gòu)示意圖如圖〔2.1〕所示圖〔2.1〕起升機(jī)構(gòu)示意圖它的工作原理是：電機(jī)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(jī)構(gòu)提升重物5起升或下降。搬運(yùn)碼垛機(jī)器人旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用齒輪機(jī)構(gòu)帶動懸臂轉(zhuǎn)動，槽輪每轉(zhuǎn)一周，懸臂轉(zhuǎn)動90°，從而實現(xiàn)機(jī)器人搬運(yùn)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(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組合實現(xiàn)機(jī)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以下列圖位置，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(zhuǎn)90°，直至其余四個位置都被裝滿為一個循環(huán)。2.3碼垛機(jī)器人路徑規(guī)劃圖〔2-3〕運(yùn)動軌跡(1)碼垛機(jī)器人工作時，首先從初始位置A旋轉(zhuǎn)45°到達(dá)物品層B上方，角加速度ɑ=6.542rad/額定ω=1.308rad/s所需時間==0.8s計算：令加/減速階段所用時間=0.2s，旋轉(zhuǎn)角度π/24rad，那么勻速運(yùn)動角度π/6rad,所用時間為α=6.542rad/=0.4s=1.308rad/s然后抓手下放抓取重物，下放高度500mm，下降速度1m/s，耗時=0.5s。抓取重物后上升到初始位置高度500mm，額定上升速度v=1m/s，加速運(yùn)動減速運(yùn)動的加速度=5m/，所需時間==0.7s。計算：令抓取重物后加速/減速上升距離100mm，耗時=0.2s,勻速上升距離300mm,耗時，那么那么=5m/v==1m/s0.3=那么=0.3s(3)抓手帶動重物旋轉(zhuǎn)由B到C位置，轉(zhuǎn)過角度90°。角加速度ɑ=7.753rad/額定ω=2.326rad/s所需時間==0.975s。計算：令加/減速階段所用時間=0.3s，旋轉(zhuǎn)角度2π/18rad，那么勻速運(yùn)動角度5π/18rad,所用時間為α=7.753rad/=0.375s=2.326rad/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1m/s，耗時。堆垛完畢后做復(fù)合運(yùn)動返回初始位置，額定上升速度v=1m/s，角加速度ɑ=6.542rad/額定ω=1.308rad/s，加速運(yùn)動減速運(yùn)動的加速度=5m/，所需時間=0.8s。所以，搬運(yùn)碼垛機(jī)器人完成一次工作循環(huán)所消耗的時間為s堆垛機(jī)構(gòu)在承受起吊裝置吊裝的第一個重物后，由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將重物運(yùn)送到平臺中央，然后每承受一次重物，平臺旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)時間為S，旋轉(zhuǎn)角速度=0.184rad/s。3.起升機(jī)構(gòu)設(shè)計計算3.1起升機(jī)構(gòu)電機(jī)選擇YZR系列起重及冶金用三相異步電機(jī)適用于各種形式的起重機(jī)械及冶金輔助設(shè)備的電力傳動。電機(jī)頻繁啟動制動和反轉(zhuǎn)。能在額定電壓下直接啟動并具有啟動力矩大，啟動電流小，機(jī)械強(qiáng)度高等特點。所以本文設(shè)計的搬運(yùn)碼垛機(jī)器人的起升機(jī)構(gòu)電機(jī)選用YZR型三相異步電機(jī)。3.1.1起升機(jī)構(gòu)電機(jī)容量選擇起升機(jī)構(gòu)電機(jī)功率可按提升額定起升質(zhì)量時的靜功率計算，即：〔KW〕(3-1)式中—起重機(jī)額定起升質(zhì)量100kgV—額定起升速度1m/sg—重力加速度，g=9.81(m/)—機(jī)構(gòu)的總效率起升機(jī)構(gòu)設(shè)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=0.9，選用深溝球軸承，效率=0.99，滾筒效率=0.96，彈性聯(lián)軸器效率=0.99，剛性聯(lián)軸器效率=0.99，滑輪效率=0.98。那么===0.805所以KW實際接電持續(xù)率=0.8+0.7+0.975+0.5+0.5+0.8=4.275s==0.5+0.7+0.8=2s==×100%=46.8%在[3，1-82]中選擇一個與實際接電持續(xù)率最接近的電機(jī)，使其額定功率滿足下式：KWYZR112M型三相異步電機(jī)，工作定額40%，功率1.5KW，轉(zhuǎn)速1000n/min滿足要求。3.2起升機(jī)構(gòu)鋼絲繩選擇選擇與計算3.2.1鋼絲繩繩經(jīng)的選擇鋼絲繩繩徑應(yīng)不小于下式計算的最小直徑：=0.118×=3.696mm，查表取d=4mm纖維芯鋼絲繩，抗拉強(qiáng)度1770M，鋼芯最小破斷拉力9.40M。鋼絲繩標(biāo)記：4NAT(12+6+1)+IWS1770ZZ9.40GB/T8918式中S—鋼絲繩最大靜拉力，S=mg=100×9.81=981NC—鋼絲繩的選擇系數(shù) 由機(jī)構(gòu)利用等級T7〔繁忙使用〕機(jī)構(gòu)載荷狀態(tài)L2中載查表[1,8-1-8]得機(jī)構(gòu)工作級別M7，鋼絲繩的選擇系數(shù)C=0.118mm/鋼絲繩的實際破斷力的估算公式為：(3-2)式中d—鋼絲繩的直徑—鋼絲繩鋼絲的抗拉強(qiáng)度極限—鋼絲繩中金屬絲截面與整個截面的比值，與鋼繩構(gòu)造有關(guān)，一般=0.45~0.55，取ω=0.5K—鋼絲繩編結(jié)損失系數(shù)，一般α=0.82~0.92，取α=0.88那么：==9781.728根據(jù)所選鋼絲繩的實際破斷力驗算安全系數(shù)n：n==9781.728÷981=9.9713.3卷筒的設(shè)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：=1×22.4×3.696=82.790mm滑輪：=1×25×3.696=92.4mm取卷筒直徑=84mm滑輪直徑=94mm式中—以鋼絲繩中心線計算的鋼絲繩卷繞直徑；—計算的鋼絲繩最小直徑；—與鋼絲繩卷繞形式，工作級別有關(guān)的系數(shù)，不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩的=1；—與一次提升的彎曲次數(shù)及方向有關(guān)的系數(shù)，由機(jī)構(gòu)工作級別查表[1,8-1-54]得：卷筒=22.4滑輪=25；卷筒繩槽構(gòu)造尺寸設(shè)計計算：繩槽半徑：R=〔0.53~0.56〕d=0.55×4=2.2mm繩槽深度：標(biāo)準(zhǔn)槽=0.3×d=1.2mm繩槽節(jié)距：標(biāo)準(zhǔn)槽=d+(2~4)=4+3=7卷筒厚度計算：鑄鐵卷筒厚度：mm，取=12mm卷筒長度計算：單聯(lián)卷筒：=93.5+2×8+21=130.5mm式中：mm，：最大起升高度2915mm,m為滑輪組倍率取m=1，為鋼絲繩安全圈數(shù)，，取=3。：無繩槽的卷筒端部尺寸，按需要定，取=8mm：固定繩尾所需長度3P=3×7=21mm〔5〕卷筒強(qiáng)度校核：條件：，所以應(yīng)用卷筒壁內(nèi)外表最大壓應(yīng)力進(jìn)展強(qiáng)度計算，符號意：A—與卷筒層數(shù)有關(guān)的系數(shù)，查表[1,8-1-55]取A=1—鋼絲繩最大拉力，=mg+ma=100×〔9.81+5)=1481N—卷筒壁厚12mm—許用壓應(yīng)力，鑄鐵=MPa—抗壓強(qiáng)度，=1.5=1.5×195=292.5MPa，材料選用HT200灰鐵200。代入，所以卷筒強(qiáng)度計算合格。3.4起升機(jī)構(gòu)減速器選擇起升機(jī)構(gòu)的傳動比根據(jù)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和卷筒的轉(zhuǎn)速n，由式確定，其中〔r/min〕；式中—電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min；n—卷筒轉(zhuǎn)速；—起升速度，m/min；a—滑輪組倍率；—卷筒計算直徑，m，=D+d(D為卷筒直徑，d為鋼絲繩直徑)。選用減速器的公稱輸入功率應(yīng)滿足：＜(3-3)式中—機(jī)械強(qiáng)度計算功率，KW；—負(fù)載功率，KW；===0.981KW—工況系數(shù)；查表[4,16-2-8]得=1.5—安全系數(shù)；查表[4,16-2-9]得=1.4—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=4.5，輸入轉(zhuǎn)速1000r/min，輸出轉(zhuǎn)速220r/min，中心距a=80mm，=9.5KW。帶入公式得：=0.981×1.5×1.4=2.060＜9.5〔KW〕校核熱平衡許用功率：應(yīng)滿足：式中—計算熱功率，KW；—減速器熱功率，查表無冷卻裝置=18；—系數(shù)，查表[4,16-2-10]環(huán)境溫度系數(shù)，無冷卻條件，環(huán)境溫度為30°時=1.15。載荷系數(shù)，查表[4,16-2-11]當(dāng)小時載荷率為40％時，=0.74。公稱功率利用系數(shù)，，查表[4,16-2-13]用插值法得=0.323；帶入公式得：所以，選擇ZDY型減速器，公稱傳動比i=4.5，輸入轉(zhuǎn)速1000r/min，輸出轉(zhuǎn)速220r/min，中心距a=80mm，=9.5KW滿足設(shè)計要求。3.5起升機(jī)構(gòu)聯(lián)軸器的選擇起升機(jī)構(gòu)中聯(lián)軸器應(yīng)滿足下式要求：(3-4)式中T—所傳遞轉(zhuǎn)矩的計算值，；—按載荷組合B計算的最大轉(zhuǎn)矩，對高速軸，=(0.7~0.8)，其中為電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的允許過載倍數(shù)，查表得YZR112M三相交流異步電機(jī)=2.2，為電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，=9550=14.325，P為電動機(jī)額定功率，kW，n為轉(zhuǎn)速，r/min；對低速軸=，其中，為起升載荷動載系數(shù)，查表[2,3-16]得=1.05+0.4〔〕=1.05+0.4〔1.0-0.2〕=1.37；為鋼絲繩最大靜拉力作用于卷筒的轉(zhuǎn)矩，=mg=100×9.81×0.084=82.404；—聯(lián)軸器許用轉(zhuǎn)矩，，由機(jī)械設(shè)計手冊查得—聯(lián)軸器重要程度系數(shù)，對起升機(jī)構(gòu)，=1.3；—角度偏差系數(shù)，電機(jī)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=1；代入公式得：對于高速軸。電機(jī)軸徑32mm，變速箱輸入軸徑24mm，輸入轉(zhuǎn)速1000r/min。對于低速軸變速箱輸出軸徑32mm，滾筒軸軸徑28mm，轉(zhuǎn)速n=217.140。型號選擇：對于高速軸：從GB/T5844—1986查表[1,6-2-24]選用UL5型輪胎式聯(lián)軸器，許用轉(zhuǎn)矩160，許用最大轉(zhuǎn)速4000r/min，軸徑在24~35之間，符合要求。對于低速軸：從GB/T5843—1986查表[1,6-2-28]選用YL7對中榫型聯(lián)軸器，許用轉(zhuǎn)矩160，許用最大轉(zhuǎn)速7600r/min，軸徑在28~40之間，符合要求。4.旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計計算旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中電機(jī)帶動CW型圓弧圓柱蝸桿減速器，減速器輸出軸帶動標(biāo)準(zhǔn)直齒輪副進(jìn)而帶動旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動。4.1旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)電機(jī)選擇初選電機(jī)時考慮啟動功率按下式計算：〔kW〕(4-1)式中：—等速運(yùn)動時所需的功率即摩擦阻力的功率；—加速機(jī)構(gòu)所需的功率；摩擦阻力功率計算回轉(zhuǎn)支撐裝置中的摩擦阻力矩=()；式中—徑向軸承中的摩擦阻力矩，；—止推軸承中的摩擦阻力矩，；a.徑向軸承中的摩擦阻力矩=〔)式中—止推軸承所受的水平力，N；—徑向軸承的摩擦系數(shù)，滾動軸承取=0.015；—徑向軸承的內(nèi)徑，m；計算：=N柱式旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由一個推力滾子軸承承受軸向力，由徑向軸承承受徑向力。=0.075m；所以===0.212Nb.止推軸承中的摩擦阻力矩〔〕式中—止推軸承所受的垂直力，N?！獜较蜉S承的摩擦系數(shù)，對滾動軸承取=0.015；—止推軸承的內(nèi)徑與外徑的平均值，m；計算：==〔130+100〕×9.81=2256.3N=mm=0.0925m===0.212+1.565=1.777等速運(yùn)動時所需的功率即摩擦阻力的功率==0.00413〔kW〕加速機(jī)構(gòu)所需的功率〔kW〕(4-2)式中：—搬運(yùn)碼垛機(jī)器人旋轉(zhuǎn)時的回轉(zhuǎn)慣性阻力矩；—搬運(yùn)碼垛機(jī)器人旋轉(zhuǎn)時的角速度，=2.326rad/s；計算：回轉(zhuǎn)慣性阻力矩：搬運(yùn)碼垛機(jī)器人回轉(zhuǎn)時的回轉(zhuǎn)慣性阻力矩由繞回轉(zhuǎn)中心線回轉(zhuǎn)的物品慣性阻力矩和回轉(zhuǎn)局部的慣性阻力矩組成，即=式中：—物品對起升機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量，；—搬運(yùn)碼垛機(jī)器人起升重物旋轉(zhuǎn)時的角加速度；計算：==100×=64=7.753=搬運(yùn)碼垛機(jī)器人旋轉(zhuǎn)局部的慣性阻力矩〔〕(4-3)式中—搬運(yùn)碼垛機(jī)器人旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)各部件和構(gòu)件繞回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量—搬運(yùn)碼垛機(jī)器人起升機(jī)重物旋轉(zhuǎn)時的角加速度；計算：柱式回轉(zhuǎn)軸對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量為=支撐架2對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量為支撐架3對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量為=〔〕所以作用在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)柱式旋轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩為 ：=496.192+45.673=571.865所以〔kW〕〔kW〕查[3，1-26]選擇Y100L—6型三相異步電機(jī)，額定功率1.5kW，同步轉(zhuǎn)速1000r/min。4.2旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器選擇本文使用CW型圓弧圓柱蝸桿減速器，傳遞交織軸間的運(yùn)動和功率。計算：(4-4)(4-5)(4-6)—減速器計算輸入機(jī)械功率，kW；—減速器計算輸入熱功率，kW；—減速器計算輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩，；—減速器計算輸出熱轉(zhuǎn)矩，；—減速器實際輸入功率，=1.334kW；—減速器實際輸出轉(zhuǎn)矩，=295.08；—工作載荷系數(shù)，查表[4,16-2-50]=1.5；—啟動頻率系數(shù)，查表[4,16-2-51]=1.3；—小時載荷系數(shù)，由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)小時載荷率查表[4,16-2-52]得=0.56；—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=1.14；其中：減速器實際輸出轉(zhuǎn)矩等于摩擦阻力矩與回轉(zhuǎn)慣性阻力矩之和除以旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)齒輪傳動比。即=1.334×1.5×1.3=2.601kW=1.334×0.56×1.14=2.372kW=295.08×1.5×1.3=575.409=295.08×0.56×1.14=188.379根據(jù)計算結(jié)果，查[4,16-2-46]，選擇CW型圓弧圓柱蝸桿減速器，公稱傳動比，輸入轉(zhuǎn)速1000r/min，中心距100mm，額定輸入功率3.41kW，額定轉(zhuǎn)矩640。4.3旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)聯(lián)軸器的選擇選擇Y100L—6型三星異步電機(jī)，額定功率1.5kW，同步轉(zhuǎn)速1000r/min，最大轉(zhuǎn)矩2.2。堆垛機(jī)構(gòu)中，聯(lián)軸器選擇時應(yīng)根據(jù)：(4-7)式中T—所傳遞轉(zhuǎn)矩的計算值，；—按載荷組合B計算的最大轉(zhuǎn)矩，對高速軸，=(0.7~0.8)，其中為電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的允許過載倍數(shù)，查表得Y100L—6三相交流異步電機(jī)=2.2，為電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，=9550=21.01，P為電動機(jī)額定功率，kW，n為轉(zhuǎn)速，r/min；—聯(lián)軸器許用轉(zhuǎn)矩，，由機(jī)械設(shè)計手冊查得—聯(lián)軸器重要程度系數(shù)，對起升機(jī)構(gòu)，=1.3；—角度偏差系數(shù)，電機(jī)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=1；代入公式得：對于電機(jī)輸出軸電機(jī)軸徑28mm，變速箱輸入軸徑28mm，輸入轉(zhuǎn)速1000r/min。對于低速軸—工作情況系數(shù)查機(jī)械設(shè)計表14—1得=2.3。變速箱輸出軸徑48mm，滾筒軸軸徑28mm，轉(zhuǎn)速n=217.140。型號選擇：對于高速軸：從GB/T5844—1986查表選用UL5型輪胎式聯(lián)軸器，許用轉(zhuǎn)矩160，許用最大轉(zhuǎn)速4000r/min，軸徑在24~35之間，符合要求。對于低速軸：從GB/T5843—1986查表選用YL11型聯(lián)軸器，許用轉(zhuǎn)矩1000，許用最大轉(zhuǎn)速5300r/min，軸徑在55~70之間，符合要求。4.4旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)齒輪傳動設(shè)計1.旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)直齒輪傳動,齒數(shù)比，電機(jī)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。根據(jù)設(shè)計要求，選用直齒圓柱齒輪傳動，壓力角取。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為一般工作機(jī)，查表[5，10-6]，選擇7級精度。材料選擇。由表[5，10-1]，選擇小齒輪材料為〔調(diào)質(zhì)〕，齒面硬度280，大齒輪材料為45鋼〔調(diào)質(zhì)〕，齒面硬度240。選小齒輪齒數(shù)，大齒輪齒數(shù)。2.按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計〔1〕由式(4-8)確定公式中各參數(shù)值試選。小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩=295083；由表[5，10-7]選取齒寬系數(shù)。由圖[5，10-20]查得區(qū)域系數(shù)。由表[5，10-5]查得材料的彈性影響系數(shù)。計算接觸疲勞強(qiáng)度用重合度系數(shù)。=計算接觸疲勞許用應(yīng)力由圖[5，10-25d]查得小齒輪和大齒輪的接觸疲勞極限分別為。計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：由圖[5，10-23]查取接觸疲勞壽命系數(shù)，。取失效概率為1%，安全系數(shù)，那么取和中的較小者作為齒輪傳動的接觸疲勞許用應(yīng)力，所以。試算小齒輪分度圓直徑==66.653mm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(zhǔn)備。圓周速度。齒寬b。計算實際載荷系數(shù)由表[5，10-2]查得使用系數(shù)。根據(jù)，7級精度，由圖10-8查得動載系數(shù)。齒輪的圓周力。查表[5，10-3]得齒間載荷分配系數(shù)。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)。由此，得到實際載荷系數(shù)按實際載荷系數(shù)算的分度圓直徑mm級相應(yīng)的模數(shù)將按接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計的齒輪模數(shù)就近放大為標(biāo)準(zhǔn)值，算出小齒輪齒數(shù)。取，那么大齒輪齒數(shù),取，與互為質(zhì)數(shù)。這樣設(shè)計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，且構(gòu)造緊湊。幾何尺寸計算〔1〕計算分度圓直徑計算中心距mm(3)計算齒輪寬度考慮到安裝誤差，為保證設(shè)計齒寬，將小齒輪略微加寬〔5~10〕mm，即取mm，取大齒輪齒寬。4.5旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)齒輪傳動強(qiáng)度校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核(4-9)計算各參數(shù)值計算實際載荷系數(shù)根據(jù)，7級精度，由圖[5，10-8]查得動載系數(shù)。由式查表[5，10-3]得齒間載荷分配系數(shù)。寬高比由表[5，10-4]用插值法查得，結(jié)合查圖[5，10-13]，得。那么載荷系數(shù)為確定，，，，由圖[5，10-17]查得齒形系數(shù)，。由圖[5，10-18]查得應(yīng)力修正系數(shù)，計算=計算計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：由圖[5，10-22]查得彎曲疲勞壽命系數(shù)，。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，。取彎曲疲勞安全系數(shù)，那么5〕校核彎曲疲勞強(qiáng)度所以齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度校核合格。齒輪主要參數(shù)齒數(shù)分度圓直徑mmmm齒頂圓直徑mmmm齒根圓直徑mmmm中心距mm齒輪寬度mmmm4.6旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)軸的設(shè)計計算4.6.1最小軸徑確定〔1〕按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度設(shè)計軸1的最小軸徑：(4-10)式中：—扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，；—軸1受的扭矩，；—軸的抗扭截面系數(shù)，；—軸1的轉(zhuǎn)速，r/min；P—軸傳遞的功率，P=1.334kW；—計算截面處軸的直徑，mm；—許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，，軸的材料取45號鋼，查表[5，15-3]得=35；計算：mm(2)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度設(shè)計軸2的最小軸徑：式中：—扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，；—軸2受的扭矩，；—軸的抗扭截面系數(shù)，；—軸2的轉(zhuǎn)速，r/min；P—軸傳遞的功率，P=1.334kW；—計算截面處軸2的直徑，mm；—許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，，軸的材料取45號鋼，查表得[5，15-3]=35；計算：mm4.6.2二軸的構(gòu)造設(shè)計及強(qiáng)度校核〔1〕二軸上零件的裝配方案設(shè)計二軸主要傳遞電機(jī)軸的扭矩給一軸，二軸上的零件主要有：深溝球軸承，小齒輪，聯(lián)軸器。三個定位軸肩分別定位深溝球軸承，小齒輪和聯(lián)軸器實現(xiàn)軸上零件的軸向固定，靠鍵實現(xiàn)軸上零件的軸向固定?！惨妶D4.5.2〕圖〔4.5.2〕二軸的強(qiáng)度校核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)(4-12)(4-13)式中：—小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，=295083；—壓力角，=20°；所以畫出軸的力學(xué)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：作彎矩圖和扭矩圖見圖〔d〕計算：圖〔d〕按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度軸的彎扭合成強(qiáng)度條件為：(4-14)式中：—軸的計算應(yīng)力，；—軸所受的彎矩，；—軸所受扭矩，；—軸的抗彎截面系數(shù)，，其中d為軸徑，b為鍵槽寬度，t為軸上鍵槽深度；—對稱循環(huán)變應(yīng)力時軸的許用彎應(yīng)力，；根據(jù)彎矩和扭矩圖確定不安全截面B的強(qiáng)度。軸做循環(huán)往復(fù)旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為對稱循環(huán)變應(yīng)力，取折合系數(shù)=1，軸的計算應(yīng)力為軸材料選用45鋼，調(diào)質(zhì)，查表得對稱循環(huán)變應(yīng)力時軸的許用彎應(yīng)力=60。由于，所以安全。4.6.3二軸上深溝球軸承校核軸承所受徑向力基本額定靜載荷，，所以X=1，Y=0。軸向當(dāng)量動載荷，為載荷系數(shù)，中等沖擊時=1.5。驗算軸承壽命：預(yù)期使用壽命為L=2×8×300×15=72000h，，所以軸承驗算合格。5.堆垛機(jī)構(gòu)設(shè)計計算5.1堆垛機(jī)構(gòu)電機(jī)選擇堆多機(jī)構(gòu)初選電機(jī)時考慮啟動功率按下式計算：〔kW〕(5-1)式中：—等速運(yùn)動時所需的功率即摩擦阻力的功率；—加速機(jī)構(gòu)所需的功率；〔1〕摩擦阻力功率計算回轉(zhuǎn)支撐裝置中的摩擦阻力矩()；式中—止推軸承中的摩擦阻力矩，；a.止推軸承中的摩擦阻力矩〔〕式中—止推軸承所受的垂直力，N?！獜较蜉S承的摩擦系數(shù)，對滾動軸承取=0.015；—止推軸承的內(nèi)徑與外徑的平均值，m；計算：==〔5×100+80〕×9.81=5689.8N=mm=0.0925m=等速運(yùn)動時所需的功率即摩擦阻力的功率==0.00726〔kW〕〔2〕加速機(jī)構(gòu)所需的功率〔kW〕(5-2)式中：—搬運(yùn)碼垛機(jī)器人旋轉(zhuǎn)時的回轉(zhuǎn)慣性阻力矩；—搬運(yùn)碼垛機(jī)器人旋轉(zhuǎn)時的角速度，=0.184rad/s；計算：回轉(zhuǎn)慣性阻力矩：搬運(yùn)碼垛機(jī)器人回轉(zhuǎn)時的回轉(zhuǎn)慣性阻力矩由繞回轉(zhuǎn)中心線回轉(zhuǎn)的物品慣性阻力矩和回轉(zhuǎn)局部的慣性阻力矩組成，即(5-3)=(5-4)式中：—物品對堆垛平臺回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量，；—搬運(yùn)碼垛機(jī)器人堆垛平臺旋轉(zhuǎn)時的角加速度；計算：=8×=800×=32=4.753=搬運(yùn)碼垛機(jī)器人堆垛機(jī)構(gòu)的慣性阻力矩〔〕(5-5)式中—搬運(yùn)碼垛機(jī)器人堆垛機(jī)構(gòu)各部件回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量—搬運(yùn)碼垛機(jī)器人堆垛機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時的角加速度；計算：柱式回轉(zhuǎn)軸對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量為=堆垛平臺對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量為其中為平臺質(zhì)量，和為平臺的長與寬；=〔〕所以作用在堆垛機(jī)構(gòu)柱式旋轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩為 ：=152.096+69.817=221.913所以〔kW〕〔kW〕查[3，1-26]選擇Y100L—6型三星異步電機(jī)，額定功率1.5kW，同步轉(zhuǎn)速1000r/min。5.2堆垛機(jī)構(gòu)平臺設(shè)計堆垛機(jī)構(gòu)中，設(shè)計一種曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，來實現(xiàn)將每次工作循環(huán)中起升機(jī)構(gòu)運(yùn)送的第一件重物由平臺邊角運(yùn)送到平臺中心,見圖〔5.2〕曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，連桿BD長度為曲柄AB長度的二倍AB=200mm，C處為運(yùn)送重物的托盤。當(dāng)曲柄運(yùn)動到b處時托盤恰好運(yùn)送重物到回轉(zhuǎn)中心，即平臺中心。堆垛平臺上為了使重物從平臺邊緣運(yùn)送到平臺中心，需要在平臺上開槽，槽的形狀應(yīng)和C點的運(yùn)動軌跡相符。圖〔5.2〕曲柄滑塊機(jī)構(gòu)5.3槽輪機(jī)構(gòu)設(shè)計本機(jī)構(gòu)選用外接徑向槽輪機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)參數(shù)：槽數(shù)Z=4槽間角槽輪每次轉(zhuǎn)位時曲柄的轉(zhuǎn)角中心距mm曲柄相對長度.曲柄長度mm槽輪相對半徑0.707槽輪半徑mm鎖止弧張角圓銷半徑mm相對槽深槽深mm曲柄軸輪轂相對直徑，取曲柄軸輪轂直徑mm鎖止凸弧半徑mm，取mm5.4堆垛機(jī)構(gòu)減速器的選擇堆垛機(jī)構(gòu)使用CW型圓弧圓柱蝸桿減速器，傳遞交織軸間的運(yùn)動和功率。計算：=1.5×1.5×1.3=2.925kW=1.5×1×1.14=1.71kW=221.913×1.5×1.3=432.730=221.913×1×1.14=252.981—減速器計算輸入機(jī)械功率，kW；—減速器計算輸入熱功率，kW；—減速器計算輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩，；—減速器計算輸出熱轉(zhuǎn)矩，；—減速器實際輸入功率，=1.5kW；—減速器實際輸出轉(zhuǎn)矩，=221.913；—工作載荷系數(shù)，查表=1.5；—啟動頻率系數(shù)，查表=1.3；—小時載荷系數(shù)，由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)小時載荷率查表得=1；—環(huán)境溫度系數(shù)，根