碼垛機(jī)器人畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一章緒論1</b></p><p>　　1.1課題的背景、來源及意義1</p><p>　　1.2 碼垛機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)程及發(fā)展趨勢(shì)2</p><p>　　1.3 課題的設(shè)計(jì)內(nèi)容2</p><p&g

2、t;　　第二章 碼垛機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4</p><p>　　2.1 方案的確定4</p><p>　　2.2 總體設(shè)計(jì)思路6</p><p>　　第三章 碼垛機(jī)器人腕部和腰部設(shè)計(jì)7</p><p>　　3.1 碼垛機(jī)器人腕部設(shè)計(jì)7</p><p>　　3.1.1 減速機(jī)的計(jì)算與選型7</p>

3、;<p>　　3.1.2聯(lián)軸器的計(jì)算與選型8</p><p>　　3.1.3軸承的選型10</p><p>　　3.2 碼垛機(jī)器人腰部設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.2.1腰部電機(jī)選型11</p><p>　　3.2.2腰部聯(lián)軸器計(jì)算選型12</p><p>　　3.3 本章小結(jié)13<

4、/p><p>　　第四章 碼垛機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)14</p><p>　　4.1 平面機(jī)構(gòu)受力分析14</p><p>　　4.2 手臂關(guān)節(jié)軸承的選型與校核15</p><p>　　4.3 銷軸校核16</p><p>　　4.3.1 后大臂與支架銷軸聯(lián)接校核16</p><p&g

5、t;　　4.3.2 后大臂與小臂銷軸聯(lián)接校核17</p><p>　　4.3.3 前大臂與支架銷軸聯(lián)接校核17</p><p>　　4.3.4 前大臂與小臂銷軸聯(lián)接校核18</p><p>　　4.3.5 其它銷軸聯(lián)接校核18</p><p>　　4.4 豎直滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型19</p><p>　

6、　4.4.1 最大工作載荷的計(jì)算19</p><p>　　4.4.2 最大動(dòng)載荷的計(jì)算19</p><p>　　4.4.3 初選滾珠絲杠副型號(hào)20</p><p>　　4.4.4 傳動(dòng)效率計(jì)算20</p><p>　　4.4.5剛度的驗(yàn)算21</p><p>　　4.4.6壓桿穩(wěn)定性校核22</p&g

7、t;<p>　　4.5 水平滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型23</p><p>　　4.5.1最大工作載荷的計(jì)算23</p><p>　　4.5.2最大動(dòng)載荷的計(jì)算23</p><p>　　4.5.3初選滾珠絲杠副型號(hào)24</p><p>　　4.5.4 傳動(dòng)效率計(jì)算24</p><p>　　4.5

8、.5剛度的驗(yàn)算24</p><p>　　4.5.6壓桿穩(wěn)定性校核26</p><p>　　4.6 水平滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算選型26</p><p>　　4.6.1滑塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選擇26</p><p>　　4.6.2額定行程壽命的計(jì)算28</p><p>　　4.7 豎直滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算選型

9、30</p><p>　　4.7.1滑塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選擇30</p><p>　　4.7.2.額定行程壽命L的計(jì)算30</p><p>　　第五章 PRO/E建模和仿真32</p><p>　　5.1 主要部件建模及其簡(jiǎn)介32</p><p>　　5.1.1軸承建模的主要過程32</p

10、><p>　　5.1.2 機(jī)器人的主要部件及裝配模型35</p><p>　　5.2 三維機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的基本介紹37</p><p>　　5.2.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的特點(diǎn)37</p><p>　　5.2.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的工作流程37</p><p>　　5.2.3 機(jī)構(gòu)仿真運(yùn)動(dòng)裝配連接的概念及定義37</p

11、><p>　　5.2.4 機(jī)構(gòu)的仿真運(yùn)動(dòng)38</p><p>　　第六章 ANSYS有限元分析40</p><p><b>　　結(jié)論46</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)47</b></p><p><b>　　謝辭48</b><

12、;/p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　1.1課題的背景、來源及意義 </p><p>　　近幾十年來，隨著我國(guó)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(diǎn)焊、搬運(yùn)、涂膠、測(cè)量等行業(yè)有著越來越廣泛的應(yīng)用。機(jī)器人是一個(gè)在三維空間中具有較多自由度，并能實(shí)現(xiàn)諸多擬人動(dòng)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

13、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(yùn)材料零件工具等可再編程的多功能機(jī)械手。它綜合運(yùn)用了機(jī)械與精密機(jī)械、微電子與計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制與驅(qū)動(dòng)、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。</p><p>　　碼垛技術(shù)是物流自動(dòng)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(shí)現(xiàn)物料的搬運(yùn)、裝卸、運(yùn)輸、存儲(chǔ)、等物流活動(dòng)。在物體的

14、運(yùn)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(chǔ)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(gè)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(duì)靈活性的需求也在不斷增加。</p><

15、;p>　　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、化工、食品加工、飲料等領(lǐng)域?？赏ㄟ^主計(jì)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(shí)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(dòng)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(dòng)稱重、包裝技術(shù)的發(fā)展和性能指標(biāo)的提高，對(duì)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(yùn)的東西較重，這對(duì)其精度提出了更高要求。&

16、lt;/p><p>　　為滿足自動(dòng)化生產(chǎn)線產(chǎn)品搬運(yùn)及碼垛的要求,本課題要求設(shè)計(jì)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(diǎn)和優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的基礎(chǔ)上，對(duì)碼垛機(jī)器人整體機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，提出了一套經(jīng)濟(jì)型設(shè)計(jì)方案。</p><p>　　1.2 碼垛機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)程及發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　自從２０世紀(jì)８０年代，我國(guó)碼垛機(jī)器人在國(guó)家支持下，通過“七

17、五”、“八五”科技攻關(guān)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國(guó)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(duì)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(huì)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(gè)方面。惡劣工作環(huán)境，危險(xiǎn)工

18、作場(chǎng)合.這個(gè)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、鍛造等。</p><p>　　第二個(gè)是自動(dòng)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(gè)簡(jiǎn)單抓放作業(yè)機(jī)器人只需較少的自由度，一個(gè)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(dòng)力費(fèi)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

19、費(fèi)、控制和加快庫(kù)存的周轉(zhuǎn)、降低成本、消除了危險(xiǎn)和惡劣的勞動(dòng)崗位。目前工業(yè)機(jī)器人的開發(fā)正處在一個(gè)蓬勃發(fā)展的階段，在先進(jìn)的工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家里，工業(yè)機(jī)器人的開發(fā)與制造正在形成一個(gè)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(guó)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用前景十分寬廣的。但是，由于我國(guó)工業(yè)基礎(chǔ)比較薄弱，勞動(dòng)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(guó)的國(guó)情，才能推動(dòng)和加快

20、我國(guó)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(yùn)動(dòng)精度，運(yùn)動(dòng)速度，減低成本和提高可靠性的重要途徑。近幾年各國(guó)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</p><p>　　1.3 課題的設(shè)計(jì)內(nèi)容</p><p>　　本設(shè)計(jì)主要是研究碼垛機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主

21、要工作內(nèi)容有以下幾點(diǎn)：</p><p>　　1) 了解搬運(yùn)機(jī)器人發(fā)展歷程、現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢(shì)，掌握碼垛機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及基本構(gòu)成部分。</p><p>　　2) 對(duì)碼垛機(jī)器人的總體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)幾種方案，對(duì)比選出最優(yōu)方案。方案確定后，對(duì)各個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(jì)、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(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：電

22、機(jī)、聯(lián)軸器、軸承的選型，滾動(dòng)絲杠、滑動(dòng)導(dǎo)軌的選型與校核；腰部電機(jī)、聯(lián)軸器、軸承型號(hào)的選擇。</p><p>　　3) 用Pro/E進(jìn)行三維模型設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)各零部件的三維模型，并將設(shè)計(jì)好的零部件進(jìn)行裝配，裝配完成后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。不斷改變參數(shù)，觀察機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是否發(fā)生變化。</p><p>　　4) 利用ANSYS軟件對(duì)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。</p><

23、p>　　第二章 碼垛機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 方案的確定 </p><p>　　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(yùn)動(dòng)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(dòng)器的關(guān)節(jié)式機(jī)械手。在此課題的研究中共設(shè)計(jì)出三種方案，即方案一、方案二、方案三 。</p><p>　　方案一：如圖2-1所示。后大臂沿著絲杠向上運(yùn)

24、動(dòng)，前大臂沿著絲杠想向右運(yùn)動(dòng)；后大臂向下運(yùn)動(dòng)，前大臂向運(yùn)動(dòng)，實(shí)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(jì)要求，但是由于前大臂、后大臂與小臂間通過銷軸連接，運(yùn)動(dòng)范圍小，且前大臂與后大臂不相連接，使得機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度低，運(yùn)動(dòng)不確定。</p><p><b>　　圖2-1 方案一</b></p><p>　　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(dòng)副連接，前大臂通過

25、滑塊可以沿著小臂滑動(dòng)，解決了方案一工作范圍小的缺點(diǎn)。但是由于前大臂與小臂組成移動(dòng)副，使得摩擦阻力增加，運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)主要取決與后大臂，這使得此種方案的運(yùn)動(dòng)精度更低。</p><p><b>　　圖2-2 方案二</b></p><p>　　方案三：如圖2-3所示，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理與圖2-1相同，此機(jī)構(gòu)構(gòu)成平行四邊形，運(yùn)動(dòng)具有確

26、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。</p><p><b>　　圖2-3 方案三</b></p><p>　　2.2 總體設(shè)計(jì)思路</p><p>　　碼垛機(jī)器人主要實(shí)現(xiàn)不同型包裝的碼垛物體的搬運(yùn)功能。在對(duì)碼垛機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式簡(jiǎn)單了解以后，設(shè)計(jì)的思路還是很清晰的。。本文主要進(jìn)行碼垛機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，要實(shí)現(xiàn)碼

27、垛機(jī)器人在半徑為1.5米的圓周內(nèi)的碼垛運(yùn)動(dòng)，必須由四個(gè)動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)，即腰部的旋轉(zhuǎn)、后大臂的上下運(yùn)動(dòng)、前臂的前后運(yùn)動(dòng)和手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而且這四個(gè)動(dòng)作全部由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　由于腕部轉(zhuǎn)速較低，特選用減速機(jī)來驅(qū)動(dòng)，而且要選擇重量輕的減速機(jī)。此時(shí)由于軸立起來以后就有往下竄動(dòng)的趨勢(shì)，而且還要轉(zhuǎn)動(dòng)，既要保證軸的正常轉(zhuǎn)動(dòng)，其次還要軸一定的支撐，由此引入了角接觸軸承。軸承型號(hào)7305C。電機(jī)軸與傳動(dòng)軸之間用聯(lián)

28、軸器連接，選擇A型平鍵套筒聯(lián)軸器。</p><p>　　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(jià)格低，故選擇碳素結(jié)構(gòu)鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼。手臂做成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(yùn)動(dòng)的精度，將手臂設(shè)計(jì)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。</p><p>　　為了使手臂傳動(dòng)準(zhǔn)確，手臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)增加了直

29、線滾動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)采用低速交流伺服電機(jī)帶動(dòng)滾動(dòng)絲杠副旋轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)前大臂的左右運(yùn)動(dòng)，后大臂的上下運(yùn)動(dòng)。此處驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇伺服電機(jī)。軸承選用角接觸球軸承。</p><p>　　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

30、小選擇推力球軸承型號(hào)。聯(lián)軸器選擇凸緣聯(lián)軸器。</p><p>　　第三章 碼垛機(jī)器人腕部和腰部設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 碼垛機(jī)器人腕部設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1.1 減速機(jī)的計(jì)算與選型</p><p>　　本節(jié)減速機(jī)的型號(hào)是根據(jù)上海泰一傳動(dòng)設(shè)備有限公司的《R系列斜齒輪減速機(jī)選型手冊(cè)》選用的。</p><p&

31、gt;　　1. 實(shí)際服務(wù)系數(shù)確定</p><p>　　減速機(jī)是按載荷平穩(wěn)，每天工作時(shí)間一定和少量啟停次數(shù)的情況設(shè)計(jì)的，而在實(shí)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(shí)際服務(wù)系數(shù)必須按照實(shí)際情況的載荷類型、運(yùn)行時(shí)間、使用頻率來確定工作機(jī)系數(shù)f1、原動(dòng)機(jī)系數(shù)f2和啟動(dòng)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。</p><p>　　表3-1

32、工作機(jī)系數(shù)f1</p><p>　　表3-2 原動(dòng)機(jī)系數(shù)f2</p><p>　　表3-3 啟動(dòng)系數(shù)f3</p><p>　　由表確定本機(jī)構(gòu)的工作系數(shù)f1 = 2.5，原動(dòng)機(jī)系數(shù)f2 = 1.0，起動(dòng)系數(shù)f3 =1.3，那么f1f2f3 =2.51.01.3 =3.25。</p><p>　　2. 確定減速機(jī)型號(hào)</p><

33、;p>　　根據(jù)《R系列硬齒面斜齒輪減速機(jī)》選型手冊(cè)，由f1f2f3fB ，由表1-4選擇fB = 3.4的減速機(jī)，型號(hào)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：</p><p>　　表3-4 減速機(jī)的具體參數(shù)</p><p>　　3.1.2聯(lián)軸器的計(jì)算與選型</p><p>　　聯(lián)軸器計(jì)算選型所使用的公式和

34、某些參數(shù)值的選擇參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第五版》和《機(jī)械設(shè)計(jì)課本》。</p><p>　　1. 聯(lián)軸器的理論轉(zhuǎn)矩</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　式中 ——理論轉(zhuǎn)矩（）；</p><p>　　——傳遞的功率（）；</p><p><b>　　——工作轉(zhuǎn)速（）

35、。</b></p><p><b>　　帶入數(shù)據(jù)得 。</b></p><p>　　2. 聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩 </p><p><b>　　(3-2)</b></p><p>　　式中：——?jiǎng)恿C(jī)系數(shù)，電動(dòng)機(jī)透平機(jī)的=1.0；</p><p>　　——工況系數(shù)，由《

36、機(jī)械設(shè)計(jì)書冊(cè)第五版第2卷》表6-2-2，查得K=1.5；</p><p>　　——起動(dòng)系數(shù)，由制造商確定，與啟動(dòng)頻率f有關(guān)，選取=1.0；</p><p>　　——溫度系數(shù),由《機(jī)械設(shè)計(jì)書冊(cè)第五版第2卷》表6-2-3查得，=1.0。</p><p><b>　　帶入公式得。</b></p><p>　　聯(lián)軸器選用A型平鍵

37、套筒聯(lián)軸器，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第五版第3卷》，因聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩要大于計(jì)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：</p><p>　　表3-4 聯(lián)軸器的具體參數(shù)</p><p>　　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。</p><p>　　圖3-1 II型平鍵套筒

38、聯(lián)軸器與軸的裝配圖</p><p>　　3. 驗(yàn)算套筒的扭矩強(qiáng)度和鍵的擠壓強(qiáng)度</p><p><b>　　套筒的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度：</b></p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　式中 ——套筒外徑，由表3-4得到；</p><p><b>　

39、　——軸徑，。</b></p><p><b>　　將數(shù)值帶入公式得到</b></p><p>　　由套筒的材料為45號(hào)鋼，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本表15-3查得，許用切應(yīng)力為25～45Mpa，則所選套筒滿足強(qiáng)度要求。</p><p><b>　　平鍵的擠壓強(qiáng)度：</b></p><p>&l

40、t;b>　　(3-4)</b></p><p>　　式中 k——鍵工作高度；</p><p><b>　　——鍵工作長(zhǎng)度。</b></p><p>　　由表15,1-10確定，，d=25mm，帶入公式得到</p><p><b>　　，</b></p><p&g

41、t;　　由《機(jī)械設(shè)計(jì)》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120～150Mpa。</p><p>　　因此平鍵滿足強(qiáng)度條件。</p><p>　　3.1.3軸承的選型</p><p>　　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(duì)使用。由《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè)》

42、中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，選擇軸承型號(hào)為7305C,具體參數(shù)如下表：</p><p>　　表3-5 軸承的具體參數(shù)</p><p>　　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(dòng)。</p><p>　　3.2 碼垛機(jī)器人腰部設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2.1腰部電機(jī)選型</p><p>　　因?yàn)?/p>

43、腰部的回轉(zhuǎn)速度較低，所以此處的驅(qū)動(dòng)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镜腨D系了電機(jī)，電機(jī)型號(hào)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。</p><p>　　圖3-2 電機(jī)的外形圖</p><p>　　YD系列低速電機(jī)的安裝尺寸如表3-6。</p

44、><p>　　表3-6 電機(jī)的安裝尺寸</p><p>　　YD系列低速電機(jī)的性能參數(shù)如表3-7。</p><p>　　表3-7 電機(jī)的性能參數(shù)</p><p>　　3.2.2腰部聯(lián)軸器計(jì)算選型</p><p><b>　　聯(lián)軸器的理論轉(zhuǎn)矩</b></p><p><b&

45、gt;　　(3-5)</b></p><p>　　式中 ——理論轉(zhuǎn)矩（）；</p><p>　　——傳遞的功率（）；</p><p><b>　　——工作轉(zhuǎn)速（）。</b></p><p><b>　　帶入數(shù)據(jù)得 。</b></p><p><b>　　

46、聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩</b></p><p><b>　　(3-6)</b></p><p>　　式中 ——?jiǎng)恿C(jī)系數(shù)，電動(dòng)機(jī)、透平機(jī)取=1.0；</p><p>　　——工況系數(shù)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第五版第2卷》表6-2-2查得，取K=1.5。</p><p>　　——起動(dòng)系數(shù)，取=1.0；</p>

47、<p>　　——溫度系數(shù)。由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第五版第2卷》，表6-2-3查得，取=1.0。</p><p><b>　　帶入公式得。</b></p><p>　　由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第五版第2卷》選用凸緣聯(lián)軸器，由表6-2-8選型號(hào)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。</p><p>　　圖3

48、-3 GYS7型-凸緣聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　GYS7型-凸緣聯(lián)軸器基本參數(shù)和主要尺寸如下表：</p><p>　　表3-8 GYS7型-凸緣聯(lián)軸器基本參數(shù)和主要尺寸</p><p><b>　　3.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　搬運(yùn)機(jī)器人腕部的運(yùn)動(dòng)相對(duì)簡(jiǎn)單，只有一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要保證

49、軸的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)精度。通過本章對(duì)腕部的詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)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。</p><p>　　腰部的設(shè)計(jì)計(jì)算主要是為了實(shí)現(xiàn)腰部帶動(dòng)整個(gè)搬運(yùn)機(jī)器人的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于腰部回轉(zhuǎn)速度較低，選用YD系列低速電機(jī).通過對(duì)電動(dòng)機(jī)的選擇、聯(lián)軸器的計(jì)算選型，最終確定了搬運(yùn)機(jī)器人腰部的設(shè)計(jì)方案。</p><p>　　第四章 碼垛機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)<

50、;/p><p>　　4.1 平面機(jī)構(gòu)受力分析</p><p>　　搬運(yùn)機(jī)器人在實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)的運(yùn)動(dòng)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)的小臂處于水平方向、前后大臂與之垂直時(shí)，兩個(gè)方向的滾珠絲杠副受力最大。具體位置如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 碼垛機(jī)器人運(yùn)動(dòng)位置</p><p&g

51、t;　　根據(jù)搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，可設(shè)各臂長(zhǎng)分別為：AB=1170 ，BC= 260mm ，CD =1080mm ，DE =240mm，A點(diǎn)到圖4-1中心線的距離d = 150mm 。處于圖4-1位置時(shí)小臂的受力情況見圖4-2。</p><p>　　圖4-2 小臂受力圖</p><p>　　圖4-2中，G1為負(fù)載和電機(jī)的重力，搬運(yùn)的負(fù)載最大為100N，腕部減速機(jī)的重力約為100N，則G1

52、= 200N ；M為負(fù)載和電機(jī)共同的轉(zhuǎn)矩， ；小臂材料為45號(hào)鋼，重量約為50N；對(duì)小臂列受力方程如下：</p><p><b>　　｛</b></p><p>　?。?(4-1)</p><p>　　解得F1 = 1237.6154N ，F(xiàn)2 = 987.6154N</p><p>　　4.2 手臂關(guān)節(jié)

53、軸承的選型與校核</p><p>　　碼垛機(jī)器人的手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要注意兩點(diǎn)：一是應(yīng)使手臂剛度大、重量輕；二是應(yīng)使手臂運(yùn)動(dòng)速度快、慣性小。首先，因?yàn)閯偠炔粔驎r(shí)，手臂會(huì)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(diǎn)，對(duì)于第二點(diǎn)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(zhǎng)度。圖4-3對(duì)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(diǎn)越大，因此小臂的結(jié)構(gòu)為末端窄，

54、靠近B點(diǎn)時(shí)逐漸加大尺寸，其它手臂結(jié)構(gòu)則采用均勻尺寸。B點(diǎn)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(diǎn)一樣進(jìn)行校核，銷軸的聯(lián)接結(jié)構(gòu)如圖4-4。</p><p>　　圖4-3 小臂剪力圖和彎矩圖</p><p>　　圖4-4 銷軸聯(lián)接結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖4-5中的關(guān)節(jié)軸承選用自潤(rùn)滑向心關(guān)節(jié)軸承，由上下軸套固定，在后機(jī)架繞銷

55、軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(jì)手冊(cè)》第五版、單行本、軸承，由表7-1確定所選軸承的型號(hào)為GE25ES-2RS，其中d =25mm，軸承尺寸見表4-1。</p><p>　　表4-1 向心自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承參數(shù)</p><p>　　圖4-5 向心關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　4.3 銷軸校核</b&g

56、t;</p><p>　　4.3.1 后大臂與支架銷軸聯(lián)接校核</p><p><b>　　銷軸抗剪強(qiáng)度：</b></p><p><b>　　(4-2)</b></p><p>　　銷軸采用45號(hào)鋼，其許用切應(yīng)力，許用彎曲應(yīng)力，，將以上值帶入公式得</p><p><

57、b>　　銷軸抗彎強(qiáng)度：</b></p><p><b>　　(4-3)</b></p><p><b>　　其中，，帶入公式得</b></p><p><b>　　，</b></p><p>　　因此選擇銷軸的軸徑d= 25mm，滿足強(qiáng)度要求。</p&g

58、t;<p>　　4.3.2 后大臂與小臂銷軸聯(lián)接校核</p><p><b>　　銷軸抗剪強(qiáng)度：</b></p><p>　　銷軸采用45號(hào)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</p><p><b>　　。</b></p><p><b>　　銷軸

59、抗彎強(qiáng)度：</b></p><p>　　其中，，帶入公式（4-3）得</p><p><b>　　，</b></p><p>　　因此選擇銷軸的軸徑d= 25mm滿足強(qiáng)度要求。</p><p>　　4.3.3 前大臂與支架銷軸聯(lián)接校核</p><p><b>　　銷軸抗剪強(qiáng)度

60、：</b></p><p>　　銷軸采用45號(hào)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</p><p><b>　　。</b></p><p><b>　　銷軸抗彎強(qiáng)度：</b></p><p>　　其中，，帶入公式（4-3）得</p><p&g

61、t;<b>　　，</b></p><p>　　因此選擇銷軸的軸徑d= 50mm滿足強(qiáng)度要求。</p><p>　　4.3.4 前大臂與小臂銷軸聯(lián)接校核</p><p><b>　　銷軸抗剪強(qiáng)度：</b></p><p>　　銷軸采用45號(hào)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）

62、得</p><p><b>　　銷軸抗彎強(qiáng)度</b></p><p>　　由圖9-3可知，，帶入公式（4-3）得</p><p><b>　　，</b></p><p>　　因此選擇銷軸的軸徑d= 50mm滿足強(qiáng)度要求。</p><p>　　4.3.5 其它銷軸聯(lián)接校核<

63、;/p><p>　　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。</p><p>　　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。</p><p>　　4.4 豎直滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型</p><p>　　4.4.1 最大工作載荷的計(jì)算

64、</p><p>　　按綜合導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，最大工作載荷公式為：</p><p><b>　　(4-4)</b></p><p>　　式中 K——載荷系數(shù)，，由《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-29查得，K = 1.15；</p><p><b>　　——摩擦系數(shù)，；</b></p>

65、;<p>　　——進(jìn)給方向的載荷，。</p><p>　　如圖4-1中，E點(diǎn)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</p><p>　　4.4.2 最大動(dòng)載荷的計(jì)算</p><p>　　碼垛機(jī)器人后大臂的運(yùn)行速度，則最大動(dòng)載荷</p><p><b>　　(4-5)</b></p

66、><p>　　式中 ——滾珠絲杠副的壽命，單位為106r；</p><p>　　——載荷系數(shù)，由《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-30，取=1.2；</p><p>　　——硬度系數(shù)，滾道硬度為60HRC時(shí)，取硬度系數(shù)=1.0。</p><p>　　滾珠絲杠副的壽命公式為：</p><p><b>　　(

67、4-6)</b></p><p>　　式中 T——使用壽命，T = 15000h；</p><p><b>　　n——絲杠轉(zhuǎn)速。</b></p><p><b>　　(4-7)</b></p><p>　　初選絲杠導(dǎo)程，帶入公式(4-7)得到</p><p>&l

68、t;b>　　。</b></p><p>　　將以上數(shù)值帶入公式(4-6)得</p><p><b>　　。</b></p><p>　　將、帶入公式(4-5)得</p><p>　　4.4.3 初選滾珠絲杠副型號(hào)</p><p>　　選擇絲杠型號(hào)時(shí)應(yīng)使?jié)L珠絲杠副的額定動(dòng)載荷Ca，

69、額定靜載荷，根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)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(jí)為5級(jí)，額定動(dòng)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。</p><p>　　表4-2 滾珠絲杠副的尺寸參數(shù)</p><p>　　4.4.4 傳動(dòng)效率計(jì)算</p><p>　　

70、滾珠絲杠螺母副的螺旋升角：</p><p><b>　　傳動(dòng)效率：</b></p><p><b>　　(4-8)</b></p><p>　　式中 ——絲杠螺旋升角。</p><p>　　——摩擦角，滾珠絲杠的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，其摩擦角約等于。</p><p>　　將數(shù)值帶入公

71、式(4-8)得：</p><p>　　4.4.5剛度的驗(yàn)算</p><p>　　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(yùn)動(dòng)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：</p><p>　　絲杠的拉伸或壓縮變形量</p><p>　　在總的變

72、形量中占的比重較大,可按下式計(jì)算：</p><p><b>　　(4-9)</b></p><p>　　式中 ——絲杠兩端支承間距離，約為700mm；</p><p>　　——絲杠最大工作載荷(N)；</p><p>　　——絲杠材料的彈性模量，鋼的 E=2.1MPa；</p><p>　　——滾

73、珠絲杠的截面積（按底徑d2確定的）.絲杠底徑mm， 。</p><p>　　由于轉(zhuǎn)矩M一般很小，公式的第二項(xiàng)可忽略不計(jì)。將數(shù)值帶入公式(4-9)得</p><p><b>　　。</b></p><p>　　滾珠與螺紋滾道間接觸變形</p><p>　　當(dāng)對(duì)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(shí)，之值可減少一半

74、，故其計(jì)算公式為：</p><p><b>　　(4-10)</b></p><p>　　式中 ——滾珠直徑，由表4-1查得= 3.175mm。</p><p><b>　　——單圈滾珠數(shù)；</b></p><p>　　——滾珠總數(shù)量，=Z圈數(shù)列數(shù)=；</p><p><

75、;b>　　——預(yù)緊力。</b></p><p>　　滾珠絲杠的滾珠數(shù)為：</p><p><b>　　，</b></p><p><b>　　取整為Z= 17。</b></p><p>　　滾珠絲杠的預(yù)緊力為：</p><p>　　將數(shù)值帶入公式（4-10）

76、得到</p><p><b>　　。</b></p><p><b>　　由于減小一半，則</b></p><p><b>　　=。</b></p><p><b>　　剛度校驗(yàn)</b></p><p>　　絲杠總的變形量=0.02

77、66mm = 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(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》查表3-27，查得5級(jí)精度滾珠絲杠有效行程mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到32mm，可見絲杠剛度足夠。</p><p>　　4.4.6壓桿穩(wěn)定性校核</p><p>　　對(duì)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(shí)，應(yīng)驗(yàn)算其有沒有產(chǎn)生縱向彎曲（失穩(wěn)）的危險(xiǎn)，產(chǎn)生失穩(wěn)的臨界負(fù)載用下式計(jì)算：</p&

78、gt;<p><b>　　(4-11)</b></p><p>　　式中 ——臨界載荷(N)；</p><p>　　——絲杠支承系數(shù)，由《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》查表3-34，采用雙推-雙推支承形式，所以= 4；</p><p>　　——壓桿穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取為2.5～4。垂直安裝時(shí)K= 2.5；</p>

79、<p>　　——截面慣性矩,絲杠截面慣性矩（為絲杠螺紋的底徑)；</p><p>　　——絲杠兩支承端距離，a=700mm。</p><p>　　將以上數(shù)值帶入公式(4-11)得</p><p>　　可知壓桿穩(wěn)定性滿足校核。</p><p>　　4.5 水平滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型</p><p>　　

80、4.5.1最大工作載荷的計(jì)算</p><p>　　按綜合導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，最大工作載荷公式(4-4)為：</p><p>　　式中 K——載荷系數(shù)， K = 1.15；</p><p><b>　　——摩擦系數(shù)， ；</b></p><p>　　——垂直絲杠的受力，。</p><p>　　如圖4-1中

81、，F(xiàn)點(diǎn)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。</p><p>　　4.5.2最大動(dòng)載荷的計(jì)算</p><p>　　搬運(yùn)機(jī)器人前大臂的運(yùn)行速度，則最大動(dòng)載荷公式(4-5)為</p><p>　　式中 ——滾珠絲杠副的壽命，單位為106r；</p><p>　　——載荷系數(shù)，取=1.2；</p><p

82、>　　——硬度系數(shù)，取硬度系數(shù)=1.0。</p><p>　　初選絲杠導(dǎo)程，帶入公式(4-7)得到</p><p>　　取使用壽命T = 15000h，將其與轉(zhuǎn)速n帶入公式(4-6)得</p><p><b>　　。</b></p><p>　　查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》的表3-30得= 1.2 ，由于

83、硬度，所以= 1.0 。帶入公式(4-5)得</p><p><b>　　。</b></p><p>　　4.5.3初選滾珠絲杠副型號(hào)</p><p>　　選擇絲杠型號(hào)時(shí)應(yīng)使?jié)L珠絲杠副的額定動(dòng)載荷Ca，額定靜載荷，根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，選擇海特DFT02005-5[3]型滾珠絲杠副，為雙螺母式，其公稱直徑為20mm，導(dǎo)程為mm

84、，循環(huán)滾珠為5圈1列，精度等級(jí)為5級(jí)，額定動(dòng)載荷為N大于，則滿足要求。</p><p>　　4.5.4 傳動(dòng)效率計(jì)算</p><p>　　計(jì)算傳動(dòng)效率公式(4-8)為：</p><p>　　式中 ——絲杠螺旋升角，=4.55°。</p><p>　　——摩擦角，滾珠絲杠的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，其摩擦角約等于。</p><

85、p>　　將數(shù)值帶入公式(4-8)得：</p><p>　　4.5.5剛度的驗(yàn)算</p><p>　　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(yùn)動(dòng)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：</p><p>　　絲杠的拉伸或壓縮變形量</p>&l

86、t;p>　　在總的變形量中占的比重較大,可按公式(4-9)計(jì)算：</p><p>　　式中 ——絲杠兩端支承間距離，約為700mm；</p><p>　　——絲杠最大工作載荷(N)；</p><p>　　——絲杠材料的彈性模量，鋼的 E=2.1MPa；</p><p>　　——滾珠絲杠的截面積（按底徑d2確定的）.絲杠底徑mm， 。&l

87、t;/p><p>　　由于轉(zhuǎn)矩M一般很小，公式的第二項(xiàng)可忽略不計(jì)。將數(shù)值帶入公式(4-9)得</p><p><b>　　。</b></p><p>　　滾珠與螺紋滾道間接觸變形</p><p>　　當(dāng)對(duì)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(shí)，之值可減少一半，故可按公式(4-10)計(jì)算值：</p>&

88、lt;p>　　式中 ——滾珠直徑，由表4-1查得= 3.175mm。</p><p>　　——單圈滾珠數(shù)Z=17；</p><p>　　——滾珠總數(shù)量，=Z圈數(shù)列數(shù)=；</p><p><b>　　——預(yù)緊力。</b></p><p>　　滾珠絲杠的預(yù)緊力為：</p><p>　　將數(shù)值帶入

89、公式（4-10）得到</p><p><b>　　。</b></p><p><b>　　由于減小一半，則</b></p><p><b>　　=。</b></p><p><b>　　剛度校驗(yàn)</b></p><p>　　絲杠總的

90、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(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》查表3-27，查得5級(jí)精度滾珠絲杠有效行程mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到32mm，可見絲杠剛度足夠。</p><p>　　4.5.6壓桿穩(wěn)定性校核</p><p>　　對(duì)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(shí)，應(yīng)驗(yàn)算其有沒有產(chǎn)生縱向彎曲（失穩(wěn)）的危險(xiǎn)，產(chǎn)生失穩(wěn)的臨界負(fù)載用公式(4-11)

91、計(jì)算：</p><p>　　式中 ——臨界載荷(N)；</p><p>　　——絲杠支承系數(shù)，采用雙推-雙推支承形式，故取= 4；</p><p>　　——壓桿穩(wěn)定性安全系數(shù)，水平安裝時(shí)K=4；</p><p>　　——截面慣性矩,絲杠截面慣性矩；</p><p>　　——絲杠兩支承端距離，a=700mm。</p

92、><p>　　將以上數(shù)值帶入公式得</p><p>　　可知壓桿穩(wěn)定性滿足校核。</p><p>　　4.6 水平滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算選型</p><p>　　4.6.1滑塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選擇</p><p>　　工作載荷是影響直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。對(duì)于水平布置的工作臺(tái)多采用雙導(dǎo)軌，四滑塊的支撐形式

93、?？紤]最不利的情況，即垂直于臺(tái)面的工作載荷由一個(gè)滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為：</p><p><b>　　(4-12)</b></p><p>　　式中 F——外加載荷； </p><p>　　G——移動(dòng)部件的重量G=800N。</p><p>　　將數(shù)值帶入(4-12)得</p>

94、<p><b>　　。</b></p><p>　　根據(jù)工作載荷初選海特滾動(dòng)導(dǎo)軌，F(xiàn)V型導(dǎo)軌。型號(hào)為SBS15FV,其額定動(dòng)載荷，額定靜載荷?；瑝K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(zhǎng)度如表4-4，選取導(dǎo)軌的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為820mm。</p><p>　　表4-3 FV型滑塊的尺寸及安裝尺寸</p><p&g

95、t;　　表4-4 導(dǎo)軌的尺寸及負(fù)載能力</p><p>　　表4-5 導(dǎo)軌的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度</p><p>　　4.6.2額定行程壽命的計(jì)算</p><p>　　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(dòng)和沖擊也必須計(jì)算在內(nèi)。而且，硬度和溫度也是影響壽命的主要因素。</p><p>　　上述選取的FV系列SBS15FV型導(dǎo)軌副的滾道硬度

96、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(jí)，工作速度較低，載荷不大。</p><p><b>　　則額定行程壽命為：</b></p><p><b>　　(4-13)</b></p><p>　　式中 ——額定行程壽命(km)；</p><p>　　——額定動(dòng)載荷，=

97、4.58kN；</p><p>　　——滑塊上工作載荷，= 1.437kN；</p><p>　　——硬度系數(shù)，由圖4-6，=1.0；</p><p>　　——溫度系數(shù)，由圖4-7，=1.0；</p><p>　　——接觸系數(shù)，由表4-6，,=0.81；</p><p>　　——載荷系數(shù)，由表4-7，=1.0。<

98、/p><p>　　將以上數(shù)值帶入公式(4-13)可得</p><p><b>　　。</b></p><p>　　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(hào)滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p><b>　　圖4-6 硬度系數(shù)</b></p>

99、<p><b>　　圖4-7 溫度系數(shù)</b></p><p><b>　　表4-6 接觸系數(shù)</b></p><p><b>　　表4-7 載荷系數(shù)</b></p><p>　　4.7 豎直滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算選型</p><p>　　4.7.1滑塊承受工作載荷的計(jì)算及

100、導(dǎo)軌型號(hào)的選擇</p><p>　　工作載荷是影響直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。對(duì)于豎直布置的工作臺(tái)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(tái)面的工作載荷由一個(gè)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(jì)算：</p><p>　　式中 F——外加載荷； </p><p>　　G——移動(dòng)部件的重量G=800N。</p

101、><p>　　將數(shù)值帶入(4-12)得，</p><p><b>　　。</b></p><p>　　根據(jù)工作載荷初選海特滾動(dòng)導(dǎo)軌，F(xiàn)V型導(dǎo)軌。型號(hào)為SBS15FV,其額定動(dòng)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(zhǎng)度為820mm。</p><p>　　4.7.2.額定行程壽命L

102、的計(jì)算</p><p>　　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(dòng)和沖擊也必須計(jì)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)軌上配有兩只滑塊，精度為4級(jí)，工作速度較低，載荷不大。</p><p>　　利用公式(4-13)計(jì)算額定行程壽命為：</p><

103、p>　　式中 ——額定行程壽命(km)；</p><p>　　——額定動(dòng)載荷，= 4.58kN；</p><p>　　——滑塊上工作載荷，= 1.188kN；</p><p>　　——硬度系數(shù)，由圖4-6，=1.0；</p><p>　　——溫度系數(shù)，由圖4-7，=1.0；</p><p>　　——接觸系數(shù)，由表

104、4-6，,=0.81；</p><p>　　——載荷系數(shù)，由表4-7，=1.0。</p><p>　　將以上數(shù)值帶入公式(4-13)可得,</p><p><b>　　，</b></p><p>　　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(hào)滿足設(shè)計(jì)要求。</p&g

105、t;<p>　　第五章 PRO/E建模和仿真</p><p>　　Pro/Engineer操作軟件是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer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/C

106、AM/CAE軟件之一，特別是在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。Pro/E第一個(gè)提出了參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫(kù)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(jì)至生產(chǎn)全過程集成到一起，實(shí)現(xiàn)并行工程設(shè)計(jì)。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)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、加工處理等，保

107、證用戶可以按照自己的需要進(jìn)行選擇使用。</p><p>　　5.1 主要部件建模及其簡(jiǎn)介</p><p>　　5.1.1軸承建模的主要過程</p><p>　　Pro/e建模比較簡(jiǎn)單，這里只是簡(jiǎn)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。</p><p>　　圖5-1 角接觸球軸承</p><

108、;p>　　具體的建模步驟如下：</p><p><b>　　創(chuàng)建零件文件。</b></p><p>　　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(duì)話框。</p><p>　　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。</p><

109、;p>　　繪制完成后的草圖如下圖(5-2)所示。</p><p><b>　　圖5-2 草圖</b></p><p>　　單擊“繼續(xù)當(dāng)前部分”按鈕即對(duì)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(5-3)。</p><p><b>　　圖5-3 內(nèi)外圈</b></p>&

110、lt;p>　　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(duì)話框。</p><p>　　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。</p><p>　　繪制完成草圖后，單擊“繼續(xù)當(dāng)前部分”按鈕即對(duì)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)。</p

111、><p>　　圖5-4 未陣列的角接觸球軸承</p><p>　　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(xiàng)，單擊內(nèi)圈中心軸。</p><p>　　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(5-5)所示。（圖中的倒角的步驟沒有加進(jìn)去，是為了說

112、明書的簡(jiǎn)潔。）</p><p>　　圖5 -5 角接觸球軸承的模型</p><p>　　5.1.2 機(jī)器人的主要部件及裝配模型</p><p>　　腕部電機(jī)裝配圖如圖5-6所示。電機(jī)固定在外殼上，電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)底下圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng) 。外殼與小臂是銷軸連接，為減少摩擦銷軸處加軸承。外殼上的小孔與系桿鉸接，作用是為保持無(wú)論在何運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 下電機(jī)軸始終鉛直向下。</p&

113、gt;<p>　　圖5-6 手腕部電機(jī)轉(zhuǎn)配</p><p>　　滾珠絲杠副裝配如圖5-7所示。滾珠絲杠副支承形式采用雙推-雙推的支承形式。絲杠用銷釘連接方式。軸承用軸承端蓋和緊固件定位?；瑝K用滑動(dòng)桿連接方式，可以沿著導(dǎo)軌滑動(dòng)。圓螺母用圓柱連接方式，可以沿著滾珠絲杠螺旋向前移動(dòng)。</p><p>　　圖5-7 滾珠絲杠裝配</p><p>　　腰部電機(jī)裝

114、配如圖5-8所示。聯(lián)軸器通過鍵與軸定位。角接觸球軸承通過軸肩和套筒來定位。推力球軸承與軸用銷釘連接裝配。推力球軸承用外殼來定位，將整個(gè)腰部以上構(gòu)件的重力通過軸承傳給整個(gè)外殼。最上面部分的大圓盤可以通過電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)腰部以上構(gòu)件旋轉(zhuǎn)一定角度。</p><p>　　圖5-8 腰部電機(jī)裝配</p><p>　　整個(gè)機(jī)構(gòu)的裝配圖如圖5-9所示。</p><p>　　圖5-

115、9 整體機(jī)構(gòu)的裝配圖</p><p>　　5.2 三維機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的基本介紹</p><p>　　5.2.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的特點(diǎn)</p><p>　　在Pro/ENGINEER中進(jìn)行機(jī)構(gòu)仿真運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)有兩種方法:一是Mechanlsm(機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì))，它可以通過用戶對(duì)各種不同運(yùn)動(dòng)副的連接設(shè)定，使機(jī)構(gòu)按照實(shí)際的運(yùn)動(dòng)要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。二是Pro/MeehanlsmMotio

116、n功能，該模塊是一個(gè)完整的三維實(shí)體靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和逆動(dòng)力學(xué)仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)工具。Motion運(yùn)動(dòng)模塊可以快速創(chuàng)建機(jī)構(gòu)仿真模型并能方便的進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，從而改善機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、節(jié)省時(shí)間、降低成本。機(jī)構(gòu)是由構(gòu)件組合而成，而每個(gè)構(gòu)件都以一定的方式至少與另一個(gè)構(gòu)件連接。這種連接，既使兩個(gè)構(gòu)件直接接觸，又使兩個(gè)構(gòu)件產(chǎn)生一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的前提是創(chuàng)建機(jī)構(gòu)，創(chuàng)建機(jī)構(gòu)與零件裝配都是將單個(gè)零部件組裝成一個(gè)完成的機(jī)構(gòu)模型，因此兩者之間有很多相似

117、之處。由零件裝配得到裝配體，其內(nèi)部的零部件并沒有發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而由連接得到的機(jī)構(gòu)，其內(nèi)部的構(gòu)件之間可以產(chǎn)生一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　5.2.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的工作流程</p><p>　　建立仿真運(yùn)動(dòng)的一般步驟：</p><p>　　1. 創(chuàng)建機(jī)構(gòu)中參與運(yùn)動(dòng)的不可缺少的零件模型。</p><p>　　2. 選取合適的“連接”進(jìn)行機(jī)

118、構(gòu)的裝配，并進(jìn)行必要的位置調(diào)整。</p><p>　　3. 進(jìn)入機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)界面，進(jìn)行仿真運(yùn)動(dòng)的參數(shù)設(shè)置，其中包括高級(jí)連接類型的設(shè)置，伺服電動(dòng)機(jī)和分析定義的參數(shù)設(shè)置。在機(jī)構(gòu)仿真運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)研究中，用戶可以通過對(duì)機(jī)構(gòu)添加運(yùn)動(dòng)副，使其隨伺服電動(dòng)機(jī)一起移動(dòng)，并且在不考慮作用于系統(tǒng)上的力的情況下分析其運(yùn)動(dòng)。使用運(yùn)動(dòng)分析觀察機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，并測(cè)量主題位置、速度和加速度的改變。然后用圖形表示這些測(cè)量，或者創(chuàng)建軌跡曲線和運(yùn)動(dòng)包絡(luò)。根據(jù)以上

119、分析，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真總體上可以分為6個(gè)部分：創(chuàng)建圖元、檢測(cè)模型、添加建模圖元、準(zhǔn)備分析、分析模型和獲取結(jié)果。</p><p>　　5.2.3 機(jī)構(gòu)仿真運(yùn)動(dòng)裝配連接的概念及定義</p><p>　　常規(guī)的裝配限制了元件、組件的所有自由度，而元件、組件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)必須保留某個(gè)或幾個(gè)方向上的自由度，因此在進(jìn)行機(jī)構(gòu)仿真運(yùn)動(dòng)的裝配過程中需要引入“連接”定義，即能夠限制主體的自由度，僅保留所需的自由度

120、，以產(chǎn)生機(jī)構(gòu)所適合的運(yùn)動(dòng)類型。連接在“裝配”環(huán)境中建立，單擊“元件放置”對(duì)話框中的“連接”字符即可進(jìn)入連接設(shè)置狀態(tài)，Pro/ENGINEER中共提供了n種連接模式，下面介紹主要的連接方式:</p><p><b>　　1. 剛性</b></p><p>　　使用一個(gè)或多個(gè)基本約束，將元件與組件連接在一起，受剛性連接的元、組件屬于同一主體，連接后，6個(gè)方向上的自由度被完

121、全限制，相互之間不再</p><p><b>　　有自由度。</b></p><p><b>　　2. 銷釘</b></p><p>　　僅有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，由一個(gè)軸對(duì)齊和一個(gè)與軸垂直的平移約束來限制其它5個(gè)自由度，元件可以繞軸旋轉(zhuǎn)。</p><p><b>　　3. 滑動(dòng)桿</b&

122、gt;</p><p>　　僅有一個(gè)沿軸向的平移自由度，實(shí)際上就是一個(gè)與軸平行的平移運(yùn)動(dòng)，使用“軸對(duì)齊”和“旋轉(zhuǎn)”兩個(gè)約束限制其他5個(gè)自由度。</p><p><b>　　4. 圓柱</b></p><p>　　具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和一個(gè)沿軸向的平移自由度，元件可以繞軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)可沿軸向平移，使用“軸對(duì)齊”的約束限制其他4個(gè)自由度。</p&

123、gt;<p><b>　　5. 平面</b></p><p>　　具有兩個(gè)平移自由度和一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，使用“平面”限制其他3個(gè)自由度，元件可繞垂直于平面的軸旋轉(zhuǎn)并在平行于平面的兩個(gè)方向上平移。</p><p><b>　　6. 球</b></p><p>　　具有3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。使用“點(diǎn)對(duì)齊”約束來限制3個(gè)自