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1、多自由度直角坐標型碼垛機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計 Body structure desig n of recta ngular coord in ate palletiz ing robot with the multi-degree freedom 學生姓名 學號 所在學院 班級 所在專業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 申請學位 學士 指導教師 職稱 副指導教師 職稱 答辯時間 設(shè)計總說明 I INTRODUCTION II 1緒論 1 1.1碼垛機器人的發(fā)展狀況 1 1.2研究目的及意義 1 2課題內(nèi)容及要求 2 2. 1研究目標、內(nèi)容及擬解決的關(guān)鍵問題 2

2、 2.2參數(shù)要求 2 3總體機構(gòu)設(shè)計 3 3.1 機械抓手設(shè)計 6 3.1.1 方案選擇 6 3.1.2力學分析 7 3.1.3氣缸選擇 9 3.2絲桿螺母副的計算與選型 9 3.2.1 Z軸滾珠絲杠螺母副的計算與選型 9 3.2.2 x軸和y軸滾珠絲杠螺母副的計算與選型 12 3.3 各軸驅(qū)動電機選型 12 3.3.1 Z 旋轉(zhuǎn)軸電機的選擇 13 3.3.2 Z軸步進電機的計算與選型 15 3.3.3 x 軸和y軸步進電機的選用 17 3.4直線滾動導軌副的計算與選型 18 3.5軸承的選用 20 3.5.1 Z 旋轉(zhuǎn)軸軸承的選用 20 3.5

3、.2 Z軸滾珠絲杠下端單向推力球軸承的計算與選型 20 3.5.3其他軸承的選用 21 3.6錐齒輪傳動的計算與選型 23 4總體支架的受力分析 25 總結(jié) 29 鳴謝 30 參考文獻 31 設(shè)計總說明 直角型碼垛機器人是工業(yè)機器人的一種，通過對它的數(shù)控編程，它能實現(xiàn)可以在XYZ 三維坐標系中任意一點的移動和遵循可控的運動軌跡?？梢詫崿F(xiàn)很多種碼垛的方式，在 生產(chǎn)線上對替代人工，提高生產(chǎn)效率等具備顯著的應(yīng)用價值。 本課題設(shè)計的設(shè)計內(nèi)容是完成多自由度直角坐標型碼垛機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計，此碼 垛機器人有四個自由度，用于在流水線對紙箱整齊地碼垛在托盤上，能夠快速緊湊地碼 垛?？梢酝ㄟ^

4、快速替換機械抓手和重新編程對不同大小的物體進行快速碼垛，可以適應(yīng) 不同的碼垛對象，應(yīng)用廣泛。 第一步：是對國內(nèi)外有關(guān)碼垛機器人領(lǐng)域內(nèi)的研究背景和發(fā)展狀況進行了解，并了 解其研究目的及意義。 第二步：是對碼垛機器人的總體方案的選擇：通過進行了詳細的對比與選擇，找到最 合適的設(shè)計方案，最后方案采用龍門式機構(gòu)，主要采用是滾珠絲桿螺母副傳動，驅(qū)動裝 置采用步進電機，可以通過數(shù)控編程改變碼垛的路線。 第三步：是通過對履帶機器人的使用情況與需求，對機構(gòu)的選型與計算，主要機構(gòu)有 機械抓手、滾動絲桿螺母副、直線滾動導軌副、步進電機、滾動軸承等。 第四步：是通過Pro/E畫出該碼垛機的總體三維結(jié)構(gòu)圖，

5、通過CADB出碼垛機總裝配 圖和其零件圖，最后通過 Pro/E畫出該碼垛機運動仿真。 關(guān)鍵詞：碼垛機器人；絲桿螺母；步進電機 I INTRODUCTION Right an gle type palletiz ing robot is a kind of in dustrial robot. Through the NC program min g, it can move in the XYZ coord in ate system of arbitrary point mobile and follow the trajectories of con trollable.It

6、can palletize in so many ways in the product ion li ne to replace the workerl, impro ving product ion efficie ncy and hav ing sig nifica nt applicati on value. This time, the design content of this graduation design is to complete the multi degree of freedom recta ngular coord in ate palletiz ing r

7、obot body structure desig n, the palletiz ing robot has four degrees of freedom, used in the product ion line of cart on packag ing of product palletizing in tray.It can compact stacking quickly」t Can replace mechanical grip and re- programe of differe nt size objects for rapid palletiz in g,a nd ad

8、apt to differe nt palletis ing object, hav ing a wide range of applicati ons. The first step of the design is to understand at home and abroad of palletizing robot in the field of the research background and development situation, and understand the purpose and sig nifica nee of the research. The

9、sec ond step is the selecti on of the overall scheme of the palletiz ing robot: through detaile ing comparis on and select ion, finding the most suitable desig n. Fin ally,i chosed the gantry mechanism, the ball screw nut transmission, drive the stepper motor, through the NC program ming cha nge sta

10、ck ing line. The third step is through the use con diti on and the dema nd of tracked robot, selectii ng and calculating of the agency, main body with mechanical grip and rolling screw nut pair, linear rolling guideways, step motor, rolling bearing and so on. The forth step is through the Pro/E to

11、 draw the palletizing machine overall three-dime nsio nal structure, through the CAD to draw out the palletiz ing mach ine assembly draw ing and the parts draw ing. Fin ally, through the Pro / E ,i draw the palletiz ing machi ne moti on simulatio n. KEYWORDS: Palletizing robot; Screw nut; Stepper m

12、otor ii 本科生畢業(yè)設(shè)計 多自由度直角坐標型碼垛機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計說明書 1緒論 1.1碼垛機器人的發(fā)展狀況 目前歐、美、日的各種碼垛機器人在碼垛市場的占有率均超過了 90%，絕大數(shù)碼垛 作業(yè)由碼垛機器人完成。并且基本由他們壟斷了全球市場。 我國的工業(yè)機器人在國家支持下，通過“七五”“八五”和“九五”科技攻關(guān)，并 取得了長足的進步，國外碼垛機器人在我國市場一統(tǒng)天下的局面正在被打破 ［16］。 但是，我國的工業(yè)碼垛機器人其應(yīng)用水平和技術(shù)與其他發(fā)達國家相比還有很大差距， 如國外同類產(chǎn)品可靠性比我國高，起步較晚，運動速度和精度還有很廣提升空間。生產(chǎn) 線技術(shù)

13、水平與國外相比仍有差距。和全球市場相比，碼垛機器人應(yīng)用規(guī)模仍然很小，我 國還未發(fā)展成專門的產(chǎn)業(yè)。并且當前我國的碼垛機器人生產(chǎn)品種規(guī)格多，批量小，零部 件通用化程度低［16］。 因此迫切需要對碼垛機器人及其相關(guān)物流產(chǎn)業(yè)進行全面規(guī)劃，整合資源優(yōu)勢，積極 推進產(chǎn)業(yè)化進程。同時立足實際，完善碼垛機器人相關(guān)的產(chǎn)品、系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)，努力提高 我國的機器人發(fā)展水平。 1.2研究目的及意義 人們在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域工作時，人們經(jīng)常受到腐蝕、有毒氣體等因素的危害，使的工 人的工作環(huán)境很惡劣，甚至可能危及生命。但是自從發(fā)明機械人以后，相應(yīng)各種難題迎 刃而解。碼垛機器人就是作為機器人其中一種，碼垛機器人是機、電一體化高

14、新技術(shù)的 產(chǎn)品。碼垛機有很多種類，可以在不同的產(chǎn)量生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大的作用?？砂凑找蟮?編組方式和層數(shù)，完成對各種產(chǎn)品的碼垛。 當碼垛機器人的自由度越高，它能發(fā)揮的 作用越大，但碼垛機使用最優(yōu)化的設(shè)計可以使得垛形緊密、整齊。作為工業(yè)機器人的典 型一種，碼垛機器人在工業(yè)應(yīng)用，尤其是包裝領(lǐng)域正發(fā)揮著越來越大的作用。張機器人 和包裝線現(xiàn)結(jié)合，既提高了生產(chǎn)線的工作效率，有提高了生產(chǎn)線的工作效率，又增強了 運行的可靠性，減少了人力資源開支，更讓當代企業(yè)迅速適應(yīng)不斷變化的市場要求，產(chǎn) 生巨大的經(jīng)濟效益［16］。 2課題內(nèi)容及要求 2. 1研究目標、內(nèi)容及擬解決的關(guān)鍵問題 碼垛機器人可以分為兩類，分

15、別是直角坐標型和關(guān)節(jié)型，如圖2-1，而我要做的碼垛 機器人要求是直角坐標型的 圖2-1（a）直角坐標型碼垛機器人 圖2-1 （b）關(guān)節(jié)型碼垛機器人 直角坐標型碼垛機器人是基于空間 XYZ三軸直角坐標系編程、有三軸及以上自由度, 能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制、可重復編程反復應(yīng)用，可以適合不同任務(wù)的自動化設(shè)備。它能夠搬 運物體、操作工具，以完成各種作業(yè)。 本畢業(yè)設(shè)計目標是要求掌握工業(yè)碼垛機械手的結(jié)構(gòu)及工作原理，實現(xiàn)機械手的三個 方向的移動和一個方向的回轉(zhuǎn)，完成一個四自由度的直角坐標型碼垛機器人設(shè)計，要求 所設(shè)計機器人能抓取一定質(zhì)量的工件（在具體設(shè)計時可以在題目中確定是何類形狀的物 體，并且手爪是

16、氣壓驅(qū)動），完成抓取、搬運、碼放功能，并且具有較高的運動平穩(wěn)性 和重復精度。 主要內(nèi)容是設(shè)計一具有四個自由度的直角坐標碼垛機器人， 4根運動軸對應(yīng)直角坐標 系中的X軸、丫軸和Z軸，以及Z軸上帶有的一個旋轉(zhuǎn)軸，能夠?qū)崿F(xiàn)自動裝載和卸 載功能。各軸行程和手爪尺寸及抓取能力按需來設(shè)計。 設(shè)計內(nèi)容包括機器人總體設(shè)計方案的分析確定，包括機器人的運動學分析、主體部 分結(jié)構(gòu)設(shè)計和手爪的設(shè)計。 在設(shè)計過程中要考慮到很多問題，所涉及的關(guān)鍵問題有： 1 ）機器人運動采用何種驅(qū) 動電機；2）傳動機構(gòu)設(shè)計的合理和平穩(wěn)；3）導軌布局的合理性等等。 2.2參數(shù)要求 1）單箱重量w 15KG 一次搬運兩箱，一次

17、總搬運重量w 30KG 3 本科生畢業(yè)設(shè)計 2) 托盤尺寸1600X 1600,碼垛完了托盤上紙箱最高處到地面w 1700mm 3) 行程：X方向2200mm, 丫方向1700mm, Z方向1700mm,水平旋轉(zhuǎn)：+90o. 4) 最快碼垛速度可達到1000mm/s平均速度為500mm/s碼垛精度為1mm 5) 碼放方式的要求是在托盤尺寸內(nèi)每層盡可能多地擺放紙箱，托盤四周的紙箱盡可能 平穩(wěn)，要保證運輸過程中平穩(wěn)不倒。而碼好的托盤每兩層紙箱間要向砌磚墻那樣，盡可 能地相互壓住和咬合，如圖2-2單數(shù)層和雙數(shù)層的擺放方式不一樣。這樣才可以保證碼 滿紙箱的托盤(最高1.7米)在運

18、輸過程中平穩(wěn)。 # 本科生畢業(yè)設(shè)計 # 本科生畢業(yè)設(shè)計 圖2-3 (a)懸臂式碼垛機器人 圖2-2 (a)單層紙箱排放方式 圖2-2 (b)雙層紙箱排放方式 3總體機構(gòu)設(shè)計 設(shè)計方案初步有兩種方案：一種是懸臂式的碼垛機器人，第二種是龍門式的碼垛機 器人，如圖2-3 圖2-3 (b)龍門式碼垛機器人 因為在工作空間比較大的情況下，龍門式的碼垛機器人機構(gòu)比較穩(wěn)定，機器人在工 作的時候不容易產(chǎn)生晃動，所以選擇第二種龍門式碼垛機器人。 X軸和y軸可以近似看做xy工作臺。主要方案選定是z軸 Z軸是上下運動，有兩個方案：方案一是采用絲桿螺母形式傳

19、動， 方案二是采用齒輪 齒條形式傳動。但方案二抓手和物體的重量直接要求齒輪和齒條來承受，對齒條和齒輪 要有很大的要求，而且因為齒輪的傳動特性，會使下降和上升的速度產(chǎn)生齒輪的多邊形 效應(yīng)。所以比較后采取方案一絲桿螺母形式傳動。 采用絲杠螺母形式也有兩方案可以選擇，第一種方案是絲杠不動，抓手和物體通過 螺母座與絲杠螺母連接做上下運動。第二種是絲杠螺母通過螺母座固定在 y軸的工作臺 上，而絲杠的底部與抓手連接做上下運動。但第二種方案做上下運動的重量比較大，會 導致做很多無用功從而使碼垛機器人的效率降低。所以通過比較后采取第一種方案。采 用這種方案因為只受到豎直的載荷，所以不需要滾動導軌，只需要滾珠

20、絲桿螺母副的計 算與選型。 機構(gòu)簡圖如圖2-4，三維視圖如圖2-5和圖2-6。 軸模塊  圖2-5三維視圖 圖2-6三維視圖 5 本科生畢業(yè)設(shè)計 3.1機械抓手設(shè)計 3.1.1方案選擇 (1) 、因為碼垛機器人要求要準確的把物品放到指定的位置， 要求物品能夠緊密放置, 所以機械抓手設(shè)計成一遍是固定的夾板，一邊是活動的夾板。 (2) 、為了能夠有更大的夾緊力和更好的平衡性能，采用兩個氣缸提供夾緊力。 機械手的動作過程如圖3-1所示： 7 本科生畢業(yè)設(shè)計 # 本科生畢業(yè)設(shè)計 圖

21、3-1機械手的動作過程 機械抓手的三視圖如圖3-2和三維圖3-3表示： # 本科生畢業(yè)設(shè)計 # 本科生畢業(yè)設(shè)計 圖3-2三視圖 # 本科生畢業(yè)設(shè)計 圖3-3三維圖 3.1.2力學分析 當物體受到最少夾緊力還處于加緊狀態(tài)時的受力分析如圖 3-4所示: 由受力平衡得 Fn = G Fi = F 2 Fi 2a sin45 = G a sin45o 解得F2 = G ,即機械抓手要求最少的夾緊力是加緊物體重力的二分之一。題目要 2 求加緊的物體重量最大是30kg, 30kg物體重力為300N,貝U這抓手要求

22、的最少夾緊力為 150N 由圖可得 F3 96mm =F2 237mm，解得 F3=370N 由于使用雙氣缸，則一個氣缸提供 185N的力即可，工廠里一般都有自己的壓縮空氣的 裝置，一般壓縮空氣的氣壓為 0.8MPa,貝U由壓力公式F=PS得 32N =0.8 106Pa 二(d)2m 2 解得氣缸的最少直徑為 d=0.0343m=34.3mm 9 本科生畢業(yè)設(shè)計 3.1.3氣缸選擇 根據(jù)《機械設(shè)計手冊單行本氣壓傳動》 P22-204表22-4-16選10A-5系列氣缸，氣 缸實體如圖3-5所示，該氣缸主要零件用鋁合金制造，重量輕。這里具體選用型號為 10A-5L

23、A50B5Q該氣缸為標準型，氣缸直徑為 50mm行程為50mm安裝尺寸符合ISO 國際標準。 圖3-5氣缸 3.2絲桿螺母副的計算與選型 需要使用絲桿螺母副的有z軸、x軸和y軸，x軸和y軸的絲桿螺母副使用環(huán)境差不 多，可以選用同樣的絲桿螺母副，但 z軸使用情況不一樣，需要單獨計算。 3.2.1 Z軸滾珠絲杠螺母副的計算與選型 （1）最大工作載荷Fm的計算 Z軸滾珠絲桿螺母如圖3-6所示，需要帶動的部分包括機械抓手、z旋轉(zhuǎn)軸和絲桿螺 母與z旋轉(zhuǎn)軸連接件，估計這部分重量不會超過 800N所以Fz=800N除此之外，并沒 有收到其他方向的載荷。 圖3-6滾珠絲桿螺母 計算

24、形式可按矩形導軌方式進行，查《系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導書》表 3-29，可以取該 絲桿螺母副顛覆力矩影響系數(shù)為 K =1.1,同樣可以取滾動導軌上的摩擦因數(shù)為 口 = 0.005。求得該工作環(huán)境的最大工作載荷為: Fm = KFx + 口( Fz+Fy + G) =1.1 800 N = 880 N (2) 滾珠絲桿螺母座上最大動載荷Fq的計算 z 軸的進給速度最快可達v = 1000mm/s，我們可以初選絲杠導程為Ph = 5 mm，則可 以計算出絲杠最快轉(zhuǎn)速n二v/Ph = 500 r/s = 3000r/min。我們可以取滾珠絲杠螺母副的使 用壽命T = 15000h，代入計算公

25、式L0 = 60nT /1C6，計算出其絲杠壽命系數(shù)L。= 2700 (單 位為：106 r)。查書《系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導書》表3-30，可取我們的載荷系數(shù)fW =1.2， 滾道硬度為HRC60則可以取得硬度系數(shù)為0=1.0，則求得絲桿螺母副的最大動載荷： F^ 3 L0 fw fH Fm =14705N (3) 絲桿螺母副型號的選擇 最大動載荷和初選的絲杠導程根據(jù)上面已經(jīng)計算出來，可查《系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指 導書》表3-31，選擇GD系列的4005-4型滾珠絲杠副，該絲桿螺母副為濟寧博特精密絲 杠制造有限公司所生產(chǎn)，其導程為 Ph=5 mm公稱直徑為40 mm為內(nèi)循環(huán)固定反向器 雙螺

26、母式，循環(huán)滾珠為4圈X 2列，精度等級可以取5級，可查得其額定動載荷為15307N, 大于上式所計算出來的FQ則滿足要求。 (4) 所選絲桿螺母副傳動效率n的計算 從上可知公稱導程Ph = 5mm，直徑d0 = 40mm，代入公式入=arctan[R/( n 0)]，計算 得絲杠螺旋升角為入=217。將導軌摩擦角 = 10和絲杠螺旋升角，代入計算公式 n= tan入/ tan(入+ )計算可得其傳動效率為 n= 93.5%。 (5) 滾動絲桿螺母剛度的驗算 1 ) Z軸上端采用一對面對面組配的推力角接觸球軸承來固定絲杠上端，下端則采用 一對面對面組配推力角接觸球軸承，外加一個推力

27、球軸承，上、下支承的中心距離計算 出約為a = 1700mm ；鋼的彈性模量可查得為ES=2.1 105Mpa ；查書《系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè) 計指導書》表3-31，可知該絲桿絲杠底徑d2 = 36.2mm，直徑d = 3.175mm，據(jù)此可以 計算出絲杠截面積為S = 1029mm2。則可以計算出絲杠由工作載荷Fm作用下而引起的拉 /壓變形量 = Fma/ (ES) =[880 X1700/ (2.1X105X1029)] mm 9006mm 2 )可以根據(jù)計算公式 Z = ( nd/Dw)-3,求得單圈滾珠數(shù)Z = 37 ;滾珠的圈數(shù)X列數(shù) 為4X2,則可計算出得滾珠總數(shù)量Z刀= 592。

28、當絲杠預緊時，可計算出軸向預緊力為 Fyj = Fm/3 = 293N，由書《系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導書》式(3-27)計算出滾珠與螺紋滾 道間的接觸變形量為~0.0004mm。 3 )以上算出的和、：2可以代入:總二2，求得絲杠總變形量 6總=0.0064mm= 6.4卩.。由書《系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導書》表 3-27知,5級精度滾珠絲 杠有效行程在1600 ~ 2000mm時，行程偏差可允許達到65卩m則可見所選絲桿剛度足 夠。 (6) 滾珠絲桿螺母副的壓桿穩(wěn)定性校核 失穩(wěn)時的臨界載荷Fk可根據(jù)《系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導書》式(3-28 )計算出來。查 《系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導書》表 3-

29、34，應(yīng)該取其支承系數(shù)fk =1 ;由絲杠底徑 4 d2 = 36.2mm，則可求得截面慣性矩為丨二二d2/64 ^84295 mm ；當絲桿垂直安裝時，壓 桿穩(wěn)定安全系數(shù)K應(yīng)取2.5 ;已知滾動螺母至軸向固定處的距離 1700mm，計算出得 臨界載荷Fk ~4.1 108N，遠大于工作載荷Fm = 880N，則所選絲杠不會失穩(wěn)。 綜上所述，所選擇的GD系列4005-4型滾珠絲杠副可以滿足使用要求，其實體如圖 3-7所示。 圖3-7滾珠絲杠副 322 x軸和y軸滾珠絲杠螺母副的計算與選型 X軸和y軸可以選用同樣規(guī)格的滾珠絲桿螺母副，如圖 3-8所示，因為x軸所受垂 直

30、載荷比y大，同樣只需要進行對x軸的受力分析即可，計算方式與z軸差不多。 圖3-8滾珠絲桿螺母副 (1)絲桿螺母的最大工作載荷Fm的計算 當抓手抓起限定最重的物品碼垛機器人以最大速度運行時， 其只受到與工作臺面垂直垂 向的載荷Fz = 1500N。已知移動部件總重量估計不大于 G = 2000N，同樣可以與z軸一 樣按矩形導軌進行計算，可選 K=1.1，卩=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： Fm = KFx + 譏 Fz + Fy + G) =[1.1 0 + 0.005 X(1500 + 2000 ) ] N = 17.5N (2) 滾動絲桿螺母副的最大動載荷 Fq的

31、計算 x 軸工作時的最快進給速度同樣可達到為 v=1000mm/s絲杠導程同樣可選 Ph=5 mm 則絲杠壽命系數(shù)同樣為L=2700 (單位為：106 r )。則可求得最大動載荷： Fq =3 LfwfHFm =292.4N (3) 型號選擇 根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，以及 x軸的絲桿比較長，主要受到徑向 載荷，為了保證其剛度，選擇直徑比較大的絲桿，可以選擇與 z軸相同的濟寧博特精密 絲杠制造有限公司生產(chǎn)的 GD系列2005-3型滾珠絲杠副，其額定動載荷為 15307 N,遠 遠大于FQ滿足要求。 剛度的驗算與壓桿穩(wěn)定性校核與 z軸的方式一樣，通過計算得出選擇的滾珠

32、絲杠副 滿足使用要求。 3.3各軸驅(qū)動電機選型 各軸都要求有一定的精度，而且需要電機自鎖，所以電機類型可以選擇為步進電機， 各軸所承受的載荷都有些不同，z旋轉(zhuǎn)軸沒有起動負載而且轉(zhuǎn)速很低，z軸有起動負載而且移動速度快，x軸和y軸沒有起動負載而且移動速度快，則電機的選型要分開計算。 331 Z旋轉(zhuǎn)軸電機的選擇 該電機主要克服機械抓手和紙箱旋轉(zhuǎn)時的摩擦力矩，如圖 3-9所示，而根據(jù)該部分 設(shè)計的機構(gòu)知摩擦力矩為軸承的滾動摩擦，數(shù)值較小。抓手和紙箱轉(zhuǎn)動慣量很大，是電 機設(shè)計需要考慮的主要對象。 15 本科生畢業(yè)設(shè)計 (1)加在電機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 Jz的計算 抓手最

33、大質(zhì)量為10kg，容許抓取質(zhì)量為30kg，其轉(zhuǎn)動慣量的計算可近似認為 40kg 紙箱為400mrK100mrK100mm勺長方體，則長方體繞 Z軸的轉(zhuǎn)動慣量為： J z=m(#+b2)/12 (3-1 ) 式中 a=40cm b=10cm m=40kg 則 Jz= 0.4958kg.m2 ~5667kg.cm2。 可以初選z旋轉(zhuǎn)軸的步進電機型號為130BYG2502該電機為兩相混合式，二相四拍驅(qū)動 時步距角為0.9，查《系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導書》表 4-5查到該型號電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣 量為Jm= 48kg.cm2，則可計算出加在步進電機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為 2 Jep= Jm+Jz

34、= 5715kg.cm (2)加在電機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩 Tep的計算 其最大的等效負載轉(zhuǎn)矩為快速啟動時電機轉(zhuǎn)軸所承受的負載，則 Teq = Ta max (3-2) 在考慮傳動鏈的總效率 大加速轉(zhuǎn)矩我： n上，可以計算快速起動時旋轉(zhuǎn)部件折算到電機轉(zhuǎn)軸上的最 2Jeq nm 1 T a max 二 60ta 耳 (3-3) 式中 nm ——對應(yīng)最快移動速度的電機最高轉(zhuǎn)速，其單位為 r/min ； ta ――步進電機由靜止到加速至最高轉(zhuǎn)速所需的時間，其單位為 s。 Z旋轉(zhuǎn)軸主要是帶動著抓手和紙箱沿電機中心的轉(zhuǎn)軸運動，因為這部分的轉(zhuǎn)動慣量過 大，速度不宜過快，因

35、此為了安全，最高的旋轉(zhuǎn)速度可達到為 100/s，但平時工作的速 度平均為30/s。則換算電機的轉(zhuǎn)速最高速度為nm =17r/min 假設(shè)該步進電機由靜止到加速至最高轉(zhuǎn)速所用時間為 ta =0.4s，傳動鏈總效率n= 0.9 則由式(3-3 )計算得: 2兀 X5715X10 ^17 Teq=Tamax 2.83 N .m 60x0.4x0.9 (2)步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定及電機的初選 當輸入電壓降低時，步進電機的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降， 可能會造成丟步，甚至可能堵轉(zhuǎn)。因此，選擇步進電機時，需要考慮安全系數(shù)。本工作 環(huán)境可取安全系數(shù)K=4,計算出步進電機的

36、最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： Tjmax >4 X2.83N m = 11.32N m (3-4) 初步選擇的步進電機型號為130BYG2502查《系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導書》表 4-5得 該型號電機的最大靜轉(zhuǎn)矩為Tjmax = 40N m?？梢?，所選的電機滿足(3-4)式的使用要 求。 (4) 所選用步進電機的性能校核 1 )最快轉(zhuǎn)動電機輸出轉(zhuǎn)矩校核 給定工作臺最快空載移動速度nm =17r/min，其步進角為0.9/ (o)可求出電機對應(yīng)的 運行頻率fmax = 360心9 X7Hz = 6800Hz。由圖各查得，此頻率運行的電機輸出轉(zhuǎn)矩 Tmax = 16N m，大于Teq1 = 2.8

37、3N m，滿足其使用要求。 2 )最快旋轉(zhuǎn)時電機運行頻率校核 電機運行最高頻率為fmax = 6800HZ。查書《系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導書》表4-5可知 130BYG2502步進電機的極限運行頻率為1500Hz,則沒有超出限度。 3 ）步進電機的起動頻率計算 從上可以知道Jeq= 5667kg.cm2, J48 kg cm ,當電機轉(zhuǎn)軸不帶任何負載時的最 高起動頻率為fq = 1500Hz。則可求出步進電機克服慣性負載的起動頻率: fL = fq =拓 138Hz 17 本科生畢業(yè)設(shè)計 則要想保證步進電機起動時保證不失步，任何時候的起動頻率都要求必須小于 138

38、Hz=要使起動頻率選得更低，可以采用軟件升降頻，其通常只有 100Hz 從上面一系列計算可知，z旋轉(zhuǎn)軸選用130BYG250笏進電機，可以完全滿足設(shè)計 使用要求。 //Hz 圖3-10 130BYG2502步進電機的運行矩頻特性 3.3.2 Z軸步進電機的計算與選型 Z軸是電機是要求帶負載快速啟動，與 z旋轉(zhuǎn)軸電機的選型計算不一樣，如圖 3-11 所示。 滾珠絲杠總長I =1700mm移動部件總重量G=800N其他參數(shù)同z旋轉(zhuǎn)軸；同樣算得 各個零部件的轉(zhuǎn)動慣量如下：上下運動的部分折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣 JW = 51 kg cm , 2 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量JS = 2

39、.8 kg cm。因為Z軸的移動速度很快，不需要減速器，直徑 與絲桿進行連接，又因為要承受著載荷起動，要選擇轉(zhuǎn)矩比較大的電機，初選可以與 z 旋轉(zhuǎn)軸相同的步進電機型號為130BYG2502 ，則加在步進電機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量可計 算得 2 2 Jeq =Jm Jw Js = 48 + 0.51 + 2.8kg cm = 49.4kg cm (2)加在步進電機承受最大工作負載時快速起動時的負載的計算 負載轉(zhuǎn)矩Teq總共包括三部分：第一部分是移動部件在運動時折算到電機轉(zhuǎn)軸上的 摩擦轉(zhuǎn)矩Tf ；第二部分是機器快速起動時折算到電機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩 Tamax ；第 三部分是負載折算到

40、電機的最大工作負載轉(zhuǎn)矩 Tt，則有： Teq1 = amax + Tf + Tt (3-5) z軸移動速度最快為1000m/s,選用的絲桿螺母導程為 Ph=5mm則 nm=1000/5=200r/s=12000r/min。 設(shè)步進電機由靜止到加速至最快轉(zhuǎn)速所需時間 ta=1s,傳動鏈總效率 n= 0.9 X0.935 = 0.84。 19 本科生畢業(yè)設(shè)計 則同樣由式（3-3）求得: _4 2 二 49.4 10 一 12000 60x1x0.84 :7.4N.m 叫F G)Ph 2二 i 0.005 (800 0) 0.005 2 二 0.8

41、4 1 :0.0038N.m (3-6) 負載折算到電機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩: FfPh 2二 i 800 0.005 2 二 0.8 1 N .m ： 0.8N .m # 本科生畢業(yè)設(shè)計 # 本科生畢業(yè)設(shè)計 最后由式（3-5）可以計算出: Teq = Ta max + Tf+ Tt=8.2N (3-7) # 本科生畢業(yè)設(shè)計 # 本科生畢業(yè)設(shè)計 步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩同樣為負載轉(zhuǎn)矩乘以安全系數(shù) 4,即為 Tjmax >4 X8.2N m = 32.8N m (3-8) 130BYG25

42、02型號電機的最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax = 40N m。則選用的電機滿足（3-8 ） 式的使用要求。 步進電機的性能校核同z旋轉(zhuǎn)軸的校核方式一樣，最后校核出該步進電機符合使用要 求。 3.3.3 x軸和y軸步進電機的選用 X軸和y軸都是水平放置，都沒有收到竟給方向的負載，如圖 3-12所示 圖3-12電機三維圖 計算加在步進電機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 J eq 滾珠絲杠總長I =2200mm,電機通過兩副90錐齒輪傳動給絲桿；移動部件總重量 G=2500N同樣可以算得各個零部件的轉(zhuǎn)動慣量如下：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 Js=3.6kg cm7,上下運動的部分折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣 Jw=

43、1.58kg cm，兩斜齒輪 估計傳動慣量不會大于Jz=80kg.cm2。初選步進電機型號為同樣可以為 130BYG2502則加 在步進電機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為 2 2 J eq = Jm + Jw + J s x 2+ Jz = 48 +1.58 + 3.6 X2 + 30kg，cm =83 18 kg cm 同理，根據(jù)z軸選用電機的方式進行計算，可以計算出得出加在步進電機上的最大 等效負載轉(zhuǎn)矩為Teq=12.2N.m,因為y軸的受到的負載比x軸的要小，y軸選用130BYG2502 的電機一樣符合使用要求。 綜上所述，各軸選用的電機型號都為 130BYG250步進電機，電機外形如圖3

44、-13所 示。 圖3-13電機實體圖 3.4直線滾動導軌副的計算與選型 直線滾動導軌副用于x軸和y軸，承受垂直的載荷。 (1)計算滑塊承受工作載荷及選取導軌型號 影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素通常是工作載荷。本設(shè)計中的 x軸和y軸 都為為水平布置，y軸是采用雙導軌、四滑塊的支承形式，如圖 3-14所示，而x采用左 右兩個導軌模塊，每個也是采用雙導軌、四滑塊的支承。 圖3-14直線滾動導軌副 x軸和y軸采用相同規(guī)格的導軌副，因為 x軸受到的載荷最大，則只需要x軸的選型 計算即可。工作時，其不利的情況是一個滑塊承擔垂直于臺面的全部工作載荷，可計算 出這個單滑塊所

45、受的最大垂向載荷為： (3-9) 其中，移動部件重量約為G =2000N，外加載荷F= Fz=1500N（ z軸上下運動時產(chǎn)生 的沖擊）載荷，代入（3-9）式得最大工作載荷Fmax = 1500N = 2kN。查書本《系統(tǒng)設(shè) 計課程設(shè)計指導書》表3-41，可以初選直線滾動導軌副的型號為 KL系列的JSA-LG35型, 直線滾動導軌副的額定靜載荷 Ca=47.2kN，其額定動載荷Ca= 35.1kN。由直線滾動 導軌副標準長度，可以選取導軌的長度為 2200mm。 （2）計算距離額定壽命 初選的導軌副的滾道硬度可以取 HRC60，在工作時，溫度不會大于100C，每根導軌 上配有兩只滑塊

46、，其導軌副可取4級精度。查書本《系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導書》表 3-36 至表3-40，得 硬度系數(shù)=1.0,溫度系數(shù)=1.00,接觸系數(shù)=0.81 精度系數(shù)=0.9,載荷系數(shù)= 1.5， 則可以計算出其距離壽命: fHfTfcfR fw 2)3 50 ： 31025km Fmax 23 本科生畢業(yè)設(shè)計 # 本科生畢業(yè)設(shè)計 計算結(jié)果遠大于期望值50km則該選用導軌副符合其使用要求，其實如圖 3-15所示 # 本科生畢業(yè)設(shè)計 圖3-15導軌副 3.5軸承的選用 3.5.1 Z旋轉(zhuǎn)軸軸承的選用 Z 旋轉(zhuǎn)軸只受到軸向

47、力的載荷，所以選擇單向推力球軸承，其軸向當量動載荷Pa=Fa , Fa為軸承所承受的最大軸向力，由于抓手和物體最大重量小于 40kg，則可認為其軸向當 量動載荷Pa=350N,為了適應(yīng)其總體機構(gòu)大小，選擇軸承型號為51108,其軸承基本額定 動載荷為62.8kN>350N。 其滾動軸承的基本額定壽命為 L10= C = 62800 =3869893X106r IP丿I 400丿 軸承安裝形式如圖3-16所示： 3.5.2 Z軸滾珠絲杠下端單向推力球軸承的計算與選型 同樣，絲桿只受到軸向力的載荷，所以選擇單向推力球軸承，其軸向當量動載荷Pa=Fa， Fa為軸承所承受的最大軸向

48、力，可采用滾珠絲桿的最大動載荷，則可認為其軸向當量動 載荷Fa=14705N為了適應(yīng)其總體機構(gòu)大小，選擇軸承型號為51203，其基本額定動載荷 25 本科生畢業(yè)設(shè)計 為 27.2kN>14705N。 其滾動軸承的基本額定壽命為 Lio= C = 27200 =6.3 x 106r IP 丿 J14705 丿 # 本科生畢業(yè)設(shè)計 # 本科生畢業(yè)設(shè)計 其軸承的安裝形式如圖3-17所示和實體圖片如圖3-18所示: # 本科生畢業(yè)設(shè)計 # 本科生畢業(yè)設(shè)計 圖3-17單向推力球軸承裝配圖 # 本科生

49、畢業(yè)設(shè)計 # 本科生畢業(yè)設(shè)計 圖3-18單向推力球軸承實體圖 3.5.3其他軸承的選用 每個絲桿螺母兩端需要采用一對面對面組配的推力角接觸球軸承， 而經(jīng)過通過以上方 式的計算都可以采用7305B型號的角接觸球軸承。同樣，錐齒輪軸兩端也要采用一對面 對面組配的推力角接觸球軸承，同樣經(jīng)過計算都可以采用 7305B型號的角接觸球軸承。 則這里要用16個7305B型號的角接觸球軸承，安裝方式如圖 3-19、圖3-20、圖3-21 所示： # 本科生畢業(yè)設(shè)計 27 本科生畢業(yè)設(shè)計 W7 圖3-21軸承裝配圖

50、 # 本科生畢業(yè)設(shè)計 29 本科生畢業(yè)設(shè)計 3.6錐齒輪傳動的計算與選型 X軸的簡圖如圖3-22所示，錐齒輪的安裝方式圖3-23所示，和錐齒輪參數(shù)如圖3-24 所示。 匚 ^1Z j —H JiJ 圖3-22 x 軸簡圖1、電動機；2、錐齒輪z1; 3、錐齒

51、輪z2; 4、絲桿  圖3-24齒輪參數(shù)圖 （1） 錐齒輪的初定 已知電機的輸出轉(zhuǎn)矩最大為12.2N.m，其最高轉(zhuǎn)速12000r/min，平均轉(zhuǎn)速為 6000r/min，由電機驅(qū)動，工作壽命為15年（設(shè)每年工作300天），兩班制。 1 ）斜齒輪z1和z2的規(guī)格相同，所以傳動比為1:1 ； 2 ）選取齒輪齒數(shù)為Z=40; 3 ）本碼垛機工作速度、功率不高，選用 6級精度； 4 ）選擇材料為40Cr,調(diào)質(zhì)處理，硬度HBS=241~286 （2） 按齒面接觸疲勞強度計算： 1 ）因為錐齒輪以大端參數(shù)為標準值，依據(jù)齒寬中點處的當量齒輪作為強度計算來進行 計算。 初擬齒寬系數(shù)

52、 ①R=0.3，取載荷系數(shù)K =1.2，節(jié)錐角為S =45, HBS=260查《機械 設(shè)計》P211 圖 10-25 得（T Hiim=539Mpa 2 ）由書本《機械設(shè)計》P203圖10-20可以查到得齒輪區(qū)域系數(shù)ZH=2.5，同樣由《機械 設(shè)計》P202表10-5得材料的彈性系數(shù)影響系數(shù)為 ZE=189.8MP『 3 ）選取接觸疲勞強度壽命系數(shù)。取安全系數(shù)為 S=1.0 計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 10 N=60n 1jL h=60X 6000X 1X（ 2X 8X 300X 15） =2.592 X 10 查《機械設(shè)計》P208圖10-23，得Khn=1。 4） 計算接觸疲勞許用應(yīng)力

53、 許用接觸應(yīng)力為：[（T h]=Khnc lim/S=539MPa 5） 按齒面接觸強度設(shè)計傳動 dX3L4KT1h?（ZHZE）2 V 輸（1 一0.5 如）2U [d] 3 4 1.2 12.2 10 0.3（1一0.5漢 0.3）2 2.5 189.8 ）2 二 59.4 mm  齒輪模數(shù) m =d 二594 =1.485mm Z 40 (3) 按齒根彎曲疲勞強度計算： 對齒輪取HBS=260按線性插值得彎曲疲勞極限為 278 -218 cFlim =218 (260 -200) =241.5MPa 353-200 許用應(yīng)力： 查《機械設(shè)計》圖10-

54、17，得YFa=2.77 KFN ;「F lim SF =186MPa YFa ［二］F 2.77 186 = 0.01489 31 本科生畢業(yè)設(shè)計 # 本科生畢業(yè)設(shè)計 > 1 |4KT1（1-0.5帕）YFa m 1-0.5 r rZ2u2 1［；「］f 4「2 122 嘰一0.5 3）2.77"82mm 一 1-0.5 0.3 \ 0.3 202 12 1 186 1 (4) 綜上所述，應(yīng)取模數(shù)較大值 m=2 (5) 齒數(shù)參數(shù)的計算 齒輪的當量齒數(shù)Zr Z o =56.57 COS45 COS45 分度圓直

55、徑d=Zm=4Q< 2=80mm 「亠 丄 Ju2十1 』12 +1 齒寬 b = Rd 0.3 60 16.97mm，圓整取 b=17mm 2 2 (6) 主要設(shè)計結(jié)論 從動與主動兩個齒輪參數(shù)一樣， 齒數(shù)Z=40,模數(shù)m=2mm分錐角S =45：齒寬b=17, 分度圓直徑為80mm齒輪采用40Cr (調(diào)質(zhì))。齒輪按6級精度設(shè)計。 4總體支架的受力分析 對支架的受力分析，主要是校核導軌底座的強度，底座如圖4-1，因為這機器人的主 要載荷都是有導軌底座承受的，這里要分別對 x軸和y軸的導軌底座的受力分析。 # 本科生畢業(yè)設(shè)計 圖4-1導軌底座三維裝配圖 (1)

56、 y軸的受力分析 y 軸有兩個導軌底座，y軸只承受的最大的垂直載荷約 3000N,則單個導軌底座承受 的最大的垂直載荷約1500N導軌底座的材料為鑄鐵，當y軸移動的中間時，某一截面 能得到最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力。導軌底座的截面鑄鐵梁的載荷和截面尺寸如圖 4-2和 圖4-3所示，鑄鐵的抗拉許用應(yīng)力為[(T t]=30MPa，抗壓許用應(yīng)力為[c c]=160MPa已 知截面對形心軸x軸的慣性矩為lx=144.2400 X 10”血 且[y1]=31mm。 3D J 圖4-2導軌底座截面圖  由平衡方程求出梁的支座約束力為 F仁 0.75KN F2=0.75KN 做彎

57、矩圖如圖4-4所示： 33 本科生畢業(yè)設(shè)計 # 本科生畢業(yè)設(shè)計 最大的載荷在中間的截面，該截面的彎矩為 M仁1.5X 0.9=1.35kN?m,最大拉應(yīng)力在 截面的下邊緣各點，最大壓應(yīng)力在截面的上邊緣各點，拉應(yīng)力求得： MCy2 lx (1.35 103 N m)[(30 20-31) 10；m] 144.24(10^ m)4 6 _ = 17.78 10 Pa = 17.78MPa t] # 本科生畢業(yè)設(shè)計 # 本科生畢業(yè)設(shè)計 同理計算出最大壓應(yīng)力沒有超過許用應(yīng)力，強度條件滿足的。 (2) x軸的受力

58、分析 同理x導軌底座的截面鑄鐵梁的載荷和截面尺寸如圖 4-5和圖4-6所示  30 Vy 圖4-6 x軸導軌底座截面圖 同理計算出x軸導軌的最大拉應(yīng)力沒有超過許用應(yīng)力，最大壓應(yīng)力沒有超過許用應(yīng) 力，強度條件滿足的。 35 本科生畢業(yè)設(shè)計 總結(jié) 本設(shè)計是通過運用了大學四年的專業(yè)知識，還有課外海量的擴展知識而得出的結(jié) 晶。同樣還需要一定的創(chuàng)新精神，和在同學和老師的無私幫助下克服各種難題而得出的 結(jié)果。通過這次畢業(yè)設(shè)計，使我對以前學到的專業(yè)知識進一步鞏固和深入理解，和知道 了知識的可貴，并提高了自己的創(chuàng)新設(shè)計能力。本設(shè)計主要完成下面主要工作。 （1） 、簡要介

59、紹了國內(nèi)外有關(guān)碼垛機器人領(lǐng)域內(nèi)的研究背景和發(fā)展狀況，并闡述 了本論文所設(shè)計直角坐標型碼垛機器人的設(shè)計思路。 （2） 、通過方案對比確定最終適合的方案，并對各部件的計算和選型，和對某些 構(gòu)件部件的強度校核。 （3） 、通過cad畫出總裝配圖和零件圖，和 pro/E畫出三維模型。 37 鳴謝 鳴謝 我利用將近三個月的時間終于將本次畢業(yè)設(shè)計完成。在此期間，同學和俞國燕老師 的無私幫助下，我們一起解決了在畢業(yè)設(shè)計中遇到的無數(shù)困難和障礙。尤其要強烈感謝 我的畢業(yè)設(shè)計指導老師一一俞國燕老師，他對我進行了無私的指導和幫助，不厭其煩的 指導我的畢業(yè)設(shè)計。俞老師知識淵博，對知識追求孜孜不倦、

60、精益求精的治學態(tài)度，給 我留下了深刻的印象，也使我在設(shè)計期間受益匪淺。另外，在此向幫助和指導過我的其 他各位老師表示最中心的感謝。 再次感謝俞國燕老師的悉心指導，讓我受益匪淺。 本文引用了許多位學者的研究成果，參考他們的文獻，要是沒有各學者的的幫助和 啟發(fā)，我也很難完成本次的畢業(yè)設(shè)計，非常感謝各個學者。 由于我的專業(yè)水平有限，所做的畢業(yè)設(shè)計也存在著一些不足之處，懇請各位老師和 同學批評和指正。 # 參考文獻 參考文獻 [1] 尹志強.系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導書[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.5. [2] 濮良貴，陳國定，吳立言.機械設(shè)計第九版[M].北京：高等教育出

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