码垛机器人毕业设计说明书.doc

目 录 第一章绪论.1 1.1 课题的背景、来源及意义 .1 1.2 码垛机器人的发展进程及发展趋势 .2 1.3 课题的设计内容 .2 第二章 码垛机器人总体结构设计.4 2.1 方案的确定 .4 2.2 总体设计思路 .6 第三章 码垛机器人腕部和腰部设计.7 3.1 码垛机器人腕部设计 .7 3.1.1 减速机的计算与选型 .7 3.1.2 联轴器的计算与选型.8 3.1.3 轴承的选型.10 3.2 码垛机器人腰部设计 .11 3.2.1 腰部电机选型.11 3.2.2 腰部联轴器计算选型.12 3.3 本章小结 .13 第四章 码垛机器人手臂结构及其驱动系统设计.14 4.1 平面机构受力分析 .14 4.2 手臂关节轴承的选型与校核 .15 4.3 销轴校核 .16 4.3.1 后大臂与支架销轴联接校核 .16 4.3.2 后大臂与小臂销轴联接校核 .17 4.3.3 前大臂与支架销轴联接校核 .17 4.3.4 前大臂与小臂销轴联接校核 .18 4.3.5 其它销轴联接校核 .18 4.4 竖直滚珠丝杠螺母副的计算与选型 .19 4.4.1 最大工作载荷的计算 .19 4.4.2 最大动载荷的计算 .19 4.4.3 初选滚珠丝杠副型号 .20 4.4.4 传动效率计算 .20 4.4.5 刚度的验算.21 4.4.6 压杆稳定性校核.22 4.5 水平滚珠丝杠螺母副的计算与选型 .23 4.5.1 最大工作载荷的计算.23 4.5.2 最大动载荷的计算.23 4.5.3 初选滚珠丝杠副型号.24 4.5.4 传动效率计算 .24 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 4.5.5 刚度的验算.24 4.5.6 压杆稳定性校核.26 4.6 水平滚动导轨副的计算选型 .26 4.6.1 滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选择.26 4.6.2 额定行程寿命的计算.28 4.7 竖直滚动导轨副的计算选型 .30 4.7.1 滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选择.30 4.7.2.额定行程寿命 L 的计算 .30 第五章 PRO/E 建模和仿真 .32 5.1 主要部件建模及其简介 .32 5.1.1 轴承建模的主要过程.32 5.1.2 机器人的主要部件及装配模型 .35 5.2 三维机构运动仿真的基本介绍 .37 5.2.1 机构运动仿真的特点 .37 5.2.2 机构运动仿真的工作流程 .37 5.2.3 机构仿真运动装配连接的概念及定义 .37 5.2.4 机构的仿真运动 .38 第六章 ANSYS 有限元分析 .40 结论.46 参考文献.47 谢辞.48 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 1 第一章绪论 1.11.1 课题的背景、来源及意义课题的背景、来源及意义 近几十年来，随着我国经济持续发展及科学技术的突飞猛进，机器人在码 垛机、弧焊、喷涂、点焊、搬运、涂胶、测量等行业有着越来越广泛的应用。 机器人是一个在三维空间中具有较多自由度，并能实现诸多拟人动作和功能的 机器。工业机器人则是在工业生产上应用的机器人，是一种典型的机电一体化 装置。工业机器人是用来搬运材料零件工具等可再编程的多功能机械手。它综 合运用了机械与精密机械、微电子与计算机、自动控制与驱动、传感器与信息 处理以及人工智能等多学科的最新研究成果。 码垛技术是物流自动化技术领域的一门新兴技术，所谓的码垛就是按照集 成单元化思想，将一件件物料按照一定的模式堆码成垛，以便使单元化的物垛 实现物料的搬运、装卸、运输、存储、等物流活动。在物体的运输过程中除了 散装的物体和液体外，一般的物体都是以码垛的形式进行存储或组装，这样即 可承载更多的物体，又可节省空间。随着物流的飞速发展以及科技的突飞猛进， 码垛技术应用越来越广泛，尤其是在环境较恶劣或人工很难做到的情况下。包 装的种类、工厂环境和客户需求，物体的安全性等，使得码垛成为越来越艰巨 的任务，为了克服这些困难，码垛设备的各个方面都在不断地发展改进，如从 机械手到操纵它的软件，现在对灵活性的需求也在不断增加。 码垛机器人是一种具有特殊功能的垂直多关节型机器人，广泛应用于石油、 化工、食品加工、饮料等领域。可通过主计算机根据不同的物料包装、堆垛顺 序、层数等参数进行设置实现不同型包装的码垛要求。而机器人码垛技术是自 动化物料后处理成套设备中的关键技术之一，随着自动称重、包装技术的发展 和性能指标的提高，对码垛技术也提出了更高的要求。码垛机器人手臂应具有 一定的刚度和强度，防止弹性变形和断裂。手腕搬运的东西较重，这对其精度 提出了更高要求。 为满足自动化生产线产品搬运及码垛的要求,本课题要求设计一种码垛机器 人的机械结构部分。结合机、电、软、硬件各自特点和优势互补的基础上，对 码垛机器人整体机械结构、传动系统进行分析和设计，提出了一套经济型设计 方案。 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 2 1.21.2 码垛机器人的发展进程及发展趋势码垛机器人的发展进程及发展趋势 自从世纪年代，我国码垛机器人在国家支持下，通过“七五” 、 “八五”科技攻关，经过几十年的发展，我国在机器人领域取得了很大成就。 按机器人的发展进程，分为三代机器人。第一代机器人，具有示教再现功能或 具有可编程的 NC 装置，但对外部信息不具备反馈能力；第二代机器人，不仅 具有内部传感器，能获取外部环境信息。虽然没有应用人工智能技术，但是能 进行机器人-环境交互，具有在线自适应能力；第三代机器人，具有多种智能传 感器，能感知和领会外部环境信息。目前码垛机器人的应用主要在以下两个方 面。恶劣工作环境，危险工作场合.这个领域的做业是一种有害于健康，并危及 生命或不安全因素很大而不宜于人去干的作业。例如在冲床上下料、采矿、锻 造等。 第二个是自动化生产领域。码垛机器人可用来上下料、码垛、卸货以及抓 取零件重新定向等作业。一个简单抓放作业机器人只需较少的自由度，一个给 零件定向作业的机器人要求具有更多的自由度，增加其灵巧性。工业机器人具 有减少劳动力费用、提高生产率、改进产品质量、增加制造过程的柔性、减少 材料浪费、控制和加快库存的周转、降低成本、消除了危险和恶劣的劳动岗位。 目前工业机器人的开发正处在一个蓬勃发展的阶段，在先进的工业发达国家里， 工业机器人的开发与制造正在形成一个庞大的产业，全世界每年的工业机器人 销售额可达 42 亿美元。尽管如此，工业机器人产业仍在不断拓展，不断向新的 领域进军。我国工业机器人的应用前景十分宽广的。但是，由于我国工业基础 比较薄弱，劳动力比较丰富、低廉，给工业机器人的发展带来一定的困难。只 有符合我国的国情，才能推动和加快我国工业机器人的发展和应用。工业机器 人功能部件的标准化与模块化是提高机器人的运动精度，运动速度，减低成本 和提高可靠性的重要途径。近几年各国注重发展组合式工业机器人。它是采用 标准化的模块件或组合件拼装而成。除了工业机器人用的各种伺服电机，传感 器外，手臂，手腕和机身也以标准化。随着机器人作业精度的提高和作业环境 的复杂化，急需开发新型的微动机构来保证机器人的动作精度，开发多关节， 多自由度的手臂和手指及新型的行走机构，以适应日益复杂作业需求。 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 3 1.31.3 课题的设计内容课题的设计内容 本设计主要是研究码垛机器人的结构设计，主要工作内容有以下几点： 1) 了解搬运机器人发展历程、现状以及未来发展趋势，掌握码垛机器人的 机械结构特点以及基本构成部分。 2) 对码垛机器人的总体方案进行设计。设计几种方案，对比选出最优方案。 方案确定后，对各个细节进行设计。包括腕关节电机、轴承、联轴器的选择； 臂部材料的选择、结构的设计、受力分析、关节处销轴的校核、关节轴承的选 型；传动系统的设计：电机、联轴器、轴承的选型，滚动丝杠、滑动导轨的选 型与校核；腰部电机、联轴器、轴承型号的选择。 3) 用 Pro/E 进行三维模型设计。设计各零部件的三维模型，并将设计好的 零部件进行装配，装配完成后进行运动仿真。不断改变参数，观察机构的运动 是否发生变化。 4) 利用 ANSYS 软件对主要受力构件进行有限元分析，生产应变、应力图。 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 4 第二章第二章 码垛机器人总体结构设计码垛机器人总体结构设计 2.12.1 方案的确定方案的确定 码垛机器人工作过程是往复循环的，由于关节式手臂运动形式工作范围大、 通用性强，因此本文采用平行四边形机构作小臂驱动器的关节式机械手。在此 课题的研究中共设计出三种方案，即方案一、方案二、方案三 。 方案一：如图2-1所示。后大臂沿着丝杠向上运动，前大臂沿着丝杠想向右 运动；后大臂向下运动，前大臂向运动，实现码垛机器人码垛过程。此结构能 基本满足设计要求，但是由于前大臂、后大臂与小臂间通过销轴连接，运动范 围小，且前大臂与后大臂不相连接，使得机构运动精度低，运动不确定。 图 2-1 方案一 方案二：如图2-2所示，此机构的前大臂与小臂通过移动副连接，前大臂通 过滑块可以沿着小臂滑动，解决了方案一工作范围小的缺点。但是由于前大臂 与小臂组成移动副，使得摩擦阻力增加，运动效率低，成本高。此机构中前大 臂主要起支撑作用，机构的运动主要取决与后大臂，这使得此种方案的运动精 度更低。 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 5 图 2-2 方案二 方案三：如图2-3所示，机构运动原理与图2-1相同，此机构构成平行四边 形，运动具有确定性，销轴处有关节轴承，减少摩擦力，方案三改善了方案一 方案二的不足之处。 图 2-3 方案三 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 6 2.2 总体设计思路总体设计思路 码垛机器人主要实现不同型包装的码垛物体的搬运功能。在对码垛机器人 的运动形式简单了解以后，设计的思路还是很清晰的。 。本文主要进行码垛机器 人的机构设计，要实现码垛机器人在半径为1.5米的圆周内的码垛运动，必须由 四个动作来实现，即腰部的旋转、后大臂的上下运动、前臂的前后运动和手腕 的回转运动，而且这四个动作全部由交流伺服电机驱动。 由于腕部转速较低，特选用减速机来驱动，而且要选择重量轻的减速机。 此时由于轴立起来以后就有往下窜动的趋势，而且还要转动，既要保证轴的正 常转动，其次还要轴一定的支撑，由此引入了角接触轴承。轴承型号7305C。电 机轴与传动轴之间用联轴器连接，选择A型平键套筒联轴器。 机械手臂的材料和结构的选择。手臂材料要求强度高，弹性模量大，重量 轻，阻尼大，价格低，故选择碳素结构钢或合金结构钢。手臂做成工字型或打 孔以减小重量，减少加工面积。为保证机构运动的精度，将手臂设计成平行四 边行机构。为减小摩擦，在手臂与手臂、手臂与支撑架之间的销轴处采用关节 轴承。 为了使手臂传动准确，手臂驱动系统增加了直线滚动导轨作为导向装置， 这就要考虑导轨的受力问题，由于负载和手臂的重量基本都加在了导轨上，因 此要进行受力分析。手臂驱动系统采用低速交流伺服电机带动滚动丝杠副旋转 从而实现前大臂的左右运动，后大臂的上下运动。此处驱动电机选择伺服电机。 轴承选用角接触球轴承。 腰部旋转速度低，因此选用中低速电机。由于腰部以上所有构件的载荷都 由腰部轴承来承担，故选用主要承受轴向载荷的推力球轴承。根据腰部所受总 体载荷的大小选择推力球轴承型号。联轴器选择凸缘联轴器。 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 7 第三章第三章 码垛机器人腕部码垛机器人腕部和腰部设计和腰部设计 3.1 码垛机器人腕部设计码垛机器人腕部设计 3.1.13.1.1 减速机的计算与选型减速机的计算与选型 本节减速机的型号是根据上海泰一传动设备有限公司的R 系列斜齿轮减 速机选型手册选用的。 1. 实际服务系数确定 减速机是按载荷平稳，每天工作时间一定和少量启停次数的情况设计的， 而在实际情况使用中往往不是处于此种理想状态。减速机的实际服务系数必须 按照实际情况的载荷类型、运行时间、使用频率来确定工作机系数 f1、原动机 系数 f2 和启动系数 f3，使其三者的乘积小于或等于服务系数 fB。具体参数值 参见表 3-1，3-2, 3-3。 表 3-1 工作机系数 f1 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 8 表 3-2 原动机系数 f2 表 3-3 启动系数 f3 由表确定本机构的工作系数 f1 = 2.5，原动机系数 f2 = 1.0，起动系数 f3 =1.3，那么 f1 f2 f3 =2.5 1.0 1.3 =3.25。 2. 确定减速机型号 根据R 系列硬齿面斜齿轮减速机选型手册，由 f1 f2 f3fB ，由表 1- 4 选择 fB = 3.4 的减速机，型号为 RF37-Y0.18-4P-48.08-M4-I 。减速机竖直安 放，其具体参数如表 2-4 所示： 表 3-4 减速机的具体参数 输入功率 /kw 输出转速 r/min 输出转矩 N.m 电动机型号质量/kg 减速机输出 轴的轴颈 0.182956RF378.525mm 3.1.23.1.2 联轴器的计算与选型联轴器的计算与选型 联轴器计算选型所使用的公式和某些参数值的选择参考机械设计手册第 五版和机械设计课本 。 1. 联轴器的理论转矩 (3-1) n P T9550 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 9 式中 理论转矩（） ；T mN 传递的功率（） ； PkW 工作转速（） 。 nmin r 带入数据得 。mNT276.59 29 18 . 0 9550 2. 联轴器的计算转矩 (3-2) tzwC KKKTKT 式中：动力机系数，电动机透平机的=1.0； w K w K 工况系数，由机械设计书册第五版第 2 卷表 6-2-2，查得K K=1.5； 起动系数，由制造商确定，与启动频率 f 有关，选取=1.0； z K z K 温度系数,由机械设计书册第五版第 2 卷表 6-2-3 查得， t K =1.0。 t K 带入公式得。mNTc914.880 . 10 . 150 . 1 0 . 1276.59 联轴器选用 A 型平键套筒联轴器，查机械设计手册第五版第 3 卷 ，因 联轴器的许用转矩要大于计算转矩，而且减速机输出轴的轴径为 25mm，所以 由表 15,1-10 确定联轴器的有关参数如下： 表 3-4 联轴器的具体参数 Dh7 轴 直径 /mm 许用转矩 /N.m D0LlC 平键 GB/T10996- 2003 C1 紧定螺钉 GB/T117-2000 2512540752018x251M6x10 套筒联轴器与轴间的定位靠平键连接，紧定螺钉也起定位作用。套筒联轴 器与轴的装配如图 3-1 所示。 图 3-1 II 型平键套筒联轴器与轴的装配图 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 10 3. 验算套筒的扭矩强度和键的挤压强度 套筒的扭转强度： (3-3) 4 3 1 16 D d D Tc T 式中 套筒外径，由表 3-4 得到；DmmD40 轴径，。dmmd25 将数值带入公式得到 MPa T 0083538 . 0 40 25 14014 . 3 914.8816 4 3 由套筒的材料为 45 号钢，由机械设计课本表 15-3 查得，许用切应力 为 2545Mpa，则所选套筒满足强度要求。 平键的挤压强度： (3-4) kdl Tc P 3 102 式中 k键工作高度； 键工作长度。l 由表 15,1-10 确定，d=25mm，带入公式得到mmk4mml28 ，MPa P 51.63 28254 10914.882 3 由机械设计课本 P106,许用挤压应力应为键，轴，轮毂三者中最弱材料 的许用挤压应力，由表 6-2，取许用挤压应力为 120150Mpa。 因此平键满足强度条件。 3.1.33.1.3 轴承的选型轴承的选型 由于腕部的转速并非高转速，并且承受的载荷为轴向载荷，因此选用角接 触球轴承，且成对使用。由机械设计课程设计指导手册中国标准出版社， 选择轴承型号为 7305C,具体参数如下表： 表 3-5 轴承的具体参数 轴承型号dDBa基本额定动载荷/KN额定静载/KN 7305C25621713.121.515.8 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 11 轴承的布置形式选用预紧布置，用以提高轴承的旋转精度，增加刚性和减 小轴的振动。 3.2 码垛机器人腰部设计码垛机器人腰部设计 3.2.13.2.1 腰部电机选型腰部电机选型 因为腰部的回转速度较低，所以此处的驱动电机选用一般的电机转速太大， 而选择中低速电机较为合适。选择淮安正福科技有限公司的 YD 系了电机，电 机型号为 YD112，其额定功率为 1.1kW，额定转速为 17.5r/min，额定扭矩为 600N.m。由于电机要竖直安装，因此电机的外形图如图 3-2。 图 3-2 电机的外形图 YD 系列低速电机的安装尺寸如表 3-6。 表 3-6 电机的安装尺寸 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 12 YD 系列低速电机的性能参数如表 3-7。 表 3-7 电机的性能参数 3.2.23.2.2 腰部联轴器计算选型腰部联轴器计算选型 1. 联轴器的理论转矩 (3-5) n P T9550 式中 理论转矩（） ；TmN 传递的功率（） ；PkW 工作转速（） 。n min r 带入数据得 。mNT2857.600 5 . 17 1 . 1 9550 2. 联轴器的计算转矩 (3-6) tzwC KKKTKT 式中 动力机系数，电动机、透平机取=1.0； w K w K 工况系数，由机械设计手册第五版第 2 卷表 6-2-2 查得，取K K=1.5。 起动系数，取=1.0； z K z K 温度系数。由机械设计手册第五版第 2 卷 ，表 6-2-3 查得，取 t K 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 13 =1.0。 t K 带入公式得。mNTc42857.9000 . 10 . 150 . 1 0 . 12857.600 由机械设计手册第五版第 2 卷选用凸缘联轴器，由表 6-2-8 选型号为 GYS7，公称扭矩为 1600 Nm。凸缘联轴器结构原理，如图 3-3。 图 3-3 GYS7 型-凸缘联轴器结构原理图 GYS7 型-凸缘联轴器基本参数和主要尺寸如下表： 表 3-8 GYS7 型-凸缘联轴器基本参数和主要尺寸 许用转速 nr/min 轴孔直 径 d(H7) 轴孔长度 L 螺栓 型号 公称扭矩 Tn(Nm) 钢钢 Y 型 J1 型 D 数量 n 直径 M 重量 (kg.m) GYS 7 1600600055112841606(4)M1213.1 3.3 本章小结本章小结 搬运机器人腕部的运动相对简单，只有一个旋转运动。设计的关键是要保 证轴的转速和旋转精度。通过本章对腕部的详细设计计算，确定了腕部采用减 速机，联轴器选用套筒联轴器，轴承选择角接触球轴承轴承。 腰部的设计计算主要是为了实现腰部带动整个搬运机器人的回转运动。由 于腰部回转速度较低，选用 YD 系列低速电机.通过对电动机的选择、联轴器的 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 14 计算选型，最终确定了搬运机器人腰部的设计方案。 第四章第四章 码垛机器人手臂结构及其驱动系统设计码垛机器人手臂结构及其驱动系统设计 4.1 平面机构受力分析平面机构受力分析 搬运机器人在实现搬运的运动过程中，水平方向的滚珠丝杠副主要承受摩 擦力，而垂直方向的滚珠丝杠副主要承受 Z 轴方向的载荷。则当机构的小臂处 于水平方向、前后大臂与之垂直时，两个方向的滚珠丝杠副受力最大。具体位 置如图 4-1 所示。 图 4-1 码垛机器人运动位置 根据搬运机器人运动学分析，可设各臂长分别为：AB=1170 ，BC= 260mm ，CD =1080mm ，DE =240mm，A 点到图 4-1 中心线的距离 d = 150mm 。处于图 4-1 位置时小臂的受力情况见图 4-2。 图 4-2 小臂受力图 图 4-2 中，G1 为负载和电机的重力，搬运的负载最大为 100N，腕部减速机 的重力约为 100N，则 G1 = 200N ；M 为负载和电机共同的转矩， ；小臂材料为 45 号钢，重量约为 50N；mNdGM 30101502001 3 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 15 对小臂列受力方程如下： 0)( 0 AM F (4-1) 0)2601170(2 2 2601170 11701 0121 FGFM GGFF 解得 F1 = 1237.6154N ，F2 = 987.6154N 4.2 手臂关节轴承的选型与校核手臂关节轴承的选型与校核 码垛机器人的手臂结构设计要注意两点：一是应使手臂刚度大、重量轻； 二是应使手臂运动速度快、惯性小。首先，因为刚度不够时，手臂会发生弯曲 变形，则应选择相同条件下，弯曲刚度较大的截面形状。考虑完第一点，对于 第二点减小惯性冲击，本章的手臂架选择了碳素结构钢材料。而且尽量缩短手 臂的悬伸部分长度。图 4-3 对小臂进行了剪力与弯矩的分析，可知小臂的弯矩 越靠近 B 点越大，因此小臂的结构为末端窄，靠近 B 点时逐渐加大尺寸，其它 手臂结构则采用均匀尺寸。B 点为销轴联接，则弯矩和受力主要由销轴来承受， 因此要考虑销轴的校核。其它的销轴联接同 B 点一样进行校核，销轴的联接结 构如图 4-4。 图 4-3 小臂剪力图和弯矩图 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 16 图 4-4 销轴联接结构 图 4-5 中的关节轴承选用自润滑向心关节轴承，由上下轴套固定，在后机 架绕销轴转动时，既能承受径向载荷，又能承受任一方向较小的轴向载荷。查 阅机械设计手册第五版、单行本、轴承，由表 7-1 确定所选轴承的型号为 GE25ES-2RS，其中 d =25mm，轴承尺寸见表 4-1。 表 4-1 向心自润滑关节轴承参数 尺寸 mm额定载荷 kN 轴承型号 dDBCd1r1r2动载荷静载荷 重量 Kg GE25ES-2RS-2RS25422016290.60.6482400.427 图 4-5 向心关节轴承结构 4.3 销轴校核销轴校核 4.3.14.3.1 后大臂与支架销轴联接校核后大臂与支架销轴联接校核 1. 销轴抗剪强度： (4-2) 4 2 2 d Ft 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 17 销轴采用 45 号钢，其许用切应力，许用弯曲应力 MPa80 ，将以上值带入公式得 MPa b 120NFFt6154.987 2 mm F d t 8.2 80 2 6154.987 4 2 2. 销轴抗弯强度： (4-3) b t b d baF 3 1 . 04 5 . 0 其中，带入公式得mma25mmb40 ， mm baF d b t 747 . 9 1204 . 0 405 . 0256154.987 4 . 0 5 . 0 3 3 因此选择销轴的轴径 d= 25mm，满足强度要求。 4.3.24.3.2 后大臂与小臂销轴联接校核后大臂与小臂销轴联接校核 1. 销轴抗剪强度： 销轴采用 45 号钢，其许用切应力，许用弯曲应力 MPa80 ，将以上值带入公式（4-2）得 MPa b 120NFFt6154.987 2 。 mm F d t 8 . 2 80 2 6154.987 4 2 2. 销轴抗弯强度： 其中，带入公式（4-3）得mma25mmb40 ， mm baF d b t 747 . 9 1204 . 0 405 . 0256154.987 4 . 0 5 . 0 3 3 因此选择销轴的轴径 d= 25mm 满足强度要求。 4.3.34.3.3 前大臂与支架销轴联接校核前大臂与支架销轴联接校核 1. 销轴抗剪强度： 销轴采用 45 号钢，其许用切应力，许用弯曲应力 MPa80 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 18 ，将以上值带入公式（4-2）得 MPa b 120NFFt6154.1237 1 。 mm F d t 139 . 3 80 2 6154.1237 4 2 2. 销轴抗弯强度： 其中，带入公式（4-3）得mma25mmb40 ， mm baF d b t 508.10 1204 . 0 405 . 0256154.1237 4 . 0 5 . 0 3 3 因此选择销轴的轴径 d= 50mm 满足强度要求。 4.3.44.3.4 前大臂与小臂销轴联接校核前大臂与小臂销轴联接校核 1. 销轴抗剪强度： 销轴采用 45 号钢，其许用切应力，许用弯曲应力 MPa80 ，将以上值带入公式（4-2）得 MPa b 120NFFt6154.1237 1 mm F d t 139 . 3 80 2 6154.1237 4 2 2. 销轴抗弯强度 由图 9-3 可知，带入公式（4-3）得mma25mmb40 ， mm baF d b t 508.10 1204 . 0 405 . 0256154.1237 4 . 0 5 . 0 3 3 因此选择销轴的轴径 d= 50mm 满足强度要求。 4.3.54.3.5 其它销轴联接校核其它销轴联接校核 由于小臂和腕部联接与前大臂与小臂销轴联接校核的尺寸相同，可选用轴 径为 30mm 的销轴。 连杆与后大臂的销轴轴径为 25mm，前大臂、支撑架和连杆三者用销轴联 接在一起，连杆与后大臂的销轴轴径为 25mm。 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 19 4.4 竖直滚珠丝杠螺母副的计算与选型竖直滚珠丝杠螺母副的计算与选型 4.4.14.4.1 最大工作载荷的计算最大工作载荷的计算 按综合导轨进行计算，最大工作载荷公式为： (4-4)(GFKFF zxm 式中 K载荷系数， ，由机电一体化系统设计课程设计指导书表 3-29 查 得，K = 1.15； 摩擦系数，；16 . 0 进给方向的载荷，。 x FNFFx6154.9872 如图 4-1 中，E 点的受力没有垂直丝杠方向的，因此 = 0 N。将数GFz 值带入公式得NFm7577.11356154.98715 . 1 4.4.24.4.2 最大动载荷的计算最大动载荷的计算 码垛机器人后大臂的运行速度，则最大动载荷 min 2 . 712 . 0 m s m v (4-5) mHwoQ FffLF 3 式中 滚珠丝杠副的寿命，单位为 106r； 0 L 载荷系数，由机电一体化系统设计课程设计指导书表 3-30， w f 取=1.2； w f 硬度系数，滚道硬度为 60HRC 时，取硬度系数=1.0。 H f H f 滚珠丝杠副的寿命公式为： (4-6) 6 0 10 60nT L 式中 T使用寿命，T = 15000h； n丝杠转速。 (4-7) h P v n 初选丝杠导程，带入公式(4-7)得到mmPh5 。 min 1440 105 2 . 7 3 r n 将以上数值带入公式(4-6)得 。rL1296 106 0 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 20 将、带入公式(4-5)得 m F 0 L NNFQ14859423.148597577.11350 . 12 . 11296 3 4.4.34.4.3 初选滚珠丝杠副型号初选滚珠丝杠副型号 选择丝杠型号时应使滚珠丝杠副的额定动载荷 Ca，额定静载荷 Q F ，根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择海特 moa FC32 DFT02005-5 型滚珠丝杠副，为双螺母式，其公称直径为 20mm，导程为 mm，5 循环滚珠为 5 圈 1 列，精度等级为 5 级，额定动载荷为N 大于，15460 a C Q F 则满足要求。滚珠丝杠副的具体尺寸参数如表 4-1 所示。 表 4-2 滚珠丝杠副的尺寸参数 4.4.44.4.4 传动效率计算传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的螺旋升角： oh d P 55 . 4 02. 0 005 . 0 arctanarctan 0 传动效率： (4-8) tg tg 式中 丝杠螺旋升角。 摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数，其摩擦角约004 . 0 003 . 0 f 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 21 等于。 10 将数值带入公式(4-8)得： %45.96 60 10 55. 4 55. 4 o o o tg tg 4.4.54.4.5 刚度的验算刚度的验算 滚珠丝杠副的轴向变行将引起丝杠导程发生变化，从而影响进给系统的定 位精度及运动的平稳性，轴向变形主要包括丝杠的拉伸或压缩变形，丝杠与螺 母之间滚道的接触变行等。因此应考虑以下引起轴向变形的因素： 1. 丝杠的拉伸或压缩变形量 1 在总的变形量中占的比重较大,可按下式计算： 1 (4-9) IE Ma ES aFm 2 2 1 式中 丝杠两端支承间距离，约为 700mm；a 丝杠最大工作载荷(N)； m F 丝杠材料的弹性模量，钢的 E=2.1MPa；E 5 10 滚珠丝杠的截面积（按底径 d2确定的）.丝杠底径mm， S 2 16d 。 22 2 4200.96Sdmm 由于转矩 M 一般很小，公式的第二项可忽略不计。将数值带入公式(4-9) 得 。mm0188 . 0 96.200101 . 2 700756.1135 5 1 2. 滚珠与螺纹滚道间接触变形 2 当对丝杠加有预紧力，且预紧力为轴向最大负载的 1/3 时，之值可减少 2 一半，故其计算公式为： (4-10) 3 2 2 10 10 013 . 0 Z FD F YJw m 式中 滚珠直径，由表 4-1 查得= 3.175mm。 w D w D 单圈滚珠数；Z 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 22 滚珠总数量，=Z 圈数 列数=； Z Z851517 预紧力。 YJ F 滚珠丝杠的滚珠数为： ，780.163 175 . 3 20 3 0 w D d Z 取整为 Z= 17。 滚珠丝杠的预紧力为： N F F m YJ 586.378 3 7577.1135 3 将数值带入公式（4-10）得到 。mm0155 . 0 10 85 586.378175 . 3 10 7577.1135 013 . 0 3 2 2 由于减小一半，则 2 =。 2 mm00775 . 0 2 0155 . 0 3. 刚度校验 丝杠总的变形量=0.0266mm = 26.6，取丝杠的有效行程为 21 m mm。由机电一体化系统设计课程设计指导书查表 3-27，查得 5 级精度560 滚珠丝杠有效行程mm 时，行程偏差允许达到32mm，可见丝杠刚度500 630 足够。 4.4.64.4.6 压杆稳定性压杆稳定性校核校核 对已选定尺寸的丝杠在给定的支承条件下，承受最大轴向负载时，应验算 其有没有产生纵向弯曲（失稳）的危险，产生失稳的临界负载用下式计算： k F (4-11) m k k F Ka EIf F 2 2 式中 临界载荷(N)； k F 丝杠支承系数，由机电一体化系统设计课程设计指导书查表 k f 3-34，采用双推-双推支承形式，所以= 4； k f 压杆稳定性安全系数，一般取为 2.54。垂直安装时 K= 2.5；K 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 23 截面惯性矩,丝杠截面惯性矩I)( 4 cm （为丝杠螺纹的底径)； 44 2 643215.36Idmm 2 d 丝杠两支承端距离，a=700mm。a 将以上数值带入公式(4-11)得 NFNF mk 757.113521739 7005 . 2 36.3215101 . 24 2 52 可知压杆稳定性满足校核。 4.5 水平滚珠丝杠螺母副的计算与选型水平滚珠丝杠螺母副的计算与选型 4.5.14.5.1 最大工作载荷的计算最大工作载荷的计算 按综合导轨进行计算，最大工作载荷公式(4-4)为： )(GFKFF zxm 式中 K载荷系数， K = 1.15； 摩擦系数， ；16 . 0 垂直丝杠的受力，。 z FNFFz6154.12371 如图 4-1 中，F 点的受力没有水平丝杠方向的，因此0N。将数值带入 x F 公式(4-4)得。NFm0185.206506154.123716 . 0 4.5.24.5.2 最大动载荷的计算最大动载荷的计算 搬运机器人前大臂的运行速度，则最大动载荷公式 min 2 . 712 . 0 m s m v (4-5)为 mHwoQ FffLF 3 式中 滚珠丝杠副的寿命，单位为 106r； 0 L 载荷系数，取=1.2； w f w f 硬度系数，取硬度系数=1.0。 H f H f 初选丝杠导程，带入公式(4-7)得到mmPh10 min 1440 105 2 . 7 3 r n 取使用寿命 T = 15000h，将其与转速 n 带入公式(4-6)得 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 24 。rL1296 106 0 查机电一体化系统设计课程设计指导书的表 3-30 得= 1.2 ，由于 w f 硬度，所以= 1.0 。带入公式(4-5)得HRC58 H f 。NNFQ2695395.26950185.2060 . 12 . 11296 3 4.5.34.5.3 初选滚珠丝杠副型号初选滚珠丝杠副型号 选择丝杠型号时应使滚珠丝杠副的额定动载荷 Ca，额定静载荷 Q F ，根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择海特 moa FC32 DFT02005-53型滚珠丝杠副，为双螺母式，其公称直径为 20mm，导程为 mm，循环滚珠为 5 圈 1 列，精度等级为 5 级，额定动载荷为N 大515460 a C 于，则满足要求。 Q F 4.5.44.5.4 传动效率计算传动效率计算 计算传动效率公式(4-8)为： tg tg 式中 丝杠螺旋升角，=4.55。 摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数，其摩擦角约004 . 0 003 . 0 f 等于。 10 将数值带入公式(4-8)得： %45.96 60 10 55. 4 55. 4 o o o tg tg 4.5.54.5.5 刚度的验算刚度的验算 滚珠丝杠副的轴向变行将引起丝杠导程发生变化，从而影响进给系统的定 位精度及运动的平稳性，轴向变形主要包括丝杠的拉伸或压缩变形，丝杠与螺 母之间滚道的接触变行等。因此应考虑以下引起轴向变形的因素： 1. 丝杠的拉伸或压缩变形量 1 在总的变形量中占的比重较大,可按公式(4-9)计算： 1 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 25 IE Ma ES aFm 2 2 1 式中 丝杠两端支承间距离，约为 700mm；a 丝杠最大工作载荷(N)； m F 丝杠材料的弹性模量，钢的 E=2.1MPa；E 5 10 滚珠丝杠的截面积（按底径 d2确定的）.丝杠底径mm， S 2 16d 。 22 2 4200.96Sdmm 由于转矩 M 一般很小，公式的第二项可忽略不计。将数值带入公式(4-9) 得 。mm00342. 0 96.200101 . 2 7000185.206 5 1 2. 滚珠与螺纹滚道间接触变形 2 当对丝杠加有预紧力，且预紧力为轴向最大负载的 1/3 时，之值可减少 2 一半，故可按公式(4-10)计算值： 2 3 2 2 10 10 013 . 0 Z FD F YJw m 式中 滚珠直径，由表 4-1 查得