毕业设计（论文）-新型智能裹膜机自动上下料机械手设计.doc

2015 届本科生毕业设计 新型智能裹膜机自动上下料机械手新型智能裹膜机自动上下料机械手 The Automatic which Upper and lower material New Manipulator Of Intelligence Wrapping machine 学生姓名学号 所在学院工程学院班级机制 1113 所在专业机械设计制造及其自动化 申请学位 指导教师职称 副指导教师职称 答辩时间2015 年 06 月 04 日 目录 2 目录目录 设计总说明 4 introduction V 1 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 3 2 码垛机器人总体结构设计 3 2 1 方案的确定 3 图 2 1 机器人机构形式 4 2 2 总体设计思路 4 3 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 8 3 1 2 轴承的选型 9 3 2 码垛机器人腰部设计 10 3 2 1 腰部电机选型 10 3 2 2 腰部联轴器计算及其选型 12 4 机器人手臂的结构及其驱动系统设计 13 4 1 机构的受力分析 13 4 2 手臂关节轴承的选型与校核 14 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 后大臂与小臂销轴的联接校核 17 4 3 4 前大臂与小臂销轴联接校核 18 4 3 5 其它销轴的联接校核 18 4 4 竖直滚珠丝杠螺母副的计算与选型 18 4 4 1 最大工作载荷的计算 18 4 4 2 最大动载荷的计算 19 4 4 3 初选滚珠丝杠副的型号 20 4 4 4 滚珠丝杠螺母副传动效率的计算 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 4 5 5 刚度的验算 25 4 5 6 压杆稳定性校核 27 4 6 水平滚动导轨副的计算选型 27 4 6 1 滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选择 27 目录 3 4 6 2 额定行程寿命的计算 30 4 7 竖直滚动导轨副的计算选型 32 4 7 1 滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选择 32 4 7 2 额定行程寿命 L 的计算 33 5 大小臂驱动系统的伺服电机用同步带的选用 34 5 1 伺服电机的计算与选型 34 5 1 1 丝杠驱动电机 34 5 2 计算电机转速 35 5 2 1 电机转速 35 5 2 2 计算电机驱动负载所需要的扭矩 36 6 末端装置设计与计算 43 6 1 手部驱动力的计算 43 6 2 气缸的选取 45 6 3 抓手支撑轴的校验 46 鸣 谢 48 参考文献 49 设计总说明 4 设计总说明 随着工业化的进程 越来越多的行业岗位得到机器的替代 本设计是关于新型智能 裹膜机上下料机械手的设计 使青贮草在裹膜的工序过程中更具智能化和效率 该设 备仿造不二码垛机器人的运动方式 采用相应的机械设计技术 气压驱动技术 伺服 控制技术和相应的控制技术 全文分为六章 第一章阐述了研究课题的背景 来源和意义 讲述关于码垛机器人的发展历史和发 展趋势 结合资料阐述设备的应用内容 第二章确定机器人本体的主要运动结构形式并作出相应的运动分析 确定驱动系统 的设计 对大小臂材料进行相应说明 第三章对腕部和腰部进行设计 确定主要部件电机的选型 和其他小部件的选型 第四章完成了手臂和其运动系统的机构设计 对手臂进行受力分析 完成销轴的设 计与校验 确定了垂直和水平滚珠丝杠螺母副的计算与选型 并确定了滚动导轨副的选型和校 验 第五章大小臂的运动系统作进一步设计 保证机体尺寸适中 确定电机的型号并完 成同步带的设计 第六章完成了末端装置的设计 确定了以气缸为抓手的驱动器件 完成了对握紧力 的计算和对气缸的选取 关键词 上下料 码垛 抓手 ABSTRACT V INTRODUCTION With the process of industrialization more and more jobs have the machines alternative This design is a new intelligent film wrapping machine feeding manipulator design and the grass silage in the film wrapped process more intelligent and efficient The device copy Fuji palletizing robot motion and the corresponding mechanical design technology pneumatic drive technology servo control technology and the corresponding control technology The full text is divided into six chapters In the first chapter elaborated the research background origin and significance development history and trends of palletizing robot tells with the data on equipment application In the second chapter the main movement structure of the robot body is determined and the corresponding motion analysis is made and the design of the drive system is determined and the size of the arm material is also described In the third chapter the design of the wrist and waist determine the selection of main parts of the motor and the selection of other small parts In the fourth chapter completed the design of arm and its system of motion mechanism stress analysis completed a pin shaft design and verification of arms to determine the vertical and horizontal ball screw nut pair selection and calculation and to determine the rolling guide rail pair selection and check In the fifth chapter the motion system of the arm is designed which is guaranteed to avoid the large body and the motor s model and the design of the synchronous belt are finished In the sixth chapter completed the design of terminal device to determine the cylinder as the starting point of the drive completed the gripping force calculation and the selection of the cylinder KEYWORDS UPPER AND LOWER MATERIAL PALLETIZING ROBOT MECHANICAL GRABBING DEVICE 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 毕业设计题目 机械设计制造及其自动化 201111411307 何海棠 指导教师 俞国燕 毕业设计说明书 1 绪论 1 1 课题的背景 来源及意义 在热炒的工业 4 0 时代 在以劳动密集型为主导的中国制造也悄然发生着 变化 如富士康大举引入工业机器人 东莞制造业大规模引进机器人生产等等 工业机器人能适应基本的运动要求 同时能耐高温 耐腐蚀 能适应各种的工 作环境 像日本核电站泄漏事件也是有探测的机械人经过远程控制进入现场勘 查 通过综合机械结构 感应器控制器和伺服系统 实现机电一体化自动生产 的功能并可重复编程 实现了一系列动作的自动化和快速响应 不仅大大地提 高了产能 而且进一步的使工人的劳动强度在合理范围 改善劳动条件 大大 地降低生产成本 机械手可在空间抓 放 搬运物体 动作灵活多样 适用于可变换生产品 种的中 小批量自动化生产 可以广泛地应用于柔性自动线上 机械手多半由 耐高温 抗腐蚀的材料制成 能适应较为恶劣的现场环境 大大降低了工人的 劳动强度 提高了工作和生产效率 机械手是工业机器人的重要组成部分 在 很多情况下它就可以称为工业机器人 工业机器人是集机械 电子 控制 计 算机 传感器 人工智能等多学科先进技术于一体的自动化装备 广泛采用工 业机器人 不仅可以提高产品的质量与产量 而且对保障人身安全 改善劳动 环境 减轻劳动强度 提高劳动生产率 节约原材料的消耗以及降低生产效益 成本 有着异常重要的意义 码垛机器人是工业机器人中一种重要类型 所谓码垛 是指按照集成单元 化思想 将一件件的物品按照一定的形式堆码成垛 以便使单元化的物垛完成 对物料的搬运 装卸 运输 存储等物流的活动 从码垛的概念我们可以知道 码垛技术就是实现了 物流 自动化 通过驱动元件使末端装置到达指定位置 而后按照设定的指令使末端装置运动 抓取目标物件并使它的空间位置发生转 移从而 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 实现码垛的自动化 在倡导工业产能升级的今天 码垛技术有着极其重要 的位置 码垛机器人的反应是否灵活快速 是否稳定可靠 是否结构轻便 信 息能否传达到大的统筹系统当中 这都是实际生产中要考虑的问题 按照自动 码垛机的智能化水平可以分为 机器人码垛机和机械式码垛这两种 机械式码 垛机则可以继续分为 立柱式码垛机 龙门式码垛机 机械臂式码垛机 考虑 本设计是为了实现对压制好的青贮草捆智能化生产 故选用了智能化的码垛机 器人 参照机器人公司不二码垛机器人结构 设计机器人本体 由于码垛机器人执行的运动具有空间多变性 因此需要在设计上的有很多 细节上进行很多细节上的考虑 目前大多数码垛机器人通过一个个关节的组合 来实现相关的特定功能 因为其实用性极高 被广泛应用于制造业 食品包装 和快递分拣等等领域上 码垛机器人也有相对较高的适用性 它可以通过软件 的变化参数设置 针对不同的物料改变堆垛顺序和层数变化进行码垛 实现码 垛的变化性 在码垛机器人的本体结构中 由于手臂起支撑作用 受的力很大 因此在 设计时要特别注意硬度和刚度的计算分析 防止弹性变形和断裂的出现 手腕 部分由于直接跟末端装置连接 需要重点考虑其灵活性和一定的精度要求 还 必须保证其运动中的轴线始终垂直 末端装置 抓手部分 则要根据工作要求 针对码垛物件的大小 形状 进行整体设计 驱动方式可以采用液压 气压等 形式 为满足青饲料裹膜机的智能化的要求 本课题要求设计一种码垛机器人的机 械结构部分 作为裹膜机的上下料机械手 检测青贮草捆的位置 通过已编程 的程序实现自动夹住草捆 并将其放置在裹膜机上 为自动裹膜机裹模做好准 备 1 2 码垛机器人的发展进程及发展趋势 自改革开放开始 按照以市场换技术的战略 国内引进了不少的技术 同 时启动的 七五 八五 科技攻关 也开始了把机械技术列入了国家的战略当 中 机器人的发展得到了较大的发展 从只有示教功能的小机器 发展到安装 多种智能感应器的的机器人 可以说 机器人的智能化向前跨越了很大的一步 能够获取外部的环境信息并具有反馈能力 逐渐的应用到劳动重繁的劳动岗位 上 开始了自动化生产的序幕 同时 一些危险 高温的行业 如采矿 锻造 等率先投用 带起了示范作用 早期的机器人可以说只是停留在概念 因为相关的元器件和其他相关的技 术要求还没有突破 全球的经济化水平还没有到达大机器生产的状态 所以距 离自动生产还是有比较大的距离 到了全球经济的活跃 大宗商品 的大订单 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 8 出现和人力成本的提升 使自动化生产成了制造业升级的一个重要话题 而欧 美地区作为当时的制造业强国 则开始走向了自动化生产的研究领域 工业机 器人减少了劳动力的资本 提高生产的效能 改善产品的质量 增强了生产过 程中的柔性度 工业机器人朝着标准化 模块化发展 通过更加新型的微动机 构来保证运动的精度要求 对于码垛机器人 根据其工作要求 在设计时重点是要注意机械手的自由 度 保证它的灵活性 满足抓取 码垛 和上下料等作业 1 3 课题的设计内容 本课题来源于生产实践 在青饲料的制作上 压制好的青饲料往往需要人 工搬运到裹膜包装机上随后还要用人工搬运下来 裹膜的青饲料重量达 30 到 50kg 如此这般的重复劳动 使得工人的劳动量将很大 采用机器人技术 实 现搬运的自动化将大大地提高生产效率 节省人工成本 实现搬运操作的柔性 自动化 以提高生产效率 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 方案确定后 对各个细节进行设计 包括腕关节电机 轴承 减速器的选择 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 同步带 轴承的选型 滚动丝杠 滑动导轨的选型与校核 腰部电机 减速器 轴承型 号的选择 抓手的运动形式 握紧力计算 驱动气缸选择 3 机械本体的运动分析与执行末端的中轴线始终垂直及执行末端的结构设 计 2 码垛机器人总体结构设计 2 1 方案的确定 目前 我国采用的码垛机器人的主要结构形式有直角坐标型和关节型 直 角坐标为四轴机器人 通过电机转动带动同步带运动 继而带动直线导轨上的 滑块运动 它具有定位精度高 便于空间轨迹求解 控制简单的特点 但相应 的是运动速度较低 操作灵活性差 占用工作空间大而相对工作范围小的不足 与之相比 关节型机器人有着更大的动作空间 占用空间小 有着更高的适应 能力和更广的应用范围 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 9 结合本课题 考虑夹取的青饲料的大小和适用环境 决定采用关节式机器 人 来实现 30 到 50kg 重量的青饲料的上下料 参照日本不二机器人公司的码 垛机器人工作过程与运动过程 选用以下方案 采用平行四边形机构的原理保 证手腕的轴线垂直 大 小臂则由丝杠平台带动 选定好伺服电机 通过同步 带轮使丝杠转动 同步带的选用很大程度上减少了空间体积 也使得机械手更 加灵活可动 丝杠平台则安放在一个支架上 夹持末端则考虑选用两端安置气 缸作为动力装置 对于位置确定 拟在底座安放一个位置检测感应器来感应物 品 抓手位置的气缸则需要安装磁感应开关 反馈气缸位置信息 系统初定为 基于 PLC 的设计 如图所示 选取该机构形式进行设计 图 2 1 机器人机构形式 2 2 总体设计思路 本文中的机器人设计运动范围可达1 8米 腰部 腕部可以回转330 运 动组成还有大臂的上下运动 小臂的前后运动 驱动原件选用伺服电机驱动 抓手的驱动部件则选用气缸 以使结构更加的简化并使重量得到轻化 腕部的设计关键是要保证其轴线始终垂直 并要选用较轻的电机 由于需 要的转速低且所需转矩不高 可选用的电机类型较多 机械手臂为主要承载 选用8mm钢板焊接而成 主要受力的大臂中间还焊接 有4mm方形钢管 小臂在与前后大臂轴连接处各焊接一个衬套 以此保证运动的 平稳性 最终通过轴承与大臂连接 轴承选用圆锥滚子轴承和深沟球轴承 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 10 考虑运动的稳定性和可靠性 需要做的工作有 对丝杠 导轨的选用和校 验 销轴的计算与选用 腰部选用中低速电机 根据运动特性选用推力球轴承 2 3 机体的运动学分析 为了对运动结构的运动分析 则如下图建立X Y坐标系 臂部绕腰部转动 令机构处于零位状态 这时mmYmmX HCAC 1320 1430 图 2 2 机构分析 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 11 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 12 3 码垛机器人腕部和腰部设计 3 1 码垛机器人腕部设计 腕部直接承受执行末端负载的重量 伺服电机接减速器为末端变化位姿传 送动力 减速器接法兰连接盘 由腕部托架为支撑 轴连接处为拉架轴 图 3 1 手腕部件 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 3 1 1 减速机的计算与选型 本节减速机的型号从 R 系列斜齿轮减速机选型手册 选取的 1 实际服务系数确定 减速机按照实际工况才能选定 根据它的工作时长 启动次数 载荷类型 来确定 在实际设计中 我们往往会选用更大的值去保证实际工况的稳定性 这样我们必须按照一定的系数累积来确定生产值 实际服务系数一定要按照实 际情况的载荷类型 运行时间 使用频率来确定 f1下下下下下 和 使其三者的乘积 f2下 下下下下f3下下下下fB 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 14 由表格可以选定 工作系数为原动机系数为 起动系数为下2 5 f11 0 f2 则有 1 3 f33 25 f1f2f3 2 确定减速机型号 依据 R 系列硬齿面斜齿轮的减速机 手册中我们可以选型得到相关信息 由 选择的减速机 型号为 fBf1f2f3 3 4 fB I M4 48 08 4P Y0 18 RF37 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 15 3 1 2 轴承的选型 因为腕部的转速并不需要高转速 又因为承受的载荷是轴向载荷 因此选 用角接触球轴承 且成对使用 由 机械设计手册 第四版 第 2 卷 第 7 篇 轴承 选择型号为 7305C 的轴承 详细的参数如下 轴承安装的形式为预紧布置 以提高轴承的旋转精度 增强刚性和减弱轴 的振动 3 2 码垛机器人腰部设计 3 2 1 腰部电机选型 由于腰部的回转速度不高 因此所选的驱动电机选择中低速的较为合适 选取电机型号 它的 YD11217 6r min下下下下下1 1kW下下下下下 600N m下下下下下 3 2 电机外形图 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 16 下下下下下下下 6 3 下下下下下下下 7 3下 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 17 3 2 2 腰部联轴器计算及其选型 1 理论转矩为 3 5 n P T9550 式子中 为理论转矩 TmN 为传递的功率 PkW 为工作的转速 n min r 带入相关数据可以得到 mNT 2857 600 5 17 1 1 9550 2 计算转矩 3 6 tzwC KKKTKT 式子中 为动力机系数 取 1 0 w K w K 为工况系数 可以知道 K 1 5 K 为起动系数 取 1 0 z K z K 为温度系数 可以知道 1 0 t K t K 带入相关数据可以得 mNTc 42857 9000 10 150 1 0 12857 600 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 18 选用型号是的凸缘联轴器作为选用部件 它的公称扭矩为 GYS7m1600n 图 3 2 联轴器结构图 下下下下下下下下下 下下下下下下下下下 下GYS7 图 3 3 联轴器参数 4 机器人手臂的结构及其驱动系统设计 4 1 机构的受力分析 在运动过程中 H 方向的丝杠副主要受到摩擦力的影响 V 方向的则是受到 来自 Z 轴方向的力 当出现如图所示的运动状态 及当 AC 垂直 BF 且 AC 垂直 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 19 CB 时 两滚珠丝杠副承受的载荷最大 AC 为小臂 BF CB 为前后大臂 图 4 1 机构受力图 图 4 1 码垛机器人运动位置 根据实际的工作需要我们设计相关的数据为 1170 AB 260mm BC 点 A 到五边形的中心线长度为 1080mm CD240mm DE 150mm d 下下下下下 2 4下 在上图的符号当中我们把定为电动机及负载的重力总和 码垛的物品最G1 大达到 50KG 腕部的部件重力达到 M 则为围绕点 A 的电机与负载的转矩100N 总和 小臂选用的材料为 重量mNdGM 90101502001 3 Q235 达到 400N 对小臂进行受力分析 可以列出下列方程 0 0 AM F 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 20 4 1 0 2601170 2 2 2601170 11701 0121 FGFM GGFF 解得 4746 15N F13746 15N F2 4 2 手臂关节轴承的选型与校核 手臂由于承受的载荷很大 所以手臂需要设计成刚度大 以保证运动的可 靠性 还有由于小臂的较好的运动响应 则需要设计成为重量较轻 这就要求 我们选取小臂的截面形状 以保证小臂能选取到较大的刚度并防止小臂发生弯 曲变形 同时 我们根据实际的工况 相应地设计手臂的悬伸部分 通过小臂剪力图可以知道当往 B 靠近时 小臂的弯矩就越来越大 所以在 所结构的设计当中 往 B 点靠近的部分要增大尺寸 而其他的部分则采用均匀 饿的的尺寸分布 B 点选用销轴方式作为联接 销轴的承受载荷就很大 所以 必须对它进行校核 以保证运动的可靠性 稳定性和耐用性 图 4 3 小臂剪力图 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 21 下下下下下下 4 4下 根据 机械设计手册 及相关资料的查询 我们选用的轴承为自润滑向心 关节轴承 它的特点是既能承受径向载荷 同时还能承受另外一个方向较小的 轴向载荷 根据相关的技术要求选轴承的型号为 当中 2RS GE25ES25mm d 4 3 销轴校核 4 3 1 后大臂与支架销轴联接校核 1 销轴的抗剪强度 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 22 4 2 4 2 2 d Ft 钢 许用的弯曲应力 下45许用切应力 MPa80 MPa b 120 满足一定的要求 所以销轴采用 45 号钢作为材料 NFFt6154 987 2 将相关的数值代入公式可以得到 mm F d t 4 5 80 2 15 3746 4 2 1 销轴的抗弯强度 4 3 b t b d baF 3 1 04 5 0 可知 带入上面公式可以得到 mma25 mmb40 mm baF d b t 32 15 1204 0 405 02515 3746 4 0 5 0 3 3 完成了销轴的校验 我们选取它的轴径 以此满足强度的要求 mmd25 4 3 2 后大臂与小臂销轴的联接校核 1 销轴的抗剪强度 用 45 号钢的许用切应力 许用的弯曲应力 MPa80 MPa b 120 满足一定的要求 所以销轴采用 45 号钢作为材料 NFFt6154 987 2 将相关的数值代入公式可以得到 mm F d t 41 5 80 2 15 3746 4 2 2 销轴的抗弯强度 可知 带入上面公式可以得到 mma25 mmb40 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 23 mm baF d b t 32 15 1204 0 405 02515 3746 4 0 5 0 3 3 完成了销轴的校验 我们选取它的轴径 d 25mm 以此满足强度要求 4 3 3 前大臂与支架销轴的联接校核 1 销轴的抗剪强度 45 号钢的许用的切应力 许用的弯曲应力 MPa80 MPa b 120 满足一定的要求 所以销轴采用 45 号钢作为材料 NFFt6154 1237 1 将相关的数值代入公式可以得到 mm F d t 15 6 80 2 15 4746 4 2 2 销轴的抗弯强度 可知 带入下面公式可以得到 mma25 mmb40 mm baF d b t 45 16 1204 0 405 02515 4746 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 4 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 120 NFFt6154 1237 1 mm F d t 15 6 80 2 15 4746 4 2 2 销轴抗弯强度 由图 9 3 可知 带入公式 4 3 得mma25 mmb40 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 24 mm baF d b t 45 16 1204 0 405 02515 4746 4 0 5 0 3 3 完成了销轴的校验 我们选取它的轴径 d 50mm 以此满足强度要求 4 3 5 其它销轴的联接校核 小臂与前大臂与小臂的联结 根据上面的校核经验选用销轴的轴径为 30mm 腕部与前大臂与小臂的联结 根据上面的校核经验选用销轴的轴径为 30mm 连杆与后大臂的根据上面的校核经验选用销轴的轴径 25mm 4 4 竖直滚珠丝杠螺母副的计算与选型 4 4 1 最大工作载荷的计算 根据公式 对导轨进行计算 计算最大工作的载荷为 4 4 GFKFF zxm 式中 K 1 15 16 0 NFFx15 37462 其中 K 为载荷系数 为摩擦系数 为进给方向的载荷 x F 在图中 因为 E 点没有受到垂直丝杠方向的力 所以 0 N 1 4GFz 因此代入数值后有 NFm 9 430715 374615 1 4 4 2 最大动载荷的计算 设定后大臂的运动的速度为 min 2 712 0 m s m v 则可以计算最大的动载荷为 4 5 mHwoQ FffLF 3 式中 取 1 2 w f 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 25 1 0 H f 代表滚珠丝杠副的寿命 单位为 为载荷系数 为硬度系 0 Lr 6 10 w f H f 数 通过查询 可知滚珠丝杠副的寿命公式为 4 6 6 0 10 60nT L 式中 15000h T T 为使用寿命 n 为丝杠转速 4 7 h P v n 初定 代入公式可以得到 mmPh5 min 1440 105 2 7 3 r n 将上面的数值代进可以得 6 4公式 rL1296 106 0 将 带入可以得到 m F 0 L5 4下下 NNFQ 5635919 5635915 47460 12 11296 3 4 4 3 初选滚珠丝杠副的型号 在选取丝杠的型号时应该有额定动载荷 Ca 以此选 Q F moa FC3 2 出初选的丝杠导程 选型 双螺母式 导5 DFT02005下下下下下下20mm 程为 N 大于mm5下1下5下 下下下下下5下下下 下下15460 a C Q F 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 26 4 4 4 滚珠丝杠螺母副传动效率的计算 螺旋升角 o h d P 55 4 04 0 01 0 arctanarctan 0 传动效率 4 8 tg tg 式中 相当于摩擦角为 为丝杠螺旋升角 为摩擦角 004 0 003 0 f 10 将相关数值代入公式得到 8 4 45 96 60 10 55 4 55 4 o o o tg tg 4 4 5 刚度的验算 在传动过程中 丝杠的轴向变化会使丝杠导程产生变动 由此会影响系统 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 27 的平稳性和定为精度 引起轴向变形的因素主要有丝杠的拉压变形 丝杠与螺 母间的接触变形等等 因此在设计当中需要考虑以下能引起变动的因素有 1 丝杠的拉伸或压缩变形量 1 在总的变形量中占的比率较大 可按照下面的式子进行计算 1 4 9 IE Ma ES aFm 2 2 1 式中 mma700 MPaE 5 101 2 丝杠的底径为 mmd 7 36 2 mmds84 10574 2 2 为丝杠两端支承间距离 为丝杠最大工作载荷 N 为丝杠材料a m FE 的弹性模量 为滚珠丝杠的截面积 S 因为转矩 M 通常来说比较小 就是说 M 约等于 0 那么将相关数值代入可以得到 9 4下下 mm01375 0 84 1057101 2 700 9 4307 5 1 2 滚珠与螺纹滚道之间的接触变形量 2 计算时 我们需对丝杠加轴向最大负载的预紧力 它的数值也将 2 3 1 见到了一半 查到的公式为 4 10 3 2 2 10 10 013 0 Z FD F YJw m 式子中由可以查到 1 4下3 175mm w D Z 下下下下Z 851517 为滚珠直径 为单圈滚珠数 为滚珠总数量 为预紧力 w DZ Z YJ F 丝杠的滚珠数目 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 28 780 163 175 3 20 3 0 w D d Z 取整数为 Z 17 对丝杠加的预紧力 N F F m YJ 97 1435 3 9 4307 3 将相关的数值代进可以得到 下10 4下下下 mm00237 0 10 85 97 1435175 3 10 9 4307 013 0 3 2 2 因为减小到一半 所以有 2 2 mm00169 0 2 00237 0 3 丝杠的刚度校验 总变形量 0 01426mm 14 26 取定它的有效行程是 21 m mm 知道 5 级精度的丝杠的有效行程为时 行程56027 3查表mm630 500 偏差允许达到 以此可知丝杠刚度适合 32mm 4 4 6 压杆稳定性校核 在丝杠选定的尺寸的情况下 可以校验它有没有失稳的可能 通过对纵向 弯曲的分析 来确定失稳的临界值 k F 4 11 m k k F Ka EIf F 2 2 式子中 4 k f K 2 5 为丝杠螺纹的底径 4 4 2 05 8905064 mmdI 2 d a 700mm 为临界载荷 为丝杠支承系数 为压杆稳定性安全系数 为为 k F k fKI 截面惯性矩 为丝杠两支承端距离 4 cma 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 29 将以上数值带入得到 11 4下下 NFNF mk 9 430756 602666 7005 2 05 89050101 24 2 52 可以知道压杆的稳定性满足要求 4 5 水平滚珠丝杠螺母副的计算与选型 4 5 1 最大工作载荷的计算 对导轨进行最大工作载荷的计算 为 公式 4 4 GFKFF zxm 式中 K 1 15 16 0 NFFz15 47461 K 为载荷系数 为摩擦系数 为垂直丝杠的受力 z F F 点并没有受到水平丝杠方向的力 所以有0N 将相关的中如图1 4 x F 数值代入得 公式 4 4 NFm384 82340015 474616 0 4 5 2 最大动载荷的计算 设定前大臂的运动速度为 所以计算最大动载荷 min 2 712 0 m s m v 公为 式 5 4 mHwoQ FffLF 3 式中 取 1 2 w f 1 0 H f 为滚珠丝杠副的寿命 为载荷系数 为硬度系数 0 Lr106单位为 w f H f 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 30 初次选定 代入可以得到 mmPh5 公式 7 4 min 1440 105 2 7 3 r n 将 T 和转速 n 带入公式 4 6 可以得到 h15000 T取使用寿命 rL1296 106 0 查可以得到 因为硬度 所以有 将30 3表格2 1 w fHRC58 0 1 H f 相关数值代入可以得到 公式 5 4 NNFQ1077255 10772384 8230 12 11296 3 4 5 3 初选滚珠丝杠副型号 在选取丝杠的型号时应该有额定动载荷 Ca 以此选 Q F moa FC3 2 出初选的丝杠导程 选型 双螺母式 导5 DFT02005下下下下下下20mm 程为 N 大于 mm5下1下5下 下下下下下5下下下 下下15460 a C Q F 4 5 4 传动效率计算 螺旋升角 o h d P 55 4 04 0 01 0 arctanarctan 0 传动效率 4 8 tg tg 式中 相当于摩擦角为 为丝杠螺旋升角 为摩擦角 004 0 003 0 f 10 将相关数值代入公式得到 8 4 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 31 45 96 60 10 55 4 55 4 o o o tg tg 4 5 5 刚度的验算 在传动过程中 丝杠的轴向变化会使丝杠导程产生变动 由此会影响系统 的平稳性和定为精度 引起轴向变形的因素主要有丝杠的拉压变形 丝杠与螺 母间的接触变形等等 因此在设计当中需要考虑以下能引起变动的因素有 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 IE Ma ES aFm 2 2 1 式中 mma700 MPaE 5 101 2 丝杠的底径为 mmd7 21 2 mmds84 3694 2 2 为丝杠两端支承间距离 为丝杠最大工作载荷 N 为丝杠材料a m FE 的弹性模量 为滚珠丝杠的截面积 S 因为转矩 M 通常来说比较小 就是说 M 约等于 0 那么将相关数值代入可以得到 9 4下下 mm00742 0 84 369101 2 700384 823 5 1 2 滚珠与螺纹滚道之间的接触变形量 2 计算时 我们需对丝杠加轴向最大负载的预紧力 它的数值也将 2 3 1 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 32 见到了一半 查到的公式为 4 10 3 2 2 10 10 013 0 Z FD F YJw m 式子中由可以查到 1 4下3 175mm w D Z 下下下下Z 851517 为滚珠直径 为单圈滚珠数 为滚珠总数量 为预紧力 w DZ Z YJ F 丝杠的滚珠数目 780 163 175 3 20 3 0 w D d Z 取整数为 Z 17 对丝杠加的预紧力 N F F m YJ 97 1435 3 9 4307 3 将相关的数值代进可以得到 下10 4下下下 mm00237 0 10 85 97 1435175 3 10 9 4307 013 0 3 2 2 因为减小到一半 所以有 2 2 mm00055 0 2 0011 0 4 丝杠的刚度校验 总变形量 取定它的有效行程是mm 8008 0 21 mm m 560 知道 5 级精度的丝杠的有效行程为时 行程偏差允许27 3查表mm630 500 达到 以此可知丝杠刚度适合 32mm 4 5 6 压杆稳定性校核 在丝杠选定的尺寸的情况下 可以校验它有没有失稳的可能 通过对纵向 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 33 弯曲的分析 来确定失稳的临界值 k F 4 11 m k k F Ka EIf F 2 2 式子中 4 k f K 4 为丝杠螺纹的底径 4 4 2 51 108844 mmdI 2 d a 700mm 为临界载荷 为丝杠支承系数 为压杆稳定性安全系数 为为 k F k fKI 截面惯性矩 为丝杠两支承端距离 4 cma 将以上数值带入得到 11 4下下 NFNF mk 384 82363 46039 7004 51 10884101 24 2 52 可以知道压杆的稳定性满足要求 4 6 水平滚动导轨副的计算选型 4 6 1 滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选择 直线滚动导轨副的设计需要考虑工作载荷 它除了保证工作的可靠性 还 关系到导轨副的工作使用寿命 通常我们布置平台采用的为双导轨 一导轨上 有两个滑块的形式 考虑最为极端的情况时 一个滑块承载所有的工作载荷 这时我们对垂直方向的载荷进行分析 4 12 F G F 4 max 式子中 1 FF G 800N F 为外加载荷 G 为移动部件的重量总和 将相关的数值代入可以得到 124 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 34 NF G F15 494615 4746 4 800 4 max 根据计算结果 考虑工作载荷承受状况 选用型号为滚动导轨 VSBSF20 考虑滑块的尺寸大小和额定动载荷kNCa81 7 额定静载荷kNCoa78 13 导轨的承受载荷能力 确定导轨的长度为 mm820 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 35 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 36 4 6 2 额定行程寿命的计算 在使用导轨的时候 我们需要考虑它的使用寿命 除了工作时候受到的冲 击和震动以外 我们还要考虑到温度还有硬度对它的影响程度 上面选用的导轨副硬度为 60HRC 所处的工作环境温度不能大于 有C 0 100 四个滑块在上面承载 精度等级达到 4 级 根据相关公式 额定行程寿命如下 4 13 50 3 max F C f fff L a w CTH 式中 NCa81 7 KNF946 4 max 0 1 H f 0 1 T f 81 0 C f 0 1 w f 为额定行程寿命 km 为额定动载荷 为滑块上工作载荷 L a C max F 为硬度系数 为温度系数 为接触系数 为载荷系数 H f T f C f w f 将相关数据代入可以得到 公式 13 4 kmL62 10450 946 4 81 7 0 1 81 0 00 10 1 3 根据经验设计 导轨的预期额定寿命是 实际的计算数值 104 62kmkm50 远远大于额定值 故可以得知所选的导轨符合设计要求 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 37 图 4 1 硬度系数 图 4 2 温度系数 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 38 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 39 4 7 竖直滚动导轨副的计算选型 4 7 1 滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选择 直线滚动导轨副的设计需要考虑工作载荷 它除了保证工作的可靠性 还 关系到导轨副的工作使用寿命 通常我们布置平台采用的为双导轨 一导轨上 有两个滑块的形式 考虑最为极端的情况时 一个滑块承载所有的工作载荷 这时我们对垂直方向的载荷进行分析 4 12 F G F 4 max 式子中 2 FF NG800 F 为外加载荷 G 为移动部件的重量总和 将相关的数值代入可以得到 124 NF G F15 394615 3746 4 800 4 2max 根据计算结果 考虑工作载荷承受状况 选用型号为滚动导轨 VSBSF20 考虑滑块的尺寸大小和额定动载荷kNCa81 7 额定静载荷kNCoa78 13 导轨的承受载荷能力 确定导轨的长度为 mm820 4 7 2 额定行程寿命 L 的计算 在使用导轨的时候 我们需要考虑它的使用寿命 除了工作时候受到的冲 击和震动以外 我们还要考虑到温度还有硬度对它的影响程度 上面选用的导轨副硬度为 60HRC 所处的工作环境温度不能大于 有C 0 100 四个滑块在上面承载 精度等级达到 4 级 根据相关公式 额定行程寿命如下 4 13 50 3 max F C f fff L a w CTH 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 40 式子中 NCa81 7 KNF946 4 max 0 1 H f 0 1 T f 81 0 C f 0 1 w f 为额定行程寿命 km 为额定动载荷 为滑块上工作载荷 L a C max F 为硬度系数 为温度系数 为接触系数 为载荷系数 H f T f C f w f 将相关数据代入可以得到 公式 13 4 kmL01 20650 946 3 81 7 0 1 81 0 00 1 0 1 3 根据经验设计 导轨的预期额定寿命是 实际的计算数值 206 01kmkm50 远远大于额定值 故可以得知所选的导轨符合设计要求 5 大小臂驱动系统的伺服电机用同步带的选用 5 1 伺服电机的计算与选型 5 1 1 丝杠驱动电机 1 重物折算到电机轴上的转动惯量 2 2 bw PmJ 式子中 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 41 mmPb5 kgm200 为重物折算到电机轴上转动惯量 为螺杆螺距 m 为负载重量 w J b P 将相关数值代入上式可以得到 2323 2 10127 0 2 105 200 2 mkg PmJ bw 2 螺杆转动惯量 8 2 bbb DmJ 式子中 mmD4 4 kgm20 为螺杆转动惯量 为螺杆直径 为螺杆重量 b J b D b m 将数值代入上式得 23232 1048 1040 208 mkgDmJ bbb 3 总负载惯量 2 127 4 mkgJJJ bwl 按照负载惯量 3 倍电机转子惯量的原则 m J 2 2 1mkgJm 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 42 5 2 计算电机转速 5 2 1 电机转速 b pvn 式子中 min 2 7 mV mmPb5 为螺杆螺距 n 为电机转速 v 为负载移动速度 b P 将数值代入上式可以得到 rpmpvn b 1440105 2 7 3 5 2 2 计算电机驱动负载所需要的扭矩 克服摩擦力所需转矩为 RDmguTf 2 式子中 设定 3 R KGm200 mmD40 2 0 u R 为减速比 m 为负载质量 D 为螺杆直径 u 为摩擦系数 将数值代入上式可以得到 mNRDmguTf 613 23 10202 08 9200 2 3 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 43 表 5 2 伺服电机编号说明 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 44 图 5 1 伺服电机安装尺寸 根据相关的计算数据 选取伺服电机型号 110ST M05030 作为丝杠的驱动 元件 额定转矩 5N m 额定转速 3000rpm 额定功率 1 5kw 5 3 同步带设计与选取 同步带的转动由于是带齿与带轮齿啮合传动方式 具有传动准确 响动声 音小 没有相对滑差 效率高的显著特点 被广泛的应用在生产上 传动率可 高达上千瓦 可以多轴传动的情况 在本设计当中 相对于联轴器的直接了联结使用同步带轮具有节省空间的 优点并且具有传动准确的功能 1 确定同步带的设计功率 d P md PKP 0 式子中 2 1 0 K kwPm5 1 为载荷的修正系数 为工作机上的电动机功率 0 K m P kwPKP md 8 15 12 1 0 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 45 2 确定带的型号和节距 根据计算出来的和 查找相关表格确定带的型号及节距为 d P 1 n kwPd8 1 rpmn3000 1 选取同步带型号 L 节距 mmPb525 9 3 选择小带轮齿数 1 z 2 z