多自由度直角坐标型码垛机器人结构毕业设计说明书

多自由度直角坐标型码垛机器人本体结构设计多自由度直角坐标型码垛机器人本体结构设计 Body structure design of rectangular coordinate palletizing robot with the multi-degree freedom 学生姓名学号 所在学院班级 所在专业机械设计制造及其自动化 申请学位学士 指导教师职称 副指导教师职称 答辩时间 目目 录录 设计总说明 .I INTRODUCTION .II 1 绪论 .1 1.1 码垛机器人的发展状况.1 1.2 研究目的及意义.1 2 课题内容及要求 .2 21 研究目标、内容及拟解决的关键问题.2 2.2 参数要求.3 3 总体机构设计 .3 3.1 机械抓手设计.6 3.1.1 方案选择 .6 3.1.2 力学分析 .7 3.1.3 气缸选择 .9 3.2 丝杆螺母副的计算与选型.9 3.2.1 Z 轴滚珠丝杠螺母副的计算与选型.9 3.2.2 x 轴和 y 轴滚珠丝杠螺母副的计算与选型.12 3.3 各轴驱动电机选型.12 3.3.1 Z 旋转轴电机的选择.13 3.3.2 Z 轴步进电机的计算与选型.15 3.3.3 x 轴和 y 轴步进电机的选用.17 3.4 直线滚动导轨副的计算与选型.18 3.5 轴承的选用.20 3.5.1 Z 旋转轴轴承的选用.20 3.5.2 Z 轴滚珠丝杠下端单向推力球轴承的计算与选型.20 3.5.3 其他轴承的选用 .21 3.6 锥齿轮传动的计算与选型.23 4 总体支架的受力分析 .25 总 结 .29 鸣 谢 .30 参考文献 .31 设计总说明 直角型码垛机器人是工业机器人的一种，通过对它的数控编程，它能实现可以在 XYZ 三维坐标系中任意一点的移动和遵循可控的运动轨迹。可以实现很多种码垛的方式， 在生产线上对替代人工，提高生产效率等具备显著的应用价值。 本课题设计的设计内容是完成多自由度直角坐标型码垛机器人本体结构设计，此码 垛机器人有四个自由度，用于在流水线对纸箱整齐地码垛在托盘上，能够快速紧凑地 码垛。可以通过快速替换机械抓手和重新编程对不同大小的物体进行快速码垛，可以 适应不同的码垛对象，应用广泛。 第一步：是对国内外有关码垛机器人领域内的研究背景和发展状况进行了解，并了 解其研究目的及意义。 第二步:是对码垛机器人的总体方案的选择：通过进行了详细的对比与选择，找到 最合适的设计方案，最后方案采用龙门式机构，主要采用是滚珠丝杆螺母副传动，驱 动装置采用步进电机，可以通过数控编程改变码垛的路线。 第三步:是通过对履带机器人的使用情况与需求，对机构的选型与计算，主要机构 有机械抓手、滚动丝杆螺母副、直线滚动导轨副、步进电机、滚动轴承等。 第四步:是通过 Pro/E 画出该码垛机的总体三维结构图，通过 CAD 画出码垛机总装 配图和其零件图，最后通过 Pro/E 画出该码垛机运动仿真。 关键词：码垛机器人；丝杆螺母；步进电机 INTRODUCTION Right angle type palletizing robot is a kind of industrial robot. Through the NC programming, it can move in the XYZ coordinate system of arbitrary point mobile and follow the trajectories of controllable.It can palletize in so many ways in the production line to replace the workerl, improving production efficiency and having significant application value. This time, the design content of this graduation design is to complete the multi degree of freedom rectangular coordinate palletizing robot body structure design, the palletizing robot has four degrees of freedom, used in the production line of carton packaging of product palletizing in tray.It can compact stacking quickly.It Can replace mechanical grip and re- programe of different size objects for rapid palletizing,and adapt to different palletising object, having a wide range of applications. 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 significance of the research. The second step is the selection of the overall scheme of the palletizing robot: through detaileing comparison and selection, finding the most suitable design. Finally,i chosed the gantry mechanism, the ball screw nut transmission, drive the stepper motor, through the NC programming change stacking line. The third step is through the use condition and the demand of tracked robot, selectiing 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 draw the palletizing machine overall three- dimensional structure, through the CAD to draw out the palletizing machine assembly drawing and the parts drawing. Finally, through the Pro / E ,i draw the palletizing machine motion simulation. KEYWORDS: Palletizing robot；Screw nut；Stepper motor 多自由度直角坐标型码垛机器人本体结构设计 毕业设计说明书 1 绪论 1.1 码垛机器人的发展状况 目前欧、美、日的各种码垛机器人在码垛市场的占有率均超过了 90，绝大数码垛 作业由码垛机器人完成。并且基本由他们垄断了全球市场。 我国的工业机器人在国家支持下，通过“七五”“八五”和“九五”科技攻关，并 取得了长足的进步，国外码垛机器人在我国市场一统天下的局面正在被打破16。 但是，我国的工业码垛机器人其应用水平和技术与其他发达国家相比还有很大差距， 如国外同类产品可靠性比我国高，起步较晚，运动速度和精度还有很广提升空间。生 产线技术水平与国外相比仍有差距。和全球市场相比，码垛机器人应用规模仍然很小， 我国还未发展成专门的产业。并且当前我国的码垛机器人生产品种规格多，批量小， 零部件通用化程度低16。 因此迫切需要对码垛机器人及其相关物流产业进行全面规划，整合资源优势，积极 推进产业化进程。同时立足实际，完善码垛机器人相关的产品、系统及结构，努力提 高我国的机器人发展水平。 1.2 研究目的及意义 人们在工业生产领域工作时，人们经常受到腐蚀、有毒气体等因素的危害，使的 工人的工作环境很恶劣，甚至可能危及生命。但是自从发明机械人以后，相应各种难 题迎刃而解。码垛机器人就是作为机器人其中一种，码垛机器人是机、电一体化高新 技术的产品。码垛机有很多种类，可以在不同的产量生产中发挥着巨大的作用。可按 照要求的编组方式和层数，完成对各种产品的码垛。 当码垛机器人的自由度越高，它 能发挥的作用越大，但码垛机使用最优化的设计可以使得垛形紧密、整齐。作为工业 机器人的典型一种，码垛机器人在工业应用，尤其是包装领域正发挥着越来越大的作 用。张机器人和包装线现结合，既提高了生产线的工作效率，有提高了生产线的工作 效率，又增强了运行的可靠性，减少了人力资源开支，更让当代企业迅速适应不断变 化的市场要求，产生巨大的经济效益16。 2 课题内容及要求 21 研究目标、内容及拟解决的关键问题 码垛机器人可以分为两类，分别是直角坐标型和关节型，如图 2-1，而我要做的码 垛机器人要求是直角坐标型的。 图 2-1（a）直角坐标型码垛机器人 图 2-1（b）关节型码垛机器人 直角坐标型码垛机器人是基于空间 XYZ 三轴直角坐标系编程、有三轴及以上自由度， 能够实现自动控制、可重复编程反复应用，可以适合不同任务的自动化设备。它能够 搬运物体、操作工具，以完成各种作业。 本毕业设计目标是要求掌握工业码垛机械手的结构及工作原理，实现机械手的三个 方向的移动和一个方向的回转，完成一个四自由度的直角坐标型码垛机器人设计，要 求所设计机器人能抓取一定质量的工件（在具体设计时可以在题目中确定是何类形状 的物体，并且手爪是气压驱动），完成抓取、搬运、码放功能，并且具有较高的运动 平稳性和重复精度。 主要内容是设计一具有四个自由度的直角坐标码垛机器人，4 根运动轴对应直角坐 标系中的 X 轴、 Y 轴和 Z 轴, 以及 Z 轴上带有的一个旋转轴，能够实现自动装载和 卸载功能。各轴行程和手爪尺寸及抓取能力按需来设计。 设计内容包括机器人总体设计方案的分析确定，包括机器人的运动学分析、主体部 分结构设计和手爪的设计。 在设计过程中要考虑到很多问题，所涉及的关键问题有：1）机器人运动采用何种 驱动电机；2）传动机构设计的合理和平稳；3） 导轨布局的合理性等等。 2.2 参数要求 1） 单箱重量15KG，一次搬运两箱，一次总搬运重量30KG。 2） 托盘尺寸 16001600，码垛完了托盘上纸箱最高处到地面1700mm。 3） 行程：X 方向 2200mm, Y 方向 1700mm, Z 方向 1700mm, 水平旋转：+90o. 4） 最快码垛速度可达到 1000mm/s，平均速度为 500mm/s，码垛精度为 1mm。 5) 码放方式的要求是在托盘尺寸内每层尽可能多地摆放纸箱，托盘四周的纸箱尽可 能平稳，要保证运输过程中平稳不倒。而码好的托盘每两层纸箱间要向砌砖墙那样， 尽可能地相互压住和咬合，如图 2-2 单数层和双数层的摆放方式不一样。这样才可以 保证码满纸箱的托盘（最高 1.7 米）在运输过程中平稳。 图 2-2（a）单层纸箱排放方式 图 2-2（b）双层纸箱排放方式 3 总体机构设计 设计方案初步有两种方案：一种是悬臂式的码垛机器人，第二种是龙门式的码垛 机器人，如图 2-3。 图 2-3（a）悬臂式码垛机器人 图 2-3（b）龙门式码垛机器人 因为在工作空间比较大的情况下，龙门式的码垛机器人机构比较稳定，机器人在工 作的时候不容易产生晃动，所以选择第二种龙门式码垛机器人。 X 轴和 y 轴可以近似看做 xy 工作台。主要方案选定是 z 轴。 Z 轴是上下运动，有两个方案：方案一是采用丝杆螺母形式传动，方案二是采用齿 轮齿条形式传动。但方案二抓手和物体的重量直接要求齿轮和齿条来承受，对齿条和 齿轮要有很大的要求，而且因为齿轮的传动特性，会使下降和上升的速度产生齿轮的 多边形效应。所以比较后采取方案一丝杆螺母形式传动。 采用丝杠螺母形式也有两方案可以选择，第一种方案是丝杠不动，抓手和物体通过 螺母座与丝杠螺母连接做上下运动。第二种是丝杠螺母通过螺母座固定在 y 轴的工作 台上，而丝杠的底部与抓手连接做上下运动。但第二种方案做上下运动的重量比较大， 会导致做很多无用功从而使码垛机器人的效率降低。所以通过比较后采取第一种方案。 采用这种方案因为只受到竖直的载荷，所以不需要滚动导轨，只需要滚珠丝杆螺母副 的计算与选型。 机构简图如图 2-4，三维视图如图 2-5 和图 2-6。 图 2-4 机构简图 图 2-5 三维视图 图 2-6 三维视图 3.1 机械抓手设计 3.1.1 方案选择 (1)、因为码垛机器人要求要准确的把物品放到指定的位置，要求物品能够紧密放 置，所以机械抓手设计成一遍是固定的夹板，一边是活动的夹板。 (2)、为了能够有更大的夹紧力和更好的平衡性能，采用两个气缸提供夹紧力。 机械手的动作过程如图 3-1 所示： 原点下降抓紧X,Y,Z 和 Z 旋转方向 运动 放松 图 3-1 机械手的动作过程 机械抓手的三视图如图 3-2 和三维图 3-3 表示： 图 3-2 三视图 X,Y,Z 轴和 Z 旋转 方向的运动 图 3-3 三维图 3.1.2 力学分析 当物体受到最少夹紧力还处于加紧状态时的受力分析如图 3-4 所示： 图 3-4 受力分析 由受力平衡得 oo N aGaF FF GF 45sin45sin21 21 解得,即机械抓手要求最少的夹紧力是加紧物体重力的二分之一。题目要 2 2 G F 求加紧的物体重量最大是 30kg，30kg 物体重力为 300N，则这抓手要求的最少夹紧力为 150N。 由图可得，解得=370NmmFmmF23796233F 由于使用双气缸，则一个气缸提供 185N 的力即可，工厂里一般都有自己的压缩空气的 装置，一般压缩空气的气压为 0.8MPa，则由压力公式 F=PS 得 m d PaN 26 ) 2 (108 . 032 解得气缸的最少直径为 d=0.0343m=34.3mm 3.1.3 气缸选择 根据机械设计手册单行本气压传动P22-204 表 22-4-16 选 10A-5 系列气缸，气 缸实体如图 3-5 所示，该气缸主要零件用铝合金制造，重量轻。这里具体选用型号为 10A-5LA50B50，该气缸为标准型，气缸直径为 50mm，行程为 50mm，安装尺寸符合 ISO 国际标准。 图 3-5 气缸 3.2 丝杆螺母副的计算与选型 需要使用丝杆螺母副的有 z 轴、x 轴和 y 轴，x 轴和 y 轴的丝杆螺母副使用环境差不 多，可以选用同样的丝杆螺母副，但 z 轴使用情况不一样，需要单独计算。 3.2.1 Z 轴滚珠丝杠螺母副的计算与选型 （1）最大工作载荷 Fm 的计算 Z 轴滚珠丝杆螺母如图 3-6 所示，需要带动的部分包括机械抓手、z 旋转轴和丝杆螺 母与 z 旋转轴连接件，估计这部分重量不会超过 800N，所以 Fz=800N，除此之外，并 没有收到其他方向的载荷。 图 3-6 滚珠丝杆螺母 计算形式可按矩形导轨方式进行，查系统设计课程设计指导书表 3-29，可以取 该丝杆螺母副颠覆力矩影响系数为，同样可以取滚动导轨上的摩擦因数为1.1=K 。求得该工作环境的最大工作载荷为：0.005= N 880= N 8001.1 =度G +Fy + Fz度+KFx = Fm （2）滚珠丝杆螺母座上最大动载荷的计算 Q F z 轴的进给速度最快可达，我们可以初选丝杠导程为，则1000mm/s=vmm 5=Ph 可以计算出丝杠最快转速。我们可以取滚珠丝杠螺母副的3000r/min=r/s 500 =v/Ph =n 使用寿命，代入计算公式，计算出其丝杠寿命系数15000h=T 6 60nT/10=L0 （单位为：106 r）。查书系统设计课程设计指导书表 3-30，可取我们2700=L0 的载荷系数，滚道硬度为 HRC60，则可以取得硬度系数为，则求得丝1.2=fW 1.0=fH 杆螺母副的最大动载荷： NFffLF mHW Q14705 3 0 （3）丝杆螺母副型号的选择 最大动载荷和初选的丝杠导程根据上面已经计算出来，可查系统设计课程设计指 导书表 3-31，选择 GD 系列的 4005-4 型滚珠丝杠副，该丝杆螺母副为济宁博特精密 丝杠制造有限公司所生产，其导程为 Ph=5 mm，公称直径为 40 mm，为内循环固定反向 器双螺母式，循环滚珠为 4 圈2 列，精度等级可以取 5 级，可查得其额定动载荷为 15307N，大于上式所计算出来的 FQ，则满足要求。 （4）所选丝杆螺母副传动效率 的计算 从上可知公称导程，直径，代入公式，计5mm=Ph40mm=d0)/(arctanP = 0h 算得丝杠螺旋升角为。将导轨摩擦角和丝杠螺旋升角，代入计算公式17 2 =10= ，计算可得其传动效率为。)+ / tan(tan=93.5%= （5）滚动丝杆螺母刚度的验算 1）Z 轴上端采用一对面对面组配的推力角接触球轴承来固定丝杠上端，下端则采用 一对面对面组配推力角接触球轴承，外加一个推力球轴承，上、下支承的中心距离计 算出约为；钢的弹性模量可查得为；查书系统设计课1700mm=aMpa 102.1度ES 5 程设计指导书表 3-31，可知该丝杆丝杠底径，直径，据此36.2mm=d23.175mm=d 可以计算出丝杠截面积为。则可以计算出丝杠由工作载荷作用下而引 2 1029mm=S m F 起的拉/压变形量 0.006mm mm 度1029105 2.1度1700/880=度ES度Fma/=1 2）可以根据计算公式 ,求得单圈滚珠数；滚珠的圈数列数 -3 w0 )/Dd (度Z37=Z 为 42，则可计算出得滚珠总数量。当丝杠预紧时，可计算出轴向预紧力为592=Z ，由书系统设计课程设计指导书式（3-27）计算出滚珠与螺纹滚293N=/3F= F mYJ 道间的接触变形量为。0.0004mm 2 3）以上算出的和可以代入，求得丝杠总变形量 1 2 21 总 。由书系统设计课程设计指导书表 3-27 知,5 级精度滚珠6.4.=0.0064mm 总 丝杠有效行程在时，行程偏差可允许达到 65m，则可见所选丝杆刚度2000mm1600 足够。 （6）滚珠丝杆螺母副的压杆稳定性校核 失稳时的临界载荷可根据系统设计课程设计指导书式（3-28）计算出来。Fk 查系统设计课程设计指导书表 3-34，应该取其支承系数；由丝杠底径 1 k f ，则可求得截面惯性矩为；当丝杆垂直安装时，压mm 36.2=d2 mm 84295 64/ 4 2 dI 杆稳定安全系数 K 应取 2.5；已知滚动螺母至轴向固定处的距离，计算出1700mma 得临界载荷，远大于工作载荷，则所选丝杠不会失稳。 108N4.1 k F880N= m F 综上所述，所选择的 GD 系列 4005-4 型滚珠丝杠副可以满足使用要求，其实体如图 3-7 所示。 图 3-7 滚珠丝杠副 3.2.2 x 轴和 y 轴滚珠丝杠螺母副的计算与选型 X 轴和 y 轴可以选用同样规格的滚珠丝杆螺母副，如图 3-8 所示，因为 x 轴所受垂 直载荷比 y 大，同样只需要进行对 x 轴的受力分析即可，计算方式与 z 轴差不多。 图 3-8 滚珠丝杆螺母副 （1）丝杆螺母的最大工作载荷 Fm 的计算 当抓手抓起限定最重的物品码垛机器人以最大速度运行时，其只受到与工作台面垂直 垂向的载荷。已知移动部件总重量估计不大于，同样可以与 z1500N =Fz2000N=G 轴一样按矩形导轨进行计算，可选 K=1.1，=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷： 17.5N= N ) 2000+1500 ( 0.005 + 01.1 = 度G +Fy + Fz度 +KFx = Fm （2）滚动丝杆螺母副的最大动载荷 FQ的计算 x 轴工作时的最快进给速度同样可达到为 v=1000mm/s，丝杠导程同样可选 Ph=5 mm，则丝杠寿命系数同样为 L0=2700（单位为：106 r）。则可求得最大动载荷： NFffLF mHW Q 4 . 292 3 0 （3）型号选择 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，以及 x 轴的丝杆比较长，主要受到径 向载荷，为了保证其刚度，选择直径比较大的丝杆，可以选择与 z 轴相同的济宁博特 精密丝杠制造有限公司生产的 GD 系列 2005-3 型滚珠丝杠副，其额定动载荷为 15307 N，远远大于 FQ，满足要求。 刚度的验算与压杆稳定性校核与 z 轴的方式一样，通过计算得出选择的滚珠丝杠副 满足使用要求。 3.3 各轴驱动电机选型 各轴都要求有一定的精度，而且需要电机自锁，所以电机类型可以选择为步进电机， 各轴所承受的载荷都有些不同，z 旋转轴没有起动负载而且转速很低，z 轴有起动负载 而且移动速度快，x 轴和 y 轴没有起动负载而且移动速度快，则电机的选型要分开计算。 3.3.1 Z 旋转轴电机的选择 该电机主要克服机械抓手和纸箱旋转时的摩擦力矩，如图 3-9 所示，而根据该部分 设计的机构知摩擦力矩为轴承的滚动摩擦，数值较小。抓手和纸箱转动惯量很大，是 电机设计需要考虑的主要对象。 图 3-9 电机装配图 （1）加在电机转轴上的总转动惯量 Jz 的计算 抓手最大质量为 10kg，容许抓取质量为 30kg，其转动惯量的计算可近似认为 40kg 纸箱为 400mm100mm100mm 的长方体，则长方体绕 Z 轴的转动惯量为： Jz=m(a2+b2)/12 （3-1） 式中 a=40cm，b=10cm，m=40kg，则。 22 5667kg.cm0.4958kg.m=Jz 可以初选 z 旋转轴的步进电机型号为 130BYG2502，该电机为两相混合式，二相四拍驱 动时步距角为，查系统设计课程设计指导书表 4-5 查到该型号电机转子的转 o 0.9 动惯量为，则可计算出加在步进电机转轴上的总转动惯量为 2 48kg.cm=Jm 2 5715kg.cm=Jz+Jm=Jep （2）加在电机转轴上的等效负载转矩 Tep 的计算 其最大的等效负载转矩为快速启动时电机转轴所承受的负载，则 = （3-2） eqT maxa T 在考虑传动链的总效率 上，可以计算快速起动时旋转部件折算到电机转轴上的 最大加速转矩我： （3-3） 1 60 2 max a meq a t nJ T 式中 对应最快移动速度的电机最高转速，其单位为 r/min； m n 步进电机由静止到加速至最高转速所需的时间，其单位为 s。 a t Z 旋转轴主要是带动着抓手和纸箱沿电机中心的转轴运动，因为这部分的转动惯量 过大，速度不宜过快，因此为了安全，最高的旋转速度可达到为，但平时工作/s100o 的速度平均为。则换算电机的转速最高速度为。/s30o17r/min=nm 假设该步进电机由静止到加速至最高转速所用时间为=0.4s，传动链总效率。 at 0.9= 则由式（3-3）计算得： mNTTaxa.83 . 2 9 . 04 . 060 171057152 4 meq （2）步进电机最大静转矩的选定及电机的初选 当输入电压降低时，步进电机的驱动电源受电网电压影响较大，其输出转矩会下降， 可能会造成丢步，甚至可能堵转。因此，选择步进电机时，需要考虑安全系数。本工 作环境可取安全系数 K=4，计算出步进电机的最大静转矩应满足： (3-4)m11.32N= m2.83N4 Tjmax 初步选择的步进电机型号为 130BYG2502，查系统设计课程设计指导书表 4-5 得 该型号电机的最大静转矩为 。可见，所选的电机满足（3-4）式的使用m40N = Tjmax 要求。 （4）所选用步进电机的性能校核 1）最快转动电机输出转矩校核 给定工作台最快空载移动速度，其步进角为可求出电机对应17r/min=nm度o度0.9/ 的运行频率。由图 3-10 查得，此频率运行的电机输出转 6800Hz= 17Hz360/0.9= max f 矩，大于，满足其使用要求。m16N=Tmax m2.83N =1eqT 2）最快旋转时电机运行频率校核 电机运行最高频率为。查书系统设计课程设计指导书表 4-5 可知 6800Hz= max f 130BYG2502 步进电机的极限运行频率为 1500Hz，则没有超出限度。 3）步进电机的起动频率计算 从上可以知道，当电机转轴不带任何负载时的 2 5667kg.cm=Jeq 48 m J 2 cmkg 最高起动频率为。则可求出步进电机克服惯性负载的起动频率： 1500Hz=qf Hz J J f f m eq q L138 1 则要想保证步进电机起动时保证不失步，任何时候的起动频率都要求必须小于 138Hz。要使起动频率选得更低，可以采用软件升降频，其通常只有 100Hz。 从上面一系列计算可知，z 旋转轴选用 130BYG2502 步进电机，可以完全满足设计 使用要求。 图 3-10 步进电机的运行矩频特性130BYG2502 3.3.2 Z 轴步进电机的计算与选型 Z 轴是电机是要求带负载快速启动，与 z 旋转轴电机的选型计算不一样，如图 3-11 所示。 图 3-11 z 轴电机装配图 （1）加在步进电机转轴上的总转动惯量的计算 eq J 滚珠丝杠总长 l =1700mm，移动部件总重量 G=800N，其他参数同 z 旋转轴;同样算 得各个零部件的转动惯量如下：上下运动的部分折算到丝杠上的转动惯 0.51= W J ，滚珠丝杠的转动惯量。因为 z 轴的移动速度很快，不需要减 2 cmkg 2.8= S J 2 cmkg 速器，直径与丝杆进行连接，又因为要承受着载荷起动，要选择转矩比较大的电机， 初选可以与 z 旋转轴相同的步进电机型号为，则加在步进电机转轴上的130BYG2502 总转动惯量可计算得 eq J m J W J S J 2 2.8+0.51+48cmkg 2 49.4=cmkg （2）加在步进电机承受最大工作负载时快速起动时的负载的计算 负载转矩总共包括三部分：第一部分是移动部件在运动时折算到电机转轴上的 eqT 摩擦转矩；第二部分是机器快速起动时折算到电机转轴上的最大加速转矩；第 fT maxa T 三部分是负载折算到电机的最大工作负载转矩，则有： t T =+ + （3-5） 1eqT maxa T fT tT z 轴移动速度最快为 1000m/s，选用的丝杆螺母导程为 Ph=5mm，则 nm=1000/5=200r/s=12000r/min。 设步进电机由静止到加速至最快转速所需时间=1s，传动链总效率 at 。0.84=0.9350.9= 则同样由式（3-3）求得： mNTa.4 . 7 84 . 0 160 1200010 4 . 492 4 max （3-6） i PGF T h f 2 )( m.0038. 0 184 . 0 2 005 . 0 )0800(005 . 0 N 负载折算到电机转轴上的最大工作负载转矩： m.8 . 0. 18 . 02 005 . 0 800 2 t f NmN i PF T h 最后由式（3-5）可以计算出： = + + =8.2N （3-7） eqT maxa T f T tT 步进电机最大静转矩同样为负载转矩乘以安全系数 4，即为 (3-8)m32.8N= m8.2N4 Tjmax 130BYG2502 型号电机的最大静转矩 。则选用的电机满足（3-m40N =Tjmax 8）式的使用要求。 步进电机的性能校核同 z 旋转轴的校核方式一样，最后校核出该步进电机符合使用 要求。 3.3.3 x 轴和 y 轴步进电机的选用 X 轴和 y 轴都是水平放置，都没有收到竟给方向的负载，如图 3-12 所示。 图 3-12 电机三维图 计算加在步进电机转轴上的总转动惯量 eq J 滚珠丝杠总长 l =2200mm，电机通过两副 90o锥齿轮传动给丝杆；移动部件总重量 G=2500N。同样可以算得各个零部件的转动惯量如下：滚珠丝杠的转动惯量=3.6 S J 7，上下运动的部分折算到丝杠上的转动惯=1.58，两斜齿轮估计传 2 cmkg W J 2 cmkg 动惯量不会大于 JZ=80kg.cm2。初选步进电机型号为同样可以为 130BYG2502，则加在步 进电机转轴上的总转动惯量为 = +2+=83.18 eq J m J W J S J zJ 2 30+23.6+1.58+48cmkg 2 cmkg 同理，根据 z 轴选用电机的方式进行计算，可以计算出得出加在步进电机上的最大 等效负载转矩为 Teq=12.2N.m，因为 y 轴的受到的负载比 x 轴的要小，y 轴选用 130BYG2502 的电机一样符合使用要求。 综上所述，各轴选用的电机型号都为 130BYG2502 步进电机，电机外形如图 3-13 所 示。 图 3-13 电机实体图 3.4 直线滚动导轨副的计算与选型 直线滚动导轨副用于 x 轴和 y 轴，承受垂直的载荷。 （1）计算滑块承受工作载荷及选取导轨型号 影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素通常是工作载荷。本设计中的 x 轴和 y 轴 都为为水平布置，y 轴是采用双导轨、四滑块的支承形式，如图 3-14 所示，而 x 采用 左右两个导轨模块，每个也是采用双导轨、四滑块的支承。 图 3-14 直线滚动导轨副 x 轴和 y 轴采用相同规格的导轨副，因为 x 轴受到的载荷最大，则只需要 x 轴的选型 计算即可。工作时，其不利的情况是一个滑块承担垂直于台面的全部工作载荷，可计 算出这个单滑块所受的最大垂向载荷为： （3-9） F G PC 4 其中，移动部件重量约为，外加载荷 F= Fz=1500N（z 轴上下运动时产生2000N度G 的冲击）载荷，代入（3-9）式得最大工作载荷。查书本系统设2kN=1500N=Fmax 计课程设计指导书表 3-41，可以初选直线滚动导轨副的型号为 KL 系列的 型，直线滚动导轨副的额定静载荷，其额定动载荷LG35-JSA47.2kN=C0a 。由直线滚动导轨副标准长度，可以选取导轨的长度为。kN 35.1=Ca2200mm （2）计算距离额定寿命 初选的导轨副的滚道硬度可以取，在工作时，温度不会大于 100，每根导HRC60 轨上配有两只滑块，其导轨副可取 4 级精度。查书本系统设计课程设计指导书表 3-36 至表 3-40，得 度1.5=度度度度 度0.9=度度度度 0.81=度度度度度1.00=度度度度度1.0=度度度度 则可以计算出其距离寿命： km3102550) f ( 3 max a F C f fff L W RCTH 计算结果远大于期望值 50km，则该选用导轨副符合其使用要求，其实如图 3-15 所示。 图 3-15 导轨副 3.5 轴承的选用 3.5.1 Z 旋转轴轴承的选用 Z 旋转轴只受到轴向力的载荷，所以选择单向推力球轴承，其轴向当量动载荷 Pa=Fa，Fa为轴承所承受的最大轴向力，由于抓手和物体最大重量小于 40kg，则可认为 其轴向当量动载荷 Pa=350N，为了适应其总体机构大小，选择轴承型号为 51108，其轴 承基本额定动载荷为 62.8kN350N。 其滚动轴承的基本额定寿命为 L10=3869893106r P C 3 400 62800 轴承安装形式如图 3-16 所示: 图 3-16 单向推力球轴承装配图 3.5.2 Z 轴滚珠丝杠下端单向推力球轴承的计算与选型 同样，丝杆只受到轴向力的载荷，所以选择单向推力球轴承，其轴向当量动载荷 Pa=Fa，Fa为轴承所承受的最大轴向力，可采用滚珠丝杆的最大动载荷，则可认为其轴 向当量动载荷 Pa=14705N，为了适应其总体机构大小，选择轴承型号为 51203，其基本 额定动载荷为 27.2kN14705N。 其滚动轴承的基本额定寿命为 L10=6.3106r P C 3 14705 27200 其轴承的安装形式如图 3-17 所示和实体图片如图 3-18 所示： 图 3-17 单向推力球轴承装配图 图 3-18 单向推力球轴承实体图 3.5.3 其他轴承的选用 每个丝杆螺母两端需要采用一对面对面组配的推力角接触球轴承，而经过通过以上 方式的计算都可以采用 7305B 型号的角接触球轴承。同样，锥齿轮轴两端也要采用一 对面对面组配的推力角接触球轴承，同样经过计算都可以采用 7305B 型号的角接触球 轴承。则这里要用 16 个 7305B 型号的角接触球轴承，安装方式如图 3-19、图 3-20、 图 3-21 所示： 图 3-19 轴承装配图 图 3-20 轴承装配图 图 3-21 轴承装配图 3.6 锥齿轮传动的计算与选型 X 轴的简图如图 3-22 所示，锥齿轮的安装方式图 3-23 所示，和锥齿轮参数如图 3- 24 所示。 图 3-22 x 轴简图 1、电动机； 2、锥齿轮 z1； 3、锥齿轮 z2； 4、丝杆 图 3-23 齿轮装配图 图 3-24 齿轮参数图 （1）锥齿轮的初定 已知电机的输出转矩最大为 12.2N.m，其最高转速 12000r/min，平均转速为 6000r/min，由电机驱动，工作寿命为 15 年（设每年工作 300 天），两班制。 1）斜齿轮 z1 和 z2 的规格相同，所以传动比为 1:1； 2）选取齿轮齿数为 Z=40； 3）本码垛机工作速度、功率不高，选用 6 级精度； 4）选择材料为 40Cr，调质处理，硬度 HBS=241286。 （2）按齿面接触疲劳强度计算： 1）因为锥齿轮以大端参数为标准值，依据齿宽中点处的当量齿轮作为强度计算来进 行计算。 初拟齿宽系数，取载荷系数，节锥角为 =45o，HBS=260,查机0.3=R1.2=K 械设计P211 图 10-25 得 Hlim=539Mpa。 2）由书本机械设计P203 图 10-20 可以查到得齿轮区域系数 ZH=2.5，同样由机 械设计P202 表 10-5 得材料的弹性系数影响系数为 ZE=189.8MPa1/2 3）选取接触疲劳强度寿命系数。取安全系数为 S=1.0 计算应力循环次数 N=60n1jLh=6060001（2830015）=2.5921010 查机械设计P208 图 10-23，得 KHN=1。 4)计算接触疲劳许用应力 许用接触应力为：H=KHNlim/S=539MPa 5）按齿面接触强度设计传动 mm4 .59 539 8 . 1895 . 2 3 . 05 . 013 . 0 10 2 . 122 . 14 ) ( )5 . 01 ( 4 3 2 2 3 3 2 2 1 ）（ ）（ H EH RR ZZ u KT d 齿轮模数 mm485 . 1 40 4 . 59 m Z d （3）按齿根弯曲疲劳强度计算： 对齿轮取 HBS=260，按线性插值得弯曲疲劳极限为 MPa F 5 . 241)200260( 200353 218278 218 lim 许用应力： 查机械设计图 10-17，得 YFa=2.77 MPa S K F FFN F186 lim 01489 . 0 186 77 . 2 a F FY mm82. 1 18611203 . 0 77. 2)3 . 05 . 01 (102 .122 . 14 3 . 05 . 01 1 1 )5 . 01 (4 5 . 01 1 3 22 3 3 22 1 FR FaR R uZ YKT m （4）综上所述，应取模数较大值 m=2 （5）齿数参数的计算 齿轮的当量齿数57.56 45 20 45 OO COSCOS Z Zr 分度圆直径 d=Zm=402=80mm 齿宽，圆整取 b=17mmmm97.16 2 11 603 . 0 2 1 22 u dbR （6）主要设计结论 从动与主动两个齿轮参数一样，齿数 Z=40，模数 m=2mm，分锥角 =45o，齿宽 b=17，分度圆直径为 80mm，齿轮采用 40Cr（调质）。齿轮按 6 级精度设计。 4 总体支架的受力分析 对支架的受力分析，主要是校核导轨底座的强度，底座如图 4-1，因为这机器人的 主要载荷都是有导轨底座承受的，这里要分别对 x 轴和 y 轴的导轨底座的受力分析。 图 4-1 导轨底座三维装配图 （1）y 轴的受力分析 y 轴有两个导轨底座，y 轴只承受的最大的垂直载荷约 3000N