码垛机器人毕业设计说明书

目录第一章绪论111课题的背景、来源及意义112码垛机器人的发展进程及发展趋势213课题的设计内容2第二章码垛机器人总体结构设计421方案的确定422总体设计思路6第三章码垛机器人腕部和腰部设计731码垛机器人腕部设计7311减速机的计算与选型7312联轴器的计算与选型8313轴承的选型1032码垛机器人腰部设计11321腰部电机选型11322腰部联轴器计算选型1233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1441平面机构受力分析1442手臂关节轴承的选型与校核1543销轴校核16431后大臂与支架销轴联接校核16432后大臂与小臂销轴联接校核17433前大臂与支架销轴联接校核17434前大臂与小臂销轴联接校核18435其它销轴联接校核1844竖直滚珠丝杠螺母副的计算与选型19441最大工作载荷的计算19442最大动载荷的计算19443初选滚珠丝杠副型号20444传动效率计算20445刚度的验算21内蒙古工业大学本科毕业设计说明书446压杆稳定性校核2245水平滚珠丝杠螺母副的计算与选型23451最大工作载荷的计算23452最大动载荷的计算23453初选滚珠丝杠副型号24454传动效率计算24455刚度的验算24456压杆稳定性校核2646水平滚动导轨副的计算选型26461滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选择26462额定行程寿命的计算2847竖直滚动导轨副的计算选型30471滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选择30472额定行程寿命L的计算30第五章PRO/E建模和仿真3251主要部件建模及其简介32511轴承建模的主要过程32512机器人的主要部件及装配模型3552三维机构运动仿真的基本介绍37521机构运动仿真的特点37522机构运动仿真的工作流程37523机构仿真运动装配连接的概念及定义37524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11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212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。13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内蒙古工业大学本科毕业设计说明书31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第二章码垛机器人总体结构设计21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21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21方案一方案二如图22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22方案二方案三如图23所示，机构运动原理与图21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23方案三内蒙古工业大学本科毕业设计说明书622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15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第三章码垛机器人腕部和腰部设计31码垛机器人腕部设计311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31，32,33。表31工作机系数F1内蒙古工业大学本科毕业设计说明书8表32原动机系数F2表33启动系数F3由表确定本机构的工作系数F125，原动机系数F210，起动系数F313，那么F1F2F3251013325。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F1F2F3FB，由表14选择FB34的减速机，型号为RF37Y0184P4808M4I。减速机竖直安放，其具体参数如表24所示表34减速机的具体参数输入功率/KW输出转速R/MIN输出转矩NM电动机型号质量/KG减速机输出轴的轴颈0182956RF378525MM312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NPT955031内蒙古工业大学本科毕业设计说明书9式中T理论转矩（MN）；P传递的功率（KW）；N工作转速（MINR）。带入数据得MNT27659291809550。2联轴器的计算转矩TZWCKKKTKT32式中WK动力机系数，电动机透平机的WK10；K工况系数，由机械设计书册第五版第2卷表622，查得K15；ZK起动系数，由制造商确定，与启动频率F有关，选取ZK10；TK温度系数,由机械设计书册第五版第2卷表623查得，TK10。带入公式得MNTC9148801015010127659。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15,110确定联轴器的有关参数如下表34联轴器的具体参数DH7轴直径/MM许用转矩/NMD0LLC平键GB/T109962003C1紧定螺钉GB/T11720002512540752018X251M6X10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31所示。图31II型平键套筒联轴器与轴的装配图3验算套筒的扭矩强度和键的挤压强度内蒙古工业大学本科毕业设计说明书10套筒的扭转强度43116DDDTCT33式中D套筒外径，由表34得到MMD40；D轴径，MMD25。将数值带入公式得到MPAT008353804025140143914881643由套筒的材料为45号钢，由机械设计课本表153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KDLTCP310234式中K键工作高度；L键工作长度。由表15,110确定MMK4，MML28，D25MM，带入公式得到MPAP516328254109148823，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62，取许用挤压应力为120150MPA。因此平键满足强度条件。313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35轴承的具体参数轴承型号DDBA基本额定动载荷/KN额定静载/KN7305C256217131215158轴承的布置形式选用预紧布置，用以提高轴承的旋转精度，增加刚性和减小内蒙古工业大学本科毕业设计说明书11轴的振动。32码垛机器人腰部设计321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11KW，额定转速为175R/MIN，额定扭矩为600NM。由于电机要竖直安装，因此电机的外形图如图32。图32电机的外形图YD系列低速电机的安装尺寸如表36。表36电机的安装尺寸YD系列低速电机的性能参数如表37。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书12表37电机的性能参数322腰部联轴器计算选型1联轴器的理论转矩NPT955035式中T理论转矩（MN）；P传递的功率（KW）；N工作转速（MINR）。带入数据得MNT2857600517119550。2联轴器的计算转矩TZWCKKKTKT36式中WK动力机系数，电动机、透平机取WK10；K工况系数，由机械设计手册第五版第2卷表622查得，取K15。ZK起动系数，取ZK10；TK温度系数。由机械设计手册第五版第2卷，表623查得，取TK10。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书13带入公式得MNTC428579000101501012857600。由机械设计手册第五版第2卷选用凸缘联轴器，由表628选型号为GYS7，公称扭矩为1600NM。凸缘联轴器结构原理，如图33。图33GYS7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38GYS7型凸缘联轴器基本参数和主要尺寸型号公称扭矩TNNM许用转速NR/MIN轴孔直径DH7轴孔长度LD螺栓重量KGM钢钢Y型J1型数量N直径MGYS716006000551128416064M1213133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、联轴器的计算选型，最终确定了搬运机器人腰部的设计方案。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书14第四章码垛机器人手臂结构及其驱动系统设计41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41所示。图41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AB1170，BC260MM，CD1080MM，DE240MM，A点到图41中心线的距离D150MM。处于图41位置时小臂的受力情况见图42。图42小臂受力图图42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G1200N；M为负载和电机共同的转矩，MNDGM301015020013；小臂材料为45号钢，重量约为50N；对小臂列受力方程如下内蒙古工业大学本科毕业设计说明书1500AMF02601170222601170117010121FGFMGGFF41解得F112376154N，F29876154N42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43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44。图43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44销轴联接结构图45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71确定所选轴承的型号为GE25ES2RS，其中D25MM，轴承尺寸见表41。表41向心自润滑关节轴承参数轴承型号尺寸MM额定载荷KN重量KGDDBCD1R1R2动载荷静载荷GE25ES2RS2RS25422016290606482400427图45向心关节轴承结构43销轴校核431后大臂与支架销轴联接校核1销轴抗剪强度422DFT42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MPA80，许用弯曲应力MPAB120，NFFT61549872，将以上值带入公式得MMFDT828026154987422销轴抗弯强度BTBDBAF31045043其中MMA25，MMB40，带入公式得MMBAFDBT7479120404050256154987405033，因此选择销轴的轴径D25MM，满足强度要求。432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MPA80，许用弯曲应力MPAB120，NFFT61549872，将以上值带入公式（42）得MMFDT82802615498742。2销轴抗弯强度其中MMA25，MMB40，带入公式（43）得MMBAFDBT7479120404050256154987405033，因此选择销轴的轴径D25MM满足强度要求。433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MPA80，许用弯曲应力MPAB120，内蒙古工业大学本科毕业设计说明书18NFFT615412371，将以上值带入公式（42）得MMFDT13938026154123742。2销轴抗弯强度其中MMA25，MMB40，带入公式（43）得MMBAFDBT508101204040502561541237405033，因此选择销轴的轴径D50MM满足强度要求。434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MPA80，许用弯曲应力MPAB120，NFFT615412371，将以上值带入公式（42）得MMFDT139380261541237422销轴抗弯强度由图93可知MMA25，MMB40，带入公式（43）得MMBAFDBT508101204040502561541237405033，因此选择销轴的轴径D50MM满足强度要求。435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1944竖直滚珠丝杠螺母副的计算与选型441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GFKFFZXM44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329查得，K115；摩擦系数，160；XF进给方向的载荷，NFFX61549872。如图41中，E点的受力没有垂直丝杠方向的，因此GFZ0N。将数值带入公式得NFM757711356154987151442最大动载荷的计算码垛机器人后大臂的运行速度MIN27120MSMV，则最大动载荷MHWOQFFFLF345式中0L滚珠丝杠副的寿命，单位为106R；WF载荷系数，由机电一体化系统设计课程设计指导书表330，取WF12；HF硬度系数，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数HF10。滚珠丝杠副的寿命公式为601060NTL46式中T使用寿命，T15000H；N丝杠转速。HPVN47初选丝杠导程MMPH5，带入公式47得到MIN1440105273RN。将以上数值带入公式46得RL1296101500014406060。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书20将MF、0L带入公式45得NNFQ148594231485975771135012112963443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CAQF，额定静载荷MOAFC32，根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择海特DFT020055型滚珠丝杠副，为双螺母式，其公称直径为20MM，导程为5MM，循环滚珠为5圈1列，精度等级为5级，额定动载荷为15460ACN大于QF，则满足要求。滚珠丝杠副的具体尺寸参数如表41所示。表42滚珠丝杠副的尺寸参数444传动效率计算滚珠丝杠螺母副的螺旋升角OHDP5540200050ARCTANARCTAN0传动效率TGTG48式中丝杠螺旋升角。摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数00400030F，其摩擦角约等内蒙古工业大学本科毕业设计说明书21于10。将数值带入公式48得45966010554554OOOTGTG445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11在总的变形量中占的比重较大,可按下式计算IEMAESAFM22149式中A丝杠两端支承间距离，约为700MM；MF丝杠最大工作载荷N；E丝杠材料的弹性模量，钢的E21510MPA；S滚珠丝杠的截面积（按底径D2确定的）丝杠底径216DMM，222420096SDMM。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49得MM01880962001012700756113551。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，2之值可减少一半，故其计算公式为32210100130ZFDFYJWM410式中WD滚珠直径，由表41查得WD3175MM。Z单圈滚珠数；内蒙古工业大学本科毕业设计说明书22Z滚珠总数量，ZZ圈数列数851517；YJF预紧力。滚珠丝杠的滚珠数为78016317532030WDDZ，取整为Z17。滚珠丝杠的预紧力为NFFMYJ5863783757711353将数值带入公式（410）得到MM015501085586378175310757711350130322。由于2减小一半，则2MM007750201550。3刚度校验丝杠总的变形量2100266MM266M，取丝杠的有效行程为560MM。由机电一体化系统设计课程设计指导书查表327，查得5级精度滚珠丝杠有效行程500630MM时，行程偏差允许达到32MM，可见丝杠刚度足够。446压杆稳定性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KF用下式计算MKKFKAEIFF22411式中KF临界载荷N；KF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334，采用双推双推支承形式，所以KF4；K压杆稳定性安全系数，一般取为254。垂直安装时K25；I截面惯性矩4CM,丝杠截面惯性矩44264321536IDMM（2D内蒙古工业大学本科毕业设计说明书23为丝杠螺纹的底径；A丝杠两支承端距离，A700MM。将以上数值带入公式411得NFNFMK7571135217397005236321510124252可知压杆稳定性满足校核。45水平滚珠丝杠螺母副的计算与选型451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44为GFKFFZXM式中K载荷系数，K115；摩擦系数，160；ZF垂直丝杠的受力，NFFZ615412371。如图41中，F点的受力没有水平丝杠方向的，因此XF0N。将数值带入公式44得NFM01852065061541237160。452最大动载荷的计算搬运机器人前大臂的运行速度MIN27120MSMV，则最大动载荷公式45为MHWOQFFFLF3式中0L滚珠丝杠副的寿命，单位为106R；WF载荷系数，取WF12；HF硬度系数，取硬度系数HF10。初选丝杠导程MMPH10，带入公式47得到MIN1440105273RN取使用寿命T15000H，将其与转速N带入公式46得RL1296101500014406060。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书24查机电一体化系统设计课程设计指导书的表330得WF12，由于硬度HRC58，所以HF10。带入公式45得NNFQ269539526950185206012112963。453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CAQF，额定静载荷MOAFC32，根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择海特DFT0200553型滚珠丝杠副，为双螺母式，其公称直径为20MM，导程为5MM，循环滚珠为5圈1列，精度等级为5级，额定动载荷为15460ACN大于QF，则满足要求。454传动效率计算计算传动效率公式48为TGTG式中丝杠螺旋升角，455。摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数00400030F，其摩擦角约等于10。将数值带入公式48得45966010554554OOOTGTG455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11在总的变形量中占的比重较大,可按公式49计算IEMAESAFM221内蒙古工业大学本科毕业设计说明书25式中A丝杠两端支承间距离，约为700MM；MF丝杠最大工作载荷N；E丝杠材料的弹性模量，钢的E21510MPA；S滚珠丝杠的截面积（按底径D2确定的）丝杠底径216DMM，222420096SDMM。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49得MM003420962001012700018520651。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，2之值可减少一半，故可按公式410计算2值32210100130ZFDFYJWM式中WD滚珠直径，由表41查得WD3175MM。Z单圈滚珠数Z17；Z滚珠总数量，ZZ圈数列数851517；YJF预紧力。滚珠丝杠的预紧力为NFFMYJ67368301852063将数值带入公式（410）得到MM00516010806736817531001852060130322。由于2减小一半，则2MM0025802005160。3刚度校验丝杠总的变形量210006MM6M，取丝杠的有效行程为560MM。由机电一体化系统设计课程设计指导书查表327，查得5级精度滚珠丝杠内蒙古工业大学本科毕业设计说明书26有效行程500630MM时，行程偏差允许达到32MM，可见丝杠刚度足够。456压杆稳定性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KF用公式411计算MKKFKAEIFF22式中KF临界载荷N；KF丝杠支承系数，采用双推双推支承形式，故取KF4；K压杆稳定性安全系数，水平安装时K4；I截面惯性矩4CM,丝杠截面惯性矩44264321536IDMM；A丝杠两支承端距离，A700MM。将以上数值带入公式得NFNFMK01852069510649700436321510124252可知压杆稳定性满足校核。46水平滚动导轨副的计算选型461滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选择工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。对于水平布置的工作台多采用双导轨，四滑块的支撑形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为FGF4MAX412式中F外加载荷1FF；G移动部件的重量G800N。将数值带入412得NFGF615414376154123748004MAX。根据工作载荷初选海特滚动导轨，FV型导轨。型号为SBS15FV,其额定动载内蒙古工业大学本科毕业设计说明书27荷KNCA584，额定静载荷KNCOA387。滑块的尺寸及安装尺寸如表43，表45为导轨的尺寸及负载能力。导轨的标准长度如表44，选取导轨的标准长度为820MM。表43FV型滑块的尺寸及安装尺寸表44导轨的尺寸及负载能力内蒙古工业大学本科毕业设计说明书28表45导轨的标准长度462额定行程寿命的计算在直线导轨系统的使用中，除了已知负载外，那些未知的震动和冲击也必须计算在内。而且，硬度和温度也是影响寿命的主要因素。上述选取的FV系列SBS15FV型导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。则额定行程寿命为503MAXFCFFFFLAWCTH413式中L额定行程寿命KM；AC额定动载荷，AC458KN；MAXF滑块上工作载荷，MAXF1437KN；HF硬度系数，由图46，HF10；TF温度系数，由图47，TF10；CF接触系数，由表46，CF,081；WF载荷系数，由表47，WF10。将以上数值带入公式413可得KML30386050437158401810001013。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书29由于常见导轨的距离额定期望寿命为50KM，此导轨的额定行程寿命远大于50KM，则初选的导轨型号满足设计要求。图46硬度系数图47温度系数表46接触系数内蒙古工业大学本科毕业设计说明书30表47载荷系数47竖直滚动导轨副的计算选型471滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选择工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。对于竖直布置的工作台多采用双导轨，四滑块的支撑形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷由一个滑块承担，则单滑块所受的最大水平方向载荷用公式412计算2MAX4FGF式中F外加载荷2FF；G移动部件的重量G800N。将数值带入412得，NFGF615411876154987480042MAX。根据工作载荷初选海特滚动导轨，FV型导轨。型号为SBS15FV,其额定动载荷KNCA584，额定静载荷KNCOA387。导轨和滑块的尺寸及安装尺寸如表43、44。由表45，选取导轨的长度为820MM。472额定行程寿命L的计算在直线导轨系统的使用中，除了已知负载外，那些未知的震动和冲击也必须计算在内，并硬度和温度也是影响寿命的主要因素。根据上述因素选取的FV系内蒙古工业大学本科毕业设计说明书31列SBS15FV型导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100OC，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。利用公式413计算额定行程寿命为503MAXFCFFFFLAWCTH式中L额定行程寿命KM；AC额定动载荷，AC458KN；MAXF滑块上工作载荷，MAXF1188KN；HF硬度系数，由图46，HF10；TF温度系数，由图47，TF10；CF接触系数，由表46，CF,081；WF载荷系数，由表47，WF10。将以上数值带入公式413可得,KML552152250188158401810001013，由于常见导轨的距离额定期望寿命为50KM，此导轨的额定行程寿命远大于50KM则初选的导轨型号满足设计要求。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书32第五章PRO/E建模和仿真PRO/ENGINEER操作软件是美国参数技术公司（PTC旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。PRO/ENGINEER软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，PRO/ENGINEER作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。PRO/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。PRO/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。PRO/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。51主要部件建模及其简介511轴承建模的主要过程PRO/E建模比较简单，这里只是简单介绍一下角接触球轴承的建模，其余部件略去。机器人中的角接触球轴承如图所示。图51角接触球轴承内蒙古工业大学本科毕业设计说明书33具体的建模步骤如下1创建零件文件。2选择“旋转”工具，弹出旋转控制面板，单击“位置”按钮，在弹出的面板中单击“定义”，弹出“草绘”对话框。3选择基准面TOP为草绘平面，接受默认的参照与方向，单击“草绘”按钮进入草绘界面。4绘制完成后的草图如下图52所示。图52草图5单击“继续当前部分”按钮即对勾按钮，完成截面草图的绘制。接着单击旋转控制面板的“确定”按钮，模型效果下图53。图53内外圈内蒙古工业大学本科毕业设计说明书346选择“旋转”工具，弹出旋转控制面板，单击“位置”按钮，在弹出的面板中单击“定义”，弹出“草绘”对话框。7选择基准面TOP为草绘平面，接受默认的参照与方向，单击“草绘”按钮进入草绘界面。8绘制完成草图后，单击“继续当前部分”按钮即对勾按钮，完成截面草图的绘制。接着单击旋转控制面板的“确定”按钮，模型效果下图54。图54未阵列的角接触球轴承9选择刚绘制的圆球，然后选择“阵列”工具，弹出阵列控制面板。在“阵列方式”下拉菜单中选择“轴”选项，单击内圈中心轴。10在阵列控制面板的“阵列数”文本编辑框输入阵列数目10，“角度”文本编辑框输入阵列角度36，单击“确定”，模型效果如图55所示。（图中的倒角的步骤没有加进去，是为了说明书的简洁。）图55角接触球轴承的模型内蒙古工业大学本科毕业设计说明书35512机器人的主要部件及装配模型腕部电机装配图如图56所示。电机固定在外壳上，电机轴的转动带动底下圆盘的转动。外壳与小臂是销轴连接，为减少摩擦销轴处加轴承。外壳上的小孔与系杆铰接，作用是为保持无论在何运动状态下电机轴始终铅直向下。图56手腕部电机转配滚珠丝杠副装配如图57所示。滚珠丝杠副支承形式采用双推双推的支承形式。丝杠用销钉连接方式。轴承用轴承端盖和紧固件定位。滑块用滑动杆连接方式，可以沿着导轨滑动。圆螺母用圆柱连接方式，可以沿着滚珠丝杠螺旋向前移动。图57滚珠丝杠装配内蒙古工业大学本科毕业设计说明书36腰部电机装配如图58所示。联轴器通过键与轴定位。角接触球轴承通过轴肩和套筒来定位。推力球轴承与轴用销钉连接装配。推力球轴承用外壳来定位，将整个腰部以上构件的重力通过轴承传给整个外壳。最上面部分的大圆盘可以通过电机轴的转动带动腰部以上构件旋转一定角度。图58腰部电机装配整个机构的装配图如图59所示。图59整体机构的装配图内蒙古工业大学本科毕业设计说明书3752三维机构运动仿真的基本介绍521机构运动仿真的特点在PRO/ENGINEER中进行机构仿真运动的设计有两种方法一是MECHANLSM机构设计，它可以通过用户对各种不同运动副的连接设定，使机构按照实际的运动要求进行运动仿真。二是PRO/MEEHANLSMMOTION功能，该模块是一个完整的三维实体静力学、运动学、动力学和逆动力学仿真与优化设计工具。MOTION运动模块可以快速创建机构仿真模型并能方便的进行运动分析，从而改善机构设计、节省时间、降低成本。机构是由构件组合而成，而每个构件都以一定的方式至少与另一个构件连接。这种连接，既使两个构件直接接触，又使两个构件产生一定的相对运动。进行机构运动仿真的前提是创建机构，创建机构与零件装配都是将单个零部件组装成一个完成的机构模型，因此两者之间有很多相似之处。由零件装配得到装配体，其内部的零部件并没有发生相对运动，而由连接得到的机构，其内部的构件之间可以产生一定的相对运动。522机构运动仿真的工作流程建立仿真运动的一般步骤1创建机构中参与运动的不可缺少的零件模型。2选取合适的“连接”进行机构的装配，并进行必要的位置调整。3进入机构设计界面，进行仿真运动的参数设置，其中包括高级连接类型的设置，伺服电动机和分析定义的参数设置。在机构仿真运动设计研究中，用户可以通过对机构添加运动副，使其随伺服电动机一起移动，并且在不考虑作用于系统上的力的情况下分析其运动。使用运动分析观察机构的运动，并测量主题位置、速度和加速度的改变。然后用图形表示这些测量，或者创建轨迹曲线和运动包络。根据以上分析，机构运动仿真总体上可以分为6个部分创建图元、检测模型、添加建模图元、准备分析、分析模型和获取结果。523机构仿真运动装配连接的概念及定义常规的装配限制了元件、组件的所有自由度，而元件、组件之间的相对运动必须保留某个或几个方向上的自由度，因此在进行机构仿真运动的装配过程中需要引入“连接”定义，即能够限制主体的自由度，仅保留所需的自由度，以产生内蒙古工业大学本科毕业设计说明书38机构所适合的运动类型。连接在“装配”环境中建立，单击“元件放置”对话框中的“连接”字符即可进入连接设置状态，PRO/ENGINEER中共提供了N种连接模式，下面介绍主要的连接方式1刚性使用一个或多个基本约束，将元件与组件连接在一起，受刚性连接的元、组件属于同一主体，连接后，6个方向上的自由度被完全限制，相互之间不再有自由度。2销钉仅有一个旋转自由度，由一个轴对齐和一个与轴垂直的平移约束来限制其它5个自由度，元件可以绕轴旋转。3滑动杆仅有一个沿轴向的平移自由度，实际上就是一个与轴平行的平移运动，使用“轴对齐”和“旋转”两个约束限制其他5个自由度。4圆柱具有一个旋转自由度和一个沿轴向的平移自由度，元件可以绕轴旋转，同时可沿轴向平移，使用“轴对齐”的约束限制其他4个自由度。5平面具有两个平移自由度和一个旋转自由度，使用“平面”限制其他3个自由度，元件可绕垂直于平面的轴旋转并在平行于平面的两个方向上平移。6球具有3个旋转自由度。使用“点对齐”约束来限制3个自由度7。524机构的仿真运动进行运动仿真必须有动力源，我们选用伺服电机具体操作步骤如下单击菜单命令“应用程序”下的“机构”，系统会自动切换到机构设计操作界面。单击菜单命令“插入”下的“伺服电机”系统会自动弹出“伺服电机定义”对话框。设置相关参数，确定伺服电机的设置。伺服电动机设置好以后，就可以模拟运动效果，这里还需要对个别参数进行行设置，具体操作步骤如下1单击窗口右侧工具栏里的“定义分析”按钮，系统会自动弹出“分析定义”对话框，将其中的参数设置进行相应的设置。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书392切换到“电动机”选项卡，确认电动机已添加，然后单击底部“运行”按钮，检测运行状况，无误后关闭“电动机”选项卡，接着再关闭“分析定义”对话框。3单击窗口右侧工具栏里的“回放以前运动分析”按钮，系统会自动弹出“回放”对话框。4单击对话框中的“播放当前结果集”按钮，打开“动画”对话框。5单击对话框中的“播放”按钮，即可连续观测运动效果。通过机械系统的运动仿真可以观察到搬运机器人的运行情况，单击对话框的“运行”按钮查看搬运机器人的运行情况。具体的看视频内蒙古工业大学本科毕业设计说明书40第六章ANSYS有限元分析ANSYS软件作为世界著名的美国ANSYS公司最具盛名的CAE软件产品，自从引进国内之后，由于其具有结构、热流体、电磁和耦合场分析功能，并且功能体系完整强大，得到非常成功地应用和推广，应用于航空航天、军工、能源动力、船舶车辆通用机械等各个行业。ANSYS软件提供全新的CAD/CAE一体化平台，即WORKBENCH环境，它可以更好的实现与CAD软件的几个模型双向传递，并实现参数化模型的双向刷新。在本课题的研究中，小臂是整个结构中受力最大的杆，它的强度直接影响到整个系统的功能。因此，需要对其强度进行校核。分析小臂在受力下的变形，采用有限元法来分析小臂的受力变形。机器人小