工业机器人设计(大四机器人课设作业)(DOC)

1、匚业机器人”设计大作丄作品题目：货物装卸机器人姓名：班级：学号:姓名：班级：学号:姓名：班级：学号:指导教师：陈明专 业:机械设计制造及其自动化货物装卸作业是指用一种设备握持工件，是指从一个加工位置移到另一个加工位置。货物装卸机器人可安装不同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件货物装卸工作，大大减轻了人类繁重的体力劳动。目前世界上使用的货物装卸机器人愈10万台，被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛货物装卸、集装箱等的自动货物装卸。部分发达国家已制定出人工货物装卸的最大限度，超过限度的必须由货物装卸机器人来完成。装卸货物装卸是物流的功能要素之一，在物流系统中发生

2、的频率很高2设计方案论证本课题通过对货物装卸机器人工作对象及工作场所的分析研究，深入了解其工作是 如何进行，各部分零部件应该如何运行以及如何紧密配合，先确定其总体结构再对主要 零部件进行设计计算确定其尺寸大小以及确定电机型号。2.1基本思想（1）设计要考虑要求和工作环境的限制。（2）考虑到货物装卸货物时所需要精确度不是很高，为了简化结构，境地成本，采用 角铁焊接结构。（3）为了满足设计要求，须设计三个独立的电机驱动系统，各部分之间通过计算 机控制、协调工作。（4）本次设计只是该题目的机械部分，而对应控制部件的考虑较少。3仓库货物装卸机器人的设计计算3.1货物装载伸缩装置的设计3.1.1确定传动

3、方案我们所学的传动方式有以下几种：带传动、链传动、齿轮传动、蜗轮蜗杆传动和钢 丝绳传动等，一般地说，啮合传动传递功率的能力高于摩擦传动；蜗轮传动工作的发热 情况较为严重，因而传动的功率不宜过大；摩擦轮传动由于必须有足够的压紧力，故而 在传递同一圆周力时，其压轴力比齿轮传动的大几倍，因而不宜用于大功率传动。带传动具有结构简单，传动平稳，价格低廉和缓冲吸振特点。可是容易磨损松弛，易出现打 滑现象；链传动只能实现平行轴间同向传动而且运动时不能保持恒定瞬时传动比；齿轮 传动效率高，结构紧凑，工作可靠，寿命长，传动比稳定但是齿轮传动制造及安装精度 要求高价格较贵而且不宜用于传动距离过大场合。此次设计由于

4、机器人用于货物装卸，其货物装卸高度为500mm-2500mm，而且货物架需要灵活且运动平稳速度不宜过大，综合考虑以上因素本次设计采用蜗轮蜗杆减速器和钢丝绳传动。钢丝绳传动是利用摩擦力来传动的，而钢丝绳本身截面为圆型，且钢丝绳本身直径 很小，所以导致其摩擦面积很小，这样很不利于摩擦传动。上图中标号1的零件为传动用钢丝绳磙子，为了克服钢丝绳的摩擦面积小的缺点，将该部分设计成将钢丝绳在磙子 上缠绕几圈，以次来增加钢丝绳与磙子之间的接触面积，从而增加了摩擦力，增加了摩 擦传动效率。3.1.2选择电动机的类型与结构电动机在工业生产中实现生产机械的启动、停止以及速度调节，完成各种生产工艺 过程的要求，保证

5、生产过程的正常运行。电动机的型号有多种，主要有以下几种：直流 电动机、交流电动机（三相异步电动机、单相异步电动机、同步电动机）、伺服电动机而且货物装卸货物最大重量为40 kg，故因此应选用冶金及起重用三相异步电动等。交流电动机与直流电动机相比具有结构简单、制造容易、维护方便、运行可靠，价 格便宜，具有较好的稳态和动态特性，因此，它是工业中使用得最为广泛的一种电动机。 由于此次设计的机器人是应用于仓库货物装卸业， 而需要一个能够提供足够大动力的电机来提供动力， 机。3.1.3选择电动机的功率（容量）依据所选择的电动机额定功率应大于工作机所需的电动机功率由于考虑到动力设备不能与所货物装卸货物干涉，

6、因此动力设备应尽可能的占 用较少面积。因此选用电动机和蜗轮蜗杆整合在一起的动力设备，以此来减少所占 用的空间。 因此查表可选 丫系列三相异步电动机：德国动力设备GKS05-3MV071-32。该设备将蜗轮蜗杆减速器和制动设备整合在一起。有效的控制了动力设备所占 用的空间。3.1.4钢丝绳的选用根据伸缩装置与导轨的摩擦力以及钢丝绳作用种类为牵引及传动，所以选择钢丝绳种类为点接触钢丝绳，查表可选钢丝绳牌号为6*19。根据伸缩装置结构布局，查表选择钢丝绳直径为3mm。3.1.5钢丝绳磙子的设计因此设计其直径为 8mm，材料选用45号钢。其与磙根据伸缩装置的结构及功能需求，可知需要2种钢丝绳磙子。一种

7、为传动作用, 一种为导向作用。由于传动用钢丝绳磙子上受钢丝绳的径向载荷，因此设计其直径 为16mm，材料选用 45号钢。其与磙子支架之间以滑动轴承连接。由于导向用钢 丝绳磙子不与钢丝绳有载荷， 子支架之间以滑动轴承连接。1 一n上图为货物装载伸缩装置的侧视图，其中：（1）电机减速器 （2）钢丝绳 （3）货物伸缩托架 （4）链板及整体托架 磙子链条3.2底盘系统的设计3.2.1确定传动方案我们所学的传动方式有以下几种：带传动、链传动、齿轮传动、蜗轮蜗杆传动 和钢丝绳传动等，一般地说，啮合传动传递功率的能力高于摩擦传动；蜗轮传动工 作的发热情况较为严重，因而传动的功率不宜过大；摩擦轮传动由于必须有

8、足够的 压紧力，故而在传递同一圆周力时，其压轴力比齿轮传动的大几倍，因而不宜用于 大功率传动。带传动容易磨损松弛易出现打滑现象；齿轮传动制造及安装精度要求 高价格较贵而且不宜用于传动距离过大场合；链传动与摩擦型带传动相比，链传动无弹性滑动和整体打滑现象，因而能保持准确的平均传动比，传动效率高；又因为 链不需要像带那样张得很紧，故而作用于轴上的径向压力较小；链条采用金属材料 制造，在同样的使用条件下，链传动的整体尺寸较小，结构比较紧凑，多用于低速 重载。综合考虑以上因素本次设计采用蜗杆减速和链传动。3.2.2选择电动机的类型与结构电动机在工业生产中实现生产机械的启动、停止以及速度调节，完成各种生

9、产 工艺过程的要求，保证生产过程的正常运行。电动机的型号有多种主要有以下几种： 直流电动机、交流电动机（三相异步电动机、单相异步电动机、同步电动机）、伺服电动机等。交流电动机与直流电动机相比具有结构简单、制造容易、维护方便、运 行可靠，价格便宜，具有较好的稳态和动态特性，因此，它是工业中使用得最为广 泛的一种电动机。由于此次设计的机器人是应用于仓库货物装卸业而且货物装卸货 物最大重量为 40 kg,故而需要一个能够提供足够大动力的电机来提供动力，因此 综上所述选用冶金及起重用三相异步电动机。323选择电动机的功率（容量）依据所选择的电动机额定功率应大于工作机所需的电动机功率 即：式中电动机额定

10、功率，单位为KW；工作机所需的电动机功率，单位为KW；已知所需电动机功率由下式计算,式中巴工作机所需有效功率，由工作机的工艺fa力及运行参数确定。电动机到工作机的总效率。式申7传动装i的总效率.%为涡轮蝎杆传动效率,其大小为66%为链传动传动效率，其大小为99%。"«承为滚动轴承传动效率，其大小为99%。联为联轴器传动效率，其大小为99%。，查表可选Y系列三相异步电动机：德国动力设备I)V132S6o 额定功率4=3Kw22. 98Kw3. 2.4确定电机转速车轮转速几=60%曲 /, = 1012 (2 = 1. 5224）x60 = 9001400%曲符合这一范围的同步

11、转速为1000 %仙电机主要性能参数如下所示表3.1电机主要性能参数Table 3.1 the main performance parameters of the motor几(Kw)几)COSON丿心肿xioj(N 加)nnix毛虫（心）760722187275633. 2 5计算传动装置的总传动比和分配各级传动比(1) 传动装置总传动比为:n 60M电机主轴转速。 一一车轮主轴转速。(2) 分配传动装置各级传动比:式中一一减速器的传动比。J 一一链轮的传动比。减速器选用蜗轮蜗杆减速器型号为KWLlOOo传动比r； = 125o 中心距a = IOOm/17额定输入功率3.44KWO额定输

12、出转距37& 4N 32. 6计算传动装置的运动和动力参数(1)计算各轴转速“吕=竺=76吵."r 12.5 /mm刃11电动机输出转速。 截速器输出转速。 «m车轮主轴转速。(2)计算各轴功率£ =弓久=2.98x0.96= 2.68 A；ivPfi = Pt 咸=2.68x0.866= 248KwPm = P於% = 2.48xO.98O.92 = 2.00Kr(3) 计算各轴转矩p2 98T, = 9550亠=9550- = 29 GN 加 "/960p2 48r, =9550 = 9550= 3O8A.P90/Tm = 9550亠=955

13、0 = 334.25N - in " m 603- 2,7传动零件的设计计算(1)链轮及链的设il创1)链轮齿数小链轮齿数Z, =29-2（； =29-2x 1.28=26.22 取乙=27大钱轮齿数Zj =27xL28=34.56 lU 7=352）设计功率=空=4卄K.K,1.34x1查表得其数值为lo式+ g链轮工作状况系数，Ke琏轮齿数数.查表得其数值为hSh 心链轮#数糸数.查表得其数值为氛3）镯定彼节距根据巴=1箔Km和®刃6. 8%仙在图表中查得链号为12A节距为P习9.减小运动不均匀性和减小动載荷考虑采用12A双排醸子链，这样可以使传动n初定轴间距山尸因结构

14、为未眼定&" M < 3050p），暂取5*田3祁二師& 1 oiUTiL =+ (厶"Zy'户2见即 "2x35 卩 35+27=1+-(3527尸235/1 S-9 L 0 Imin6）计算中心距580.52mmy = _ 厶 PH60x10007）确定润滑方式60x100027 X 19*05 X 76.S 八一” =O.ODV5根据链速V和链号.查图8-14.确定采用人工定期润滑£8)计算链条作用在轴上的力Fp糾传递功率P产生的有效圆周力FI型=竺竺史=3753NV0,66链传动的压轴力Fp可近似取为Fpa KfpF

15、=3753x 1 15=4316N式中F-一链条传递的有效圆周力，单位为N。Kfp一一压轴力系数，对于水平传动KfPh. 15且无瞬时冲击载荷，不需验算链条靜强度安全系数。(2)链轮林料因为较重要的传动链轮林料均选35号钢，热处理后硬度为160200HBo由表选择轅子链的参数和尺寸，节距 =19. OSnuiu排距P, = 22.78加加，轅子外径4 = 11.91如分度圆直径分度圆弦齿高1)大链轮d 212mm 18(rsin0 8/jz =(0.625 » 05d, =6385ram心 mm =°5(-4)=357mm齿顶圆直径= + l25"-d,=224m

16、m1,6d =</ + (!) P - </ =218mma DKfl'* <r齿根圆i径d f = d d =2OO,O9mmI QZ)d < ycol -LO4/-O.76z2）小链轮图33链轮的结构示意图分度圆直径齿顶圆直径=d+l25p-d严 17612mmd = P = 164.22mm.i8(rsinzL6"c. = d + (1)p - dy =170mmZ齿很圆直径dF = J = 15231 mm齿侧凸缘i径d& <1.04/ 0.76cL = I94/W/o分度圆弦齿高0 8力=(0625 + )r- 0.5=6.5m

17、ni亿"°"f )=3. 57iun联轴器的选择联轴器是机械传动中的一种常用轴系部件，它的基本功用是联接两轴，并传递 动力和转矩。联轴器联接的两轴，只有在其停车后并经过拆卸才能被彼此分开。在 机械中应用联轴器，可以方便地将组成机器的各个部分连接起来，有利于机器的设 计、制造、运输和维修。联轴器的类型很多，通常根据相对位移有无补偿能力划分为刚性联轴器和挠性 联轴器两大类刚性联轴器对相对位移无补偿能力，且全部由刚性零件组成，也没有缓冲减震 能力，故适用于被联接的两轴严格对中，在和平稳的场合。挠性联轴器因具有挠性，对相对位移具有补偿能力。他按是否具有弹性元件又 分为无弹

18、性元件的挠性联轴器和有弹性元件的脑性联轴器两种。有弹性元件的挠性 联轴器，可以依靠弹性元件的变形与蓄能性来缓冲、减振、改善传动系统的工作性 能。选用GB/T5843 1986 YL型凸缘联轴器。（5 ）滚动轴承的选择选择轴承时，首先必须了解和掌握所需配备轴承的机械设备性能，再根据各类 轴承的技术特性和具体工作条件等要求进行轴承类型的选择，最终应该满足设备的 使用要求。具体选择时可以参考以下几个方面：1）轴承的载荷轴承所承受载荷的大小、方向、和性质是选择轴承类型的主要依据。一般棍子轴承的承载能力大于求轴承，并且承受冲击载荷的能力强，所以载荷较大的工作场 合，优先选用棍子轴承。轴承承受纯径向载荷时

19、，可以选用深沟球轴承，圆柱滚子轴承或者滚针轴承； 所承受纯轴向载荷，可选用推力轴承；当径向载荷和轴向载荷联合作用时，一般选 用角接触球轴承和圆锥滚子轴承；若径向载荷很大，而轴向载荷很小时，也可以选 用深沟球轴承，若轴向载荷很大，径向载荷较小时，可用推力调心滚子轴承，也可 用圆柱滚子轴承或者深沟球轴承和推力轴承联合使用。2 ）支撑限位要求：可以承受双向轴向载荷的轴承，可以作固定支撑用。只承受单向轴向载荷的轴 承可以作单向限位支撑。游动支撑轴向不限位，可使轴在支撑上自由伸缩游动，此 时可用内，外圈不可分的向心轴承在座孔内游动，也可以用内，外圈可用的圆柱滚 子轴承，其内，外圈相对游动。3 ）轴承的调

20、心性能当轴的中心线与轴承座中心线由于加工、安装等误差的影响而不重合时，或因 受力后使轴向弯曲而挠度较大时，会造成轴承的内外圈轴线发生偏斜，这时应该选 用调心性能好的调心球轴承或者调心滚子轴承，使轴的偏转角控制在需用值以内， 否则会降低轴承寿命。4）轴承的安装和拆卸方便地装拆轴承，也是选用轴承类型时应该考虑的因素之一。当轴承座保护是剖分式而必须沿轴向安装和拆卸轴承时，应优先选用内外圈可分离的轴承。上边所设计的底盘钢架结构由材料力学知识计算能够满足设计要求且具有成本 低的特点。此底盘的扩展空间较大，可适合于各种方位的货架，并且具有较高的承 载能力。可以满足提升各种货物的需求。3.3升降装置的设计3

21、.3.1确定传动方案我们所学的传动方式有以下几种：带传动、链传动、齿轮传动、蜗轮蜗杆传动 和钢丝绳传动等，一般地说，啮合传动传递功率的能力高于摩擦传动；蜗轮传动工 作的发热情况较为严重，因而传动的功率不宜过大；摩擦轮传动由于必须有足够的 压紧力，故而在传递同一圆周力时，其压轴力比齿轮传动的大几倍，因而不宜用于 大功率传动。带传动容易磨损松弛易出现打滑现象；齿轮传动制造及安装精度要求 高价格较贵而且不宜用于传动距离过大场合；链传动与摩擦型带传动相比，链传动 无弹性滑动和整体打滑现象，因而能保持准确的平均传动比，传动效率高；又因为 链不需要像带那样张得很紧，故而作用于轴上的径向压力较小；链条采用金

22、属材料 制造，在同样的使用条件下，链传动的整体尺寸较小，结构比较紧凑，多用于低速 重载。综合考虑以上因素本次设计采用蜗轮 蜗杆减速和链传动。3.3.2选择电动机类型与结构电动机在工业生产中实现生产机械的启动、停止以及速度调节，完成各种生产 工艺过程的要求，保证生产过程的正常运行。电动机的型号有多种主要有以下几种： 直流电动机、交流电动机（三相异步电动机、单相异步电动机、同步电动机）、伺服电动机等。交流电动机与直流电动机相比具有结构简单、制造容易、维护方便、运行可靠， 价格便宜，具有较好的稳态和动态特性，因此，它是工业中使用得最为广泛的一种 电动机。由于此次设计的机器人是应用于仓库货物装卸业而且

23、货物装卸货物最大重 量为kg,故而需要一个能够提供足够大动力的电机来提供动力，因此综上所述选用 冶金及起重用三相异步电动机。联轴器联接的两轴，只有在及其停车后并经过拆卸才能被彼此分开。在机械中 应用联轴器，可以方便地将组成机器的各个部分连接起来，有利于机器的设计、制 造、运输和维修。 联轴器的类型很多，通常根据相对位移有无补偿能力划分为刚性 联轴器和挠性联轴器两大类。刚性联轴器对相对位移无补偿能力，且全部由刚性零件组成，也没有缓冲减震 能力，故适用于被联接的两轴严格对中，在和平稳的场合。挠性联轴器因具有挠性，对相对位移具有补偿能力。3.4重心与整机性能的关系货物装卸机器人的重心是机器人所受外力的合力的作用点。质心的位置，与受力的情况有密切的关系，直接影响轴荷分配、稳定性和平顺性以及制动、驱动和坡道行驶时的 前后轴质量的转