【《码垛机器人整体机械结构设计案例》4600字】

码垛机器人整体机械结构设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u16480码垛机器人整体机械结构设计案例 1289391.1码垛机器人整体机械结构设计 131221.2码垛机器人机械抓手设计 25691.3码垛机器人丝杠螺母副的设计 373951.3.1.Z轴滚珠丝杠螺母副计算 374491.3.1.X轴和Y轴滚珠丝杠螺母副计算选型 662841.5轴承的选用 8112331.5.1Z旋转轴轴承的选用 8130611.5.2Z轴滚珠丝杠推力球轴承的选型 891191.6锥齿轮的选型 890721.7总体支架的受力分析 11174201.8码垛机器人三维图 111.1码垛机器人整体机械结构设计机构简图如图1.1：图1.1机械结构简图如图1.1所示该堆垛机器人的线性表分别为x轴、y轴和z轴。转台为r轴。整个机构用螺栓固定在底架上，四个工作台相互配合完成货物进出。x轴和y轴的结构基本相同，传动是以滚珠丝杠为基础的，但行程不同。由于z轴承载能力不高，考虑成本，通过y轴进行。直角坐标机器人的结构在工业上有着广泛的应用。r轴安装在y轴上，通过蜗杆实现水平旋转。在传统堆垛机的基础上，本文设计的堆垛机器人具有以下特点:首先，直角坐标的设计可以节省空间，具有理想的经济效益;其次，滚珠丝杠传动和直线导轨支撑既能保证刚度要求，又具有良好的定位精度;最后，货叉伸缩运动是在立柱的底部。随着机器人重心的减小，系统的稳定性得到了更好的保证。1.2码垛机器人机械抓手设计下面分析夹紧物体需要的最小的力，受力分析如图2-2图2-2机械手受力分析结合力平衡方程可得：FNF1=FF求解根据本文的设计要求，物体的最大重量为26kg，重力为260n，因此夹紧力至少应大于130N。根据上述受力分析，F3=370N也可以求解。本文采用双气缸进行设计，因此每个气缸必须提供大于185n的力。考虑到压缩空气压力一般为0.8MPa，气缸最小直径为D1.3码垛机器人丝杠螺母副的设计x，y，z作水平运动的三轴的丝杠螺母副都要进行计算并使用。其中由于x轴，y轴丝杠螺母副运动方式和在一个平面上的特性决定了x，y轴可以使用同一种丝杠螺母副，但因为z轴做的是上下运动，所以必须要单独计算和校验。1.3.1.Z轴滚珠丝杠螺母副计算（1）最大工作载荷Fm根据z轴机械结构可知，z轴其他方向不承受任何载荷。只有一个来自于z轴驱动方向的载荷。其构成主要包括机械抓手，z轴旋转轴及其螺母、连接座。根据机械结构来看这部分重量不大于800N，得出Fz=800N。取丝杆螺母副的倾覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数取为μ=0.005。计算得最大工作载荷Fm（2）滚珠丝杆螺母座上最大动载荷FQ的计算

z轴最大行程速度可达V=800mm/s。我们取丝杠的导程为Ph=5mm，之后计算丝杠的最大速度n=vPh=500r/s=3000r/min。取滚珠丝杠螺母副的使用寿命T=15000h，代入计算公式L0（2-3）螺母座二维图如图2-3所示，，图2-3螺母座(3)丝杆螺母副型号的选择

据此计算了丝杠的最大动载荷和初始导程。选择由济宁博特精密丝杠制造有限公司制造的GD系列4005-4滚珠丝杠副，引线Ph=5mm，公称直径40mm。选择的滚珠丝杠副为双螺母式内循环固定换向器，它的循环球为4圈×2系列，精度等级能取到5级，额定动载荷为15307N，其参数远大于按上述公式计算出的（4）所选丝杆螺母副传动效率η的计算

依据上面计算得出公称导程Ph=5mm，直径d0=40mm，代入公式中，计算得出丝杠螺旋升角为。将查资料得出的导轨摩擦角和计算得出的丝杠螺旋升角，代入公式中，得出传动效率为。

（5）滚动丝杆螺母刚度的验算

1）z轴丝杠上端由角接触推力球轴承固定，z轴丝杠下端由角接触推力球轴承固定。通过计算可得上、下支座中心距离为a=1700mm;通过计算可得钢的弹性模量为ES=2.1×105Mpa;查资料得出丝杠的底径为d2=36.2mm，直径为。据此可以计算出丝杠的截面积为。然后计算工作荷载（2-4）

2)根据计算公式，可得单圆球数为;球的转数×柱数为4×2，可计算出总球数。丝杠预紧时，通过计算可得轴向预紧力，球与螺纹滚道之间的接触变形量经查资料得出。3)用上面计算的总和代进公式中则可以算出丝杠的总变形量。查资料得丝杠总变形量，因为计算得出5级精密滚珠丝杠的有效行程在，在这个时候行程偏差可达65m，远超本文的丝杠钢度要求，满足校验要求。Z轴联接座二维图如图2-4所示图2-4Z轴联接座(6)滚珠丝杆螺母副的压杆稳定性校核

失稳临界荷载Fk经查资料可以得出。取其支承系数；根据计算结果丝杠底径，就可以推出截面惯性矩为；在丝杆垂直安装的情况下，取压杆稳定安全系数为K=2.5；查资料得出滚动螺母到轴向固定处的距离应为，则可以得出临界载荷为，比工作载荷大大得多，所以此丝杠并不会出现失稳这种情况。根据上面的计算和论证，这里所选择的GD系列4005-4型滚珠丝杠副满足校核要求。1.3.1.X轴和Y轴滚珠丝杠螺母副计算选型需要指出的是，两个水平运动的轴和z轴可以选择相同规格的滚珠丝杠螺母副，我们可以通过对x轴进行受力分析来研究其机械结构，z轴的计算方法在可以拿来套用。丝杆螺母最大工作载荷Fm假设机械抓手抓住他能承受的最大重量，码垛机器人又以它的最快速度运行，这个时候它只承受垂直于工作台的载荷FZ=1500N。这里估计运动部件的总重量不超过G=2000N，取K=1.1，Fm（2）滚动丝杆螺母副的最大动载荷FQ在x轴运行时，最大行程速度也可以达到v=1000mm/s，丝杠的导程经查资料取Ph=5mm，推出丝杠的寿命系数为L0（2-6）（3）型号选择

根据上面的论证得出的最大动载荷和螺钉,以及长轴螺旋,这些部件承受的载荷一大半全是径向载荷,为了使其正常运行,这里选择大直径螺杆,和GD系列2005−3滚珠丝杆副由济宁补偿精密螺丝制造有限公司可选择具有相同z轴的有限公司。选择的螺杆额定动载荷经查为15307N，其强度超过FQ很多，满足校核要求。经过上面的验算可以确定刚度校核和压杆稳定性校核都符合要求，所选滚珠丝杠副能满足刚度需求。1.4x轴和y轴直线滚动导轨副的选型（1）确定滑块的工作载荷以及导轨的选型工作载荷会直接影响到直线滚动导轨的使用寿命。x轴和y轴是同一水平面上的。其中y轴的机械结构是四个滑块和双导轨组成的，而x轴用的则是左右各一个导轨模块，而每个模块都是有四个滑块和双导轨组成的。y轴的运动和x轴相仿，这样两根轴用相同的导轨副就行，但是其中又因为x轴承受的载荷最大，所以选择x轴来进行计算。运行时，滑块在工作时有可能会承受垂直于工作平台的垂直载荷，将这样极端的情况单独计算以确保滑块强度足够。这样可以得出单个滑块上的最大垂直载荷为：（2-7）

估算运动部件的质量为G=2000N，外载荷Fmax=2000N，最大工作载荷由式代入(2-7)即可得到。经查资料得直线滚动导轨副的型号选择为KL系列JSA−LG35、查阅该型号的导轨副的参数可得到滚动导轨副的额定静载荷C0a=47.2KN和额定动载荷Ca=35.1KN。经查阅资料取导轨长度为2200mm。

紧接着计算使用寿命，计算公式如2-8所示：（2-8）得出的结果明显超过我们的期望值50km很多，经过上面的校验可得选择的导轨副符合设计要求，实物图如下图1.5所示。图1.5导轨副实物图1.5轴承的选用1.5.1Z旋转轴轴承的选用选择单向推力球轴承的原因是z旋转轴从始至终只受轴向力载荷，其轴向等效动载荷Pa=Fa，Fa为轴承所能承受的最大轴向力。根据设计任务书可以知道又因为机械抓手与物体的最大重量必须小于36kg，思考得出z轴向等效动载荷P1.5.2Z轴滚珠丝杠推力球轴承的选型又因为螺杆跟z轴旋转轴一样之只受向力载荷。所以，选择自然也和z轴旋转轴一样。其轴向等效动载荷Pa=Fa,Fa是轴承的最大轴向力。假设滚珠丝杠的最大动载荷可以采用，则得出轴向等效动载荷其滚动轴承额定寿命为L10===6.3×106r（2-9）其滚动轴承额定寿命为L10===3869893×106r（2-10）1.6锥齿轮的选型锥齿轮的初定电机最大输出转矩为11.2N·M，最高转速为12000r/min，平均转速为6000r/min，工作寿命15年。1）斜齿轮z1和z2的规格一样，传动比为1:1；2）选取齿轮齿数为Z=40；3）本次设计的码垛机器人工作速度和功率都不怎么高，选用6级精度；4）选择材料为40Cr，调质处理，硬度HBS=241~286。（2）按齿面接触疲劳强度计算：1）以大端参数为标准值。初始齿宽系数，取载荷系数，节锥角取δ=45o，HBS=260，经查阅资料得σHlim=539Mpa。2）查阅资料可得齿轮区域系数ZH=2.53）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=60n1经查阅资料，得KHN=1。4)计算接触疲劳许用应力许用接触应力为：[σH]=KHNδlim/S=539Mpa（2-12）5）按齿面接触强度设计传动（2-13）齿轮模数（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（2-14）许用应力：经查阅资料，得YFa=1.77（2-15）（2-16）（2-17）（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（2-18）分度圆直径d=Zm=40×2=80mm齿宽，圆整取b=17mm（6）锥齿轮设计结论从动齿轮参数一样，齿数为Z=40，模量为m=2mm，斜角为δ=45°，齿宽为锥齿轮二维图如图2-6所示图2-6锥齿轮1.7总体支架的受力分析因为机器人的主要载荷是由导轨底座承担的，所以这里需要针对性地对x，y轴的导轨底座进行强度分析。（1）y轴的强度分析导向底座的材料为铸铁。y轴有两个导向底座。总最大垂直载荷约为3000N，所以单个导向底座承受的最大垂直载荷约为1500N。计算方法采用分析极端情况：当y轴向中间移动时，就可以得到某一截面内的最大拉应力。同理也可以得到最大拉应力。已知导轨底座铸铁梁的载荷和截面尺寸等数据，铸铁的许用拉应力[σt]=30MPa，许用压应力[σc]=160MPa。已知截面对质心轴X的转动惯量为Ix=144.2400×104mm4，[y1]=31mm。根据平衡方程，计算梁的受力为F1=0.75KN最大的载荷应在中间的截面，此截面的弯矩为M1=1.5×0.9=1.35kN•m，拉应力求得：（2-19）根据上面的计算方法也可以得出计算得出结论最大压应力没有超过许用应力的结论，强度条件满足校核需要。x轴的强度分析根据上面详细的计算过程可以得出x轴导轨的最大拉和压应力没有大于许用应力，强度条件满足检核需要。1.8码垛机器人三维图码垛机器人三维图如图1.8所示：图1.8码垛机器人三维图第一部分是机架。立柱、天轨、地轨等结构组成了码垛机器人的支撑机构其中地轨的主要是负责支撑立柱的运行，天轨的主要负责的功能是保证框架的垂直性。第二部分是行走机构，它位于堆垛机的底架上，主要用于堆垛机的行走