【《某图书馆辅助机器人机械部分的设计计算过程案例》4700字】

某图书馆辅助机器人机械部分的设计计算过程案例目录TOC\o"1-3"\h\u12152某图书馆辅助机器人机械部分的设计计算过程案例 1291941.1手爪夹持器结构设计与校核 232471.1.1手爪夹持器的设计 2274911.1.2夹持器设计计算 35901.2升降方向的电动缸设计 4101531.2.1滚珠丝杠的精度 4122161.2.2滚珠丝杠参数的计算 4194201.3伺服电机的选择 8175131.1.1最大负载转矩的计算 8302091.1.2负载惯量的计算 9186671.4水平方向电动缸的设计 10114681.4.1导程确定 10287391.4.2确定丝杆的等效转速 1024931.4.3确定丝杆的等效负载 11159021.4.4确定丝杆所受的最大动载荷 11228481.4.5精度的选择 12284161.4.6选择滚珠丝杆型号 1221731.5校核 13140811.5.1临界压缩负荷验证 1347581.5.2临界转速验证 14129101.5.3丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率 1575721.6电机的选择 1653181.6.1电机轴的转动惯量 16315361.6.2电机扭矩计算 171.1手爪夹持器结构设计与校核1.1.1手爪夹持器的设计对于手爪夹持器的设计，应该根据所夹书籍的状况，所使用的手爪形式是连杆杠杆式。并且它能够经整个活塞进行反复的运行，而且经过活塞的中间，扇形，以及杆端齿条能够将整个手指进行打开以及关闭。因此需要拥有以下几个特点：1．有适当的夹紧力夹持器在夹取书籍的过程中，在不损害书籍的情况下，确定好合适的夹紧力，可以在夹取的过程种更加稳定一些，形变量小。对于易损的书籍，设计的整个过程中需要能够将夹紧力的大小随时进行调整，像那些厚重的书籍需要思考的是对于夹持书籍的整个过程中的安全问题，所以可以对其使用自锁装置；2．有足够的开闭范围其次是对于整个的打开以及最终关闭的范围应该设计完善，在整个夹持的过程当中会有一个手指张开以及进行关闭，其它们张闭能够最大承受的变化就叫做开闭范围，正常情况的前端都会存在开闭装置，可以用夹持器张开与闭合的角和夹指的距离来对其说明。一般使用的都是夹持式手臂，相对来说多见的是两指的情况偏多，也有少部分是多指的情况。回转型的手指有着不大的开闭角，并且有着简易的制作流程，没那么繁琐的架构，并且能够广泛的使用在诸多场合当中。移动型的手指相对来说，有着很繁琐的架构，在移动手指夹持那些能够改变的直径的过程中，轴心的位置没有受到影响，进而不一样直径的构件它都能够进行夹持，因此要将整体的范围进行完善的设计。3．力求结构简单，重量轻，体积小夹持器在工作时的运动状态经常变化，它的运动状态直接影响整个机械手抓取的重量、定位的精度、运动的速度等。所以在设计夹持器前端的位置时，它的结构应该简单一些，重量轻一些。4．强度和刚度最后是对于强度和刚度的要去，在夹取的时候，夹取的强度要确保合适，并且刚度的相对标准需要高一些，因此使用的是两指钳抓，并且是外卡式的。1.1.2夹持器设计计算当机器人工作时，夹持器应该满足[3]：（3-6）式中，夹持器需要的夹紧力；安全系数，取；动载系数，惯性力可按算，为机械手在搬运工件过程的加速度，，为重力加速度；方位系数，查表选取；假设被抓持工件的重；带入数据，计算得：；理论驱动力的计算可得[3]：（3-7）式中：为柱塞缸所需驱动力；回转支点的垂直距离；为扇形齿轮分度圆半径；为手指夹紧力；齿轮传动效率，选为；为扇形齿轮分度圆直径；将其代入以后就能够运算出：1.2升降方向的电动缸设计1.2.1滚珠丝杠的精度对于滚珠丝杠选取的材料应该选取的等级为级精度等级，所以开始设丝杠在能够运行的路程为时，行程偏差允许达到。1.2.2滚珠丝杠参数的计算（1）最大工作载荷的计算丝杠能够承受的极限荷载力表示的是在整个运行的过程中能够拥有的极限摩擦力以及进给力，设该向能够承受的极限进给力=5000N，并且整个移动构件的质量大概设为，摩擦系数为，所以能够将最小的载荷[3]：(1.3)最大载荷是：(1.4)平均载荷是：(1.5)（2）当量动载荷的计算滚珠丝杠副类型的选取最关键的两个参数就是通过动荷载还有整个导向的路程，并且选取的准则是：①滚珠丝杠的静载荷应该小于额定静载荷,即;②滚珠丝杠的动载荷应该小于额定动载荷,即。驱动电机最高转速丝杠最高的转速是，整个工作台能够给予的最小进给力的速度表示的是，多以丝杠最低的转速是，也可直接归，所以平均转速。丝杠能够使用的最大期限，所以整个丝杠能够使用的最大期限[3]：(1.6)==900（h）当量动载荷值[3]：(1.7)式中：——载荷性质系数，取值；——精度影响系数，对4、5级精度的丝杠取。根据要求去，，代入数据得通过将获取的动载荷还有开始选取的丝杠导程，经过整个滚珠丝杠试验品的调查以后，选取FF6310-5型滚珠丝杠副，它的公称直径是，导程为，精度等级取5级，额定动载荷是，大于最大计算动载荷，所以能够达到设计的标准。表1.1滚珠丝杠螺母副的几何参数名称符号计算公式结果公称直径（mm）63导程(mm)P10接触角钢球直径(mm)螺纹滚道曲率半径(mm)螺纹升角(mm)偏心距(mm)丝杠大径(mm)丝杠小径(mm)螺杆接触点直径(mm)螺母螺纹大径(mm)螺母小径(mm)（内循环）（3）传动效率的计算将公称直径，导程，代入，的丝杠螺纹升角。将摩擦角，代入，得传动效率。（4）刚度的验算本系统的丝杠使用的构架方式是通过一端的浮动以及另一端的端向进行稳固的方式。一般在稳固端使用的是直接接触轴承，并且另一端也能够直接跟轴承进行接触的丝杠。1.滚珠丝杠滚道间的接触变通过，能够将单圈滚珠数求出，并且整个滚珠为的圈数×列数，然后代入到中，能够得出滚珠的数目为。丝杠预紧的整个过程中，将预紧力表示为时。查阅《机械设计手册》可得：（1.10）式中。代入数据得；b、丝杠在整个运行过程中的载荷的抗压变形在丝杠的两头所运用的是角接触球轴承，距离轴承中心的距离，钢的弹性模量,由表1.1中可知，，，所以丝杠它的横截面积[3]：()根据公式[3]：C、总的变形丝杠的有效行程为，丝杠对于在形程500—630mm内，它能够给予的误差能够到达30μm,，所以能够达到刚度的标准。（5）稳定性的验算由丝杠底径=41.3mm求的截面惯性矩，压杆稳定安全系数，滚珠螺母至轴向固定处的距离取最大值，公式中取支撑系数代入公式得：(1.10)则大于，所以不会出现稳定的问题，因此能够达到使用的标准。（6）临界转速的验算设没有出现共振的极限转速为。因此代入以下公式：式中：丝杠支承系数代入数据得：,所以临界速度相对转速大，因此不会出现共振的现象。（7）滚珠丝杠的选择与安装尺寸的决定通过上述的计算来看丝杠型号能够达到标准，所以使用的是该型号的安全尺寸。（8）丝杠支承的选择本次设计丝杠能够支撑的是一边稳固，另一边能够进行移动的装置。1.3伺服电机的选择1.1.1最大负载转矩的计算由于选择的电机的额定转矩需要比极限承受的负载转矩要大。所以能够承受的极限转矩T能够通过以下的公式进行运算：(1.12)最大的载荷，丝杠导程，预紧力有上述计算（1.10）可知，可以经过运算其机械效率为，并且摩擦力矩：(1.13)通过翻阅《机械设计》可以知道单独一个的轴承摩擦力矩是，那么两个轴承的摩擦力矩是。则最大负载转矩：伺服电机的额定转需要比目前的值要大。1.1.2负载惯量的计算伺服电机的转动惯量需要跟负载惯量对应。负载惯量能够经过按压来运算，并且其重量是，直到电动机轴的惯量能够运算至电动机轴上的惯量，(1.14)式中：——为滚珠丝杠导程；——质量。经过公式将电动机轴的惯量加以运算的： (1.15)可表示联轴器和锁紧螺的惯量，通过查阅《机械设计》可知，即。负载总惯量运算的公式：转子惯量需要达到的要求是能够跟负载惯量进行完善的对应。所以通过资料，能够与之对应的标准公式为：(1.16)则所选应在范围之内。根据上述计算可选用交流伺服电机型，其额定转矩为，最高，转动惯量。1.4水平方向电动缸的设计滚珠丝杆副的整个构成是通过滚珠，丝杆与螺母共同建立的一个架构。其中滚珠丝杆副最关键的效果是将直线和旋转这两个领域的运动对其加以变换，并且螺母与丝杆内部使用的是滚珠。假设X能够承受的极限路程为，假设能够承受的极限进给速度是,对于质量设计大约是,整个移动的构件大约的质量使用，工作台能够承受的极限路程是。1.4.1导程确定异步电动机的最高转速最大转矩，则丝杠的导程为所以取1.4.2确定丝杆的等效转速丝杠基本公式：进给转速等效转速式中取故1.4.3确定丝杆的等效负载工作负载的概念是在机床运行的整个过程中，真实使用的作用于滚珠丝杆的轴向压力，这个数值需要的运算公式是进给力。选定导轨是用的是可移动导轨。摩擦系数为，是颠覆力矩影响系数取，则丝杆所受的力为：其等效载荷按下式计算：式中取，1.4.4确定丝杆所受的最大动载荷负载性质系数，取温度系数，取硬度系数，取精度系数，取可靠性系数，取等效负载等效转速工作寿命，取丝杆的工作寿命为由上式计算得1.4.5精度的选择对于机器人最关键的参数还有定位的精度，如果定位的精度不足，就会出现不能够达到想要的功能标准，如果准确度过高，就会出现过高的成本。所以对于物料电动机器人整体的定位精度设置为，并且该机器人的所有构件的基本参数都能够通过以上了解的物料电动机器人的诸多零件的时间以及对应的路程来进行决定，正常情况下对于刚开始的设计来说，设置的丝杠的全部路程变动量需要将给予的精度值比需要达到标准的精度值更小，大概在，并且最终的确认方法是最终的精度检验当中。1.4.6选择滚珠丝杆型号计算得出则公称直径丝杆的型号为公称直径丝杆外径钢球直径丝杆底径圈数圈刚度1.5校核干扰滚珠丝杆副的整个的拉压体系最关键的就是轴向拉压以及定位精度当中震动的稳固频率，并且它扭转的刚度会将整个的稳固评率干扰。能够承担轴向负荷的拉压系统有其自身的拉压刚度，并且丝杆副内通道的触碰刚度等诸多构件都会经过不同的支撑结合的形式来经过运算以后来进行确定。1.5.1临界压缩负荷验证临界压缩负荷的运算公式为：式中：材料的弹性模量最大受压长度（）安全系数，取最大轴向工作负荷（）丝杆支撑方式系数：丝杆最小截面惯性距（）丝杆螺纹不封闭长度Lu=工作台最大行程+螺母长度+两端余量支撑距离应该大于丝杆螺纹部分长度，选取代入上式计算得出可见，临界压缩负荷满足要求。1.5.2临界转速验证对于丝杠能够承受的极限转速为：式中：丝杆最小截面：临界转速计算长度，本设计中该值为安全系数，可取丝杠支承系数，取经过计算，得出，所以经过以上运算之后能够得出该转速能够达到预期的标准。1.5.3丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率丝杠系统的轴向拉压系统刚度的计算公式式中——丝杠最小横截面,；螺母座刚度。当导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中。经计算得：式中——滚珠丝杠副的拉压系统刚度；——丝杠副内滚道的接触刚度；——丝杠本身的拉压刚度；——轴承的接触刚度。通过以上的运算能够得到丝杠的固有频率能够比大，所有能够达到预期的标准。1.6电机的选择步进电机属于一类能够把数字的输入脉冲能够变换成为直线以及在旋转的整个运动当中的一种电磁实行器件，并且电机整体的回转角能够伴随着输入脉冲数的提高而随之提高，并且与之匹配的转速要求是根据输入脉冲的频率相当的，并且步进电机整体的惯量小，整个定位的准确度大，不会出现过大的偏差以及整个操控相对容易等诸多优势，因此该产品能够使用在所有机电产品内。使用这种电机的过程中要先确保步进电机整个的输出功率要比负载过程中要求的功率要大，并且还要将转动的惯量以及运行的环境等诸多要求考虑在内。1.6.1电机轴的转动惯量a、回转运动件的