碼垛機(jī)器人畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū).doc

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4.4.5 剛度的驗(yàn)算 .21 4.4.6 壓桿穩(wěn)定性校核 .22 4.5 水平滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型 .23 4.5.1 最大工作載荷的計(jì)算 .23 4.5.2 最大動(dòng)載荷的計(jì)算 .23 4.5.3 初選滾珠絲杠副型號(hào) .24 . .3 4.5.4 傳動(dòng)效率計(jì)算 .24 4.5.5 剛度的驗(yàn)算 .24 4.5.6 壓桿穩(wěn)定性校核 .26 4.6 水平滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算選型 .26 4.6.1 滑塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選擇 .26 4.6.2 額定行程壽命的計(jì)算 .28 4.7 豎直滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算選型 .30 4.7.1 滑塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選擇 .30 4.7.2.額定行程壽命 L 的計(jì)算 .30 第五章 PRO/E 建模和仿真 32 5.1 主要部件建模及其簡(jiǎn)介 .32 5.1.1 軸承建模的主要過(guò)程 .32 5.1.2 機(jī)器人的主要部件及裝配模型 .35 5.2 三維機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的基本介紹 .37 5.2.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的特點(diǎn) .37 5.2.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的工作流程 .37 5.2.3 機(jī)構(gòu)仿真運(yùn)動(dòng)裝配連接的概念及定義 .37 5.2.4 機(jī)構(gòu)的仿真運(yùn)動(dòng) .38 第六章 ANSYS 有限元分析 .40 結(jié)論 .46 參考文獻(xiàn) .47 謝辭 .48 . .1 第一章 緒論 1.1 課題的背景、來(lái)源及意義 近幾十年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展及科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，機(jī)器人在碼垛機(jī)、弧焊、 噴涂、點(diǎn)焊、搬運(yùn)、涂膠、測(cè)量等行業(yè)有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。機(jī)器人是一個(gè)在三維空間 中具有較多自由度，并能實(shí)現(xiàn)諸多擬人動(dòng)作和功能的機(jī)器。工業(yè)機(jī)器人則是在工業(yè)生產(chǎn)上 應(yīng)用的機(jī)器人，是一種典型的機(jī)電一體化裝置。工業(yè)機(jī)器人是用來(lái)搬運(yùn)材料零件工具等可 再編程的多功能機(jī)械手。它綜合運(yùn)用了機(jī)械與精密機(jī)械、微電子與計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制與驅(qū) 動(dòng)、傳感器與信息處理以及人工智能等多學(xué)科的最新研究成果。 碼垛技術(shù)是物流自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域的一門新興技術(shù)，所謂的碼垛就是按照集成單元化思 想，將一件件物料按照一定的模式堆碼成垛，以便使單元化的物垛實(shí)現(xiàn)物料的搬運(yùn)、裝卸、 運(yùn)輸、存儲(chǔ)、等物流活動(dòng)。在物體的運(yùn)輸過(guò)程中除了散裝的物體和液體外，一般的物體都 是以碼垛的形式進(jìn)行存儲(chǔ)或組裝，這樣即可承載更多的物體，又可節(jié)省空間。隨著物流的 飛速發(fā)展以及科技的突飛猛進(jìn)，碼垛技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其是在環(huán)境較惡劣或人工很 難做到的情況下。包裝的種類、工廠環(huán)境和客戶需求，物體的安全性等，使得碼垛成為越 來(lái)越艱巨的任務(wù)，為了克服這些困難，碼垛設(shè)備的各個(gè)方面都在不斷地發(fā)展改進(jìn)，如從機(jī) 械手到操縱它的軟件，現(xiàn)在對(duì)靈活性的需求也在不斷增加。 碼垛機(jī)器人是一種具有特殊功能的垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)器人，廣泛應(yīng)用于石油、化工、食 品加工、飲料等領(lǐng)域。可通過(guò)主計(jì)算機(jī)根據(jù)不同的物料包裝、堆垛順序、層數(shù)等參數(shù)進(jìn)行 設(shè)置實(shí)現(xiàn)不同型包裝的碼垛要求。而機(jī)器人碼垛技術(shù)是自動(dòng)化物料后處理成套設(shè)備中的關(guān) 鍵技術(shù)之一，隨著自動(dòng)稱重、包裝技術(shù)的發(fā)展和性能指標(biāo)的提高，對(duì)碼垛技術(shù)也提出了更 高的要求。碼垛機(jī)器人手臂應(yīng)具有一定的剛度和強(qiáng)度，防止彈性變形和斷裂。手腕搬運(yùn)的 東西較重，這對(duì)其精度提出了更高要求。 為滿足自動(dòng)化生產(chǎn)線產(chǎn)品搬運(yùn)及碼垛的要求,本課題要求設(shè)計(jì)一種碼垛機(jī)器人的機(jī)械結(jié) 構(gòu)部分。結(jié)合機(jī)、電、軟、硬件各自特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的基礎(chǔ)上，對(duì)碼垛機(jī)器人整體機(jī)械結(jié) 構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，提出了一套經(jīng)濟(jì)型設(shè)計(jì)方案。 1.2 碼垛機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)程及發(fā)展趨勢(shì) 自從２０世紀(jì)８０年代，我國(guó)碼垛機(jī)器人在國(guó)家支持下，通過(guò)“七五” 、 “八五”科技 . .2 攻關(guān)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，我國(guó)在機(jī)器人領(lǐng)域取得了很大成就。按機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)程，分 為三代機(jī)器人。第一代機(jī)器人，具有示教再現(xiàn)功能或具有可編程的 NC 裝置，但對(duì)外部信息 不具備反饋能力；第二代機(jī)器人，不僅具有內(nèi)部傳感器，能獲取外部環(huán)境信息。雖然沒(méi)有 應(yīng)用人工智能技術(shù)，但是能進(jìn)行機(jī)器人-環(huán)境交互，具有在線自適應(yīng)能力；第三代機(jī)器人， 具有多種智能傳感器，能感知和領(lǐng)會(huì)外部環(huán)境信息。目前碼垛機(jī)器人的應(yīng)用主要在以下兩 個(gè)方面。惡劣工作環(huán)境，危險(xiǎn)工作場(chǎng)合.這個(gè)領(lǐng)域的做業(yè)是一種有害于健康，并危及生命或 不安全因素很大而不宜于人去干的作業(yè)。例如在沖床上下料、采礦、鍛造等。 第二個(gè)是自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域。碼垛機(jī)器人可用來(lái)上下料、碼垛、卸貨以及抓取零件重新 定向等作業(yè)。一個(gè)簡(jiǎn)單抓放作業(yè)機(jī)器人只需較少的自由度，一個(gè)給零件定向作業(yè)的機(jī)器人 要求具有更多的自由度，增加其靈巧性。工業(yè)機(jī)器人具有減少勞動(dòng)力費(fèi)用、提高生產(chǎn)率、 改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量、增加制造過(guò)程的柔性、減少材料浪費(fèi)、控制和加快庫(kù)存的周轉(zhuǎn)、降低成本、 消除了危險(xiǎn)和惡劣的勞動(dòng)崗位。目前工業(yè)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)正處在一個(gè)蓬勃發(fā)展的階段，在先 進(jìn)的工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家里，工業(yè)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)與制造正在形成一個(gè)龐大的產(chǎn)業(yè)，全世界每年的 工業(yè)機(jī)器人銷售額可達(dá) 42 億美元。盡管如此，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)仍在不斷拓展，不斷向新的 領(lǐng)域進(jìn)軍。我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用前景十分寬廣的。但是，由于我國(guó)工業(yè)基礎(chǔ)比較薄弱， 勞動(dòng)力比較豐富、低廉，給工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展帶來(lái)一定的困難。只有符合我國(guó)的國(guó)情，才 能推動(dòng)和加快我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用。工業(yè)機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化是提 高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度，運(yùn)動(dòng)速度，減低成本和提高可靠性的重要途徑。近幾年各國(guó)注重發(fā) 展組合式工業(yè)機(jī)器人。它是采用標(biāo)準(zhǔn)化的模塊件或組合件拼裝而成。除了工業(yè)機(jī)器人用的 各種伺服電機(jī)，傳感器外，手臂，手腕和機(jī)身也以標(biāo)準(zhǔn)化。隨著機(jī)器人作業(yè)精度的提高和 作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜化，急需開(kāi)發(fā)新型的微動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)保證機(jī)器人的動(dòng)作精度，開(kāi)發(fā)多關(guān)節(jié)，多 自由度的手臂和手指及新型的行走機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)日益復(fù)雜作業(yè)需求。 1.3 課題的設(shè)計(jì)內(nèi)容 本設(shè)計(jì)主要是研究碼垛機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要工作內(nèi)容有以下幾點(diǎn)： 1) 了解搬運(yùn)機(jī)器人發(fā)展歷程、現(xiàn)狀以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，掌握碼垛機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)特 點(diǎn)以及基本構(gòu)成部分。 2) 對(duì)碼垛機(jī)器人的總體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)幾種方案，對(duì)比選出最優(yōu)方案。方案確定 后，對(duì)各個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)。包括腕關(guān)節(jié)電機(jī)、軸承、聯(lián)軸器的選擇；臂部材料的選擇、結(jié) 構(gòu)的設(shè)計(jì)、受力分析、關(guān)節(jié)處銷軸的校核、關(guān)節(jié)軸承的選型；傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：電機(jī)、聯(lián) 軸器、軸承的選型，滾動(dòng)絲杠、滑動(dòng)導(dǎo)軌的選型與校核；腰部電機(jī)、聯(lián)軸器、軸承型號(hào)的 . .3 選擇。 3) 用 Pro/E 進(jìn)行三維模型設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)各零部件的三維模型，并將設(shè)計(jì)好的零部件進(jìn)行 裝配，裝配完成后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。不斷改變參數(shù)，觀察機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是否發(fā)生變化。 4) 利用 ANSYS 軟件對(duì)主要受力構(gòu)件進(jìn)行有限元分析，生產(chǎn)應(yīng)變、應(yīng)力圖。 第二章 碼垛機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 方案的確定 碼垛機(jī)器人工作過(guò)程是往復(fù)循環(huán)的，由于關(guān)節(jié)式手臂運(yùn)動(dòng)形式工作范圍大、通用性強(qiáng)， 因此本文采用平行四邊形機(jī)構(gòu)作小臂驅(qū)動(dòng)器的關(guān)節(jié)式機(jī)械手。在此課題的研究中共設(shè)計(jì)出 三種方案，即方案一、方案二、方案三 。 方案一：如圖2-1所示。后大臂沿著絲杠向上運(yùn)動(dòng)，前大臂沿著絲杠想向右運(yùn)動(dòng)；后大 臂向下運(yùn)動(dòng)，前大臂向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)器人碼垛過(guò)程。此結(jié)構(gòu)能基本滿足設(shè)計(jì)要求，但 是由于前大臂、后大臂與小臂間通過(guò)銷軸連接，運(yùn)動(dòng)范圍小，且前大臂與后大臂不相連接， . .4 使得機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度低，運(yùn)動(dòng)不確定。 圖 2-1 方案一 方案二：如圖2-2所示，此機(jī)構(gòu)的前大臂與小臂通過(guò)移動(dòng)副連接，前大臂通過(guò)滑塊可以 沿著小臂滑動(dòng)，解決了方案一工作范圍小的缺點(diǎn)。但是由于前大臂與小臂組成移動(dòng)副，使 得摩擦阻力增加，運(yùn)動(dòng)效率低，成本高。此機(jī)構(gòu)中前大臂主要起支撐作用，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)主 要取決與后大臂，這使得此種方案的運(yùn)動(dòng)精度更低。 . .5 圖 2-2 方案二 方案三：如圖2-3所示，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理與圖2-1相同，此機(jī)構(gòu)構(gòu)成平行四邊形，運(yùn)動(dòng)具 有確定性，銷軸處有關(guān)節(jié)軸承，減少摩擦力，方案三改善了方案一方案二的不足之處。 圖 2-3 方案三 . .6 2.2 總體設(shè)計(jì)思路 碼垛機(jī)器人主要實(shí)現(xiàn)不同型包裝的碼垛物體的搬運(yùn)功能。在對(duì)碼垛機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式 簡(jiǎn)單了解以后，設(shè)計(jì)的思路還是很清晰的。 。本文主要進(jìn)行碼垛機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，要實(shí)現(xiàn) 碼垛機(jī)器人在半徑為1.5米的圓周內(nèi)的碼垛運(yùn)動(dòng)，必須由四個(gè)動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)，即腰部的旋轉(zhuǎn)、 后大臂的上下運(yùn)動(dòng)、前臂的前后運(yùn)動(dòng)和手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而且這四個(gè)動(dòng)作全部由交流伺服 電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 由于腕部轉(zhuǎn)速較低，特選用減速機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，而且要選擇重量輕的減速機(jī)。此時(shí)由于軸 立起來(lái)以后就有往下竄動(dòng)的趨勢(shì)，而且還要轉(zhuǎn)動(dòng)，既要保證軸的正常轉(zhuǎn)動(dòng)，其次還要軸一 定的支撐，由此引入了角接觸軸承。軸承型號(hào)7305C。電機(jī)軸與傳動(dòng)軸之間用聯(lián)軸器連接， 選擇A型平鍵套筒聯(lián)軸器。 機(jī)械手臂的材料和結(jié)構(gòu)的選擇。手臂材料要求強(qiáng)度高，彈性模量大，重量輕，阻尼大， 價(jià)格低，故選擇碳素結(jié)構(gòu)鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼。手臂做成工字型或打孔以減小重量，減少加工 面積。為保證機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的精度，將手臂設(shè)計(jì)成平行四邊行機(jī)構(gòu)。為減小摩擦，在手臂與手 臂、手臂與支撐架之間的銷軸處采用關(guān)節(jié)軸承。 為了使手臂傳動(dòng)準(zhǔn)確，手臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)增加了直線滾動(dòng)導(dǎo)軌作為導(dǎo)向裝置，這就要考慮 導(dǎo)軌的受力問(wèn)題，由于負(fù)載和手臂的重量基本都加在了導(dǎo)軌上，因此要進(jìn)行受力分析。手 臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用低速交流伺服電機(jī)帶動(dòng)滾動(dòng)絲杠副旋轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)前大臂的左右運(yùn)動(dòng)，后大 臂的上下運(yùn)動(dòng)。此處驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇伺服電機(jī)。軸承選用角接觸球軸承。 腰部旋轉(zhuǎn)速度低，因此選用中低速電機(jī)。由于腰部以上所有構(gòu)件的載荷都由腰部軸承 來(lái)承擔(dān)，故選用主要承受軸向載荷的推力球軸承。根據(jù)腰部所受總體載荷的大小選擇推力 球軸承型號(hào)。聯(lián)軸器選擇凸緣聯(lián)軸器。 . .7 第三章 碼垛機(jī)器人腕部和腰部設(shè)計(jì) 3.1 碼垛機(jī)器人腕部設(shè)計(jì) 3.1.1 減速機(jī)的計(jì)算與選型 本節(jié)減速機(jī)的型號(hào)是根據(jù)上海泰一傳動(dòng)設(shè)備有限公司的《R 系列斜齒輪減速機(jī)選型手 冊(cè)》選用的。 1. 實(shí)際服務(wù)系數(shù)確定 減速機(jī)是按載荷平穩(wěn)，每天工作時(shí)間一定和少量啟停次數(shù)的情況設(shè)計(jì)的，而在實(shí)際情 況使用中往往不是處于此種理想狀態(tài)。減速機(jī)的實(shí)際服務(wù)系數(shù)必須按照實(shí)際情況的載荷類 型、運(yùn)行時(shí)間、使用頻率來(lái)確定工作機(jī)系數(shù) f1、原動(dòng)機(jī)系數(shù) f2 和啟動(dòng)系數(shù) f3，使其三者 的乘積小于或等于服務(wù)系數(shù) fB。具體參數(shù)值參見(jiàn)表 3-1，3-2, 3-3。 表 3-1 工作機(jī)系數(shù) f1 表 3-2 原動(dòng)機(jī)系數(shù) f2 . .8 表 3-3 啟動(dòng)系數(shù) f3 由表確定本機(jī)構(gòu)的工作系數(shù) f1 = 2.5，原動(dòng)機(jī)系數(shù) f2 = 1.0，起動(dòng)系數(shù) f3 =1.3，那 么 f1 f2 f3 =2.5 1.0 1.3 =3.25。?? 2. 確定減速機(jī)型號(hào) 根據(jù)《R 系列硬齒面斜齒輪減速機(jī)》選型手冊(cè)，由 f1 f2 f3 fB ，由表 1-4 選擇 fB ?? = 3.4 的減速機(jī)，型號(hào)為 RF37-Y0.18-4P-48.08-M4-I 。減速機(jī)豎直安放，其具體參數(shù)如表 2-4 所示： 表 3-4 減速機(jī)的具體參數(shù) 輸入功率 /kw 輸出轉(zhuǎn)速 r/min 輸出轉(zhuǎn)矩 N.m 電動(dòng)機(jī)型號(hào) 質(zhì)量/kg 減速機(jī)輸出 軸的軸頸 0.18 29 56 RF37 8.5 25mm 3.1.2 聯(lián)軸器的計(jì)算與選型 聯(lián)軸器計(jì)算選型所使用的公式和某些參數(shù)值的選擇參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第五版》和 《機(jī)械設(shè)計(jì)課本》 。 1. 聯(lián)軸器的理論轉(zhuǎn)矩 (3-1)nPT950? 式中 ——理論轉(zhuǎn)矩（ ） ；TmN? . .9 ——傳遞的功率（ ） ；PkW ——工作轉(zhuǎn)速（ ） 。nminr 帶入數(shù)據(jù)得 。NT??276.5918.09 2. 聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩 (3-2)tzwCKT 式中： ——?jiǎng)恿C(jī)系數(shù)，電動(dòng)機(jī)透平機(jī)的 =1.0；wK ——工況系數(shù)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)冊(cè)第五版第 2 卷》表 6-2-2，查得 K=1.5； ——起動(dòng)系數(shù)，由制造商確定，與啟動(dòng)頻率 f 有關(guān)，選取 =1.0；z z ——溫度系數(shù),由《機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)冊(cè)第五版第 2 卷》表 6-2-3 查得， =1.0。t tK 帶入公式得 。mNTc ?????914.80.15.0276.59 聯(lián)軸器選用 A 型平鍵套筒聯(lián)軸器，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第五版第 3 卷》 ，因聯(lián)軸器的許用 轉(zhuǎn)矩要大于計(jì)算轉(zhuǎn)矩，而且減速機(jī)輸出軸的軸徑為 25mm，所以由表 15,1-10 確定聯(lián)軸器的 有關(guān)參數(shù)如下： 表 3-4 聯(lián)軸器的具體參數(shù) Dh7 軸 直徑 /mm 許用轉(zhuǎn)矩 /N.m D0 L l C 平鍵 GB/T10996- 2003 C1 緊定螺釘 GB/T117-2000 25 125 40 75 20 1 8x25 1 M6x10 套筒聯(lián)軸器與軸間的定位靠平鍵連接，緊定螺釘也起定位作用。套筒聯(lián)軸器與軸的裝 配如圖 3-1 所示。 圖 3-1 II 型平鍵套筒聯(lián)軸器與軸的裝配圖 3. 驗(yàn)算套筒的扭矩強(qiáng)度和鍵的擠壓強(qiáng)度 套筒的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度： ??????????????4316DdTc?? (3-3) 式 中 ——套筒外徑，由表 3-4 得到 ；Dm0? . .10 ——軸徑， 。dm25? 將數(shù)值帶入公式得到 MPaT 0835.425104.391863????????????????? 由套筒的材料為 45 號(hào)鋼，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本表 15-3 查得，許用切應(yīng)力為 25～45Mpa，則所選套筒滿足強(qiáng)度要求。 平鍵的擠壓強(qiáng)度： (3-4)kdlTcP 3102??? 式中 k——鍵工作高度； ——鍵工作長(zhǎng)度。l 由表 15,1-10 確定 ， ，d=25mm，帶入公式得到mk4?l28 ，MPaP 51.634109.3???? 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本 P106,許用擠壓應(yīng)力應(yīng)為鍵，軸，輪轂三者中最弱材料的許用擠 壓應(yīng)力，由表 6-2，取許用擠壓應(yīng)力為 120～150Mpa。 因此平鍵滿足強(qiáng)度條件。 3.1.3 軸承的選型 由于腕部的轉(zhuǎn)速并非高轉(zhuǎn)速，并且承受的載荷為軸向載荷，因此選用角接觸球軸承， 且成對(duì)使用。由《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè)》中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，選擇軸承型號(hào)為 7305C, 具體參數(shù)如下表： 表 3-5 軸承的具體參數(shù) 軸承型號(hào) d D B a 基本額定動(dòng)載荷/KN 額定靜載/KN 7305C 25 62 17 13.1 21.5 15.8 軸承的布置形式選用預(yù)緊布置，用以提高軸承的旋轉(zhuǎn)精度，增加剛性和減小軸的振動(dòng)。 . .11 3.2 碼垛機(jī)器人腰部設(shè)計(jì) 3.2.1 腰部電機(jī)選型 因?yàn)檠康幕剞D(zhuǎn)速度較低，所以此處的驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用一般的電機(jī)轉(zhuǎn)速太大，而選擇中 低速電機(jī)較為合適。選擇淮安正福科技有限公司的 YD 系了電機(jī)，電機(jī)型號(hào)為 YD112，其額 定功率為 1.1kW，額定轉(zhuǎn)速為 17.5r/min，額定扭矩為 600N.m。由于電機(jī)要豎直安裝，因 此電機(jī)的外形圖如圖 3-2。 圖 3-2 電機(jī)的外形圖 YD 系列低速電機(jī)的安裝尺寸如表 3-6。 表 3-6 電機(jī)的安裝尺寸 YD 系列低速電機(jī)的性能參數(shù)如表 3-7。 表 3-7 電機(jī)的性能參數(shù) . .12 3.2.2 腰部聯(lián)軸器計(jì)算選型 1. 聯(lián)軸器的理論轉(zhuǎn)矩 (3-5)nPT950? 式中 ——理論轉(zhuǎn)矩（ ） ；TmN? ——傳遞的功率（ ） ；PkW ——工作轉(zhuǎn)速（ ） 。ninr 帶入數(shù)據(jù)得 。mNT??2857.60.1795 2. 聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩 (3-6)tzwCKT 式中 ——?jiǎng)恿C(jī)系數(shù)，電動(dòng)機(jī)、透平機(jī)取 =1.0；wK ——工況系數(shù)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第五版第 2 卷》表 6-2-2 查得，取 K=1.5。 ——起動(dòng)系數(shù)，取 =1.0；z zK ——溫度系數(shù)。由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第五版第 2 卷》 ，表 6-2-3 查得，取 =1.0。t tK 帶入公式得 。mNTc ?????4857.90.150.1287.60 由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第五版第 2 卷》選用凸緣聯(lián)軸器，由表 6-2-8 選型號(hào)為 GYS7，公稱 扭矩為 1600 N·m。凸緣聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)原理，如圖 3-3。 . .13 圖 3-3 GYS7 型-凸緣聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)原理圖 GYS7 型-凸緣聯(lián)軸器基本參數(shù)和主要尺寸如下表： 表 3-8 GYS7 型-凸緣聯(lián)軸器基本參數(shù)和主要尺寸 許用轉(zhuǎn)速 [n]r/min 軸孔直 徑 d(H7) 軸孔長(zhǎng)度 L 螺栓 型號(hào) 公稱扭矩 Tn(N·m) 鋼 鋼 Y 型 J1 型 D 數(shù)量 n 直徑 M 重量 (kg.m3 ) GYS7 1600 6000 55 112 84 160 6(4) M12 13.1 3.3 本章小結(jié) 搬運(yùn)機(jī)器人腕部的運(yùn)動(dòng)相對(duì)簡(jiǎn)單，只有一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要保證軸的轉(zhuǎn)速 和旋轉(zhuǎn)精度。通過(guò)本章對(duì)腕部的詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算，確定了腕部采用減速機(jī)，聯(lián)軸器選用套筒 聯(lián)軸器，軸承選擇角接觸球軸承軸承。 腰部的設(shè)計(jì)計(jì)算主要是為了實(shí)現(xiàn)腰部帶動(dòng)整個(gè)搬運(yùn)機(jī)器人的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于腰部回轉(zhuǎn) 速度較低，選用 YD 系列低速電機(jī).通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)的選擇、聯(lián)軸器的計(jì)算選型，最終確定了 搬運(yùn)機(jī)器人腰部的設(shè)計(jì)方案。 . .14 第四章 碼垛機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1 平面機(jī)構(gòu)受力分析 搬運(yùn)機(jī)器人在實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，水平方向的滾珠絲杠副主要承受摩擦力，而垂 直方向的滾珠絲杠副主要承受 Z 軸方向的載荷。則當(dāng)機(jī)構(gòu)的小臂處于水平方向、前后大臂 與之垂直時(shí)，兩個(gè)方向的滾珠絲杠副受力最大。具體位置如圖 4-1 所示。 圖 4-1 碼垛機(jī)器人運(yùn)動(dòng)位置 根據(jù)搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，可設(shè)各臂長(zhǎng)分別為：AB=1170 ，BC= 260mm ，CD =1080mm ，DE =240mm，A 點(diǎn)到圖 4-1 中心線的距離 d = 150mm 。處于圖 4-1 位置時(shí)小臂的 受力情況見(jiàn)圖 4-2。 圖 4-2 小臂受力圖 圖 4-2 中，G1 為負(fù)載和電機(jī)的重力，搬運(yùn)的負(fù)載最大為 100N，腕部減速機(jī)的重力約為 100N，則 G1 = 200N ；M 為負(fù)載和電機(jī)共同的轉(zhuǎn)矩， ；小臂材料為 45 號(hào)鋼，重量約為 50N；對(duì)小臂mNdGM??????3015201 列受力方程如下： ｛ 0)(??AF . .15 ｛ (4-1)0)2617(2601701 2 ?????????FGFM 解得 F1 = 1237.6154N ，F(xiàn)2 = 987.6154N 4.2 手臂關(guān)節(jié)軸承的選型與校核 碼垛機(jī)器人的手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要注意兩點(diǎn)：一是應(yīng)使手臂剛度大、重量輕；二是應(yīng)使手 臂運(yùn)動(dòng)速度快、慣性小。首先，因?yàn)閯偠炔粔驎r(shí)，手臂會(huì)發(fā)生彎曲變形，則應(yīng)選擇相同條 件下，彎曲剛度較大的截面形狀?？紤]完第一點(diǎn)，對(duì)于第二點(diǎn)減小慣性沖擊，本章的手臂 架選擇了碳素結(jié)構(gòu)鋼材料。而且盡量縮短手臂的懸伸部分長(zhǎng)度。圖 4-3 對(duì)小臂進(jìn)行了剪力 與彎矩的分析，可知小臂的彎矩越靠近 B 點(diǎn)越大，因此小臂的結(jié)構(gòu)為末端窄，靠近 B 點(diǎn)時(shí) 逐漸加大尺寸，其它手臂結(jié)構(gòu)則采用均勻尺寸。B 點(diǎn)為銷軸聯(lián)接，則彎矩和受力主要由銷 軸來(lái)承受，因此要考慮銷軸的校核。其它的銷軸聯(lián)接同 B 點(diǎn)一樣進(jìn)行校核，銷軸的聯(lián)接結(jié) 構(gòu)如圖 4-4。 圖 4-3 小臂剪力圖和彎矩圖 . .16 圖 4-4 銷軸聯(lián)接結(jié)構(gòu) 圖 4-5 中的關(guān)節(jié)軸承選用自潤(rùn)滑向心關(guān)節(jié)軸承，由上下軸套固定，在后機(jī)架繞銷軸轉(zhuǎn) 動(dòng)時(shí)，既能承受徑向載荷，又能承受任一方向較小的軸向載荷。查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第 五版、單行本、軸承，由表 7-1 確定所選軸承的型號(hào)為 GE25ES-2RS，其中 d =25mm，軸承 尺寸見(jiàn)表 4-1。 表 4-1 向心自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承參數(shù) 尺寸 mm 額定載荷 kN 軸承型號(hào) d D B C d1 r1 r2 動(dòng)載荷 靜載荷 重量 Kg GE25ES-2RS-2RS 25 42 20 16 29 0. 6 0. 6 48 240 0.42 7 圖 4-5 向心關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu) 4.3 銷軸校核 4.3.1 后大臂與支架銷軸聯(lián)接校核 1. 銷軸抗剪強(qiáng)度： . .17 (4-2)????????42dFt 銷軸采用 45 號(hào)鋼，其許用切應(yīng)力 ，許用彎曲應(yīng)力 ，??MPa80MPab120?? ，將以上值帶入公式得NFt6154.9872???mFdt 8.026154.972??????? 2. 銷軸抗彎強(qiáng)度： (4-3)????btbdaF??????31.045 其中 ， ，帶入公式得ma25?b40 ，??????mFdbt 74.91204.5.6987.33 ????? 因此選擇銷軸的軸徑 d= 25mm，滿足強(qiáng)度要求。 4.3.2 后大臂與小臂銷軸聯(lián)接校核 1. 銷軸抗剪強(qiáng)度： 銷軸采用 45 號(hào)鋼，其許用切應(yīng)力 ，許用彎曲應(yīng)力 ，??MPa80????MPab120?? ，將以上值帶入公式（4-2）得NFt6154.9872? 。??mFdt 8.206154.972????? 2. 銷軸抗彎強(qiáng)度： 其中 ， ，帶入公式（4-3）得ma25?b40 ，??????mFdbt 74.91204.5.6987.33 ???????? 因此選擇銷軸的軸徑 d= 25mm 滿足強(qiáng)度要求。 . .18 4.3.3 前大臂與支架銷軸聯(lián)接校核 1. 銷軸抗剪強(qiáng)度： 銷軸采用 45 號(hào)鋼，其許用切應(yīng)力 ，許用彎曲應(yīng)力 ，??MPa80????MPab120?? ，將以上值帶入公式（4-2）得NFt 6154.2371? 。??mFdt 139.802654.1372????? 2. 銷軸抗彎強(qiáng)度： 其中 ， ，帶入公式（4-3）得ma25?b40 ，??????mFdbt 508.11204561237.3 ???????? 因此選擇銷軸的軸徑 d= 50mm 滿足強(qiáng)度要求。 4.3.4 前大臂與小臂銷軸聯(lián)接校核 1. 銷軸抗剪強(qiáng)度： 銷軸采用 45 號(hào)鋼，其許用切應(yīng)力 ，許用彎曲應(yīng)力 ，??MPa80????MPab120?? ，將以上值帶入公式（4-2）得NFt 6154.2371???mFdt 139.802654.13742??????? 2. 銷軸抗彎強(qiáng)度 由圖 9-3 可知 ， ，帶入公式（4-3）得ma25?b40 ，??????mFdbt 508.1120.4.5612374.03 ??????? 因此選擇銷軸的軸徑 d= 50mm 滿足強(qiáng)度要求。 4.3.5 其它銷軸聯(lián)接校核 由于小臂和腕部聯(lián)接與前大臂與小臂銷軸聯(lián)接校核的尺寸相同，可選用軸徑為 30mm 的 . .19 銷軸。 連桿與后大臂的銷軸軸徑為 25mm，前大臂、支撐架和連桿三者用銷軸聯(lián)接在一起，連 桿與后大臂的銷軸軸徑為 25mm。 4.4 豎直滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型 4.4.1 最大工作載荷的計(jì)算 按綜合導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，最大工作載荷公式為： (4-4))(GFKzxm??? 式中 K——載荷系數(shù)， ，由《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》表 3-29 查得，K = 1.15； ——摩擦系數(shù)， ；?16.0?? ——進(jìn)給方向的載荷， 。xFNFx6154.9872 如圖 4-1 中，E 點(diǎn)的受力沒(méi)有垂直絲杠方向的，因此 = 0 N。將數(shù)值帶入公式GFz? 得 m5.1364.98715.?? 4.4.2 最大動(dòng)載荷的計(jì)算 碼垛機(jī)器人后大臂的運(yùn)行速度 ，則最大動(dòng)載荷min2.71.0sv? (4-5)HwoQFfL3 式中 ——滾珠絲杠副的壽命，單位為 106r；0L ——載荷系數(shù)，由《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》表 3-30，取wf =1.2； ——硬度系數(shù)，滾道硬度為 60HRC 時(shí)，取硬度系數(shù) =1.0。Hf Hf 滾珠絲杠副的壽命公式為： (4-6)601nTL? 式中 T——使用壽命，T = 15000h； n——絲杠轉(zhuǎn)速。 (4-7)hPvn? 初選絲杠導(dǎo)程 ，帶入公式(4-7)得到mPh5? . .20 。min1405273rn??? 將以上數(shù)值帶入公式(4-6)得 。rL296606 將 、 帶入公式(4-5)得mF0 NQ 148593.14857.3.1293 ???? 4.4.3 初選滾珠絲杠副型號(hào) 選擇絲杠型號(hào)時(shí)應(yīng)使?jié)L珠絲杠副的額定動(dòng)載荷 Ca ，額定靜載荷 ，QF???moaFC3~2? 根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，選擇海特 DFT02005-5 型滾珠絲杠副，為雙螺 母式，其公稱直徑為 20mm，導(dǎo)程為 mm，循環(huán)滾珠為 5 圈 1 列，精度等級(jí)為 5 級(jí)，額定5? 動(dòng)載荷為 N 大于 ，則滿足要求。滾珠絲杠副的具體尺寸參數(shù)如表 4-1 所示。15460aC?QF 表 4-2 滾珠絲杠副的尺寸參數(shù) 4.4.4 傳動(dòng)效率計(jì)算 滾珠絲杠螺母副的螺旋升角： ? ohdP5.402.arctnarct0???? 傳動(dòng)效率 ：? . .21 (4-8)???????tg 式中 ——絲杠螺旋升角。? ——摩擦角，滾珠絲杠的滾動(dòng)摩擦系數(shù) ，其摩擦角約等于 。? 04.~3.f '10 將數(shù)值帶入公式(4-8)得： %45.96015.4?????????otg? 4.4.5 剛度的驗(yàn)算 滾珠絲杠副的軸向變行將引起絲杠導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度及運(yùn) 動(dòng)的平穩(wěn)性，軸向變形主要包括絲杠的拉伸或壓縮變形，絲杠與螺母之間滾道的接觸變行 等。因此應(yīng)考慮以下引起軸向變形的因素： 1. 絲杠的拉伸或壓縮變形量 1? 在總的變形量中占的比重較大,可按下式計(jì)算：1? (4-9)IEMaSFm?21?? 式中 ——絲杠兩端支承間距離，約為 700mm；a ——絲杠最大工作載荷(N) ；mF ——絲杠材料的彈性模量，鋼的 E=2.1 MPa；E510? ——滾珠絲杠的截面積（按底徑 d2確定的）.絲杠底徑 mm， S 216d? 。2240.96d?? 由于轉(zhuǎn)矩 M 一般很小，公式的第二項(xiàng)可忽略不計(jì)。將數(shù)值帶入公式(4-9)得 。m018.96.210.7531???? 2. 滾珠與螺紋滾道間接觸變形 當(dāng)對(duì)絲杠加有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向最大負(fù)載的 1/3 時(shí)， 之值可減少一半，故其2? 計(jì)算公式為： (4-10)322 1010.??ZFDYJwm? . .22 式中 ——滾珠直徑，由表 4-1 查得 = 3.175mm。wDwD ——單圈滾珠數(shù)；Z ——滾珠總數(shù)量， =Z 圈數(shù) 列數(shù)= ；??Z?8517?? ——預(yù)緊力。YJF 滾珠絲杠的滾珠數(shù)為： ，780.1635.20????wDdZ 取整為 Z= 17。 滾珠絲杠的預(yù)緊力為： NFmYJ 586.37.153?? 將數(shù)值帶入公式（4-10）得到 。m015.856.371.0.322 ?? 由于 減小一半，則2? = 。2?m? 3. 剛度校驗(yàn) 絲杠總的變形量 =0.0266mm = 26.6 ，取絲杠的有效行程為 mm。由21???560 《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》查表 3-27，查得 5 級(jí)精度滾珠絲杠有效行程 mm 時(shí)，行程偏差允許達(dá)到 32mm，可見(jiàn)絲杠剛度足夠。50~63? 4.4.6 壓桿穩(wěn)定性校核 對(duì)已選定尺寸的絲杠在給定的支承條件下，承受最大軸向負(fù)載時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算其有沒(méi)有 產(chǎn)生縱向彎曲（失穩(wěn)）的危險(xiǎn)，產(chǎn)生失穩(wěn)的臨界負(fù)載 用下式計(jì)算：kF (4-11)mkKaEIf??2? 式中 ——臨界載荷(N)；kF ——絲杠支承系數(shù)，由《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》查表 3-34，采用f 雙推-雙推支承形式，所以 = 4；kf . .23 ——壓桿穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取為 2.5～4。垂直安裝時(shí) K= 2.5；K ——截面慣性矩 ,絲杠截面慣性矩 （ 為絲杠I)(4cm426315.Idm??2d 螺紋的底徑)； ——絲杠兩支承端距離，a=700mm。a 將以上數(shù)值帶入公式(4-11)得 NFNFmk 75.1321739705.26.3142 ?????? 可知壓桿穩(wěn)定性滿足校核。 4.5 水平滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型 4.5.1 最大工作載荷的計(jì)算 按綜合導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，最大工作載荷公式(4-4)為： )(GFKzxm??? 式中 K——載荷系數(shù)， K = 1.15； ——摩擦系數(shù)， ；?16.0? ——垂直絲杠的受力， 。zFNFz6154.237? 如圖 4-1 中，F(xiàn) 點(diǎn)的受力沒(méi)有水平絲杠方向的，因此 0N。將數(shù)值帶入公式(4-4)?xF 得 。??m 08.5614.237.0??? 4.5.2 最大動(dòng)載荷的計(jì)算 搬運(yùn)機(jī)器人前大臂的運(yùn)行速度 ，則最大動(dòng)載荷公式 (4-5)為min2.71.0sv?HwoQFfL3 式中 ——滾珠絲杠副的壽命，單位為 106r；0L ——載荷系數(shù)，取 =1.2；wfwf ——硬度系數(shù)，取硬度系數(shù) =1.0。HHf 初選絲杠導(dǎo)程 ，帶入公式(4-7)得到mPh10?min14052.73rn??? 取使用壽命 T = 15000h，將其與轉(zhuǎn)速 n 帶入公式(4-6)得 . .24 。rL12960514660??? 查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》的表 3-30 得 = 1.2 ，由于硬度wf ，所以 = 1.0 。帶入公式(4-5)得HRC58?Hf 。NFQ 26953.269501821963 ??? 4.5.3 初選滾珠絲杠副型號(hào) 選擇絲杠型號(hào)時(shí)應(yīng)使?jié)L珠絲杠副的額定動(dòng)載荷 Ca ，額定靜載荷 ，QF???moaFC3~2? 根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，選擇海特 DFT02005-5[3]型滾珠絲杠副，為雙 螺母式，其公稱直徑為 20mm，導(dǎo)程為 mm，循環(huán)滾珠為 5 圈 1 列，精度等級(jí)為 5 級(jí)，額5? 定動(dòng)載荷為 N 大于 ，則滿足要求。15460aC?QF 4.5.4 傳動(dòng)效率計(jì)算 計(jì)算傳動(dòng)效率 公式(4-8)為：????????tg 式中 ——絲杠螺旋升角， =4.55°。?? ——摩擦角，滾珠絲杠的滾動(dòng)摩擦系數(shù) ，其摩擦角約等于 。? 04.~3.f '10 將數(shù)值帶入公式(4-8)得： %45.96015.4?????????otg? 4.5.5 剛度的驗(yàn)算 滾珠絲杠副的軸向變行將引起絲杠導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度及運(yùn) 動(dòng)的平穩(wěn)性，軸向變形主要包括絲杠的拉伸或壓縮變形，絲杠與螺母之間滾道的接觸變行 等。因此應(yīng)考慮以下引起軸向變形的因素： 1. 絲杠的拉伸或壓縮變形量 1? 在總的變形量中占的比重較大,可按公式(4-9)計(jì)算：1? . .25 IEMaSFm??21?? 式中 ——絲杠兩端支承間距離，約為 700mm；a ——絲杠最大工作載荷(N) ；mF ——絲杠材料的彈性模量，鋼的 E=2.1 MPa；E510? ——滾珠絲杠的截面積（按底徑 d2確定的）.絲杠底徑 mm， S 216d? 。2240.96d?? 由于轉(zhuǎn)矩 M 一般很小，公式的第二項(xiàng)可忽略不計(jì)。將數(shù)值帶入公式(4-9)得 。m0342.96.210.7851???? 2. 滾珠與螺紋滾道間接觸變形 ? 當(dāng)對(duì)絲杠加有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向最大負(fù)載的 1/3 時(shí)， 之值可減少一半，故可2? 按公式(4-10)計(jì)算 值：2?322 1010.??ZFDYJwm 式中 ——滾珠直徑，由表 4-1 查得 = 3.175mm。wDw ——單圈滾珠數(shù) Z=17；Z ——滾珠總數(shù)量， =Z 圈數(shù) 列數(shù)= ；??Z?8517?? ——預(yù)緊力。YJF 滾珠絲杠的預(yù)緊力為： NFmYJ 673.83015.2?? 將數(shù)值帶入公式（4-10）得到 。m0516.8673.15.0.322 ?? 由于 減小一半，則2? = 。2?m? 3. 剛度校驗(yàn) 絲杠總的變形量 =0.006mm = 6 ，取絲杠的有效行程為 mm。由《機(jī)21???560 . .26 電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》查表 3-27，查得 5 級(jí)精度滾珠絲杠有效行程 mm 時(shí)，行程偏差允許達(dá)到 32mm，可見(jiàn)絲杠剛度足夠。50~63? 4.5.6 壓桿穩(wěn)定性校核 對(duì)已選定尺寸的絲杠在給定的支承條件下，承受最大軸向負(fù)載時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算其有沒(méi)有 產(chǎn)生縱向彎曲（失穩(wěn)）的危險(xiǎn)，產(chǎn)生失穩(wěn)的臨界負(fù)載 用公式(4-11)計(jì)算：kFmkKaEIfF??2? 式中 ——臨界載荷(N)；kF ——絲杠支承系數(shù)，采用雙推-雙推支承形式，故取 = 4；f kf ——壓桿穩(wěn)定性安全系數(shù)，水平安裝時(shí) K=4；K ——截面慣性矩 ,絲杠截面慣性矩 ；I)(4cm4426315.Idm?? ——絲杠兩支承端距離，a=700mm。a 將以上數(shù)值帶入公式得 NFNFmk 0185.269510647043.21.52 ?????? 可知壓桿穩(wěn)定性滿足校核。 4.6 水平滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算選型 4.6.1 滑塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選擇 工作載荷是影響直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。對(duì)于水平布置的工作臺(tái)多采用 雙導(dǎo)軌，四滑塊的支撐形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺(tái)面的工作載荷由一個(gè)滑塊承 擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為： (4-12)FG??4max 式中 F——外加載荷 ； 1F? G——移動(dòng)部件的重量 G=800N。 將數(shù)值帶入(4-12)得 。NG6154.37.12480max ?? 根據(jù)工作載荷初選海特滾動(dòng)導(dǎo)軌，F(xiàn)V 型導(dǎo)軌。型號(hào)為 SBS15FV,其額定動(dòng)載荷 . .27 ，額定靜載荷 ?；瑝K的尺寸及安裝尺寸如表 4-3，表 4-5 為kNCa58.4?kNCoa38.7? 導(dǎo)軌的尺寸及負(fù)載能力。導(dǎo)軌的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度如表 4-4，選取導(dǎo)軌的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為 820mm。 表 4-3 FV 型滑塊的尺寸及安裝尺寸 表 4-4 導(dǎo)軌的尺寸及負(fù)載能力 表 4-5 導(dǎo)軌的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度 . .28 4.6.2 額定行程壽命的計(jì)算 在直線導(dǎo)軌系統(tǒng)的使用中，除了已知負(fù)載外，那些未知的震動(dòng)和沖擊也必須計(jì)算在內(nèi)。 而且，硬度和溫度也是影響壽命的主要因素。 上述選取的 FV 系列 SBS15FV 型導(dǎo)軌副的滾道硬度為 60HRC，工作溫度不超過(guò) 100℃， 每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為 4 級(jí)，工作速度較低，載荷不大。 則額定行程壽命為： (4-13)503max?????????FCfLwTH 式中 ——額定行程壽命(km)；L ——額定動(dòng)載荷， = 4.58kN；aCaC ——滑塊上工作載荷， = 1.437kN；mxFmxF ——硬度系數(shù)，由圖 4-6， =1.0；Hf Hf ——溫度系數(shù)，由圖 4-7， =1.0；T T ——接觸系數(shù)，由表 4-6， ,=0.81；Cf Cf ——載荷系數(shù)，由表 4-7， =1.0。ww 將以上數(shù)值帶入公式(4-13)可得 。kmL30.865437.10.81?????????? . .29 由于常見(jiàn)導(dǎo)軌的距離額定期望壽命為 50km，此導(dǎo)軌的額定行程壽命遠(yuǎn)大于 50 km，則 初選的導(dǎo)軌型號(hào)滿足設(shè)計(jì)要求。 圖 4-6 硬度系數(shù) 圖 4-7 溫度系數(shù) 表 4-6 接觸系數(shù) . .30 表 4-7 載荷系數(shù) 4.7 豎直滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算選型 4.7.1 滑塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選擇 工作載荷是影響直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。對(duì)于豎直布置的工作臺(tái)多采用 雙導(dǎo)軌，四滑塊的支撐形式。考慮最不利的情況，即垂直于臺(tái)面的工作載荷由一個(gè)滑塊承 擔(dān)，則單滑塊所受的最大水平方向載荷用公式(4-12)計(jì)算： 2max4FG?? 式中 F——外加載荷 ； 2F? G——移動(dòng)部件的重量 G=800N。 將數(shù)值帶入(4-12)得， 。NG6154.87.94802max ?? 根據(jù)工作載荷初選海特滾動(dòng)導(dǎo)軌，F(xiàn)V 型導(dǎo)軌。型號(hào)為 SBS15FV,其額定動(dòng)載荷 ，額定靜載荷 。導(dǎo)軌和滑塊的尺寸及安裝尺寸如表 4-3、4-kNCa58.4?kNCoa3.7? 4。由表 4-5，選取導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為 820mm。 4.7.2.額定行程壽命 L 的計(jì)算 在直線導(dǎo)軌系統(tǒng)的使用中，除了已知負(fù)載外，那些未知的震動(dòng)和沖擊也必須計(jì)算在內(nèi)， 并硬度和溫度也是影響壽命的主要因素。根據(jù)上述因素選取的 FV 系列 SBS15FV 型導(dǎo)軌副的 . .31 滾道硬度為 60HRC，工作溫度不超過(guò) 100oC，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為 4 級(jí)，工作 速度較低，載荷不大。 利用公式(4-13)計(jì)算額定行程壽命為： 503max?????????FCfLwTH 式中 ——額定行程壽命(km)；L ——額定動(dòng)載荷， = 4.58kN；aCaC ——滑塊上工作載荷， = 1.188kN；mxFmx ——硬度系數(shù)，由圖 4-6， =1.0；Hf Hf ——溫度系數(shù)，由圖 4-7， =1.0；T T ——接觸系數(shù)，由表 4-6， ,=0.81；Cf Cf ——載荷系數(shù)，由表 4-7， =1.0。ww 將以上數(shù)值帶入公式(4-13)可得, ，kmL52.108.1540.13?????????? 由于常見(jiàn)導(dǎo)軌的距離額定期望壽命為 50km，此導(dǎo)軌的額定行程壽命遠(yuǎn)大于 50Km 則初 選的導(dǎo)軌型號(hào)滿足設(shè)計(jì)要求。 . .32 第五章 PRO/E 建模和仿真 Pro/Engineer 操作軟件是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（PTC)旗下的 CAD/CAM/CAE 一體化的三維 軟件。Pro/Engineer 軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型 軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，Pro/Engineer 作為當(dāng)今世界機(jī)械 CAD/CAE/CAM 領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn) 而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣。是現(xiàn)今主流的 CAD/CAM/CAE 軟件之一，特別是在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì) 領(lǐng)域占據(jù)重要位置。Pro/E 第一個(gè)提出了參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)解 決特征的相關(guān)性問(wèn)題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進(jìn)行選擇，而 不必安裝所有模塊。Pro/E 的基于特征方式，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)至生產(chǎn)全過(guò)程集成到一起，實(shí)現(xiàn) 并行工程設(shè)計(jì)。它不但可以應(yīng)用于工作站，而且也可以應(yīng)用到單機(jī)上。 Pro/E 采用了模塊 方式，可以分別進(jìn)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、加工處理等，保證用戶 可以按照自己的需要進(jìn)行選擇使用。 5.1 主要部件建模及其簡(jiǎn)介 5.1.1 軸承建模的主要過(guò)程 Pro/e 建模比較簡(jiǎn)單，這里只是簡(jiǎn)單介紹一下角接觸球軸承的建模，其余部件略去。 機(jī)器人中的角接觸球軸承如圖所示。 圖 5-1 角接觸球軸承 具體的建模步驟如下： . .33 1. 創(chuàng)建零件文件。 2. 選擇“旋轉(zhuǎn)”工具，彈出旋轉(zhuǎn)控制面板，單擊“位置”按鈕，在彈出的面板中單 擊“定義” ，彈出“草繪”對(duì)話框。 3. 選擇基準(zhǔn)面 TOP 為草繪平面，接受默認(rèn)的參照與方向，單擊“草繪”按鈕進(jìn)入草 繪界面。 4. 繪制完成后的草圖如下圖(5-2)所示。 圖 5-2 草圖 5. 單擊“繼續(xù)當(dāng)前部分”按鈕即對(duì)勾按鈕，完成截面草圖的繪制。接著單擊旋轉(zhuǎn)控 制面板的“確定”按鈕，模型效果下圖(5-3)。 圖 5-3 內(nèi)外圈 6. 選擇“旋轉(zhuǎn)”工具，彈出旋轉(zhuǎn)控制面板，單擊“位置”按鈕，在彈出的面板中單 . .34 擊“定義” ，彈出“草繪”對(duì)話框。 7. 選擇基準(zhǔn)面 TOP 為草繪平面，接受默認(rèn)的參照與方向，單擊“草繪”按鈕進(jìn)入草 繪界面。 8. 繪制完成草圖后，單擊“繼續(xù)當(dāng)前部分”按鈕即對(duì)勾按鈕，完成截面草圖的繪制。 接著單擊旋轉(zhuǎn)控制面板的“確定”按鈕，模型效果下圖(5-4)。 圖 5-4 未陣列的角接觸球軸承 9. 選擇剛繪制的圓球，然后選擇“陣列”工具，彈出陣列控制面板。在“陣列方式” 下拉菜單中選擇“軸”選項(xiàng)，單擊內(nèi)圈中心軸。 10.在陣列控制面板的“陣列數(shù)”文本編輯框輸入陣列數(shù)目 10， “角度”文本編輯框 輸入陣列角度 36，單擊“確定” ，模型效果如圖(5-5)所示。 （圖中的倒角的步驟 沒(méi)有加進(jìn)去，是為了說(shuō)明書(shū)的簡(jiǎn)潔。 ） 圖 5 -5 角接觸球軸承的模型 . .35 5.1.2 機(jī)器人的主要部件及裝配模型 腕部電機(jī)裝配圖如圖 5-6 所示。電機(jī)固定在外殼上，電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)底下圓盤的轉(zhuǎn) 動(dòng) 。外殼與小臂是銷軸連接，為減少摩擦銷軸處加軸承。外殼上的小孔與系桿鉸接，作用 是為保持無(wú)論在何運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 下電機(jī)軸始終鉛直向下。 圖 5-6 手腕部電機(jī)轉(zhuǎn)配 滾珠絲杠副裝配如圖 5-7 所示。滾珠絲杠副支承形式采用雙推-雙推的支承形式。絲杠 用銷釘連接方式。軸承用軸承端蓋和緊固件定位。滑塊用滑動(dòng)桿連接方式，可以沿著導(dǎo)軌 滑動(dòng)。圓螺母用圓柱連接方式，可以沿著滾珠絲杠螺旋向前移動(dòng)。 圖 5-7 滾珠絲杠裝配 腰部電機(jī)裝配如圖 5-8 所示。聯(lián)軸器通過(guò)鍵與軸定位。角接觸球軸承通過(guò)軸肩和套筒 . .36 來(lái)定位。推力球軸承與軸用銷釘連接裝配。推力球軸承用外殼來(lái)定位，將整個(gè)腰部以上構(gòu) 件的重力通過(guò)軸承傳給整個(gè)外殼。最上面部分的大圓盤可以通過(guò)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)腰部以 上構(gòu)件旋轉(zhuǎn)一定角度。 圖 5-8 腰部電機(jī)裝配 整個(gè)機(jī)構(gòu)的裝配圖如圖 5-9 所示。 圖 5-9 整體機(jī)構(gòu)的裝配圖 . .37 5.2 三維機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的基本介紹 5.2.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的特點(diǎn) 在 Pro/ENGINEER 中進(jìn)行機(jī)構(gòu)仿真運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)有兩種方法:一是 Mechanlsm(機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì))， 它可以通過(guò)用戶對(duì)各種不同運(yùn)動(dòng)副的連接設(shè)定，使機(jī)構(gòu)按照實(shí)際的運(yùn)動(dòng)要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。 二是 Pro/MeehanlsmMotion 功能，該模塊是一個(gè)完整的三維實(shí)體靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué) 和逆動(dòng)力學(xué)仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)工具。Motion 運(yùn)動(dòng)模塊可以快速創(chuàng)建機(jī)構(gòu)仿真模型并能方便的 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，從而改善機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、節(jié)省時(shí)間、降低成本。機(jī)構(gòu)是由構(gòu)件組合而成，而每 個(gè)構(gòu)件都以一定的方式至少與另一個(gè)構(gòu)件連接。這種連接，既使兩個(gè)構(gòu)件直接接觸，又使 兩個(gè)構(gòu)件產(chǎn)生一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的前提是創(chuàng)建機(jī)構(gòu)，創(chuàng)建機(jī)構(gòu)與零件裝 配都是將單個(gè)零部件組裝成一個(gè)完成的機(jī)構(gòu)模型，因此兩者之間有很多相似之處。由零件 裝配得到裝配體，其內(nèi)部的零部件并沒(méi)有發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而由連接得到的機(jī)構(gòu)，其內(nèi)部的 構(gòu)件之間可以產(chǎn)生一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 5.2.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的工作流程 建立仿真運(yùn)動(dòng)的一般步驟： 1. 創(chuàng)建機(jī)構(gòu)中參與運(yùn)動(dòng)的不可缺少的零件模型。 2. 選取合適的“連接”進(jìn)行機(jī)構(gòu)的裝配，并進(jìn)行必要的位置調(diào)整。 3. 進(jìn)入機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)界面，進(jìn)行仿真運(yùn)動(dòng)的參數(shù)設(shè)置，其中包括高級(jí)連接類型的設(shè)置，伺 服電動(dòng)機(jī)和分析定義的參數(shù)設(shè)置。在機(jī)構(gòu)仿真運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)研究中，用戶可以通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)添加 運(yùn)動(dòng)副，使其隨伺服電動(dòng)機(jī)一起移動(dòng)，并且在不考慮作用于系統(tǒng)上的力的情況下分析其運(yùn) 動(dòng)。使用運(yùn)動(dòng)分析觀察機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，并測(cè)量主題位置、速度和加速度的改變。然后用圖形 表示這些測(cè)量，或者創(chuàng)建軌跡曲線和運(yùn)動(dòng)包絡(luò)。根據(jù)以上分析，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真總體上可以 分為 6 個(gè)部分：創(chuàng)建圖元、檢測(cè)模型、添加建模圖元、準(zhǔn)備分析、分析模型和獲取結(jié)果。 5.2.3 機(jī)構(gòu)仿真運(yùn)動(dòng)裝配連接的概念及定義 常規(guī)的裝配限制了元件、組件的所有自由度，而元件、組件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)必須保留 某個(gè)或幾個(gè)方向上的自由度，因此在進(jìn)行機(jī)構(gòu)仿真運(yùn)動(dòng)的裝配過(guò)程中需要引入“連接”定 義，即能夠限制主體的自由度，僅保留所需的自由度，以產(chǎn)生機(jī)構(gòu)所適合的運(yùn)動(dòng)類型。連 接在“裝配”環(huán)境中建立，單擊“元件放置”對(duì)話框中的“連接”字符即可進(jìn)入連接設(shè)置 狀態(tài)，Pro/ENGINEER 中共提供了 n 種連接模式，下面介紹主要的連接方式: . .38 1. 剛性 使用一個(gè)或多個(gè)基本約束，將元件與組件連接在一起，受剛性連接的元、組件屬于同 一主體，連接后，6 個(gè)方向上的自由度被完全限制，相互之間不再 有自由度。 2. 銷釘 僅有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，由一個(gè)軸對(duì)齊和一個(gè)與軸垂直的平移約束來(lái)限制其它 5 個(gè)自由 度，元件可以繞軸旋轉(zhuǎn)。 3. 滑動(dòng)桿 僅有一個(gè)沿軸向的平移自由度，實(shí)際上就是一個(gè)與軸平行的平移運(yùn)動(dòng)，使用“軸對(duì)齊” 和“旋轉(zhuǎn)”兩個(gè)約束限制其他 5 個(gè)自由度。 4. 圓柱 具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和一個(gè)沿軸向的平移自由度，元件可以繞軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)可沿軸向 平移，使用“軸對(duì)齊”的約束限制其他 4 個(gè)自由度。 5. 平面 具有兩個(gè)平移自由度和一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，使用“平面”限制其他 3 個(gè)自由度，元件可 繞垂直于平面的軸旋轉(zhuǎn)并在平行于平面的兩個(gè)方向上平移。 6. 球 具有 3 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。使用“點(diǎn)對(duì)齊”約束來(lái)限制 3 個(gè)自由度[7]。 5.2.4 機(jī)構(gòu)的仿真運(yùn)動(dòng) 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真必須有動(dòng)力源，我們選用伺服電機(jī)具體操作步驟如下:單擊菜單命令“應(yīng) 用程序”下的“機(jī)構(gòu)” ，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)操作界面。單擊菜單命令“插入”下的 “伺服電機(jī)”系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)彈出“伺服電機(jī)定義”對(duì)話框。設(shè)置相關(guān)參數(shù)，確定伺服電機(jī)的 設(shè)置。 伺服電動(dòng)機(jī)設(shè)置好以后，就可以模擬運(yùn)動(dòng)效果，這里還需要對(duì)個(gè)別參數(shù)進(jìn)行行設(shè)置， 具體操作步驟如下： 1. 單擊窗口右側(cè)工具欄里的“定義分析”按鈕，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)彈出“分析定義”對(duì)話框， 將其中的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。 2. 切換到“電動(dòng)機(jī)”選項(xiàng)卡，確認(rèn)電動(dòng)機(jī)已添加，然后單擊底部“運(yùn)行”按鈕，檢測(cè) 運(yùn)行狀況，無(wú)誤后關(guān)閉“電動(dòng)機(jī)”選項(xiàng)卡，接著再關(guān)閉“分析定義”對(duì)話框。 3. 單擊窗口右側(cè)工具欄里的“回放以前運(yùn)動(dòng)分析”按鈕，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)彈出“回放”對(duì) . .39 話框。 4. 單擊對(duì)話框中的“播放當(dāng)前結(jié)果集”按鈕，打開(kāi)“動(dòng)畫”對(duì)話框。 5. 單擊對(duì)話框中的“播放”按鈕，即可連續(xù)觀測(cè)運(yùn)動(dòng)效果。 通過(guò)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)仿真可以觀察到搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)行情況，單擊對(duì)話框的“運(yùn)行” 按鈕查看搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)行情況。具體的看視頻 第六章 ANSYS 有限元分析 ANSYS 軟件作為世界著名的美國(guó) ANSYS 公司最具盛名的 CAE 軟件產(chǎn)品，自從引進(jìn)國(guó)內(nèi) 之后，由于其具有結(jié)構(gòu)、熱流體、電磁和耦合場(chǎng)分析功能，并且功能體系完整強(qiáng)大，得到 . .40 非常成功地應(yīng)用和推廣，應(yīng)用于航空航天、軍工、能源動(dòng)力、船舶車輛通用機(jī)械等各個(gè)行 業(yè)。ANSYS 軟件提供全新的 CAD/CAE 一體化平臺(tái)，即 Workbench 環(huán)境，它可以更好的實(shí)現(xiàn) 與 CAD 軟件的幾個(gè)模型雙向傳遞，并實(shí)現(xiàn)參數(shù)化模型的雙向刷新。 在本課題的研究中，小臂是整個(gè)結(jié)構(gòu)中受力最大的桿，它的強(qiáng)度直接影響到整個(gè)系統(tǒng) 的功能。因此，需要對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行校核。分析小臂在受力下的變形，采用有限元法來(lái)分析 小臂的受力變形。 機(jī)器人小臂的 ANSYS 有限元分析過(guò)程： 1. ANSYS 分析開(kāi)始準(zhǔn)備工作 (1) 清除內(nèi)存，并開(kāi)始一個(gè)新的分析； (2) 指定工作文件名； (3) 指定分析標(biāo)題； (4) 重新刷新圖形窗口，輸入的標(biāo)題顯示在圖形窗口的左下角。 2. 創(chuàng)建有限元模型 (1) 進(jìn)入前處理器并定義單元類型； (2) 定義單元實(shí)常數(shù)； (3) 定義材料屬性，單元類型選擇 SOLID187，材料的彈性模量 E=210GPa，泊松比 ν=0.31，材料模型設(shè)置如圖 6-1 所示； 圖 6-1 定義材料屬性對(duì)話框 (4) 臂在 ANSYS