码垛机器人毕业设计说明书.doc

. .1 可编辑修改，可打印 别找了你想要的都有！ 精品教育资料 全册教案， ，试卷，教学课件，教学设计等一站式服务 全力满足教学需求，真实规划教学环节 最新全面教学资源，打造完美教学模式 . .2 目录 第一章 绪论 1 1.1 课题的背景、来源及意义 1 1.2 码垛机器人的发展进程及发展趋势 2 1.3 课题的设计内容 2 第二章 码垛机器人总体结构设计 4 2.1 方案的确定 4 2.2 总体设计思路 6 第三章 码垛机器人腕部和腰部设计 .7 3.1 码垛机器人腕部设计 .7 3.1.1 减速机的计算与选型 7 3.1.2 联轴器的计算与选型 8 3.1.3 轴承的选型 .10 3.2 码垛机器人腰部设计 .11 3.2.1 腰部电机选型 .11 3.2.2 腰部联轴器计算选型 .12 3.3 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 14 4.1 平面机构受力分析 .14 4.2 手臂关节轴承的选型与校核 .15 4.3 销轴校核 .16 4.3.1 后大臂与支架销轴联接校核 .16 4.3.2 后大臂与小臂销轴联接校核 .17 4.3.3 前大臂与支架销轴联接校核 .17 4.3.4 前大臂与小臂销轴联接校核 .18 4.3.5 其它销轴联接校核 .18 4.4 竖直滚珠丝杠螺母副的计算与选型 .19 4.4.1 最大工作载荷的计算 .19 4.4.2 最大动载荷的计算 .19 4.4.3 初选滚珠丝杠副型号 .20 4.4.4 传动效率计算 .20 4.4.5 刚度的验算 .21 4.4.6 压杆稳定性校核 .22 4.5 水平滚珠丝杠螺母副的计算与选型 .23 4.5.1 最大工作载荷的计算 .23 4.5.2 最大动载荷的计算 .23 4.5.3 初选滚珠丝杠副型号 .24 . .3 4.5.4 传动效率计算 .24 4.5.5 刚度的验算 .24 4.5.6 压杆稳定性校核 .26 4.6 水平滚动导轨副的计算选型 .26 4.6.1 滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选择 .26 4.6.2 额定行程寿命的计算 .28 4.7 竖直滚动导轨副的计算选型 .30 4.7.1 滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选择 .30 4.7.2.额定行程寿命 L 的计算 .30 第五章 PRO/E 建模和仿真 32 5.1 主要部件建模及其简介 .32 5.1.1 轴承建模的主要过程 .32 5.1.2 机器人的主要部件及装配模型 .35 5.2 三维机构运动仿真的基本介绍 .37 5.2.1 机构运动仿真的特点 .37 5.2.2 机构运动仿真的工作流程 .37 5.2.3 机构仿真运动装配连接的概念及定义 .37 5.2.4 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 . .1 第一章 绪论 1.1 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。 1.2 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 . .2 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。 1.3 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： 1) 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 . .3 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。 第二章 码垛机器人总体结构设计 2.1 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2-1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， . .4 使得机构运动精度低，运动不确定。 图 2-1 方案一 方案二：如图2-2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。 . .5 图 2-2 方案二 方案三：如图2-3所示，机构运动原理与图2-1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 2-3 方案三 . .6 2.2 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1.5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。 . .7 第三章 码垛机器人腕部和腰部设计 3.1 码垛机器人腕部设计 3.1.1 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 3-1，3-2, 3-3。 表 3-1 工作机系数 f1 表 3-2 原动机系数 f2 . .8 表 3-3 启动系数 f3 由表确定本机构的工作系数 f1 = 2.5，原动机系数 f2 = 1.0，起动系数 f3 =1.3，那 么 f1 f2 f3 =2.5 1.0 1.3 =3.25。 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 f1 f2 f3 fB ，由表 1-4 选择 fB = 3.4 的减速机，型号为 RF37-Y0.18-4P-48.08-M4-I 。减速机竖直安放，其具体参数如表 2-4 所示： 表 3-4 减速机的具体参数 输入功率 /kw 输出转速 r/min 输出转矩 N.m 电动机型号 质量/kg 减速机输出 轴的轴颈 0.18 29 56 RF37 8.5 25mm 3.1.2 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 (3-1)nPT950 式中 理论转矩（ ） ；TmN . .9 传递的功率（ ） ；PkW 工作转速（ ） 。nminr 带入数据得 。NT276.5918.09 2. 联轴器的计算转矩 (3-2)tzwCKT 式中： 动力机系数，电动机透平机的 =1.0；wK 工况系数，由机械设计书册第五版第 2 卷表 6-2-2，查得 K=1.5； 起动系数，由制造商确定，与启动频率 f 有关，选取 =1.0；z z 温度系数,由机械设计书册第五版第 2 卷表 6-2-3 查得， =1.0。t tK 带入公式得 。mNTc 914.80.15.0276.59 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 15,1-10 确定联轴器的 有关参数如下： 表 3-4 联轴器的具体参数 Dh7 轴 直径 /mm 许用转矩 /N.m D0 L l C 平键 GB/T10996- 2003 C1 紧定螺钉 GB/T117-2000 25 125 40 75 20 1 8x25 1 M6x10 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 3-1 所示。 图 3-1 II 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 套筒的扭转强度： 4316DdTc (3-3) 式 中 套筒外径，由表 3-4 得到 ；Dm0 . .10 轴径， 。dm25 将数值带入公式得到 MPaT 0835.425104.391863 由套筒的材料为 45 号钢，由机械设计课本表 15-3 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： (3-4)kdlTcP 3102 式中 k键工作高度； 键工作长度。l 由表 15,1-10 确定 ， ，d=25mm，带入公式得到mk4l28 ，MPaP 51.634109.3 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 6-2，取许用挤压应力为 120150Mpa。 因此平键满足强度条件。 3.1.3 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 3-5 轴承的具体参数 轴承型号 d D B a 基本额定动载荷/KN 额定静载/KN 7305C 25 62 17 13.1 21.5 15.8 轴承的布置形式选用预紧布置，用以提高轴承的旋转精度，增加刚性和减小轴的振动。 . .11 3.2 码垛机器人腰部设计 3.2.1 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 1.1kW，额定转速为 17.5r/min，额定扭矩为 600N.m。由于电机要竖直安装，因 此电机的外形图如图 3-2。 图 3-2 电机的外形图 YD 系列低速电机的安装尺寸如表 3-6。 表 3-6 电机的安装尺寸 YD 系列低速电机的性能参数如表 3-7。 表 3-7 电机的性能参数 . .12 3.2.2 腰部联轴器计算选型 1. 联轴器的理论转矩 (3-5)nPT950 式中 理论转矩（ ） ；TmN 传递的功率（ ） ；PkW 工作转速（ ） 。ninr 带入数据得 。mNT2857.60.1795 2. 联轴器的计算转矩 (3-6)tzwCKT 式中 动力机系数，电动机、透平机取 =1.0；wK 工况系数，由机械设计手册第五版第 2 卷表 6-2-2 查得，取 K=1.5。 起动系数，取 =1.0；z zK 温度系数。由机械设计手册第五版第 2 卷 ，表 6-2-3 查得，取 =1.0。t tK 带入公式得 。mNTc 4857.90.150.1287.60 由机械设计手册第五版第 2 卷选用凸缘联轴器，由表 6-2-8 选型号为 GYS7，公称 扭矩为 1600 Nm。凸缘联轴器结构原理，如图 3-3。 . .13 图 3-3 GYS7 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 3-8 GYS7 型-凸缘联轴器基本参数和主要尺寸 许用转速 nr/min 轴孔直 径 d(H7) 轴孔长度 L 螺栓 型号 公称扭矩 Tn(Nm) 钢 钢 Y 型 J1 型 D 数量 n 直径 M 重量 (kg.m ) GYS7 1600 6000 55 112 84 160 6(4) M12 13.1 3.3 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。 . .14 第四章 码垛机器人手臂结构及其驱动系统设计 4.1 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 4-1 所示。 图 4-1 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：AB=1170 ，BC= 260mm ，CD =1080mm ，DE =240mm，A 点到图 4-1 中心线的距离 d = 150mm 。处于图 4-1 位置时小臂的 受力情况见图 4-2。 图 4-2 小臂受力图 图 4-2 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 G1 = 200N ；M 为负载和电机共同的转矩， ；小臂材料为 45 号钢，重量约为 50N；对小臂mNdGM3015201 列受力方程如下： 0)(AF . .15 (4-1)0)2617(2601701 2 FGFM 解得 F1 = 1237.6154N ，F2 = 987.6154N 4.2 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 4-3 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 4-4。 图 4-3 小臂剪力图和弯矩图 . .16 图 4-4 销轴联接结构 图 4-5 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 7-1 确定所选轴承的型号为 GE25ES-2RS，其中 d =25mm，轴承 尺寸见表 4-1。 表 4-1 向心自润滑关节轴承参数 尺寸 mm 额定载荷 kN 轴承型号 d D B C d1 r1 r2 动载荷 静载荷 重量 Kg GE25ES-2RS-2RS 25 42 20 16 29 0. 6 0. 6 48 240 0.42 7 图 4-5 向心关节轴承结构 4.3 销轴校核 4.3.1 后大臂与支架销轴联接校核 1. 销轴抗剪强度： . .17 (4-2)42dFt 销轴采用 45 号钢，其许用切应力 ，许用弯曲应力 ，MPa80MPab120 ，将以上值带入公式得NFt6154.9872mFdt 8.026154.972 2. 销轴抗弯强度： (4-3)btbdaF31.045 其中 ， ，带入公式得ma25b40 ，mFdbt 74.91204.5.6987.33 因此选择销轴的轴径 d= 25mm，满足强度要求。 4.3.2 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 ，许用弯曲应力 ，MPa80MPab120 ，将以上值带入公式（4-2）得NFt6154.9872 。mFdt 8.206154.972 2. 销轴抗弯强度： 其中 ， ，带入公式（4-3）得ma25b40 ，mFdbt 74.91204.5.6987.33 因此选择销轴的轴径 d= 25mm 满足强度要求。 . .18 4.3.3 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 ，许用弯曲应力 ，MPa80MPab120 ，将以上值带入公式（4-2）得NFt 6154.2371 。mFdt 139.802654.1372 2. 销轴抗弯强度： 其中 ， ，带入公式（4-3）得ma25b40 ，mFdbt 508.11204561237.3 因此选择销轴的轴径 d= 50mm 满足强度要求。 4.3.4 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 ，许用弯曲应力 ，MPa80MPab120 ，将以上值带入公式（4-2）得NFt 6154.2371mFdt 139.802654.13742 2. 销轴抗弯强度 由图 9-3 可知 ， ，带入公式（4-3）得ma25b40 ，mFdbt 508.1120.4.5612374.03 因此选择销轴的轴径 d= 50mm 满足强度要求。 4.3.5 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 . .19 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。 4.4 竖直滚珠丝杠螺母副的计算与选型 4.4.1 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： (4-4)(GFKzxm 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 3-29 查得，K = 1.15； 摩擦系数， ；16.0 进给方向的载荷， 。xFNFx6154.9872 如图 4-1 中，E 点的受力没有垂直丝杠方向的，因此 = 0 N。将数值带入公式GFz 得 m5.1364.98715. 4.4.2 最大动载荷的计算 码垛机器人后大臂的运行速度 ，则最大动载荷min2.71.0sv (4-5)HwoQFfL3 式中 滚珠丝杠副的寿命，单位为 106r；0L 载荷系数，由机电一体化系统设计课程设计指导书表 3-30，取wf =1.2； 硬度系数，滚道硬度为 60HRC 时，取硬度系数 =1.0。Hf Hf 滚珠丝杠副的寿命公式为： (4-6)601nTL 式中 T使用寿命，T = 15000h； n丝杠转速。 (4-7)hPvn 初选丝杠导程 ，带入公式(4-7)得到mPh5 . .20 。min1405273rn 将以上数值带入公式(4-6)得 。rL296606 将 、 带入公式(4-5)得mF0 NQ 148593.14857.3.1293 4.4.3 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 Ca ，额定静载荷 ，QFmoaFC32 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择海特 DFT02005-5 型滚珠丝杠副，为双螺 母式，其公称直径为 20mm，导程为 mm，循环滚珠为 5 圈 1 列，精度等级为 5 级，额定5 动载荷为 N 大于 ，则满足要求。滚珠丝杠副的具体尺寸参数如表 4-1 所示。15460aCQF 表 4-2 滚珠丝杠副的尺寸参数 4.4.4 传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的螺旋升角： ohdP5.402.arctnarct0 传动效率 ： . .21 (4-8)tg 式中 丝杠螺旋升角。 摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数 ，其摩擦角约等于 。 04.3.f 10 将数值带入公式(4-8)得： %45.96015.4otg 4.4.5 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 1 在总的变形量中占的比重较大,可按下式计算：1 (4-9)IEMaSFm21 式中 丝杠两端支承间距离，约为 700mm；a 丝杠最大工作载荷(N) ；mF 丝杠材料的弹性模量，钢的 E=2.1 MPa；E510 滚珠丝杠的截面积（按底径 d2确定的）.丝杠底径 mm， S 216d 。2240.96d 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(4-9)得 。m018.96.210.7531 2. 滚珠与螺纹滚道间接触变形 当对丝杠加有预紧力，且预紧力为轴向最大负载的 1/3 时， 之值可减少一半，故其2 计算公式为： (4-10)322 1010.ZFDYJwm . .22 式中 滚珠直径，由表 4-1 查得 = 3.175mm。wDwD 单圈滚珠数；Z 滚珠总数量， =Z 圈数 列数= ；Z8517 预紧力。YJF 滚珠丝杠的滚珠数为： ，780.1635.20wDdZ 取整为 Z= 17。 滚珠丝杠的预紧力为： NFmYJ 586.37.153 将数值带入公式（4-10）得到 。m015.856.371.0.322 由于 减小一半，则2 = 。2m 3. 刚度校验 丝杠总的变形量 =0.0266mm = 26.6 ，取丝杠的有效行程为 mm。由21560 机电一体化系统设计课程设计指导书查表 3-27，查得 5 级精度滚珠丝杠有效行程 mm 时，行程偏差允许达到 32mm，可见丝杠刚度足够。5063 4.4.6 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 用下式计算：kF (4-11)mkKaEIf2 式中 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 3-34，采用f 双推-双推支承形式，所以 = 4；kf . .23 压杆稳定性安全系数，一般取为 2.54。垂直安装时 K= 2.5；K 截面惯性矩 ,丝杠截面惯性矩 （ 为丝杠I)(4cm426315.Idm2d 螺纹的底径)； 丝杠两支承端距离，a=700mm。a 将以上数值带入公式(4-11)得 NFNFmk 75.1321739705.26.3142 可知压杆稳定性满足校核。 4.5 水平滚珠丝杠螺母副的计算与选型 4.5.1 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(4-4)为： )(GFKzxm 式中 K载荷系数， K = 1.15； 摩擦系数， ；16.0 垂直丝杠的受力， 。zFNFz6154.237 如图 4-1 中，F 点的受力没有水平丝杠方向的，因此 0N。将数值带入公式(4-4)xF 得 。m 08.5614.237.0 4.5.2 最大动载荷的计算 搬运机器人前大臂的运行速度 ，则最大动载荷公式 (4-5)为min2.71.0svHwoQFfL3 式中 滚珠丝杠副的寿命，单位为 106r；0L 载荷系数，取 =1.2；wfwf 硬度系数，取硬度系数 =1.0。HHf 初选丝杠导程 ，带入公式(4-7)得到mPh10min14052.73rn 取使用寿命 T = 15000h，将其与转速 n 带入公式(4-6)得 . .24 。rL12960514660 查机电一体化系统设计课程设计指导书的表 3-30 得 = 1.2 ，由于硬度wf ，所以 = 1.0 。带入公式(4-5)得HRC58Hf 。NFQ 26953.269501821963 4.5.3 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 Ca ，额定静载荷 ，QFmoaFC32 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择海特 DFT02005-53型滚珠丝杠副，为双 螺母式，其公称直径为 20mm，导程为 mm，循环滚珠为 5 圈 1 列，精度等级为 5 级，额5 定动载荷为 N 大于 ，则满足要求。15460aCQF 4.5.4 传动效率计算 计算传动效率 公式(4-8)为：tg 式中 丝杠螺旋升角， =4.55。 摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数 ，其摩擦角约等于 。 04.3.f 10 将数值带入公式(4-8)得： %45.96015.4otg 4.5.5 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 1 在总的变形量中占的比重较大,可按公式(4-9)计算：1 . .25 IEMaSFm21 式中 丝杠两端支承间距离，约为 700mm；a 丝杠最大工作载荷(N) ；mF 丝杠材料的弹性模量，钢的 E=2.1 MPa；E510 滚珠丝杠的截面积（按底径 d2确定的）.丝杠底径 mm， S 216d 。2240.96d 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(4-9)得 。m0342.96.210.7851 2. 滚珠与螺纹滚道间接触变形 当对丝杠加有预紧力，且预紧力为轴向最大负载的 1/3 时， 之值可减少一半，故可2 按公式(4-10)计算 值：2322 1010.ZFDYJwm 式中 滚珠直径，由表 4-1 查得 = 3.175mm。wDw 单圈滚珠数 Z=17；Z 滚珠总数量， =Z 圈数 列数= ；Z8517 预紧力。YJF 滚珠丝杠的预紧力为： NFmYJ 673.83015.2 将数值带入公式（4-10）得到 。m0516.8673.15.0.322 由于 减小一半，则2 = 。2m 3. 刚度校验 丝杠总的变形量 =0.006mm = 6 ，取丝杠的有效行程为 mm。由机21560 . .26 电一体化系统设计课程设计指导书查表 3-27，查得 5 级精度滚珠丝杠有效行程 mm 时，行程偏差允许达到 32mm，可见丝杠刚度足够。5063 4.5.6 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 用公式(4-11)计算：kFmkKaEIfF2 式中 临界载荷(N)；kF 丝杠支承系数，采用双推-双推支承形式，故取 = 4；f kf 压杆稳定性安全系数，水平安装时 K=4；K 截面惯性矩 ,丝杠截面惯性矩 ；I)(4cm4426315.Idm 丝杠两支承端距离，a=700mm。a 将以上数值带入公式得 NFNFmk 0185.269510647043.21.52 可知压杆稳定性满足校核。 4.6 水平滚动导轨副的计算选型 4.6.1 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： (4-12)FG4max 式中 F外加载荷 ； 1F G移动部件的重量 G=800N。 将数值带入(4-12)得 。NG6154.37.12480max 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 . .27 ，额定静载荷 。滑块的尺寸及安装尺寸如表 4-3，表 4-5 为kNCa58.4kNCoa38.7 导轨的尺寸及负载能力。导轨的标准长度如表 4-4，选取导轨的标准长度为 820mm。 表 4-3 FV 型滑块的尺寸及安装尺寸 表 4-4 导轨的尺寸及负载能力 表 4-5 导轨的标准长度 . .28 4.6.2 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： (4-13)503maxFCfLwTH 式中 额定行程寿命(km)；L 额定动载荷， = 4.58kN；aCaC 滑块上工作载荷， = 1.437kN；mxFmxF 硬度系数，由图 4-6， =1.0；Hf Hf 温度系数，由图 4-7， =1.0；T T 接触系数，由表 4-6， ,=0.81；Cf Cf 载荷系数，由表 4-7， =1.0。ww 将以上数值带入公式(4-13)可得 。kmL30.865437.10.81 . .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 50 km，则 初选的导轨型号满足设计要求。 图 4-6 硬度系数 图 4-7 温度系数 表 4-6 接触系数 . .30 表 4-7 载荷系数 4.7 竖直滚动导轨副的计算选型 4.7.1 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(4-12)计算： 2max4FG 式中 F外加载荷 ； 2F G移动部件的重量 G=800N。 将数值带入(4-12)得， 。NG6154.87.94802max 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 ，额定静载荷 。导轨和滑块的尺寸及安装尺寸如表 4-3、4-kNCa58.4kNCoa3.7 4。由表 4-5，选取导轨的长度为 820mm。 4.7.2.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 系列 SBS15FV 型导轨副的 . .31 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(4-13)计算额定行程寿命为： 503maxFCfLwTH 式中 额定行程寿命(km)；L 额定动载荷， = 4.58kN；aCaC 滑块上工作载荷， = 1.188kN；mxFmx 硬度系数，由图 4-6， =1.0；Hf Hf 温度系数，由图 4-7， =1.0；T T 接触系数，由表 4-6， ,=0.81；Cf Cf 载荷系数，由表 4-7， =1.0。ww 将以上数值带入公式(4-13)可得, ，kmL52.108.1540.13 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。 . .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。 5.1 主要部件建模及其简介 5.1.1 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 5-1 角接触球轴承 具体的建模步骤如下： . .33 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(5-2)所示。 图 5-2 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(5-3)。 图 5-3 内外圈 6. 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 . .34 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(5-4)。 图 5-4 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(5-5)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 5 -5 角接触球轴承的模型 . .35 5.1.2 机器人的主要部件及装配模型 腕部电机装配图如图 5-6 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 5-6 手腕部电机转配 滚珠丝杠副装配如图 5-7 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 5-7 滚珠丝杠装配 腰部电机装配如图 5-8 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 . .36 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 5-8 腰部电机装配 整个机构的装配图如图 5-9 所示。 图 5-9 整体机构的装配图 . .37 5.2 三维机构运动仿真的基本介绍 5.2.1 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。 5.2.2 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。 5.2.3 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: . .38 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。 5.2.4 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。 2. 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 . .39 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 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 . .40 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。 机器人小臂的 ANSYS 有限元分析过程： 1. ANSYS 分析开始准备工作 (1) 清除内存，并开始一个新的分析； (2) 指定工作文件名； (3) 指定分析标题； (4) 重新刷新图形窗口，输入的标题显示在图形窗口的左下角。 2. 创建有限元模型 (1) 进入前处理器并定义单元类型； (2) 定义单元实常数； (3) 定义材料属性，单元类型选择 SOLID187，材料的弹性模量 E=210GPa，泊松比 =0.31，材料模型设置如图 6-1 所示； 图 6-1 定义材料属性对话框 (4) 臂在 ANSYS