多自由度直角坐标型码垛机器人结构毕业设计说明书

《多自由度直角坐标型码垛机器人结构毕业设计说明书》由会员分享，可在线阅读，更多相关《多自由度直角坐标型码垛机器人结构毕业设计说明书（45页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、多自由度直角坐标型码垛机器人本体结构设计Body structure desig n of recta ngular coord in ate palletiz ing robot with the multi-degree freedom学生姓名学号所在学院班级所在专业机械设计制造及其自动化申请学位学士指导教师职称副指导教师职称答辩时间设计总说明IINTRODUCTIONII1绪论11.1码垛机器人的发展状况11.2研究目的及意义12课题内容及要求22. 1研究目标、内容及拟解决的关键问题 22.2参数要求23总体机构设计33.1 机械抓手设计63.1.1 方案选择63.1.2力学分析73.

2、1.3气缸选择93.2丝杆螺母副的计算与选型93.2.1 Z轴滚珠丝杠螺母副的计算与选型 93.2.2 x轴和y轴滚珠丝杠螺母副的计算与选型 123.3 各轴驱动电机选型 123.3.1 Z 旋转轴电机的选择 133.3.2 Z轴步进电机的计算与选型153.3.3 x 轴和y轴步进电机的选用 173.4直线滚动导轨副的计算与选型 183.5轴承的选用203.5.1 Z 旋转轴轴承的选用 203.5.2 Z轴滚珠丝杠下端单向推力球轴承的计算与选型 203.5.3其他轴承的选用213.6锥齿轮传动的计算与选型234总体支架的受力分析25总结29鸣谢30参考文献31设计总说明直角型码垛机器人是工业机

3、器人的一种，通过对它的数控编程，它能实现可以在XYZ 三维坐标系中任意一点的移动和遵循可控的运动轨迹。可以实现很多种码垛的方式，在 生产线上对替代人工，提高生产效率等具备显著的应用价值。本课题设计的设计内容是完成多自由度直角坐标型码垛机器人本体结构设计，此码 垛机器人有四个自由度，用于在流水线对纸箱整齐地码垛在托盘上，能够快速紧凑地码 垛。可以通过快速替换机械抓手和重新编程对不同大小的物体进行快速码垛，可以适应 不同的码垛对象，应用广泛。第一步：是对国内外有关码垛机器人领域内的研究背景和发展状况进行了解，并了 解其研究目的及意义。第二步：是对码垛机器人的总体方案的选择：通过进行了详细的对比与选

4、择，找到最 合适的设计方案，最后方案采用龙门式机构，主要采用是滚珠丝杆螺母副传动，驱动装 置采用步进电机，可以通过数控编程改变码垛的路线。第三步：是通过对履带机器人的使用情况与需求，对机构的选型与计算，主要机构有 机械抓手、滚动丝杆螺母副、直线滚动导轨副、步进电机、滚动轴承等。第四步：是通过Pro/E画出该码垛机的总体三维结构图， 通过CADB出码垛机总装配 图和其零件图，最后通过 Pro/E画出该码垛机运动仿真。关键词：码垛机器人；丝杆螺母；步进电机IINTRODUCTIONRight an gle type palletiz ing robot is a kind of in dustri

5、al robot. Through the NC program min g, it can move in the XYZ coord in ate system of arbitrary point mobile and follow the trajectories of con trollable.It can palletize in so many ways in the product ion li ne to replace the workerl, impro ving product ion efficie ncy and hav ing sig nifica nt app

6、licati on value.This time, the design content of this graduation design is to complete the multi degree of freedom recta ngular coord in ate palletiz ing robot body structure desig n, the palletiz ing robot has four degrees of freedom, used in the product ion line of cart on packag ing of product pa

7、lletizing in tray.It can compact stacking quicklyt Can replace mechanical grip and re- programe of differe nt size objects for rapid palletiz in g,a nd adapt to differe nt palletis ing object, hav ing a wide range of applicati ons.The first step of the design is to understand at home and abroad of p

8、alletizing robot in the field of the research background and development situation, and understand the purpose and sig nifica nee of the research.The sec ond step is the selecti on of the overall scheme of the palletiz ing robot: through detaile ing comparis on and select ion, finding the most suita

9、ble desig n. Fin ally,i chosed the gantry mechanism, the ball screw nut transmission, drive the stepper motor, through the NC program ming cha nge stack ing line.The third step is through the use con diti on and the dema nd of tracked robot, selectii ng and calculating of the agency, main body with

10、mechanical grip and rolling screw nut pair, linear rolling guideways, step motor, rolling bearing and so on.The forth step is through the Pro/E to draw the palletizing machine overall three-dime nsio nal structure, through the CAD to draw out the palletiz ing mach ine assembly draw ing and the parts

11、 draw ing. Fin ally, through the Pro / E ,i draw the palletiz ing machi ne moti on simulatio n.KEYWORDS: Palletizing robot; Screw nut; Stepper motorii本科生毕业设计多自由度直角坐标型码垛机器人本体结构设计毕业设计说明书1绪论1.1码垛机器人的发展状况目前欧、美、日的各种码垛机器人在码垛市场的占有率均超过了90%，绝大数码垛作业由码垛机器人完成。并且基本由他们垄断了全球市场。我国的工业机器人在国家支持下，通过“七五”“八五”和“九五”科技攻关，并

12、取得了长足的进步，国外码垛机器人在我国市场一统天下的局面正在被打破16。但是，我国的工业码垛机器人其应用水平和技术与其他发达国家相比还有很大差距， 如国外同类产品可靠性比我国高，起步较晚，运动速度和精度还有很广提升空间。生产 线技术水平与国外相比仍有差距。和全球市场相比，码垛机器人应用规模仍然很小，我 国还未发展成专门的产业。并且当前我国的码垛机器人生产品种规格多，批量小，零部 件通用化程度低16。因此迫切需要对码垛机器人及其相关物流产业进行全面规划，整合资源优势，积极 推进产业化进程。同时立足实际，完善码垛机器人相关的产品、系统及结构，努力提高 我国的机器人发展水平。1.2研究目的及意义人们

13、在工业生产领域工作时，人们经常受到腐蚀、有毒气体等因素的危害，使的工 人的工作环境很恶劣，甚至可能危及生命。但是自从发明机械人以后，相应各种难题迎 刃而解。码垛机器人就是作为机器人其中一种，码垛机器人是机、电一体化高新技术的 产品。码垛机有很多种类，可以在不同的产量生产中发挥着巨大的作用。可按照要求的 编组方式和层数，完成对各种产品的码垛。当码垛机器人的自由度越高，它能发挥的作用越大，但码垛机使用最优化的设计可以使得垛形紧密、整齐。作为工业机器人的典 型一种，码垛机器人在工业应用，尤其是包装领域正发挥着越来越大的作用。张机器人 和包装线现结合，既提高了生产线的工作效率，有提高了生产线的工作效率

14、，又增强了 运行的可靠性，减少了人力资源开支，更让当代企业迅速适应不断变化的市场要求，产 生巨大的经济效益16。2课题内容及要求2. 1研究目标、内容及拟解决的关键问题码垛机器人可以分为两类，分别是直角坐标型和关节型，如图2-1，而我要做的码垛 机器人要求是直角坐标型的图2-1（a）直角坐标型码垛机器人图2-1 （b）关节型码垛机器人直角坐标型码垛机器人是基于空间 XYZ三轴直角坐标系编程、有三轴及以上自由度, 能够实现自动控制、可重复编程反复应用，可以适合不同任务的自动化设备。它能够搬 运物体、操作工具，以完成各种作业。本毕业设计目标是要求掌握工业码垛机械手的结构及工作原理，实现机械手的三个

15、 方向的移动和一个方向的回转，完成一个四自由度的直角坐标型码垛机器人设计，要求 所设计机器人能抓取一定质量的工件（在具体设计时可以在题目中确定是何类形状的物 体，并且手爪是气压驱动），完成抓取、搬运、码放功能，并且具有较高的运动平稳性 和重复精度。主要内容是设计一具有四个自由度的直角坐标码垛机器人，4根运动轴对应直角坐标系中的X轴、丫轴和Z轴，以及Z轴上带有的一个旋转轴，能够实现自动装载和卸 载功能。各轴行程和手爪尺寸及抓取能力按需来设计。设计内容包括机器人总体设计方案的分析确定，包括机器人的运动学分析、主体部 分结构设计和手爪的设计。在设计过程中要考虑到很多问题，所涉及的关键问题有：1 ）机

16、器人运动采用何种驱动电机；2）传动机构设计的合理和平稳；3）导轨布局的合理性等等。2.2参数要求1）单箱重量w 15KG 一次搬运两箱，一次总搬运重量w 30KG3本科生毕业设计2) 托盘尺寸1600X 1600,码垛完了托盘上纸箱最高处到地面w 1700mm3) 行程：X方向2200mm, 丫方向1700mm, Z方向1700mm,水平旋转：+90o.4) 最快码垛速度可达到1000mm/s平均速度为500mm/s码垛精度为1mm5) 码放方式的要求是在托盘尺寸内每层尽可能多地摆放纸箱，托盘四周的纸箱尽可能 平稳，要保证运输过程中平稳不倒。而码好的托盘每两层纸箱间要向砌砖墙那样，尽可 能地相

17、互压住和咬合，如图2-2单数层和双数层的摆放方式不一样。这样才可以保证码 满纸箱的托盘(最高1.7米)在运输过程中平稳。#本科生毕业设计#本科生毕业设计图2-3 (a)悬臂式码垛机器人图2-2 (a)单层纸箱排放方式图2-2 (b)双层纸箱排放方式3总体机构设计设计方案初步有两种方案：一种是悬臂式的码垛机器人，第二种是龙门式的码垛机器人，如图2-3图2-3 (b)龙门式码垛机器人因为在工作空间比较大的情况下，龙门式的码垛机器人机构比较稳定，机器人在工作的时候不容易产生晃动，所以选择第二种龙门式码垛机器人。X轴和y轴可以近似看做xy工作台。主要方案选定是z轴Z轴是上下运动，有两个方案：方案一是采

18、用丝杆螺母形式传动， 方案二是采用齿轮 齿条形式传动。但方案二抓手和物体的重量直接要求齿轮和齿条来承受，对齿条和齿轮 要有很大的要求，而且因为齿轮的传动特性，会使下降和上升的速度产生齿轮的多边形 效应。所以比较后采取方案一丝杆螺母形式传动。采用丝杠螺母形式也有两方案可以选择，第一种方案是丝杠不动，抓手和物体通过 螺母座与丝杠螺母连接做上下运动。第二种是丝杠螺母通过螺母座固定在 y轴的工作台 上，而丝杠的底部与抓手连接做上下运动。但第二种方案做上下运动的重量比较大，会 导致做很多无用功从而使码垛机器人的效率降低。所以通过比较后采取第一种方案。采 用这种方案因为只受到竖直的载荷，所以不需要滚动导轨

19、，只需要滚珠丝杆螺母副的计 算与选型。机构简图如图2-4，三维视图如图2-5和图2-6。轴模块图2-5三维视图图2-6三维视图5本科生毕业设计3.1机械抓手设计3.1.1方案选择(1) 、因为码垛机器人要求要准确的把物品放到指定的位置，要求物品能够紧密放置,所以机械抓手设计成一遍是固定的夹板，一边是活动的夹板。(2) 、为了能够有更大的夹紧力和更好的平衡性能，采用两个气缸提供夹紧力。机械手的动作过程如图3-1所示：7本科生毕业设计#本科生毕业设计图3-1机械手的动作过程机械抓手的三视图如图3-2和三维图3-3表示：#本科生毕业设计#本科生毕业设计图3-2三视图#本科生毕业设计图3-3三维图3.

20、1.2力学分析当物体受到最少夹紧力还处于加紧状态时的受力分析如图3-4所示:由受力平衡得Fn = GFi = F 2Fi 2a sin45 = G a sin45o解得F2 = G ,即机械抓手要求最少的夹紧力是加紧物体重力的二分之一。题目要2求加紧的物体重量最大是30kg, 30kg物体重力为300N,贝U这抓手要求的最少夹紧力为150N由图可得 F3 96mm =F2 237mm，解得 F3=370N由于使用双气缸，则一个气缸提供 185N的力即可，工厂里一般都有自己的压缩空气的 装置，一般压缩空气的气压为 0.8MPa,贝U由压力公式F=PS得32N =0.8 106Pa 二(d)2m2

21、解得气缸的最少直径为 d=0.0343m=34.3mm9本科生毕业设计3.1.3气缸选择根据机械设计手册单行本气压传动P22-204表22-4-16选10A-5系列气缸，气缸实体如图3-5所示，该气缸主要零件用铝合金制造，重量轻。这里具体选用型号为 10A-5LA50B5Q该气缸为标准型，气缸直径为 50mm行程为50mm安装尺寸符合ISO 国际标准。图3-5气缸3.2丝杆螺母副的计算与选型需要使用丝杆螺母副的有z轴、x轴和y轴，x轴和y轴的丝杆螺母副使用环境差不 多，可以选用同样的丝杆螺母副，但 z轴使用情况不一样，需要单独计算。3.2.1 Z轴滚珠丝杠螺母副的计算与选型（1）最大工作载荷F

22、m的计算Z轴滚珠丝杆螺母如图3-6所示，需要带动的部分包括机械抓手、z旋转轴和丝杆螺 母与z旋转轴连接件，估计这部分重量不会超过 800N所以Fz=800N除此之外，并没 有收到其他方向的载荷。图3-6滚珠丝杆螺母计算形式可按矩形导轨方式进行，查系统设计课程设计指导书表3-29，可以取该丝杆螺母副颠覆力矩影响系数为 K =1.1,同样可以取滚动导轨上的摩擦因数为口 = 0.005。求得该工作环境的最大工作载荷为:Fm = KFx + 口( Fz+Fy + G) =1.1 800 N = 880 N(2) 滚珠丝杆螺母座上最大动载荷Fq的计算z 轴的进给速度最快可达v = 1000mm/s，我们

23、可以初选丝杠导程为Ph = 5 mm，则可 以计算出丝杠最快转速n二v/Ph = 500 r/s = 3000r/min。我们可以取滚珠丝杠螺母副的使用寿命T = 15000h，代入计算公式L0 = 60nT /1C6，计算出其丝杠寿命系数L。= 2700 (单位为：106 r)。查书系统设计课程设计指导书表3-30，可取我们的载荷系数fW =1.2，滚道硬度为HRC60则可以取得硬度系数为0=1.0，则求得丝杆螺母副的最大动载荷：F 3 L0 fw fH Fm =14705N(3) 丝杆螺母副型号的选择最大动载荷和初选的丝杠导程根据上面已经计算出来，可查系统设计课程设计指 导书表3-31，选

24、择GD系列的4005-4型滚珠丝杠副，该丝杆螺母副为济宁博特精密丝 杠制造有限公司所生产，其导程为 Ph=5 mm公称直径为40 mm为内循环固定反向器 双螺母式，循环滚珠为4圈X 2列，精度等级可以取5级，可查得其额定动载荷为15307N, 大于上式所计算出来的FQ则满足要求。(4) 所选丝杆螺母副传动效率n的计算从上可知公称导程Ph = 5mm，直径d0 = 40mm，代入公式入=arctanR/( n 0)，计算得丝杠螺旋升角为入=217。将导轨摩擦角 = 10和丝杠螺旋升角，代入计算公式n= tan入/ tan(入+ )计算可得其传动效率为 n= 93.5%。(5) 滚动丝杆螺母刚度的

25、验算1 ) Z轴上端采用一对面对面组配的推力角接触球轴承来固定丝杠上端，下端则采用 一对面对面组配推力角接触球轴承，外加一个推力球轴承，上、下支承的中心距离计算 出约为a = 1700mm ；钢的弹性模量可查得为ES=2.1 105Mpa ；查书系统设计课程设 计指导书表3-31，可知该丝杆丝杠底径d2 = 36.2mm，直径d = 3.175mm，据此可以 计算出丝杠截面积为S = 1029mm2。则可以计算出丝杠由工作载荷Fm作用下而引起的拉/压变形量 = Fma/ (ES) =880 X1700/ (2.1X105X1029) mm 9006mm2 )可以根据计算公式 Z = ( nd/

26、Dw)-3,求得单圈滚珠数Z = 37 ;滚珠的圈数X列数 为4X2,则可计算出得滚珠总数量Z刀= 592。当丝杠预紧时，可计算出轴向预紧力为 Fyj = Fm/3 = 293N，由书系统设计课程设计指导书式(3-27)计算出滚珠与螺纹滚 道间的接触变形量为0.0004mm。3 )以上算出的和、：2可以代入:总二2，求得丝杠总变形量6总=0.0064mm= 6.4卩.。由书系统设计课程设计指导书表 3-27知,5级精度滚珠丝杠有效行程在1600 2000mm时，行程偏差可允许达到65卩m则可见所选丝杆刚度足 够。(6) 滚珠丝杆螺母副的压杆稳定性校核失稳时的临界载荷Fk可根据系统设计课程设计指

27、导书式(3-28 )计算出来。查系统设计课程设计指导书表 3-34，应该取其支承系数fk =1 ;由丝杠底径4d2 = 36.2mm，则可求得截面惯性矩为丨二二d2/64 84295 mm ；当丝杆垂直安装时，压杆稳定安全系数K应取2.5 ;已知滚动螺母至轴向固定处的距离1700mm，计算出得临界载荷Fk 4.1 108N，远大于工作载荷Fm = 880N，则所选丝杠不会失稳。综上所述，所选择的GD系列4005-4型滚珠丝杠副可以满足使用要求，其实体如图3-7所示。图3-7滚珠丝杠副322 x轴和y轴滚珠丝杠螺母副的计算与选型X轴和y轴可以选用同样规格的滚珠丝杆螺母副，如图3-8所示，因为x轴

28、所受垂直载荷比y大，同样只需要进行对x轴的受力分析即可，计算方式与z轴差不多。图3-8滚珠丝杆螺母副(1)丝杆螺母的最大工作载荷Fm的计算当抓手抓起限定最重的物品码垛机器人以最大速度运行时，其只受到与工作台面垂直垂向的载荷Fz = 1500N。已知移动部件总重量估计不大于 G = 2000N，同样可以与z轴一 样按矩形导轨进行计算，可选 K=1.1，卩=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm = KFx + 讥 Fz + Fy + G) =1.1 0 + 0.005 X(1500 + 2000 ) N = 17.5N(2) 滚动丝杆螺母副的最大动载荷 Fq的计算x 轴工作时的最快进给速

29、度同样可达到为 v=1000mm/s丝杠导程同样可选 Ph=5 mm 则丝杠寿命系数同样为L=2700 (单位为：106 r )。则可求得最大动载荷：Fq =3 LfwfHFm =292.4N(3) 型号选择根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，以及x轴的丝杆比较长，主要受到径向载荷，为了保证其刚度，选择直径比较大的丝杆，可以选择与z轴相同的济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的 GD系列2005-3型滚珠丝杠副，其额定动载荷为 15307 N,远 远大于FQ满足要求。刚度的验算与压杆稳定性校核与 z轴的方式一样，通过计算得出选择的滚珠丝杠副 满足使用要求。3.3各轴驱动电机选型各轴都要求有一定

30、的精度，而且需要电机自锁，所以电机类型可以选择为步进电机，各轴所承受的载荷都有些不同，z旋转轴没有起动负载而且转速很低，z轴有起动负载而且移动速度快，x轴和y轴没有起动负载而且移动速度快，则电机的选型要分开计算。331 Z旋转轴电机的选择该电机主要克服机械抓手和纸箱旋转时的摩擦力矩，如图3-9所示，而根据该部分设计的机构知摩擦力矩为轴承的滚动摩擦，数值较小。抓手和纸箱转动惯量很大，是电 机设计需要考虑的主要对象。15本科生毕业设计(1)加在电机转轴上的总转动惯量 Jz的计算抓手最大质量为10kg，容许抓取质量为30kg，其转动惯量的计算可近似认为 40kg 纸箱为400mrK100mrK100

31、mm勺长方体，则长方体绕 Z轴的转动惯量为：Jz=m(#+b2)/12(3-1 )式中 a=40cm b=10cm m=40kg 则 Jz= 0.4958kg.m2 5667kg.cm2。可以初选z旋转轴的步进电机型号为130BYG2502该电机为两相混合式，二相四拍驱动时步距角为0.9，查系统设计课程设计指导书表 4-5查到该型号电机转子的转动惯量为Jm= 48kg.cm2，则可计算出加在步进电机转轴上的总转动惯量为2Jep= Jm+Jz = 5715kg.cm(2)加在电机转轴上的等效负载转矩Tep的计算其最大的等效负载转矩为快速启动时电机转轴所承受的负载，则Teq =Ta max(3-2

32、)在考虑传动链的总效率 大加速转矩我：n上，可以计算快速起动时旋转部件折算到电机转轴上的最2Jeq nm 1T a max 二60ta耳(3-3)式中nm 对应最快移动速度的电机最高转速，其单位为r/min ；ta 步进电机由静止到加速至最高转速所需的时间，其单位为s。Z旋转轴主要是带动着抓手和纸箱沿电机中心的转轴运动，因为这部分的转动惯量过 大，速度不宜过快，因此为了安全，最高的旋转速度可达到为100/s，但平时工作的速度平均为30/s。则换算电机的转速最高速度为nm =17r/min假设该步进电机由静止到加速至最高转速所用时间为ta =0.4s，传动链总效率n= 0.9则由式(3-3 )计

33、算得:2兀 X5715X10 17Teq=Tamax2.83 N .m60x0.4x0.9(2)步进电机最大静转矩的选定及电机的初选当输入电压降低时，步进电机的驱动电源受电网电压影响较大，其输出转矩会下降， 可能会造成丢步，甚至可能堵转。因此，选择步进电机时，需要考虑安全系数。本工作 环境可取安全系数K=4,计算出步进电机的最大静转矩应满足：Tjmax 4 X2.83N m = 11.32N m(3-4)初步选择的步进电机型号为130BYG2502查系统设计课程设计指导书表 4-5得 该型号电机的最大静转矩为Tjmax = 40N m。可见，所选的电机满足(3-4)式的使用要 求。(4) 所选

34、用步进电机的性能校核1 )最快转动电机输出转矩校核给定工作台最快空载移动速度nm =17r/min，其步进角为0.9/ (o)可求出电机对应的运行频率fmax = 360心9 X7Hz = 6800Hz。由图各查得，此频率运行的电机输出转矩Tmax = 16N m，大于Teq1 = 2.83N m，满足其使用要求。2 )最快旋转时电机运行频率校核电机运行最高频率为fmax = 6800HZ。查书系统设计课程设计指导书表4-5可知 130BYG2502步进电机的极限运行频率为1500Hz,则没有超出限度。3 ）步进电机的起动频率计算从上可以知道Jeq= 5667kg.cm2, J48 kg cm

35、 ,当电机转轴不带任何负载时的最高起动频率为fq = 1500Hz。则可求出步进电机克服惯性负载的起动频率:fL =fq =拓 138Hz17本科生毕业设计则要想保证步进电机起动时保证不失步，任何时候的起动频率都要求必须小于138Hz=要使起动频率选得更低，可以采用软件升降频，其通常只有100Hz从上面一系列计算可知，z旋转轴选用130BYG250笏进电机，可以完全满足设计 使用要求。/Hz图3-10130BYG2502步进电机的运行矩频特性3.3.2 Z轴步进电机的计算与选型Z轴是电机是要求带负载快速启动，与z旋转轴电机的选型计算不一样，如图3-11所示。滚珠丝杠总长I =1700mm移动部

36、件总重量G=800N其他参数同z旋转轴；同样算得 各个零部件的转动惯量如下：上下运动的部分折算到丝杠上的转动惯JW = 51 kg cm ,2滚珠丝杠的转动惯量JS = 2.8 kg cm。因为Z轴的移动速度很快，不需要减速器，直径 与丝杆进行连接，又因为要承受着载荷起动，要选择转矩比较大的电机，初选可以与z旋转轴相同的步进电机型号为130BYG2502 ，则加在步进电机转轴上的总转动惯量可计 算得2 2Jeq =Jm Jw Js = 48 + 0.51 + 2.8kg cm = 49.4kg cm(2)加在步进电机承受最大工作负载时快速起动时的负载的计算负载转矩Teq总共包括三部分：第一部分

37、是移动部件在运动时折算到电机转轴上的摩擦转矩Tf ；第二部分是机器快速起动时折算到电机转轴上的最大加速转矩Tamax ；第三部分是负载折算到电机的最大工作负载转矩Tt，则有：Teq1 =amax +Tf +Tt(3-5)z轴移动速度最快为1000m/s,选用的丝杆螺母导程为 Ph=5mm则nm=1000/5=200r/s=12000r/min。设步进电机由静止到加速至最快转速所需时间ta=1s,传动链总效率n= 0.9 X0.935 = 0.84。19本科生毕业设计则同样由式（3-3）求得:_42 二 49.4 10 一 1200060x1x0.84:7.4N.m叫F G)Ph2二 i0.00

38、5 (800 0) 0.0052 二 0.84 1:0.0038N.m(3-6)负载折算到电机转轴上的最大工作负载转矩:FfPh2二 i800 0.0052 二 0.8 1N .m ： 0.8N .m#本科生毕业设计#本科生毕业设计最后由式（3-5）可以计算出:Teq =Tamax+ Tf+ Tt=8.2N(3-7)#本科生毕业设计#本科生毕业设计步进电机最大静转矩同样为负载转矩乘以安全系数4,即为Tjmax 4 X8.2N m = 32.8N m(3-8)130BYG2502型号电机的最大静转矩Tjmax = 40N m。则选用的电机满足（3-8 ）式的使用要求。步进电机的性能校核同z旋转轴

39、的校核方式一样，最后校核出该步进电机符合使用要 求。3.3.3 x轴和y轴步进电机的选用X轴和y轴都是水平放置，都没有收到竟给方向的负载，如图3-12所示图3-12电机三维图计算加在步进电机转轴上的总转动惯量J eq滚珠丝杠总长I =2200mm,电机通过两副90锥齿轮传动给丝杆；移动部件总重量G=2500N同样可以算得各个零部件的转动惯量如下：滚珠丝杠的转动惯量Js=3.6kg cm7,上下运动的部分折算到丝杠上的转动惯 Jw=1.58kg cm，两斜齿轮 估计传动惯量不会大于Jz=80kg.cm2。初选步进电机型号为同样可以为 130BYG2502则加 在步进电机转轴上的总转动惯量为2 2

40、J eq = Jm + Jw + J s x 2+ Jz = 48 +1.58 + 3.6 X2 + 30kg，cm =83 18 kg cm同理，根据z轴选用电机的方式进行计算，可以计算出得出加在步进电机上的最大 等效负载转矩为Teq=12.2N.m,因为y轴的受到的负载比x轴的要小，y轴选用130BYG2502 的电机一样符合使用要求。综上所述，各轴选用的电机型号都为130BYG250步进电机，电机外形如图3-13所示。图3-13电机实体图3.4直线滚动导轨副的计算与选型直线滚动导轨副用于x轴和y轴，承受垂直的载荷。(1)计算滑块承受工作载荷及选取导轨型号影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因

41、素通常是工作载荷。本设计中的 x轴和y轴 都为为水平布置，y轴是采用双导轨、四滑块的支承形式，如图 3-14所示，而x采用左 右两个导轨模块，每个也是采用双导轨、四滑块的支承。图3-14直线滚动导轨副x轴和y轴采用相同规格的导轨副，因为 x轴受到的载荷最大，则只需要x轴的选型 计算即可。工作时，其不利的情况是一个滑块承担垂直于台面的全部工作载荷，可计算 出这个单滑块所受的最大垂向载荷为：(3-9)其中，移动部件重量约为G =2000N，外加载荷F= Fz=1500N（ z轴上下运动时产生 的冲击）载荷，代入（3-9）式得最大工作载荷Fmax = 1500N = 2kN。查书本系统设 计课程设计

42、指导书表3-41，可以初选直线滚动导轨副的型号为 KL系列的JSA-LG35型, 直线滚动导轨副的额定静载荷 Ca=47.2kN，其额定动载荷Ca= 35.1kN。由直线滚动导轨副标准长度，可以选取导轨的长度为 2200mm。（2）计算距离额定寿命初选的导轨副的滚道硬度可以取 HRC60，在工作时，温度不会大于100C，每根导轨 上配有两只滑块，其导轨副可取4级精度。查书本系统设计课程设计指导书表 3-36 至表3-40，得硬度系数=1.0,温度系数=1.00,接触系数=0.81精度系数=0.9,载荷系数= 1.5，则可以计算出其距离寿命:fHfTfcfRfw2)3 50 ： 31025kmF

43、max23本科生毕业设计#本科生毕业设计计算结果远大于期望值50km则该选用导轨副符合其使用要求，其实如图3-15所示#本科生毕业设计图3-15导轨副3.5轴承的选用3.5.1 Z旋转轴轴承的选用Z 旋转轴只受到轴向力的载荷，所以选择单向推力球轴承，其轴向当量动载荷Pa=Fa , Fa为轴承所承受的最大轴向力，由于抓手和物体最大重量小于 40kg，则可认为其轴向当 量动载荷Pa=350N,为了适应其总体机构大小，选择轴承型号为51108,其轴承基本额定 动载荷为62.8kN350N。其滚动轴承的基本额定寿命为 L10= C = 62800 =3869893X106rIP丿I 400丿轴承安装形

44、式如图3-16所示：3.5.2 Z轴滚珠丝杠下端单向推力球轴承的计算与选型同样，丝杆只受到轴向力的载荷，所以选择单向推力球轴承，其轴向当量动载荷Pa=Fa，Fa为轴承所承受的最大轴向力，可采用滚珠丝杆的最大动载荷，则可认为其轴向当量动 载荷Fa=14705N为了适应其总体机构大小，选择轴承型号为51203，其基本额定动载荷25本科生毕业设计为 27.2kN14705N。其滚动轴承的基本额定寿命为Lio= C = 27200 =6.3 x 106r IP 丿 J14705 丿#本科生毕业设计#本科生毕业设计其轴承的安装形式如图3-17所示和实体图片如图3-18所示:#本科生毕业设计#本科生毕业设

45、计图3-17单向推力球轴承装配图#本科生毕业设计#本科生毕业设计图3-18单向推力球轴承实体图3.5.3其他轴承的选用每个丝杆螺母两端需要采用一对面对面组配的推力角接触球轴承，而经过通过以上方式的计算都可以采用7305B型号的角接触球轴承。同样，锥齿轮轴两端也要采用一对面 对面组配的推力角接触球轴承，同样经过计算都可以采用7305B型号的角接触球轴承。则这里要用16个7305B型号的角接触球轴承，安装方式如图 3-19、图3-20、图3-21 所示：#本科生毕业设计27本科生毕业设计W7图3-21轴承装配图#本科生毕业设计29本科生毕业设计3.6锥齿轮传动的计算与选型X轴的简图如图3-22所示

46、，锥齿轮的安装方式图3-23所示，和锥齿轮参数如图3-24 所示。匚1ZjHJiJ图3-22 x 轴简图1、电动机；2、锥齿轮z1; 3、锥齿轮z2; 4、丝杆图3-24齿轮参数图（1）锥齿轮的初定已知电机的输出转矩最大为12.2N.m，其最高转速12000r/min，平均转速为 6000r/min，由电机驱动，工作寿命为15年（设每年工作300天），两班制。1 ）斜齿轮z1和z2的规格相同，所以传动比为1:1 ；2 ）选取齿轮齿数为Z=40;3 ）本码垛机工作速度、功率不高，选用 6级精度；4 ）选择材料为40Cr,调质处理，硬度HBS=241286（2）按齿面接触疲劳强度计算：1 ）因为锥

47、齿轮以大端参数为标准值，依据齿宽中点处的当量齿轮作为强度计算来进行 计算。初拟齿宽系数 R=0.3，取载荷系数K =1.2，节锥角为S =45, HBS=260查机械 设计P211 图 10-25 得（T Hiim=539Mpa2 ）由书本机械设计P203图10-20可以查到得齿轮区域系数ZH=2.5，同样由机械 设计P202表10-5得材料的弹性系数影响系数为 ZE=189.8MP3 ）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10N=60n 1jL h=60X 6000X 1X（ 2X 8X 300X 15） =2.592 X 10 查机械设计P208图10-23，得

48、Khn=1。4）计算接触疲劳许用应力许用接触应力为：（T h=Khnc lim/S=539MPa5）按齿面接触强度设计传动dX3L4KT1h（ZHZE）2V 输（1 一0.5 如）2Ud34 1.2 12.2 100.3（1一0.5汉 0.3）22.5 189.8 ）2二 59.4 mm齿轮模数 m =d 二594 =1.485mmZ 40(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278 -218cFlim =218(260 -200) =241.5MPa353-200许用应力：查机械设计图10-17，得YFa=2.77KFN ;F limSF=186MP

49、aYFa二F2.77186= 0.0148931本科生毕业设计#本科生毕业设计1 |4KT1（1-0.5帕）YFam 1-0.5 rrZ2u2 1；f42 122 叽一0.5 3）2.7782mm一 1-0.5 0.3 0.3 20212 1 1861(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Zr Z o=56.57COS45 COS45分度圆直径d=Zm=4Q 2=80mm亠丄 Ju2十112 +1齿宽 b = Rd0.3 6016.97mm，圆整取 b=17mm2 2(6) 主要设计结论从动与主动两个齿轮参数一样， 齿数Z=40,模数m=2mm分锥角S =

50、45：齿宽b=17,分度圆直径为80mm齿轮采用40Cr (调质)。齿轮按6级精度设计。4总体支架的受力分析对支架的受力分析，主要是校核导轨底座的强度，底座如图4-1，因为这机器人的主 要载荷都是有导轨底座承受的，这里要分别对 x轴和y轴的导轨底座的受力分析。#本科生毕业设计图4-1导轨底座三维装配图(1) y轴的受力分析y 轴有两个导轨底座，y轴只承受的最大的垂直载荷约 3000N,则单个导轨底座承受 的最大的垂直载荷约1500N导轨底座的材料为铸铁，当y轴移动的中间时，某一截面 能得到最大拉应力和最大压应力。导轨底座的截面铸铁梁的载荷和截面尺寸如图4-2和图4-3所示，铸铁的抗拉许用应力为

51、(T t=30MPa，抗压许用应力为c c=160MPa已 知截面对形心轴x轴的惯性矩为lx=144.2400 X 10”血 且y1=31mm。3DJ图4-2导轨底座截面图由平衡方程求出梁的支座约束力为F仁 0.75KNF2=0.75KN做弯矩图如图4-4所示：33本科生毕业设计#本科生毕业设计最大的载荷在中间的截面，该截面的弯矩为M仁1.5X 0.9=1.35kN?m,最大拉应力在截面的下边缘各点，最大压应力在截面的上边缘各点，拉应力求得：MCy2lx(1.35 103 N m)(30 20-31) 10；m144.24(10 m)46 _= 17.78 10 Pa = 17.78MPa t

52、#本科生毕业设计#本科生毕业设计同理计算出最大压应力没有超过许用应力，强度条件满足的。(2) x轴的受力分析同理x导轨底座的截面铸铁梁的载荷和截面尺寸如图4-5和图4-6所示30Vy图4-6 x轴导轨底座截面图同理计算出x轴导轨的最大拉应力没有超过许用应力，最大压应力没有超过许用应 力，强度条件满足的。35本科生毕业设计总结本设计是通过运用了大学四年的专业知识，还有课外海量的扩展知识而得出的结 晶。同样还需要一定的创新精神，和在同学和老师的无私帮助下克服各种难题而得出的 结果。通过这次毕业设计，使我对以前学到的专业知识进一步巩固和深入理解，和知道 了知识的可贵，并提高了自己的创新设计能力。本设

53、计主要完成下面主要工作。（1）、简要介绍了国内外有关码垛机器人领域内的研究背景和发展状况，并阐述 了本论文所设计直角坐标型码垛机器人的设计思路。（2）、通过方案对比确定最终适合的方案，并对各部件的计算和选型，和对某些 构件部件的强度校核。（3）、通过cad画出总装配图和零件图，和 pro/E画出三维模型。37鸣谢鸣谢我利用将近三个月的时间终于将本次毕业设计完成。在此期间，同学和俞国燕老师 的无私帮助下，我们一起解决了在毕业设计中遇到的无数困难和障碍。尤其要强烈感谢 我的毕业设计指导老师一一俞国燕老师，他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的 指导我的毕业设计。俞老师知识渊博，对知识追求孜孜不倦

54、、精益求精的治学态度，给 我留下了深刻的印象，也使我在设计期间受益匪浅。另外，在此向帮助和指导过我的其 他各位老师表示最中心的感谢。再次感谢俞国燕老师的悉心指导，让我受益匪浅。本文引用了许多位学者的研究成果，参考他们的文献，要是没有各学者的的帮助和 启发，我也很难完成本次的毕业设计，非常感谢各个学者。由于我的专业水平有限，所做的毕业设计也存在着一些不足之处，恳请各位老师和 同学批评和指正。#参考文献参考文献1 尹志强.系统设计课程设计指导书M.北京：机械工业出版社，2007.5.2 濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计第九版M.北京：高等教育出版社，2013.5.3 刘雄文.材料力学第五版M.北京

55、：高等教育出版社，2011.1.4 王少怀.机械设计师手册上册M.北京：电子工业出版社，2006.8.5 王少怀.机械设计师手册中册M.北京：电子工业出版社，2006.8.6 成大先.机械设计手册单行本机械传动M.北京：化学工业出版社，2004.1.7 吴宗泽.机械设计实用手册M.北京：化学工业出版社，1999.8 李洪.实用机床设计手册M.辽宁：辽宁科学技术出版社,1999.9 成大先.机械设计手册第三版M.北京：化学工业出版社,2001.10 卢秉恒,赵万华,洪军.机械制造技术基础M.北京：机械工业出版,2006.11 余达太，马香峰.工业机器人应用工程M.北京：冶金工业出版社，2005.12 李晓刚，刘晋浩.码垛机器人的研究与应用现状、问题及对策J.包装工程，2011（2）.13 李成伟，贫超。码垛机器人机构设计与运动学研究J.机械设计与制造.2010 （06）.14 李金泉，杨向东，付铁.码垛机器人机构与控制系统的设计M.北京：北京理 工大学出版社，2011.15 丁黎光，陈小泉，李伯胜.我国包装码垛机械的现状及发展趋势.广西工学院 学报，2011（ 12）.16 董春利.机器人应用技术M.北京：机械工业出版社,2015.39