码垛机器人毕业设计说明书

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 ......................................... 1 1.3 课题的设计内容 ......................................................... 2 第二章 码垛机器人总体结构设计 ............................................... 3 2.1 方案的确定 ............................................................. 3 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 .......................................... 18 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

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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 .................................................... 25 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 .................................................... 39 结论........................................................................ 45 参考文献 .................................................................... 46 谢辞........................................................................ 47

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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２０世纪８０年代，我国码垛机器人在国家支持下，通过“七五”、“八五”科技

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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、轴承型号的选择。

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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，使得机构运动精度低，运动不确定。

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P——传递的功率（kW）；

n——工作转速（

rmin）。

带入数据得 T?95500.18?59.276N?m。 292. 联轴器的计算转矩

TC?TKwKKzKt (3-2)

式中：Kw——动力机系数，电动机透平机的Kw=1.0；

K——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；

Kz——起动系数，由制造商确定，与启动频率f有关，选取Kz=1.0；

Kt——温度系数,由《机械设计书册第五版第2卷》表6-2-3查得，Kt=1.0。

带入公式得Tc?59.276?1.0?1.50?1.0?1.0?88.914N?m。

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轴许用转矩直径/N.m /mm 25 125 40 75 20 1 8x25 1 M6x10 D0 L l C GB/T10996-2003 平键C1 GB/T117-2000 紧定螺钉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：

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?T?16Tc??d?D3?1??4?D??????? (3-3)

式中 D——套筒外径，由表3-4得到D?40mm；

d——轴径，d?25mm。

将数值带入公式得到

?T?16?88.914??25??3.14?403??1??4????40???0.0083538MPa

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25～45Mpa，则所选套筒满足强度要求。

平键的挤压强度：

?P?式中 k——键工作高度；

2Tc?103kdl (3-4)

l——键工作长度。

由表15,1-10确定k?4mm，l?28mm，d=25mm，带入公式得到

32?88.914?10?P?4?25?28?63.51MPa，

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120～150Mpa。

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 7305C d 25 D 62 B 17 a 13.1 基本额定动载荷/KN 21.5 额定静载/KN 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。

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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

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3.2.2腰部联轴器计算选型

1. 联轴器的理论转矩

T?9550式中 T——理论转矩（N?m）；

P (3-5) nP——传递的功率（kW）；

。 n——工作转速（rmin）

1.1?600.2857N?m。 带入数据得 T?955017.52. 联轴器的计算转矩

TC?TKwKKzKt (3-6)

式中 Kw——动力机系数，电动机、透平机取Kw=1.0；

K——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。

Kz——起动系数，取Kz=1.0；

，表6-2-3查得，取Kt=1.0。 Kt——温度系数。由《机械设计手册第五版第2卷》

带入公式得Tc?600.2857?1.0?1.50?1.0?1.0?900.42857N?m。

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 N·m。凸缘联轴器结构原理，如图3-3。

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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

轴孔直许用转速径公称扭矩型号 Tn(N·m) ) Y钢 钢 型 GYS7 1600 6000 55 型 160 n 6(4) M M12 13.1 J1数量直径[n]r/min d(H7) L D (kg.m3轴孔长度螺栓 重量 112 84 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。

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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，

M?G1?d?200?150?10?3?30N?m ；小臂材料为45号钢，重量约为50N；对小臂

列受力方程如下： ｛

?F?0

?M(A)?014

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F1?F2?G?G1?0｛ (4-1) 1170?260M?F1?1170?G??F2?(1170?260)?02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

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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 轴承型号 d D B C d1 r1 r2 动载荷 静载荷 0.GE25ES-2RS-2RS 25 42 20 16 29 6 6 0.48 240 7 Kg 0.42额定载荷kN 重量

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：

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??Ft2??d42???? (4-2)

销轴采用45号钢，其许用切应力????80MPa，许用弯曲应力??b??120MPa，

Ft?F2?987.6154N，将以上值带入公式得

d?2??Ft?????987.6154?2?2.8mm

4?802. 销轴抗弯强度：

?b?Ft?a?0.5b????b? (4-3) 34?0.1d其中a?25mm，b?40mm，带入公式得

d?3Ft??a?0.5b?3987.6154??25?0.5?40???9.747mm，

0.4???b?0.4?120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????80MPa，许用弯曲应力??b??120MPa，

Ft?F2?987.6154N，将以上值带入公式（4-2）得

d?2?2. 销轴抗弯强度：

其中a?25mm，b?40mm，带入公式（4-3）得

Ft?4?????987.6154?2?2.8mm。

?80

d?3Ft??a?0.5b?3987.6154??25?0.5?40???9.747mm，

0.4???b?0.4?120因此选择销轴的轴径d= 25mm满足强度要求。

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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????80MPa，许用弯曲应力??b??120MPa，

Ft?F1?1237.6154N，将以上值带入公式（4-2）得

d?2?2. 销轴抗弯强度：

其中a?25mm，b?40mm，带入公式（4-3）得

Ft?4?????1237.6154?2?3.139mm。

?80

d?3Ft??a?0.5b?31237.6154??25?0.5?40???10.508mm，

0.4???b?0.4?120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????80MPa，许用弯曲应力??b??120MPa，

Ft?F1?1237.6154N，将以上值带入公式（4-2）得

d?2?2. 销轴抗弯强度

由图9-3可知a?25mm，b?40mm，带入公式（4-3）得

Ft?4?????1237.6154?2?3.139mm

?80

d?3Ft??a?0.5b?31237.6154??25?0.5?40???10.508mm，

0.4???b?0.4?120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

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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：

Fm?KFx??(Fz?G) (4-4)

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，??0.16；

Fx——进给方向的载荷，Fx?F2?987.6154N。

如图4-1中，E点的受力没有垂直丝杠方向的，因此Fz?G = 0 N。将数值带入公式得Fm?1.15?987.6154?1135.7577N 4.4.2 最大动载荷的计算

码垛机器人后大臂的运行速度v?0.12mminFQ?3LofwfHFm (4-5)

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s?7.2m，则最大动载荷

式中 L0——滚珠丝杠副的寿命，单位为10r；

fw——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fw=1.2； fH——硬度系数，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0。

滚珠丝杠副的寿命公式为：

L0?式中 T——使用寿命，T = 15000h； n——丝杠转速。

60nT (4-6) 610n?v (4-7) Ph初选丝杠导程Ph?5mm，带入公式(4-7)得到

n?将以上数值带入公式(4-6)得

7.2?1440r。 ?3min5?1019

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L0?60?1440?15000?1296r。

106将Fm、L0带入公式(4-5)得

FQ?31296?1.2?1.0?1135.7577?14859.423N?14859N

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?FQ，额定静载荷Coa??2~3?Fm，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5mm，循环滚珠为5圈?1列，精度等级为5级，额定动载荷为Ca?15460N大于FQ，则满足要求。滚珠丝杠副的具体尺寸参数如表4-1所示。

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：

?4.55o ??arctanh?arctan?d0??0.02传动效率?：

?式中 ?——丝杠螺旋升角。

P0.005?tg? (4-8)

tg????? 20

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?——摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数f?0.003~0.004，其摩擦角约等于10'。

将数值带入公式(4-8)得：

??tg4.55o?10?o?tg?4.55??60???o?96.45%

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

?1在总的变形量中占的比重较大,可按下式计算：

FmaMa2? ?1? (4-9) ES2?IE式中 a——丝杠两端支承间距离，约为700mm；

Fm——丝杠最大工作载荷(N)；

E——丝杠材料的弹性模量，钢的 E=2.1?105MPa；

S——滚珠丝杠的截面积（按底径d2确定的）.丝杠底径d2?16mm，

S??d224?200.96mm2。

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

?1?1135.756?700?0.0188mm。

2.1?105?200.962. 滚珠与螺纹滚道间接触变形?2

当对丝杠加有预紧力，且预紧力为轴向最大负载的1/3时，?2之值可减少一半，故其计算公式为：

?2?0.013FmZ?2 (4-10)

103DwFYJ

10式中 Dw——滚珠直径，由表4-1查得Dw= 3.175mm。

Z——单圈滚珠数；

Z?——滚珠总数量，Z?=Z?圈数?列数=17?5?1?85；

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FYJ——预紧力。

滚珠丝杠的滚珠数为：

Z?取整为Z= 17。

滚珠丝杠的预紧力为：

?d0Dw?3???203.175?3?16.780，

FYJ?Fm1135.7577??378.586N 33将数值带入公式（4-10）得到

?2?0.013由于?2减小一半，则

1135.757721033.175?378.586?85?0.0155mm。 10?2=

3. 刚度校验

0.0155?0.00775mm。 2丝杠总的变形量???1??2=0.0266mm = 26.6?m，取丝杠的有效行程为560mm。由《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

500~630mm时，行程偏差允许达到?32mm，可见丝杠刚度足够。

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Fk用下式计算：

fk?2EI?Fm (4-11) Fk?Ka2式中 Fk——临界载荷(N)；

fk——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

双推-双推支承形式，所以fk= 4；

K——压杆稳定性安全系数，一般取为2.5～4。垂直安装时K= 2.5；

I——截面惯性矩(cm4),丝杠截面惯性矩I??d2464?3215.36mm4（d2为丝杠

螺纹的底径)；

a——丝杠两支承端距离，a=700mm。

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将以上数值带入公式(4-11)得

4?2?2.1?105?3215.36Fk??21739N?Fm?1135.757N 22.5?700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：

Fm?KFx??(Fz?G)

式中 K——载荷系数， K = 1.15；

?——摩擦系数，??0.16 ；

Fz——垂直丝杠的受力，Fz?F1?1237.6154N。

如图4-1中，F点的受力没有水平丝杠方向的，因此Fx?0N。将数值带入公式(4-4)得

Fm?0.16??1237.6154?50??206.0185N。

4.5.2最大动载荷的计算

搬运机器人前大臂的运行速度v?0.12ms?7.2mmin，则最大动载荷公式(4-5)为

FQ?3LofwfHFm

式中 L0——滚珠丝杠副的寿命，单位为10r；

6

fw——载荷系数，取fw=1.2；

fH——硬度系数，取硬度系数fH=1.0。

初选丝杠导程Ph?10mm，带入公式(4-7)得到

n?7.2?1440r ?3min5?10取使用寿命T = 15000h，将其与转速n带入公式(4-6)得

L0?60?1440?15000?1296r。 610查《机电一体化系统设计课程设计指导书》的表3-30得fw= 1.2 ，由于硬度?58HRC，所以fH= 1.0 。带入公式(4-5)得

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FQ?31296?1.2?1.0?206.0185?2695.395N?2695N。

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?FQ，额定静载荷Coa??2~3?Fm，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5mm，循环滚珠为5圈?1列，精度等级为5级，额定动载荷为Ca?15460N大于FQ，则满足要求。 4.5.4 传动效率计算

计算传动效率?公式(4-8)为：

[3]

??式中 ?——丝杠螺旋升角，?=4.55°。

tg?

tg??????——摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数f?0.003~0.004，其摩擦角约等于10'。

将数值带入公式(4-8)得：

??tg4.55o?10?o??tg?4.55?60???o?96.45%

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

?1在总的变形量中占的比重较大,可按公式(4-9)计算：

FmaMa2?1??

ES2?IE式中 a——丝杠两端支承间距离，约为700mm；

Fm——丝杠最大工作载荷(N)；

E——丝杠材料的弹性模量，钢的 E=2.1?105MPa；

S——滚珠丝杠的截面积（按底径d2确定的）.丝杠底径d2?16mm，

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S??d224?200.96mm2。

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

?1?206.0185?700?0.00342mm。 52.1?10?200.962. 滚珠与螺纹滚道间接触变形?2

当对丝杠加有预紧力，且预紧力为轴向最大负载的1/3时，?2之值可减少一半，故可按公式(4-10)计算?2值：

?2?0.013FmZ?2

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10式中 Dw——滚珠直径，由表4-1查得Dw= 3.175mm。

Z——单圈滚珠数Z=17；

Z?——滚珠总数量，Z?=Z?圈数?列数=17?5?1?85； FYJ——预紧力。

滚珠丝杠的预紧力为：

FYJ?Fm206.0185??68.673N 33将数值带入公式（4-10）得到

?2?0.013由于?2减小一半，则

206.018521033.175?68.673?80?0.00516mm。 10?2=

3. 刚度校验

0.00516?0.00258mm。 2丝杠总的变形量???1??2=0.006mm = 6?m，取丝杠的有效行程为560mm。由《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

500~630mm时，行程偏差允许达到?32mm，可见丝杠刚度足够。

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Fk用公式(4-11)计算：

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fk?2EIFk??Fm 2Ka式中 Fk——临界载荷(N)；

fk——丝杠支承系数，采用双推-双推支承形式，故取fk= 4；

K——压杆稳定性安全系数，水平安装时K=4；

I——截面惯性矩(cm4),丝杠截面惯性矩I??d2464?3215.36mm4； a——丝杠两支承端距离，a=700mm。

将以上数值带入公式得

4?2?2.1?105?3215.36Fk??9510649N?Fm?206.0185N

4?7002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：

Fmax?式中 F——外加载荷F?F1；

G——移动部件的重量G=800N。 将数值带入(4-12)得

G?F (4-12) 4Fmax?G800?F??1237.6154?1437.6154N。 44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

Ca?4.58kN，额定静载荷Coa?7.38kN。滑块的尺寸及安装尺寸如表4-3，表4-5为导

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

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表4-4 导轨的尺寸及负载能力

表4-5 导轨的标准长度

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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：

?fHfTfCCa??L????f??50 (4-13) Fwmax??

式中 L——额定行程寿命(km)；

3Ca——额定动载荷，Ca= 4.58kN； Fmax——滑块上工作载荷，Fmax= 1.437kN； fH——硬度系数，由图4-6，fH=1.0；

fT——温度系数，由图4-7，fT=1.0；

fC——接触系数，由表4-6，fC,=0.81； fw——载荷系数，由表4-7，fw=1.0。

将以上数值带入公式(4-13)可得

3?1.0?1.00?0.814.58?L?????50?860.303km。

1.01.437?? 28

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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

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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来

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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

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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:

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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

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