码垛机器人毕业设计说明书 - 图文

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

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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 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

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第一章

1.1课题的背景、来源及意义

绪论

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。

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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：

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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。

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。

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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。

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。

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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

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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。

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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

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表3-2 原动机系数f2

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 0.18 输出转速r/min 29 输出转矩电动机型号 N.m 56 RF37 8.5 质量/kg 轴的轴颈 25mm 减速机输出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

T?9550

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P (3-1) n

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式中 T——理论转矩（N?m）；

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；

由《机械设计书册第五版第2卷》表6-2-2，查得K=1.5； K——工况系数，

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

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套筒的扭转强度：

?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

??16?88.914T??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

?P?2?88.914?104?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。

33.1.3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

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轴的振动。

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。

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表3-7 电机的性能参数

3.2.2腰部联轴器计算选型

1. 联轴器的理论转矩

T?9550P (3-5) n式中 T——理论转矩（N?m）；

； P——传递的功率（kW）

n——工作转速（rmin）。

带入数据得 T?95501.1?600.2857N?m。 17.52. 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；

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

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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。

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) 钢 GYS7 [n]r/min d(H7) Y型 1600 6000 55 112 L D J1型 84 160 数量n 6(4) 直径M M12 13.1 轴孔长度螺栓 重量 (kg.m3) 钢 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：

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｛

F1?F2?G?G1?0?F?0

?M(A)?0｛

M?F1?1170?G? (4-1) 1170?260?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 48 240 Kg 0.427 GE25ES-2RS-2RS 25 42 20 16 29 0.6 0.6 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：

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

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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)

4?0.1d3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?Ft?4?????987.6154?2?2.8mm。

?802. 销轴抗弯强度：

其中a?25mm，b?40mm，带入公式（4-3）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。

4.3.3 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，

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Ft?F1?1237.6154N，将以上值带入公式（4-2）得

d?2?Ft?4?????1237.6154?2?3.139mm。

?802. 销轴抗弯强度：

其中a?25mm，b?40mm，带入公式（4-3）得

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

?802. 销轴抗弯强度

由图9-3可知a?25mm，b?40mm，带入公式（4-3）得

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。

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图6-7 小臂在x轴方向的应力图

图6-8 小臂在x轴方向的应变图

5. 小臂强度校核 (1) 强度分析

由小臂的应力图可知，小臂的最大应力为2.582MPa，位于孔的附近。小臂

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材料为45号钢，屈服极限为360MPa，安全系数ns=2.5，由公式[?]=?s／ns得，

???=144MPa。由于小臂的最大作用应力远小于材料的许用应力，故满足强度条

件。

(2) 刚度分析

从小臂的应变图可知，小臂的应变较小，刚性较好，在有负载的情况下具有较好的精度。分析结果表明，小臂结构的强度和刚度均满足设计要求。在满足条件的情况下，可以适当的对小臂的结构进行优化。

结论

本课题所研究的是码垛机器人结构设计，在参考多种机器人的基础上设计满足码垛要求的机器人。整个课题的设计过程需要完成的任务主要有：

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1) 完成了整体结构的设计，尤其是手臂部分结构的设计。在构思过程中共设计出三种方案，对比后选出第三种方案作为码垛机器人结构设计方案。

2) 完成了机械传动部件的选择，主要包括有：导轨副、丝杆螺母副、减速机、轴承以及联轴器的选用。

3) 完成了机械传动部件的计算与校核，主要指导轨、丝杠和销轴。校核所选择的型号是否满足条件，从而选择出合理的型号。

4) 完成了基于Pro/e的机器人结构的实体建模和仿真。基于pro/e的机器人的结构设计及运动仿真，对提高和保证码垛运动的可靠性具有重要的使用价值。

5) 完成了主要受力杆的应力分析，通过应力、应变图，找出杆在载荷作用下的最大应力和最大应变，以校核杆是否满足强度条件和刚度条件。在满足刚度和强度条件下，可以对杆进行优化设计。

综上所述，本次设计出的码垛机器人在实现基本功能要求的基础上，较已有的设计方案来说，实体模型仿真提高和保证了机器人运动的可靠性。然而结构设计和仿真过程中存在一些不足之处有：

(1) 设计的手臂的结构只能起到减小重量，减少加工面积的作用，不能增加手臂杆的刚度。设计成工字形或n字形几种截面的比较好。采用变截面n字梁作为手臂结构，能承受沿垂直方向的载荷能力大；工字型结构具有较好的抗弯抗剪强度

(2) 手腕部装配的不太合理。在机器人运动的过程中，手腕不能保持始终铅垂向下的状态，有可能是结构设计上的问题或者是装配的问题。

(3) 在仿真过程中，改变电机的参数如速度、运动时间，机器人的运动基本上不发生变化；在水平和竖直方向的运动的位移也很短。这些不足之处有可能是由于手臂的连杆设计不合理，长度有点短。

在此设计的基础上改掉不足的地方，那么此课题设计的搬运机器人将更符合实际的运动。

参考文献

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[16] 黄成，张文丽．UG NX7.5数控编程基础与经典范例[M]．北京：电子工业

出版社，2011，153-165,225-233．

谢辞

经过12周的学习、研究，我的毕业设计已接近尾声。回想起设计过程中的点点滴滴，至今还历历在目。在老师和同学的帮助下我顺利地完成了毕业设计。通过这次毕业设计我不仅复习了以前学过的知识，而且又学到了很多新知识。虽

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然这段时间比较累，但是学到了知识，觉得累有所值了。

能完成本次毕业设计首先要感谢在此设计过程中给予我莫大帮助的乌日图老师，感谢乌日图老师对我的谆谆教诲。在课题设计过程中老师总是耐心的指导，让我们把每个问题都尽量解决。而且老师经常提醒我们一些自己忽略的设计要求并且耐心的讲解我们设计过程中所遇到的疑惑，及时督促我们的设计进度，严格要求我们工作质量。我真心的感谢乌日图老师。老师严谨的治学态度、渊博的理论知识、丰富的实践经验和踏实的工作作风，使我受益匪浅。

还要感谢我给予我帮助的同学们，是他们在设计时给予我许多的意见与建议，及时的纠正我设计的错误。

总之，此次毕业设计不仅让我收获了知识，更让我懂得了一些道理。再次向老师和给予我热心帮助的同学们奉上我最诚挚的谢意！

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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?0.12m?7.2m，则最大动载荷

sminFQ?3LofwfHFm (4-5) 式中 L0——滚珠丝杠副的寿命，单位为106r；

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?60nT (4-6) 610式中 T——使用寿命，T = 15000h； n——丝杠转速。

n?v (4-7) Ph初选丝杠导程Ph?5mm，带入公式(4-7)得到

7.2n??1440r。 ?3min5?10将以上数值带入公式(4-6)得

60?1440?15000L0??1296r。 610

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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：

??arctan传动效率?：

Ph0.005?arctan?4.55o ?d0??0.02 ??式中 ?——丝杠螺旋升角。

tg? (4-8)

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

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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

1135.756?700?0.0188mm。 52.1?10?200.96?1?2. 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?0.013Fm103DwFYJZ?2 (4-10)

10

式中 Dw——滚珠直径，由表4-1查得Dw= 3.175mm。

Z——单圈滚珠数；

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

滚珠丝杠的滚珠数为：

Z??d0Dw?3???203.175?3?16.780，

取整为Z= 17。

滚珠丝杠的预紧力为：

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

1135.75771033.175?378.586?852?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?2Ka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

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为丝杠螺纹的底径)；

a——丝杠两支承端距离，a=700mm。

将以上数值带入公式(4-11)得

4?2?2.1?105?3215.36Fk??21739N?Fm?1135.757N

2.5?7002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?0.12m?7.2m，则最大动载荷公式

smin(4-5)为

FQ?3LofwfHFm

式中 L0——滚珠丝杠副的寿命，单位为106r；

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

7.2 n??1440r?3min5?10

取使用寿命T = 15000h，将其与转速n带入公式(4-6)得

60?1440?15000L0??1296r。

106

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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

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[3]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：

??tg?

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

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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

206.0185?700?0.00342mm。 52.1?10?200.96?1?2. 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?0.013Fm103DwFYJZ?2

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

206.01851033.175?68.673?802?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

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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：

fk?2EIFk??Fm

Ka2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：

GFmax??F (4-12)

4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

Fmax?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

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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

表4-4 导轨的尺寸及负载能力

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表4-5 导轨的标准长度

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??3

式中 L——额定行程寿命(km)；

Ca——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

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

1.01.437??

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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

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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：

GFmax??F2

4式中 F——外加载荷F?F2；

G——移动部件的重量G=800N。

将数值带入(4-12)得，

G800Fmax??F2??987.6154?1187.6154N。

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。导轨和滑块的尺寸及安装尺寸如表4-3、4-4。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

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内蒙古工业大学本科毕业设计说明书

列SBS15FV型导轨副的滚道硬度为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：

?fHfTfCCa??L????50 ?f?Fmax?w?3式中 L——额定行程寿命(km)；

Ca——额定动载荷，Ca= 4.58kN； Fmax——滑块上工作载荷，Fmax= 1.188kN；

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,

?1.0?1.00?0.814.58?L?????50?1522.552km，

1.01.188??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。

3 31

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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

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具体的建模步骤如下：

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

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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

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内蒙古工业大学本科毕业设计说明书

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ν=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中建模，臂的结构虽然比较简单，但是存在几个倒圆角这

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样的细小特征，如果与pro/e软件接口进行数据交换容易使细小特征丢失，所以选择在ANSYS中直接建立模型，如图6-2所示；

图6-2 建立小臂模型

(5) 网格划分，模型用Meshtool进行网格划分，选用智能网格、四面体自由网格划分，网格划分设置如图6-3所示，划分结果如图6-4所示。

图6-3 网格划分设置

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图6-4 码垛机器人小臂的网格模型

3. 求解

(1) 建立一个新的求解，操作如图6-5所示。

图6-5 建立新的求解

(2) 施加载荷

由计算可知，作用在臂上三个孔上的力可以等效为集中力，其大小分别为G=200N，F1=1237.6N，F2=987.6N。由于作用在孔上的力为分布力，所以将集中力转化为分布力。

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作用在三个孔上的力的作用面积均为其圆柱表面积的一半：

S1=错误！未找到引用源。=3.14*15*90=4239 错误！未找到引用源。 S2=错误！未找到引用源。=3.14*21*90=5934.6 错误！未找到引用源。

分布力

P1=错误！未找到引用源。=200/4239=0.0472MPa

P2=错误！未找到引用源。=1237.6/5934.6=0.2085MPa P3=错误！未找到引用源。=987.6/5934.6=0.1664MPa 第三个孔虽然有一个绕轴转动的自由度，但是当臂平衡时臂可以等效为有零个自由度的情况，所以第三个孔的约束条件为固定，自由度约束为零。施加载荷后的模型如图6-6所示。

(3) 进行求解

图6-6 施加载荷后的小臂

4. 后处理

求解完成后，在后处理菜单中查看分析结果。小臂在x轴方向的应力图如图6-7所示，应变图如图6-8所示。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/n4zv.html