圖書館輔助機器人的設計-圖書擺放電動圓柱坐標機器人含14張CAD圖

圖書館輔助機器人的設計-圖書擺放電動圓柱坐標機器人含14張CAD圖,圖書館,輔助,機器人,設計,圖書,擺放,電動,圓柱,坐標,14,CAD 圖書館輔助機器人的設計 摘 要 機器人是在在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展的一種新型裝置,使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置。機器人能代替人類、重復枯燥完成危險工作，提高勞動生產(chǎn)力,減輕人勞動強度。該裝置涵蓋了位置控制技術可編程控制技術、檢測技術等。本課題擬開發(fā)的物料電動機器人可在空間抓放物體，動作靈活多樣，根據(jù)工件的變化及運動流程的要求隨時更改相關參數(shù),可代替人工在高溫危險區(qū)進行作業(yè)，。 本課題所要求設計的輔助機器人，主要用于完成圖書的上架工作。因此要求機器人具有行走、自動識別圖書類別、并將圖書放置于準確位置等功能。同時機器人應具有靈活、安全性好等特點。課題研究內(nèi)容包括機器人整體結構設計和機電系統(tǒng)的方案設計。 關鍵詞：機器人, 電動機器人，圖書館輔助，提升 7 Abstract The robot is a new device developed in the mechanization, automation of the production process, which has a function of grabbing and moving the workpiece automation device use. The robot can repeat the dangerous work instead of humans, boring, improve labor productivity, reduce labor intensity. The device covers the position control technology of programmable control technology, detection technology. Material electric robot this subject to the grasping be up in space objects, flexible, any changes to the relevant parameters according to the work piece change and the movement flow requirements, can replace manual operation in high risk areas,. Assist robot to the requirements of the design, mainly used to complete the book shelves work. Therefore requires the robot walking, with automatic identification book category, and the books placed on the accurate location of function. At the same time, the robot should have characteristics of flexibility, safety etc.. The research includes design of the overall structure design of the robot and electromechanical system. Key Words: robot, electric robot, library, improve 目 錄 摘 要 II Abstract III 第1章 緒論 1 1.1課題背景及目的 1 1.2 本課題研究的目的和意義 2 1.3 工業(yè)機器人概念 2 1.4 國內(nèi)機器人的研究 2 第2章 圖書館輔助機器人的設計要求與方案 4 2.1圖書館輔助機器人的設計要求 4 2.2 基本設計思路 4 2.2.1 系統(tǒng)分析 4 2.2.2 總體設計框圖 4 2.2.3 電動機器人的基本參數(shù) 5 2.3 電動機器人結構設計 5 2.4 機器人材料的選擇 5 2.5機械臂的運動方式 6 2.6 電動機器人驅動方式的選擇 6 2.7 動作要求分析 7 2.8 電動機器人結構及驅動系統(tǒng)選型 7 第3章 圖書館輔助機器人機械部分的設計計算 9 3.1 手爪夾持器結構設計與校核 9 3.1.1手爪夾持器種類 9 3.1.2夾持器設計計算 10 3.2升降方向的電動缸設計 11 3.2.1滾珠絲杠的精度 11 3.2.2 滾珠絲杠參數(shù)的計算 11 3.3伺服電機的選擇 15 3.3.1最大負載轉矩的計算 15 3.3.2負載慣量的計算 16 3.3.3空載加速轉矩計算 17 3.4 水平方向電動缸的設計 18 3.4.1導程確定 18 3.4.2確定絲桿的等效轉速 18 3.4.3確定絲桿的等效負載 18 3.4.4確定絲桿所受的最大動載荷 19 3.4.5精度的選擇 20 3.4.6選擇滾珠絲桿型號 20 3.5校核 21 3.5.1 臨界壓縮負荷驗證 21 3.5.2臨界轉速驗證 22 3.5.3絲桿拉壓振動與扭轉振動的固有頻率 22 3.6電機的選擇 23 3.6.1電機軸的轉動慣量 23 3.6.2電機扭矩計算 24 第4章 豎直方向電動缸 27 4.1 滾珠絲杠計算、選擇 27 4.2 步進電機慣性負載的計算 30 4.3底座回轉機構設計計算 32 4.4機身結構的設計校核 32 4.4.1選擇伺服電機的具體型號和參數(shù) 32 4.4.2標準斜齒圓柱齒輪傳動的強度計算 34 4.4.3本機構中齒輪傳動設計與校核 34 4.5軸的設計計算 39 4.5.1軸的設計概述 39 4.5.2軸的強度校核 42 總結 46 參考文獻 47 致 謝 48 第1章 緒論 1.1課題背景及目的 由于現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，電動機器人技術得到了廣泛的應用。智能型電動機器人的研究是近年來科學家同意致力的方向。式電動機器人的人體模型，它可以模擬各種人類行為和人類的外部特征。未來的電動機器人的管家將不是夢想。 根據(jù)不同的電動機器人的結構，電動機器人可以分為各種各樣的。輪式移動機器人，履帶式電動機器人，機器人，行走電動機器人等。值得一提的是，行走電動機器人，他是近年來的一個重要研究成果。移動它最喜歡的動物甚至人類交談。這是一個非常復雜的自動化程度很高的運動。與傳統(tǒng)的輪式和履帶式電動機器人相比，對環(huán)境的適應性。在工作空間很小，在崎嶇的道路上，樓梯等。不久的將來，這項技術將被廣泛使用。 在研究中，電動機械的生產(chǎn)，對電動機器人設計的計算機模擬中的應用是一個非常重要的過程。包括零件建模，裝配電動機器人的仿真，與運動仿真。通過仿真，設計師可以觀察各機構的運動非常直觀，知道沒有干擾；可以了解各部件的受力，不同的模擬數(shù)據(jù)。該方法大大降低了開發(fā)時間和成本。 在學校的畢業(yè)設計是機械設計制造及其自動化專業(yè)學習的最后一個環(huán)節(jié)，學習在大學四年的繼續(xù)深化和檢驗，具有實踐性和綜合性，是不是一個單一的其他替代方案，通過畢業(yè)設計可以提高綜合能力的培養(yǎng)，是要去上班，提高實際工作能力起著非常重要的作用。為了實現(xiàn)以下目標： （1）的基本理論，基本知識和基本技能的綜合運用，提高分析和解決實際問題的能力。 （2）接受全面的培訓工程師必須，提高實際工作能力。為調(diào)查研究，文獻和數(shù)據(jù)收集和分析能力；設計和開發(fā)測試計劃能力；設計，計算和繪圖能力的提高；總結和撰寫論文的能力。 （3）的綜合素質和實踐能力的測試。 1.2 本課題研究的目的和意義 （1）通過對圖書館輔助機器人的設計使我們得到對所學相關課程的綜合訓練； （2）在大型圖書館中，圖書的上架是一個重要而繁重的工作。為減輕工作人員的勞動、提高效率及縮短圖書的上架時間，為此本課題提出設計一個圖書館輔助機器人。 （3）本設計的主要任務是把主要用于完成圖書的上架工作。因此要求機器人具有行走、自動識別圖書類別、并將圖書放置于準確位置等功能。同時機器人應具有靈活、安全性好等特點。 傳統(tǒng)夾緊機構對加工時的干涉太大，對生產(chǎn)量影響較大，設計一款新的夾緊機構，使得加工時間縮短，加工精度得到保證，生產(chǎn)量得到提高。 1.3 工業(yè)機器人概念 目前，工業(yè)機器人的概念，世界是不統(tǒng)一，分類是不一樣的。國際標準化聯(lián)合國最近采用了美國機器人協(xié)會定義了工業(yè)機器人的組織：工業(yè)機器人是一種可編程的多功能操作裝置，可以改變行動計劃，完成各種工作，主要用于材料處理，工件傳送。 電動機器人（機器人）是一臺自動執(zhí)行工作。它是一個產(chǎn)品的控制理論，先進的集成機械電子，計算機，材料和仿生。在工業(yè)，醫(yī)學，農(nóng)業(yè)，建筑業(yè)甚至軍事等領域中均有重要的應用。 電動機器人是一種有代表性的，機械的和電子控制系統(tǒng)，自動化程度高的生產(chǎn)工具，在近50年的發(fā)展。在制造業(yè)中，電動工業(yè)機器人技術已經(jīng)得到了廣泛的應用。這是一個高的自動化程度，改善勞動條件，保證產(chǎn)品質量和提高工作效率，發(fā)揮了非常重要的作用。可以說，他是現(xiàn)代工業(yè)的技術革命。 執(zhí)行系統(tǒng)一般包括手，腕，臂，底座，一個主要的運動系統(tǒng)。 主要由電動機器人執(zhí)行系統(tǒng)，驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分。 手抓和松開工件或工具的部分，由手指（或吸收），驅動元件和驅動元件。 1.4 國內(nèi)機器人的研究 工業(yè)電動機器人的應用在日本有著悠久的歷史。在七十年代當工業(yè)電動操縱器，然后經(jīng)過十年的發(fā)展，已在工業(yè)電動機器人八十年代流行。他們的年工業(yè)產(chǎn)值迅速增加。1980達到一千億日元，1990至六千億日元。在2004達到了一兆和八千五百億日元。這表明工業(yè)電動機器人在提高生產(chǎn)效率的重要性。 在國際上，各個國家都實現(xiàn)了工業(yè)電動機器人的重要性。因此，工業(yè)電動機器人訂單銳減。相比于2003 2002百分之十的增長的訂單。然后工業(yè)電動機器人的需求量仍在上升。從2001到2006，超過90000的全球經(jīng)濟增長中的訂單。7%的平均年增長率。 國際工業(yè)電動機器人的發(fā)展方向： 電動機器人涉及多學科、多領域的知識。包括：計算機，電子，控制，人工智能，傳感器，通信和網(wǎng)絡，控制，機械等。電動機器人的發(fā)展離不開主題。正是由于各學科整合的相互作用，創(chuàng)建一個自動化程度高，其。隨著科學技術的進步，在電動機器人的應用范圍越來越廣泛；技術越來越高，功能更強大。它是電動機器人的研究向小型化發(fā)展。電動機器人將更多地進入人們的日常生活?？偟陌l(fā)展趨勢是模塊化，標準化，智能化。 廣泛應用于工業(yè)電動機器人，以提高質量和生產(chǎn)力，產(chǎn)品安全人員安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約原材料的消耗，降低了生產(chǎn)成本，具有非常重要的作用。廣泛應用于工業(yè)電動機器人的以人為本的原則，它的出現(xiàn)使人們的生活更方便、美好。電動機器人工業(yè)是一個大型高新技術工業(yè)計算機，后車?，F(xiàn)代軍事工業(yè)，電動機械發(fā)展的市場前景是非常好的。從第二十世紀起，電動機械行業(yè)的穩(wěn)步增長。在第二十世紀九十年代，電動機械產(chǎn)品的開發(fā)和快速增長，年均增長率超過百分之十。在2004到百分之二十的記錄。亞洲電動機器人的更多需求，年增長率高達百分之四十三。經(jīng)過40年的發(fā)展，應用工業(yè)電動機器人的許多領域。生產(chǎn)中使用最廣泛的電動機器人。如制造焊接，熱處理，表面涂層，加工，裝配，測試和倉庫，毛（沖壓，壓鑄，鍛坯等）等操作，代替人工操作的電動機器人，極大地提高了生產(chǎn)效率。 第2章 圖書館輔助機器人的設計要求與方案 2.1圖書館輔助機器人的設計要求 在大型圖書館中，圖書的上架是一個重要而繁重的工作。為減輕工作人員的勞動、提高效率及縮短圖書的上架時間，為此本課題提出設計一個圖書館輔助機器人。 本課題所要求設計的輔助機器人，主要用于完成圖書的上架工作。因此要求機器人具有行走、自動識別圖書類別、并將圖書放置于準確位置等功能。同時機器人應具有靈活、安全性好等特點。課題研究內(nèi)容包括機器人整體結構設計和機電系統(tǒng)的方案設計。 2.2 基本設計思路 2.2.1 系統(tǒng)分析 該機器人是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，提高勞動生產(chǎn)率的有力工具。為了在生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動化，機械化，自動化的綜合技術經(jīng)濟分析的需要，從而判斷是否適當?shù)臋C器人。以完成機器人的設計，一般都要先做以下工作： （1）根據(jù)使用場合的機器人的，明確的目標和任務。 （2）機器人的工作環(huán)境分析。 （3）對系統(tǒng)要求的分析，確定了機器人和方案的基本功能，如自由度的數(shù)目，機器人的運動速度，定位準確，抓住重。此外，根據(jù)抓斗電動質量，形狀，尺寸和批量生產(chǎn)，以確定的形式和機器人的位置和握力的大小。 在這方面，我分析如下： （1）為手材料機械設計問題，機器人是圖書的上架機器人。雖然機器人的使用場合，也非常廣泛，涉及到材料的狀態(tài)，環(huán)境因素的作業(yè)線，比我的知識和能力 （2）由于機器人我選擇的是材料的電動機器人，小對象處理非生產(chǎn)線。因此，系統(tǒng)的工作環(huán)境下，機械廠，準確度高，故障率低，速度。 2.2.2 總體設計框圖 圖2 總體設計框圖 如圖2為總設計框圖，說明如下： (1) 控制系統(tǒng)：任務是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序和傳感器反饋回來的信號，控制機器人的執(zhí)行機構，使其完成規(guī)定的運動和功能。主要設計目標為CPU的選擇，CPU程序的編寫調(diào)試等。 (2) 驅動系統(tǒng)：驅動系統(tǒng)工作的驅動裝置。 (3) 機械系統(tǒng)：包括機身、機械臂、手腕、手爪。需要確定其自由度、坐標形式，并計算得出具體結構。 (4) 感知系統(tǒng)：即傳感器的選擇及具體作用。 2.2.3 電動機器人的基本參數(shù) 1. 機器人的最大電動物料的重量是它的主參數(shù)。 2. 運動速度直接影響機器人的動作快慢和機器人動作的穩(wěn)定性，所以運動速度也是是物料電動機器人的一個主要的基本參數(shù)。設計速度過低的話，會無法滿足機器人的動作功能，限制機器人的使用范圍。設計的速度過高又會加重機器人的負載并影響機器人動作的平穩(wěn)性。 3. 伸縮行程和工作半徑是決定機器人工作范圍及整機尺寸的關鍵，也是機器人設計的基本參數(shù)。 3.定位精度也是機器人的主要基本參數(shù)之一。機器人精度太低，就完成不了功能，精度太高又意味著成本的增加。綜合考慮，該物料電動機器人的定位精度設定定位精度±0.3mm。物料電動機器人的各個部分的基本參數(shù)可以由上面已經(jīng)知道的物料電動機器人各關節(jié)的行程和時間分配來決定。 2.3 電動機器人結構設計 根據(jù)所設計的機器人的運動方式：機械臂的轉動，機械臂的升降。根據(jù)上文所說的，機器人按照坐標的分類情況，選擇圓柱坐標式機器人更為妥當。 2.4 機器人材料的選擇 機器人的材料應根據(jù)手臂的工作條件，滿足機器人的設計和制造要求。從設計思想，機械臂完成各種運動。因此，對材料的要求是為移動部件，它應該是輕質材料。另一方面，手臂振動經(jīng)常的運動過程中，這將大大減少它的運動精度。所以在材料的選擇上，綜合考慮的質量，剛度，阻尼的需要，從而有效地提高了機械臂的動力學性能。此外，機器人選材料和不同材料的一般結構。機器人是一種伺服機構，受控制，必須考慮其可控性。在臂的材料選擇，可控性和可加工性的材料，結構，質量性能的考慮。 總之，選擇一個機械臂的材料，應考慮強度，剛度，重量輕，彈性，耐沖擊，外觀和價格等因素。這里有幾個機器人使用的材料： （L）的高強度鋼，碳素結構鋼和合金結構鋼：這類材料的強度，特別是合金結構鋼的強度增加了4 ~ 5倍，彈性模量，抗變形能力，是最廣泛使用的材料； （2）鋁，鋁合金等輕合金材料的共同特點是重量輕，彈性模量E的小，但材料的密度小，與E／P比值還與鋼相比； （3）陶瓷：陶瓷材料具有良好的質量，但易碎，但處理不好，接頭需要特殊的設計與金屬零件。然而，日本已開發(fā)ARM陶瓷機器人用于高速機器人的樣品； 從機器人設計的角度來看，不需要負載能力在材料的選擇，也不需要高彈性模量和抗變形能力，除了要考慮到材料成本，加工和其他因素。在各種因素的措施，結合鋁合金的初步選擇的工作條件，如機械臂組件。 2.5機械臂的運動方式 機器人的運動形式有五種常見的SCARA型，直角坐標式極坐標型，聯(lián)合型和圓柱坐標。根據(jù)運動形式的選擇主要運動參數(shù)為基礎的結構設計。一種運動形式以滿足不同生產(chǎn)工藝的需要，可以采用不同的結構。選擇表格的具體位置，必須根據(jù)操作要求，工作地點，和電動工作中心線方向的變化，比較和選擇。 這種機器人的定位2個肩關節(jié)和肘關節(jié)的1，2或3手腕方向。其中，繞垂直軸肩，另一個肩斜度。肩關節(jié)的兩個正交軸。平行于第二軸肩關節(jié)，考慮到機器人的工作特點，這就要求動作靈活，具有較大的工作空間，結構緊湊，占用空間小，關節(jié)式機器人的選擇。如圖所示。這種配置，動作靈活，工作空間大，干涉儀的最小空間機械臂操作，結構緊湊，占地面積小，關節(jié)相對運動部位易密封與防塵。但這種機器人運動學逆解比較復雜，難以確定的端元；態(tài)度不夠直觀，并在控制，計算量比較大。 圖3 常見的運動方式 2.6 電動機器人驅動方式的選擇 機器人使用的驅動方式主要有電動驅動，電動驅動和電機驅動的四種基本形式。 但是，與電動傳動相比，低功耗，能源，電動傳動結構相對簡單的速度不易控制，精度不高。 油馬達驅動能量是簡單，速度和位置精度高，使用方便，低噪音，高速變化的機制，高效，靈活的控制。 電動驅動的特點是功率大，結構簡單，省去了減速裝置，響應速度快，精度高。但需要有電動源，但也容易漏氣。 首先，我會選擇驅動電機，但考慮到純機械結構的機器人的運動并不能達到理想的傳播效果。如果你使用電動或電動傳動機械臂的旋轉，必須與回轉電動或旋轉電動缸，結構比較復雜，不利于設計。 改進后的方案，將驅動方式分為兩個部分。其機械臂伸縮，升降機器人抓抓，采用電動驅動方式。 2.7 動作要求分析 動作一：送圖書 動作二：預夾緊 動作三：手臂上升 動作四：手臂旋轉 動作五：小臂伸長 動作六：手腕旋轉 預夾緊 手臂上升 手臂旋轉 手臂伸長 手臂轉回 手腕旋轉 圖2.2 電動機器人動作簡易圖 2.8 電動機器人結構及驅動系統(tǒng)選型 本課題所設計的電動機器人為通用型的電動機器人，其中坐標系為圓柱坐標系結構。驅動系統(tǒng)選用電動缸驅動和電動驅動，電動驅動用于機座的旋轉和手臂的上下移動，電動驅動用于手臂的伸縮和電動機器人的夾取和翻轉[3]。 第3章 圖書館輔助機器人機械部分的設計計算 3.1 手爪夾持器結構設計與校核 3.1.1手爪夾持器種類 1.連桿杠桿式手爪 這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。 2.楔塊杠桿式手爪 利用楔塊與杠桿來實現(xiàn)手爪的松、開，來實現(xiàn)抓取工件。 3.齒輪齒條式手爪 這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作。 4.滑槽式手爪 當活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力，當活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應抓取大小不同的物體。 5.平行杠桿式手爪 不 需要導軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動采用平行四邊形機構，因此，比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多 結合具體的工作情況，采用連桿杠桿式手爪。驅動活塞 往復移動，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條 使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工 工件的直徑來調(diào)定。 a．有適當?shù)膴A緊力 手部在工作時，應具有適當?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。對于剛性很差的工件夾緊力大小應該設計得可以調(diào)節(jié)，對于笨重的工件應考慮采用自鎖安全裝置。 b．有足夠的開閉范圍 工作時，一個手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置?？捎瞄_閉角和手指夾緊端長度表示。于回轉型手部手指開閉范圍，手指開閉范圍的要求與許多因素有關 c．力求結構簡單，重量輕，體積小 作時運動狀態(tài)多變，其結構，重量和體積直接影響整個氣壓機械手的結構，抓重，定位精度，運動速度等性能。手部處于腕部的最前端，工因此，在設計手部時，必須力求結構簡單，重量輕，體積小。 d．手指應有一定的強度和剛度 因此送料，采用最常用的外卡式兩指鉗爪 3.1.2夾持器設計計算 手爪要能抓起工件必須滿足： （3-6） 式中，-----為所需夾持力； -----安全系數(shù)，通常取1.2~2； -----為動載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響可按估算，為機械手在搬運工件過程的加速度，，為重力加速度； -----方位系數(shù)，查表選??； -----假設被抓持工件的重量 20； 帶入數(shù)據(jù)，計算得： ； 理論驅動力的計算： （3-7） 式中，----為柱塞缸所需理論驅動力； ----為夾緊力至回轉支點的垂直距離； -----為扇形齒輪分度圓半徑； -----為手指夾緊力； ---齒輪傳動機構的效率，此處選為0.92； 其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計算得 計算驅動力計算公式為： （3-8） 式中，-----為計算驅動力； ---安全系數(shù)，此處選1.2； ---工作條件系數(shù)，此處選1.1； 3.2升降方向的電動缸設計 3.2.1滾珠絲杠的精度 查閱滾珠絲杠的樣本選擇絲杠精度為5級精度等級，初步設計現(xiàn)設絲杠在有效行程500 mm時，行程偏差允許達到30μm。 3.2.2 滾珠絲杠參數(shù)的計算 （1）最大工作載荷的計算 絲杠的最大載荷為工作時的最大進給力加摩擦力，最小載荷即為摩擦力。設此Z向的最大進給力=5000N，移動部件的重量約為500㎏，摩擦系數(shù)為0.04，故絲杠的最小載荷（即摩擦力） （N） (3.3) 絲杠最大載荷是： 5000＋196＝5196（N） (3.4) 平均載荷是： =×=≈3529（N） (3.5) （2）當量動載荷的計算 滾珠絲杠副類型的選擇主要是根據(jù)導程和動載荷兩個參數(shù),其選擇的原則為:①滾珠絲杠的靜載荷Coa不能大于額定靜載荷Coam,即Coa≤Coam;②滾珠絲杠的動載荷Ca不能大于額定動載荷Cam,即Ca≤Cam。 驅動電機最高轉速2000 r/min 絲杠最高轉速為2000r/min，工作臺最小進給速度為0.5m/min，故絲杠的最低轉速為0.1r/min，可取為0，則平均轉速n=1000r/min。絲杠使用壽命T=15000h，故絲杠的工作壽命 ==675（r） (3.6) 當量動載荷值： (3.7) 式中： ——載荷性質系數(shù)，無沖擊取1-1.2，一般情況取1.2-1.5，有較大沖擊振動時取1.5-2.5； ——精度影響系數(shù)，對1、2、3級精度的滾珠絲杠取=1.0，對4、5級精度的絲杠取=0.9。 根據(jù)要求去=1.5，=0.9，代入數(shù)據(jù)得 ≈51.59（KN） (3.8) 根據(jù)計算所得最大動載荷和初選的絲杠導程，查滾珠絲杠樣本，選擇FF6310-5型內(nèi)循環(huán)浮動返回器雙螺母對旋預緊滾珠絲杠副，其公稱直徑為63mm，導程為10mm，循環(huán)滾珠為5圈×2列，精度等級取5級，額定動載荷為55600N，大于最大計算動載荷=51590N，符合設計要求。 表3.1 滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù) 名 稱 符 號 計算公式和結果 公稱直徑（mm） 63 螺距(mm) P 10 接觸角 鋼球直徑(mm) 7.144 螺紋滾道法面半徑(mm) 偏心距(mm) 0.009 螺紋升角(mm) = 絲杠外徑(mm) 62.5 絲杠底徑(mm) 57.3 螺桿接觸直徑(mm) 55.87 螺母螺紋外徑(mm) 螺母內(nèi)徑(mm)（內(nèi)循環(huán)） 62.64 （3）傳動效率的計算 將公稱直徑=63mm，導程=10mm，代入λ=arctan[]，的絲杠螺旋升角λ=。將摩擦角，代入=，得傳動效率=93.7%。 （4）剛度的驗算 本傳動系統(tǒng)的絲杠采用一端軸向固定，一端浮動的結構形式。固定端采用一對面對面角接觸球軸承和一個角接觸球軸承，另一端也采用角接觸球軸承，這種安裝適應于較高精度、中等載荷的絲杠。 滾珠絲杠螺母的剛度的驗算可以用接觸量來校核。 a、滾珠絲杠滾道間的接觸變 根據(jù)公式Z=，求得單圈滾珠數(shù)Z=22，改型號絲杠為雙螺母，滾珠的圈數(shù)×列數(shù)為5×2，代入公式圈數(shù)×列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=220。絲杠預緊時，取軸向預緊力=1732（N）。查相關公式得滾珠絲杠與螺紋滾道間接觸變形 (3.9) 式中=51590N。代入數(shù)據(jù)得； ==0.013(mm) 因為絲杠有預緊力，且為軸向負載，所以實際變形量可以減少一半，取=0.0065mm。 b、絲杠在工作載荷作用下的抗壓變形 絲杠采用的是兩端都為角接觸球軸承，軸承的中心距a=1100mm，鋼的彈性模量E=,由表2.1中可知，滾珠直徑=7.144mm，絲杠底徑=43.3mm，則絲杠的截面積： =1540.6() 根據(jù)公式代入數(shù)據(jù)得： =0.018(mm) C、總的變形 ==0.0065+0.018=0.0245mm,絲杠的有效行程為600， 絲杠在有效行程500—630mm時，行程偏差允許達到30μm,，可見絲杠剛度足夠。 （5）穩(wěn)定性的驗算 (3.10) 公式中取支撐系數(shù)=2， 由絲杠底徑=43.3mm求的截面慣性矩=188957.7()，壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲杠臥式水平安裝），滾珠螺母至軸向固定處的距離取最大值1200mm，代入公式得： =181129.6(㎏) 則f=181129.6N大于=51590N，故不會失穩(wěn)，滿足使用要求。 （6）臨界轉速的驗算 對于滾珠絲杠還有可能發(fā)生共振，需要驗算其臨界轉速，設不會發(fā)生共振的最高轉速為臨界轉速。 查資料得公式 ： (3.11) 其中： (mm)； 為臨界轉速計算長度=1200(mm)； 為絲杠支承方式系數(shù)（一端固定，一端游動） 代入數(shù)據(jù)得：4397(r/min),臨界速度遠大于絲杠所需轉速，故不會發(fā)生共振。 （7）滾珠絲杠選型和安裝尺寸的確定 由以上驗算可以知道，絲杠型號為FF6310—5，完全符合所需要求，故確定選用該型號，安裝尺寸查表可知。 （8）絲杠支承的選擇 滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷，徑向載荷主要是臥式絲杠的自重。因此對絲杠的軸向精度和軸向剛度應有較高要求。其兩端支承的配置情況為軸向固定方式。本次設計絲杠支承選用一端固定，另一端浮動。 3.3伺服電機的選擇 3.3.1最大負載轉矩的計算 所選伺服電機的額定轉矩應大于最大負載轉矩。最大負載轉矩T可根據(jù)以下公式計算，即 (3.12) 從前面的計算可以知道，最大載荷N，絲杠導程=10mm=0.01m，預緊力=N，根據(jù)計算的滾珠螺母絲杠的機械效率=0.947，因為滾珠絲杠預加載荷引起的附加摩擦力矩： （N·m） (3.13) 查手冊得單個軸承的摩擦力矩為0.32N·m，故一對軸承的摩擦力矩=0.64N·m。簡支端軸承步預緊，其摩擦力矩可忽略不計。伺服電動機與絲杠直接相連，其傳動比=1，則最大負載轉矩： (N·m) 所選的伺服電機額定轉矩應該大于此值。 3.3.2負載慣量的計算 伺服電機的轉動慣量應與負載慣量相匹配。 負載慣量可以按一下次序計算。質量為500㎏，折算到電動機軸上的慣量可按下式計算， (kg·㎡) (3.14) 絲杠名義直徑=63mm=0.063m，長度L=1.2m絲杠材料（鋼）的密度ρ=7.8㎏·。根據(jù)公式計算絲杠加在電動機軸上的慣量 (㎏·㎡) (3.15) 聯(lián)軸器加上鎖緊螺母等的慣量可直接查手冊得到，即(㎏·㎡) 故負載總的慣量為 (㎏·㎡) 電動機的轉子慣量應與負載慣量相匹配。通常要求不小于，但也不是越大越好。因越大，總的慣量就越大，加速度性能受影響。為了保證足夠的角加速度，以滿足系統(tǒng)反應的靈敏的，將采用轉矩較大的伺服電動機和它的伺服控制系統(tǒng)。根據(jù)有關資料的推薦，匹配條件為： (3.16) 則所選交流伺服電動機的轉子慣量應在0.0092—0.036㎏·㎡范圍之內(nèi)。 根據(jù)上述計算可選用表3.2中的交流伺服電機α22/3000i型，其額定轉矩為22N·m，最高，轉動慣量J=0.012㎏·㎡。 表3.2 FANUCα(HV)i系列交流伺服電機 型號 α1/ 5000i α2/ 5000i α4/ 4000i α8/ 3000i α12/ 3000i α22/3000i 輸出功率/kw 0.5 0.75 1.4 1.6 3 4 額定轉矩(N·m) 1 2 4 8 12 22 最高轉速 5000 5000 4000 3000 3000 3000 轉動慣量(㎏·㎡) 0.00031 0.00053 0.0014 0.0026 0.0026 0.012 質量㎏ 3 4 8 12 18 29 伺服放大器規(guī)格 20i 20i 20i 40i 80i 80i 3.3.3空載加速轉矩計算 當執(zhí)行件從靜止以階躍指令加速到最大移動（快速）速度時，所需要的空載加速轉矩按下式求， (3.17) 空載加速時，主要克服的是慣性，選用的α22/3000i型交流伺服電動機,總慣量 0.0120+0.0092=0.0212(㎏·㎡) 加速度時間通常取的3~4倍，故=(3~4)=(3~4)×6=18~24(ms)，則 (N·m) 3.4 水平方向電動缸的設計 滾珠絲桿副就是由絲桿、螺母和滾珠組成的一個機構。他的作用就是把旋轉運動轉和直線運動進行相互轉換。絲桿和螺母之間用滾珠做滾動體，絲杠轉動時帶動滾珠滾動。 設X向最大行程為300mm,最快進給速度為18m/min,假設大概質量為80kg,移動部件大概質量為30kg，工作臺最大行程為300mm。 3.4.1導程確定 電機與絲桿通過聯(lián)軸器連接，故其傳動比i=1, 選擇電機Y系列異步電動機的最高轉速，則絲杠的導程為 取Ph=12mm 3.4.2確定絲桿的等效轉速 基本公式 最大進給速度是絲桿的轉速 最小進給速度是絲桿的轉速 絲桿的等效轉速 式中取故 3.4.3確定絲桿的等效負載 工作負載是指機床工作時，實際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力，他的數(shù)值用進給牽引力的實驗公式計算。選定導軌為滑動導軌，取摩擦系數(shù)為0.03，K為顛覆力矩影響系數(shù)，一般取1.1~1.5，本課題中取1.3，則絲桿所受的力為 其等效載荷按下式計算（式中取，） 3.4.4確定絲桿所受的最大動載荷 fw-------負載性質系數(shù)，（查表：取fw=1.2） ft--------溫度系數(shù)（查表：取ft=1） fh-------硬度系數(shù)（查表：取fh =1） fa-------精度系數(shù)（查表：取fa =1） fk-------可靠性系數(shù)（（查表：取fk =1） Fm------等效負載 nz-------等效轉速 Th ----------工作壽命，取絲桿的工作壽命為15000h 由上式計算得Car=17300N 表3-1-1各類機械預期工作時間Lh 表3-1-2精度系數(shù)fa 表3-1-3可靠性系數(shù)fk 表3-1-4負載性質系數(shù)fw 3.4.5精度的選擇 滾珠絲杠副的精度對電氣機床的定位精度會有影響，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，導程誤差對機床定位精度是最明顯的。一般在初步設計時設定絲杠的任意300行程變動量應小于目標設定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗算中確定。，選用滾珠絲杠的精度等級X軸為1～3級（1級精度最高），Z軸為2～5級，考慮到本設計的定位精度要求及其經(jīng)濟性，選擇X軸Y軸精度等級為3級，Z軸為4級。 3.4.6選擇滾珠絲桿型號 計算得出Ca=Car=17.3KN, 則Coa=(2~3)Fm=（34.6~51.9）KN 公稱直徑Ph=12mm 則選擇FFZD型內(nèi)循環(huán)浮動返向器，雙螺母墊片預緊滾珠絲桿副，絲桿的型號為FFZD4010—3。 公稱直徑 d0=40mm 絲桿外徑d1=39.5mm 鋼球直徑dw=7.144mm 絲桿底徑d2=34.3mm 圈數(shù)=3圈 Ca=30KN Coa=66.3KN 剛度kc=973N/μm 3.5校核 滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓震動固有頻率，其扭轉剛度影響扭轉固有頻率。承受軸向負荷的滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度KO有絲桿本身的拉壓剛度KS，絲桿副內(nèi)滾道的接觸剛度KC，軸承的接觸剛度Ka，螺母座的剛度Kn，按不同支撐組合方式計算而定。 3.5.1 臨界壓縮負荷驗證 絲桿的支撐方式對絲桿的剛度影響很大，采用一端固定一端支撐的方式。臨界壓縮負荷按下列計算： 式中E------材料的彈性模量E鋼=2.1X1011（N/m2） LO-------最大受壓長度（m） K1-------安全系數(shù)，取K1=1.3 Fmax-------最大軸向工作負荷（N） f1-------絲桿支撐方式系數(shù)：f1=15.1 I=絲桿最小截面慣性距（m4） 式中do--------是絲桿公稱直徑（mm） dw------------滾珠直徑（mm）， 絲桿螺紋不封閉長度Lu=工作臺最大行程+螺母長度+兩端余量 Lu=300+148+20X2=488mm 支撐距離LO應該大于絲桿螺紋部分長度Lu，選取LO=620mm 代入上式計算得出Fca=5.8X108N 可見Fca＞Fmax，臨界壓縮負荷滿足要求。 3.5.2臨界轉速驗證 滾珠絲杠副高速運轉時，需驗算其是否會發(fā)生共振的最高轉速，要求絲杠的最高轉速： 式中：A------絲桿最小截面：A= -------絲杠內(nèi)徑，單位； P--------材料密度p=7.85*103(Kg/m) --------臨界轉速計算長度，單位為，本設計中該值為=148/2+300+(620-488)/2=440mm ----------安全系數(shù)，可取=0.8 fZ----------絲杠支承系數(shù)，雙推-簡支方式時取18.9 經(jīng)過計算，得出= 6.3*104，該值大于絲杠臨界轉速，所以滿足要求。 3.5.3絲桿拉壓振動與扭轉振動的固有頻率 絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度Ke的計算公式 式中 A——絲杠最小橫截面，； 螺母座剛度KH=1000N/μm。 當導軌運動到兩極位置時，有最大和最小拉壓剛度，其中，L植分別為750mm和100mm。 經(jīng)計算得： 式中 Ke ——滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度(N/μm)； KH——螺母座的剛度(N/μm)；KH=1000 N/μm Kc——絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度(N/μm)； KS——絲杠本身的拉壓剛度(N/μm)； KB——軸承的接觸剛度(N/μm)。 經(jīng)計算得絲杠的扭轉振動的固有頻率遠大于1500r/min，能滿足要求。 3.6電機的選擇 步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉換成旋轉或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉軸步進一個距角增量。電機總的回轉角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應的轉速取決于輸入脈沖的頻率。步進電機具有慣量低、定位精度高、無累計誤差、控制簡單等優(yōu)點，所以廣泛用于機電一體化產(chǎn)品中。選擇步進電動機時首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率，再者還要考慮轉動慣量、負載轉矩和工作環(huán)境等因素。 3.6.1電機軸的轉動慣量 a、回轉運動件的轉動慣量 上式中：d—直徑,絲桿外徑d=39.5mm L—長度=1m P—鋼的密度=7800 經(jīng)計算得 b、X向直線運動件向絲桿折算的慣量 上式中：M—質量 X向直線運動件M=160kg P—絲桿螺距（m）P=0.001m 經(jīng)計算得 c、聯(lián)軸器的轉動慣量 查表得 因此 3.6.2電機扭矩計算 a、折算至電機軸上的最大加速力矩 上式中： J=0.0028kg/m2 ta—加速時間 KS—系統(tǒng)增量，取15s-1,則ta=0.2s 經(jīng)計算得 b、折算至電機軸上的摩擦力矩 上式中：F0—導軌摩擦力，F(xiàn)0=Mf，而f=摩擦系數(shù)為0.02，F(xiàn)0=Mgf=32N P—絲桿螺距（m）P=0.001m η—傳動效率，η=0.90 I—傳動比，I=1 經(jīng)計算得 c、折算至電機軸上的由絲桿預緊引起的附加摩擦力矩 上式中P0—滾珠絲桿預加載荷≈1500N η0—滾珠絲桿未預緊時的傳動效率為0.9 經(jīng)計算的T0=0.05N·M 則快速空載啟動時所需的最大扭矩 根據(jù)以上計算的扭矩及轉動慣量，選擇電機型號為SIEMENS的IFT5066，其額定轉矩為6.7。 49 第4章 豎直方向電動缸 4.1 滾珠絲杠計算、選擇 初選絲杠材質：CrWMn鋼，HRC58~60，導程：l0=5mm 強度計算 絲杠軸向力：(N) 其中：K=1.15，摩擦系數(shù)f=0.003~0005； 壽命值：，其中絲杠轉速(r/min) 最大動載荷： 式中：fW為載荷系數(shù)，中等沖擊時為1.2~1.5；fH為硬度系數(shù)，HRC≥58時為1.0。 查表得中等沖擊時則: 根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結構形式，并根據(jù)最大動載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲杠的型號為: CM系列滾珠絲桿副，其型號為：CM2005-5。 其基本參數(shù)如下: 其額定動載荷為14205N> 足夠用.滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式,預緊方式采用雙螺母螺紋預緊形式. 滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計算如下表 名稱 計算公式 結果 公稱直徑 ―― 20mm 螺距 ―― ５mm 接觸角 ―― 鋼球直徑 ―― 3.175mm 螺紋滾道法向半徑 1.651mm 偏心距 0.04489mm 螺紋升角 螺桿外徑 19.365mm 螺桿內(nèi)徑 16.788mm 螺桿接觸直徑 17.755mm 螺母螺紋外徑 23.212mm 螺母內(nèi)徑（外循環(huán)） 20.7mm （1） 傳動效率計算 絲杠螺母副的傳動效率為： 式中：φ=10’，為摩擦角；γ為絲杠螺旋升角。 （2） 穩(wěn)定性驗算 絲杠兩端采用止推軸承時不需要穩(wěn)定性驗算。 （3） 剛度驗算 滾珠絲杠受工作負載引起的導程變化量為：(cm) Y向所受牽引力大,故用Y向參數(shù)計算 絲杠受扭矩引起的導程變化量很小，可忽略不計。導程變形總誤差Δ為 E級精度絲杠允許的螺距誤差[ Δ]=15μm/m。 4.2 步進電機慣性負載的計算 根據(jù)等效轉動慣量的計算公式，有： （1）等效轉動慣量的計算 折算到步進電機軸上的等效負載轉動慣量為： 式中：為折算到電機軸上的慣性負載；為步進電機軸的轉動慣量；為齒輪１的轉動慣量； 為齒輪２的轉動慣量；為滾珠絲杠的轉動慣量；Ｍ為移動部件的質量。 對鋼材料的圓柱零件可以按照下式進行估算： 式中為圓柱零件直徑，為圓柱零件的長度。 所以有： 電機軸的轉動慣量很小，可以忽略，所以有： 步進電機的選用 (１）步進電機啟動力矩的計算 設步進電機的等效負載力矩為Ｔ，負載力為Ｐ，根據(jù)能量守恒原理，電機所做的功與負載力所做的功有如下的關系： 式中為電機轉角，Ｓ為移動部件的相應位移，為機械傳動的效率。若取，則Ｓ＝，且。所以： 式中：為移動部件負載（N），G為移動部件質量（N），為與重力方向一致的作用在移動部件上的負載力（N），為導軌摩擦系數(shù)，為步進電機的步距角（rad）,T為電機軸負載力矩（N.cm）。 取=0.3（淬火鋼滾珠導軌的摩擦系數(shù)），＝０.8，==279.23Ｎ?？紤]到重力影響，Ｙ向電機負載較大，因此Ｇ＝1200Ｎ，所以有： 考慮到啟動時運動部件慣性的影響，則啟動轉矩： 取系數(shù)為０.３，則： 對于工作方式為三相６拍的步進電機： (２） 步進電機的最高工作頻率 為使電機不產(chǎn)生失步空載啟動頻率要大于最高運行頻率,同時電機最大靜轉矩要足夠大,查表選擇兩個90BF001型三相反應式步進電機. 電機有關參數(shù)如下: 型號 主要技術參數(shù) 相數(shù) 步距角 電壓 (V) 相電流 (A) 最大靜轉矩 (n.m) 空載啟動頻率 空載運行頻率 分配方式 90BF001 4 0.9 80 7 3.92 2000 8000 4相8拍 外形尺寸(mm) 重量 kg 轉子轉動慣量 Kg.m 外直徑 長度 軸直徑 90 145 9 4.5 1764 4.3底座回轉機構設計計算 腕部是聯(lián)結手部和臂部的部件，腕部運動主要用來改變被夾物體的方位，它動作靈活，轉動慣性小。 4.4機身結構的設計校核 臂部和機身的配置形式基本上反映了的總體布局。本課題圖書館輔助機器人的機身設計成機座式，這樣圖書館輔助機器人可以是獨立的，自成系統(tǒng)的完整裝置，便于隨意安放和搬動，也可具有行走機構。臂部配置于機座立柱中間，多見于回轉型圖書館輔助機器人。臂部可沿機座立柱作升降運動，獲得較大的升降行程。升降過程由電動機帶動螺柱旋轉。由螺柱配合導致了手臂的上下運動。手臂的回轉由電動機帶動減速器軸上的齒輪旋轉帶動了機身的旋轉，從而達到了自由度的要求[7-9]。 4.4.1選擇伺服電機的具體型號和參數(shù) 1、電機額定功率的確定 馬達的額定功率應等于或稍大于工作要求的功率。額定功率小于工作要求，則不能保證工作機器正常工作，或使馬達長期過載、發(fā)熱大而過早損壞；額定功率過大，則馬達價格高，并且由于效率和功率因素低而造成浪費。 工作所需功率為： (3-1) 式中， 電機工作效率， 電機所需的輸出功率為： (3-2) 式中：為電機至軸之間的總效率。齒輪： 軸承： 蝸桿; 。因此 (3-3) 一般電機的額定功率 但為了獲得較大預留量則取電機額定功率為：。 2、轉矩 由后面齒輪的轉矩可得： 3、電機轉速的確定 由文獻[2, 5~5]表1-8推薦的各種機構傳動范圍為，?。? 齒輪傳動比：3-5 蝸桿渦輪傳動比：20-100， 則總的傳動范圍為： 電機轉速的范圍為： 為降低電機的重量和價格，選取常用兩相混合式步進電機，其各 根據(jù)這些，選取SGMAH-44BA6(帶通用減速機）型電機，符合要求。 圖3-2電機參數(shù)圖表 4.4.2標準斜齒圓柱齒輪傳動的強度計算 (1) 輪齒的受力分析 齒輪傳動一般均加以潤滑，嚙合齒輪間的摩擦力通常很小，計算輪齒受力時，可不予考慮。沿嚙合線作用在齒面上的法向載荷垂直于齒面，為了計算方便，將法向載荷（單位為N）在節(jié)點P處分解為兩個相互垂直的分力，即圓周力與徑向力（單位均為N），由此得 (4-6) (4-7) (4-8) 式中：——小齒輪傳遞的轉矩，； ——小齒輪的節(jié)圓直徑，對標準齒輪即為分度圓直徑，mm； ——嚙合角，對標準齒輪，。 以上分析的是主動齒輪上的力，從動輪輪齒上的力分別與其大小相等、方向相反。 (2) 齒根彎曲疲勞強度計算 輪齒在受載時，齒根所受的彎矩最大，因此齒根處的彎曲疲勞強度最弱。當輪齒在齒頂處嚙合時，處于雙對嚙合區(qū)，此時彎矩的力臂最大，但力不是最大，因此彎矩并不是最大。根據(jù)分析，齒根所受的最大彎矩發(fā)生在輪齒嚙合點位于單對嚙合區(qū)最高點時。因此，齒根彎曲強度也應按載荷作用于單對嚙合區(qū)最高點來計算。由于此種算法比較復雜，通常只用于高精度齒輪傳動。 對于制造精度不高的齒輪傳動，由于制造誤差較大，實際上多由在齒頂處嚙合的輪齒分擔較多的載荷。為便于計算，通常按全部載荷作用于齒頂來計算齒根的彎曲強度。當然，采用這樣的方法，輪齒的彎曲強度比較富裕。 4.4.3本機構中齒輪傳動設計與校核 1. 選定齒輪類型，精度等級，材料及齒數(shù)。 1）選用斜齒圓柱齒輪傳動選用7級精度（GB10095-88） 2）選擇小齒輪材料為45（調(diào)質），硬度為240HBS，大齒輪材料為45（調(diào)質）硬度為240HBS 3）選小齒輪齒數(shù)=18，大齒輪齒數(shù)=18×4=72。 4）初選螺旋角為。 2. 按齒面接觸強度設計 由設計計算公式進行試算，即 (4-9) 確定公式內(nèi)各計算數(shù)值 試選載荷系數(shù) 由表10—7選齒寬系數(shù) 由圖10-26得 (4-10) 查《機械設計》課本圖10-30 由表10-6查得材料的彈性影響系數(shù) 由圖10-21d按齒面硬度查得大小齒輪的接觸疲