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沈陽化工大學科亞學院
本科畢業(yè)設計
題 目 重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)
院 系 沈陽化工大學科亞學院
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
班 級： 1203
學生姓名： 楊光
指導教師： 王楠
論文提交日期： 2016 年 5 月 30 日
論文答辯日期： 2016 年 6 月 6 日
畢業(yè)設計（論文）任務書
機械設計制造及其自動化專業(yè)
1203班
學生：楊光
畢業(yè)設計（論文）題目：
重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)
畢業(yè)設計（論文）內(nèi)容：
重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)由結(jié)構框架、X軸組件、Y軸組件、Z軸組件、工裝夾具以及控制柜，六部分組成， 重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)的傳動系統(tǒng)設計等。
畢業(yè)設計（論文）專題部分：
重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)的傳動系統(tǒng)設計， 重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)的主體部分結(jié)構設計
起止時間： 2016年2月29日至 2016年6月5日
指導教師： 簽字 2016年 6 月 6 日
摘要
凸輪軸桁架自動化系統(tǒng)是工業(yè)制造上不可缺少的一部分，作靈活、運動慣性小、通用性強、能抓取靠近機座的工件，并能繞過機體和工作機械之間的障礙物進行工作，這些優(yōu)點就是桁架機械手能夠快速良好發(fā)展的根本，機械手能夠代替人力，更能夠準確的去完成工作。在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化，自動化已成為突出的主題。化工等連續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。專用機床是大批量生產(chǎn)自動化的有效的辦法；控制機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化,工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而生產(chǎn)的。機械手是能夠模仿人體上肢的部分功能，可以對其進行自動控制使其按照預定要求輸送制品或操持工具進行生產(chǎn)操作的自動化生產(chǎn)設備。通過對加工中心生產(chǎn)線的加工布局的分析，確定了桁架機械手輸送的方案，即桁架機械手輸送缸體的輸送程序，輸送方法和桁架機械手的結(jié)構；實現(xiàn)了桁架機械手在專機輸送上的應用，達到了快速，柔性輸送缸體的目的，提高了機床的性能、可靠性和自動化程度；從根本上解決加工中心生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍長的難題。
關鍵詞：加工中心生產(chǎn)線；桁架自動化系統(tǒng)機械手；伺服驅(qū)動；生產(chǎn)節(jié)拍；
Abstract
Truss automation system of mechanical hand is part of the manufacturing industry is indispensable, flexible, motion inertia small, general strong, can grab near the base of the workpiece, and can work around obstacles between the body and the mechanical work, these advantages is the mechanical hand can quickly speed and good development of the fundamental, the mechanical hand to replace human, can be more accurate to complete the work. In the modern industry, the production process of mechanization, automation has become a prominent theme. Automatic continuity of the chemical production process has been basically resolved. Special machine is an effective method for mass production automation; control of machine tools, CNC machine tools, machining centers, automated machinery is an important way to effectively solve the many varieties of small batch production automation. But in addition to cutting itself, there are a large number of loading and unloading, handling, assembly operations, further realizes mechanization, the industry manipulator is to realize the automation of these processes and production. Mechanical hand is able to mimic the part of the human upper limb function can carries on the automatic control of the scheduled in accordance with the requirements of transportation products or tools to maintain the operation of automated production equipment. Truss manipulator delivery scheme is determined through analysis of processing production line processing layout, namely truss manipulator conveying cylinder transportation procedure, conveying method and truss manipulator structure; to realize application in the conveying plane truss manipulator, achieves the quick speed, flexible conveying cylinder and improve the machine performance, reliability and degree of automation; fundamentally solve problems of long production cycle of processing production line.
Keyword: processing production line；automation system; truss manipulator; servo drive; production cycle；
目 錄
引言 1
第一章前言 2
1.1 重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)概述件的功用 2
1.2 凸重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)的組成及作用 2
1.2.1 各重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)的組成 2
1.2.2 重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)的作用 2
第二章重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)的傳動系統(tǒng)設計 4
2.1 重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)的設計關鍵技術參數(shù)要求 4
2.1.1 X軸橫梁的相關計算 4
2.1.2 導軌滑塊承載能力計算 7
2.1.3移動速度計算 8
2.2 重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)的傳動方案設計 9
2.3 重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)的驅(qū)動電機選擇 10
2.3.1 重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)的驅(qū)動電機額定轉(zhuǎn)速選擇 10
2.3.2 重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)的驅(qū)動電機額定功率選擇 11
2.4 重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)的導軌選擇 13
2.5 重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)的齒輪齒條選擇 14
第三章重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)的主體部分結(jié)構設計 23
3.1 夾手部分基座的結(jié)構設計結(jié)構 23
3.1.1 概述 23
3.1.2 手部的結(jié)構和手指形狀的確定 23
3.2 重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)的走線系統(tǒng)結(jié)構設計 24
3.2.1 拖鏈選擇的技術條件 24
3.2.2 根據(jù)拖鏈選擇設計拖鏈槽結(jié)構 25
第四章基于solidworks雙Z軸桁架系統(tǒng)的建模及裝配 26
4.1 solidworks軟件建模與裝配概述 26
4.2 運用SolidWorks軟件進行零件設計 26
4.3 運用SolidWorks軟件進行零件裝配 28
第五章CAD繪圖簡單說明 29
結(jié)論 30
致謝 32
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 引言
引言
畢業(yè)設計的關鍵是結(jié)束的大學生在學校期間,這是一個綜合考試的知識,也是我們的實際設計過程,模擬真實的環(huán)境,這使得本專業(yè)設計工作我們有一個更深刻的理解,因此,為未來的工作奠定了堅實的基礎。
為了有效地完成畢業(yè)設計,我們把之前的生產(chǎn)現(xiàn)場的實際情況,并通過查找大量的資料和其他教科書和參考書,寫這個夾具設計規(guī)范。它通過程序的設計,進一步機車閥導塊的過程。通過編寫夾具、測量工具、刀具設計規(guī)范,進一步說明了設計理念,鞏固學到各種各樣的知識。這個設計編譯一組批生產(chǎn)過程規(guī)劃。簡單實用的夾具設計更多的反映了經(jīng)濟技術指標在設計中的重要地位。
設計工作是一個細致、困難、復雜,涵蓋非常廣泛,它不僅鞏固了所學的知識,更多的提高和鍛煉我們的綜合能力,如計算能力、圖形功能。但是因為我的學校和水平有限,難免有缺點和錯誤的設計,請在這里老師評論。
32
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 前言
第一章前言
1.1 重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)概述件的功用
凸桁架式機器人是一種綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能等多學科而形成的高新技術產(chǎn)品。是一種能進行自動控制、可重復編程的、多功能的、多自由度的、多用途的操作設備。隨著國內(nèi)企業(yè)用人成本的不斷增加，桁架式工業(yè)機器人在制造業(yè)中實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)、擺脫單調(diào)重復的體力勞動、提高產(chǎn)品質(zhì)量方面具有明顯的優(yōu)勢，在高溫、有毒場合具有人工無法替代的作用，在機械加工業(yè)具有廣泛的運用，了解和掌握桁架式機器人的特點、結(jié)構和設計，對推動我國機器人的運用具有現(xiàn)實指導意義。重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)是一種建立在直角X，Y，Z三坐標系統(tǒng)基礎上，對工件進行工位調(diào)整，或?qū)崿F(xiàn)工件的軌跡運動等功能的全自動工業(yè)設備。
1.2 凸重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)的組成及作用
1.2.1 各重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)的組成
重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)由結(jié)構框架、X軸組件、Y軸組件、Z軸組件、工裝夾具以及控制柜，六部分組成。
1.2.2 重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)的作用
系統(tǒng)可以實現(xiàn)多自由度運動，每個運動自由度之間的空間夾角為直角。自動控制的，可重復編程，所有的運動均按程序運行。一般由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、操作工具等組成。靈活，多功能，因操作工具的不同功能也不同?？捎糜趷毫拥沫h(huán)境，可長期工作，便于操作維修。各個機器人行走軸，均可采用滾輪導軌，具有可高速運行，安裝調(diào)試方便，適合長行程應用，可用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點。并且高效，其各軸以極高的速度直線運行，可用伺服電機快速響應；結(jié)構穩(wěn)定，極小的重復性誤差，最高可達0.05mm；高強度，7x24小時工作，不需要吃飯、睡覺、抽煙等；高精度定位精度可達0.02mm（基于制作成本原因，可根據(jù)使用工況適當放大定位精度）；性價比高相比關節(jié)機器人，其負載重量大，制作成本低，適合于“中國智造”基本國情；
操作簡單，基于直角坐標體系，其運動參數(shù)較為簡單。重型軸類形狀零件雙Z軸桁架自動化系統(tǒng)可以對重量大的工件進行操作，最大限度的提高了桁架自動化系統(tǒng)的應用，對于設計加工具有重大意義。
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)的傳動系統(tǒng)設計
第二章重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)的傳動系統(tǒng)設計
根據(jù)書籍的設計思想的原始數(shù)據(jù),以確定生產(chǎn)的類型。根據(jù)設計規(guī)范給出根據(jù)車間的工作情況和工件的重量,根據(jù)生產(chǎn)可分為單位生產(chǎn)、小批量生產(chǎn)、批量生產(chǎn)和批量生產(chǎn)。金屬機械加工工藝人員手冊檢查表15 - 5部分體重48公斤< 100公斤,年產(chǎn)量3000件,屬于批量生產(chǎn)。
2.1雙Z軸桁架系統(tǒng)的設計關鍵技術參數(shù)要求
2.1.1 X軸橫梁的相關計算：
根據(jù)X軸橫梁的布局形式可將橫梁按兩點支承結(jié)構計算橫梁的相關參數(shù)，包括：剪切力Q、彎矩M。
1.初始條件：
(1) 橫梁及導軌自身質(zhì)量W1；
(2) 托板及其上的包含Z軸部件的總重量W2；
(3) 抓手自身質(zhì)量W3；
(4) 工件自身質(zhì)量W4；
(5) 重力加速度：g；
2 .橫梁所受外力：
F=W2+W3+W4,方向垂直向下。橫梁不考自重時計算示意圖見圖2.1所示:
圖2.1 橫梁不考自重時計算示意圖
圖中l(wèi)為橫梁的總有效跨度；
l1: 托板左側(cè)導向滑塊距橫梁左端尺寸；
l2：托板右側(cè)導向滑塊距橫梁右端尺寸；
l3： Z軸托板上兩導向滑塊之間距離；
q外：除橫梁自重之外所有外力所產(chǎn)生的均布載荷，
3.桁架機器人在外力作用下的設計計算公示表
表2.1 桁架機器人在外力作用下的設計計算公示
名稱
計算條件
計算公式
剪力
0＜x＜l1
Q外=q外l3/l(l2+l3/2)
l1＜x≤(l1+l2)
Q外=q外l3/l(l2+l3/2)-q×(x-l1)
(l1+l3) ﹤x≤l
Q外=-q外l3/l(l1+l3/2)
彎矩
x=l1+l3/l(l2+l3/2)
Mmax外=ql3/l(l2+l3/2)×(l1+(2l2l3+l32))/4l
4.橫梁只考慮自重時的計算示意圖
圖2.2 橫梁只考慮自重時的計算示意圖
當X軸橫梁只考慮自重時，由橫梁自身質(zhì)量產(chǎn)生的載荷q自沿橫梁全長作用，q自= w1/l，且均勻分布。
表2.2 桁架機器人在自重作用下的設計計算公式
名稱
計算條件
計算公式
剪力
Q自=q自l/2-q自x
彎矩
x=l/2
Mmax=q自l2/8
橫梁實際工作中所受作用力是自重和外力共同作用的結(jié)果，是上述兩種狀態(tài)計算參數(shù)的矢量疊加，見表2.3。
表2.3 橫梁實際工作中所受作用力是自重和外力共同作用的結(jié)果
名稱
計算公式
剪力
Q總=Q外+Q自
彎矩
M總Max=M外Max+M自Max
6、橫梁彎矩強度校核
（1）橫梁可以等效為一個等截面中心對稱的桿件結(jié)構，對整個橫梁截面來說，最大應力發(fā)生在彎矩最大的截面上。其值為：
式中：Wz為抗彎截面系數(shù)。
（2）強度條件：產(chǎn)生最大彎矩的截面稱為危險截面，危險截面上產(chǎn)生最大應力的點稱為危險點。即：
式中：
[σ]為材料的許用應力。
[σ]= σ0/n
σ0為材料的極限應力。對于脆性材料：σ0=σb;對于塑性材料：σ0=σs。n為安全系數(shù)。對于脆性材料：n=2.5～3.0；對于塑性材料：n=1.5～2.0。
（3）橫梁剪切強度校核：最大彎曲剪切應力通常發(fā)生在截面中性軸處，該處的正應力為零，最大剪切應力作用點處于純剪切應力狀態(tài)。橫梁是一個等截面直梁，最大彎曲剪切應力發(fā)生在剪力最大的截面上。最大彎曲剪切應力不得超過材料在純剪切時許用剪應力。
即：
式中：
Q總max是發(fā)生在截面上的最大剪切力：Smax是所求應力點外的面積到中性軸的靜面矩，靜面矩S=應力點面積A×應力點面積形心對某軸的標矩；
Iz是橫梁截面對中性軸Z的慣性矩；b是橫梁截面的寬度；
[τ]是材料的剪切許應力，它與材料的許用用力[σ]之間，存在如下關系：
對于塑性材料：[τ]=0.6～0.8[σ];對于脆性材料：[τ]=0.8～1.0[σ]
2.1.2 導軌滑塊承載能力計算：
導軌滑塊是X軸運動時的導向機構，它由兩根導軌和四只滑塊組成。兩導軌固定在橫梁側(cè)面的安裝面上，四只滑塊與托板固定聯(lián)接，托板上裝有X軸驅(qū)動部件、Z軸驅(qū)動部件、整個Z軸部件、軌道潤滑裝置等。
1. 初始條件：
⑴工件質(zhì)量m1；
⑵托板自身質(zhì)量m2；
⑶托板上負載的質(zhì)量ms：包括X軸驅(qū)動部件、Z軸驅(qū)動部件、整個Z軸部件、軌道潤滑裝置等；
⑷重力加速的：g；
2 .計算模型
見圖2.3所示：
圖2.3 計算模式
圖中：mg=（m1＋m2＋m3）g：滑塊所受總負載；
L0：兩滑塊水平方向中心線之間的距離；
L1: 兩導軌垂直方向中心線之間的距離；
L2: 滑塊所受負載幾何中心與托板水平幾何中心線水平方向的距離；
L3：滑塊所受總負載幾何中心與導軌幾何中心線前后水平方向的距離；
P1、P2、P3、P4：滑塊1、滑塊2、滑塊3、滑塊4分別所受徑向力見圖2.4
圖2.4 P1T、P2T、P3T、P4T：滑塊1、滑塊2、滑塊3、滑塊分別所受側(cè)向力
表4 計算公式
名稱
計算公式
徑向力
P1=P2=-mg.l3/(2.l2)
P3=P4=mg.l3/2l2
側(cè)向力
P1T=P4T=mg/4+mg.l2/(2l0)
P2T=P3T=mg/4-mg.l2/(2l0)
2.1.3移動速度計算
“移動速度”是桁架機器人的主要參數(shù)之一，桁架機器人運動速度的快慢直接影響機器人工作的節(jié)拍，從而決定機器人的工作效率。
1.工作方式及運動特點
⑴桁架機器人的工作方式：
機器人在某一位置處于靜止狀態(tài)；
當電氣控制系統(tǒng)接受到某一控制信號后桁架帶動機械手由靜止狀態(tài)開始加速啟動；
機械手按某一運動軌跡運動到特定位置執(zhí)行特定的運動。
⑵運動特點：上述運動過程可分解三個部階段
機械手由靜止到勻速運動中的加速度階段；
機械手勻速運動階段；
機械手勻速運動到特定位置停止的減速階段；
2 .初始條件
（1）機械手開始處于靜止狀態(tài)，初始運動速度V0=0；
（2）機械手由靜止到勻速運動過程中的加速度a加；
（3）機械手由靜止到勻速運動過程中的加速度時間t加；
（4）機械手勻速運動時的速度V,
（5）機械手由勻速運動到靜止過程中的加速度a減，
（6）機械手由勻速運動到靜止過程中的減速度t減，
3.計算公式：
加速過程： v=v0+a加t加
減速過程： v=v0-a減t減
2.2 重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)的傳動方案設計
在機器人驅(qū)動系統(tǒng)中，電氣驅(qū)動是利用各種電動機產(chǎn)生的力或力矩，直接或經(jīng)過減速機構去驅(qū)動機器人的關節(jié)，來獲取動力。電氣驅(qū)動主要有步進電機、直流伺服電機、交流電機、直線電動機以及最近幾年出現(xiàn)的超聲波電機和HD電動機【10】等幾種。
步進電機是一種用脈沖信號控制，每輸入一個脈沖，步進電機就進行回轉(zhuǎn)一定的角度，脈沖數(shù)與角度數(shù)成正比，旋轉(zhuǎn)方向取決于輸入脈沖的順序。步進電機可在很寬的范圍內(nèi)，通過脈沖頻率同步，能夠按照脈沖要求進行啟動、停止、反轉(zhuǎn)和制動變速，有較強的阻礙偏離穩(wěn)定的能力。在機器人中位置控制系統(tǒng)中得到了極大的應用。主要有永磁式、反應式、永磁感應子式三種。
直流伺服電機是用直流電供電的電動機。其功能是將輸入的受控電壓/電流能量轉(zhuǎn)換為電樞軸上的角位移或角速度輸出。直流伺服電機的工作原理和基本結(jié)構均與普通動力用直流電機相同。特點是穩(wěn)定性好、可控性好、響應迅速、轉(zhuǎn)矩大。一般有永磁式和電磁式，在機器人驅(qū)動系統(tǒng)中多采用永磁式直流伺服電機。
交流伺服電機的使用情況與直流伺服電機相同，但交流伺服電機與直流伺服電機相比，結(jié)構簡單、工作可靠、功率大、過載度能力強、無電刷、維修方便，因而交流伺服電機是今后機器人用電流的主流。
低速電機主要用于系統(tǒng)精度要求高的機器人。為了提高功率效率比，伺服電機制成高轉(zhuǎn)速，經(jīng)齒輪減速后帶動機械負載。由于齒輪傳動存在間隙，系統(tǒng)精度不易提高，若對功率效率比要求不十分嚴格，而對于精度有嚴格的要求，則最好取消減速齒輪，采用大力矩的低速電機，配以高分辨力的光電編碼器及高靈敏度的測速發(fā)動機，實現(xiàn)直接驅(qū)動。環(huán)形超聲波電動機具有低速大轉(zhuǎn)矩的特點，使用在機器人的關節(jié)處，不需齒輪減速，可直接驅(qū)動負載，因而可大大改善功率重量比，并可利用其中空結(jié)構傳遞信息。HD電動機是一種小型大轉(zhuǎn)矩（大推力）的電動機，電動機可直接與負載連接，可應用在系統(tǒng)定位精度要求高的機器人產(chǎn)品中。
通過上述對幾種機器人常用電機的分析和比較，綜合考慮本文桁架機器人臂并不要求有很高的扭矩，但是要求有較高精度并要求能夠快速啟動和制動，所以選擇應用較為廣泛的步進電機作為驅(qū)動電機。
2.3 重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)的驅(qū)動電機選擇
2.3.1 重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)的驅(qū)動電機額定轉(zhuǎn)速選擇
對于機械手的抓取操作及其在上料和卸料的時候，考慮對其工件的精準性，所以提供的動力源也要運行精確，保證加工的產(chǎn)品在規(guī)定時間內(nèi)，在保證其質(zhì)量的情況下，快速的完成，為人工師傅們節(jié)約更多的時間，
根據(jù)本次設計要求
電機的轉(zhuǎn)移量為
電機的最大轉(zhuǎn)速N
根據(jù)設計要求的電機品牌，按照計算的參數(shù)，選擇合適的驅(qū)動電機額定轉(zhuǎn)速，再結(jié)合轉(zhuǎn)矩等參數(shù)要求，確定具體電機。
2.3.2 重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)的驅(qū)動電機額定功率選擇
1、驅(qū)動電機扭矩計算：
驅(qū)動電機是驅(qū)動橫梁上運動部件的動力源，由于桁架機器人對運動部件的運動速度和重復定位精度有相應的要求，驅(qū)動電機均采用伺服電機，伺服電機驅(qū)動力的大小一般由電機的額定扭矩來決定。因此，設計時需要計算驅(qū)動電機的扭矩。
2、 初始條件
（1）電機驅(qū)動的總載荷量G（托板上所有零件及Z軸自重W2、手爪質(zhì)量W3、工件質(zhì)量W4）。
（2）G=W2 +W3 +W4,
（3）驅(qū)動齒輪的直徑D，
（4）電機中心到上軌道中心距離L1；
（5）電機中心到軌道中心距離L2；
（6）軌道運動式的摩擦系數(shù)u
3、 計算模型
圖2.5 計算模型
⑴在總載荷G的作用下運動部件在上下軌道上所受的力可以分解為徑向力和側(cè)向力，運動時所受的滑動摩擦力是上述兩種力共同作用的結(jié)果，上軌道所受摩擦力F1= u×(P1T+P2T+P1+P2),下導軌上所受的摩擦力F2=u×(P3T+P4T+P3+P4)。上下軌道上所受滑動摩擦力的合力與電機轉(zhuǎn)動時作用在齒輪齒側(cè)面分度圓上的傳動力大小FRZ相等，方向相反，即：FRZ=F1+F2,運動部件啟動和停止時由于加速度的存在，運動部件存在慣性力，加速度時慣性力與運動方向相同為正，減少時慣性力與運動方向相反為負
⑵在運動部件啟動時，運動部件加速度F總=F慣+FRZ,此時電機需輸出最大的驅(qū)動力才能驅(qū)動運動部件運動。
⑶電機輸出功率計算：
式中：
P：電機的輸出功率；
v:運動部件勻速運動時的速度；
η：運動時的機械效率
⑷伺服電機扭矩的計算：
式中：
P：電機的輸出效率；
v: 電機運動時的轉(zhuǎn)速；
T：電機的輸出扭矩；
⑸電機型號的確定：根據(jù)計算電機的輸出扭矩，選擇所需的電機。
式中：
T額：電機的額定輸出扭矩；
i：與電機相連的減速器的減速比；
T：電機的輸出扭矩；
n：電機運行時的安全系數(shù)；
2.4 重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)的導軌選擇
根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的WX和Wy計算導軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P,式中：C0為導軌的基本靜額定載荷，KN；工作載荷P=0.5(Fz+W);fSL=1.0～3.0(一般運行狀況)，3.0～5.0（運行時受沖擊、振動）。根據(jù)計算結(jié)果查有關資料初選導軌：
⑴ 選BR直線滾動導軌，E級精度。查得，fh=1,ft=1,fc=0.81,fa=1,fw=1.
⑵ 工作壽命每天8小時，連續(xù)工作5年，250/年，額定壽命為：
計算四滑塊的載荷，工作臺及其重物約為4000N
計算需要的動載荷Ca
由《機械電子工程專業(yè)課程設計指導書》表3-20中選用LY15AL直線滾動導軌副，其Ca=606N,C0a=745N
基本參數(shù)如下：
導軌的額定動載荷Ca=17500N
依據(jù)使用速度V（m/min）和初選導軌的基本動額定載荷Ca(KN)驗算導軌的工作壽命Ln:
額定行程長度壽命：
,
導軌的額定工作時間壽命：
導軌的工作壽命足夠
⑶ 滾動導軌間隙調(diào)整
預緊可以明顯提高滾動導軌的剛度，預緊采用過盈配合，裝配時，滾動體、滾道及導軌之間有一定的過盈量。
⑷ 潤滑與防護
潤滑：采用脂潤滑，使用方便，但應注意防塵。
防護裝置的功能主要是防止灰塵、切屑、冷卻液進入導軌，以提高導軌壽命。防護方式用蓋板式。
2.5 重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)的齒輪齒條選擇
1.選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)
a.選直齒圓柱齒輪
b．貨叉為一般工作機械，速度不高，故選用7級精度（GB/0095-88）；
c．材料選擇。選擇齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS,齒條材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS;
d．初選齒輪齒數(shù)為Z=20。
2.按齒面接觸強度計算
計算公式為
a.確定公式內(nèi)各參數(shù)的值。
⑴.試選載荷系數(shù)Kt=1.2
⑵.計算齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
⑶.選齒寬系數(shù)φd=0.45
⑷.查得材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.8MPa1//2
⑸ .按齒面硬度查得齒輪的接觸疲勞強度極限σHlim=600MPa,齒條的接觸疲勞強度極限σHlim=550MPa
⑹.取齒輪接觸疲勞壽命系數(shù)kH=0.90，齒條接觸疲勞壽命系數(shù)KH=0.95
⑺.計算接觸疲勞許用應力
取失效概率為1%,安全系數(shù)S=1，由公式求得：齒輪的接觸疲勞許用應力,齒條的接觸疲勞許用應力
a.按齒面接觸強度計算
（1） 計算齒輪的分度圓直徑
（2） 計算圓周速度
（3） 齒寬
（4） 計算齒寬與齒高之比
模數(shù)
齒高
(5)計算載荷系數(shù)
根據(jù)v=0.05m/s,7級精度，由圖可查得動載荷系數(shù) Kv=1.002
直齒輪，KHα=KFα=1
由表查得使用系數(shù)KA=1.25
由表查得7級精度，齒輪懸架布置時，KHβ=1.189
由b/h=3.996,KHβ=1.189,查得KFβ=1.14；故載荷系數(shù)
(6) 按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由公式得：
（7）計算模數(shù)
3.按齒根彎曲強度計算
彎曲強度的實際公式為
a. 確定公式內(nèi)各參數(shù)的值
⑴查得齒輪的彎曲疲勞強度極限σFE1=500MPa；齒條的彎曲疲勞強度極限σFE2=380MPa
⑵查得齒輪的彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.83;齒條的彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN2=0.88；
⑶計算彎曲疲勞許用應力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4,由公式得：
齒輪的許用應力
齒條的許用應力
⑷計算載荷系數(shù)K
⑸查取齒形系數(shù)
查得齒輪的齒形系數(shù)YFa=2.80
⑹查取應力校正系數(shù)
查得YSa=1.55
⑺計算
b. 設計計算
對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)成積）有關，可取由彎曲強度算得的模數(shù)1.51并就近圓整為標準值m=2mm,按接觸強度算得的分度圓直徑d=39.222mm，算出齒輪齒數(shù)z=d/m=39.222/2=20
這樣設計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足齒根彎曲疲勞強度，并做到結(jié)構緊湊，避免浪費。
4.幾何尺寸的計算
a.計算分度圓直徑
b計算齒輪齒條寬度
取齒輪寬度B=17mm,齒條寬度為B=16mm,
c計算齒頂圓直徑
d 計算齒根圓直徑
e計算齒輪齒條的節(jié)距
f計算齒頂高
g.計算齒根高
豎直方向運動機械部件的計算
步進電機的選型
計算所需的轉(zhuǎn)矩：
式中：
Ml—臂轉(zhuǎn)動所需的轉(zhuǎn)矩（N.m）;
M慣—臂轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的慣性轉(zhuǎn)矩（N.m）;
M摩—摩擦所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩（N.m）;
l—臂的長度（mm）,l=200mm；
ρ—臂材料的密度（kg/m3），ρ=2.7×103kg/m3;
B—臂的外寬（mm），B=180mm;
H—臂的外長（mm）,H=180mm;
b—臂的內(nèi)寬(mm),b=150mm;
h—臂的內(nèi)高（mm）,h=150mm;
d—旋轉(zhuǎn)中心的偏移量（mm）,d=400mm;
ω—臂擺動的角速度（rad/s）;
v—工作速度（m/s）,v=0.6m/s;
t啟—啟動時間（s），t啟=0.5s;
ll—電機安裝位置，ll=200mm.
設臂為實心時的質(zhì)量為m外，對應的轉(zhuǎn)動慣量為J外，用臂材料填充臂空心部分所需的質(zhì)量為m內(nèi)；對應的轉(zhuǎn)動慣量為J內(nèi)。
代入數(shù)據(jù)得：
同理有：
所以根據(jù)計算所得數(shù)據(jù)選擇110BYG350DH-SAKRMA 型號的電機，
3.選的齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)
e．選直齒圓柱齒輪；
f．貨叉為一般工作機械，速度不高，故選用7級精度（GB/0095-88）；
g.材料選擇，材料齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，齒條材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS;
h.初選齒輪齒數(shù)為Z=20.
4.按齒面接觸強度計算
設計公式為
c.確定公式內(nèi)各參數(shù)的值。
⑴試選載荷系數(shù)Kt=1.2
⑵計算齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
⑶選齒寬系數(shù)?d=0.45
⑷查得材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.8MPa1/2
⑸按齒面硬度查得齒輪的接觸疲勞強度極限σHlim=600MPa，齒條的接觸疲勞強度極限σHlim=550MPa
⑹取齒輪接觸疲勞壽命系數(shù)KH=0.90,齒條接觸疲勞壽命系數(shù)KH=0.95
⑺計算接觸疲勞許用應力
取失效概率為1%,安全系數(shù)S=1，由公式[σH]=kHN/S*σlim求得：齒輪的接觸疲勞許用應力[σH]=540MPa，齒條的接觸疲勞許用應力[σH]=522.5MPa。
d.按齒面接觸強度計算
(1)計算齒輪的分度圓直徑
(2)計算圓周速度
(3)齒寬
（4）計算齒寬與齒高之比b/h
模數(shù)
齒高
(5)計算載荷系數(shù)
根據(jù)v=0.05m/s，7級精度，由圖可查得動載荷系數(shù)Kv=1.002
直齒輪，KHα=KFσ=1
由表查得使用系數(shù)KA=1.25
由表查得7級精度，齒輪懸臂布置時，KHβ=1.189
(6) 按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由公式的：
(7) 計算模數(shù)
3.按齒根彎曲強度計算
a確定公式內(nèi)各參數(shù)的值
(1)查得齒輪的彎曲疲勞強度極限σFE1=0.83MPa；齒條的彎曲疲勞強度極限σFE2=0.88MPa;
(2)查得齒輪的彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.83；齒條的彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN2=0.88;
(3)計算彎曲疲勞許用應力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由公式得：
齒輪的許用應力
齒條的許用應力
(4)計算載荷系數(shù)K
(5)查得齒形系數(shù)
查得齒輪的齒形系數(shù)YFa=2.80
(6)查取應力校正系數(shù)
查得YSa=1.55
(7)計算
b.設計計算
對于計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒根模數(shù)的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關，可取由彎曲強度算得的模數(shù)1.51并就近圓整為標準值m=2mm，按接觸強度算得的分度圓直徑d=39.222mm,算出齒輪齒數(shù)
這樣設計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結(jié)構緊湊，避免浪費。
4.幾何尺寸的計算
a.計算分度圓直徑
b.計算齒輪齒條寬度
取齒輪寬度B =17mm,齒條寬度為B=16mm.
a. 計算齒頂圓直徑
b. 計算齒根圓直徑
c. 計算齒輪齒條的節(jié)距
d. 計算齒頂高
e. 計算齒根高
齒條齒部彎曲強度的計算
齒條牙齒的單吃彎曲應力：
式中：Fxt—齒條齒面切向力
b—危險截面處齒長方向齒寬
h1—齒條計算齒高
S—危險截面齒厚
從上面條件計算出齒條牙齒彎曲應力：
上式計算中只按嚙合的情況計算的，即所有外力都作用在一個齒上了，實際上齒輪齒條的總重系數(shù)是2.63（理論計算值）,在嚙合 過程中至少有2個齒同時參加嚙合，因此每個齒的彎曲應力應分別降低一倍。
齒條的材料我選擇是45鋼制造，因此：抗拉強度σb=690N/mm2(沒有考慮熱處理對強度的影響)。
齒部彎曲安全系數(shù)
因此，齒條設計滿足彎曲疲勞強度設計要求。又滿足了齒面接觸強度，符合本次設計的具體要求。
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第三章 重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)的主體部分結(jié)構設計
第三章重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)的主體部分結(jié)構設計
3.1 夾手部分基座的結(jié)構設計結(jié)構
3.1.1 概述
做零件時, 機器人的手部是最重要的部件。從其功能和形態(tài)上看，分為工業(yè)機器人的手部和類人機器人的手部。目前前者應用較多，比較成熟，后者正在發(fā)展中。
工業(yè)機器人的手部夾持器（亦稱抓取機構）是用來握持工作或工具的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸、重量、材料及表面狀態(tài)的不同，其手部結(jié)構也是多種多樣的，大部分的手部結(jié)構都是根據(jù)特定的工件要求而專門設計的，按其握持原理的不同，常用的手部夾持器分為如下兩類：
1. 夾持式，包括內(nèi)撐式和外夾式，常用的還有勾拖式和彈簧式等。
2. 吸附式，包括氣吸式和磁吸式等。
3.1.2 手部的結(jié)構和手指形狀的確定
在本系統(tǒng)中，抓重為重型的，我們決定選擇滑槽杠桿支點回轉(zhuǎn)手部。這種結(jié)構可通過各桿之間的角度或桿長，該變握力的大小及指間的開閉角。其優(yōu)點是結(jié)構簡單，動作靈活，夾持范圍廣，這種手部的結(jié)構比較簡單，工作原理清晰易懂，也是機器人較常用的結(jié)構，這些都合乎教學演示的要求，缺點是工件直徑誤差會引起夾持后工件的中心發(fā)生移動。指端采用V塊型式，也是機器人手指形狀較常用的形式，爭取到手部能從腕部方便的裝拆，以提高通用性。
3.2 重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)的走線系統(tǒng)結(jié)構設計
3.2.1 拖鏈選擇的技術條件
拖鏈是桁架機器人運動時各個運動軸上通信電纜、氣管、油管、信號線的固定、連結(jié)和支承的載體，它具有方便、美觀、牢靠、耐磨、低噪音的特點，在桁架機器人行業(yè)中已廣泛使用。
拖鏈的結(jié)構分型及內(nèi)部布線的規(guī)則,工程拖鏈按材質(zhì)分為塑料工程拖鏈和鋼制工程拖鏈。按結(jié)構分為橋式工程拖鏈和全封閉式工程拖鏈。
工程塑料拖鏈（塑料工程拖鏈）內(nèi)部高度從10-80(mm)不等，寬度從10-350(mm)不等，根據(jù)您想要保護的線纜的尺寸和線纜的數(shù)量來確定。拖鏈的使用強度主要和原料中所含的尼龍含量有關系。所以工程塑料拖鏈又分為普通型工程塑料拖鏈和增強型工程塑料拖鏈。
鋼制工程拖鏈更多地應用在海上石油平臺，鋼鐵廠等一些大型重載機械上面，材質(zhì)有Q235，430，304等材質(zhì)。鋼制拖鏈型號有TL65,TL95,TL125,TL225,TL250,TLG75,TLG100,TLG125,TLG180,TLG225,TLG250
當使用環(huán)境比較惡劣時一般選用全封閉式工程拖鏈。
工程拖鏈 拖鏈：外形美觀，重量輕，長度可任意自行調(diào)整。 拖鏈的用途和特點：
適合于使用在往復運動的場合，能夠?qū)?nèi)置的電纜、油管、氣管、水管等起到牽引和保護作用。
拖鏈每節(jié)都能打開，便于安裝和維修。運動時噪音低、耐磨、可高速運動。
拖鏈已被廣泛應用于數(shù)控機床、電子設備、石材機械、玻璃機械、門窗機械、注塑機、機械手、起重運輸設備、自動化倉庫等。
1、塑料拖鏈需要高速或高頻率運行時要盡量使導線在水平方向上相互分開，拒絕相互疊置，電線、電纜、油管、防爆軟管等較多的時候建議使用隔離片分開放置。
2、直徑差距較大的導線應該分開鋪設，重量分布平均，必要時可用隔離條將其分隔。
3、塑料拖鏈能夠使在石油平臺或鋼廠中的極端應用變得非常安全，在這些工況中我們?nèi)匀豢梢越?jīng)常發(fā)現(xiàn)電纜在沒有任何導向或保護的情況下，松散地懸掛著。特殊的外部和內(nèi)部鏈節(jié)確保塑料拖鏈運行筆直，以及快速地裝配，尤其是同鋼質(zhì)拖鏈相比，這個特點就更為明顯。其次，我們企業(yè)生產(chǎn)的免潤滑的工程塑料拖鏈無需任何維護。最后這款拖鏈還能減輕機械的重量。我們的塑料拖鏈一般應用在機床機械等的電纜,油管,氣管,水管,風管上,起牽引和保護作用，
4、正確使用方法能延長拖鏈的使用壽命，減少使用成本，更能避免機床出現(xiàn)故障，機床拖鏈是機械和電纜的保護神。
3.2.2 根據(jù)拖鏈選擇設計拖鏈槽結(jié)構
拖鏈導向槽是比拖鏈支架更好的一個支撐裝置，是解決超長使用狀態(tài)下一個很好的選擇，由于其使用安裝方便在目前越來越受到企業(yè)的青睞，在超長使用的工程塑料拖鏈或者鋼鋁拖鏈都逐漸改變原來對于支架的的選擇而傾向使用導向槽， 第一：導向槽的組成部分 導向槽由五部分組成：標準長度的側(cè)導向墻、導向槽連接角鋼、安裝螺絲、底槽、滑行裝置。其中滑行裝置又分為幾種：尼龍輪，鋼滑行板，塑料滑行板。 第二：導向槽的詳細分類 a、帶尼龍輪的導向槽b、帶鋼滑行板的導向槽c、帶塑料滑行板的導向槽 第三：導向槽的主要優(yōu)點 a、建構更加的合理，所以在穩(wěn)定性方面更好，使得使用的壽命超長； b、拆卸方便，可以很據(jù)使用的情況自由裝配，并可以反復的使用，節(jié)約了時間和成本； c、減少了對拖鏈本身之間的摩擦，從而最大程度上保護了拖鏈，延長了拖鏈的使用壽命； d、外殼耐腐蝕，對電纜加上拖鏈起到雙層的保護，
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第四章 基于solidworks軟件進行重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)的建模
第四章基于solidworks軟件進行重型軸類形狀零件雙Z軸桁架系統(tǒng)的建模及裝配
4.1 solidworks軟件建模與裝配概述
SolidWorks是法國Dassault Systemes旗下美國SolidWorks公司產(chǎn)品。宗旨是使每位設計工程師都能在自己的微機上使用功能強大的世界最新CAD/CAE/CAM/PDM系統(tǒng)。
SolidWorks提供了基于特征的、參數(shù)化的實體建模功能，可以通過特征工具行拉伸、旋轉(zhuǎn)、抽殼、陣列、拉伸切除、掃描、掃描切除、放樣等操作完成零件的建模。建模后的零件，可以生成零件的工程圖，還可以插入裝配體中形成裝配關系，并且生成數(shù)控代碼，直接進行零件加工。
裝配是根據(jù)技術要求將若干零件接合成部件或?qū)⑷舾蓚€零件和部件接合成產(chǎn)品的勞動過程。裝配是整個產(chǎn)品制造過程中的后期工作，各部件需正確地裝配，才能形成最終產(chǎn)品。如何使零部件裝配成產(chǎn)品并達到設計所需要的裝配精度，這是裝配工藝要解決的問題。
4.2 運用SolidWorks軟件進行零件設計
以拖鏈為例，進行零件三維圖繪制，首先選取一個草圖繪制平面，然后畫出引導線，繪制一個矩形，使矩形沿著引導線掃描見圖4.2
圖4.2 拖鏈
再繪制一個小矩形，沿著引導線掃描，并與前一個相切見圖4.3
圖4.3 小矩形
選取拖鏈側(cè)面為草圖平面在兩端繪制兩個三角形，拉伸與實體相減見4.4
圖4.4 拖鏈側(cè)面
選取上邊和下邊，分別繪制小矩形，拉伸減去材料，做出裝飾空見圖4.5最后完成設計
圖4.5 鏈條
4.3 運用SolidWorks軟件進行零件裝配
利用軟件進行各個零部件的裝配，見圖4.6最終形成桁架的設計
圖4.6 桁架的設計
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第五章 CAD繪圖簡單說明
第五章CAD繪圖簡單說明
本次畢業(yè)設計規(guī)范,除了工程制圖的任務外,還安排了CAD繪圖任務。要求學生零件圖和一套裝配圖繪制CAD繪圖方式,打印和規(guī)范。
根據(jù)CAD的做法圖CAD。首先,選擇紙張,然后畫邊框線,繪圖操作的邊框線。在繪畫的過程中,使用不同的線性和顏色,和操作在不同的層,使用大部分的訂單。因為它的繪畫過程軟件不再詳細的描述，請參閱CAD圖紙。在這個過程中教師和學生的繪圖和計算機房老師的大力幫助。為此,表示由衷的謝意。
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 結(jié)論
結(jié)論
畢業(yè)設計是大學生學習是一個重要環(huán)節(jié),最后它既是一種知識的綜合考試,同時為我們提供模擬真實環(huán)境的設計過程,為將來上班奠定了一定的基礎。
此設計為重型軸類形狀零件雙Z軸桁架自動化系統(tǒng)設計，詳細設計了移動桁架的各個結(jié)構部分，在全面分析各個系統(tǒng)的基礎上，對系統(tǒng)研究過程中所遇到的各種問題也進行了進一步研究。
重型軸類形狀零件雙Z軸桁架自動化系統(tǒng)具有很大的研究價值和應用前景的機器人，在很多重要地方都扮演了很重要的角色，本次設計對機器人進行了包括機身、夾手、拖鏈、零件、裝配等方面設計，主要工作如下：
●通過對功能和任務書的分析，首先大體確定了總體設計方案。
●接著進行了機身的結(jié)構設計
●重要部件的受力和校核。
●電機的選擇與計算。
●機械手的結(jié)構設計。
●主要零件的三維設計和裝配。
●主要零件的工程圖繪制。
通過本次設計，把大學期間所學的知識進行了綜合的利用起來，對所學的知識加深了印象，同時也提高了對知識的利用能力，但是，本次設計也有很多的不足之處，希望老師給予批評和指正。
本文雖然完成了大部分目標，達到了預期結(jié)果，但還有很多的地方需要進一步研究，在結(jié)構、反饋等很多地方加以改進，以滿足不同情況需求。
在設計過程中，查閱了很多的資料，在老師和同學的幫助下，學到了不少知識，付出了不少艱辛，但同時收獲巨大。通過本次設計，培養(yǎng)了我獨立工作的能力，樹立了對自己能力的自信，我相信這對以后的工作和學習都會有很多的幫助，在設計中探索知識的快樂，遇到問題冷靜思考的專注，雖有不完善的地方，但這次設計對我收獲很大，受益匪淺。
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 參考文獻
參考文獻
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沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 致謝
致謝
本畢設是在導師的悉心指導下完成的，在這次設計中，老師給學到了了我很大的幫助，不僅讓我在規(guī)定時間完成了畢業(yè)設計，還使我學到了很多的經(jīng)驗，在這里衷心的感謝老師，同時我還要感謝這四年教授過和幫助過我的老師們，還有曾經(jīng)幫助過我的同學們。
經(jīng)過這幾個月的努力，畢業(yè)設計快到了尾聲，由于實踐與一些知識的匱乏，如果沒有老師的悉心指導及同學的支持，恐怕不會這么順利完成，自開題以來，老師對于每個環(huán)節(jié)都進行了認真指導，從資料查閱到具體方案的修改，老師都提出了寶貴的方案