PAGE13PAGE28圖書館輔助機器人設(shè)計摘要圖書館輔助機器人是一種新型裝置,它是獨自能夠完成抓取和移動工件。這次所設(shè)計的圖書館輔助機器人，可以在一定的空間內(nèi)完成工件的抓放，它的動作十分的靈活并且多種多樣，他可以根據(jù)工件的形狀、大小及對工件抓放的方式，來改變它的相關(guān)參數(shù),以便提高操作的準(zhǔn)確性。這次所設(shè)計的圖書館輔助機器人，最主要的工作就是完成圖書館內(nèi)書籍的上架工作。所以這就需要機器人要有夾持器、機械手臂、電機和良好的驅(qū)動系統(tǒng)，利用夾持器來夾取書籍；利用機械手臂來完成動作；利用電機和驅(qū)動系統(tǒng)來輸送動力。并且該機器人的特點應(yīng)該具有非常好的靈活性和非常好的安全性等。本次課題的設(shè)計內(nèi)容包括整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計和傳動系統(tǒng)的設(shè)計。目錄摘要 II目錄 IV第1章緒論 11.1課題背景及目的 11.2本課題研究的目的和意義 21.3工業(yè)機器人概念 21.4國內(nèi)機器人的研究 2第2章圖書館輔助機器人的設(shè)計要求與方案 42.1圖書館輔助機器人的設(shè)計要求 42.2基本設(shè)計思路 42.2.1系統(tǒng)分析 42.2.2總體設(shè)計框圖 42.2.3電動機器人的基本參數(shù) 52.3電動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 52.4機器人材料的選擇 52.5機械臂的運動方式 62.6電動機器人驅(qū)動方式的選擇 62.7動作要求分析 72.8電動機器人結(jié)構(gòu)及驅(qū)動系統(tǒng)選型 7第3章圖書館輔助機器人機械部分的設(shè)計計算 93.1手爪夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核 93.1.1手爪夾持器種類 93.1.2夾持器設(shè)計計算 103.2升降方向的電動缸設(shè)計 113.2.1滾珠絲杠的精度 113.2.2滾珠絲杠參數(shù)的計算 113.3伺服電機的選擇 153.3.1最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算 153.3.2負(fù)載慣量的計算 163.3.3空載加速轉(zhuǎn)矩計算 173.4水平方向電動缸的設(shè)計 183.4.1導(dǎo)程確定 183.4.2確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 183.4.3確定絲桿的等效負(fù)載 183.4.4確定絲桿所受的最大動載荷 193.4.5精度的選擇 203.4.6選擇滾珠絲桿型號 203.5校核 213.5.1臨界壓縮負(fù)荷驗證 213.5.2臨界轉(zhuǎn)速驗證 223.5.3絲桿拉壓振動與扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率 223.6電機的選擇 233.6.1電機軸的轉(zhuǎn)動慣量 233.6.2電機扭矩計算 24第4章豎直方向電動缸 274.1滾珠絲杠計算、選擇 274.2步進電機慣性負(fù)載的計算 304.3底座回轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計計算 324.4機身結(jié)構(gòu)的設(shè)計校核 324.4.1選擇伺服電機的具體型號和參數(shù) 324.4.2標(biāo)準(zhǔn)斜齒圓柱齒輪傳動的強度計算 344.4.3本機構(gòu)中齒輪傳動設(shè)計與校核 344.5軸的設(shè)計計算 394.5.1軸的設(shè)計概述 394.5.2軸的強度校核 42總結(jié) 46參考文獻 47緒論1.1課題背景及目的隨著社會的發(fā)展，人們對知識的需求越來越大，在一些大型的圖書館內(nèi)取放書籍很是繁瑣，很是浪費時間和人力。而機器人的發(fā)展，對節(jié)省時間和人力資源具有非常重要的作用，解決取放書籍的方式必定會促進社會的發(fā)展。本課題設(shè)計的最關(guān)鍵的內(nèi)容就是對于圖書館上架這一領(lǐng)域的疑問進行設(shè)計，設(shè)計一個能夠?qū)τ趫D書館起到輔助作用的機器人，其主要的作用是用在書籍的取放，取代人工操作，從而有效提高工作效率，減少人工成本，提高圖書管理的自動化水平。1.2本課題研究的意義本課題設(shè)計的最關(guān)鍵的內(nèi)容就是對于圖書館上架這一領(lǐng)域的疑問進行設(shè)計，設(shè)計一個能夠?qū)τ趫D書館起到輔助作用的機器人，其主要的作用是用在書籍的取放。該機器人具有靈活、安全性好等特點，在人力方面，將解放人力資源，降低人員受傷的概率；在時間方面，更是能夠大大的節(jié)省時間成本。同時，通過對圖書館輔助機器人的設(shè)計，可使我將大學(xué)四年所學(xué)的理論知識和專業(yè)技能得到一次綜合的運用，提高自身理論與實踐相結(jié)合的能力，從而為今后的發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。1.3機器人定義截止到現(xiàn)在，國際上對于機器人的定義都是不一樣的，它的類別也是不一樣的，因為在國際上始終沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。在美國的定義是：機器人是通過編程來操作的，機器人主要用于搬各種各樣的材料，并且它的活動方式是多種多樣的。在國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的定義是：機器人通過編程和控制對機器人發(fā)出指令。在中國的定義：機器人是通過獨立自主完成工作的機器，并且有著類似于人的自動化機器。1.4國內(nèi)外機器人的現(xiàn)狀1.4.1國內(nèi)機器人的現(xiàn)狀在2020年，我國對于機器人的研發(fā)在各個方面都給予大力支持，各個大學(xué)也都響應(yīng)國家的號召，有的大學(xué)開設(shè)有關(guān)機器人協(xié)會；有的大學(xué)組建有關(guān)機器人研發(fā)的團隊；“在哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄧宗全研制出一款三輪腿式管道機器人，管道機器人利用滾珠絲杠改變輪腿與機器人主架之間的角度，實現(xiàn)在管道內(nèi)移動過程中適應(yīng)不同管徑的目的。”[16]雖然我國在極大的促進機器人的發(fā)展，但是所要面對困難也是巨大的，在一些電機的核心技術(shù)上還是有著很大的不足，還是在很大的程度上依靠著進口資源。還有另一方面，國際上的一些知名品牌在我國市場上，還是占有很大的份額，這就讓我國一些剛剛新起的企業(yè)很是難生存。1.4.2國外機器人的現(xiàn)狀在美國有一家公司，他叫公司，他是一家專門生產(chǎn)用于無人排爆的機器人，這家公司自己獨自開發(fā)了系列無人排爆機器人，該系列機器人可以獨自完成很多種排爆任務(wù)，并且能夠在極其復(fù)雜的道路行走，該機器人的動作多種多樣，他有三節(jié)的機械手臂，并且可以多方位的自由旋轉(zhuǎn)。國外的機器人行業(yè)發(fā)展十分迅速，對于它的利用也都用到了各個行業(yè)。但是相比于國內(nèi)，我國的機器人行業(yè)并不落后于國外，特別是在服務(wù)行業(yè)，已經(jīng)可以看到，大家對于機器人的利用很是認(rèn)可。圖書館輔助機器人的設(shè)計要求與方案2.1圖書館輔助機器人的設(shè)計要求伴隨現(xiàn)在社會的快速推進的趨勢，對于圖書館在整個城市內(nèi)占有比在逐步的增高，圖書館也在一點點的變大，這時圖書館在圖書管理上是一項麻煩的工作。所以這次設(shè)計的圖書館輔助機器人，應(yīng)該具有良好的移動性能，并且對于圖書的擺放與抓取十分的精準(zhǔn)，同時也要有非常好的安全性能。2.2電動機器人的基本參數(shù)1.所抓取的重量20kg；2.對于豎直方向電動缸的滾珠絲杠選取的是5級精度，公稱直徑是，導(dǎo)程；3.對于大齒輪齒數(shù)的選擇是，對于小齒輪齒數(shù)的選擇是；其次，開始選擇的螺旋角為；再次是使用的斜齒圓齒輪運輸?shù)木鹊燃墳?級；4.圖書館輔助機器人最主要的參數(shù)其中之一那就是精度，所以對于物料電動機器人整體的定位精度設(shè)置為。2.3基本設(shè)計思路2.3.1系統(tǒng)分析機器人的系統(tǒng)應(yīng)該有控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、感知系統(tǒng)等，各個系統(tǒng)應(yīng)該相互配合，才能完成一系列的動作。所以這就需要對各個系統(tǒng)的精度要求十分的精準(zhǔn)。首先需要對各個系統(tǒng)進行分析，分析結(jié)果如下：1.控制系統(tǒng)：主要是對各個系統(tǒng)起到發(fā)出命令，各個系統(tǒng)根據(jù)接受的命令，完成一系列指定的動作；2.驅(qū)動系統(tǒng)：主要是對各個系統(tǒng)輸送動力；3.機械系統(tǒng)：主要是根據(jù)需要完成一系列的動作，包括機械運動、機器人的結(jié)構(gòu)、動力的傳遞等；4.感知系統(tǒng)：是根據(jù)感應(yīng)做出的反饋信息。2.3.2總體設(shè)計框圖2.3圖書館輔助機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計所包含的內(nèi)容有：機械手臂的擺動與轉(zhuǎn)動、夾持器的結(jié)構(gòu)等。綜上所述，通過坐標(biāo)來進行選取更能夠達到本次機器人設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)。2.4圖書館機器人材料的選擇機器人在材料的選擇上，應(yīng)該滿足機器人的設(shè)計要求，因為機器人需要完成各種各樣的動作，所以從材料的選擇上，應(yīng)該根據(jù)所工作的環(huán)境，運動的形式，選擇更加輕一點的材料。但是在機械臂振動的過程中，減少了運動精度，所以也要考慮材料的強度問題。機器人的材料與一般的材料不同，它是一種伺服機構(gòu)，對于機器人必須有控制性。所以在材料的選擇上，更應(yīng)該綜合的去考慮。2.5機械臂的運動方式機械臂是由大臂和小臂組成的，它的運動方式類似于人的運動方式，是由大臂帶動小臂來完成動作，大臂與控制系統(tǒng)相連接。由于在機器人運動方式上的不同，機器人的種類也是不同的。在日常生活中有幾種經(jīng)?？吹降倪\動形式，其中就有：在一些比較先進的機械工廠內(nèi)有極坐標(biāo)機器人與圓柱坐標(biāo)機器人；還有一種就是類似于的機器人的是聯(lián)合型機器人。由于當(dāng)今社會的飛速發(fā)展，一種的運動形式已經(jīng)滿足不了當(dāng)今社會的發(fā)展需求，所以在結(jié)構(gòu)的選擇上，應(yīng)該選擇相對而言更加適合的結(jié)構(gòu)。但是一定要依照操作要求。下列的這三種機器人有著類似于人手臂的結(jié)構(gòu)，有兩個肩關(guān)節(jié)和一個肘關(guān)節(jié)，還有一個手腕方向。他們主要是與肩垂直，圍繞著肩開始旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)過程中，其中的一個肩要有斜度。兩個肩關(guān)節(jié)要有正交軸，并且要與第二軸的肩關(guān)節(jié)相平行。由于本次課題所設(shè)計的是圖書館輔助機器人，在圖書館內(nèi)所使用的空間畢竟有限，所以該機器人不可以占用空間過大；機械臂的擺動要足夠的靈活；形狀也不易過大。綜上所述關(guān)節(jié)式機械臂更加適合此次設(shè)計的機器人。直接驅(qū)動式（b）平行連桿式（c）關(guān)節(jié)偏置式圖三常見的運動方式2.7動作要求分析第一，對于手部的要求，這一部分能夠跟書籍直接的進行觸碰，因此它需要擁有著將圖書成功的送出的要求；第二，它需要在送書的過程進行之前就進行提前夾緊，夾持器在夾取書籍的過程中，在不損害書籍的情況下，確定好合適的夾緊力，可以在夾取的過程種更加穩(wěn)定一些，形變量小。對于易損的書籍，設(shè)計的整個過程中需要能夠?qū)A緊力的大小隨時進行調(diào)整，像那些厚重的書籍需要思考的是對于夾持書籍的整個過程中的安全問題，所以可以對其使用自鎖裝置；第三，臂部，最關(guān)鍵的維持構(gòu)件就是手臂的構(gòu)件，它起到的效果就是將手部還有臂部加以支持，同時將它們帶動起來做空間運動。臂部運動的目標(biāo)是將手部傳遞到空間運動領(lǐng)域內(nèi)隨意的一點當(dāng)中，假如手部的方位被轉(zhuǎn)換，那么如果想達到目標(biāo)，就得使用腕的靈活度。所以正常情況下臂部擁有三個靈活度才能夠?qū)⑵錁?biāo)準(zhǔn)達到，也就是左右旋轉(zhuǎn)，手臂的舒展情況還有上下運動。手臂在諸多運動當(dāng)中一般都是將驅(qū)動架構(gòu)作為首選，通過其他的運輸構(gòu)架來達成，所以在送書的整個過程中它的手臂能夠進行旋轉(zhuǎn)以及上升；第四，在送書的整個過程中它的小臂能夠進行伸長；第五，對于腕部，這一部分是手臂相連的構(gòu)件，它可以將書籍被抓之后的方向進行調(diào)整，進而對其能夠動作的領(lǐng)域進行提高，而且能夠使得機械手變得隨機應(yīng)變。手腕擁有著自己單一的自由度。它還能夠在各種方位上進行擺動，正常情況下手腕都有著回轉(zhuǎn)運動，那么要是希望其達到工作的標(biāo)準(zhǔn)，只要隨后添加上下方位的擺動即可，很多機器人操作起來比較容易，為了能夠?qū)⑵浼軜?gòu)進行整體的改變，可以先不設(shè)置腕部，先是通過手臂運動將手部的運動零件全部驅(qū)動開來，因此并且擁有著靈活性，在送書的整個過程中需要它的手腕能夠進行旋轉(zhuǎn)。預(yù)夾緊手臂上升手臂旋轉(zhuǎn)手臂伸長手臂轉(zhuǎn)回手腕旋轉(zhuǎn)圖2.2電動機器人動作簡易圖2.8圖書館輔助機器人結(jié)構(gòu)及驅(qū)動系統(tǒng)選型一般我們遇到的驅(qū)動方式大部分都是靠電驅(qū)動的，所選擇的結(jié)構(gòu)是圓柱坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)。由于驅(qū)動的方式是靠電，所以驅(qū)動系統(tǒng)所運用的是伺服電機。由伺服電機來驅(qū)動，主要是向機械臂和機器人本身輸送動力，用于機械臂的活動、機器人的移動、夾持器的抓取。PAGE27圖書館輔助機器人機械部分的設(shè)計計算3.1手爪夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核3.1.1手爪夾持器的設(shè)計對于手爪夾持器的設(shè)計，應(yīng)該根據(jù)所夾書籍的狀況，所使用的手爪形式是連桿杠桿式。并且它能夠經(jīng)整個活塞進行反復(fù)的運行，而且經(jīng)過活塞的中間，扇形，以及桿端齒條能夠?qū)⒄麄€手指進行打開以及關(guān)閉。因此需要擁有以下幾個特點：1．有適當(dāng)?shù)膴A緊力夾持器在夾取書籍的過程中，在不損害書籍的情況下，確定好合適的夾緊力，可以在夾取的過程種更加穩(wěn)定一些，形變量小。對于易損的書籍，設(shè)計的整個過程中需要能夠?qū)A緊力的大小隨時進行調(diào)整，像那些厚重的書籍需要思考的是對于夾持書籍的整個過程中的安全問題，所以可以對其使用自鎖裝置；2．有足夠的開閉范圍其次是對于整個的打開以及最終關(guān)閉的范圍應(yīng)該設(shè)計完善，在整個夾持的過程當(dāng)中會有一個手指張開以及進行關(guān)閉，其它們張閉能夠最大承受的變化就叫做開閉范圍，正常情況的前端都會存在開閉裝置，可以用夾持器張開與閉合的角和夾指的距離來對其說明。一般使用的都是夾持式手臂，相對來說多見的是兩指的情況偏多，也有少部分是多指的情況?；剞D(zhuǎn)型的手指有著不大的開閉角，并且有著簡易的制作流程，沒那么繁瑣的架構(gòu)，并且能夠廣泛的使用在諸多場合當(dāng)中。移動型的手指相對來說，有著很繁瑣的架構(gòu)，在移動手指夾持那些能夠改變的直徑的過程中，軸心的位置沒有受到影響，進而不一樣直徑的構(gòu)件它都能夠進行夾持，因此要將整體的范圍進行完善的設(shè)計。3．力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小夾持器在工作時的運動狀態(tài)經(jīng)常變化，它的運動狀態(tài)直接影響整個機械手抓取的重量、定位的精度、運動的速度等。所以在設(shè)計夾持器前端的位置時，它的結(jié)構(gòu)應(yīng)該簡單一些，重量輕一些。4．強度和剛度最后是對于強度和剛度的要去，在夾取的時候，夾取的強度要確保合適，并且剛度的相對標(biāo)準(zhǔn)需要高一些，因此使用的是兩指鉗抓，并且是外卡式的。3.1.2夾持器設(shè)計計算當(dāng)機器人工作時，夾持器應(yīng)該滿足[3]： （3-1）公式中：夾緊力；：安全系數(shù)；：動載系數(shù)，可按算，a為加速度，為重力加速度；：方位系數(shù)，查表選?。唬杭僭O(shè)被抓持重量；將這些數(shù)字帶入可以得出：；理論驅(qū)動力的計算可得[3]： （3-2）公式中：驅(qū)動力；：回轉(zhuǎn)支點垂直距離；：分度圓半徑；：傳動效率；：分度圓直徑；將其代入以后就能夠運算出：3.2升降方向的電動缸設(shè)計3.2.1滾珠絲杠的精度最終選定它的材料應(yīng)該選取的等級為級，所以開始設(shè)絲杠在能夠運行的路程為500mm時，它的行程偏差準(zhǔn)許達到30um。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能夠承受的極限荷載力表示的是在整個運行的過程中能夠擁有的極限摩擦力以及進給力，設(shè)該向能夠承受的極限進給力=5000N，并且整個移動構(gòu)件的質(zhì)量大概設(shè)為，摩擦系數(shù)為，所以能夠?qū)⒆钚〉妮d荷[3]： （3-3）最大載荷是： （3-4）平均載荷是： （3-5）（2）當(dāng)量動載荷的計算根據(jù)動荷載還有整個導(dǎo)向的路程，選取的滾珠絲杠副的類型，應(yīng)該選擇的原則是：公式中Coa：靜載荷：額定靜載荷Ca≤Cam公式中Ca：動載荷Cam：額定動載荷當(dāng)絲杠達到極限的轉(zhuǎn)速是2000rmin，它輸送最低的力可以達到的速度是0.5mmin,當(dāng)它用最小的旋轉(zhuǎn)速度運轉(zhuǎn)時，可以忽略不計，因此均勻旋轉(zhuǎn)的速度是n=1000r （3-6）==900（h）當(dāng)量動載荷值[3]：(3.7)公式中：：載荷性質(zhì)系數(shù)；：精度影響系數(shù)，對4、5級精度的絲杠取。代入數(shù)據(jù)得：通過將獲取的動載荷還有開始選取的絲杠導(dǎo)程，經(jīng)過整個滾珠絲杠試驗品的調(diào)查以后，選取FF6310-5型滾珠絲杠副，它的公稱直徑是，導(dǎo)程為，Cam=56600N>Ca=50582N,因此可以滿足標(biāo)準(zhǔn)

表3.1滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)名稱符號計算公式結(jié)果公稱直徑（mm）63導(dǎo)程(mm)P10接觸角鋼球直徑(mm)螺紋滾道曲率半徑(mm)螺紋升角(mm)偏心距(mm)絲杠大徑(mm)絲杠小徑(mm)螺桿接觸點直徑(mm)螺母螺紋大徑(mm)螺母小徑(mm)（內(nèi)循環(huán)）（3）傳動效率的計算：公式中φ：摩擦角φ=將數(shù)據(jù)代入，得傳動效率。（4）剛度的驗算所以結(jié)構(gòu)是一頭固定另一頭是運動的的端向進行穩(wěn)固的方式。一般在穩(wěn)固端使用的是直接接觸軸承，并且另一端也能夠直接跟軸承進行接觸的絲杠。1.滾珠絲杠滾道間的接觸變通過，能夠?qū)稳L珠數(shù)求出，并且整個滾珠為的圈數(shù)×列數(shù)，然后代入到中，能夠得出滾珠的數(shù)目為。絲杠預(yù)緊的整個過程中，將預(yù)緊力表示為時。可得：（3.10）代入數(shù)據(jù)得：b、絲杠在整個運行過程中的載荷的抗壓變形與軸承的距離為，鋼的彈性模量，所以絲杠它的橫截面積[3]：()根據(jù)公式[3]：C、總的變形絲杠的有效行程為，絲杠對于在形程500—630mm內(nèi)，它能夠給予的誤差能夠到達30μm,，所以能夠達到剛度的標(biāo)準(zhǔn)。（5）穩(wěn)定性的驗算：(3.10)公式中fk：支撐系數(shù)I：截面慣性矩L:：螺母到軸向不變那一處的距離取極值L=1200mmK：壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)帶入數(shù)據(jù)得：則大于，因此不可能有不固定的現(xiàn)象，可以到達正常運作的準(zhǔn)則。（6）臨界轉(zhuǎn)速的驗算公式中：絲杠支承系數(shù)最后可以得到：n≈8140rmin,因為極限的的速度大于旋轉(zhuǎn)的速度，所以不可能顯現(xiàn)出共同振動的的景象。（7）滾珠絲杠的選擇與安裝尺寸的決定通過上述的計算來看絲杠型號能夠達到標(biāo)準(zhǔn)，所以使用的是該型號的安全尺寸。（8）絲杠支承的選擇本次設(shè)計絲杠能夠支撐的是一邊固定，絲杠的另一邊可以完成挪動的裝備。3.3計算伺服電機的參數(shù)3.3.1最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩的設(shè)計因為選取的電機額定轉(zhuǎn)矩需要比極限承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩要大。所以能夠承受的極限轉(zhuǎn)矩T能夠通過以下的公式進行運算：(3.12)絲杠導(dǎo)程，預(yù)緊力有上述計算（3.10）可知，可以經(jīng)過運算其機械效率為，并且摩擦力矩：(3.13)通過翻閱《機械設(shè)計》可以知道單獨一個的軸承摩擦力矩是，那么兩個軸承的摩擦力矩是。則最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩：伺服電機的額定轉(zhuǎn)需要比目前的值要大。3.3.2負(fù)載慣量的選擇負(fù)載慣量能夠經(jīng)過按壓來運算，并且其重量是，直到電動機軸的慣量能夠運算至電動機軸上的慣量。(3.14)公式中：為滾珠絲杠導(dǎo)程；：質(zhì)量。經(jīng)過公式將電動機軸的慣量加以運算的： (3.15)可表示聯(lián)軸器和鎖緊螺的慣量，通過查閱《機械設(shè)計》可知，即。負(fù)載總慣量運算的公式：轉(zhuǎn)子慣量需要達到的要求是能夠跟負(fù)載慣量進行完善的對應(yīng)。所以通過資料，能夠與之對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)公式為：(3.16)則所選應(yīng)在范疇以里。通過之前的設(shè)計可以選擇交流伺服電機，它的型號是a223000i型，該電機的額定轉(zhuǎn)矩是22N?m，極限轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)動慣量3.4水平方向電動缸的設(shè)計滾珠絲桿副的整體結(jié)構(gòu)包括滾動的圓珠、絲桿和螺母。當(dāng)中極其主要的的效果是將直線和旋轉(zhuǎn)這兩個領(lǐng)域的運動對其加以變換，并且螺母與絲桿內(nèi)部使用的是滾珠。X能夠承受的極限路程為，那么能夠承受的極限進給速率為18mmin,所以在設(shè)計時，它的質(zhì)量應(yīng)該是80kg，并且整體挪動的結(jié)構(gòu)質(zhì)量應(yīng)該是30kg，工作臺能夠承受的極限路程是。3.4.1導(dǎo)程確定電機的極限旋轉(zhuǎn)速度異極限轉(zhuǎn)矩，所以絲杠的導(dǎo)程是：因此取12mm3.4.2確定絲桿所受的最大動載荷公式中：負(fù)載性質(zhì)系數(shù)：溫度系數(shù)：硬度系數(shù)：精度系數(shù)：可靠性系數(shù)：等效負(fù)載：等效轉(zhuǎn)速代入數(shù)據(jù)可以算出3.4.3精度的選擇對于機器人最關(guān)鍵的參數(shù)還有定位的精度，如果定位的精度不足，就會出現(xiàn)不能夠達到想要的功能標(biāo)準(zhǔn)，如果準(zhǔn)確度過高，就會出現(xiàn)過高的成本。所以對于物料電動機器人整體的定位精度設(shè)置為，并且該機器人的所有構(gòu)件的基本參數(shù)都能夠通過以上了解的物料電動機器人的諸多零件的時間以及對應(yīng)的路程來進行決定，正常情況下對于剛開始的設(shè)計來說，設(shè)置的絲杠的全部路程變動量需要將給予的精度值比需要達到標(biāo)準(zhǔn)的精度值更小，大概在，并且最終的確認(rèn)方法是最終的精度檢驗當(dāng)中。3.4.4選擇滾珠絲桿型號計算得出則公稱直徑絲桿的型號為FFZD4010?3公稱直徑絲桿外徑鋼球直徑絲桿底徑圈數(shù)Z=3Coa剛度3.5校核干預(yù)滾珠絲桿副體系最關(guān)鍵的就是軸向拉壓以及定位精度當(dāng)中震動的穩(wěn)固頻率，并且它扭轉(zhuǎn)的剛度會將整個的穩(wěn)固評率干擾。能夠承擔(dān)軸向負(fù)荷的拉壓系統(tǒng)有其自身的拉壓剛度，并且絲桿副內(nèi)通道的觸碰剛度等諸多構(gòu)件都會經(jīng)過不同的支撐結(jié)合的形式來經(jīng)過運算以后來進行確定。3.5.1臨界壓縮負(fù)荷驗證臨界壓縮負(fù)荷的運算公式為：公式中：材料的彈性模量：最大受壓長度m：安全系數(shù)：極限軸向工作負(fù)荷N：絲桿支撐方式系數(shù)：當(dāng)絲桿螺紋不工作時的長度，應(yīng)該是它的整體長度。支撐距離應(yīng)該大于絲桿螺紋部分長度，選取將數(shù)據(jù)套入可以得到可以得到，因此最低的壓縮負(fù)荷可以達到標(biāo)準(zhǔn)。3.5.2臨界轉(zhuǎn)速驗證絲杠能夠承受的極限轉(zhuǎn)速為：式中：：絲桿最小截面：：臨界轉(zhuǎn)速計算長度，本設(shè)計中該值為：安全系數(shù)：絲杠支承系數(shù)fz經(jīng)過計算，得出，所以經(jīng)過以上運算之后能夠得出該轉(zhuǎn)速能夠達到預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)。3.5.3絲桿拉壓振動與扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率拉壓系統(tǒng)剛度的計算:公式中A：絲杠最小橫截面,；螺母座剛度。因為導(dǎo)軌移動兩端的時候，會存在剛度的極值，當(dāng)中L=750~100通過計算可以得出：式中：滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度；：絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度；：絲杠本身的拉壓剛度；：軸承的接觸剛度。通過以上的運算能夠得到絲杠的額定效率相比之大，因此可以完成最開始設(shè)想的標(biāo)準(zhǔn)。3.6電機的選擇步進電機能夠把一種類型的電信號轉(zhuǎn)化成其他運動形式信號的器件，是整個運動當(dāng)中的一種電磁實行器件，并且電機整體的回轉(zhuǎn)角能夠伴隨著輸入脈沖數(shù)的提高而隨之提高，依據(jù)輸送信號的周期與適合旋轉(zhuǎn)的速度相對應(yīng)，因此當(dāng)步進電機的慣量很小的時候，整個定位的準(zhǔn)確度大，不會出現(xiàn)過大的偏差以及整個操控相對容易等諸多優(yōu)勢，因此該產(chǎn)品能夠使用在所有機電產(chǎn)品內(nèi)。使用這種電機的過程中要先確保步進電機整個的輸出功率要比負(fù)載過程中要求的功率要大，并且還要將轉(zhuǎn)動的慣量以及運行的環(huán)境等諸多要求考慮在內(nèi)。3.6.1電機軸的轉(zhuǎn)動慣量1、回轉(zhuǎn)運動件的轉(zhuǎn)動慣量公式中d：絲桿外徑d=39.5mmL：長度L=1mρ：鋼的密度將上述數(shù)據(jù)帶入得2、當(dāng)運動件橫向運動時，對絲杠產(chǎn)生的慣量公式中M:質(zhì)量M=160kgp絲桿螺距p=0.001m通過推算可以得出：3、聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量查閱《機械設(shè)計》得所以3.6.2電機扭矩計算1、電機軸上的極限加速力矩公式中：：加速時間：系統(tǒng)增量,所以通過推算可以算出：2、電機軸上的摩擦力矩公式中：導(dǎo)軌摩擦力f:為摩擦系數(shù)—傳動效率，I:傳動比I=1通過推算可以得出3、絲桿預(yù)緊引起的附加摩擦力矩公式中P：滾珠絲桿預(yù)加載荷P≈1500N:未預(yù)緊時的傳動效率為經(jīng)通過推算得出空載扭矩從上面推算可以得出，取電機為SIEMENS的IFT5066，額定轉(zhuǎn)矩為6.7N?m。第4章豎直方向電動缸4.1滾珠絲杠的設(shè)計選擇絲杠的材料：CrWMn鋼，HRC58~60，導(dǎo)程：d0強度計算絲杠軸向力：公式中K=1.15，摩擦系數(shù)f=0.003~0.005；使用時間：，當(dāng)中絲杠旋轉(zhuǎn)的速度極限動載荷：公式中:載荷系數(shù)fw=(1.2~1.5):硬度系數(shù)fH=1.0將數(shù)據(jù)帶入計算得:最終選擇CM系列滾珠絲杠，型號是CM2005?5所以額定動載荷.運用的是外循環(huán)螺旋槽式,采用的是雙螺母螺紋預(yù)緊形式.傳動效率計算絲杠螺母副的傳動效率為：公式中φ：摩擦角。穩(wěn)定性計算因為在絲杠兩端所運用的為止推軸承，所以在運行時對穩(wěn)定性不做要求。剛度計算滾珠絲杠的變化量：因為豎直方向受牽引力比較大,所以豎直方向推算：扭矩受導(dǎo)程的影響很小，所以可以不記。導(dǎo)程變形總誤差?：E級精度4.2步進電機慣性負(fù)載的設(shè)計(１）電機所做的功與負(fù)載力所做的功有如下的關(guān)系：公式中T:等效負(fù)載力矩；P:負(fù)載力；Φ：電機轉(zhuǎn)角；S:工件的挪動位置；傳動效率。選擇，，。因此：公式中：：移動部件負(fù)載；：移動部件質(zhì)量；：移動部件上負(fù)載力；：導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；：電機的步距角；：電機軸負(fù)載力矩。取。因為需要顧慮到重力的因素，豎直方向的電機相對于大一些，所以G=1200N，因此存在：因為裝置在開啟的時候會受到的因素，所以啟動轉(zhuǎn)矩：所以：電機的運行方法是三相６拍：(２）電機可以接受最大的工作周期相對能夠承受的極限工作頻率大的同時也要保證電機展現(xiàn)空載的觸發(fā)頻率，并且能夠保證電機的極限靜轉(zhuǎn)矩完善，所以使用的是型的兩個三相反應(yīng)式步進電機電機。4.4機身結(jié)構(gòu)的設(shè)計校核臂部，最關(guān)鍵的維持構(gòu)件就是手臂的構(gòu)件，它起到的效果就是將手部還有臂部加以支持，同時將它們帶動起來做空間運動。臂部運動的目標(biāo)是將手部傳遞到空間運動領(lǐng)域內(nèi)隨意的一點當(dāng)中，假如手部的方位被轉(zhuǎn)換，那么如果想達到目標(biāo)，就得使用腕的靈活度。所以正常情況下臂部擁有三個靈活度才能夠?qū)⑵錁?biāo)準(zhǔn)達到，也就是左右旋轉(zhuǎn)，手臂的舒展情況還有上下運動。手臂在諸多運動當(dāng)中一般都是將驅(qū)動架構(gòu)作為首選，通過其他的運輸構(gòu)架來達成，所以在送書的整個過程中它的手臂能夠進行旋轉(zhuǎn)以及上升。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機芯的額定功率要大于等于在工作過程中的實際功率。但是額定功率所需求的要比運行的需要小，而且不可以確保整個機器能夠按照標(biāo)準(zhǔn)進行完善的運行，或者是由于馬達經(jīng)常過載運行導(dǎo)致的發(fā)熱量過多而提前磨損的現(xiàn)象，額定功率大就會造成馬達的成本過大，輸入的功率過大所需要的功率過小造成揮霍。實際功率：(3-1)公式中：T=5247N?m,電機工作效率，輸出功率：(3-2)公式中：是總效率。齒輪：軸承：蝸桿;。所以 (3-3)通常電機的額定功率 因為需要得到稍微大一點的預(yù)留量所以選擇的電機額定功率是：。2、轉(zhuǎn)矩通過后邊的齒輪所產(chǎn)生的的轉(zhuǎn)矩可以知道：3、電機轉(zhuǎn)速的確定齒輪傳動比：3?5蝸桿渦輪傳動比：20?100，所以整體的傳動限度是：電機轉(zhuǎn)速的范圍：通過綜合考慮，最終選擇SGMAH?44BA6型號電機，更加適合此次設(shè)計的需求。4.4.2標(biāo)準(zhǔn)斜齒圓柱齒輪傳動的強度計算(1)輪齒的受力分析齒輪在運轉(zhuǎn)時要利用一些潤滑，所以各個齒輪在配合的時候所產(chǎn)生摩擦力很是微小，而且整個運算輪齒在受力的整個過程中能夠不將其進行。由齒輪間相互配合的線施加在總齒面的法向載荷與齒輪的齒面互相垂直，為了能夠達到簡便的運算，把在節(jié)點當(dāng)中變?yōu)閮蓚€能夠互相垂直的力，也就是徑向力和圓周力，進而能夠經(jīng)過以下的公式運算：(4-6)(4-7)(4-8)式中：：小齒輪轉(zhuǎn)矩；：小齒輪分度圓直徑；α：配合角齒輪。之所以力的方向相對，是因為輪齒上兩個力相等。(2)齒根彎曲疲勞強度計算輪齒受到的彎矩最大的過程就是在受載的過程，所以齒根部分擁有著最低的疲勞強度，輪齒跟齒頂部進行嚙合的整個過程中，彎矩的力臂最大，不過并不是力也能夠達到極限，所以彎矩沒有過大，所以齒根彎曲強度需要經(jīng)過載荷作用在一對嚙合區(qū)的極限點來進行運算。由于該計算手段相對繁瑣，一般情況使用的都是高準(zhǔn)確度的齒輪進行傳輸。4.4.3本機構(gòu)中齒輪傳動設(shè)計與校核首先：對于大齒輪齒數(shù)的選擇是。對于小齒輪齒數(shù)的選擇是；其次，開始選擇的螺旋角為；再次是使用的斜齒圓齒輪運輸?shù)木鹊燃墳?級；最后是使用的小齒輪材料是45，硬度是的，大齒輪跟小齒輪的材料相同。經(jīng)過按接觸強度計算：(4-9)公式中K:選載荷系數(shù)φd:齒寬系數(shù)ZE:彈性影響系數(shù)(4-10)接觸疲勞強度極限:(4-11)應(yīng)力循環(huán)次數(shù):(4-12)(4-13)計算接觸疲勞許用應(yīng)力:(4-14)(4-15)公式中KHN1,KHN2:接觸疲勞壽命系數(shù)S:安全系數(shù)圓周速度：(4-17)齒寬：(4-18)模數(shù)：(4-19)齒高：(4-20)齒寬齒高比：(4-21)根據(jù)，7級精度，動載系數(shù)斜齒輪：所以載荷系數(shù)(4-24)6）校正之后分度圓直徑(4-25)計算模數(shù)m(4-26)3.按齒根彎曲強度設(shè)計：(4-28)公式中σFS:彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.2σFE:彎曲疲勞強度極限彎曲強度的計算：(4-27)公式中KFN:彎曲疲勞壽命系數(shù)εβ:重合度系數(shù),YF?:齒形系數(shù),YSa:應(yīng)力校正系數(shù),當(dāng)量齒數(shù)(4-30)(4-31)代入數(shù)據(jù)得：7）齒輪相對比(4-32)(4-33)相比之下小齒輪比較大一些。齒數(shù)：(4-35)公式中Z:齒數(shù)m:模數(shù)m=4mm所以則幾何尺寸計算計算中心距(4-36)計算齒輪寬度(4-37)按圓整后中心距修正螺旋角(4-38)計算大小齒輪分度圓直徑(4-39)(4-40)計算齒輪寬度選擇小齒輪齒寬為14mm，大齒輪齒寬為70mm.4.5軸的設(shè)計計算4.5.1軸的設(shè)計概述軸是重要零件之一，有兩個主要功能：一是支承做回轉(zhuǎn)運動的零件（如凸輪、齒輪、帶輪及聯(lián)軸器等），并保證其有確定的工作位置；二是傳遞運動和動力。[17]軸的設(shè)計原則：選取合適的材料和處理方法。結(jié)構(gòu)設(shè)計符合功能需要。軸各項指標(biāo)的計算要求選取準(zhǔn)確的公式計算，絕大多數(shù)軸都要對其進行疲勞強度的計算并進行驗算；為了排除共振的可能性以避免帶來危害，還要計算其是否足夠穩(wěn)定。軸的各部分功能不完全同，據(jù)此可以分成5部分：軸頭：能和傳動部分配合的一端軸頸：和軸承配合軸身：鏈接軸頭和軸頸軸環(huán)：半徑徑最長實現(xiàn)位置鎖定功能的部分軸肩：截面大小變化處的部分另外，還存在軸肩處應(yīng)有的過渡圓角，軸端處的倒角，鍵槽等結(jié)構(gòu)。軸不能有效工作的主要原因是在長期有變化的力（變應(yīng)力）作用下疲勞而損壞。軸的材料選擇必須符合相應(yīng)強度、韌性等，軸上有相對運動的部件還應(yīng)該選取抗磨損的材料。除此之外，還要注意應(yīng)力集中現(xiàn)象可能帶來的不不良結(jié)果。因為要保證軸上零件的穩(wěn)定性，所以軸肩處的圓角半徑R需一定要小于零件內(nèi)孔的圓角半徑R1或倒角C1；軸肩高度最高不超過0.1d最低不低于0.07d，軸環(huán)寬度b=1.4h，或者可以采取套筒定位。為了使周上零件不在軸上發(fā)生滑動，一定要進行雙端固定。其他常見的軸向固定方法可采用螺母、擋圈、壓板等配合軸肩和套筒實現(xiàn)軸上零件的軸向固定。當(dāng)轉(zhuǎn)矩很大時，可以考慮使用花鍵連接，或者兩種方式全都使用以達成固定的目的。當(dāng)轉(zhuǎn)矩較小時，可使用釘螺釘、銷釘?shù)确椒ā３叽缫?guī)范軸本身包括其零件，從設(shè)計、鑄造到加工，部件配合尺寸等等全部按照國標(biāo)為準(zhǔn)軸疲勞強度的提升。4.5.2軸的強度校核軸上的功率，轉(zhuǎn)速，和轉(zhuǎn)矩取軸承和齒輪的效率為0.98(4-44)(4-45)先將軸最小直徑確定。取材料45鋼時， d因為軸徑只能選擇整數(shù)，所以軸徑采用的是30mm，因此可以達到軸徑強度在選擇材料時，應(yīng)該選擇已經(jīng)加工過的材所以軸上的載荷：軸上所受力為轉(zhuǎn)速功率齒輪截面處的如下所示載荷水平面H垂直面V彎矩MH總彎矩M扭矩T(4-48)計算彎矩