某貨物搬運(yùn)平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)的計(jì)算設(shè)計(jì)案例1.1引言本文所設(shè)計(jì)的貨物搬運(yùn)平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括升降平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、伸縮叉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)輸機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。本文所設(shè)計(jì)的貨物搬運(yùn)平臺(tái)，整體采用合金材料，這種材料強(qiáng)度較高且不易變形。設(shè)計(jì)目標(biāo)如下表所示：1.1設(shè)計(jì)目標(biāo)項(xiàng)目技術(shù)參數(shù)行走方式沿軌道往復(fù)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力（kg）500伸縮叉伸縮速度（m/s）0.2-0.5升降速度（m/s）0.5-1.0水平移動(dòng)速度（m/s）0.5-1.01.2傳動(dòng)方案選擇為了保證貨物搬運(yùn)平臺(tái)能正常工作，傳動(dòng)方案的選擇可謂重中之重。常見的傳動(dòng)方式有機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)和氣壓傳動(dòng)。1.2.1機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)，是指不同機(jī)械間相互的能量傳遞優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)比較準(zhǔn)確，適用于定比傳動(dòng)；實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并能傳遞較大的扭矩；故障容易發(fā)現(xiàn)，便于維修。缺點(diǎn)：一般情況下不太穩(wěn)定；制造精度不高時(shí)，振動(dòng)和噪聲較大；實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。1.2.2電氣傳動(dòng)電氣傳動(dòng)，是指用電動(dòng)機(jī)把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，去帶動(dòng)各類的生產(chǎn)生活中需要運(yùn)動(dòng)的物品。優(yōu)點(diǎn)：伺服電機(jī)作為動(dòng)力源，精確度高，誤差??；降低了污染，減少了噪音；相比于液壓方式，降低了冷卻成本。1.2.3液壓傳動(dòng)液壓傳動(dòng)是應(yīng)用液體作為工作介質(zhì)來(lái)傳遞能量和進(jìn)行控制的傳動(dòng)方式。優(yōu)點(diǎn)：液壓傳動(dòng)裝置的體積小、重量輕、慣性小、結(jié)構(gòu)緊湊；操作控制簡(jiǎn)單方便；設(shè)備安全可靠性好。缺點(diǎn)：存在泄露現(xiàn)象；油液無(wú)法完全壓縮；傳動(dòng)效率較低，不適宜遠(yuǎn)距離傳動(dòng)；無(wú)法在高溫和低溫條件工作。1.2.4氣壓傳動(dòng)氣壓傳動(dòng)以壓縮氣體為工作介質(zhì)，靠氣體的壓力傳遞動(dòng)力或信息的傳動(dòng)方式。優(yōu)點(diǎn)：工作介質(zhì)獲得比較容易，用后的空氣排到大氣中，處理方便；傳動(dòng)動(dòng)作迅速、反應(yīng)快、維護(hù)簡(jiǎn)單、工作介質(zhì)清潔；工作環(huán)境適應(yīng)性好。缺點(diǎn)：工作速度穩(wěn)定性稍差；因工作壓力低，且結(jié)構(gòu)構(gòu)尺寸限制，導(dǎo)致輸出力無(wú)法過(guò)大；噪聲較大。1.2.5最終方案選擇結(jié)合實(shí)際的設(shè)計(jì)需求以及各傳動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇電氣傳動(dòng)中的絲桿傳動(dòng)。絲桿傳動(dòng)是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反復(fù)作用力的一種傳動(dòng)，其有著高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)且摩擦阻力較小，符合設(shè)計(jì)需求。設(shè)計(jì)中的運(yùn)輸平臺(tái)、伸縮叉和升降平臺(tái)均采用這種結(jié)構(gòu)。1.3電機(jī)的選型貨物搬運(yùn)平臺(tái)的正常工作需要各個(gè)部件之間協(xié)調(diào)運(yùn)作，而電源模塊是貨物搬運(yùn)平臺(tái)的關(guān)鍵部分，只有電動(dòng)機(jī)滿足一定的性能參數(shù)才能為貨物搬運(yùn)平臺(tái)提供足夠的運(yùn)動(dòng)速度和驅(qū)動(dòng)力。電機(jī)的種類多種多樣，按用途可劃分為驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)和控制用電動(dòng)機(jī)。圖1.2電動(dòng)機(jī)按照工作電源種類的分類1.1.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的離散控制電動(dòng)機(jī)。優(yōu)點(diǎn)：沒有累積的誤差，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，使用維修方便，制造成本低。缺點(diǎn)：效率較低，發(fā)熱大。應(yīng)用場(chǎng)合：中小型機(jī)床和速度精度要求不高的地方。1.1.2伺服電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的連續(xù)控制電動(dòng)機(jī)。優(yōu)點(diǎn)：閉環(huán)控制，精度高，效率高。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較高。應(yīng)用場(chǎng)合：對(duì)精度要求較高的場(chǎng)合。1.1.3最終選擇本文中為滿足各機(jī)構(gòu)間能迅速交互，同時(shí)保證貨物的運(yùn)輸平穩(wěn)快捷，最終選用伺服交流電機(jī)。交流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)就是速度控制特性良好，在整個(gè)速度區(qū)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)平滑控制，高效率，發(fā)熱少，高速控制，良好的位置控制，運(yùn)行范圍內(nèi)，可以做到恒力矩，低慣量，低噪音。本文升降平臺(tái)、伸縮叉、運(yùn)輸機(jī)都采用伺服交流電動(dòng)機(jī)。1.4運(yùn)輸平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.4.1運(yùn)輸平臺(tái)的整體參數(shù)運(yùn)輸平臺(tái)的工作是將搬運(yùn)到支撐桿上的貨物運(yùn)輸?shù)街付ǖ奈恢?，由升降平臺(tái)將貨物搬運(yùn)到相應(yīng)的軌道上。其具體參數(shù)如下表：表1.3運(yùn)輸平臺(tái)參數(shù)項(xiàng)目技術(shù)參數(shù)平臺(tái)尺寸（mm）1500×1000×200工作臺(tái)質(zhì)量（kg）100支撐桿高度(mm)300軌道長(zhǎng)度（mm）2000負(fù)載能力（kg）500水平移動(dòng)速度（m/s）0.5加速度（m/s2）0.21.4.2運(yùn)輸平臺(tái)的布置通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，選定的整體布置方案是如下圖：1軌道2平臺(tái)3支撐桿4絲杠5伺服電機(jī)圖1.5運(yùn)輸平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖平臺(tái)在軌道上通過(guò)滾珠絲杠傳動(dòng)的形式進(jìn)行運(yùn)輸，由伺服電機(jī)提供動(dòng)力，軌道左端裝有行程開關(guān)，當(dāng)平臺(tái)接觸到行程開關(guān)，平臺(tái)停止。平臺(tái)上裝有300mm的支撐桿，用來(lái)保證伸縮叉能自由伸縮。1.4.3零部件的選型計(jì)算1.絲杠的計(jì)算查閱相關(guān)資料可知，絲杠傳動(dòng)（包括導(dǎo)軌阻力）的摩擦μ=0.05，傳動(dòng)效率η=0.9所以摩擦阻力：F式中--M為負(fù)載質(zhì)量m為平臺(tái)自重μ為動(dòng)摩擦因數(shù)在運(yùn)輸平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，分為加減速過(guò)程和勻速過(guò)程，兩者所需受力不同，為了保證運(yùn)輸平臺(tái)能以0.2（m/s2）的加速度加速行駛，絲杠應(yīng)提供的動(dòng)力：F2式中--a為平臺(tái)加速度查閱相關(guān)資料，推薦將F乘以4~8之間的一個(gè)系數(shù)，以保證絲杠的使用。為保證可靠度較高，選擇8倍的系數(shù)，所得動(dòng)載荷c1根據(jù)動(dòng)載荷的數(shù)值，查閱絲杠選型手冊(cè)，選用25-10B1的絲杠，其動(dòng)載荷為為1592kgf大于1176kgf，能滿足使用要求。該型號(hào)表示絲杠的公稱直徑為25mm，導(dǎo)程為10mm。螺母選用雙螺母型結(jié)構(gòu)。2.軸承的計(jì)算絲杠預(yù)緊力：F絲杠預(yù)拉伸力：F式中--?t為溫差，取2.5最大軸向載荷：F兩端固定的支承形式，選角接觸球軸承結(jié)構(gòu)，d=20mm。軸向載荷

F1.電機(jī)的計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速：

N=式中--P為絲杠的導(dǎo)程克服摩擦所需的扭矩TL1絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J式中--MBD為絲杠直徑負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

J聯(lián)軸器的慣量:

J負(fù)荷慣量:JT式中--JMβ式中--t為加速所需時(shí)間必須扭矩:T=(式中--S為安全系數(shù)，一般取2~3查伺服電機(jī)選擇手冊(cè)，選擇60CB060C-500000的伺服電機(jī)，額定功率為600w,額定轉(zhuǎn)矩為1.91N.m,額定轉(zhuǎn)速為3000rpm。導(dǎo)軌的選擇導(dǎo)軌的功能是導(dǎo)向和承載。由于根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母移動(dòng)，需要有一個(gè)導(dǎo)向裝置。采用雙圓柱導(dǎo)軌，其制造簡(jiǎn)單，加工時(shí)可達(dá)精度要求。6.校核計(jì)算絲杠最小抗壓剛度:

K式中--L1絲杠最大抗壓剛度:

K一對(duì)預(yù)緊軸承組合剛度：

K式中--dQZ為滾珠數(shù)β支承軸承組合剛度：K滾珠與滾道接觸剛度：

K式中--KC最小剛度：1最大剛度：

1K絲杠的臨界載荷：

F式中--E為材料的彈性模量I為絲杠的慣性矩K為安全系數(shù)，一般取1/3f1為絲杠支承系數(shù)

絲杠的臨界轉(zhuǎn)速：

式中--A為絲杠最小截面積LCK2查詢前面零件的具體參數(shù)，帶入上述公式，驗(yàn)證得傳動(dòng)系統(tǒng)的剛性及穩(wěn)定性滿足條件。1.5.1升降平臺(tái)的整體參數(shù)升降平臺(tái)的工作是將支撐桿上的貨物通過(guò)伸縮叉搬運(yùn)到升降平臺(tái)上，再通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將貨物運(yùn)輸?shù)较鄳?yīng)高度，再通過(guò)伸縮叉運(yùn)輸?shù)搅硪贿\(yùn)輸平臺(tái)上。其具體參數(shù)如下表：1.5升降平臺(tái)參數(shù)項(xiàng)目技術(shù)參數(shù)平臺(tái)尺寸（mm）1500×1000×200工作臺(tái)質(zhì)量（kg）100支撐桿高度(mm)200軌道長(zhǎng)度（mm）2000負(fù)載能力（kg）500升降速度（m/s）0.5升降加速度（m/s2）0.5伸縮叉移動(dòng)速度（m/s）0.3伸縮叉加速度（m/s2）0.5伸縮叉尺寸（mm）200×2000×2001.4.3運(yùn)輸平臺(tái)的布置通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，選定的整體布置方案是如下圖：1減速器2直角減速器3絲杠4伸縮叉5伺服電機(jī)圖1.6升降平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖裝載著伸縮叉的升降平臺(tái)，通過(guò)兩側(cè)的絲杠帶動(dòng)，在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，在四周的軌道上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)貨物的升降。1.4.4零部件的選型計(jì)算升降平臺(tái)共有兩處絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，需分別對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。1.伸縮叉相關(guān)零件選擇因?yàn)橛袃蓚€(gè)伸縮叉一起承擔(dān)負(fù)載500kg貨物的搬運(yùn)，所以單個(gè)伸縮叉相當(dāng)于負(fù)載250kg.伸縮叉自身自重相當(dāng)于負(fù)載過(guò)小，所以此處不進(jìn)行考慮。伸縮叉處絲杠傳動(dòng)（包括導(dǎo)軌阻力）的摩擦μ=0.05，其傳動(dòng)效率為η=0.9，所以摩擦阻力：F在伸縮叉過(guò)程中，分為加減速過(guò)程和勻速過(guò)程，兩者所需受力不同，為了保證伸縮叉能以0.5（m/s2）的加速度加速行駛，絲杠應(yīng)提供的動(dòng)力：F4為保證可靠度較高，所得動(dòng)載荷c2根據(jù)上文的公式，查找相關(guān)手冊(cè)。，選用25-10B1的絲杠，其動(dòng)載荷為為1592kgf大于1176kgf，能滿足使用要求。該型號(hào)表示絲杠的公稱直徑為25mm，導(dǎo)程為10mm。螺母選用雙螺母型結(jié)構(gòu)。兩端固定的支承形式，選角接觸球軸承結(jié)構(gòu)，d=20mm。查伺服電機(jī)選擇手冊(cè)，選擇60CB020C-500000的伺服電機(jī)，額定功率為200w,額定轉(zhuǎn)矩為0.64N.m,額定轉(zhuǎn)速為3000rpm。采用雙圓柱導(dǎo)軌，其制造簡(jiǎn)單，加工時(shí)可達(dá)精度要求。并對(duì)零部件進(jìn)行校核計(jì)算，滿足要求。2.升降平臺(tái)相關(guān)零部件選擇起到升降作用的絲杠，由于是兩個(gè)絲杠同時(shí)起到提升作用。每個(gè)絲杠僅承受一半的阻力。且兩個(gè)絲杠一起承擔(dān)負(fù)載500kg貨物的搬運(yùn)和100kg的平臺(tái)，所以單個(gè)伸縮叉相當(dāng)于負(fù)載250kg.所以摩擦阻力F升降平臺(tái)升降過(guò)程中，分為加減速過(guò)程和勻速過(guò)程，兩者所需受力不同，為了保證伸縮叉能以0.5（m/s2）的加速度加速行駛，絲杠應(yīng)提供的動(dòng)力：F為保證可靠度較高，所得動(dòng)載荷c根據(jù)上文的公式，查找相關(guān)手冊(cè)。選用50-10B2的絲杠，