毕业设计（论文）-多自由度直角坐标型码垛机器人本体结构设计

多自由度直角坐标型码垛机器人本体结构设计BODYSTRUCTUREDESIGNOFRECTANGULARCOORDINATEPALLETIZINGROBOTWITHTHEMULTIDEGREEFREEDOM学生姓名学号所在学院班级所在专业机械设计制造及其自动化申请学位学士指导教师职称副指导教师职称答辩时间目录设计总说明IINTRODUCTIONII1绪论111码垛机器人的发展状况112研究目的及意义12课题内容及要求221研究目标、内容及拟解决的关键问题222参数要求33总体机构设计331机械抓手设计6311方案选择6312力学分析7313气缸选择932丝杆螺母副的计算与选型9321Z轴滚珠丝杠螺母副的计算与选型9322X轴和Y轴滚珠丝杠螺母副的计算与选型1233各轴驱动电机选型12331Z旋转轴电机的选择13332Z轴步进电机的计算与选型15333X轴和Y轴步进电机的选用1734直线滚动导轨副的计算与选型1835轴承的选用20351Z旋转轴轴承的选用20352Z轴滚珠丝杠下端单向推力球轴承的计算与选型20353其他轴承的选用2136锥齿轮传动的计算与选型234总体支架的受力分析25总结29鸣谢30参考文献31I设计总说明直角型码垛机器人是工业机器人的一种，通过对它的数控编程，它能实现可以在XYZ三维坐标系中任意一点的移动和遵循可控的运动轨迹。可以实现很多种码垛的方式，在生产线上对替代人工，提高生产效率等具备显著的应用价值。本课题设计的设计内容是完成多自由度直角坐标型码垛机器人本体结构设计，此码垛机器人有四个自由度，用于在流水线对纸箱整齐地码垛在托盘上，能够快速紧凑地码垛。可以通过快速替换机械抓手和重新编程对不同大小的物体进行快速码垛，可以适应不同的码垛对象，应用广泛。第一步是对国内外有关码垛机器人领域内的研究背景和发展状况进行了解，并了解其研究目的及意义。第二步是对码垛机器人的总体方案的选择通过进行了详细的对比与选择，找到最合适的设计方案，最后方案采用龙门式机构，主要采用是滚珠丝杆螺母副传动，驱动装置采用步进电机，可以通过数控编程改变码垛的路线。第三步是通过对履带机器人的使用情况与需求，对机构的选型与计算，主要机构有机械抓手、滚动丝杆螺母副、直线滚动导轨副、步进电机、滚动轴承等。第四步是通过PRO/E画出该码垛机的总体三维结构图，通过CAD画出码垛机总装配图和其零件图，最后通过PRO/E画出该码垛机运动仿真。关键词码垛机器人；丝杆螺母；步进电机IIINTRODUCTIONRIGHTANGLETYPEPALLETIZINGROBOTISAKINDOFINDUSTRIALROBOTTHROUGHTHENCPROGRAMMING,ITCANMOVEINTHEXYZCOORDINATESYSTEMOFARBITRARYPOINTMOBILEANDFOLLOWTHETRAJECTORIESOFCONTROLLABLEITCANPALLETIZEINSOMANYWAYSINTHEPRODUCTIONLINETOREPLACETHEWORKERL,IMPROVINGPRODUCTIONEFFICIENCYANDHAVINGSIGNIFICANTAPPLICATIONVALUETHISTIME,THEDESIGNCONTENTOFTHISGRADUATIONDESIGNISTOCOMPLETETHEMULTIDEGREEOFFREEDOMRECTANGULARCOORDINATEPALLETIZINGROBOTBODYSTRUCTUREDESIGN,THEPALLETIZINGROBOTHASFOURDEGREESOFFREEDOM,USEDINTHEPRODUCTIONLINEOFCARTONPACKAGINGOFPRODUCTPALLETIZINGINTRAYITCANCOMPACTSTACKINGQUICKLYITCANREPLACEMECHANICALGRIPANDREPROGRAMEOFDIFFERENTSIZEOBJECTSFORRAPIDPALLETIZING,ANDADAPTTODIFFERENTPALLETISINGOBJECT,HAVINGAWIDERANGEOFAPPLICATIONSTHEFIRSTSTEPOFTHEDESIGNISTOUNDERSTANDATHOMEANDABROADOFPALLETIZINGROBOTINTHEFIELDOFTHERESEARCHBACKGROUNDANDDEVELOPMENTSITUATION,ANDUNDERSTANDTHEPURPOSEANDSIGNIFICANCEOFTHERESEARCHTHESECONDSTEPISTHESELECTIONOFTHEOVERALLSCHEMEOFTHEPALLETIZINGROBOTTHROUGHDETAILEINGCOMPARISONANDSELECTION,FINDINGTHEMOSTSUITABLEDESIGNFINALLY,ICHOSEDTHEGANTRYMECHANISM,THEBALLSCREWNUTTRANSMISSION,DRIVETHESTEPPERMOTOR,THROUGHTHENCPROGRAMMINGCHANGESTACKINGLINETHETHIRDSTEPISTHROUGHTHEUSECONDITIONANDTHEDEMANDOFTRACKEDROBOT,SELECTIINGANDCALCULATINGOFTHEAGENCY,MAINBODYWITHMECHANICALGRIPANDROLLINGSCREWNUTPAIR,LINEARROLLINGGUIDEWAYS,STEPMOTOR,ROLLINGBEARINGANDSOONTHEFORTHSTEPISTHROUGHTHEPRO/ETODRAWTHEPALLETIZINGMACHINEOVERALLTHREEDIMENSIONALSTRUCTURE,THROUGHTHECADTODRAWOUTTHEPALLETIZINGMACHINEASSEMBLYDRAWINGANDTHEPARTSDRAWINGFINALLY,THROUGHTHEPRO/E,IDRAWTHEPALLETIZINGMACHINEMOTIONSIMULATIONKEYWORDSPALLETIZINGROBOT；SCREWNUT；STEPPERMOTOR本科生毕业设计1多自由度直角坐标型码垛机器人本体结构设计毕业设计说明书1绪论11码垛机器人的发展状况目前欧、美、日的各种码垛机器人在码垛市场的占有率均超过了90，绝大数码垛作业由码垛机器人完成。并且基本由他们垄断了全球市场。我国的工业机器人在国家支持下，通过“七五”“八五”和“九五”科技攻关，并取得了长足的进步，国外码垛机器人在我国市场一统天下的局面正在被打破16。但是，我国的工业码垛机器人其应用水平和技术与其他发达国家相比还有很大差距，如国外同类产品可靠性比我国高，起步较晚，运动速度和精度还有很广提升空间。生产线技术水平与国外相比仍有差距。和全球市场相比，码垛机器人应用规模仍然很小，我国还未发展成专门的产业。并且当前我国的码垛机器人生产品种规格多，批量小，零部件通用化程度低16。因此迫切需要对码垛机器人及其相关物流产业进行全面规划，整合资源优势，积极推进产业化进程。同时立足实际，完善码垛机器人相关的产品、系统及结构，努力提高我国的机器人发展水平。12研究目的及意义人们在工业生产领域工作时，人们经常受到腐蚀、有毒气体等因素的危害，使的工人的工作环境很恶劣，甚至可能危及生命。但是自从发明机械人以后，相应各种难题迎刃而解。码垛机器人就是作为机器人其中一种，码垛机器人是机、电一体化高新技术的产品。码垛机有很多种类，可以在不同的产量生产中发挥着巨大的作用。可按照要求的编组方式和层数，完成对各种产品的码垛。当码垛机器人的自由度越高，它能发挥的作用越大，但码垛机使用最优化的设计可以使得垛形紧密、整齐。作为工业机器人的典型一种，码垛机器人在工业应用，尤其是包装领域正发挥着越来越大的作用。张机器人和包装线现结合，既提高了生产线的工作效率，有提高了生产线的工作效率，又增强了运行的可靠性，减少了人力资源开支，更让当代企业迅速适应不断变化的市场要求，产生巨大的经济效益16。本科生毕业设计22课题内容及要求21研究目标、内容及拟解决的关键问题码垛机器人可以分为两类，分别是直角坐标型和关节型，如图21，而我要做的码垛机器人要求是直角坐标型的。图21（A）直角坐标型码垛机器人图21（B）关节型码垛机器人直角坐标型码垛机器人是基于空间XYZ三轴直角坐标系编程、有三轴及以上自由度，能够实现自动控制、可重复编程反复应用，可以适合不同任务的自动化设备。它能够搬运物体、操作工具，以完成各种作业。本毕业设计目标是要求掌握工业码垛机械手的结构及工作原理，实现机械手的三个方向的移动和一个方向的回转，完成一个四自由度的直角坐标型码垛机器人设计，要求所设计机器人能抓取一定质量的工件（在具体设计时可以在题目中确定是何类形状的物体，并且手爪是气压驱动），完成抓取、搬运、码放功能，并且具有较高的运动平稳性和重复精度。主要内容是设计一具有四个自由度的直角坐标码垛机器人，4根运动轴对应直角坐标系中的X轴、Y轴和Z轴,以及Z轴上带有的一个旋转轴，能够实现自动装载和卸载功能。各轴行程和手爪尺寸及抓取能力按需来设计。设计内容包括机器人总体设计方案的分析确定，包括机器人的运动学分析、主体部分结构设计和手爪的设计。在设计过程中要考虑到很多问题，所涉及的关键问题有1）机器人运动采用何种驱动电机；2）传动机构设计的合理和平稳；3）导轨布局的合理性等等。22参数要求1）单箱重量15KG，一次搬运两箱，一次总搬运重量30KG。本科生毕业设计32）托盘尺寸16001600，码垛完了托盘上纸箱最高处到地面1700MM。3）行程X方向2200MM,Y方向1700MM,Z方向1700MM,水平旋转90O4）最快码垛速度可达到1000MM/S，平均速度为500MM/S，码垛精度为1MM。5码放方式的要求是在托盘尺寸内每层尽可能多地摆放纸箱，托盘四周的纸箱尽可能平稳，要保证运输过程中平稳不倒。而码好的托盘每两层纸箱间要向砌砖墙那样，尽可能地相互压住和咬合，如图22单数层和双数层的摆放方式不一样。这样才可以保证码满纸箱的托盘（最高17米）在运输过程中平稳。图22（A）单层纸箱排放方式图22（B）双层纸箱排放方式3总体机构设计设计方案初步有两种方案一种是悬臂式的码垛机器人，第二种是龙门式的码垛机器人，如图23。图23（A）悬臂式码垛机器人图23（B）龙门式码垛机器人因为在工作空间比较大的情况下，龙门式的码垛机器人机构比较稳定，机器人在工作的时候不容易产生晃动，所以选择第二种龙门式码垛机器人。X轴和Y轴可以近似看做XY工作台。主要方案选定是Z轴。本科生毕业设计4Z轴是上下运动，有两个方案方案一是采用丝杆螺母形式传动，方案二是采用齿轮齿条形式传动。但方案二抓手和物体的重量直接要求齿轮和齿条来承受，对齿条和齿轮要有很大的要求，而且因为齿轮的传动特性，会使下降和上升的速度产生齿轮的多边形效应。所以比较后采取方案一丝杆螺母形式传动。采用丝杠螺母形式也有两方案可以选择，第一种方案是丝杠不动，抓手和物体通过螺母座与丝杠螺母连接做上下运动。第二种是丝杠螺母通过螺母座固定在Y轴的工作台上，而丝杠的底部与抓手连接做上下运动。但第二种方案做上下运动的重量比较大，会导致做很多无用功从而使码垛机器人的效率降低。所以通过比较后采取第一种方案。采用这种方案因为只受到竖直的载荷，所以不需要滚动导轨，只需要滚珠丝杆螺母副的计算与选型。机构简图如图24，三维视图如图25和图26。图24机构简图本科生毕业设计5图25三维视图图26三维视图本科生毕业设计631机械抓手设计311方案选择1、因为码垛机器人要求要准确的把物品放到指定的位置，要求物品能够紧密放置，所以机械抓手设计成一遍是固定的夹板，一边是活动的夹板。2、为了能够有更大的夹紧力和更好的平衡性能，采用两个气缸提供夹紧力。机械手的动作过程如图31所示原点下降抓紧X,Y,Z和Z旋转方向运动放松图31机械手的动作过程机械抓手的三视图如图32和三维图33表示图32三视图X,Y,Z轴和Z旋转方向的运动本科生毕业设计7图33三维图312力学分析当物体受到最少夹紧力还处于加紧状态时的受力分析如图34所示本科生毕业设计8图34受力分析由受力平衡得OONAGAF45SIN45SIN21解得,即机械抓手要求最少的夹紧力是加紧物体重力的二分之一。题目要2G求加紧的物体重量最大是30KG，30KG物体重力为300N，则这抓手要求的最少夹紧力为150N。由图可得，解得370NMF2379633F由于使用双气缸，则一个气缸提供185N的力即可，工厂里一般都有自己的压缩空气的装置，一般压缩空气的气压为08MPA，则由压力公式FPS得DPAN261082解得气缸的最少直径为D00343M343MM本科生毕业设计9313气缸选择根据机械设计手册单行本气压传动P22204表22416选10A5系列气缸，气缸实体如图35所示，该气缸主要零件用铝合金制造，重量轻。这里具体选用型号为10A5LA50B50，该气缸为标准型，气缸直径为50MM，行程为50MM，安装尺寸符合ISO国际标准。图35气缸32丝杆螺母副的计算与选型需要使用丝杆螺母副的有Z轴、X轴和Y轴，X轴和Y轴的丝杆螺母副使用环境差不多，可以选用同样的丝杆螺母副，但Z轴使用情况不一样，需要单独计算。321Z轴滚珠丝杠螺母副的计算与选型（1）最大工作载荷FM的计算Z轴滚珠丝杆螺母如图36所示，需要带动的部分包括机械抓手、Z旋转轴和丝杆螺母与Z旋转轴连接件，估计这部分重量不会超过800N，所以FZ800N，除此之外，并没有收到其他方向的载荷。本科生毕业设计10图36滚珠丝杆螺母计算形式可按矩形导轨方式进行，查系统设计课程设计指导书表329，可以取该丝杆螺母副颠覆力矩影响系数为，同样可以取滚动导轨上的摩擦因数为1K。求得该工作环境的最大工作载荷为05N80度GFYZKXFM（2）滚珠丝杆螺母座上最大动载荷的计算QZ轴的进给速度最快可达，我们可以初选丝杠导程为，则10M/SVM5PH可以计算出丝杠最快转速。我们可以取滚珠丝杠螺母副的30R/INR5/PHN使用寿命，代入计算公式，计算出其丝杠寿命系数150HT6T1L（单位为106R）。查书系统设计课程设计指导书表330，可取我们27L0的载荷系数，滚道硬度为HRC60，则可以取得硬度系数为，则求得丝2FW10FH杆螺母副的最大动载荷NFFLMHQ1470530（3）丝杆螺母副型号的选择最大动载荷和初选的丝杠导程根据上面已经计算出来，可查系统设计课程设计指导书表331，选择GD系列的40054型滚珠丝杠副，该丝杆螺母副为济宁博特精密丝杠制造有限公司所生产，其导程为PH5MM，公称直径为40MM，为内循环固定反向器双螺母式，循环滚珠为4圈2列，精度等级可以取5级，可查得其额定动载荷为15307N，大于上式所计算出来的FQ，则满足要求。（4）所选丝杆螺母副传动效率的计算从上可知公称导程，直径，代入公式，计5MPH40MD/ARCTNP0H算得丝杠螺旋升角为。将导轨摩擦角和丝杠螺旋升角，代入计算公式1721，计算可得其传动效率为。/TAN935（5）滚动丝杆螺母刚度的验算1）Z轴上端采用一对面对面组配的推力角接触球轴承来固定丝杠上端，下端则采用一对面对面组配推力角接触球轴承，外加一个推力球轴承，上、下支承的中心距离计算出约为；钢的弹性模量可查得为；查书系统设计课70MAMPA102度ES5程设计指导书表331，可知该丝杆丝杠底径，直径，据此36MD3175MD可以计算出丝杠截面积为。则可以计算出丝杠由工作载荷作用下而引2109SF本科生毕业设计11起的拉/压变形量06M度1290517/80度ESFMA/12）可以根据计算公式,求得单圈滚珠数；滚珠的圈数列数3WDDZ37Z为42，则可计算出得滚珠总数量。当丝杠预紧时，可计算出轴向预紧力为，由书系统设计课程设计指导书式（327）计算出滚珠与螺纹滚93N/FMYJ道间的接触变形量为。04M23）以上算出的和可以代入，求得丝杠总变形量121总。由书系统设计课程设计指导书表327知,5级精度滚珠604总丝杠有效行程在时，行程偏差可允许达到65M，则可见所选丝杆刚度20足够。（6）滚珠丝杆螺母副的压杆稳定性校核失稳时的临界载荷可根据系统设计课程设计指导书式（328）计算出来。FK查系统设计课程设计指导书表334，应该取其支承系数；由丝杠底径1KF，则可求得截面惯性矩为；当丝杆垂直安装时，压M362DM842956/42DI杆稳定安全系数K应取25；已知滚动螺母至轴向固定处的距离，计算出70A得临界载荷，远大于工作载荷，则所选丝杠不会失稳。108N4KF0NMF综上所述，所选择的GD系列40054型滚珠丝杠副可以满足使用要求，其实体如图37所示。图37滚珠丝杠副本科生毕业设计12322X轴和Y轴滚珠丝杠螺母副的计算与选型X轴和Y轴可以选用同样规格的滚珠丝杆螺母副，如图38所示，因为X轴所受垂直载荷比Y大，同样只需要进行对X轴的受力分析即可，计算方式与Z轴差不多。图38滚珠丝杆螺母副（1）丝杆螺母的最大工作载荷FM的计算当抓手抓起限定最重的物品码垛机器人以最大速度运行时，其只受到与工作台面垂直垂向的载荷。已知移动部件总重量估计不大于，同样可以与Z150NFZ20NG轴一样按矩形导轨进行计算，可选K11，0005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷1751501度GYZKXM（2）滚动丝杆螺母副的最大动载荷FQ的计算X轴工作时的最快进给速度同样可达到为V1000MM/S，丝杠导程同样可选PH5MM，则丝杠寿命系数同样为L02700（单位为106R）。则可求得最大动载荷NFFMHWQ42930（3）型号选择根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，以及X轴的丝杆比较长，主要受到径向载荷，为了保证其刚度，选择直径比较大的丝杆，可以选择与Z轴相同的济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的GD系列20053型滚珠丝杠副，其额定动载荷为15307N，远远大于FQ，满足要求。刚度的验算与压杆稳定性校核与Z轴的方式一样，通过计算得出选择的滚珠丝杠副满足使用要求。33各轴驱动电机选型各轴都要求有一定的精度，而且需要电机自锁，所以电机类型可以选择为步进电机，本科生毕业设计13各轴所承受的载荷都有些不同，Z旋转轴没有起动负载而且转速很低，Z轴有起动负载而且移动速度快，X轴和Y轴没有起动负载而且移动速度快，则电机的选型要分开计算。331Z旋转轴电机的选择该电机主要克服机械抓手和纸箱旋转时的摩擦力矩，如图39所示，而根据该部分设计的机构知摩擦力矩为轴承的滚动摩擦，数值较小。抓手和纸箱转动惯量很大，是电机设计需要考虑的主要对象。图39电机装配图（1）加在电机转轴上的总转动惯量JZ的计算抓手最大质量为10KG，容许抓取质量为30KG，其转动惯量的计算可近似认为40KG纸箱为400MM100MM100MM的长方体，则长方体绕Z轴的转动惯量为JZMA2B2/12（31）式中A40CM，B10CM，M40KG，则。22567KGCM0498KGJZ可以初选Z旋转轴的步进电机型号为130BYG2502，该电机为两相混合式，二相四拍驱动时步距角为，查系统设计课程设计指导书表45查到该型号电机转子的转O09动惯量为，则可计算出加在步进电机转轴上的总转动惯量为248KGCMJ2571KGCMJZJEP（2）加在电机转轴上的等效负载转矩TEP的计算其最大的等效负载转矩为快速启动时电机转轴所承受的负载，则本科生毕业设计14（32）EQTMAX在考虑传动链的总效率上，可以计算快速起动时旋转部件折算到电机转轴上的最大加速转矩我（33）1602MAXAMEQTNJT式中对应最快移动速度的电机最高转速，其单位为R/MIN；MN步进电机由静止到加速至最高转速所需的时间，其单位为S。ATZ旋转轴主要是带动着抓手和纸箱沿电机中心的转轴运动，因为这部分的转动惯量过大，速度不宜过快，因此为了安全，最高的旋转速度可达到为，但平时工作/10O的速度平均为。则换算电机的转速最高速度为。/S30O7R/MIN假设该步进电机由静止到加速至最高转速所用时间为04S，传动链总效率。AT09则由式（33）计算得MNTAX83290461752MEQ（2）步进电机最大静转矩的选定及电机的初选当输入电压降低时，步进电机的驱动电源受电网电压影响较大，其输出转矩会下降，可能会造成丢步，甚至可能堵转。因此，选择步进电机时，需要考虑安全系数。本工作环境可取安全系数K4，计算出步进电机的最大静转矩应满足34M132N284TJMAX初步选择的步进电机型号为130BYG2502，查系统设计课程设计指导书表45得该型号电机的最大静转矩为。可见，所选的电机满足（34）式的使用40TJAX要求。（4）所选用步进电机的性能校核1）最快转动电机输出转矩校核给定工作台最快空载移动速度，其步进角为可求出电机对应17R/MIN度O09/的运行频率。由图310查得，此频率运行的电机输出转680HZ17360/9MAXF矩，大于，满足其使用要求。1NT23NEQT2）最快旋转时电机运行频率校核本科生毕业设计15电机运行最高频率为。查书系统设计课程设计指导书表45可知680HZMAXF130BYG2502步进电机的极限运行频率为1500HZ，则没有超出限度。3）步进电机的起动频率计算从上可以知道，当电机转轴不带任何负载时的2567KGCJEQ48MJ2CKG最高起动频率为。则可求出步进电机克服惯性负载的起动频率10HZFJFFMEQL381则要想保证步进电机起动时保证不失步，任何时候的起动频率都要求必须小于138HZ。要使起动频率选得更低，可以采用软件升降频，其通常只有100HZ。从上面一系列计算可知，Z旋转轴选用130BYG2502步进电机，可以完全满足设计使用要求。图310步进电机的运行矩频特性130BYG25332Z轴步进电机的计算与选型Z轴是电机是要求带负载快速启动，与Z旋转轴电机的选型计算不一样，如图311所示。本科生毕业设计16图311Z轴电机装配图（1）加在步进电机转轴上的总转动惯量的计算EQJ滚珠丝杠总长L1700MM，移动部件总重量G800N，其他参数同Z旋转轴同样算得各个零部件的转动惯量如下上下运动的部分折算到丝杠上的转动惯051WJ，滚珠丝杠的转动惯量。因为Z轴的移动速度很快，不需要减2CMKG28SJ2CMKG速器，直径与丝杆进行连接，又因为要承受着载荷起动，要选择转矩比较大的电机，初选可以与Z旋转轴相同的步进电机型号为，则加在步进电机转轴上的130BYG5总转动惯量可计算得EQJMWSJ28054CKG249CKG（2）加在步进电机承受最大工作负载时快速起动时的负载的计算负载转矩总共包括三部分第一部分是移动部件在运动时折算到电机转轴上的EQT摩擦转矩；第二部分是机器快速起动时折算到电机转轴上的最大加速转矩；第FMAXT三部分是负载折算到电机的最大工作负载转矩，则有TT（35）1EQTMAXFTZ轴移动速度最快为1000M/S，选用的丝杆螺母导程为PH5MM，则NM1000/5200R/S12000R/MIN。设步进电机由静止到加速至最快转速所需时间1S，传动链总效率AT。084935本科生毕业设计17则同样由式（33）求得MNTA4780162492MX（36）IPGFTHF235805负载折算到电机转轴上的最大工作负载转矩M8018025TFNIH最后由式（35）可以计算出82N（37）EQTMAXFTT步进电机最大静转矩同样为负载转矩乘以安全系数4，即为38M328N84J130BYG2502型号电机的最大静转矩。则选用的电机满足（30TJAX8）式的使用要求。步进电机的性能校核同Z旋转轴的校核方式一样，最后校核出该步进电机符合使用要求。333X轴和Y轴步进电机的选用X轴和Y轴都是水平放置，都没有收到竟给方向的负载，如图312所示。图312电机三维图本科生毕业设计18计算加在步进电机转轴上的总转动惯量EQJ滚珠丝杠总长L2200MM，电机通过两副90O锥齿轮传动给丝杆；移动部件总重量G2500N。同样可以算得各个零部件的转动惯量如下滚珠丝杠的转动惯量36SJ7，上下运动的部分折算到丝杠上的转动惯158，两斜齿轮估计传2CMKGWJ2CMKG动惯量不会大于JZ80KGCM2。初选步进电机型号为同样可以为130BYG2502，则加在步进电机转轴上的总转动惯量为28318EQMWSZJ23061584CKG2CKG同理，根据Z轴选用电机的方式进行计算，可以计算出得出加在步进电机上的最大等效负载转矩为TEQ122NM，因为Y轴的受到的负载比X轴的要小，Y轴选用130BYG2502的电机一样符合使用要求。综上所述，各轴选用的电机型号都为130BYG2502步进电机，电机外形如图313所示。图313电机实体图34直线滚动导轨副的计算与选型直线滚动导轨副用于X轴和Y轴，承受垂直的载荷。（1）计算滑块承受工作载荷及选取导轨型号影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素通常是工作载荷。本设计中的X轴和Y轴都为为水平布置，Y轴是采用双导轨、四滑块的支承形式，如图314所示，而X采用左右两个导轨模块，每个也是采用双导轨、四滑块的支承。本科生毕业设计19图314直线滚动导轨副X轴和Y轴采用相同规格的导轨副，因为X轴受到的载荷最大，则只需要X轴的选型计算即可。工作时，其不利的情况是一个滑块承担垂直于台面的全部工作载荷，可计算出这个单滑块所受的最大垂向载荷为（39）FGPC4其中，移动部件重量约为，外加载荷FFZ1500N（Z轴上下运动时产生20N度的冲击）载荷，代入（39）式得最大工作载荷。查书本系统设2KN150FMAX计课程设计指导书表341，可以初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的型，直线滚动导轨副的额定静载荷，其额定动载荷LG35JSA47C0A。由直线滚动导轨副标准长度，可以选取导轨的长度为。KN1CA20M（2）计算距离额定寿命初选的导轨副的滚道硬度可以取，在工作时，温度不会大于100，每根导HR6轨上配有两只滑块，其导轨副可取4级精度。查书本系统设计课程设计指导书表336至表340，得度1509度08101则可以计算出其距离寿命KM302FMAXFCLWRTH计算结果远大于期望值50KM，则该选用导轨副符合其使用要求，其实如图315所示。本科生毕业设计20图315导轨副35轴承的选用351Z旋转轴轴承的选用Z旋转轴只受到轴向力的载荷，所以选择单向推力球轴承，其轴向当量动载荷PAFA，FA为轴承所承受的最大轴向力，由于抓手和物体最大重量小于40KG，则可认为其轴向当量动载荷PA350N，为了适应其总体机构大小，选择轴承型号为51108，其轴承基本额定动载荷为628KN350N。其滚动轴承的基本额定寿命为L103869893106RPC340628轴承安装形式如图316所示图316单向推力球轴承装配图352Z轴滚珠丝杠下端单向推力球轴承的计算与选型同样，丝杆只受到轴向力的载荷，所以选择单向推力球轴承，其轴向当量动载荷PAFA，FA为轴承所承受的最大轴向力，可采用滚珠丝杆的最大动载荷，则可认为其轴向当量动载荷PA14705N，为了适应其总体机构大小，选择轴承型号为51203，其基本本科生毕业设计21额定动载荷为272KN14705N。其滚动轴承的基本额定寿命为L1063106RPC3147052其轴承的安装形式如图317所示和实体图片如图318所示图317单向推力球轴承装配图图318单向推力球轴承实体图353其他轴承的选用每个丝杆螺母两端需要采用一对面对面组配的推力角接触球轴承，而经过通过以上方式的计算都可以采用7305B型号的角接触球轴承。同样，锥齿轮轴两端也要采用一对面对面组配的推力角接触球轴承，同样经过计算都可以采用7305B型号的角接触球轴承。则这里要用16个7305B型号的角接触球轴承，安装方式如图319、图320、图321所示本科生毕业设计22图319轴承装配图图320轴承装配图图321轴承装配图本科生毕业设计2336锥齿轮传动的计算与选型X轴的简图如图322所示，锥齿轮的安装方式图323所示，和锥齿轮参数如图324所示。图322X轴简图1、电动机；2、锥齿轮Z1；3、锥齿轮Z2；4、丝杆图323齿轮装配图本科生毕业设计24图324齿轮参数图（1）锥齿轮的初定已知电机的输出转矩最大为122NM，其最高转速12000R/MIN，平均转速为6000R/MIN，由电机驱动，工作寿命为15年（设每年工作300天），两班制。1）斜齿轮Z1和Z2的规格相同，所以传动比为11；2）选取齿轮齿数为Z40；3）本码垛机工作速度、功率不高，选用6级精度；4）选择材料为40CR，调质处理，硬度HBS241286。（2）按齿面接触疲劳强度计算1）因为锥齿轮以大端参数为标准值，依据齿宽中点处的当量齿轮作为强度计算来进行计算。初拟齿宽系数，取载荷系数，节锥角为45O，HBS260,查机03R12K械设计P211图1025得HLIM539MPA。2）由书本机械设计P203图1020可以查到得齿轮区域系数ZH25，同样由机械设计P202表105得材料的弹性系数影响系数为ZE1898MPA1/23）选取接触疲劳强度寿命系数。取安全系数为S10计算应力循环次数N60N1JLH6060001（2830015）25921010查机械设计P208图1023，得KHN1。4计算接触疲劳许用应力许用接触应力为HKHNLIM/S539MPA5）按齿面接触强度设计传动M459381520513024233221）（）（HERZUKTD本科生毕业设计25齿轮模数M485109MZD（3）按齿根弯曲疲劳强度计算对齿轮取HBS260，按线性插值得弯曲疲劳极限为MPAF524106235718LIM许用应力查机械设计图1017，得YFA277PASKFN186LIM04972AYM8218612037351405132321FRARUZYKTM（4）综上所述，应取模数较大值M2（5）齿数参数的计算齿轮的当量齿数5764205OOCSZR分度圆直径DZM40280MM齿宽，圆整取B17MMM91260321UDBR（6）主要设计结论从动与主动两个齿轮参数一样，齿数Z40，模数M2MM，分锥角45O，齿宽B17，分度圆直径为80MM，齿轮采用40CR（调质）。齿轮按6级精度设计。4总体支架的受力分析对支架的受力分析，主要是校核导轨底座的强度，底座如图41，因为这机器人的主要载荷都是有导轨底座承受的，这里要分别对X轴和Y轴的导轨底座的受力分析。本科生毕业设计26图41导轨底座三维装配图（1）Y轴的受力分析Y轴有两个导轨底座，Y轴只承受的最大的垂直载荷约3000N，则单个导轨底座承受的最大的垂直载荷约1500N，导轨底座的材料为铸铁，当Y轴移动的中间时，某一截面能得到最大拉应力和最大压应力。导轨底座的截面铸铁梁的载荷和截面尺寸如图42和图43所示，铸铁的抗拉许用应力为T30MPA，抗压许用应力为C160MPA。已知截面对形心轴X轴的惯性矩为IX1442400104MM4，且Y131MM。图42导轨底座截面图图43导轨底座受力分析本科生毕业设计27由平衡方程求出梁的支座约束