寧XX 大學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )圖書館輔助機(jī)器人的設(shè)計所 在 學(xué) 院專 業(yè)班 級姓 名學(xué) 號指 導(dǎo) 老 師年 月 日I摘 要機(jī)器人是在在機(jī)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(jī)器人能代替人類、重復(fù)枯燥完成危險工作，提高勞動生產(chǎn)力,減輕人勞動強(qiáng)度。該裝置涵蓋了位置控制技術(shù)可編程控制技術(shù) 、 檢測技術(shù)等 。 本課題擬開發(fā)的物料電動機(jī)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(yùn)動流程的要求隨時更改相關(guān)參數(shù),可代替人工在高溫危險區(qū)進(jìn)行作業(yè)， 。本課題所要求設(shè)計的輔助機(jī)器人，主要用于完成圖書的上架工作。因此要求機(jī)器人具有行走、自動識別圖書類別、并將圖書放置于準(zhǔn)確位置等功能。同時機(jī)器人應(yīng)具有靈活、安全性好等特點。課題研究內(nèi)容包括機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計和機(jī)電系統(tǒng)的方案設(shè)計。關(guān)鍵詞：機(jī)器人, 電動機(jī)器人， 圖書館輔助，提升IIAbstractThe 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, improveIII目 錄摘 要 IIAbstract.III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(jī)器人概念 21.4 國內(nèi)機(jī)器人的研究 2第 2 章 圖書館輔助機(jī)器人的設(shè)計要求與方案.42.1 圖書館輔助機(jī)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(jī)器人的基本參數(shù) .52.3 電動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 52.4 機(jī)器人材料的選擇 52.5 機(jī)械臂的運(yùn)動方式 .62.6 電動機(jī)器人驅(qū)動方式的選擇 62.7 動作要求分析 72.8 電動機(jī)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(jī)器人機(jī)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 .11IV3.3 伺服電機(jī)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(jī)的選擇 .233.6.1 電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動慣量 233.6.2 電機(jī)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(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計算 304.3 底座回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計計算 .324.4 機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計校核 .324.4.1 選擇伺服電機(jī)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(qiáng)度計算 344.4.3 本機(jī)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(qiáng)度校核 42V總結(jié).46參考文獻(xiàn).47致 謝.48VIVIIVIIIIX第 1 章 緒論1.1 課題背景及目的由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，電動機(jī)器人技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。智能型電動機(jī)器人的研究是近年來科學(xué)家同意致力的方向。式電動機(jī)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(jī)器人的管家將不是夢想。根據(jù)不同的電動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，電動機(jī)器人可以分為各種各樣的。輪式移動機(jī)器人，履帶式電動機(jī)器人，機(jī)器人，行走電動機(jī)器人等。值得一提的是，行走電動機(jī)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(fù)雜的自動化程度很高的運(yùn)動。與傳統(tǒng)的輪式和履帶式電動機(jī)器人相比，對環(huán)境的適應(yīng)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(shù)將被廣泛使用。在研究中，電動機(jī)械的生產(chǎn)，對電動機(jī)器人設(shè)計的計算機(jī)模擬中的應(yīng)用是一個非常重要的過程。包括零件建模，裝配電動機(jī)器人的仿真，與運(yùn)動仿真。通過仿真，設(shè)計師可以觀察各機(jī)構(gòu)的運(yùn)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(xué)校的畢業(yè)設(shè)計是機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)學(xué)習(xí)的最后一個環(huán)節(jié)，學(xué)習(xí)在大學(xué)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(shè)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(biāo)：（1）的基本理論，基本知識和基本技能的綜合運(yùn)用，提高分析和解決實際問題的能力。（2）接受全面的培訓(xùn)工程師必須，提高實際工作能力。為調(diào)查研究，文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)收集和分析能力；設(shè)計和開發(fā)測試計劃能力；設(shè)計，計算和繪圖能力的提高；總結(jié)和撰寫論文的能力。（3）的綜合素質(zhì)和實踐能力的測試。X1.2 本課題研究的目的和意義（1）通過對圖書館輔助機(jī)器人的設(shè)計使我們得到對所學(xué)相關(guān)課程的綜合訓(xùn)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(shè)計一個圖書館輔助機(jī)器人。（3）本設(shè)計的主要任務(wù)是把主要用于完成圖書的上架工作。因此要求機(jī)器人具有行走、自動識別圖書類別、并將圖書放置于準(zhǔn)確位置等功能。同時機(jī)器人應(yīng)具有靈活、安全性好等特點。傳統(tǒng)夾緊機(jī)構(gòu)對加工時的干涉太大，對生產(chǎn)量影響較大，設(shè)計一款新的夾緊機(jī)構(gòu)，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(jī)器人概念目前，工業(yè)機(jī)器人的概念，世界是不統(tǒng)一，分類是不一樣的。國際標(biāo)準(zhǔn)化聯(lián)合國最近采用了美國機(jī)器人協(xié)會定義了工業(yè)機(jī)器人的組織：工業(yè)機(jī)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(jī)器人（機(jī)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(jìn)的集成機(jī)械電子，計算機(jī)，材料和仿生。在工業(yè)，醫(yī)學(xué)，農(nóng)業(yè)，建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要的應(yīng)用。電動機(jī)器人是一種有代表性的，機(jī)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(jī)器人技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。這是一個高的自動化程度，改善勞動條件，保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高工作效率，發(fā)揮了非常重要的作用?？梢哉f，他是現(xiàn)代工業(yè)的技術(shù)革命。執(zhí)行系統(tǒng)一般包括手，腕，臂，底座，一個主要的運(yùn)動系統(tǒng)。主要由電動機(jī)器人執(zhí)行系統(tǒng)，驅(qū)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(qū)動元件和驅(qū)動元件。1.4 國內(nèi)機(jī)器人的研究工業(yè)電動機(jī)器人的應(yīng)用在日本有著悠久的歷史。在七十年代當(dāng)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(jī)器人八十年代流行。他們的年工業(yè)產(chǎn)值迅速增XI加。1980 達(dá)到一千億日元，1990 至六千億日元。在 2004 達(dá)到了一兆和八千五百億日元。這表明工業(yè)電動機(jī)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(jī)器人的重要性。因此，工業(yè)電動機(jī)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(jī)器人的需求量仍在上升。從 2001 到 2006，超過 90000 的全球經(jīng)濟(jì)增長中的訂單。7%的平均年增長率。國際工業(yè)電動機(jī)器人的發(fā)展方向：電動機(jī)器人涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域的知識。包括：計算機(jī)，電子，控制，人工智能，傳感器，通信和網(wǎng)絡(luò)，控制，機(jī)械等。電動機(jī)器人的發(fā)展離不開主題。正是由于各學(xué)科整合的相互作用，創(chuàng)建一個自動化程度高，其。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，在電動機(jī)器人的應(yīng)用范圍越來越廣泛；技術(shù)越來越高，功能更強(qiáng)大。它是電動機(jī)器人的研究向小型化發(fā)展。電動機(jī)器人將更多地進(jìn)入人們的日常生活。總的發(fā)展趨勢是模塊化，標(biāo)準(zhǔn)化，智能化。廣泛應(yīng)用于工業(yè)電動機(jī)器人，以提高質(zhì)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(qiáng)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(yīng)用于工業(yè)電動機(jī)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(jī)器人工業(yè)是一個大型高新技術(shù)工業(yè)計算機(jī)，后車?，F(xiàn)代軍事工業(yè)，電動機(jī)械發(fā)展的市場前景是非常好的。從第二十世紀(jì)起，電動機(jī)械行業(yè)的穩(wěn)步增長。在第二十世紀(jì)九十年代，電動機(jī)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(jī)器人的更多需求，年增長率高達(dá)百分之四十三。經(jīng)過 40 年的發(fā)展，應(yīng)用工業(yè)電動機(jī)器人的許多領(lǐng)域。生產(chǎn)中使用最廣泛的電動機(jī)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(jī)器人，極大地提高了生產(chǎn)效率。12第 2 章 圖書館輔助機(jī)器人的設(shè)計要求與方案2.1 圖書館輔助機(jī)器人的設(shè)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(shè)計一個圖書館輔助機(jī)器人。本課題所要求設(shè)計的輔助機(jī)器人，主要用于完成圖書的上架工作。因此要求機(jī)器人具有行走、自動識別圖書類別、并將圖書放置于準(zhǔn)確位置等功能。同時機(jī)器人應(yīng)具有靈活、安全性好等特點。課題研究內(nèi)容包括機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計和機(jī)電系統(tǒng)的方案設(shè)計。2.2 基本設(shè)計思路2.2.1 系統(tǒng)分析該機(jī)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(jī)械化，自動化的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的需要，從而判斷是否適當(dāng)?shù)臋C(jī)器人。以完成機(jī)器人的設(shè)計，一般都要先做以下工作：（1）根據(jù)使用場合的機(jī)器人的，明確的目標(biāo)和任務(wù)。（2）機(jī)器人的工作環(huán)境分析。（3）對系統(tǒng)要求的分析，確定了機(jī)器人和方案的基本功能，如自由度的數(shù)目，機(jī)器人的運(yùn)動速度，定位準(zhǔn)確，抓住重。此外，根據(jù)抓斗電動質(zhì)量，形狀，尺寸和批量生產(chǎn)，以確定的形式和機(jī)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(jī)械設(shè)計問題，機(jī)器人是圖書的上架機(jī)器人。雖然機(jī)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(jī)器人我選擇的是材料的電動機(jī)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(jī)械廠，準(zhǔn)確度高，故障率低，速度。2.2.2 總體設(shè)計框圖人機(jī)交互系統(tǒng)( 系統(tǒng)軟件 、 編程語言系統(tǒng) )控制器及控制算法控制系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng) ( 各驅(qū)動器 )機(jī)械系統(tǒng) ( 機(jī)身 、 臂部 、手腕 、 手爪 )作業(yè)對象內(nèi)部傳感器信息反饋工作對象及環(huán)境信息反饋感知系統(tǒng)13圖 2 總體設(shè)計框圖如圖 2 為總設(shè)計框圖，說明如下：(1) 控制系統(tǒng)：任務(wù)是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序和傳感器反饋回來的信號，控制機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使其完成規(guī)定的運(yùn)動和功能。主要設(shè)計目標(biāo)為 CPU 的選擇，CPU 程序的編寫調(diào)試等。(2) 驅(qū)動系統(tǒng)：驅(qū)動系統(tǒng)工作的驅(qū)動裝置。(3) 機(jī)械系統(tǒng)：包括機(jī)身、機(jī)械臂、手腕、手爪。需要確定其自由度、坐標(biāo)形式，并計算得出具體結(jié)構(gòu)。(4) 感知系統(tǒng)：即傳感器的選擇及具體作用。2.2.3 電動機(jī)器人的基本參數(shù)1. 機(jī)器人的最大電動物料的重量是它的主參數(shù)。2. 運(yùn)動速度直接影響機(jī)器人的動作快慢和機(jī)器人動作的穩(wěn)定性，所以運(yùn)動速度也是是物料電動機(jī)器人的一個主要的基本參數(shù)。設(shè)計速度過低的話，會無法滿足機(jī)器人的動作功能，限制機(jī)器人的使用范圍。設(shè)計的速度過高又會加重機(jī)器人的負(fù)載并影響機(jī)器人動作的平穩(wěn)性。3. 伸縮行程和工作半徑是決定機(jī)器人工作范圍及整機(jī)尺寸的關(guān)鍵，也是機(jī)器人設(shè)計的基本參數(shù)。3.定位精度也是機(jī)器人的主要基本參數(shù)之一。機(jī)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(jī)器人的定位精度設(shè)定定位精度±0.3mm。物料電動機(jī)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(jī)器人各關(guān)節(jié)的行程和時間分配來決定。2.3 電動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)所設(shè)計的機(jī)器人的運(yùn)動方式：機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動，機(jī)械臂的升降。根據(jù)上文所說的，機(jī)器人按照坐標(biāo)的分類情況，選擇圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人更為妥當(dāng)。2.4 機(jī)器人材料的選擇機(jī)器人的材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作條件，滿足機(jī)器人的設(shè)計和制造要求。從設(shè)計思想，機(jī)械臂完成各種運(yùn)動。因此，對材料的要求是為移動部件，它應(yīng)該是輕質(zhì)材料。另一方面，手臂振動經(jīng)常的運(yùn)動過程中，這將大大減少它的運(yùn)動精度。所以在材料的選擇上，綜合考慮的質(zhì)量，剛度，阻尼的需要，從而有效地提高了機(jī)械臂的動力學(xué)性能。此外，機(jī)器人選材料和不同材料的一般結(jié)構(gòu)。機(jī)器人是一種伺服機(jī)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，質(zhì)量性能的考慮?？傊?，選擇一個機(jī)械臂的材料，應(yīng)考慮強(qiáng)度，剛度，重量輕，彈性，耐沖擊，外14觀和價格等因素。這里有幾個機(jī)器人使用的材料：（L）的高強(qiáng)度鋼，碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼：這類材料的強(qiáng)度，特別是合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)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(zhì)量，但易碎，但處理不好，接頭需要特殊的設(shè)計與金屬零件。然而，日本已開發(fā) ARM 陶瓷機(jī)器人用于高速機(jī)器人的樣品；從機(jī)器人設(shè)計的角度來看，不需要負(fù)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(jié)合鋁合金的初步選擇的工作條件，如機(jī)械臂組件。2.5 機(jī)械臂的運(yùn)動方式機(jī)器人的運(yùn)動形式有五種常見的 SCARA 型，直角坐標(biāo)式極坐標(biāo)型，聯(lián)合型和圓柱坐標(biāo)。根據(jù)運(yùn)動形式的選擇主要運(yùn)動參數(shù)為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。一種運(yùn)動形式以滿足不同生產(chǎn)工藝的需要，可以采用不同的結(jié)構(gòu)。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(jī)器人的定位 2 個肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)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(guān)節(jié)的兩個正交軸。平行于第二軸肩關(guān)節(jié)，考慮到機(jī)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(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，關(guān)節(jié)式機(jī)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(jī)械臂操作，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，關(guān)節(jié)相對運(yùn)動部位易密封與防塵。但這種機(jī)器人運(yùn)動學(xué)逆解比較復(fù)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(yùn)動方式2.6 電動機(jī)器人驅(qū)動方式的選擇機(jī)器人使用的驅(qū)動方式主要有電動驅(qū)動，電動驅(qū)動和電機(jī)驅(qū)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(jié)構(gòu)相對簡單的速度不易控制，精度不高。油馬達(dá)驅(qū)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(jī)15制，高效，靈活的控制。電動驅(qū)動的特點是功率大，結(jié)構(gòu)簡單，省去了減速裝置，響應(yīng)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(qū)動電機(jī)，但考慮到純機(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)器人的運(yùn)動并不能達(dá)到理想的傳播效果。如果你使用電動或電動傳動機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)，必須與回轉(zhuǎn)電動或旋轉(zhuǎn)電動缸，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不利于設(shè)計。改進(jìn)后的方案，將驅(qū)動方式分為兩個部分。其機(jī)械臂伸縮，升降機(jī)器人抓抓，采用電動驅(qū)動方式。2.7 動作要求分析動作一：送圖書動作二：預(yù)夾緊動作三：手臂上升動作四：手臂旋轉(zhuǎn)動作五：小臂伸長動作六：手腕旋轉(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(jī)器人動作簡易圖2.8 電動機(jī)器人結(jié)構(gòu)及驅(qū)動系統(tǒng)選型本課題所設(shè)計的電動機(jī)器人為通用型的電動機(jī)器人，其中坐標(biāo)系為圓柱坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)。驅(qū)動系統(tǒng)選用電動缸驅(qū)動和電動驅(qū)動，電動驅(qū)動用于機(jī)座的旋轉(zhuǎn)和手臂的上下移動，電動驅(qū)動用于手臂的伸縮和電動機(jī)器人的夾取和翻轉(zhuǎn) [3]。1617第 3 章 圖書館輔助機(jī)器人機(jī)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(yùn)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(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作。4.滑槽式手爪 當(dāng)活塞向前運(yùn)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(dāng)活塞向后運(yùn)動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。5.平行杠桿式手爪不 需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此，比帶有導(dǎo)軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多結(jié)合具體的工作情況，采用連桿杠桿式手爪。驅(qū)動活塞 往復(fù)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(dāng)?shù)膴A緊力手部在工作時，應(yīng)具有適當(dāng)?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(yīng)該設(shè)計得可以調(diào)節(jié)，對于笨重的工件應(yīng)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18張開和閉合裝置?？捎瞄_閉角和手指夾緊端長度表示。于回轉(zhuǎn)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(guān)c．力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小作時運(yùn)動狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直接影響整個氣壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運(yùn)動速度等性能。手部處于腕部的最前端，工因此，在設(shè)計手部時，必須力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小。d．手指應(yīng)有一定的強(qiáng)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(shè)計計算手爪要能抓起工件必須滿足： （3-6）GkN321?式中， -----為所需夾持力；N-----安全系數(shù)，通常取 1.2~2；1k-----為動載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響可按 估算， 為機(jī)械手在2 gak??12搬運(yùn)工件過程的加速度 ， ， 為重力加速度；2/sm2/8.9sa?g-----方位系數(shù)，查表選取 ；3k 13?k-----假設(shè)被抓持工件的重量 20 ； G帶入數(shù)據(jù)，計算得： ；N240?理論驅(qū)動力的計算： （3-7）??1Rbp式中， ----為柱塞缸所需理論驅(qū)動力；p----為夾緊力至回轉(zhuǎn)支點的垂直距離；b-----為扇形齒輪分度圓半徑；R-----為手指夾緊力；N---齒輪傳動機(jī)構(gòu)的效率，此處選為 0.92；?19其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計算得 NP370?計算驅(qū)動力計算公式為： （3-8 ）?Fkc41式中， -----為計算驅(qū)動力；cF---安全系數(shù)，此處選 1.2；1k---工作條件系數(shù)，此處選 1.1；43.2 升降方向的電動缸設(shè)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(shè)計現(xiàn)設(shè)絲杠在有效行程 500 mm 時，行程偏差允許達(dá)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(jìn)給力加摩擦力，最小載荷即為摩擦力。設(shè)此 Z向的最大進(jìn)給力 =5000N，移動部件的重量約為 500㎏，摩擦系數(shù)為 0.04，故絲杠Ff的最小載荷（即摩擦力）（N） (3.3)1968.504.min???fg絲杠最大載荷是：5000＋196＝5196（N） (3.4)Fax平均載荷是：= × = ≈ 3529（N） (3.5)m??inax2?31??319652??（2）當(dāng)量動載荷的計算 滾珠絲杠副類型的選擇主要是根據(jù)導(dǎo)程和動載荷兩個參數(shù),其選擇的原則為:①滾珠20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(qū)動電機(jī)最高轉(zhuǎn)速 2000 r/min絲杠最高轉(zhuǎn)速為 2000r/min，工作臺最小進(jìn)給速度為 0.5m/min，故絲杠的最低轉(zhuǎn)速為 0.1r/min，可取為 0，則平均轉(zhuǎn)速 n=1000r/min。絲杠使用壽命 T=15000h，故絲杠的工作壽命= =675（ r） (3.6)106nTL?1065?106?當(dāng)量動載荷值： (3.7)KaLpFmC3?式中： ——載荷性質(zhì)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Kp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a Ka精度的絲杠取 =0.9。Ka根據(jù)要求去 =1.5， =0.9，代入數(shù)據(jù)得p≈51.59（KN） (3.8)9.0367512??Cm根據(jù)計算所得最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)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(yù)緊滾珠絲杠副，其公稱直徑為 63mm，導(dǎo)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(shè)計要求。Cm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(jié)果公稱直徑（mm）0d63螺距(mm) P 10接觸角 ?6.30鋼球直徑(mm) wd7.14421螺紋滾道法面半徑(mm)R715.352.0?dW偏心距(mm) e0.009螺紋升角(mm) ?=Pharctg??6.0絲杠外徑(mm) 1d62.5絲杠底徑(mm) 257.3螺桿接觸直徑(mm)z55.87螺母螺紋外徑(mm)D412.7020????Red螺母內(nèi)徑(mm)（內(nèi)循環(huán)）162.64（3）傳動效率的計算將公稱直徑 =63mm，導(dǎo)程 =10mm，代入 λ=arctan[ ]，的絲杠螺旋升d0PdP0?角 λ= 。將摩擦角 ，代入 = ，得傳動效率 =93.7%。6.01'????????tan?（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(jié)構(gòu)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(yīng)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 ?1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)dw0?×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(yù)緊時，???ZZ?取軸向預(yù)緊力 =1732（N） 。查相關(guān)公式得滾珠絲杠與螺紋滾道間接觸變3maxFy形(3.9)301.ZFydwPa???式中 = 51590N。代入數(shù)據(jù)得；PaCm22= = 0.013(mm)301.ZFydwPa??? 3320174.5190.0??因為絲杠有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載 ，所以實際變形量可以減少一半，取=0.0065mm。?1b、絲杠在工作載荷 作用下的抗壓變形Fmax?2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，105.2?PaMdwd2則絲杠的截面積： =1540.6( )42S??m2根據(jù)公式 代入數(shù)據(jù)得：EFeq??2=0.018(mm)6.1540.29??C、總的變形 總= =0.0065+0.018=0.0245mm,絲杠的有效行程為 600， 絲杠在有效行程?總 21?500—630mm 時，行程偏差允許達(dá)到 30μm,，可見絲杠剛度足夠。（5）穩(wěn)定性的驗算(3.10)KLEIfkPa2??公式中取支撐系數(shù) =2，fk由絲杠底徑 =43.3mm 求的截面慣性矩 =188957.7( )，壓桿穩(wěn)定d2642dI??m4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aL?1200mm，代入公式得：=181129.6(㎏)31207.895.4.3???Pa則 f=181129.6N 大于 =51590N，故不會失穩(wěn)，滿足使用要求。Cm23（6）臨界轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，設(shè)不會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速 。nc查資料得公式 ： (3.11)Lcdfc2910?其中： (mm)；43.5.7632.10????dwd為臨界轉(zhuǎn)速計算長度 =1200(mm)；LcLc為絲杠支承方式系數(shù) （一端固定，一端游動）f292.f代入數(shù)據(jù)得： 4397(r/min),臨界速度遠(yuǎn)大于絲杠所需轉(zhuǎn)速，故不會發(fā)生共振。?nc（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(yīng)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(shè)計絲杠支承選用一端固定，另一端浮動。 3.3 伺服電機(jī)的選擇3.3.1 最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算所選伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩。最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T 可根據(jù)以下公式計算，即(3.12)iTfpPhFT????????02max??從前面的計算可以知道，最大載荷 N，絲杠導(dǎo)程 =10mm=0.01m，預(yù)緊5196a?Ph力 = N，根據(jù)計算的滾珠螺母絲杠的機(jī)械效率 =0.947，因CaFp41?139056?? ?為滾珠絲杠預(yù)加載荷引起的附加摩擦力矩：24（N ·m） (3.13)7.48.29013.0???PhFTp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(yù)緊，其摩擦力矩可忽略不計。伺服電動機(jī)與絲杠直Tf0接相連，其傳動比 =1，則最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩：i(N·m)7.146.0947.02156?????T所選的伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)該大于此值。3.3.2 負(fù)載慣量的計算伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量 應(yīng)與負(fù)載慣量 相匹配。JMJL負(fù)載慣量可以按一下次序計算。質(zhì)量為 500㎏，折算到電動機(jī)軸上的慣量 可按J1下式計算，(kg·㎡) (3.14)??025.1.8021??????????PhmvJ絲杠名義直徑 =63mm=0.063m，長度 L=1.2m 絲杠材料（鋼）的密度d0ρ=7.8 ㎏· 。根據(jù)公式計算絲杠加在電動機(jī)軸上的慣量13?(㎏·㎡) (3.15)347.81.20640.57203lJd??????聯(lián)軸器加上鎖緊螺母等的慣量 可直接查手冊得到，即 (㎏·㎡)J01.3?J故負(fù)載總的慣量為(㎏·㎡)92.01.57.02.313????J電動機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量 應(yīng)與負(fù)載慣量 相匹配。通常要求 不小于 ，但MJLJMJL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JMJ證足夠的角加速度，以滿足系統(tǒng)反應(yīng)的靈敏的，將采用轉(zhuǎn)矩較大的伺服電動機(jī)和它的伺服控制系統(tǒng)。根據(jù)有關(guān)資料的推薦，匹配條件為：25(3.16)41?JLM則所選交流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量 應(yīng)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(jī) α22/3000i 型，其額定轉(zhuǎn)矩為22N·m，最高 ，轉(zhuǎn)動慣量 J=0.012㎏·㎡。min30axrn?表 3.2 FANUCα(HV)i 系列交流伺服電機(jī)型號 α1/ 5000iα2/ 5000iα4/ 4000iα8/ 3000iα12/ 3000iα22/3000i輸出功率/kw0.5 0.75 1.4 1.6 3 4額定轉(zhuǎn)矩(N·m)1 2 4 8 12 22最高轉(zhuǎn)速min1?5000 5000 4000 3000 3000 3000轉(zhuǎn)動慣量(㎏·㎡)0.00031 0.00053 0.0014 0.0026 0.0026 0.012質(zhì)量㎏ 3 4 8 12 18 29伺服放大器規(guī)格 20i 20i 20i 40i 80i 80i3.3.3 空載加速轉(zhuǎn)矩計算當(dāng)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(zhuǎn)矩 按下式求，Ta(3.17)tacnJT60mx2??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(jī),總慣量0.0120+0.0092=0.0212(㎏·㎡)?JLM加速度時間 通常取 的 3~4 倍，故 =(3~4) =(3~4)×6=18~24(ms)，則tactmtactm26(N·m)173~060154.321.0???tacTa3.4 水平方向電動缸的設(shè)計滾珠絲桿副就是由絲桿、螺母和滾珠組成的一個機(jī)構(gòu)。他的作用就是把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。絲桿和螺母之間用滾珠做滾動體，絲杠轉(zhuǎn)動時帶動滾珠滾動。設(shè) X 向最大行程為 300mm,最快進(jìn)給速度為 18m/min,假設(shè)大概質(zhì)量為 80kg,移動部件大概質(zhì)量為 30kg，工作臺最大行程為 300mm。3.4.1 導(dǎo)程確定電機(jī)與絲桿通過聯(lián)軸器連接，故其傳動比 i=1, 選擇電機(jī) Y 系列異步電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 ，則絲杠的導(dǎo)程為cmkgfMrn .2min,/150maxmax ??最 大 轉(zhuǎn) 矩取 Ph=12mmVPH150/18/axee3.4.2 確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速基本公式 min)/(rPVnh=最大進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 min)/(1502/8/ax rh=最小進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 i/3./miniPVh=絲桿的等效轉(zhuǎn)速 in)/(/)(212in1axrttt+式中取 故21t=min)/(03.1)/((212min1ax rtttnm=+3.4.3 確定絲桿的等效負(fù)載工作負(fù)載是指機(jī)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(jìn)給27牽引力的實驗公式計算。選定導(dǎo)軌為滑動導(dǎo)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 NGFGFGfKFZx 215-)2(03.3.12-)2( 3y12yma =++=++= ）（）（）（0in其等效載荷按下式計算（式中取 ， ）21t=1nNtnFFm49)(321mi3ax+=3.4.4 確定絲桿所受的最大動載荷 316mhkahtwm10)nT(ffFCar=fw-------負(fù)載性質(zhì)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(fù)載nz-------等效轉(zhuǎn)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(jī)械預(yù)期工作時間 Lh28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(fù)載性質(zhì)系數(shù) fw3.4.5 精度的選擇滾珠絲杠副的精度對電氣機(jī)床的定位精度會有影響，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，導(dǎo)程誤差對機(jī)床定位精度是最明顯的。一般在初步設(shè)計時設(shè)定絲杠的任意 300 行程變m動量 應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)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30V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(shè)計的定位精度要求及其經(jīng)濟(jì)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）KN29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(yù)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/μm3.5 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(zhuǎn)剛度影響扭轉(zhuǎn)固有頻率。承受軸向負(fù)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(fù)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(fù)荷按下列計算： NFKLEIfFcr max201e=?式中 E------材料的彈性模量 E 鋼 =2.1X1011（N/m 2）LO-------最大受壓長度（m）K1-------安全系數(shù)，取 K1=1.3Fmax-------最大軸向工作負(fù)荷（N）f1-------絲桿支撐方式系數(shù)：f 1=15.1I=絲桿最小截面慣性距（m 4）442)2.1_(6woddI?=