图书馆辅助机器人的设计-图书摆放电动圆柱坐标机器人含14张CAD图

图书馆辅助机器人的设计-图书摆放电动圆柱坐标机器人含14张CAD图,图书馆,辅助,机器人,设计,图书,摆放,电动,圆柱,坐标,14,CAD 题目：图书馆辅助机器人的设计 学 号：XXX 姓 名：XXX 指导教师：XXX 日 期：20XX年5月5日一.课题背景 在大型图书馆中，图书的上下架是一项重要而繁重的工作，在大型图书馆中，图书的上下架是一项重要而繁重的工作，重复量很大，而大量的人工操作与现代高速发展的科技不重复量很大，而大量的人工操作与现代高速发展的科技不相匹配相匹配 ，机器人，机器人 进入图书馆已经变得越来越重要。尤其进入图书馆已经变得越来越重要。尤其在未来的书库管理中，在未来的书库管理中，图书的上架、图书的上架、下架、下架、整理、整理、清点、清点、查找等大量基础性、需要人工完成的工作，查找等大量基础性、需要人工完成的工作，最好的方式是最好的方式是用机器人来代替，用机器人来代替，从而将馆员从繁重、从而将馆员从繁重、单调的工作中解单调的工作中解放出来，机器人将发挥巨大作用、放出来，机器人将发挥巨大作用、扮演越来越重要的角色。扮演越来越重要的角色。二.课题设计的目的、意义 本次设计主要设计一个能够完成图书上架等工作的图书馆本次设计主要设计一个能够完成图书上架等工作的图书馆辅助机器人，要求机器人具有行走、自动识别图书类别、辅助机器人，要求机器人具有行走、自动识别图书类别、并将图书放置于准确位置等功能。同时机器人应具有灵活、并将图书放置于准确位置等功能。同时机器人应具有灵活、安全性好等特点。安全性好等特点。通过对机器人系统的结构及系统控制方案进行设计，培养通过对机器人系统的结构及系统控制方案进行设计，培养学生在机械设计，机电一体化系统的方案论证与分析设计学生在机械设计，机电一体化系统的方案论证与分析设计等方面的能力，从而能够具备一定的分析问题和解决问题等方面的能力，从而能够具备一定的分析问题和解决问题的能力。的能力。三.课题预期完成的内容 对图书馆机器人的国际及国内研究现状进行文献综述对图书馆机器人的国际及国内研究现状进行文献综述 对机器人的移动及执行机构进行运动学分析计算对机器人的移动及执行机构进行运动学分析计算 机器人相关元件的选型与系统集成方案设计机器人相关元件的选型与系统集成方案设计 机器人整体结构的设计机器人整体结构的设计 绘制机器人整体三维机构图绘制机器人整体三维机构图 机器人整体装配图和零件图合计机器人整体装配图和零件图合计3 3张（手绘一张）张（手绘一张）主要元件选型结果及机电系统原理方案主要元件选型结果及机电系统原理方案 设计说明书两万字设计说明书两万字 四.辅助机器人的具体设计方案与原理图 底座小车的底座小车的3 3个车轮互成个车轮互成120120度，车轮采用瑞典轮，度，车轮采用瑞典轮，3 3个独个独立电机驱动和转向，实现机器人全方位移动。立电机驱动和转向，实现机器人全方位移动。机器人本体为单臂结构机器人本体为单臂结构,采用直角坐标系，具有采用直角坐标系，具有4 4个自由度个自由度的机械手和的机械手和2 2个手指的个手指的“手手”，末端执行器则可以采用两，末端执行器则可以采用两指结构，用于夹持图书，机械手上装备有摄像机和传感器，指结构，用于夹持图书，机械手上装备有摄像机和传感器，用来识别图书和定位末端执行器。用来识别图书和定位末端执行器。机器人机身部位装有图书存储栏，用来放置待上架的图书。机器人机身部位装有图书存储栏，用来放置待上架的图书。轴系爆炸图轴系装配图系全方位轮构型图五.工作安排 1212周，文献查阅，确定结构方案，完成开题报告周，文献查阅，确定结构方案，完成开题报告 3434周，机器人移动部分设计计算，操作机构分析计算周，机器人移动部分设计计算，操作机构分析计算 5656周，机器人的车体及框架部分三维设计周，机器人的车体及框架部分三维设计 7878周，机器人的操作部分三维设计及机电控制系统原理周，机器人的操作部分三维设计及机电控制系统原理方案方案 910910周，机器人的整体装配图绘制周，机器人的整体装配图绘制 11121112周，机器人的零件图绘制周，机器人的零件图绘制 13141314周，撰写论文周，撰写论文七.参考文献1.1.蔡自兴蔡自兴.机器人学基础机器人学基础.机械工业出版社机械工业出版社,2009,20092.Mingfang Du,Jianjun Fang;Lipeng Wang.A parameter self-tuning 2.Mingfang Du,Jianjun Fang;Lipeng Wang.A parameter self-tuning fuzzy-PID control system for pneumatic manipulator of library robot.fuzzy-PID control system for pneumatic manipulator of library robot.International Conference on Electronics,Communications and International Conference on Electronics,Communications and Control(ICECC),2011:4111-4115Control(ICECC),2011:4111-41153.Bdiwi,M.,Suchy,J.Library automation using different structures of 3.Bdiwi,M.,Suchy,J.Library automation using different structures of vision-force robot control and automatic decision system IEEE/RSJ vision-force robot control and automatic decision system IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems International Conference on Intelligent Robots and Systems(IROS),2012:1677-1682(IROS),2012:1677-1682 4.4.崔建伟，宋爱国，庄皓兰等崔建伟，宋爱国，庄皓兰等.机器人技术在图书馆自动化系统中的应用机器人技术在图书馆自动化系统中的应用研究研究.机器人技术与应用，机器人技术与应用，2009,11:33-352009,11:33-355.R5.R 西格沃特等西格沃特等.自主移动机器人导论自主移动机器人导论.西安交通大学出版社西安交通大学出版社,2013,2013 谢 谢！ 图书馆辅助机器人的设计 摘 要 机器人是在在机械化、自动化生产过程中发展的一种新型装置,使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置。机器人能代替人类、重复枯燥完成危险工作，提高劳动生产力,减轻人劳动强度。该装置涵盖了位置控制技术可编程控制技术、检测技术等。本课题拟开发的物料电动机器人可在空间抓放物体，动作灵活多样，根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数,可代替人工在高温危险区进行作业，。 本课题所要求设计的辅助机器人，主要用于完成图书的上架工作。因此要求机器人具有行走、自动识别图书类别、并将图书放置于准确位置等功能。同时机器人应具有灵活、安全性好等特点。课题研究内容包括机器人整体结构设计和机电系统的方案设计。 关键词：机器人, 电动机器人，图书馆辅助，提升 7 Abstract The 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, improve 目 录 摘 要 II Abstract III 第1章 绪论 1 1.1课题背景及目的 1 1.2 本课题研究的目的和意义 2 1.3 工业机器人概念 2 1.4 国内机器人的研究 2 第2章 图书馆辅助机器人的设计要求与方案 4 2.1图书馆辅助机器人的设计要求 4 2.2 基本设计思路 4 2.2.1 系统分析 4 2.2.2 总体设计框图 4 2.2.3 电动机器人的基本参数 5 2.3 电动机器人结构设计 5 2.4 机器人材料的选择 5 2.5机械臂的运动方式 6 2.6 电动机器人驱动方式的选择 6 2.7 动作要求分析 7 2.8 电动机器人结构及驱动系统选型 7 第3章 图书馆辅助机器人机械部分的设计计算 9 3.1 手爪夹持器结构设计与校核 9 3.1.1手爪夹持器种类 9 3.1.2夹持器设计计算 10 3.2升降方向的电动缸设计 11 3.2.1滚珠丝杠的精度 11 3.2.2 滚珠丝杠参数的计算 11 3.3伺服电机的选择 15 3.3.1最大负载转矩的计算 15 3.3.2负载惯量的计算 16 3.3.3空载加速转矩计算 17 3.4 水平方向电动缸的设计 18 3.4.1导程确定 18 3.4.2确定丝杆的等效转速 18 3.4.3确定丝杆的等效负载 18 3.4.4确定丝杆所受的最大动载荷 19 3.4.5精度的选择 20 3.4.6选择滚珠丝杆型号 20 3.5校核 21 3.5.1 临界压缩负荷验证 21 3.5.2临界转速验证 22 3.5.3丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率 22 3.6电机的选择 23 3.6.1电机轴的转动惯量 23 3.6.2电机扭矩计算 24 第4章 竖直方向电动缸 27 4.1 滚珠丝杠计算、选择 27 4.2 步进电机惯性负载的计算 30 4.3底座回转机构设计计算 32 4.4机身结构的设计校核 32 4.4.1选择伺服电机的具体型号和参数 32 4.4.2标准斜齿圆柱齿轮传动的强度计算 34 4.4.3本机构中齿轮传动设计与校核 34 4.5轴的设计计算 39 4.5.1轴的设计概述 39 4.5.2轴的强度校核 42 总结 46 参考文献 47 致 谢 48 第1章 绪论 1.1课题背景及目的 由于现代科学技术的发展，在工业生产和日常生活中，电动机器人技术得到了广泛的应用。智能型电动机器人的研究是近年来科学家同意致力的方向。式电动机器人的人体模型，它可以模拟各种人类行为和人类的外部特征。未来的电动机器人的管家将不是梦想。 根据不同的电动机器人的结构，电动机器人可以分为各种各样的。轮式移动机器人，履带式电动机器人，机器人，行走电动机器人等。值得一提的是，行走电动机器人，他是近年来的一个重要研究成果。移动它最喜欢的动物甚至人类交谈。这是一个非常复杂的自动化程度很高的运动。与传统的轮式和履带式电动机器人相比，对环境的适应性。在工作空间很小，在崎岖的道路上，楼梯等。不久的将来，这项技术将被广泛使用。 在研究中，电动机械的生产，对电动机器人设计的计算机模拟中的应用是一个非常重要的过程。包括零件建模，装配电动机器人的仿真，与运动仿真。通过仿真，设计师可以观察各机构的运动非常直观，知道没有干扰；可以了解各部件的受力，不同的模拟数据。该方法大大降低了开发时间和成本。 在学校的毕业设计是机械设计制造及其自动化专业学习的最后一个环节，学习在大学四年的继续深化和检验，具有实践性和综合性，是不是一个单一的其他替代方案，通过毕业设计可以提高综合能力的培养，是要去上班，提高实际工作能力起着非常重要的作用。为了实现以下目标： （1）的基本理论，基本知识和基本技能的综合运用，提高分析和解决实际问题的能力。 （2）接受全面的培训工程师必须，提高实际工作能力。为调查研究，文献和数据收集和分析能力；设计和开发测试计划能力；设计，计算和绘图能力的提高；总结和撰写论文的能力。 （3）的综合素质和实践能力的测试。 1.2 本课题研究的目的和意义 （1）通过对图书馆辅助机器人的设计使我们得到对所学相关课程的综合训练； （2）在大型图书馆中，图书的上架是一个重要而繁重的工作。为减轻工作人员的劳动、提高效率及缩短图书的上架时间，为此本课题提出设计一个图书馆辅助机器人。 （3）本设计的主要任务是把主要用于完成图书的上架工作。因此要求机器人具有行走、自动识别图书类别、并将图书放置于准确位置等功能。同时机器人应具有灵活、安全性好等特点。 传统夹紧机构对加工时的干涉太大，对生产量影响较大，设计一款新的夹紧机构，使得加工时间缩短，加工精度得到保证，生产量得到提高。 1.3 工业机器人概念 目前，工业机器人的概念，世界是不统一，分类是不一样的。国际标准化联合国最近采用了美国机器人协会定义了工业机器人的组织：工业机器人是一种可编程的多功能操作装置，可以改变行动计划，完成各种工作，主要用于材料处理，工件传送。 电动机器人（机器人）是一台自动执行工作。它是一个产品的控制理论，先进的集成机械电子，计算机，材料和仿生。在工业，医学，农业，建筑业甚至军事等领域中均有重要的应用。 电动机器人是一种有代表性的，机械的和电子控制系统，自动化程度高的生产工具，在近50年的发展。在制造业中，电动工业机器人技术已经得到了广泛的应用。这是一个高的自动化程度，改善劳动条件，保证产品质量和提高工作效率，发挥了非常重要的作用。可以说，他是现代工业的技术革命。 执行系统一般包括手，腕，臂，底座，一个主要的运动系统。 主要由电动机器人执行系统，驱动系统和控制系统三部分。 手抓和松开工件或工具的部分，由手指（或吸收），驱动元件和驱动元件。 1.4 国内机器人的研究 工业电动机器人的应用在日本有着悠久的历史。在七十年代当工业电动操纵器，然后经过十年的发展，已在工业电动机器人八十年代流行。他们的年工业产值迅速增加。1980达到一千亿日元，1990至六千亿日元。在2004达到了一兆和八千五百亿日元。这表明工业电动机器人在提高生产效率的重要性。 在国际上，各个国家都实现了工业电动机器人的重要性。因此，工业电动机器人订单锐减。相比于2003 2002百分之十的增长的订单。然后工业电动机器人的需求量仍在上升。从2001到2006，超过90000的全球经济增长中的订单。7%的平均年增长率。 国际工业电动机器人的发展方向： 电动机器人涉及多学科、多领域的知识。包括：计算机，电子，控制，人工智能，传感器，通信和网络，控制，机械等。电动机器人的发展离不开主题。正是由于各学科整合的相互作用，创建一个自动化程度高，其。随着科学技术的进步，在电动机器人的应用范围越来越广泛；技术越来越高，功能更强大。它是电动机器人的研究向小型化发展。电动机器人将更多地进入人们的日常生活。总的发展趋势是模块化，标准化，智能化。 广泛应用于工业电动机器人，以提高质量和生产力，产品安全人员安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高生产效率，节约原材料的消耗，降低了生产成本，具有非常重要的作用。广泛应用于工业电动机器人的以人为本的原则，它的出现使人们的生活更方便、美好。电动机器人工业是一个大型高新技术工业计算机，后车。现代军事工业，电动机械发展的市场前景是非常好的。从第二十世纪起，电动机械行业的稳步增长。在第二十世纪九十年代，电动机械产品的开发和快速增长，年均增长率超过百分之十。在2004到百分之二十的记录。亚洲电动机器人的更多需求，年增长率高达百分之四十三。经过40年的发展，应用工业电动机器人的许多领域。生产中使用最广泛的电动机器人。如制造焊接，热处理，表面涂层，加工，装配，测试和仓库，毛（冲压，压铸，锻坯等）等操作，代替人工操作的电动机器人，极大地提高了生产效率。 第2章 图书馆辅助机器人的设计要求与方案 2.1图书馆辅助机器人的设计要求 在大型图书馆中，图书的上架是一个重要而繁重的工作。为减轻工作人员的劳动、提高效率及缩短图书的上架时间，为此本课题提出设计一个图书馆辅助机器人。 本课题所要求设计的辅助机器人，主要用于完成图书的上架工作。因此要求机器人具有行走、自动识别图书类别、并将图书放置于准确位置等功能。同时机器人应具有灵活、安全性好等特点。课题研究内容包括机器人整体结构设计和机电系统的方案设计。 2.2 基本设计思路 2.2.1 系统分析 该机器人是实现生产过程自动化，提高劳动生产率的有力工具。为了在生产过程实现自动化，机械化，自动化的综合技术经济分析的需要，从而判断是否适当的机器人。以完成机器人的设计，一般都要先做以下工作： （1）根据使用场合的机器人的，明确的目标和任务。 （2）机器人的工作环境分析。 （3）对系统要求的分析，确定了机器人和方案的基本功能，如自由度的数目，机器人的运动速度，定位准确，抓住重。此外，根据抓斗电动质量，形状，尺寸和批量生产，以确定的形式和机器人的位置和握力的大小。 在这方面，我分析如下： （1）为手材料机械设计问题，机器人是图书的上架机器人。虽然机器人的使用场合，也非常广泛，涉及到材料的状态，环境因素的作业线，比我的知识和能力 （2）由于机器人我选择的是材料的电动机器人，小对象处理非生产线。因此，系统的工作环境下，机械厂，准确度高，故障率低，速度。 2.2.2 总体设计框图 图2 总体设计框图 如图2为总设计框图，说明如下： (1) 控制系统：任务是根据机器人的作业指令程序和传感器反馈回来的信号，控制机器人的执行机构，使其完成规定的运动和功能。主要设计目标为CPU的选择，CPU程序的编写调试等。 (2) 驱动系统：驱动系统工作的驱动装置。 (3) 机械系统：包括机身、机械臂、手腕、手爪。需要确定其自由度、坐标形式，并计算得出具体结构。 (4) 感知系统：即传感器的选择及具体作用。 2.2.3 电动机器人的基本参数 1. 机器人的最大电动物料的重量是它的主参数。 2. 运动速度直接影响机器人的动作快慢和机器人动作的稳定性，所以运动速度也是是物料电动机器人的一个主要的基本参数。设计速度过低的话，会无法满足机器人的动作功能，限制机器人的使用范围。设计的速度过高又会加重机器人的负载并影响机器人动作的平稳性。 3. 伸缩行程和工作半径是决定机器人工作范围及整机尺寸的关键，也是机器人设计的基本参数。 3.定位精度也是机器人的主要基本参数之一。机器人精度太低，就完成不了功能，精度太高又意味着成本的增加。综合考虑，该物料电动机器人的定位精度设定定位精度±0.3mm。物料电动机器人的各个部分的基本参数可以由上面已经知道的物料电动机器人各关节的行程和时间分配来决定。 2.3 电动机器人结构设计 根据所设计的机器人的运动方式：机械臂的转动，机械臂的升降。根据上文所说的，机器人按照坐标的分类情况，选择圆柱坐标式机器人更为妥当。 2.4 机器人材料的选择 机器人的材料应根据手臂的工作条件，满足机器人的设计和制造要求。从设计思想，机械臂完成各种运动。因此，对材料的要求是为移动部件，它应该是轻质材料。另一方面，手臂振动经常的运动过程中，这将大大减少它的运动精度。所以在材料的选择上，综合考虑的质量，刚度，阻尼的需要，从而有效地提高了机械臂的动力学性能。此外，机器人选材料和不同材料的一般结构。机器人是一种伺服机构，受控制，必须考虑其可控性。在臂的材料选择，可控性和可加工性的材料，结构，质量性能的考虑。 总之，选择一个机械臂的材料，应考虑强度，刚度，重量轻，弹性，耐冲击，外观和价格等因素。这里有几个机器人使用的材料： （L）的高强度钢，碳素结构钢和合金结构钢：这类材料的强度，特别是合金结构钢的强度增加了4 ~ 5倍，弹性模量，抗变形能力，是最广泛使用的材料； （2）铝，铝合金等轻合金材料的共同特点是重量轻，弹性模量E的小，但材料的密度小，与E／P比值还与钢相比； （3）陶瓷：陶瓷材料具有良好的质量，但易碎，但处理不好，接头需要特殊的设计与金属零件。然而，日本已开发ARM陶瓷机器人用于高速机器人的样品； 从机器人设计的角度来看，不需要负载能力在材料的选择，也不需要高弹性模量和抗变形能力，除了要考虑到材料成本，加工和其他因素。在各种因素的措施，结合铝合金的初步选择的工作条件，如机械臂组件。 2.5机械臂的运动方式 机器人的运动形式有五种常见的SCARA型，直角坐标式极坐标型，联合型和圆柱坐标。根据运动形式的选择主要运动参数为基础的结构设计。一种运动形式以满足不同生产工艺的需要，可以采用不同的结构。选择表格的具体位置，必须根据操作要求，工作地点，和电动工作中心线方向的变化，比较和选择。 这种机器人的定位2个肩关节和肘关节的1，2或3手腕方向。其中，绕垂直轴肩，另一个肩斜度。肩关节的两个正交轴。平行于第二轴肩关节，考虑到机器人的工作特点，这就要求动作灵活，具有较大的工作空间，结构紧凑，占用空间小，关节式机器人的选择。如图所示。这种配置，动作灵活，工作空间大，干涉仪的最小空间机械臂操作，结构紧凑，占地面积小，关节相对运动部位易密封与防尘。但这种机器人运动学逆解比较复杂，难以确定的端元；态度不够直观，并在控制，计算量比较大。 图3 常见的运动方式 2.6 电动机器人驱动方式的选择 机器人使用的驱动方式主要有电动驱动，电动驱动和电机驱动的四种基本形式。 但是，与电动传动相比，低功耗，能源，电动传动结构相对简单的速度不易控制，精度不高。 油马达驱动能量是简单，速度和位置精度高，使用方便，低噪音，高速变化的机制，高效，灵活的控制。 电动驱动的特点是功率大，结构简单，省去了减速装置，响应速度快，精度高。但需要有电动源，但也容易漏气。 首先，我会选择驱动电机，但考虑到纯机械结构的机器人的运动并不能达到理想的传播效果。如果你使用电动或电动传动机械臂的旋转，必须与回转电动或旋转电动缸，结构比较复杂，不利于设计。 改进后的方案，将驱动方式分为两个部分。其机械臂伸缩，升降机器人抓抓，采用电动驱动方式。 2.7 动作要求分析 动作一：送图书 动作二：预夹紧 动作三：手臂上升 动作四：手臂旋转 动作五：小臂伸长 动作六：手腕旋转 预夹紧 手臂上升 手臂旋转 手臂伸长 手臂转回 手腕旋转 图2.2 电动机器人动作简易图 2.8 电动机器人结构及驱动系统选型 本课题所设计的电动机器人为通用型的电动机器人，其中坐标系为圆柱坐标系结构。驱动系统选用电动缸驱动和电动驱动，电动驱动用于机座的旋转和手臂的上下移动，电动驱动用于手臂的伸缩和电动机器人的夹取和翻转[3]。 第3章 图书馆辅助机器人机械部分的设计计算 3.1 手爪夹持器结构设计与校核 3.1.1手爪夹持器种类 1.连杆杠杆式手爪 这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。 2.楔块杠杆式手爪 利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。 3.齿轮齿条式手爪 这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。 4.滑槽式手爪 当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。 5.平行杠杆式手爪 不 需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动采用平行四边形机构，因此，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多 结合具体的工作情况，采用连杆杠杆式手爪。驱动活塞 往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条 使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工 工件的直径来调定。 a．有适当的夹紧力 手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。 b．有足够的开闭范围 工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。可用开闭角和手指夹紧端长度表示。于回转型手部手指开闭范围，手指开闭范围的要求与许多因素有关 c．力求结构简单，重量轻，体积小 作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个气压机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。手部处于腕部的最前端，工因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。 d．手指应有一定的强度和刚度 因此送料，采用最常用的外卡式两指钳爪 3.1.2夹持器设计计算 手爪要能抓起工件必须满足： （3-6） 式中，-----为所需夹持力； -----安全系数，通常取1.2~2； -----为动载系数，主要考虑惯性力的影响可按估算，为机械手在搬运工件过程的加速度，，为重力加速度； -----方位系数，查表选取； -----假设被抓持工件的重量 20； 带入数据，计算得： ； 理论驱动力的计算： （3-7） 式中，----为柱塞缸所需理论驱动力； ----为夹紧力至回转支点的垂直距离； -----为扇形齿轮分度圆半径； -----为手指夹紧力； ---齿轮传动机构的效率，此处选为0.92； 其他同上。带入数据，计算得 计算驱动力计算公式为： （3-8） 式中，-----为计算驱动力； ---安全系数，此处选1.2； ---工作条件系数，此处选1.1； 3.2升降方向的电动缸设计 3.2.1滚珠丝杠的精度 查阅滚珠丝杠的样本选择丝杠精度为5级精度等级，初步设计现设丝杠在有效行程500 mm时，行程偏差允许达到30μm。 3.2.2 滚珠丝杠参数的计算 （1）最大工作载荷的计算 丝杠的最大载荷为工作时的最大进给力加摩擦力，最小载荷即为摩擦力。设此Z向的最大进给力=5000N，移动部件的重量约为500㎏，摩擦系数为0.04，故丝杠的最小载荷（即摩擦力） （N） (3.3) 丝杠最大载荷是： 5000＋196＝5196（N） (3.4) 平均载荷是： =×=≈3529（N） (3.5) （2）当量动载荷的计算 滚珠丝杠副类型的选择主要是根据导程和动载荷两个参数,其选择的原则为:①滚珠丝杠的静载荷Coa不能大于额定静载荷Coam,即Coa≤Coam;②滚珠丝杠的动载荷Ca不能大于额定动载荷Cam,即Ca≤Cam。 驱动电机最高转速2000 r/min 丝杠最高转速为2000r/min，工作台最小进给速度为0.5m/min，故丝杠的最低转速为0.1r/min，可取为0，则平均转速n=1000r/min。丝杠使用寿命T=15000h，故丝杠的工作寿命 ==675（r） (3.6) 当量动载荷值： (3.7) 式中： ——载荷性质系数，无冲击取1-1.2，一般情况取1.2-1.5，有较大冲击振动时取1.5-2.5； ——精度影响系数，对1、2、3级精度的滚珠丝杠取=1.0，对4、5级精度的丝杠取=0.9。 根据要求去=1.5，=0.9，代入数据得 ≈51.59（KN） (3.8) 根据计算所得最大动载荷和初选的丝杠导程，查滚珠丝杠样本，选择FF6310-5型内循环浮动返回器双螺母对旋预紧滚珠丝杠副，其公称直径为63mm，导程为10mm，循环滚珠为5圈×2列，精度等级取5级，额定动载荷为55600N，大于最大计算动载荷=51590N，符合设计要求。 表3.1 滚珠丝杠螺母副的几何参数 名 称 符 号 计算公式和结果 公称直径（mm） 63 螺距(mm) P 10 接触角 钢球直径(mm) 7.144 螺纹滚道法面半径(mm) 偏心距(mm) 0.009 螺纹升角(mm) = 丝杠外径(mm) 62.5 丝杠底径(mm) 57.3 螺杆接触直径(mm) 55.87 螺母螺纹外径(mm) 螺母内径(mm)（内循环） 62.64 （3）传动效率的计算 将公称直径=63mm，导程=10mm，代入λ=arctan[]，的丝杠螺旋升角λ=。将摩擦角，代入=，得传动效率=93.7%。 （4）刚度的验算 本传动系统的丝杠采用一端轴向固定，一端浮动的结构形式。固定端采用一对面对面角接触球轴承和一个角接触球轴承，另一端也采用角接触球轴承，这种安装适应于较高精度、中等载荷的丝杠。 滚珠丝杠螺母的刚度的验算可以用接触量来校核。 a、滚珠丝杠滚道间的接触变 根据公式Z=，求得单圈滚珠数Z=22，改型号丝杠为双螺母，滚珠的圈数×列数为5×2，代入公式圈数×列数，得滚珠总数量=220。丝杠预紧时，取轴向预紧力=1732（N）。查相关公式得滚珠丝杠与螺纹滚道间接触变形 (3.9) 式中=51590N。代入数据得； ==0.013(mm) 因为丝杠有预紧力，且为轴向负载，所以实际变形量可以减少一半，取=0.0065mm。 b、丝杠在工作载荷作用下的抗压变形 丝杠采用的是两端都为角接触球轴承，轴承的中心距a=1100mm，钢的弹性模量E=,由表2.1中可知，滚珠直径=7.144mm，丝杠底径=43.3mm，则丝杠的截面积： =1540.6() 根据公式代入数据得： =0.018(mm) C、总的变形 ==0.0065+0.018=0.0245mm,丝杠的有效行程为600， 丝杠在有效行程500—630mm时，行程偏差允许达到30μm,，可见丝杠刚度足够。 （5）稳定性的验算 (3.10) 公式中取支撑系数=2， 由丝杠底径=43.3mm求的截面惯性矩=188957.7()，压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安装），滚珠螺母至轴向固定处的距离取最大值1200mm，代入公式得： =181129.6(㎏) 则f=181129.6N大于=51590N，故不会失稳，满足使用要求。 （6）临界转速的验算 对于滚珠丝杠还有可能发生共振，需要验算其临界转速，设不会发生共振的最高转速为临界转速。 查资料得公式 ： (3.11) 其中： (mm)； 为临界转速计算长度=1200(mm)； 为丝杠支承方式系数（一端固定，一端游动） 代入数据得：4397(r/min),临界速度远大于丝杠所需转速，故不会发生共振。 （7）滚珠丝杠选型和安装尺寸的确定 由以上验算可以知道，丝杠型号为FF6310—5，完全符合所需要求，故确定选用该型号，安装尺寸查表可知。 （8）丝杠支承的选择 滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重。因此对丝杠的轴向精度和轴向刚度应有较高要求。其两端支承的配置情况为轴向固定方式。本次设计丝杠支承选用一端固定，另一端浮动。 3.3伺服电机的选择 3.3.1最大负载转矩的计算 所选伺服电机的额定转矩应大于最大负载转矩。最大负载转矩T可根据以下公式计算，即 (3.12) 从前面的计算可以知道，最大载荷N，丝杠导程=10mm=0.01m，预紧力=N，根据计算的滚珠螺母丝杠的机械效率=0.947，因为滚珠丝杠预加载荷引起的附加摩擦力矩： （N·m） (3.13) 查手册得单个轴承的摩擦力矩为0.32N·m，故一对轴承的摩擦力矩=0.64N·m。简支端轴承步预紧，其摩擦力矩可忽略不计。伺服电动机与丝杠直接相连，其传动比=1，则最大负载转矩： (N·m) 所选的伺服电机额定转矩应该大于此值。 3.3.2负载惯量的计算 伺服电机的转动惯量应与负载惯量相匹配。 负载惯量可以按一下次序计算。质量为500㎏，折算到电动机轴上的惯量可按下式计算， (kg·㎡) (3.14) 丝杠名义直径=63mm=0.063m，长度L=1.2m丝杠材料（钢）的密度ρ=7.8㎏·。根据公式计算丝杠加在电动机轴上的惯量 (㎏·㎡) (3.15) 联轴器加上锁紧螺母等的惯量可直接查手册得到，即(㎏·㎡) 故负载总的惯量为 (㎏·㎡) 电动机的转子惯量应与负载惯量相匹配。通常要求不小于，但也不是越大越好。因越大，总的惯量就越大，加速度性能受影响。为了保证足够的角加速度，以满足系统反应的灵敏的，将采用转矩较大的伺服电动机和它的伺服控制系统。根据有关资料的推荐，匹配条件为： (3.16) 则所选交流伺服电动机的转子惯量应在0.0092—0.036㎏·㎡范围之内。 根据上述计算可选用表3.2中的交流伺服电机α22/3000i型，其额定转矩为22N·m，最高，转动惯量J=0.012㎏·㎡。 表3.2 FANUCα(HV)i系列交流伺服电机 型号 α1/ 5000i α2/ 5000i α4/ 4000i α8/ 3000i α12/ 3000i α22/3000i 输出功率/kw 0.5 0.75 1.4 1.6 3 4 额定转矩(N·m) 1 2 4 8 12 22 最高转速 5000 5000 4000 3000 3000 3000 转动惯量(㎏·㎡) 0.00031 0.00053 0.0014 0.0026 0.0026 0.012 质量㎏ 3 4 8 12 18 29 伺服放大器规格 20i 20i 20i 40i 80i 80i 3.3.3空载加速转矩计算 当执行件从静止以阶跃指令加速到最大移动（快速）速度时，所需要的空载加速转矩按下式求， (3.17) 空载加速时，主要克服的是惯性，选用的α22/3000i型交流伺服电动机,总惯量 0.0120+0.0092=0.0212(㎏·㎡) 加速度时间通常取的3~4倍，故=(3~4)=(3~4)×6=18~24(ms)，则 (N·m) 3.4 水平方向电动缸的设计 滚珠丝杆副就是由丝杆、螺母和滚珠组成的一个机构。他的作用就是把旋转运动转和直线运动进行相互转换。丝杆和螺母之间用滚珠做滚动体，丝杠转动时带动滚珠滚动。 设X向最大行程为300mm,最快进给速度为18m/min,假设大概质量为80kg,移动部件大概质量为30kg，工作台最大行程为300mm。 3.4.1导程确定 电机与丝杆通过联轴器连接，故其传动比i=1, 选择电机Y系列异步电动机的最高转速，则丝杠的导程为 取Ph=12mm 3.4.2确定丝杆的等效转速 基本公式 最大进给速度是丝杆的转速 最小进给速度是丝杆的转速 丝杆的等效转速 式中取故 3.4.3确定丝杆的等效负载 工作负载是指机床工作时，实际作用在滚珠丝杆上的轴向压力，他的数值用进给牵引力的实验公式计算。选定导轨为滑动导轨，取摩擦系数为0.03，K为颠覆力矩影响系数，一般取1.1~1.5，本课题中取1.3，则丝杆所受的力为 其等效载荷按下式计算（式中取，） 3.4.4确定丝杆所受的最大动载荷 fw-------负载性质系数，（查表：取fw=1.2） ft--------温度系数（查表：取ft=1） fh-------硬度系数（查表：取fh =1） fa-------精度系数（查表：取fa =1） fk-------可靠性系数（（查表：取fk =1） Fm------等效负载 nz-------等效转速 Th ----------工作寿命，取丝杆的工作寿命为15000h 由上式计算得Car=17300N 表3-1-1各类机械预期工作时间Lh 表3-1-2精度系数fa 表3-1-3可靠性系数fk 表3-1-4负载性质系数fw 3.4.5精度的选择 滚珠丝杠副的精度对电气机床的定位精度会有影响，在滚珠丝杠精度参数中，导程误差对机床定位精度是最明显的。一般在初步设计时设定丝杠的任意300行程变动量应小于目标设定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度验算中确定。，选用滚珠丝杠的精度等级X轴为1～3级（1级精度最高），Z轴为2～5级，考虑到本设计的定位精度要求及其经济性，选择X轴Y轴精度等级为3级，Z轴为4级。 3.4.6选择滚珠丝杆型号 计算得出Ca=Car=17.3KN, 则Coa=(2~3)Fm=（34.6~51.9）KN 公称直径Ph=12mm 则选择FFZD型内循环浮动返向器，双螺母垫片预紧滚珠丝杆副，丝杆的型号为FFZD4010—3。 公称直径 d0=40mm 丝杆外径d1=39.5mm 钢球直径dw=7.144mm 丝杆底径d2=34.3mm 圈数=3圈 Ca=30KN Coa=66.3KN 刚度kc=973N/μm 3.5校核 滚珠丝杆副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压震动固有频率，其扭转刚度影响扭转固有频率。承受轴向负荷的滚珠丝杆副的拉压系统刚度KO有丝杆本身的拉压刚度KS，丝杆副内滚道的接触刚度KC，轴承的接触刚度Ka，螺母座的刚度Kn，按不同支撑组合方式计算而定。 3.5.1 临界压缩负荷验证 丝杆的支撑方式对丝杆的刚度影响很大，采用一端固定一端支撑的方式。临界压缩负荷按下列计算： 式中E------材料的弹性模量E钢=2.1X1011（N/m2） LO-------最大受压长度（m） K1-------安全系数，取K1=1.3 Fmax-------最大轴向工作负荷（N） f1-------丝杆支撑方式系数：f1=15.1 I=丝杆最小截面惯性距（m4） 式中do--------是丝杆公称直径（mm） dw------------滚珠直径（mm）， 丝杆螺纹不封闭长度Lu=工作台最大行程+螺母长度+两端余量 Lu=300+148+20X2=488mm 支撑距离LO应该大于丝杆螺纹部分长度Lu，选取LO=620mm 代入上式计算得出Fca=5.8X108N 可见Fca＞Fmax，临界压缩负荷满足要求。 3.5.2临界转速验证 滚珠丝杠副高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速，要求丝杠的最高转速： 式中：A------丝杆最小截面：A= -------丝杠内径，单位； P--------材料密度p=7.85*103(Kg/m) --------临界转速计算长度，单位为，本设计中该值为=148/2+300+(620-488)/2=440mm ----------安全系数，可取=0.8 fZ----------丝杠支承系数，双推-简支方式时取18.9 经过计算，得出= 6.3*104，该值大于丝杠临界转速，所以满足要求。 3.5.3丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率 丝杠系统的轴向拉压系统刚度Ke的计算公式 式中 A——丝杠最小横截面，； 螺母座刚度KH=1000N/μm。 当导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中，L植分别为750mm和100mm。 经计算得： 式中 Ke ——滚珠丝杠副的拉压系统刚度(N/μm)； KH——螺母座的刚度(N/μm)；KH=1000 N/μm Kc——丝杠副内滚道的接触刚度(N/μm)； KS——丝杠本身的拉压刚度(N/μm)； KB——轴承的接触刚度(N/μm)。 经计算得丝杠的扭转振动的固有频率远大于1500r/min，能满足要求。 3.6电机的选择 步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲的频率。步进电机具有惯量低、定位精度高、无累计误差、控制简单等优点，所以广泛用于机电一体化产品中。选择步进电动机时首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率，再者还要考虑转动惯量、负载转矩和工作环境等因素。 3.6.1电机轴的转动惯量 a、回转运动件的转动惯量 上式中：d—直径,丝杆外径d=39.5mm L—长度=1m P—钢的密度=7800 经计算得 b、X向直线运动件向丝杆折算的惯量 上式中：M—质量 X向直线运动件M=160kg P—丝杆螺距（m）P=0.001m 经计算得 c、联轴器的转动惯量 查表得 因此 3.6.2电机扭矩计算 a、折算至电机轴上的最大加速力矩 上式中： J=0.0028kg/m2 ta—加速时间 KS—系统增量，取15s-1,则ta=0.2s 经计算得 b、折算至电机轴上的摩擦力矩 上式中：F0—导轨摩擦力，F0=Mf，而f=摩擦系数为0.02，F0=Mgf=32N P—丝杆螺距（m）P=0.001m η—传动效率，η=0.90 I—传动比，I=1 经计算得 c、折算至电机轴上的由丝杆预紧引起的附加摩擦力矩 上式中P0—滚珠丝杆预加载荷≈1500N η0—滚珠丝杆未预紧时的传动效率为0.9 经计算的T0=0.05N·M 则快速空载启动时所需的最大扭矩 根据以上计算的扭矩及转动惯量，选择电机型号为SIEMENS的IFT5066，其额定转矩为6.7。 49 第4章 竖直方向电动缸 4.1 滚珠丝杠计算、选择 初选丝杠材质：CrWMn钢，HRC58~60，导程：l0=5mm 强度计算 丝杠轴向力：(N) 其中：K=1.15，摩擦系数f=0.003~0005； 寿命值：，其中丝杠转速(r/min) 最大动载荷： 式中：fW为载荷系数，中等冲击时为1.2~1.5；fH为硬度系数，HRC≥58时为1.0。 查表得中等冲击时则: 根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为: CM系列滚珠丝杆副，其型号为：CM2005-5。 其基本参数如下: 其额定动载荷为14205N> 足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式采用双螺母螺纹预紧形式. 滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表 名称 计算公式 结果 公称直径 ―― 20mm 螺距 ―― ５mm 接触角 ―― 钢球直径 ―― 3.175mm 螺纹滚道法向半径 1.651mm 偏心距 0.04489mm 螺纹升角 螺杆外径 19.365mm 螺杆内径 16.788mm 螺杆接触直径 17.755mm 螺母螺纹外径 23.212mm 螺母内径（外循环） 20.7mm （1） 传动效率计算 丝杠螺母副的传动效率为： 式中：φ=10’，为摩擦角；γ为丝杠螺旋升角。 （2） 稳定性验算 丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。 （3） 刚度验算 滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：(cm) Y向所受牵引力大,故用Y向参数计算 丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。导程变形总误差Δ为 E级精度丝杠允许的螺距误差[ Δ]=15μm/m。 4.2 步进电机惯性负载的计算 根据等效转动惯量的计算公式，有： （1）等效转动惯量的计算 折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为： 式中：为折算到电机轴上的惯性负载；为步进电机轴的转动惯量；为齿轮１的转动惯量； 为齿轮２的转动惯量；为滚珠丝杠的转动惯量；Ｍ为移动部件的质量。 对钢材料的圆柱零件可以按照下式进行估算： 式中为圆柱零件直径，为圆柱零件的长度。 所以有： 电机轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有： 步进电机的选用 (１）步进电机启动力矩的计算 设步进电机的等效负载力矩为Ｔ，负载力为Ｐ，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力所做的功有如下的关系： 式中为电机转角，Ｓ为移动部件的相应位移，为机械传动的效率。若取，则Ｓ＝，且。所以： 式中：为移动部件负载（N），G为移动部件质量（N），为与重力方向一致的作用在移动部件上的负载力（N），为导轨摩擦系数，为步进电机的步距角（rad）,T为电机轴负载力矩（N.cm）。 取=0.3（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），＝０.8，==279.23Ｎ。考虑到重力影响，Ｙ向电机负载较大，因此Ｇ＝1200Ｎ，所以有： 考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩： 取系数为０.３，则： 对于工作方式为三相６拍的步进电机： (２） 步进电机的最高工作频率 为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率,同时电机最大静转矩要足够大,查表选择两个90BF001型三相反应式步进电机. 电机有关参数如下: 型号 主要技术参数 相数 步距角 电压 (V) 相电流 (A) 最大静转矩 (n.m) 空载启动频率 空载运行频率 分配方式 90BF001 4 0.9 80 7 3.92 2000 8000 4相8拍 外形尺寸(mm) 重量 kg 转子转动惯量 Kg.m 外直径 长度 轴直径 90 145 9 4.5 1764 4.3底座回转机构设计计算 腕部是联结手部和臂部的部件，腕部运动主要用来改变被夹物体的方位，它动作灵活，转动惯性小。 4.4机身结构的设计校核 臂部和机身的配置形式基本上反映了的总体布局。本课题图书馆辅助机器人的机身设计成机座式，这样图书馆辅助机器人可以是独立的，自成系统的完整装置，便于随意安放和搬动，也可具有行走机构。臂部配置于机座立柱中间，多见于回转型图书馆辅助机器人。臂部可沿机座立柱作升降运动，获得较大的升降行程。升降过程由电动机带动螺柱旋转。由螺柱配合导致了手臂的上下运动。手臂的回转由电动机带动减速器轴上的齿轮旋转带动了机身的旋转，从而达到了自由度的要求[7-9]。 4.4.1选择伺服电机的具体型号和参数 1、电机额定功率的确定 马达的额定功率应等于或稍大于工作要求的功率。额定功率小于工作要求，则不能保证工作机器正常工作，或使马达长期过载、发热大而过早损坏；额定功率过大，则马达价格高，并且由于效率和功率因素低而造成浪费。 工作所需功率为： (3-1) 式中， 电机工作效率， 电机所需的输出功率为： (3-2) 式中：为电机至轴之间的总效率。齿轮： 轴承： 蜗杆; 。因此 (3-3) 一般电机的额定功率 但为了获得较大预留量则取电机额定功率为：。 2、转矩 由后面齿轮的转矩可得： 3、电机转速的确定 由文献[2, 5~5]表1-8推荐的各种机构传动范围为，取： 齿轮传动比：3-5 蜗杆涡轮传动比：20-100， 则总的传动范围为： 电机转速的范围为： 为降低电机的重量和价格，选取常用两相混合式步进电机，其各 根据这些，选取SGMAH-44BA6(带通用减速机）型电机，符合要求。 图3-2电机参数图表 4.4.2标准斜齿圆柱齿轮传动的强度计算 (1) 轮齿的受力分析 齿轮传动一般均加以润滑，啮合齿轮间的摩擦力通常很小，计算轮齿受力时，可不予考虑。沿啮合线作用在齿面上的法向载荷垂直于齿面，为了计算方便，将法向载荷（单位为N）在节点P处分解为两个相互垂直的分力，即圆周力与径向力（单位均为N），由此得 (4-6) (4-7) (4-8) 式中：——小齿轮传递的转矩，； ——小齿轮的节圆直径，对标准齿轮即为分度圆直径，mm； ——啮合角，对标准齿轮，。 以上分析的是主动齿轮上的力，从动轮轮齿上的力分别与其大小相等、方向相反。 (2) 齿根弯曲疲劳强度计算 轮齿在受载时，齿根所受的弯矩最大，因此齿根处的弯曲疲劳强度最弱。当轮齿在齿顶处啮合时，处于双对啮合区，此时弯矩的力臂最大，但力不是最大，因此弯矩并不是最大。根据分析，齿根所受的最大弯矩发生在轮齿啮合点位于单对啮合区最高点时。因此，齿根弯曲强度也应按载荷作用于单对啮合区最高点来计算。由于此种算法比较复杂，通常只用于高精度齿轮传动。 对于制造精度不高的齿轮传动，由于制造误差较大，实际上多由在齿顶处啮合的轮齿分担较多的载荷。为便于计算，通常按全部载荷作用于齿顶来计算齿根的弯曲强度。当然，采用这样的方法，轮齿的弯曲强度比较富裕。 4.4.3本机构中齿轮传动设计与校核 1. 选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数。 1）选用斜齿圆柱齿轮传动选用7级精度（GB10095-88） 2）选择小齿轮材料为45（调质），硬度为240HBS，大齿轮材料为45（调质）硬度为240HBS 3）选小齿轮齿数=18，大齿轮齿数=18×4=72。 4）初选螺旋角为。 2. 按齿面接触强度设计 由设计计算公式进行试算，即 (4-9) 确定公式内各计算数值 试选载荷系数 由表10—7选齿宽系数 由图10-26得 (4-10) 查《机械设计》课本图10-30 由表10-6查得材料的弹性影响系数 由图10-21d按齿面硬度查得大小齿轮的接触疲