碼垛機器人設計-畢業(yè)設計說明書

內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書碼垛機器人設計_畢業(yè)設計說明書目錄第一章 緒論 11.1課題的背景、來源及意義 11.2碼垛機器人的發(fā)展進程及發(fā)展趨勢 21.3課題的設計內(nèi)容 2第二章碼垛機器人總體結構設計 42.1方案的確定 42.2總體設計思路 6第三章碼垛機器人腕部和腰部設計 73.1碼垛機器人腕部設計 73.1.1減速機的計算與選型 73.1.2聯(lián)軸器的計算與選型 83.1.3軸承的選型 103.2碼垛機器人腰部設計 113.2.1腰部電機選型 113.2.2腰部聯(lián)軸器計算選型 123.3本章小結 13第四章碼垛機器人手臂結構及其驅(qū)動系統(tǒng)設計 144.1平面機構受力分析 144.2手臂關節(jié)軸承的選型與校核 154.3銷軸校核 164.3.1后大臂與支架銷軸聯(lián)接校核 164.3.2后大臂與小臂銷軸聯(lián)接校核 174.3.3前大臂與支架銷軸聯(lián)接校核 174.3.4前大臂與小臂銷軸聯(lián)接校核 184.3.5其它銷軸聯(lián)接校核 184.4豎直滾珠絲杠螺母副的計算與選型 194.4.1最大工作載荷的計算 194.4.2最大動載荷的計算 194.4.3初選滾珠絲杠副型號 204.4.4傳動效率計算 204.4.5剛度的驗算 214.4.6壓桿穩(wěn)定性校核 224.5水平滾珠絲杠螺母副的計算與選型 234.5.1最大工作載荷的計算 234.5.2最大動載荷的計算 234.5.3初選滾珠絲杠副型號 244.5.4傳動效率計算 244.5.5剛度的驗算 244.5.6壓桿穩(wěn)定性校核 264.6水平滾動導軌副的計算選型 264.6.1滑塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選擇 264.6.2額定行程壽命的計算 284.7豎直滾動導軌副的計算選型 304.7.1滑塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選擇 304.7.2.額定行程壽命L的計算 30第五章PRO/E建模和仿真 325.1主要部件建模及其簡介 325.1.1軸承建模的主要過程 325.1.2機器人的主要部件及裝配模型 355.2三維機構運動仿真的基本介紹 375.2.1機構運動仿真的特點 375.2.2機構運動仿真的工作流程 375.2.3機構仿真運動裝配連接的概念及定義 375.2.4機構的仿真運動 38第六章ANSYS有限元分析 40結論 46參考文獻 47謝辭 48緒論1.1課題的背景、來源及意義近幾十年來，隨著我國經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展及科學技術的突飛猛進，機器人在碼垛機、弧焊、噴涂、點焊、搬運、涂膠、測量等行業(yè)有著越來越廣泛的應用。機器人是一個在三維空間中具有較多自由度，并能實現(xiàn)諸多擬人動作和功能的機器。工業(yè)機器人則是在工業(yè)生產(chǎn)上應用的機器人，是一種典型的機電一體化裝置。工業(yè)機器人是用來搬運材料零件工具等可再編程的多功能機械手。它綜合運用了機械與精密機械、微電子與計算機、自動控制與驅(qū)動、傳感器與信息處理以及人工智能等多學科的最新研究成果。碼垛技術是物流自動化技術領域的一門新興技術，所謂的碼垛就是按照集成單元化思想，將一件件物料按照一定的模式堆碼成垛，以便使單元化的物垛實現(xiàn)物料的搬運、裝卸、運輸、存儲、等物流活動。在物體的運輸過程中除了散裝的物體和液體外，一般的物體都是以碼垛的形式進行存儲或組裝，這樣即可承載更多的物體，又可節(jié)省空間。隨著物流的飛速發(fā)展以及科技的突飛猛進，碼垛技術應用越來越廣泛，尤其是在環(huán)境較惡劣或人工很難做到的情況下。包裝的種類、工廠環(huán)境和客戶需求，物體的安全性等，使得碼垛成為越來越艱巨的任務，為了克服這些困難，碼垛設備的各個方面都在不斷地發(fā)展改進，如從機械手到操縱它的軟件，現(xiàn)在對靈活性的需求也在不斷增加。碼垛機器人是一種具有特殊功能的垂直多關節(jié)型機器人，廣泛應用于石油、化工、食品加工、飲料等領域。可通過主計算機根據(jù)不同的物料包裝、堆垛順序、層數(shù)等參數(shù)進行設置實現(xiàn)不同型包裝的碼垛要求。而機器人碼垛技術是自動化物料后處理成套設備中的關鍵技術之一，隨著自動稱重、包裝技術的發(fā)展和性能指標的提高，對碼垛技術也提出了更高的要求。碼垛機器人手臂應具有一定的剛度和強度，防止彈性變形和斷裂。手腕搬運的東西較重，這對其精度提出了更高要求。為滿足自動化生產(chǎn)線產(chǎn)品搬運及碼垛的要求,本課題要求設計一種碼垛機器人的機械結構部分。結合機、電、軟、硬件各自特點和優(yōu)勢互補的基礎上，對碼垛機器人整體機械結構、傳動系統(tǒng)進行分析和設計，提出了一套經(jīng)濟型設計方案。1.2碼垛機器人的發(fā)展進程及發(fā)展趨勢自從２０世紀８０年代，我國碼垛機器人在國家支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國在機器人領域取得了很大成就。按機器人的發(fā)展進程，分為三代機器人。第一代機器人，具有示教再現(xiàn)功能或具有可編程的NC裝置，但對外部信息不具備反饋能力；第二代機器人，不僅具有內(nèi)部傳感器，能獲取外部環(huán)境信息。雖然沒有應用人工智能技術，但是能進行機器人-環(huán)境交互，具有在線自適應能力；第三代機器人，具有多種智能傳感器，能感知和領會外部環(huán)境信息。目前碼垛機器人的應用主要在以下兩個方面。惡劣工作環(huán)境，危險工作場合.這個領域的做業(yè)是一種有害于健康，并危及生命或不安全因素很大而不宜于人去干的作業(yè)。例如在沖床上下料、采礦、鍛造等。第二個是自動化生產(chǎn)領域。碼垛機器人可用來上下料、碼垛、卸貨以及抓取零件重新定向等作業(yè)。一個簡單抓放作業(yè)機器人只需較少的自由度，一個給零件定向作業(yè)的機器人要求具有更多的自由度，增加其靈巧性。工業(yè)機器人具有減少勞動力費用、提高生產(chǎn)率、改進產(chǎn)品質(zhì)量、增加制造過程的柔性、減少材料浪費、控制和加快庫存的周轉(zhuǎn)、降低成本、消除了危險和惡劣的勞動崗位。目前工業(yè)機器人的開發(fā)正處在一個蓬勃發(fā)展的階段，在先進的工業(yè)發(fā)達國家里，工業(yè)機器人的開發(fā)與制造正在形成一個龐大的產(chǎn)業(yè)，全世界每年的工業(yè)機器人銷售額可達42億美元。盡管如此，工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)仍在不斷拓展，不斷向新的領域進軍。我國工業(yè)機器人的應用前景十分寬廣的。但是，由于我國工業(yè)基礎比較薄弱，勞動力比較豐富、低廉，給工業(yè)機器人的發(fā)展帶來一定的困難。只有符合我國的國情，才能推動和加快我國工業(yè)機器人的發(fā)展和應用。工業(yè)機器人功能部件的標準化與模塊化是提高機器人的運動精度，運動速度，減低成本和提高可靠性的重要途徑。近幾年各國注重發(fā)展組合式工業(yè)機器人。它是采用標準化的模塊件或組合件拼裝而成。除了工業(yè)機器人用的各種伺服電機，傳感器外，手臂，手腕和機身也以標準化。隨著機器人作業(yè)精度的提高和作業(yè)環(huán)境的復雜化，急需開發(fā)新型的微動機構來保證機器人的動作精度，開發(fā)多關節(jié)，多自由度的手臂和手指及新型的行走機構，以適應日益復雜作業(yè)需求。1.3課題的設計內(nèi)容本設計主要是研究碼垛機器人的結構設計，主要工作內(nèi)容有以下幾點：1)了解搬運機器人發(fā)展歷程、現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢，掌握碼垛機器人的機械結構特點以及基本構成部分。2)對碼垛機器人的總體方案進行設計。設計幾種方案，對比選出最優(yōu)方案。方案確定后，對各個細節(jié)進行設計。包括腕關節(jié)電機、軸承、聯(lián)軸器的選擇；臂部材料的選擇、結構的設計、受力分析、關節(jié)處銷軸的校核、關節(jié)軸承的選型；傳動系統(tǒng)的設計：電機、聯(lián)軸器、軸承的選型，滾動絲杠、滑動導軌的選型與校核；腰部電機、聯(lián)軸器、軸承型號的選擇。3)用Pro/E進行三維模型設計。設計各零部件的三維模型，并將設計好的零部件進行裝配，裝配完成后進行運動仿真。不斷改變參數(shù)，觀察機構的運動是否發(fā)生變化。4)利用ANSYS軟件對主要受力構件進行有限元分析，生產(chǎn)應變、應力圖。第二章碼垛機器人總體結構設計2.1方案的確定碼垛機器人工作過程是往復循環(huán)的，由于關節(jié)式手臂運動形式工作范圍大、通用性強，因此本文采用平行四邊形機構作小臂驅(qū)動器的關節(jié)式機械手。在此課題的研究中共設計出三種方案，即方案一、方案二、方案三。方案一：如圖2-1所示。后大臂沿著絲杠向上運動，前大臂沿著絲杠想向右運動；后大臂向下運動，前大臂向運動，實現(xiàn)碼垛機器人碼垛過程。此結構能基本滿足設計要求，但是由于前大臂、后大臂與小臂間通過銷軸連接，運動范圍小，且前大臂與后大臂不相連接，使得機構運動精度低，運動不確定。圖2-1方案一方案二：如圖2-2所示，此機構的前大臂與小臂通過移動副連接，前大臂通過滑塊可以沿著小臂滑動，解決了方案一工作范圍小的缺點。但是由于前大臂與小臂組成移動副，使得摩擦阻力增加，運動效率低，成本高。此機構中前大臂主要起支撐作用，機構的運動主要取決與后大臂，這使得此種方案的運動精度更低。圖2-2方案二方案三：如圖2-3所示，機構運動原理與圖2-1相同，此機構構成平行四邊形，運動具有確定性，銷軸處有關節(jié)軸承，減少摩擦力，方案三改善了方案一方案二的不足之處。圖2-3方案三2.2總體設計思路碼垛機器人主要實現(xiàn)不同型包裝的碼垛物體的搬運功能。在對碼垛機器人的運動形式簡單了解以后，設計的思路還是很清晰的。。本文主要進行碼垛機器人的機構設計，要實現(xiàn)碼垛機器人在半徑為1.5米的圓周內(nèi)的碼垛運動，必須由四個動作來實現(xiàn)，即腰部的旋轉(zhuǎn)、后大臂的上下運動、前臂的前后運動和手腕的回轉(zhuǎn)運動，而且這四個動作全部由交流伺服電機驅(qū)動。由于腕部轉(zhuǎn)速較低，特選用減速機來驅(qū)動，而且要選擇重量輕的減速機。此時由于軸立起來以后就有往下竄動的趨勢，而且還要轉(zhuǎn)動，既要保證軸的正常轉(zhuǎn)動，其次還要軸一定的支撐，由此引入了角接觸軸承。軸承型號7305C。電機軸與傳動軸之間用聯(lián)軸器連接，選擇A型平鍵套筒聯(lián)軸器。機械手臂的材料和結構的選擇。手臂材料要求強度高，彈性模量大，重量輕，阻尼大，價格低，故選擇碳素結構鋼或合金結構鋼。手臂做成工字型或打孔以減小重量，減少加工面積。為保證機構運動的精度，將手臂設計成平行四邊行機構。為減小摩擦，在手臂與手臂、手臂與支撐架之間的銷軸處采用關節(jié)軸承。為了使手臂傳動準確，手臂驅(qū)動系統(tǒng)增加了直線滾動導軌作為導向裝置，這就要考慮導軌的受力問題，由于負載和手臂的重量基本都加在了導軌上，因此要進行受力分析。手臂驅(qū)動系統(tǒng)采用低速交流伺服電機帶動滾動絲杠副旋轉(zhuǎn)從而實現(xiàn)前大臂的左右運動，后大臂的上下運動。此處驅(qū)動電機選擇伺服電機。軸承選用角接觸球軸承。腰部旋轉(zhuǎn)速度低，因此選用中低速電機。由于腰部以上所有構件的載荷都由腰部軸承來承擔，故選用主要承受軸向載荷的推力球軸承。根據(jù)腰部所受總體載荷的大小選擇推力球軸承型號。聯(lián)軸器選擇凸緣聯(lián)軸器。第三章碼垛機器人腕部和腰部設計3.1碼垛機器人腕部設計3.1.1減速機的計算與選型本節(jié)減速機的型號是根據(jù)上海泰一傳動設備有限公司的《R系列斜齒輪減速機選型手冊》選用的。1.實際服務系數(shù)確定減速機是按載荷平穩(wěn)，每天工作時間一定和少量啟停次數(shù)的情況設計的，而在實際情況使用中往往不是處于此種理想狀態(tài)。減速機的實際服務系數(shù)必須按照實際情況的載荷類型、運行時間、使用頻率來確定工作機系數(shù)f1、原動機系數(shù)f2和啟動系數(shù)f3，使其三者的乘積小于或等于服務系數(shù)fB。具體參數(shù)值參見表3-1，3-2,3-3。表3-1工作機系數(shù)f1表3-2原動機系數(shù)f2表3-3啟動系數(shù)f3由表確定本機構的工作系數(shù)f1=2.5，原動機系數(shù)f2=1.0，起動系數(shù)f3=1.3，那么f1f2f3=2.51.02.確定減速機型號根據(jù)《R系列硬齒面斜齒輪減速機》選型手冊，由f1f2f表3-4減速機的具體參數(shù)輸入功率/kw輸出轉(zhuǎn)速r/min輸出轉(zhuǎn)矩N.m電動機型號質(zhì)量/kg減速機輸出軸的軸頸0.182956RF378.525mm3.1.2聯(lián)軸器的計算與選型聯(lián)軸器計算選型所使用的公式和某些參數(shù)值的選擇參考《機械設計手冊第五版》和《機械設計課本》。1.聯(lián)軸器的理論轉(zhuǎn)矩(3-1)式中——理論轉(zhuǎn)矩（）；——傳遞的功率（）；——工作轉(zhuǎn)速（）。帶入數(shù)據(jù)得。2.聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩(3-2)式中：——動力機系數(shù)，電動機透平機的=1.0；——工況系數(shù)，由《機械設計書冊第五版第2卷》表6-2-2，查得K=1.5；——起動系數(shù)，由制造商確定，與啟動頻率f有關，選取=1.0；——溫度系數(shù),由《機械設計書冊第五版第2卷》表6-2-3查得，=1.0。帶入公式得。聯(lián)軸器選用A型平鍵套筒聯(lián)軸器，查《機械設計手冊第五版第3卷》，因聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩要大于計算轉(zhuǎn)矩，而且減速機輸出軸的軸徑為25mm，所以由表15,1-10確定聯(lián)軸器的有關參數(shù)如下：表3-4聯(lián)軸器的具體參數(shù)Dh7軸直徑/mm許用轉(zhuǎn)矩/N.mD0LlC平鍵GB/T10996-2003C1緊定螺釘GB/T117-20002512540752018x251M6x10套筒聯(lián)軸器與軸間的定位靠平鍵連接，緊定螺釘也起定位作用。套筒聯(lián)軸器與軸的裝配如圖3-1所示。圖3-1=2\*ROMANII型平鍵套筒聯(lián)軸器與軸的裝配圖3.驗算套筒的扭矩強度和鍵的擠壓強度套筒的扭轉(zhuǎn)強度：(3-3)式中——套筒外徑，由表3-4得到；——軸徑，。將數(shù)值帶入公式得到由套筒的材料為45號鋼，由《機械設計》課本表15-3查得，許用切應力為25～45Mpa，則所選套筒滿足強度要求。平鍵的擠壓強度：(3-4)式中k——鍵工作高度；——鍵工作長度。由表15,1-10確定，，d=25mm，帶入公式得到，由《機械設計》課本P106,許用擠壓應力應為鍵，軸，輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應力，由表6-2，取許用擠壓應力為120～150Mpa。因此平鍵滿足強度條件。3.1.3軸承的選型由于腕部的轉(zhuǎn)速并非高轉(zhuǎn)速，并且承受的載荷為軸向載荷，因此選用角接觸球軸承，且成對使用。由《機械設計課程設計指導手冊》中國標準出版社，選擇軸承型號為7305C,具體參數(shù)如下表：表3-5軸承的具體參數(shù)軸承型號dDBa基本額定動載荷/KN額定靜載/KN7305C25621713.121.515.8軸承的布置形式選用預緊布置，用以提高軸承的旋轉(zhuǎn)精度，增加剛性和減小軸的振動。3.2碼垛機器人腰部設計3.2.1腰部電機選型因為腰部的回轉(zhuǎn)速度較低，所以此處的驅(qū)動電機選用一般的電機轉(zhuǎn)速太大，而選擇中低速電機較為合適。選擇淮安正?？萍加邢薰镜腨D系了電機，電機型號為YD112，其額定功率為1.1kW，額定轉(zhuǎn)速為17.5r/min，額定扭矩為600N.m。由于電機要豎直安裝，因此電機的外形圖如圖3-2。圖3-2電機的外形圖YD系列低速電機的安裝尺寸如表3-6。表3-6電機的安裝尺寸YD系列低速電機的性能參數(shù)如表3-7。表3-7電機的性能參數(shù)3.2.2腰部聯(lián)軸器計算選型聯(lián)軸器的理論轉(zhuǎn)矩(3-5)式中——理論轉(zhuǎn)矩（）；——傳遞的功率（）；——工作轉(zhuǎn)速（）。帶入數(shù)據(jù)得。聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩(3-6)式中——動力機系數(shù)，電動機、透平機取=1.0；——工況系數(shù)，由《機械設計手冊第五版第2卷》表6-2-2查得，取K=1.5?！饎酉禂?shù)，取=1.0；——溫度系數(shù)。由《機械設計手冊第五版第2卷》，表6-2-3查得，取=1.0。帶入公式得。由《機械設計手冊第五版第2卷》選用凸緣聯(lián)軸器，由表6-2-8選型號為GYS7，公稱扭矩為1600N·m。凸緣聯(lián)軸器結構原理，如圖3-3。圖3-3GYS7型-凸緣聯(lián)軸器結構原理圖GYS7型-凸緣聯(lián)軸器基本參數(shù)和主要尺寸如下表：表3-8GYS7型-凸緣聯(lián)軸器基本參數(shù)和主要尺寸型號公稱扭矩Tn(N·m)許用轉(zhuǎn)速[n]r/min軸孔直徑d(H7)軸孔長度LD螺栓重量(kg.m3)鋼鋼Y型J1型數(shù)量n直徑MGYS71600600055112841606(4)M1213.13.3本章小結搬運機器人腕部的運動相對簡單，只有一個旋轉(zhuǎn)運動。設計的關鍵是要保證軸的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)精度。通過本章對腕部的詳細設計計算，確定了腕部采用減速機，聯(lián)軸器選用套筒聯(lián)軸器，軸承選擇角接觸球軸承軸承。腰部的設計計算主要是為了實現(xiàn)腰部帶動整個搬運機器人的回轉(zhuǎn)運動。由于腰部回轉(zhuǎn)速度較低，選用YD系列低速電機.通過對電動機的選擇、聯(lián)軸器的計算選型，最終確定了搬運機器人腰部的設計方案。第四章碼垛機器人手臂結構及其驅(qū)動系統(tǒng)設計4.1平面機構受力分析搬運機器人在實現(xiàn)搬運的運動過程中，水平方向的滾珠絲杠副主要承受摩擦力，而垂直方向的滾珠絲杠副主要承受Z軸方向的載荷。則當機構的小臂處于水平方向、前后大臂與之垂直時，兩個方向的滾珠絲杠副受力最大。具體位置如圖4-1所示。圖4-1碼垛機器人運動位置根據(jù)搬運機器人運動學分析，可設各臂長分別為：AB=1170，BC=260mm，CD=1080mm，DE=240mm，A點到圖4-1中心線的距離d=150mm。處于圖4-1位置時小臂的受力情況見圖4-2。圖4-2小臂受力圖圖4-2中，G1為負載和電機的重力，搬運的負載最大為100N，腕部減速機的重力約為100N，則G1=200N；M為負載和電機共同的轉(zhuǎn)矩，；小臂材料為45號鋼，重量約為50N；對小臂列受力方程如下：｛｛(4-1)解得F1=1237.6154N，F(xiàn)2=987.6154N4.2手臂關節(jié)軸承的選型與校核碼垛機器人的手臂結構設計要注意兩點：一是應使手臂剛度大、重量輕；二是應使手臂運動速度快、慣性小。首先，因為剛度不夠時，手臂會發(fā)生彎曲變形，則應選擇相同條件下，彎曲剛度較大的截面形狀?？紤]完第一點，對于第二點減小慣性沖擊，本章的手臂架選擇了碳素結構鋼材料。而且盡量縮短手臂的懸伸部分長度。圖4-3對小臂進行了剪力與彎矩的分析，可知小臂的彎矩越靠近B點越大，因此小臂的結構為末端窄，靠近B點時逐漸加大尺寸，其它手臂結構則采用均勻尺寸。B點為銷軸聯(lián)接，則彎矩和受力主要由銷軸來承受，因此要考慮銷軸的校核。其它的銷軸聯(lián)接同B點一樣進行校核，銷軸的聯(lián)接結構如圖4-4。圖4-3小臂剪力圖和彎矩圖圖4-4銷軸聯(lián)接結構圖4-5中的關節(jié)軸承選用自潤滑向心關節(jié)軸承，由上下軸套固定，在后機架繞銷軸轉(zhuǎn)動時，既能承受徑向載荷，又能承受任一方向較小的軸向載荷。查閱《機械設計手冊》第五版、單行本、軸承，由表7-1確定所選軸承的型號為GE25ES-2RS，其中d=25mm，軸承尺寸見表4-1。表4-1向心自潤滑關節(jié)軸承參數(shù)軸承型號尺寸mm額定載荷kN重量KgdDBCd1r1r2動載荷靜載荷GE25ES-2RS-2RS25422016290.60.6482400.427圖4-5向心關節(jié)軸承結構4.3銷軸校核4.3.1后大臂與支架銷軸聯(lián)接校核銷軸抗剪強度：(4-2)銷軸采用45號鋼，其許用切應力，許用彎曲應力，，將以上值帶入公式得銷軸抗彎強度：(4-3)其中，，帶入公式得，因此選擇銷軸的軸徑d=25mm，滿足強度要求。4.3.2后大臂與小臂銷軸聯(lián)接校核銷軸抗剪強度：銷軸采用45號鋼，其許用切應力，許用彎曲應力，，將以上值帶入公式（4-2）得。銷軸抗彎強度：其中，，帶入公式（4-3）得，因此選擇銷軸的軸徑d=25mm滿足強度要求。4.3.3前大臂與支架銷軸聯(lián)接校核銷軸抗剪強度：銷軸采用45號鋼，其許用切應力，許用彎曲應力，，將以上值帶入公式（4-2）得。銷軸抗彎強度：其中，，帶入公式（4-3）得，因此選擇銷軸的軸徑d=50mm滿足強度要求。4.3.4前大臂與小臂銷軸聯(lián)接校核銷軸抗剪強度：銷軸采用45號鋼，其許用切應力，許用彎曲應力，，將以上值帶入公式（4-2）得銷軸抗彎強度由圖9-3可知，，帶入公式（4-3）得，因此選擇銷軸的軸徑d=50mm滿足強度要求。4.3.5其它銷軸聯(lián)接校核由于小臂和腕部聯(lián)接與前大臂與小臂銷軸聯(lián)接校核的尺寸相同，可選用軸徑為30mm的銷軸。連桿與后大臂的銷軸軸徑為25mm，前大臂、支撐架和連桿三者用銷軸聯(lián)接在一起，連桿與后大臂的銷軸軸徑為25mm。4.4豎直滾珠絲杠螺母副的計算與選型4.4.1最大工作載荷的計算按綜合導軌進行計算，最大工作載荷公式為：(4-4)式中K——載荷系數(shù)，，由《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》表3-29查得，K=1.15；——摩擦系數(shù)，；——進給方向的載荷，。如圖4-1中，E點的受力沒有垂直絲杠方向的，因此=0N。將數(shù)值帶入公式得4.4.2最大動載荷的計算碼垛機器人后大臂的運行速度，則最大動載荷(4-5)式中——滾珠絲杠副的壽命，單位為106r；——載荷系數(shù)，由《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》表3-30，取=1.2；——硬度系數(shù)，滾道硬度為60HRC時，取硬度系數(shù)=1.0。滾珠絲杠副的壽命公式為：(4-6)式中T——使用壽命，T=15000h；n——絲杠轉(zhuǎn)速。(4-7)初選絲杠導程，帶入公式(4-7)得到。將以上數(shù)值帶入公式(4-6)得。將、帶入公式(4-5)得4.4.3初選滾珠絲杠副型號選擇絲杠型號時應使?jié)L珠絲杠副的額定動載荷Ca，額定靜載荷，根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，選擇海特DFT02005-5型滾珠絲杠副，為雙螺母式，其公稱直徑為20mm，導程為mm，循環(huán)滾珠為5圈1列，精度等級為5級，額定動載荷為N大于，則滿足要求。滾珠絲杠副的具體尺寸參數(shù)如表4-1所示。表4-2滾珠絲杠副的尺寸參數(shù)4.4.4傳動效率計算滾珠絲杠螺母副的螺旋升角：傳動效率：(4-8)式中——絲杠螺旋升角?！Σ两牵瑵L珠絲杠的滾動摩擦系數(shù)，其摩擦角約等于。將數(shù)值帶入公式(4-8)得：4.4.5剛度的驗算滾珠絲杠副的軸向變行將引起絲杠導程發(fā)生變化，從而影響進給系統(tǒng)的定位精度及運動的平穩(wěn)性，軸向變形主要包括絲杠的拉伸或壓縮變形，絲杠與螺母之間滾道的接觸變行等。因此應考慮以下引起軸向變形的因素：絲杠的拉伸或壓縮變形量在總的變形量中占的比重較大,可按下式計算：(4-9)式中——絲杠兩端支承間距離，約為700mm；——絲杠最大工作載荷(N)；——絲杠材料的彈性模量，鋼的E=2.1MPa；——滾珠絲杠的截面積（按底徑d2確定的）.絲杠底徑mm，。由于轉(zhuǎn)矩M一般很小，公式的第二項可忽略不計。將數(shù)值帶入公式(4-9)得。滾珠與螺紋滾道間接觸變形當對絲杠加有預緊力，且預緊力為軸向最大負載的1/3時，之值可減少一半，故其計算公式為：(4-10)式中——滾珠直徑，由表4-1查得=3.175mm?！獑稳L珠數(shù)；——滾珠總數(shù)量，=Z圈數(shù)列數(shù)=；——預緊力。滾珠絲杠的滾珠數(shù)為：，取整為Z=17。滾珠絲杠的預緊力為：將數(shù)值帶入公式（4-10）得到。由于減小一半，則=。剛度校驗絲杠總的變形量=0.0266mm=26.6，取絲杠的有效行程為mm。由《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》查表3-27，查得5級精度滾珠絲杠有效行程mm時，行程偏差允許達到32mm，可見絲杠剛度足夠。4.4.6壓桿穩(wěn)定性校核對已選定尺寸的絲杠在給定的支承條件下，承受最大軸向負載時，應驗算其有沒有產(chǎn)生縱向彎曲（失穩(wěn)）的危險，產(chǎn)生失穩(wěn)的臨界負載用下式計算：(4-11)式中——臨界載荷(N)；——絲杠支承系數(shù)，由《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》查表3-34，采用雙推-雙推支承形式，所以=4；——壓桿穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取為2.5～4。垂直安裝時K=2.5；——截面慣性矩,絲杠截面慣性矩（為絲杠螺紋的底徑)；——絲杠兩支承端距離，a=700mm。將以上數(shù)值帶入公式(4-11)得可知壓桿穩(wěn)定性滿足校核。4.5水平滾珠絲杠螺母副的計算與選型4.5.1最大工作載荷的計算按綜合導軌進行計算，最大工作載荷公式(4-4)為：式中K——載荷系數(shù)，K=1.15；——摩擦系數(shù)，；——垂直絲杠的受力，。如圖4-1中，F(xiàn)點的受力沒有水平絲杠方向的，因此0N。將數(shù)值帶入公式(4-4)得。4.5.2最大動載荷的計算搬運機器人前大臂的運行速度，則最大動載荷公式(4-5)為式中——滾珠絲杠副的壽命，單位為106r；——載荷系數(shù)，取=1.2；——硬度系數(shù)，取硬度系數(shù)=1.0。 初選絲杠導程，帶入公式(4-7)得到取使用壽命T=15000h，將其與轉(zhuǎn)速n帶入公式(4-6)得。查《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》的表3-30得=1.2，由于硬度，所以=1.0。帶入公式(4-5)得。4.5.3初選滾珠絲杠副型號選擇絲杠型號時應使?jié)L珠絲杠副的額定動載荷Ca，額定靜載荷，根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，選擇海特DFT02005-5[3]型滾珠絲杠副，為雙螺母式，其公稱直徑為20mm，導程為mm，循環(huán)滾珠為5圈1列，精度等級為5級，額定動載荷為N大于，則滿足要求。4.5.4傳動效率計算計算傳動效率公式(4-8)為：式中——絲杠螺旋升角，=4.55°?！Σ两?，滾珠絲杠的滾動摩擦系數(shù)，其摩擦角約等于。將數(shù)值帶入公式(4-8)得：4.5.5剛度的驗算滾珠絲杠副的軸向變行將引起絲杠導程發(fā)生變化，從而影響進給系統(tǒng)的定位精度及運動的平穩(wěn)性，軸向變形主要包括絲杠的拉伸或壓縮變形，絲杠與螺母之間滾道的接觸變行等。因此應考慮以下引起軸向變形的因素：絲杠的拉伸或壓縮變形量在總的變形量中占的比重較大,可按公式(4-9)計算：式中——絲杠兩端支承間距離，約為700mm；——絲杠最大工作載荷(N)；——絲杠材料的彈性模量，鋼的E=2.1MPa；——滾珠絲杠的截面積（按底徑d2確定的）.絲杠底徑mm，。由于轉(zhuǎn)矩M一般很小，公式的第二項可忽略不計。將數(shù)值帶入公式(4-9)得。滾珠與螺紋滾道間接觸變形當對絲杠加有預緊力，且預緊力為軸向最大負載的1/3時，之值可減少一半，故可按公式(4-10)計算值：式中——滾珠直徑，由表4-1查得=3.175mm?！獑稳L珠數(shù)Z=17；——滾珠總數(shù)量，=Z圈數(shù)列數(shù)=；——預緊力。滾珠絲杠的預緊力為：將數(shù)值帶入公式（4-10）得到。由于減小一半，則=。剛度校驗絲杠總的變形量=0.006mm=6，取絲杠的有效行程為mm。由《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》查表3-27，查得5級精度滾珠絲杠有效行程mm時，行程偏差允許達到32mm，可見絲杠剛度足夠。4.5.6壓桿穩(wěn)定性校核對已選定尺寸的絲杠在給定的支承條件下，承受最大軸向負載時，應驗算其有沒有產(chǎn)生縱向彎曲（失穩(wěn)）的危險，產(chǎn)生失穩(wěn)的臨界負載用公式(4-11)計算：式中——臨界載荷(N)；——絲杠支承系數(shù)，采用雙推-雙推支承形式，故取=4；——壓桿穩(wěn)定性安全系數(shù)，水平安裝時K=4；——截面慣性矩,絲杠截面慣性矩；——絲杠兩支承端距離，a=700mm。將以上數(shù)值帶入公式得可知壓桿穩(wěn)定性滿足校核。4.6水平滾動導軌副的計算選型4.6.1滑塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選擇工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素。對于水平布置的工作臺多采用雙導軌，四滑塊的支撐形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷由一個滑塊承擔，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為：(4-12)式中F——外加載荷；G——移動部件的重量G=800N。將數(shù)值帶入(4-12)得。根據(jù)工作載荷初選海特滾動導軌，F(xiàn)V型導軌。型號為SBS15FV,其額定動載荷，額定靜載荷?；瑝K的尺寸及安裝尺寸如表4-3，表4-5為導軌的尺寸及負載能力。導軌的標準長度如表4-4，選取導軌的標準長度為820mm。表4-3FV型滑塊的尺寸及安裝尺寸表4-4導軌的尺寸及負載能力表4-5導軌的標準長度4.6.2額定行程壽命的計算在直線導軌系統(tǒng)的使用中，除了已知負載外，那些未知的震動和沖擊也必須計算在內(nèi)。而且，硬度和溫度也是影響壽命的主要因素。上述選取的FV系列SBS15FV型導軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過100℃，每根導軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。則額定行程壽命為：(4-13)式中——額定行程壽命(km)；——額定動載荷，=4.58kN；——滑塊上工作載荷，=1.437kN；——硬度系數(shù)，由圖4-6，=1.0；——溫度系數(shù)，由圖4-7，=1.0；——接觸系數(shù)，由表4-6，,=0.81；——載荷系數(shù)，由表4-7，=1.0。將以上數(shù)值帶入公式(4-13)可得。由于常見導軌的距離額定期望壽命為50km，此導軌的額定行程壽命遠大于50km，則初選的導軌型號滿足設計要求。圖4-6硬度系數(shù)圖4-7溫度系數(shù)表4-6接觸系數(shù)表4-7載荷系數(shù)4.7豎直滾動導軌副的計算選型4.7.1滑塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選擇工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素。對于豎直布置的工作臺多采用雙導軌，四滑塊的支撐形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷由一個滑塊承擔，則單滑塊所受的最大水平方向載荷用公式(4-12)計算：式中F——外加載荷；G——移動部件的重量G=800N。將數(shù)值帶入(4-12)得，。根據(jù)工作載荷初選海特滾動導軌，F(xiàn)V型導軌。型號為SBS15FV,其額定動載荷，額定靜載荷。導軌和滑塊的尺寸及安裝尺寸如表4-3、4-4。由表4-5，選取導軌的長度為820mm。4.7.2.額定行程壽命L的計算在直線導軌系統(tǒng)的使用中，除了已知負載外，那些未知的震動和沖擊也必須計算在內(nèi)，并硬度和溫度也是影響壽命的主要因素。根據(jù)上述因素選取的FV系列SBS15FV型導軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過100oC，每根導軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。利用公式(4-13)計算額定行程壽命為：式中——額定行程壽命(km)；——額定動載荷，=4.58kN；——滑塊上工作載荷，=1.188kN；——硬度系數(shù)，由圖4-6，=1.0；——溫度系數(shù)，由圖4-7，=1.0；——接觸系數(shù)，由表4-6，,=0.81；——載荷系數(shù)，由表4-7，=1.0。將以上數(shù)值帶入公式(4-13)可得,，由于常見導軌的距離額定期望壽命為50km，此導軌的額定行程壽命遠大于50Km則初選的導軌型號滿足設計要求。第五章PRO/E建模和仿真Pro/Engineer操作軟件是美國參數(shù)技術公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術的最早應用者，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位，Pro/Engineer作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣。是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國內(nèi)產(chǎn)品設計領域占據(jù)重要位置。Pro/E第一個提出了參數(shù)化設計的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決特征的相關性問題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進行選擇，而不必安裝所有模塊。Pro/E的基于特征方式，能夠?qū)⒃O計至生產(chǎn)全過程集成到一起，實現(xiàn)并行工程設計。它不但可以應用于工作站，而且也可以應用到單機上。Pro/E采用了模塊方式，可以分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設計、鈑金設計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進行選擇使用。5.1主要部件建模及其簡介5.1.1軸承建模的主要過程Pro/e建模比較簡單，這里只是簡單介紹一下角接觸球軸承的建模，其余部件略去。機器人中的角接觸球軸承如圖所示。圖5-1角接觸球軸承具體的建模步驟如下：創(chuàng)建零件文件。選擇“旋轉(zhuǎn)”工具，彈出旋轉(zhuǎn)控制面板，單擊“位置”按鈕，在彈出的面板中單擊“定義”，彈出“草繪”對話框。選擇基準面TOP為草繪平面，接受默認的參照與方向，單擊“草繪”按鈕進入草繪界面。繪制完成后的草圖如下圖(5-2)所示。圖5-2草圖單擊“繼續(xù)當前部分”按鈕即對勾按鈕，完成截面草圖的繪制。接著單擊旋轉(zhuǎn)控制面板的“確定”按鈕，模型效果下圖(5-3)。圖5-3內(nèi)外圈選擇“旋轉(zhuǎn)”工具，彈出旋轉(zhuǎn)控制面板，單擊“位置”按鈕，在彈出的面板中單擊“定義”，彈出“草繪”對話框。選擇基準面TOP為草繪平面，接受默認的參照與方向，單擊“草繪”按鈕進入草繪界面。繪制完成草圖后，單擊“繼續(xù)當前部分”按鈕即對勾按鈕，完成截面草圖的繪制。接著單擊旋轉(zhuǎn)控制面板的“確定”按鈕，模型效果下圖(5-4)。圖5-4未陣列的角接觸球軸承選擇剛繪制的圓球，然后選擇“陣列”工具，彈出陣列控制面板。在“陣列方式”下拉菜單中選擇“軸”選項，單擊內(nèi)圈中心軸。在陣列控制面板的“陣列數(shù)”文本編輯框輸入陣列數(shù)目10，“角度”文本編輯框輸入陣列角度36，單擊“確定”，模型效果如圖(5-5)所示。（圖中的倒角的步驟沒有加進去，是為了說明書的簡潔。）圖5-5角接觸球軸承的模型5.1.2機器人的主要部件及裝配模型腕部電機裝配圖如圖5-6所示。電機固定在外殼上，電機軸的轉(zhuǎn)動帶動底下圓盤的轉(zhuǎn)動。外殼與小臂是銷軸連接，為減少摩擦銷軸處加軸承。外殼上的小孔與系桿鉸接，作用是為保持無論在何運動狀態(tài)下電機軸始終鉛直向下。圖5-6手腕部電機轉(zhuǎn)配滾珠絲杠副裝配如圖5-7所示。滾珠絲杠副支承形式采用雙推-雙推的支承形式。絲杠用銷釘連接方式。軸承用軸承端蓋和緊固件定位。滑塊用滑動桿連接方式，可以沿著導軌滑動。圓螺母用圓柱連接方式，可以沿著滾珠絲杠螺旋向前移動。圖5-7滾珠絲杠裝配腰部電機裝配如圖5-8所示。聯(lián)軸器通過鍵與軸定位。角接觸球軸承通過軸肩和套筒來定位。推力球軸承與軸用銷釘連接裝配。推力球軸承用外殼來定位，將整個腰部以上構件的重力通過軸承傳給整個外殼。最上面部分的大圓盤可以通過電機軸的轉(zhuǎn)動帶動腰部以上構件旋轉(zhuǎn)一定角度。圖5-8腰部電機裝配整個機構的裝配圖如圖5-9所示。圖5-9整體機構的裝配圖5.2三維機構運動仿真的基本介紹5.2.1機構運動仿真的特點在Pro/ENGINEER中進行機構仿真運動的設計有兩種方法:一是Mechanlsm(機構設計)，它可以通過用戶對各種不同運動副的連接設定，使機構按照實際的運動要求進行運動仿真。二是Pro/MeehanlsmMotion功能，該模塊是一個完整的三維實體靜力學、運動學、動力學和逆動力學仿真與優(yōu)化設計工具。Motion運動模塊可以快速創(chuàng)建機構仿真模型并能方便的進行運動分析，從而改善機構設計、節(jié)省時間、降低成本。機構是由構件組合而成，而每個構件都以一定的方式至少與另一個構件連接。這種連接，既使兩個構件直接接觸，又使兩個構件產(chǎn)生一定的相對運動。進行機構運動仿真的前提是創(chuàng)建機構，創(chuàng)建機構與零件裝配都是將單個零部件組裝成一個完成的機構模型，因此兩者之間有很多相似之處。由零件裝配得到裝配體，其內(nèi)部的零部件并沒有發(fā)生相對運動，而由連接得到的機構，其內(nèi)部的構件之間可以產(chǎn)生一定的相對運動。5.2.2機構運動仿真的工作流程建立仿真運動的一般步驟：1.創(chuàng)建機構中參與運動的不可缺少的零件模型。2.選取合適的“連接”進行機構的裝配，并進行必要的位置調(diào)整。3.進入機構設計界面，進行仿真運動的參數(shù)設置，其中包括高級連接類型的設置，伺服電動機和分析定義的參數(shù)設置。在機構仿真運動設計研究中，用戶可以通過對機構添加運動副，使其隨伺服電動機一起移動，并且在不考慮作用于系統(tǒng)上的力的情況下分析其運動。使用運動分析觀察機構的運動，并測量主題位置、速度和加速度的改變。然后用圖形表示這些測量，或者創(chuàng)建軌跡曲線和運動包絡。根據(jù)以上分析，機構運動仿真總體上可以分為6個部分：創(chuàng)建圖元、檢測模型、添加建模圖元、準備分析、分析模型和獲取結果。5.2.3機構仿真運動裝配連接的概念及定義常規(guī)的裝配限制了元件、組件的所有自由度，而元件、組件之間的相對運動必須保留某個或幾個方向上的自由度，因此在進行機構仿真運動的裝配過程中需要引入“連接”定義，即能夠限制主體的自由度，僅保留所需的自由度，以產(chǎn)生機構所適合的運動類型。連接在“裝配”環(huán)境中建立，單擊“元件放置”對話框中的“連接”字符即可進入連接設置狀態(tài)，Pro/ENGINEER中共提供了n種連接模式，下面介紹主要的連接方式:1.剛性使用一個或多個基本約束，將元件與組件連接在一起，受剛性連接的元、組件屬于同一主體，連接后，6個方向上的自由度被完全限制，相互之間不再有自由度。2.銷釘僅有一個旋轉(zhuǎn)自由度，由一個軸對齊和一個與軸垂直的平移約束來限制其它5個自由度，元件可以繞軸旋轉(zhuǎn)。3.滑動桿僅有一個沿軸向的平移自由度，實際上就是一個與軸平行的平移運動，使用“軸對齊”和“旋轉(zhuǎn)”兩個約束限制其他5個自由度。4.圓柱具有一個旋轉(zhuǎn)自由度和一個沿軸向的平移自由度，元件可以繞軸旋轉(zhuǎn)，同時可沿軸向平移，使用“軸對齊”的約束限制其他4個自由度。5.平面具有兩個平移自由度和一個旋轉(zhuǎn)自由度，使用“平面”限制其他3個自由度，元件可繞垂直于平面的軸旋轉(zhuǎn)并在平行于平面的兩個方向上平移。6.球具有3個旋轉(zhuǎn)自由度。使用“點對齊”約束來限制3個自由度[7]。5.2.4機構的仿真運動進行運動仿真必須有動力源，我們選用伺服電機具體操作步驟如下:單擊菜單命令“應用程序”下的“機構”，系統(tǒng)會自動切換到機構設計操作界面。單擊菜單命令“插入”下的“伺服電機”系統(tǒng)會自動彈出“伺服電機定義”對話框。設置相關參數(shù)，確定伺服電機的設置。伺服電動機設置好以后，就可以模擬運動效果，這里還需要對個別參數(shù)進行行設置，具體操作步驟如下：1.單擊窗口右側(cè)工具欄里的“定義分析”按鈕，系統(tǒng)會自動彈出“分析定義”對話框，將其中的參數(shù)設置進行相應的設置。2.切換到“電動機”選項卡，確認電動機已添加，然后單擊底部“運行”按鈕，檢測運行狀況，無誤后關閉“電動機”選項卡，接著再關閉“分析定義”對話框。3.單擊窗口右側(cè)工具欄里的“回放以前運動分析”按鈕，系統(tǒng)會自動彈出“回放”對話框。4.單擊對話框中的“播放當前結果集”按鈕，打開“動畫”對話框。5.單擊對話框中的“播放”按鈕，即可連續(xù)觀測運動效果。通過機械系統(tǒng)的運動仿真可以觀察到搬運機器人的運行情況，單擊對話框的“運行”按鈕查看搬運機器人的運行情況。具體的看視頻第六章ANSYS有限元分析ANSYS軟件作為世界著名的美國ANSYS公司最具盛名的CAE軟件產(chǎn)品，自從引進國內(nèi)之后，由于其具有結構、熱流體、電磁和耦合場分析功能，并且功能體系完整強大，得到非常成功地應用和推廣，應用于航空航天、軍工、能源動力、船舶車輛通用機械等各個行業(yè)。ANSYS軟件提供全新的CAD/CAE一體化平臺，即Workbench環(huán)境，它可以更好的實現(xiàn)與CAD軟件的幾個模型雙向傳遞，并實現(xiàn)參數(shù)化模型的雙向刷新。在本課題的研究中，小臂是整個結構中受力最大的桿，它的強度直接影響到整個系統(tǒng)的功能。因此，需要對其強度進行校核。分析小臂在受力下的變形，采用有限元法來分析小臂的受力變形。機器人小臂的ANSYS有限元分析過程：1.ANSYS分析開始準備工作(1)清除內(nèi)存，并開始一個新的分析；(2)指定工作文件名；(3)指定分析標題；(4)重新刷新圖形窗口，輸入的標題顯示在圖形窗口的左下角。2.創(chuàng)建有限元模型(1)進入前處理器并定義單元類型；(2)定義單元實常數(shù)；(3)定義材料屬性，單元類型選擇SOLID187，材料的彈性模量E=210GPa，泊松比ν=0.31，材料模型設置如圖6-1所示；圖6-1定義材料屬性對話框(4)臂在ANSYS中建模，臂的結構雖然比較簡單，但是存在幾個倒圓角這樣的細小特征，如果與pro/e軟件接口進行數(shù)據(jù)交換容易使細小特征丟失，所以選擇在ANSYS中直接建立模型，如圖6-2所示；圖6-2建立小臂模型(5)網(wǎng)格劃分，模型用Meshtool進行網(wǎng)格劃分，選用智能網(wǎng)格、四面體自由網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分設置如圖6-3所示，劃分結果如圖6-4所示。圖6-3網(wǎng)格劃分設置圖6-4碼垛機器人小臂的網(wǎng)格模型3.求解(1)建立一個新的求解，操作如圖6-5所示。圖6-5建立新的求解(2)施加載荷由計算可知，作用在臂上三個孔上的力可以等效為集中力，其大小分別為G=200N，F(xiàn)1=1237.6N，F(xiàn)2=987.6N。由于作用在孔上的力為分布力，所以將集中力轉(zhuǎn)化為分布力。作用在三個孔上的力的作用面積均為其圓柱表面積的一半：S1=QUOTE=3.14*15*90=4239QUOTES2=QUOTE=3.14*21*90=5934.6QUOTE分布力P1=QUOTE=200/4239=0.0472MPaP2=QUOTE=1237.6/5934.6=0.2085MPaP3=QUOTE=987.6/5934.6=0.1664MPa第三個孔雖然有一個繞軸轉(zhuǎn)動的自由度，但是當臂平衡時臂可以等效為有零個自由度的情況，所以第三個孔的約束條件為固定，自由度約束為零。施加載荷后的模型如圖6-6所示。(3)進行求解圖6-6施加載荷后的小臂4.后處理求解完成后，在后處理菜單中查看分析結果。小臂在x軸方向的應力圖如圖6-7所示，應變圖如圖6-8所示。圖6-7小臂在x軸方向的應力圖圖6-8小臂在x軸方向的應變圖5.小臂強度校核(1)強度分析由小臂的應力圖可知，小臂的最大應力為2.582MPa，位于孔的附近。小臂材料為45號鋼，屈服極限為360MPa，安全系數(shù)=2.5，由公式=／得，。由于小臂的最大作用應力遠小于材料的許用應力，故滿足強度條件。(2)剛度分析從小臂的應變圖可知，小臂的應變較小，剛性較好，在有負載的情況下具有較好的精度。分析結果表明，小臂結構的強度和剛度均滿足設計要求。在滿足條件的情況下，可以適當?shù)膶π”鄣慕Y構進行優(yōu)化。結論本課題所研究的是碼垛機器人結構設計，在參考多種機器人的基礎上設計滿足碼垛要求的機器人。整個課題的設計過程需要完成的任務主要有：1)完成了整體結構的設計，尤其是手臂部分結構的設計。在構思過程中共設計出三種方案，對比后選出第三種方案作為碼垛機器人結構設計方案。2)完成了機械傳動部件的選擇，主要包括有：導軌副、絲桿螺母副、減速機、軸承以及聯(lián)軸器的選用。3)完成了機械傳動部件的計算與校核，主要指導軌、絲杠和銷軸。校核所選擇的型號是否滿足條件，從而選擇出合理的型號。4)完成了基于Pro/e的機器人結構的實體建模和仿真。基于pro/e的機器人的結構設計及運動仿真，對提高和保證碼垛運動的可靠性具有重要的使用價值。5)完成了主要受力桿的應力分析，通過應力、應變圖，找出桿在載荷作用下的最大應力和最大應變，以校核桿是否滿足強度條件和剛度條件。在滿足剛度和強度條件下，可以對桿進行優(yōu)化設計。綜上所述，本次設計出的碼垛機器人在實現(xiàn)基本功能要求的基礎上，較已有的設計方案來說，實體模型仿真提高和保證了機器人運動的可靠性。然而結構設計和仿真過程中存在一些不足之處有：(1)設計的手臂的結構只能起到減小重量，減少加工面積的作用，不能增加手臂桿的剛度。設計成工字形或n字形幾種截面的比較好。采用變截面n字梁作為手臂結構，能承受沿垂直方向的載荷能力大；工字型結構具有較好的抗彎抗剪強度(2)手腕部裝配的不太合理。在機器人運動的過程中，手腕不能保持始終鉛垂向下的狀態(tài)，有可能是結構設計上的問題或者是裝配的問題。(3)在仿真過程中，改變電機的參數(shù)如速度、運動時間，機器人的運動基本上不發(fā)生變化；在水平和豎直方向的運動的位移也很短。這些不足之處有可能是由于手臂的連桿設計不合理，長度有點短。在此設計的基礎上改掉不足的地方，那么此課題設計的搬運機器人將更符合實際的運動。參考文獻[1]謝曉亮．基于UG的五軸聯(lián)動數(shù)控床的后置處理系統(tǒng)研究[D]．（華中科技大學）碩士學位論文．2009．[2]段春輝．五軸聯(lián)動數(shù)控機床通用后置處理系統(tǒng)研制[D]．（西南交通大學）碩士學位論文．2004．[3]孫國平．基于UG的五軸加工中心的后處理[D]．（江南大學）碩士學位論文．2009．[4]DECKELMAHO．DMG機床手冊[K]．中國印刷．[5]張磊．UGNX6后處理技術培訓教程[M]．北京：清華大學出版社，2009：1-199,243-397．[6]HEIDENHAIN．海德漢編程中文[K]．2006．12．[7]路啟建，褚輝生．高速切削與五軸聯(lián)動加工技術[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2011：156-275．[8]陳德存．基于UGPostBuilder的多軸加工中心后置處理的編寫[J]．技術創(chuàng)新與生產(chǎn)實踐，2012，27(2)．[9]辜艷丹，燕杰春．基于UG/PostBuilder6.0的HeidenhainiTNC五軸機床專用后置的開發(fā)[J]．制造技術與機床，2010，2．[10]楊有君．數(shù)控技術[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2005：11-15．[11]魏義利．大型風力機葉片的外形設計與數(shù)值模擬分析[D]．（大連理工大學）碩士學位論文．2010．[12]何顯富，盧露，楊躍進，劉萬琨．風力機設計、制造與運行[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2009，139-156．[13]胡仁喜，王敏，劉昌麗．UGNX5中文版曲面造型實例圖解[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2008：78-81．[14]羅輯，唐毅鋒，袁冬梅．數(shù)控加工工藝及刀具UGNX5[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2008：78-81．[15]劉江濤，陳仁越，謝龍漢．UGNX6數(shù)控加工視頻精講[M]．北京：人民郵電出版社，2009，63-143,261-283．[16]黃成，張文麗．UGNX7.5數(shù)控編程基礎與經(jīng)典范例[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2011，153-165,225-233．謝辭經(jīng)過12周的學習、研究，我的畢業(yè)設計已接近尾聲?；叵肫鹪O計過程中的點點滴滴，至今還歷歷在目。在老師和同學的幫助下我順利地完成了畢業(yè)設計。通過這次畢業(yè)設計我不僅復習了以前學過的知識，而且又學到了很多新知識。雖然這段時間比較累，但是學到了知識，覺得累有所值了。能完成本次畢業(yè)設計首先要感謝在此設計過程中給予我莫大幫助的烏日圖老師，感謝烏日圖老師對我的諄諄教誨。在課題設計過程中老師總是耐心的指導，讓我們把每個問題都盡量解決。而且老師經(jīng)常提醒我們一些自己忽略的設計要求并且耐心的講解我們設計過程中所遇到的疑惑，及時督促我們的設計進度，嚴格要求我們工作質(zhì)量。我真心的感謝烏日圖老師。老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、淵博的理論知識、豐富的實踐經(jīng)驗和踏實的工作作風，使我受益匪淺。還要感謝我給予我?guī)椭耐瑢W們，是他們在設計時給予我許多的意見與建議，及時的糾正我設計的錯誤?？傊舜萎厴I(yè)設計不僅讓我收獲了知識，更讓我懂得了一些道理。再次向老師和給予我熱心幫助的同學們奉上我最誠摯的謝意！

畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得及其它教育機構的學位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作者簽名：日期：指導教師簽名：日期：使用授權說明本人完全了解大學關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。作者簽名：日期：

學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期：年月日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。作者簽名： 日期：年月日導師簽名：日期：年月日

指導教師評閱書指導教師評價：一、撰寫（設計）過程1、學生在論文（設計）過程中的治學態(tài)度、工作精神□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、學生掌握專業(yè)知識、技能的扎實程度□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、學生綜合運用所學知識和專業(yè)技能分析和解決問題的能力□優(yōu)□良□中□及格□不及格4、研究方法的科學性；技術線路的可行性；設計方案的合理性□優(yōu)□良□中□及格□不及格5、完成畢業(yè)論文（設計）期間的出勤情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設計）質(zhì)量1、論文（設計）的整體結構是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設計）任務（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格三、論文（設計）水平1、論文（設計）的理論意義或?qū)鉀Q實際問題的指導意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設計是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設計說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□及格□不及格建議成績：□優(yōu)□良□中□及格□不及格（在所選等級前的□內(nèi)畫“√”）指導教師：（簽名）單位：（蓋章）年月日評閱教師評閱書評閱教師評價：一、論文（設計）質(zhì)量1、論文（設計）的整體結構是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設計）任務（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設計）水平1、論文（設計）的理論意義或?qū)鉀Q實際問題的指導意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設計是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設計說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□及格□不及格建議成績：□優(yōu)□良□中□及格□不及格（在所選等級前的□內(nèi)畫“√”）評閱教師：（簽名）單位：（蓋章）年月日PAGE內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書PAGEPAGE5教研室（或答辯小組）及教學系意見教研室（或答辯小組）評價：一、答辯過程1、畢業(yè)論文（設計）的基本要點和見解的敘述情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、對答辯問題的反應、理解、表達情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、學生答辯過程中的精神狀態(tài)□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設計）質(zhì)量1、論文（設計）的整體結構是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設計）任務（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格三、論文（設計）水平1、論文（設計）的理論意義或?qū)鉀Q實際問題的指導意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設計是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設計說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)