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1、盐城工学院本科生毕业设计说明书 2013目 录1 前言11.1课题来源与技术要求分析11.2课题研究的主要内容11.3国内外发展及研究现状11.4本课题拟解决的问题21.5解决方案及预期效果21.5.1解决方案21.5.2预期效果22 搬运机器人总体设计32.1搬运机器人的功能32.2自由度和坐标系的选择32.2.1自由度的选择32.3搬运机器人机构设计42.3.1执行机构设计42.3.2驱动机构设计52.3.3控制机构设计72.4搬运机器人的技术参数72.5搬运机器人结构简图72.6机器人的运动73纵向部件的设计与计算93.1腰身电机选择与校核93.1.1一般执行电机的选择原则93.1.2步
2、进电机的选用103.1.3腰身电机的选择123.1.4腰身步进电机的校核143.2滚珠丝杠副的选择与校核163.2.1滚珠丝杠副的选择163.2.3滚珠丝杠副的校核163.2.4滚珠丝杠的三维造型183.3底座的设计194 结论20参考文献21致 谢22附 录231 前言1.1课题来源与技术要求分析课题来源于工程实际。设计用于生产线上的工件搬运机器人，机器人能够实现纵向、横向移动、手部的上下移动和夹紧与松开等运动。1.2课题研究的主要内容总体设计1) 确定机器人的型式；2) 设定机器人的传动方案设计，绘制传动原理图；3) 确定机器人的总体结构，绘制总装图。零部件设计1) 选择动力源；2) 零部
3、件的设计计算和校核； 3) 零部件的结构设计，绘制部装图、零件图1.3国内外发展及研究现状1960年，美国Unimation公司，根据Devol的技术专利研制出第一台机器人样机，并定型生产Unimate（意为“万能自动”）机器人，自从第一台工业机器人问世以来，机器人就显示出了极强的生命力。经过四十年的迅速发展，在工业发达国家中，工业机器人已经广泛应用与汽车及汽车零部件制造业、电子电器行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等诸多领域中。机器人的分类方法有多种，按其应用可分为：工业机器人、军用机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、空间机器人和娱乐机器人。作为先进制造业中不可替代的重
4、要装备和手段，工业机器人是机器人中的一个重要分支，是机器人领域的重要研究发展方向。对工业机器人运动轨迹规划和控制的研究，一只搜到人们的普遍关注，工业机器人已经成为衡量一个国家制造业水平和科技水平的重要标志。搬运机器人是工业机器人的一个重要的分支，它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点。搬运机器人能完成搬运作业的自动化。1960年，美国诞生了初代的搬运机器人，Versatran和Unimate机器人。搬运作业是指通过一种机械将工件从当前位置移到将要进行加工的位置。不同末端执行器的搬运机器人能完成搬运各种工件的任务，从而减轻了人类劳动，提高工作效率。目前
5、世界上使用的搬运机器人逾10万台，被广泛应用于集装箱、机床上下料、码垛搬运、自动装配流水线、冲压机自动化生产线等的自动搬运。由于人类搬运能力有限，因此就要求搬运机器人来完成较为困难的工作。目前，对机器人技术的发展有重要影响的国家是日本和美国。美国在机器人技术的综合性水平上仍处于领先地位，日本生产的机器人数量和种类则位居世界首位。上世纪70年代末，机器人技术开始在我国发展。目前以基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬软件设计技术运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发了装配、弧焊、喷漆、搬运、点焊等机器人。但是和国外发达国家相比，我国的工业机器人技术及其应用水平不高。在我
6、国，各行业自动化生产线对搬运机器人需求旺盛，有明确的依托工程，市场风险小。因此，在未来会加强对机器人的各种研究，积极寻找和开拓新的应用领域。搬运机器人的诞生，为人类解决了很多实质性问题，随着技术的不断创新和完善，搬运机器人正在朝着更加智能、高速和无线控制的方向发展，并为人们的工作和生活带来更多的便利。1.4本课题拟解决的问题A.总体设计问题：动力源的选择；确定机器人的形式，设计所选用的传动方式和总体的结构。B.详细设计相关问题：主要零部件的设计计算和校核以及结构设计。1.5解决方案及预期效果1.5.1解决方案本此设计的搬运机器人由机械手和基座组成。机械手部件的运动必须要有强大的动力系统和精准的
7、定位系统，因此采用步进电机进行驱动机械手臂和手抓，以至于能实现手臂完成设计所要求的纵向、横向以及升降作业行程和手爪的开合，并且满足定位精度，由于设计的机械手动力较强劲，考虑到此原因，其传动系统应该采用齿轮传动机构，其特点是摩擦较小。由于要搬运的重量较重，因此机械手材料可以选用铝合金，其具有轻便坚固等特点。1.5.2预期效果A.机器人的制造工艺性好，达到实际需要的制造精度；B.机械手运动灵活，物件夹取牢固；C.选取合适的材料，使产品的制造成本降低；D.提高设计的成功率、减少设计返工；E.机械手机构简单合理，操作方便，减少对其的维修；F.经过后期优化，使其达到预期的效果。2 搬运机器人总体设计2.
8、1搬运机器人的功能搬运机器人应具备以下功能：A.移动：通过机器人的移动实现物料的远距离搬运；B.导航跟定位：能够自主的按照预先设置的路线运行，并获得位置资料；C.运输：能搬运物料从A位置到B位置；D.承重：搬运机器人能完成规定抓取的重量；F.搬运速度：搬运所允许的最大速度不得超过2m/s；2.2自由度和坐标系的选择2.2.1自由度的选择机器人的运动自由度是指各运动部件在三维空间相当于固定坐标系所具有的独立运动数，对于一个构件来说，它有几个运动坐标就称其有几个自由度。这次设计机器人能够实现纵向，横向移动，手部的上下移动和夹紧与松开，生产实践中不需要机器人的手有很多自由度，一般要求为3-6个，因此
9、这此设计的搬运机器人为3自由度，即：纵向、横向移动，手部的上下移动和手爪的与松开。2.2.2坐标系的选择工业机器人有五种坐标形式的机器人，如图2-1。图2-1 五种坐标形式的机器人（a）直接坐标型机器人（b）圆柱坐标型机器人（c）球（极）坐标型机器人（d）关节坐标型机器人（e）SCARA型机器人A.直角坐标型机器人 直角坐标型机器人（cartesian coordinates robot）的外形与数控镗铣床和三坐标测量机相似，如图2-1（a）所示，其3个关节都是移动关节（3P），关节轴线相互垂直，相当于笛卡尔坐标系的x轴、y轴和z轴作业范围为立方体状。其优点是刚度好，多做成大型龙门式或框架式结
10、构，位置精度高、运动学求解简单、控制无耦合；但其结构较庞大、动作范围小、灵活性差且占地面积较大。因其稳定性好，适用于大负载搬送。B.圆柱坐标型机器人 圆柱坐标型机器人（cylindrical coordinates robot）具有2个移动关节（2P）和1个转动关节（1R），作业范围为圆柱形状，如图2-1（b）所示。其特点是：位置精度高、运动直观、控制简单；结构简单、占地面积小、价廉，因此应用广泛；但其不能抓取靠近立柱或地面上的物体。Verstran机器人是该机器人的典型代表。C.球（极）坐标型机器人 球（极）坐标型机器人（polar coordinates robot）具有1个移动关节（1P
11、）和2个转动关节（2R），作业范围为空心球体状，如图2-1（c）所示。Unimate机器人是该类机器人的典型代表。其优点是结构紧凑、动作灵活、占地面积小，但其结构复杂、定位精度低、运动直观性差。D.关节坐标型机器人 关节坐标型机器人（articulated robot）由立柱、大臂和小臂组成。其具有拟人的机械结构，即大臂与立柱构成肩关节，大臂与小臂构成肘关节。具有3个转动关节（3R），可进一步分为1个转动关节和2个俯仰关节，作业范围为空心球体状，如图1（d）所示。该类机器人的特点是作业范围大、动作灵活、能抓取靠近机身的物体；运动直观性差，要得到高定位精度困难。该类机器人由于灵活性高，应用最为广
12、泛。PUMA机器人是该类机器人的典型代表。E.SCARA型机器人 SCARA型机器人（selective compliance assembly robot arm）有3个转动关节，其轴线相互平行，可在平面内进行定位和定向。其还有一个移动关节，用于完成手爪在垂直于平面方向上的运动，如图1（e）所示。手腕中心的位置由2个转动关节的角度1 和2 及移动关节的位移z决定，手抓的方向由转动关节的角度3 决定。该类机器人的特点是在垂直平面内具有很好的刚度，在水平面内具有较好的柔顺性，且动作灵活、速度快、定位精度高。例如，Adept 1型SCARRA型机器人运动速度可达10m/s，比一般关节型机器人快数倍
13、。SCARA型机器人最适宜于平面定位，以及在垂直方向上进行装配，所以又称为装配机器人。根据课题要求：能够满足搬运要求，保证定位精度，运行平稳，工作可靠，结构简单，装卸方便，便于维修、调整。因其只有直线移动的结构，并且直角坐标型机器人稳定性好，适用于大负载搬送，所以选择直角坐标型机器人。2.3搬运机器人机构设计搬运机器人有执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。2.3.1执行机构设计A.手部工业机器人的手又成为末端执行器。它是机器人直接用于抓取和握紧工件进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。由于被握工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不同，因此工业机器人的末端操
14、作器是多种多样的，大致可分为以下几类：（a）夹钳式取料手（b）吸附式取料手（c）专用操作器及转换器（d）仿生多指灵巧手，本次设计课题对象为搬运机器人，并不需要复杂的多指人工指，只需要设计能从不同角度抓取工件的钳形指，手指是直接与工件接触的部件。手指松开和夹紧工件，是通过手指的张开与闭合来实现的。通过滚珠丝杠传动控制手指的夹紧和放松，滚珠丝杆是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。滚珠丝杆由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。B.臂部臂部是工业机器人的主要执行部件
15、，起作用是支并改变手部的空间位置撑手部。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受到手部和工件的静、动载荷，而且自身还有运动，因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。手臂的运动依然采用滚珠丝杠传动控制。C.机身机身和臂部相连，机身支撑臂部，臂部又支撑手部，机身一般用于实现升降、回转和仰俯等运动，常有1-3个自由度，机身结构一般由机器人总体设计确定，圆柱坐标型机器人的回转与升降归属于机身；球（极）坐标型机器人的回转与俯仰这2个自由度归属于机身；关节坐标型机器人的回
16、转自由度归属于机身；直角坐标型机器人的纵向移动和升降移动属于机身。由于是直角坐标型机器人，因此机身的升降仍然采用滚珠丝杠传动控制，步进电机作为动力源。2.3.2驱动机构设计机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。这三种方法各有所长。各种驱动方式的特点见表2-1：机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有：A.驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；B.反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁的起、制动，正、反转切换C.驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；D.安全可靠E.操作和维护方便；F.对环境无污染，噪声较
17、小；G.经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。表2-1 三种驱动方式的特点对比表内容驱动方式电机驱动气动驱动液压驱动输出功率较大大，压力范围为48-60Pa很大，压力范围为50-140Pa响应速度很高较高很高控制性能控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏。可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制利用液体的抗击压力实现传递，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制结构性能及体积伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，出DD电动机外，难以直接驱
18、动，结构紧凑，无密封问题结构适当，执行机构可标准化、模拟化，以实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小结构适当。执行机构可标准化、模拟化，以实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大安全性设备自身无爆炸和火灾危险，直流电动机转换有火花，对环境的防爆性能较差高于1000kPa（10个大气压）时应注意设备的抗压性，防爆性能好，用液压油作传动介质，有火灾危险，防爆性能较好在工业机器人中应用范围适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机器人，如AC伺服喷涂机器人、电焊机器人、弧焊机器人、装配机器人等适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限
19、点位程序控制机器人本体的气动平衡及装配机器人启动夹具适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、电焊机器人和托运机器人对环境的影响无排气时有噪声液压系统易漏油，对环境有污染成本成本高成本低液压元件成本较高维修及使用较复杂方便方便，但油液对环境温度有一定要求综合上述驱动系统的特点和机器人驱动系统的设计要求，本次设计选用步进电机驱动的方式对机器人进行驱动。2.3.3控制机构设计考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此采用可编程控制器（PLC）对机械手进行控制。当机械手的动作发生改变时，通过PLC的程序改变即可实现，非常方便，由于本次设计只对机械手的机械部分作出要求，因此控制部分忽略。2
20、.4搬运机器人的技术参数A.搬运最大重量 40公斤；B.自由度数：4个自由度C.纵向作业行程3000mm；D.横向作业行程1300mm；E.升降作业行程1000mm；F.定位精度1mm；G.最大速度2m/s；H.生产纲领：大批大量；I.批量:本机器人设计、制造一台。2.5搬运机器人结构简图图2-2 搬运机器人结构简图2.6机器人的运动搬运机器人的整体机构如上图2-2所示，现在让我们分析一下它的运动过程：底座上的步进电机控制滚珠丝杠转动，丝杠上的螺母副上下移动控制机身的上下移动，从而控制手臂和手部的升降，手臂中有步进电机，当步进电机运转时，使其内部的轴旋转，然后通过滚珠丝杠原理，让轴进行左右伸缩
21、，轴与手部连接，所以使手部达到左右伸缩的目的。手部里有步进电机，它也是通过滚珠丝杠原理让手部进行夹紧与放松的动作。3纵向部件的设计与计算图3-1 机身结构示意图从机身结构示意图3-1上可以看出，机身的运行过程如下，机身上装有一个步进电机，当步进电机正转时，带动其内部的轴旋转，然后通过滚珠丝杠的原理，电动机带动丝杠转动，螺母会随丝杠转动角度按照对应规格的导程转化成直线运动，从而带动机身向上运动，继而控制手臂和手部的上升，当步进电机反转的时候，则向下运动。3.1腰身电机选择与校核3.1.1一般执行电机的选择原则A.伺服系统设计通常从选择执行电机开始作为伺服系统的执行元件，应能方便地实现连续地、平滑
22、地、开你调速，对控制信号反应快捷，才能保证整个系统带动被控对象按所需要的规律及控制精度运动。B.考虑电机的种类及控制方式直流伺服电动机、交流伺服电动机和直接驱动电动机均采用位置闭环控制，一般用于要求高精度、高速度的数控系统。步进电动机主要用于开环系统，一般用于精度、速度要求不高，成本要求低的数控系统。永磁直流伺服电动机用于一般的直流伺服系统。无槽电枢直流伺服电机用于需要快速动作、功率较大的伺服系统。同步型交流伺服电动机常用于位置伺服系统，如数控机床的进给系统、机器人关节伺服系统及其他机电一体化产品的运动控制，包括点位控制和连续轨迹控制。C.通过定量的核算确定电机的具体型号与规格选择执行电机时，
23、首先要确定本课题所需电机的类型，通过相应步进电机的计算，确定其具体的型号规格。为此，要根据被控对象的运动形式（旋转或直线运动），运动的变化规律，运动负载的性质和具体数量，运行工作体制（使长期连续运行或短时运行或间歇式运行），结合系统的稳态性能指标要求，做定量的分析。D.考虑被控对象工作的特点和环境条件执行电机是伺服系统的一个重要组成部分，同时又靠他驱动被控对象，因此它是伺服系统与被控对象相联系的一个关键部件。执行电机的工作环境应该和其工作特点相符，它的机械结构尺寸必须符合设计要求，选择合理的安装方式，以使得总体合理，便于安装和维修。这些都关系到执行电机的选择。现在伺服系统得到了大量的应用，但是
24、想要对其中的执行电机进行更换时，常会遇到机械结构、环境条件等因素的影响。E.其它考虑因素当两种电气伺服系统都能满足实际应用的要求时，则产品的价格是关键因素。其它一些条件，如货源方便程度、维修与服务、技术成熟度、未来发展等都可能成为选择何种电气伺服系统的考虑因素。3.1.2步进电机的选用步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在没有超过额定负载下，脉冲信号的数量和频率影响着步进电机的转速，当脉冲信号被步进电机接收时，其中的转子便会转过一个特定的角度称为步距角，其大小等于错齿的角度。因此，步进电机的旋转是按特定角度运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定
25、位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。A.步进电机分类步进电动机的分类方法很多，根据不同的分类方式，可将步进电动机分为多种类型，如表3-1所示。永磁式步进电机工作原理简述：永磁式步进电动机是一个永久磁铁电动子，卷绕并且磁性的导电性定子。通电导线形成一个磁场，定子磁场分布的改变，定子在磁场的作用下转动来带动负载。典型的步进电动机作用原理：一个两相绕阻。两相绕阻中的A向通电产生磁场，因为转子受定子磁极吸引由向A向绕阻转动。通电B相绕组，使转子由A向绕阻向B向绕阻转动，即转子随磁场方向转动。磁场转到A向绕阻，转子由B向绕组向A向绕阻转动。重复以上这个过程
26、。每使电动机转子顺时针转过90度，即步进电机向前进一步（一个步距角）。表3-1 步进电动机的分类分类方式具体类型按力矩产生的原理（a）反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行（b）激磁式：定、转子均有激磁绕组（或转子用永久磁钢），有电磁力矩实现步进运行（c）永磁感应子式（混合式）：磁路内含由永久磁钢，他好像是反应式和激磁式步进电动机的结合。按输出力矩大小（a）伺服式：输出力矩在百分之几到十分之几（Nm）只能驱动较小的负载，要与液压扭矩放大器配用，才能驱动机床工作台等较大的负载（b）功率式：输出力矩在5-50 Nm以上，可以直接驱动驱动机床工作台灯较大的负载按定子数（a）单
27、定子式；（b）双定子式；（c）三定子式；（d）多定子式按各相绕组分布（a）径向分相式：电机各项按圆周依次排列（b）轴向分相式：电机各项按轴向依次排列B.步进电机的选用原则步进电机属于控制型电动机，其通过定子绕组的通电状态每改变一次，转子便转过一个确定的角度，即步距角。其特点是没有积累误差（精度为100%），所以广泛应用于各种开环控制。步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移。或者说：控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电
28、路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机确非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。（a）首先确定步进电机拖动负载所需要的扭矩。本课题要求纵向部件能带动手臂和手部上下移动，因此，要计算出手臂和手部的总质量，从而才能得到步进电机的扭矩。或者根据负载特性从理论上计算出来。因为步进电机属于控制型的电动机，对于现有的步进电机，70Nm是其最大力矩要求，力矩越大，经济性就会降低，假如算选电机的最大力矩超过70Nm，可以选择安装减速器。（b）确定步进电机的最高运行转速。步进电机选取的一个重要因素就是转速，步进电机的转速和扭矩成反比，当转速变大时，扭矩就会下降，有很多因素会影响到扭矩，比如驱
29、动器的驱动电压、电机的相电流越大，力矩下降越慢。在对本课题进行设计时，必须将步进电机的转速设定在1000r/min或者1500r/min，因此在设计过程中要参考矩-频特性。（c）选择步进电机时，有两个重要因素，分别是负载的最大力矩和最高转速，结合这两个因素再参考矩-频特性，就可以选择出符合课题要求的步进电机。当选择的步进电机转速过大，可以加上齿轮或减速器，以达到减速的目的，这样作可以使设计趋于简单，也比较经济。但是要考虑减速比是否合适，这需要综合考虑各方面因素，从而得到最合适的设计方案。（d）最后还要考虑留有一定的（如30%）力矩余量和转速余量。（e）尽量选择混合式步进电机，并且驱动器工作在细
30、分状态。（d）尽量选取细分驱动器，并且驱动器工作在细分状态。（f）电机选取时，电机力矩是个重要的因素，但是并不是唯一因素，电机力矩并不是越大越好，所以要和其他因素结合起来考虑。（g）如果要求转速很高时，为了满足要求，应该选择高电压驱动。（h）步距角能满足使用要求就行。3.1.3腰身电机的选择A.手部机壳的材料选为铸钢，手部内部各个零件的质量粗略计算：角接触球轴承7204AC：0.007kg角接触球轴承7205AC：0.020kg爪子采用铸钢，密度为7.8103kg/m3m爪=0.20.030.0357.8103=7.02kgm外壳 =4 (0.2002-0.1842) 58010-37.810
31、3=21.82kg手部轴的材料选为40Cr，密度为7.19103 kg/m3，调质处理，手部主轴质量： mA= m轴1+ m轴2+ m轴3+ m轴4+ m轴5m轴1=0.52kg；m轴2=0.78kg；m轴3=1.98kgm轴4 =1.30kg；m轴5 =0.68kg mA= m轴1+ m轴2+ m轴3+ m轴4+ m轴5=0.52+ 0.78+ 1.98+ 1.30+ 0.68=5.26kg电机质量：m电机=1.58kg套筒质量：m套筒=1.39kg导轨质量：m导轨=9.5kg其余质量估计值为：m其余=0.48kg加上最大搬运质量：m工件=40kg手部总的质量最后确定为： m手= m爪+ m
32、外壳+ mA+ mB +m电机+m套筒+m导轨+m其余+m工件=7.02+ 22.81+5.26+1.58+1.39+9.5+0.48+40=88.04kgB.手臂机壳的材料选为铸钢，手臂内部各个零件的质量粗略计算：角接触球轴承7204AC：0.007kg角接触球轴承7205AC：0.020kgmA=m1+m2+m3+m4m1 =61.82kg；m2 =14.83kgm3=11.19kg；m4=4.05kgmA= 61.82 + 14.83 + 11.19 + 4.05 = 91.89kg手臂轴的材料选为40Cr，密度为7.19103 kg/m3，调质处理，手部主轴质量：m轴1=21.35kg
33、m轴2 =1.83kgm轴3=3.39kgmB= 21.35 + 1.83 + 3.39 = 26.57kg电机质量：m电机=3kg套筒质量：m套筒=0.82+1.20=2.02kg其余质量估计值为：m其余=7.26kg加上最大搬运质量：m工件=40kg手臂总的质量最后确定为：m总= mA+ mB +m电机+m套筒+m其余+m工件=91.89+ 26.57+3+2.02+8+7.26+40=130.74kgC.腰部机壳材料为铸钢，腰部内部各零件的质量粗略计算。根据腰部轴承受载荷及速度情况，拟定采用角接触球轴承。由手部主轴的结构设计，得出角接触球轴承的内径d1=d2=50mm，初步决定选取角接触
34、球轴承的代号为7210AC。经过校核，轴承具有足够的寿命。m腰=63.25+36.73+108.42=215.66kgm总=434.44kgTL=WD1210-2其中W=434.44kg，D1=40mmTL=434.449.80.410-22=8.52Nm选用130BF001步进电机，相数为5，额定电压80/12，静态电流10A，步距角0.75/1.5，空载启动频率PPS为3000Hz，空载运行频率16000，外形尺寸：总长170mm，外径130，轴径14，最大静转矩为9.31Nm满足要求，合适。3.1.4腰身步进电机的校核A.转动惯量计算。电机130BF001转子转动惯量，查BF反应式步进电
35、动机技术参数表得JD=4.7kgcm2丝杠转动惯量JS =0.786.34 36010-3 =442.34 kgcm2移动质量折算到丝杠轴惯量Jm=L0/22Mm=2.59kgcm2滚珠丝杠基本导程：L0=16mm移动件质量为：Mm=40kg传动系统各运动部件惯量折算到电机轴上总等效转动惯量为J=JD+JS+Jm/i2=449.63kgcm2传动比：i=1B.最大静转矩校核空载启动力矩Mkq=Mka+Mkf+M0其中：加速力矩Mka=J2nmax10-2/60t电机最大转速为丝杠最大转速的i倍，丝杠最大转速nS=1500r/min所以nmax=1500r/min，加速时间预定为1s，则Mka=
36、706.28Ncm丝杠预紧力附加摩擦力矩M0=FYJL01-02/2i预紧力：FYJ=Fm/3=2305.875/3=768.625N；L0=1.6cm传动总效率：=0.8；丝杠未预紧时传动效率：0=0.9；i=1；则M0=46.49Ncm空载摩擦力矩很小，现设2M0,即Mkf=92.98Ncm因此，空载启动力矩Mkq=706.28+92.98+46.49=845.75Ncm满足最大静转矩校核，MkqMjmax=0.9519.31=885.38Ncm（五相十拍运行 =0.951；Mjmax=9.31Nm）。C.启动矩频特性校核腰部步进电机为130BF001，其最高空载启动频率为f=3000Hz
37、，但是，仍会有惯性负载会出现在电机空载启动时，为了避免这种情况一定分阶梯启动。分为三个阶梯启动。每个阶梯启动频率为fq=fmax=1000Hz在0.25s内完成升速。0.05s过渡，则相应的角加速度为=n/tn=10001.5/180s-2其中t=0.25；=52.36s-2加速力矩Ma=J10-2=235.43Ncm；M0=46.49Ncm；Mkf=92.98 Ncm则空载启动力矩为Mkq=Ma+Mkf+M0=374.90Ncm空载启动频率为fq=1000Hz查看130BF001启动矩频特性曲线，满足要求。D.运行矩频特性校核快速进给力矩MKJ=Mkf+M0其中M0=46.49 Ncm；Mk
38、f为快速进给是折算到电机轴上的摩擦力矩Mkf=2M0=92.98 Ncm因此，电机快速进给力矩MKJ=139.47 Ncm，电机快速运行频率fKJ=16000Hz，查看130BF001步进电机矩频特性曲线，满足要求。3.2滚珠丝杠副的选择与校核3.2.1滚珠丝杠副的选择选用滚珠丝杠副要考虑三方面因素：循环方式、预紧方式、循环列数与圈数。丝杠和螺母之间有钢珠在其中滚动，这是一个闭路循环。根据循环的方式可分为两种：内循环，螺母内装有回珠器；外循环，螺母外装有管道式的回珠器。滚珠丝杠副初选为外循环，预紧方式为垫片预紧，导珠管理入式，名义直径D0 =63mm，基本导程（螺距）L0 =5mm，螺纹旋向为
39、右旋，2.5圈2列，定位滚珠丝杠副，精度等级为3级，丝杠螺纹长度3300mm，丝杠总长度L=3600mm，滚珠丝杠副型号为CDM6316-2.5-P3。移动件质量估算为Mm=0.5kg。经计算实际脉冲当量P=0.0138mm/脉冲，小于本次设计课题给出的定位精度1mm，满足要求。130BF001步进电机转速n=1500r/min=25r/s，r=63/2=31.5mm，因此丝杠转速v=rn30=31.52530=82.43mm/s0.08m/s3.2.3滚珠丝杠副的校核A.最大工作载荷计算工作最大负载FZ=218.789.8=2144.044N，取FZ=2145N，沿Z轴方向，即丝杠轴向。因此
40、，滚珠丝杠副的进给抗力，即最大工作载荷Fm为Fm=FZ+Fyf设横向工作载荷为Fy=0.5FZ=0.52145=1072.5Nf为导杆和轴套之间的摩擦系数，f=0.15。因此，丝杠最大工作载荷Fm=2145+1072.50.15=2305.875NB.最大动负载C校核滚珠丝杠最大动负载C=3LfmFmL为工作寿命L=60nT/106 n为丝杠转速n=v/L0=120000/16=7500r/min，T为额定使用寿命（h），取T=15000，则L=60750015000/106 =6750。fm为运转状态系数，无冲击，取fm=1.2，因此，C=367501.22305.875=52293.97N
41、从滚珠丝杠副资料查到。型号CDM6316-2.5-P3滚珠丝杠副的额定动负载Ca=74300N。从本计算可知动负载校核足够，裕度很大，其原因是工作载荷很小，仅2305.875N，且转速不高。静载校核因工作载荷很小，可省略。并且，对于该自由度传动系统的计算机校核可从简。比如，导杆，齿轮传动副等。C.刚度验算丝杠的拉压变形量 1= FmLEA (mm) 式中：L为滚珠丝杠在支承间的受力长度取L=3500mm；E=20.6104 MPa；丝杠底径d1近似为外径与滚珠直径之差，即d1=d-dw，丝杠外径d=d0-0.2dw=63-0.29.525=61.095mm，丝杠名义直径已知d0 =63mm，滚
42、珠直径dw由表查出，dw=9.525mm因此丝杠底径d1为d1=61.095-9.525=51.57mmA=51.572/4=2088.74mm2 。于是拉压变形量为1=2305.8753500/20.6104 2088.74=0.019mm该变形量可忽略不计，因工作载荷很小，滚道接触变形量从略。D.压杆稳定验算失稳时的临界载荷Fk=fz2EIL2采用两端简支支承方式，支承方式系数fz=1.0I为界面惯性矩I=d14/64=51.574 /64=347183mm4L=120mm因此，Fk=1.02 20.6104 347183/35002 =5.76104N稳定安全系数为nk=Fk/Fm因此，
43、nk=5.76104 /2305.875=24.98nk=2.54。因工作负载小，压杆不会失稳。E.传动效率计算=tg/tg+根据初选滚珠丝杠型号从表中查出螺旋升角=437，摩擦角一般约等于10，则=tg437/tg447=0.97，传动效率符合要求。F.结论：初选滚珠丝杠副符合要求。滚珠丝杠副型号为CDM6316-2.5-P3。3.2.4滚珠丝杠的三维造型A.Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC）旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engine
44、er作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品领域占据重要位置。B.滚珠丝杠主要由丝杠轴，螺母副，外滚道，滚道压板，螺钉，滚珠等零部件组成。（a）丝杠轴 第一步通过拉伸操作画出直径为60mm长度为3200mm的轴，第二步螺旋扫描切口操作切出丝杆轴上的螺旋滚道，第三步利用旋转去除材料操作在轴的两端打孔并进行倒角，第四步再次利用螺旋扫描切口命令对轴的两端孔进行攻螺纹。（b）螺母副 第一步通过拉伸和旋转操作画出螺母以及螺母上的螺栓孔，第二步用螺旋扫描切口命令对螺母攻出内滚道，第三步对螺母做辅助平面，以便于加工
45、内滚道与外滚道之间的通道，最后对通道外口进行加工以便于与外滚道连接，以及攻出固定外滚道的螺纹孔。（c）外滚道 在制作外滚道之前要先确定整个滚道内需要几个滚珠，一般外滚道的长度=滚珠直径的整数倍内滚道长度通道长度，计算好长度后，利用扫描伸出项命令画出轨迹线，然后进行滚道扫描，最后对两端出口进行加工以便于与通道口的连接。（d）滚道压板 将外滚道与螺母装配得到尺寸关系后通过拉伸操作画出。（e）滚珠丝杠的装配 第一步先导入丝杠轴，属性是刚性，第二步导入螺母，螺母用圆柱连接定义进行装配，注意滚道的配合；第三步导入外滚道，用销钉连接定义进行装配，先轴对齐然后连接面重合，这样就将外滚道装配上螺母了，第四步导
46、入压板，第五步装配螺钉，操作都如第三步一样。此外滚珠在实际操作中在第二第三步之间放入即可，最后装配如果发生干涉可以对零件进行修改，确保装配的准确性。C.完成后的三维图如图3-2。图3-2 滚珠丝杠三维图3.3底座的设计底座作为整个机械手的基础，对全部的移动部件起到支撑的作用，考虑到所支撑物体的质量较重，因此选择ZG300作为底座的材料，底座的结构形式采用圆柱体结构，分为内壁和外壁，底座上留有四个螺孔，通过螺钉固定腰身及以上结构。机身电机固定在底座内部，其结构如图3-2所示。图3-3 底座结构简图底座设计技术参数：底座高250mm，上下圆半径R=240mm，壁厚=20mm4 结论本此设计的课题来源于工程实际。所设计的搬运机器人是可以用于生产线上进行工件搬运的机器人，可以搬运最大重量为40kg的物体，能够完成纵向3000mm、横向1300mm、升降1000mm的作业行程，满足课题所要求的定位精度，并且运行平稳，工作可靠，其总体结构较为简单，装卸方便，便于维修、调整。这次设计的搬运机器人的运动主要通过步