圖書(shū)館自動(dòng)歸書(shū)機(jī)器人的設(shè)計(jì)含12張CAD圖
圖書(shū)館自動(dòng)歸書(shū)機(jī)器人的設(shè)計(jì)含12張CAD圖,圖書(shū)館,藏書(shū)樓,自動(dòng),機(jī)器人,設(shè)計(jì),12,十二,cad
圖書(shū)館自動(dòng)歸書(shū)機(jī)器人
摘 要
機(jī)器人是在在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展的一種新型裝置,使用的一種具有抓取和移動(dòng)工件功能的自動(dòng)化裝置。機(jī)器人能代替人類、重復(fù)枯燥完成危險(xiǎn)工作，提高勞動(dòng)生產(chǎn)力,減輕人勞動(dòng)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(cè)技術(shù)等。本課題擬開(kāi)發(fā)的物料電動(dòng)機(jī)器人可在空間抓放物體，動(dòng)作靈活多樣，根據(jù)工件的變化及運(yùn)動(dòng)流程的要求隨時(shí)更改相關(guān)參數(shù),可代替人工在高溫危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行作業(yè)，。
本課題所要求設(shè)計(jì)的輔助機(jī)器人，主要用于完成圖書(shū)的上架工作。因此要求機(jī)器人具有行走、自動(dòng)識(shí)別圖書(shū)類別、并將圖書(shū)放置于準(zhǔn)確位置等功能。同時(shí)機(jī)器人應(yīng)具有靈活、安全性好等特點(diǎn)。課題研究?jī)?nèi)容包括機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)電系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：機(jī)器人, 電動(dòng)機(jī)器人，圖書(shū)館歸書(shū)，提升
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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 錄
摘 要 IV
Abstract V
第1章 緒論 1
1.1課題背景及目的 1
1.2 本課題研究的目的和意義 2
1.3 工業(yè)機(jī)器人概念 2
1.4 國(guó)內(nèi)機(jī)器人的研究 2
第2章 圖書(shū)館輔助機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求與方案 4
2.1圖書(shū)館輔助機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求 4
2.2 基本設(shè)計(jì)思路 4
2.2.1 系統(tǒng)分析與控制部分 4
2.2.2 總體設(shè)計(jì)框圖 5
2.2.3 電動(dòng)機(jī)器人的基本參數(shù) 5
2.3 電動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6
2.4 機(jī)器人材料的選擇 6
2.5機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方式 6
2.6 電動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式的選擇 7
2.7 動(dòng)作要求分析 7
2.8 電動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型 8
第3章 圖書(shū)館輔助機(jī)器人機(jī)械部分的設(shè)計(jì)計(jì)算 10
3.1 手爪夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 10
3.1.1手爪夾持器種類 10
3.1.2夾持器設(shè)計(jì)計(jì)算 11
3.2升降方向的電動(dòng)缸設(shè)計(jì) 12
3.2.1滾珠絲杠的精度 12
3.2.2 滾珠絲杠參數(shù)的計(jì)算 12
3.3伺服電機(jī)的選擇 16
3.3.1最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 16
3.3.2負(fù)載慣量的計(jì)算 17
3.3.3空載加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算 18
3.4 水平方向電動(dòng)缸的設(shè)計(jì) 19
3.4.1導(dǎo)程確定 19
3.4.2確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 19
3.4.3確定絲桿的等效負(fù)載 19
3.4.4確定絲桿所受的最大動(dòng)載荷 20
3.4.5精度的選擇 21
3.4.6選擇滾珠絲桿型號(hào) 21
3.5校核 22
3.5.1 臨界壓縮負(fù)荷驗(yàn)證 22
3.5.2臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證 23
3.5.3絲桿拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率 24
3.6電機(jī)的選擇 24
3.6.1電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 25
3.6.2電機(jī)扭矩計(jì)算 26
總結(jié) 28
參考文獻(xiàn) 29
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(dòng)機(jī)器人技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。智能型電動(dòng)機(jī)器人的研究是近年來(lái)科學(xué)家同意致力的方向。式電動(dòng)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(lái)的電動(dòng)機(jī)器人的管家將不是夢(mèng)想。
根據(jù)不同的電動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)器人可以分為各種各樣的。輪式移動(dòng)機(jī)器人，履帶式電動(dòng)機(jī)器人，機(jī)器人，行走電動(dòng)機(jī)器人等。值得一提的是，行走電動(dòng)機(jī)器人，他是近年來(lái)的一個(gè)重要研究成果。移動(dòng)它最喜歡的動(dòng)物甚至人類交談。這是一個(gè)非常復(fù)雜的自動(dòng)化程度很高的運(yùn)動(dòng)。與傳統(tǒng)的輪式和履帶式電動(dòng)機(jī)器人相比，對(duì)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(lái)，這項(xiàng)技術(shù)將被廣泛使用。
在研究中，電動(dòng)機(jī)械的生產(chǎn)，對(duì)電動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)模擬中的應(yīng)用是一個(gè)非常重要的過(guò)程。包括零件建模，裝配電動(dòng)機(jī)器人的仿真，與運(yùn)動(dòng)仿真。通過(guò)仿真，設(shè)計(jì)師可以觀察各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)非常直觀，知道沒(méi)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(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。
在學(xué)校的畢業(yè)設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)習(xí)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)習(xí)在大學(xué)四年的繼續(xù)深化和檢驗(yàn)，具有實(shí)踐性和綜合性，是不是一個(gè)單一的其他替代方案，通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)可以提高綜合能力的培養(yǎng)，是要去上班，提高實(shí)際工作能力起著非常重要的作用。為了實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：
（1）的基本理論，基本知識(shí)和基本技能的綜合運(yùn)用，提高分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。
（2）接受全面的培訓(xùn)工程師必須，提高實(shí)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(jì)和開(kāi)發(fā)測(cè)試計(jì)劃能力；設(shè)計(jì)，計(jì)算和繪圖能力的提高；總結(jié)和撰寫(xiě)論文的能力。
（3）的綜合素質(zhì)和實(shí)踐能力的測(cè)試。
1.2 本課題研究的目的和意義
（1）通過(guò)對(duì)圖書(shū)館自動(dòng)歸書(shū)機(jī)器人的設(shè)計(jì)使我們得到對(duì)所學(xué)相關(guān)課程的綜合訓(xùn)練；
（2）在大型圖書(shū)館中，圖書(shū)的上架是一個(gè)重要而繁重的工作。為減輕工作人員的勞動(dòng)、提高效率及縮短圖書(shū)的上架時(shí)間，為此本課題提出設(shè)計(jì)一個(gè)圖書(shū)館歸書(shū)機(jī)器人。
（3）本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是把主要用于完成圖書(shū)的上架工作。因此要求機(jī)器人具有行走、自動(dòng)識(shí)別圖書(shū)類別、并將圖書(shū)放置于準(zhǔn)確位置等功能。同時(shí)機(jī)器人應(yīng)具有靈活、安全性好等特點(diǎn)。
傳統(tǒng)夾緊機(jī)構(gòu)對(duì)加工時(shí)的干涉太大，對(duì)生產(chǎn)量影響較大，設(shè)計(jì)一款新的夾緊機(jī)構(gòu)，使得加工時(shí)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化聯(lián)合國(guó)最近采用了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)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(dòng)計(jì)劃，完成各種工作，主要用于材料處理，工件傳送。
電動(dòng)機(jī)器人（機(jī)器人）是一臺(tái)自動(dòng)執(zhí)行工作。它是一個(gè)產(chǎn)品的控制理論，先進(jìn)的集成機(jī)械電子，計(jì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gè)高的自動(dòng)化程度，改善勞動(dòng)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(shuō)，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(gè)主要的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。
主要由電動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分。
手抓和松開(kāi)工件或工具的部分，由手指（或吸收），驅(qū)動(dòng)元件和驅(qū)動(dòng)元件。
1.4 國(guó)內(nèi)機(jī)器人的研究
工業(yè)電動(dòng)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(dòng)操縱器，然后經(jīng)過(guò)十年的發(fā)展，已在工業(yè)電動(dòng)機(jī)器人八十年代流行。他們的年工業(yè)產(chǎn)值迅速增加。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(dòng)機(jī)器人在提高生產(chǎn)效率的重要性。
在國(guó)際上，各個(gè)國(guó)家都實(shí)現(xiàn)了工業(yè)電動(dòng)機(jī)器人的重要性。因此，工業(yè)電動(dòng)機(jī)器人訂單銳減。相比于2003 2002百分之十的增長(zhǎng)的訂單。然后工業(yè)電動(dòng)機(jī)器人的需求量仍在上升。從2001到2006，超過(guò)90000的全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)中的訂單。7%的平均年增長(zhǎng)率。
國(guó)際工業(yè)電動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展方向：
電動(dòng)機(jī)器人涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域的知識(shí)。包括：計(jì)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(dòng)機(jī)器人的發(fā)展離不開(kāi)主題。正是由于各學(xué)科整合的相互作用，創(chuàng)建一個(gè)自動(dòng)化程度高，其。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，在電動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛；技術(shù)越來(lái)越高，功能更強(qiáng)大。它是電動(dòng)機(jī)器人的研究向小型化發(fā)展。電動(dòng)機(jī)器人將更多地進(jìn)入人們的日常生活?？偟陌l(fā)展趨勢(shì)是模塊化，標(biāo)準(zhǔn)化，智能化。
廣泛應(yīng)用于工業(yè)電動(dòng)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(dòng)環(huán)境，減輕勞動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)器人工業(yè)是一個(gè)大型高新技術(shù)工業(yè)計(jì)算機(jī)，后車?，F(xiàn)代軍事工業(yè)，電動(dòng)機(jī)械發(fā)展的市場(chǎng)前景是非常好的。從第二十世紀(jì)起，電動(dòng)機(jī)械行業(yè)的穩(wěn)步增長(zhǎng)。在第二十世紀(jì)九十年代，電動(dòng)機(jī)械產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和快速增長(zhǎng)，年均增長(zhǎng)率超過(guò)百分之十。在2004到百分之二十的記錄。亞洲電動(dòng)機(jī)器人的更多需求，年增長(zhǎng)率高達(dá)百分之四十三。經(jīng)過(guò)40年的發(fā)展，應(yīng)用工業(yè)電動(dòng)機(jī)器人的許多領(lǐng)域。生產(chǎn)中使用最廣泛的電動(dòng)機(jī)器人。如制造焊接，熱處理，表面涂層，加工，裝配，測(cè)試和倉(cāng)庫(kù)，毛（沖壓，壓鑄，鍛坯等）等操作，代替人工操作的電動(dòng)機(jī)器人，極大地提高了生產(chǎn)效率。
第2章 圖書(shū)館輔助機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求與方案
2.1圖書(shū)館輔助機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求
在大型圖書(shū)館中，圖書(shū)的上架是一個(gè)重要而繁重的工作。為減輕工作人員的勞動(dòng)、提高效率及縮短圖書(shū)的上架時(shí)間，為此本課題提出設(shè)計(jì)一個(gè)圖書(shū)館輔助機(jī)器人。
本課題所要求設(shè)計(jì)的輔助機(jī)器人，主要用于完成圖書(shū)的上架工作。因此要求機(jī)器人具有行走、自動(dòng)識(shí)別圖書(shū)類別、并將圖書(shū)放置于準(zhǔn)確位置等功能。同時(shí)機(jī)器人應(yīng)具有靈活、安全性好等特點(diǎn)。課題研究?jī)?nèi)容包括機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)電系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。
2.2 基本設(shè)計(jì)思路
2.2.1 系統(tǒng)分析與控制部分
系統(tǒng)分析：該機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的有力工具。為了在生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，機(jī)械化，自動(dòng)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(jì)，一般都要先做以下工作：
（1）根據(jù)使用場(chǎng)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(duì)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(dòng)速度，定位準(zhǔn)確，抓住重。此外，根據(jù)抓斗電動(dòng)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(jì)問(wèn)題，機(jī)器人是圖書(shū)的上架機(jī)器人。雖然機(jī)器人的使用場(chǎng)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(shí)和能力
（2）由于機(jī)器人我選擇的是材料的電動(dòng)機(jī)器人，小對(duì)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。
控制部分：執(zhí)行圖書(shū)分類上架任務(wù)。機(jī)器人機(jī)身部裝有接近傳感器，主要用于感應(yīng)機(jī)器人和外部物體的接近程度，使 機(jī)人可通過(guò)緊急制動(dòng)來(lái)避免與書(shū)架、墻壁以及意外障礙物的碰撞。當(dāng)PLC接收到開(kāi)始信號(hào)時(shí)，機(jī)器人行駛至位置A后停止，機(jī)械手繞Z軸沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)180。至垂直正對(duì)圖書(shū)存儲(chǔ)欄，開(kāi)始從圖書(shū)存儲(chǔ)欄中尋找A類圖書(shū)。這時(shí)，機(jī)械手在鋼軌上沿X軸正方向朝鋼軌末端移動(dòng)，頂端掃描裝置同時(shí)掃描圖書(shū)存儲(chǔ)欄中待上架圖書(shū)的條形碼，直至掃描到A類圖書(shū)停止，機(jī)械手伸出手臂將之取出，手爪夾緊書(shū)后手臂縮回，接著機(jī)械手繞Z軸沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)180。至垂直正對(duì)書(shū) 架A欄，然后沿X軸反方向朝鋼軌前端移動(dòng)，頂端掃描裝置同時(shí)掃描書(shū)架A欄中放置的圖書(shū)的條形碼，直至運(yùn)動(dòng)至無(wú)條形碼信息處（即書(shū)架A欄中未 放置圖書(shū)的空隙處）停止機(jī)械手伸岀手臂將圖書(shū)放入A欄中，然后將手臂縮回，完成一本圖書(shū)的上 架任務(wù)。由于圖書(shū)存儲(chǔ)欄中可能還存在A類圖書(shū)， 這就需要繼續(xù)尋找A類圖書(shū)。這時(shí)，機(jī)械手又運(yùn)動(dòng) 至鋼軌前端限位處（即初始位置），并繞Z軸順時(shí)針 方向旋轉(zhuǎn)180。至垂直正對(duì)圖書(shū)存儲(chǔ)欄，又開(kāi)始重復(fù) 循環(huán)進(jìn)行上述動(dòng)作（掃描目標(biāo)圖書(shū)-取書(shū)上架）， 直至機(jī)械手移動(dòng)至鋼軌末端，掃描完圖書(shū)存儲(chǔ)欄中最后一本圖書(shū)，才說(shuō)明已尋找完圖書(shū)存儲(chǔ)欄中所有A類圖書(shū)。若最后一本書(shū)是A類圖書(shū)，機(jī)械手則繼續(xù) 按上述步驟完成上架任務(wù)，然后移動(dòng)至鋼軌前端，準(zhǔn)備開(kāi)始B類圖書(shū)的上架工作；若不是A類圖書(shū)，機(jī)械手則立即移動(dòng)至鋼軌前端，準(zhǔn)備開(kāi)始B類圖書(shū) 的上架工作。機(jī)器人將B、C類圖書(shū)上架的工作原理與上述原理基本相似。
可編程控制器（PLC）是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電 子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。由于PLC 具有功能強(qiáng)大、可靠性高、體積小巧、可擴(kuò)展各種智 能模塊等特點(diǎn)，使其在自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用日益普 及。本文采用FX系列PLC控制圖書(shū)館作業(yè)型機(jī)器 人，使其按編制的程序自動(dòng)完成圖書(shū)上架工作。
2.2.2 總體設(shè)計(jì)框圖
圖2 總體設(shè)計(jì)框圖
如圖2為總設(shè)計(jì)框圖，說(shuō)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(lái)的信號(hào)，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(dòng)和功能。主要設(shè)計(jì)目標(biāo)為CPU的選擇，CPU程序的編寫(xiě)調(diào)試等。
(2) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作的驅(qū)動(dòng)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(jì)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(dòng)機(jī)器人的基本參數(shù)
1. 機(jī)器人的最大電動(dòng)物料的重量是它的主參數(shù)。
2. 運(yùn)動(dòng)速度直接影響機(jī)器人的動(dòng)作快慢和機(jī)器人動(dòng)作的穩(wěn)定性，所以運(yùn)動(dòng)速度也是是物料電動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)主要的基本參數(shù)。設(shè)計(jì)速度過(guò)低的話，會(huì)無(wú)法滿足機(jī)器人的動(dòng)作功能，限制機(jī)器人的使用范圍。設(shè)計(jì)的速度過(guò)高又會(huì)加重機(jī)器人的負(fù)載并影響機(jī)器人動(dòng)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(jì)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(dòng)機(jī)器人的定位精度設(shè)定定位精度±0.3mm。物料電動(dòng)機(jī)器人的各個(gè)部分的基本參數(shù)可以由上面已經(jīng)知道的物料電動(dòng)機(jī)器人各關(guān)節(jié)的行程和時(shí)間分配來(lái)決定。
2.3 電動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)所設(shè)計(jì)的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式：機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械臂的升降。根據(jù)上文所說(shuō)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(jì)和制造要求。從設(shè)計(jì)思想，機(jī)械臂完成各種運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)材料的要求是為移動(dòng)部件，它應(yīng)該是輕質(zhì)材料。另一方面，手臂振動(dòng)經(jīng)常的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，這將大大減少它的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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。
總之，選擇一個(gè)機(jī)械臂的材料，應(yīng)考慮強(qiáng)度，剛度，重量輕，彈性，耐沖擊，外觀和價(jià)格等因素。這里有幾個(gè)機(jī)器人使用的材料：
（1，）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(diǎn)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(jì)與金屬零件。然而，日本已開(kāi)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(jì)的角度來(lái)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(dòng)方式
機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式有五種常見(jiàn)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(dòng)形式的選擇主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一種運(yùn)動(dòng)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(diǎn)，和電動(dòng)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(gè)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(gè)肩斜度。肩關(guān)節(jié)的兩個(gè)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(diǎn)，這就要求動(dòng)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(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)部位易密封與防塵。但這種機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(jì)算量比較大。
圖3 常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)方式
2.6 電動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式的選擇
機(jī)器人使用的驅(qū)動(dòng)方式主要有電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的四種基本形式。
但是，與電動(dòng)傳動(dòng)相比，低功耗，能源，電動(dòng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的速度不易控制，精度不高。
油馬達(dá)驅(qū)動(dòng)能量是簡(jiǎn)單，速度和位置精度高，使用方便，低噪音，高速變化的機(jī)制，高效，靈活的控制。
電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是功率大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，省去了減速裝置，響應(yīng)速度快，精度高。但需要有電動(dòng)源，但也容易漏氣。
首先，我會(huì)選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)，但考慮到純機(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)并不能達(dá)到理想的傳播效果。如果你使用電動(dòng)或電動(dòng)傳動(dòng)機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)，必須與回轉(zhuǎn)電動(dòng)或旋轉(zhuǎn)電動(dòng)缸，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不利于設(shè)計(jì)。
改進(jìn)后的方案，將驅(qū)動(dòng)方式分為兩個(gè)部分。其機(jī)械臂伸縮，升降機(jī)器人抓抓，采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。
2.7 動(dòng)作要求分析
動(dòng)作一：送圖書(shū)
動(dòng)作二：預(yù)夾緊
動(dòng)作三：手臂上升
動(dòng)作四：手臂旋轉(zhuǎn)
動(dòng)作五：小臂伸長(zhǎng)
動(dòng)作六：手腕旋轉(zhuǎn)
預(yù)夾緊
手臂上升
手臂旋轉(zhuǎn)
手臂伸長(zhǎng)
手臂轉(zhuǎn)回 手腕旋轉(zhuǎn)
圖2.2 電動(dòng)機(jī)器人動(dòng)作簡(jiǎn)易圖
2.8 電動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型
本課題所設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)器人為通用型的電動(dòng)機(jī)器人，其中坐標(biāo)系為圓柱坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選用電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)驅(qū)動(dòng)用于機(jī)座的旋轉(zhuǎn)和手臂的上下移動(dòng)，電動(dòng)驅(qū)動(dòng)用于手臂的伸縮和電動(dòng)機(jī)器人的夾取和翻轉(zhuǎn)[3]。
第3章 圖書(shū)館輔助機(jī)器人機(jī)械部分的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 手爪夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)，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(lái)實(shí)現(xiàn)手爪的松、開(kāi)，來(lái)實(shí)現(xiàn)抓取工件。
3.齒輪齒條式手爪
這種手爪通過(guò)活塞推動(dòng)齒條，齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開(kāi)動(dòng)作。
4.滑槽式手爪
當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑槽通過(guò)銷子推動(dòng)手爪合并，產(chǎn)生夾緊動(dòng)作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，手爪松開(kāi)。這種手爪開(kāi)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(dòng)采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此，比帶有導(dǎo)軌的平行移動(dòng)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(dòng)活塞 往復(fù)移動(dòng)，通過(guò)活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條 使手指張開(kāi)或閉合。手指的最小開(kāi)度由加工 工件的直徑來(lái)調(diào)定。
a．有適當(dāng)?shù)膴A緊力
手部在工作時(shí)，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(duì)于剛性很差的工件夾緊力大小應(yīng)該設(shè)計(jì)得可以調(diào)節(jié)，對(duì)于笨重的工件應(yīng)考慮采用自鎖安全裝置。
b．有足夠的開(kāi)閉范圍
工作時(shí)，一個(gè)手指開(kāi)閉位置以最大變化量稱為開(kāi)閉范圍。夾持類手部的手指都有張開(kāi)和閉合裝置。可用開(kāi)閉角和手指夾緊端長(zhǎng)度表示。于回轉(zhuǎn)型手部手指開(kāi)閉范圍，手指開(kāi)閉范圍的要求與許多因素有關(guān)
c．力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積小
作時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直接影響整個(gè)氣壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運(yùn)動(dòng)速度等性能。手部處于腕部的最前端，工因此，在設(shè)計(jì)手部時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)計(jì)算
手爪要能抓起工件必須滿足：
（3-6）
式中，-----為所需夾持力；
-----安全系數(shù)，通常取1.2~2；
-----為動(dòng)載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響可按估算，為機(jī)械手在搬運(yùn)工件過(guò)程的加速度，，為重力加速度；
-----方位系數(shù)，查表選??；
-----假設(shè)被抓持工件的重量 20；
帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得： ；
理論驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算： （3-7）
式中，----為柱塞缸所需理論驅(qū)動(dòng)力；
----為夾緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的垂直距離；
-----為扇形齒輪分度圓半徑；
-----為手指夾緊力；
---齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率，此處選為0.92；
其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得
計(jì)算驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式為：
（3-8）
式中，-----為計(jì)算驅(qū)動(dòng)力；
---安全系數(shù)，此處選1.2；
---工作條件系數(shù)，此處選1.1；
3.2升降方向的電動(dòng)缸設(shè)計(jì)
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(jí)精度等級(jí)，初步設(shè)計(jì)現(xiàn)設(shè)絲杠在有效行程500 mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到30μm。
3.2.2 滾珠絲杠參數(shù)的計(jì)算
（1）最大工作載荷的計(jì)算
絲杠的最大載荷為工作時(shí)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(dòng)部件的重量約為500㎏，摩擦系數(shù)為0.04，故絲杠的最小載荷（即摩擦力）
（N） (3.3)
絲杠最大載荷是：
5000＋196＝5196（N） (3.4)
平均載荷是：
=×=≈3529（N） (3.5)
（2）當(dāng)量動(dòng)載荷的計(jì)算
滾珠絲杠副類型的選擇主要是根據(jù)導(dǎo)程和動(dòng)載荷兩個(gè)參數(shù),其選擇的原則為:①滾珠絲杠的靜載荷Coa不能大于額定靜載荷Coam,即Coa≤Coam;②滾珠絲杠的動(dòng)載荷Ca不能大于額定動(dòng)載荷Cam,即Ca≤Cam。
驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速2000 r/min
絲杠最高轉(zhuǎn)速為2000r/min，工作臺(tái)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)
當(dāng)量動(dòng)載荷值： (3.7)
式中： ——載荷性質(zhì)系數(shù)，無(wú)沖擊取1-1.2，一般情況取1.2-1.5，有較大沖擊振動(dòng)時(shí)取1.5-2.5；
——精度影響系數(shù)，對(duì)1、2、3級(jí)精度的滾珠絲杠取=1.0，對(duì)4、5級(jí)精度的絲杠取=0.9。
根據(jù)要求去=1.5，=0.9，代入數(shù)據(jù)得
≈51.59（KN） (3.8)
根據(jù)計(jì)算所得最大動(dòng)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(dòng)返回器雙螺母對(duì)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(jí)取5級(jí)，額定動(dòng)載荷為55600N，大于最大計(jì)算動(dòng)載荷=51590N，符合設(shè)計(jì)要求。
表3.1 滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)
名 稱
符 號(hào)
計(jì)算公式和結(jié)果
公稱直徑（mm）
63
螺距(mm)
P
10
接觸角
鋼球直徑(mm)
7.144
螺紋滾道法面半徑(mm)
偏心距(mm)
0.009
螺紋升角(mm)
=
絲杠外徑(mm)
62.5
絲杠底徑(mm)
57.3
螺桿接觸直徑(mm)
55.87
螺母螺紋外徑(mm)
螺母內(nèi)徑(mm)（內(nèi)循環(huán)）
62.64
（3）傳動(dòng)效率的計(jì)算
將公稱直徑=63mm，導(dǎo)程=10mm，代入λ=arctan[]，的絲杠螺旋升角λ=。將摩擦角，代入=，得傳動(dòng)效率=93.7%。
（4）剛度的驗(yàn)算
本傳動(dòng)系統(tǒng)的絲杠采用一端軸向固定，一端浮動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式。固定端采用一對(duì)面對(duì)面角接觸球軸承和一個(gè)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(yàn)算可以用接觸量來(lái)校核。
a、滾珠絲杠滾道間的接觸變
根據(jù)公式Z=，求得單圈滾珠數(shù)Z=22，改型號(hào)絲杠為雙螺母，滾珠的圈數(shù)×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(shí)，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形
(3.9)
式中=51590N。代入數(shù)據(jù)得；
==0.013(mm)
因?yàn)榻z杠有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載，所以實(shí)際變形量可以減少一半，取=0.0065mm。
b、絲杠在工作載荷作用下的抗壓變形
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，則絲杠的截面積： =1540.6()
根據(jù)公式代入數(shù)據(jù)得：
=0.018(mm)
C、總的變形
==0.0065+0.018=0.0245mm,絲杠的有效行程為600， 絲杠在有效行程500—630mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到30μm,，可見(jiàn)絲杠剛度足夠。
（5）穩(wěn)定性的驗(yàn)算
(3.10)
公式中取支撐系數(shù)=2，
由絲杠底徑=43.3mm求的截面慣性矩=188957.7()，壓桿穩(wěn)定安全系數(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1200mm，代入公式得：
=181129.6(㎏)
則f=181129.6N大于=51590N，故不會(huì)失穩(wěn)，滿足使用要求。
（6）臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)算
對(duì)于滾珠絲杠還有可能發(fā)生共振，需要驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速，設(shè)不會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速。
查資料得公式 ：
(3.11)
其中： (mm)；
為臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度=1200(mm)；
為絲杠支承方式系數(shù)（一端固定，一端游動(dòng)）
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(huì)發(fā)生共振。
（7）滾珠絲杠選型和安裝尺寸的確定
由以上驗(yàn)算可以知道，絲杠型號(hào)為FF6310—5，完全符合所需要求，故確定選用該型號(hào)，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(duì)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(jì)絲杠支承選用一端固定，另一端浮動(dòng)。
3.3伺服電機(jī)的選擇
3.3.1最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)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(jì)算，即
(3.12)
從前面的計(jì)算可以知道，最大載荷N，絲杠導(dǎo)程=10mm=0.01m，預(yù)緊力=N，根據(jù)計(jì)算的滾珠螺母絲杠的機(jī)械效率=0.947，因?yàn)闈L珠絲杠預(yù)加載荷引起的附加摩擦力矩：
（N·m） (3.13)
查手冊(cè)得單個(gè)軸承的摩擦力矩為0.32N·m，故一對(duì)軸承的摩擦力矩=0.64N·m。簡(jiǎn)支端軸承步預(yù)緊，其摩擦力矩可忽略不計(jì)。伺服電動(dòng)機(jī)與絲杠直接相連，其傳動(dòng)比=1，則最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩：
(N·m)
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(jì)算
伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)與負(fù)載慣量相匹配。
負(fù)載慣量可以按一下次序計(jì)算。質(zhì)量為500㎏，折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量可按下式計(jì)算，
(kg·㎡) (3.14)
絲杠名義直徑=63mm=0.063m，長(zhǎng)度L=1.2m絲杠材料（鋼）的密度ρ=7.8㎏·。根據(jù)公式計(jì)算絲杠加在電動(dòng)機(jī)軸上的慣量
(㎏·㎡) (3.15)
聯(lián)軸器加上鎖緊螺母等的慣量可直接查手冊(cè)得到，即(㎏·㎡)
故負(fù)載總的慣量為
(㎏·㎡)
電動(dòng)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(dòng)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：
(3.16)
則所選交流伺服電動(dòng)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(jì)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(dòng)慣量J=0.012㎏·㎡。
表3.2 FANUCα(HV)i系列交流伺服電機(jī)
型號(hào)
α1/ 5000i
α2/ 5000i
α4/ 4000i
α8/ 3000i
α12/ 3000i
α22/3000i
輸出功率/kw
0.5
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
5000
5000
4000
3000
3000
3000
轉(zhuǎn)動(dòng)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
80i
3.3.3空載加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算
當(dāng)執(zhí)行件從靜止以階躍指令加速到最大移動(dòng)（快速）速度時(shí)，所需要的空載加速轉(zhuǎn)矩按下式求，
(3.17)
空載加速時(shí)，主要克服的是慣性，選用的α22/3000i型交流伺服電動(dòng)機(jī),總慣量
0.0120+0.0092=0.0212(㎏·㎡)
加速度時(shí)間通常取的3~4倍，故=(3~4)=(3~4)×6=18~24(ms)，則
(N·m)
3.4 水平方向電動(dòng)缸的設(shè)計(jì)
滾珠絲桿副就是由絲桿、螺母和滾珠組成的一個(gè)機(jī)構(gòu)。他的作用就是把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。絲桿和螺母之間用滾珠做滾動(dòng)體，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)滾珠滾動(dòng)。
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(dòng)部件大概質(zhì)量為30kg，工作臺(tái)最大行程為300mm。
3.4.1導(dǎo)程確定
電機(jī)與絲桿通過(guò)聯(lián)軸器連接，故其傳動(dòng)比i=1, 選擇電機(jī)Y系列異步電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，則絲杠的導(dǎo)程為
取Ph=12mm
3.4.2確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速
基本公式
最大進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速
最小進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速
絲桿的等效轉(zhuǎn)速 式中取故
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(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力，他的數(shù)值用進(jìn)給牽引力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算。選定導(dǎo)軌為滑動(dòng)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
其等效載荷按下式計(jì)算（式中取，）
3.4.4確定絲桿所受的最大動(dòng)載荷
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(jì)算得Car=17300N
表3-1-1各類機(jī)械預(yù)期工作時(shí)間Lh
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)fw
3.4.5精度的選擇
滾珠絲杠副的精度對(duì)電氣機(jī)床的定位精度會(huì)有影響，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，導(dǎo)程誤差對(duì)機(jī)床定位精度是最明顯的。一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定絲杠的任意300行程變動(dòng)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(yàn)算中確定。，選用滾珠絲杠的精度等級(jí)X軸為1～3級(jí)（1級(jí)精度最高），Z軸為2～5級(jí)，考慮到本設(shè)計(jì)的定位精度要求及其經(jīng)濟(jì)性，選擇X軸Y軸精度等級(jí)為3級(jí)，Z軸為4級(jí)。
3.4.6選擇滾珠絲桿型號(hào)
計(jì)算得出Ca=Car=17.3KN,
則Coa=(2~3)Fm=（34.6~51.9）KN
公稱直徑Ph=12mm
則選擇FFZD型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返向器，雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲桿副，絲桿的型號(hào)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/μm
3.5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(dòng)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(jì)算而定。
3.5.1 臨界壓縮負(fù)荷驗(yàn)證
絲桿的支撐方式對(duì)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(jì)算：
式中E------材料的彈性模量E鋼=2.1X1011（N/m2）
LO-------最大受壓長(zhǎng)度（m）
K1-------安全系數(shù)，取K1=1.3
Fmax-------最大軸向工作負(fù)荷（N）
f1-------絲桿支撐方式系數(shù)：f1=15.1
I=絲桿最小截面慣性距（m4）
式中do--------是絲桿公稱直徑（mm）
dw------------滾珠直徑（mm），
絲桿螺紋不封閉長(zhǎng)度Lu=工作臺(tái)最大行程+螺母長(zhǎng)度+兩端余量
Lu=300+148+20X2=488mm
支撐距離LO應(yīng)該大于絲桿螺紋部分長(zhǎng)度Lu，選取LO=620mm
代入上式計(jì)算得出Fca=5.8X108N
可見(jiàn)Fca＞Fmax，臨界壓縮負(fù)荷滿足要求。
3.5.2臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證
滾珠絲杠副高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需驗(yàn)算其是否會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠的最高轉(zhuǎn)速：
式中：A------絲桿最小截面：A=
-------絲杠內(nèi)徑，單位；
P--------材料密度p=7.85*103(Kg/m)
--------臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度，單位為，本設(shè)計(jì)中該值為=148/2+300+(620-488)/2=440mm
----------安全系數(shù)，可取=0.8
fZ----------絲杠支承系數(shù)，雙推-簡(jiǎn)支方式時(shí)取18.9
經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出= 6.3*104，該值大于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。
3.5.3絲桿拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率
絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度Ke的計(jì)算公式
式中 A——絲杠最小橫截面，；
螺母座剛度KH=1000N/μm。
當(dāng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)到兩極位置時(shí)，有最大和最小拉壓剛度，其中，L植分別為750mm和100mm。
經(jīng)計(jì)算得：
式中 Ke ——滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度(N/μm)；
KH——螺母座的剛度(N/μm)；KH=1000 N/μm
Kc——絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度(N/μm)；
KS——絲杠本身的拉壓剛度(N/μm)；
KB——軸承的接觸剛度(N/μm)。
經(jīng)計(jì)算得絲杠的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率遠(yuǎn)大于1500r/min，能滿足要求。
3.6電機(jī)的選擇
步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)距角增量。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖的頻率。步進(jìn)電機(jī)具有慣量低、定位精度高、無(wú)累計(jì)誤差、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中。選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率，再者還要考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、負(fù)載轉(zhuǎn)矩和工作環(huán)境等因素。
3.6.1電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
a、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
上式中：d—直徑,絲桿外徑d=39.5mm
L—長(zhǎng)度=1m
P—鋼的密度=7800
經(jīng)計(jì)算得
b、X向直線運(yùn)動(dòng)件向絲桿折算的慣量
上式中：M—質(zhì)量 X向直線運(yùn)動(dòng)件M=160kg
P—絲桿螺距（m）P=0.001m
經(jīng)計(jì)算得
c、聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
查表得
因此
3.6.2電機(jī)扭矩計(jì)算
a、折算至電機(jī)軸上的最大加速力矩
上式中：
J=0.0028kg/m2
ta—加速時(shí)間 KS—系統(tǒng)增量，取15s-1,則ta=0.2s
經(jīng)計(jì)算得
b、折算至電機(jī)軸上的摩擦力矩
上式中：F0—導(dǎo)軌摩擦力，F(xiàn)0=Mf，而f=摩擦系數(shù)為0.02，F(xiàn)0=Mgf=32N
P—絲桿螺距（m）P=0.001m
η—傳動(dòng)效率，η=0.90
I—傳動(dòng)比，I=1
經(jīng)計(jì)算得
c、折算至電機(jī)軸上的由絲桿預(yù)緊引起的附加摩擦力矩
上式中P0—滾珠絲桿預(yù)加載荷≈1500N
η0—滾珠絲桿未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率為0.9
經(jīng)計(jì)算的T0=0.05N·M
則快速空載啟動(dòng)時(shí)所需的最大扭矩
根據(jù)以上計(jì)算的扭矩及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，選擇電機(jī)型號(hào)為SIEMENS的IFT5066，其額定轉(zhuǎn)矩為6.7
29
總結(jié)
課程設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)眼間就到了掃尾階段，在這一段時(shí)間的設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)過(guò)程中，我取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。
在這次課程設(shè)計(jì)中，我收獲了很多，首先，對(duì)知識(shí)有了更深的了解，幾年的知識(shí)做了系統(tǒng)的回顧，圖書(shū)館使用培養(yǎng)獨(dú)立分析的知識(shí)，我學(xué)會(huì)了如何更好的利用網(wǎng)絡(luò)尋找信息解決問(wèn)題的能力，以及信息使用，但也使我學(xué)會(huì)如何與同學(xué)討論問(wèn)題。這是我未來(lái)的工作有很大的幫助，
我將繼續(xù)在未來(lái)的工作中，努力提高自己的水平。通過(guò)這次設(shè)計(jì)，我真的感到棘手的優(yōu)秀設(shè)計(jì)人員。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，但在老師的幫助和自己的努力，終于使我成功地完成了設(shè)計(jì)。我經(jīng)常沒(méi)有足夠的知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，有不足。這些問(wèn)題有時(shí)會(huì)讓我無(wú)奈。雖然我的設(shè)計(jì)存在諸多不足，鍛煉自己分析問(wèn)題，解決一般問(wèn)題的能力，我希望通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，未來(lái)將從事的訓(xùn)練，為將來(lái)的工作打好基礎(chǔ)，畢業(yè)設(shè)計(jì)仿真。首先要感謝老師的標(biāo)記，我真誠(chéng)地接受您的指導(dǎo)，并希望得到你對(duì)我的努力。當(dāng)我們不了解，你不會(huì)做，老師給了我們知識(shí)的補(bǔ)充；很明顯，我們更像是一個(gè)知識(shí)進(jìn)入狀態(tài)，設(shè)計(jì)，工藝和畢業(yè)更注重的是自我鍛煉。我想如果大學(xué)四年沒(méi)有打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)的課程設(shè)計(jì)，我們可能要完成畢業(yè)設(shè)計(jì)變得非常困難。所有的老師，所以我在大學(xué)四年把我的課程設(shè)計(jì)，真誠(chéng)的道聲謝謝！
參考文獻(xiàn)
[1] 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)3[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1998，p20-p55
[2] 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)4[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1998,p34-p56
[3] 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)5[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1998,p44-p78
[4] 張建民.工業(yè)機(jī)器人[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1994,p66-p91
[5] 《工業(yè)電動(dòng)機(jī)器人》編寫(xiě)組.工業(yè)電動(dòng)機(jī)器人-機(jī)械結(jié)構(gòu)上[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,2005,p46-p77
[6] 《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫(xiě)組.機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)3[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版，1999,p23-p44
[7] 丁樹(shù)模.電動(dòng)傳動(dòng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998,p34-p45
[8] 顏永年.機(jī)械制圖[M].大連：大連理工大學(xué)工程畫(huà)教教研室，1998,p12-p60
[9] 李恒權(quán)，朱明臣，王德云.畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)[M].山東：青島海洋出版社，1990,p12-p30
[10] 王棟梁.機(jī)械基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械基礎(chǔ)，1995,p44-p90
[11] 隆生.Solid Works設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004,p20-p30
[12] 黃鶴汀.機(jī)械制造技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.
[13] 吳宗澤,羅圣國(guó).機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：高等教育出版社，2006,p23-p45
[14] 李允文.《工業(yè)電動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)》[M].機(jī)械工業(yè)出版社,北京，1996,p45-p70
[15] 丁樹(shù)模.《電動(dòng)傳動(dòng)》[M].機(jī)械工業(yè)出版社,北京，1992,p1-p40
[16] 陸祥生、楊秀蓮.《電動(dòng)機(jī)器人》[M].中國(guó)鐵道出版社,北京，1985,p33-p56
[17] J. Ding；T. Tsuzuki Journal of Materials Science 1999,p12-p44
[18] Xie,F；Tsutsui,JM ；Gao,L ；Zucker,IH ；Porter,TR Ultrasound in Medicine and Biology 2007,p55-p67
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