工业机器人设计大四机器人课设作业解析.pdf

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1、 “工业机器人”设计大作业 1冃IJ言 货物装卸作业是指用一种设备握持工件，是指从一个加工位置移到另一个加工位置。货 作品题目：货物装卸机器人 专 业：机械设计制造及其自动化 姓名：班级：学号：姓名：班级：学号：班级:学号:姓名：指导教师：陈明 物装卸机器人可安装不同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件货物装卸工作，大 大减轻了人类繁重的体力劳动。目前世界上使用的货物装卸机器人愈 10 万台，被广泛应用 于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛货物装卸、集装箱等的自动货 物装卸。部分发达国家已制定出人工货物装卸的最大限度，超过限度的必须由货物装卸机器 人来完成。装卸货物装卸

2、是物流的功能要素之一，在物流系统中发生的频率很高 2设计方案论证 本课题通过对货物装卸机器人工作对象及工作场所的分析研究，深入了解其工作是 如何进行，各部分零部件应该如何运行以及如何紧密配合，先确定其总体结构再对主要 零部件进行设计计算确定其尺寸大小以及确定电机型号。2.1 基本思想（1）设计要考虑要求和工作环境的限制。（2）考虑到货物装卸货物时所需要精确度不是很高，为了简化结构，境地成本，采用 角铁焊接结构。（3）为了满足设计要求，须设计三个独立的电机驱动系统，各部分之间通过计算 机控制、协调工作。（4）本次设计只是该题目的机械部分，而对应控制部件的考虑较少。3仓库货物装卸机器人的设计计算

3、3.1 货物装载伸缩装置的设计 3.1.1 确定传动方案 我们所学的传动方式有以下几种：带传动、链传动、齿轮传动、蜗轮蜗杆传动和钢 丝绳传动等，一般地说，啮合传动传递功率的能力高于摩擦传动；蜗轮传动工作的发热 情况较为严重，因而传动的功率不宜过大；摩擦轮传动由于必须有足够的压紧力，故而 在传递同一圆周力时，其压轴力比齿轮传动的大几倍，因而不宜用于大功率传动。带传动具有结构简单，传动平稳，价格低廉和缓冲吸振特点。可是容易磨损松弛，易出现打 滑现象；链传动只能实现平行轴间同向传动而且运动时不能保持恒定瞬时传动比；齿轮 传动效率高，结构紧凑，工作可靠，寿命长，传动比稳定但是齿轮传动制造及安装精度 要

4、求高价格较贵而且不宜用于传动距离过大场合。此次设计由于机器人用于货物装卸，其货物装卸高度为 500mm-2500mm，而且货物架 需要灵活且运动平稳速度不宜过大，综合考虑以上因素本次设计采用蜗轮蜗杆减速器和钢丝 绳传动。钢丝绳传动是利用摩擦力来传动的，而钢丝绳本身截面为圆型，且钢丝绳本身直径 很小，所以导致其摩擦面积很小，这样很不利于摩擦传动。上图中标号 1 的零件为传动 用钢丝绳磙子，为了克服钢丝绳的摩擦面积小的缺点，将该部分设计成将钢丝绳在磙子 上缠绕几圈，以次来增加钢丝绳与磙子之间的接触面积，从而增加了摩擦力，增加了摩 擦传动效率。3.1.2 选择电动机的类型与结构 电动机在工业生产中实

5、现生产机械的启动、停止以及速度调节，完成各种生产工艺 过程的要求，保证生产过程的正常运行。电动机的型号有多种，主要有以下几种：直流 电动机、交流电动机（三相异步电动机、单相异步电动机、同步电动机）、伺服电动机 等。交流电动机与直流电动机相比具有结构简单、制造容易、维护方便、运行可靠，价 格便宜，具有较好的稳态和动态特性，因此，它是工业中使用得最为广泛的一种电动机。由于此次设计的机器人是应用于仓库货物装卸业，而且货物装卸货物最大重量为 40 kg，故 而需要一个能够提供足够大动力的电机来提供动力，因此应选用冶金及起重用三相异步电动 机。3.1.3 选择电动机的功率（容量）依据所选择的电动机额定功

6、率应大于工作机所需的电动机功率 由于考虑到动力设备不能与所货物装卸货物干涉，因此动力设备应尽可能的占 用较少面积。因此选用电动机和蜗轮蜗杆整合在一起的动力设备，以此来减少所占 用的空间。因此查表可选 丫系列三相异步电动机：德国动力设备 GKS05-3MV071-32。该设备将蜗轮蜗杆减速器和制动设备整合在一起。有效的控制了动力设备所占 用的空间。3.1.4 钢丝绳的选用 根据伸缩装置与导轨的摩擦力 以及钢丝绳作用种类为牵引及传动，所以选择钢 丝绳种类为点接触钢丝绳，查表可选钢丝绳牌号为 6*19。根据伸缩装置结构布局，查表选择钢丝绳直径为 3.1.5 钢丝绳磙子的设计 根据伸缩装置的结构及功能

7、需求，可知需要 2 种钢丝绳磙子。一种为传动作用，一种为导向作用。由于传动用钢丝绳磙子上受钢丝绳的径向载荷，因此设计其直径 为 16mm，材料选用 45 号钢。其与磙子支架之3mm。间以滑动轴承连接。由于导向用钢 丝绳磙子不与钢丝绳有载荷，因此设计其直径为 8mm，材料选用 45 号钢。其与磙 子支架之间以滑动轴承连接。图玄2货物装载伸缩机构 上图为货物装载伸缩装置的侧视图，其中：（1）电机减速器（2）钢丝绳（3）货物伸缩托架（4）链板及整体托架（5）磙子链条 3.2 底盘系统的设计 3.2.1 确定传动方案 我们所学的传动方式有以下几种：带传动、链传动、齿轮传动、蜗轮蜗杆传动 和钢丝绳传动等

8、，一般地说，啮合传动传递功率的能力高于摩擦传动；蜗轮传动工 作的发热情况较为严重，因而传动的功率不宜过大；摩擦轮传动由于必须有足够的 压紧力，故而在传递同一圆周力时，其压轴力比齿轮传动的大几倍，因而不宜用于 大功率传动。带传动容易磨损松弛易出现打滑现象；齿轮传动制造及安装精度要求 高价格较贵而且不宜用于传动距离过大场合；链传动与摩擦型带传动相比，链传动 无弹性滑动和整体打滑现象，因而能保持准确的平均传动比，传动效率高；又因为 链不需要像带那样张得很紧，故而作用于轴上的径向压力较小；链条采用金属材料 制造，在同样的使用条件下，链传动的整体尺寸较小，结构比较紧凑，多用于低速 重载。综合考虑以上因素

9、本次设计采用蜗杆减速和链传动。322 选择电动机的类型与结构 电动机在工业生产中实现生产机械的启动、停止以及速度调节，完成各种生产 工艺过程的要求，保证生产过程的正常运行。电动机的型号有多种主要有以下几种：直流电动机、交流电动机（三相异步电动机、单相异步电动机、同步电动机）、伺服 电动机等。交流电动机与直流电动机相比具有结构简单、制造容易、维护方便、运 行可靠，价格便宜，具有较好的稳态和动态特性，因此，它是工业中使用得最为广 泛的一种电动机。由于此次设计的机器人是应用于仓库货物装卸业而且货物装卸货 物最大重量为 40 kg,故而需要一个能够提供足够大动力的电机来提供动力，因此 综上所述选用冶金

10、及起重用三相异步电动机。3.2.3 选择电动机的功率（容量）依据所选择的电动机额定功率应大于工作机所需的电动机功率 即：式中Pr电动机额定功率，单位为K肌 P,工作机所需的电动机功率*单位为K肌 已知F=2Kw,所需电动机功率由下式计算 P丄 _ F n 式申巴工作机所需有效功率，由工作机的工艺阻力及运行參数确定 1?电动机到工作机的总效率*p=匕=亠一=2欧悴 臥1h孔 0.67 式中7一一传动装置的总效率。9蜗-为涡轮蜗杆传动效率，其大小为66%3 (M b(A)C 覽 人（心/xi（r4）毛1E（心）2.2 187.2 75 63%-为链传动传动效率，其大小为99%。从为滚动轴承传动效率

11、，其大小为99%。联为联轴器传动效率，其大小为99%。，查表可选Y系列三相异步电动机：徳国动力设备DV132S6o 额定功率卧3Kw2.98Kw 3.2.4确定电机转速 车轮转速/!,.=60/in/,=1012 152 n二（15 24）x60=900140。/min 符合这一范围的同步转速为1000久询 电机主要性能参数如下所示 表3.1电机主要性能参数 Table 3the main performance parameters of the motor 3.2.5计算传动装置的总传动比和分配各级传动比（1）传动装置总传动比为:Z 二=2=16 n 60 式中化,一一电机主轴转速。几一一

12、车轮主轴转速。（2）分配传动装置各级传动比:式中ib一一减速器的传动比。J 一一链轮的传动比。减速器选用蜗轮蜗杆减速器型号为KWLlOOo传动比ib=12.5 o 中心距a=IOOMWe额定输入功率3.44Kwo额定输出转距378.4TV 3.2.6计算传动装适的运动和动力参数（1）计算各轴转速 勺=9%71 n=豐皿血 nm=儿一一电动机输出转速。心减速器綸出转速。车轮主轴转速。(2)计算各轴功率 Pl=Pj q=2.98 x 0.96=2.68 Pn=P,=2.68x0.866=2.48Kw PUI=q=2.48x0.98 xO.92=2.00/Cvv(3)计算各轴转矩 p 2 98 T.

13、=9550亠=9550二-=296川加 7 n 960 m p 2 48=9550-=9550=308/V.Tru=9550如=9550=334.25N 也 怙 60 3.2.7传动零件的设计计算(1)链轮及链的设汁 1)链轮齿数 小链轮齿数 Z1=29-2=29-2x 1.28=26.22 IfZZ,=27 大链轮齿数 Z2=27x1.28=34.56 IR Z2=35 2）设计功率 空卄 K K 1.34x1 式中KA一一琏轮工作状况系数，查表得其数值为1 G链轮齿数系数，查表得其数值为1.3仏 5链轮排数系数.查表得其数值为氛 3）码定链节距 根据-L 85Kw和 _托竹久）在图表中查得

14、链号为f节距为p-19.减小运动不均匀性和减小动載荷考虑，采用12A双排轅子犍这样可以便传动 4）初定轴间距”因结构为未限定见屮二（3050p）暂取即田3祁二65&药mni 5）糕长节数 91.04min 6）计算中心距 580.52mm 7）确定润滑方式 2 x 35/?P 35+27 十 2 X 最据惟速Y和镀号*查图8-14,确定采用&工定期润滑。60 x1000 2%19,曲7旗 60 x1000 8)计算链条作用在轴上的力耳 传递功率P产生的有效圆周力F 巴监巴仝込3753N V 0.66 链传动的压轴力几可近似取为 耳 a=3753x1.15=4316N 式中F一链条传递的有效圆周

15、力，单位为N。KFP一一压轴力系数，对于水平传动15 由于链速卩 且无瞬时冲击载荷，不需验算链条静强度安全系数。(2)链轮材料 因为较重要的传动，链轮林料均选35号钢，热处理后硬度为160200HB。(3)链轮的基本尺寸囚 由表选择碳子链的参数和尺寸，节距=19.05nun,排距P,=22.7 8加加，子外径 =11.91/17/17 1)大链轮 分度圆直径 Q 8“max=（0 625 H-）p 05dr=6.3X5mm 11 a nun=O5（-d=3 57mm 皿=d+（14）_d严 218mm 1 cl v/；cot-1.04/7-0.76 齿根圆直径 d/=d d.=200.09mm

16、 分度圆弦齿高 齿顶圆直径“we=+l25-d严224mm=212mm a d=194?加齿侧凸缘直径 图3.3链轮的结构示意图2）小链轮 分度圆直径 齿顶圆直径 齿根圆直径 齿侧凸缘直径 =164.22mm.180 sin-d=d+i.25p(J=176.12mm a aux r r 1.6 d u BMi=d+(1-)p d.=170mm Z 180 pool-cl=194/n/n 1.04/-0.76 I=(0.625+)P-5d,=6.5mm 力“nii-05(p 一 4)=3.57nun 联轴器的选择 联轴器是机械传动中的一种常用轴系部件，它的基本功用是联接两轴，并传递 动力和转矩。

17、联轴器联接的两轴，只有在其停车后并经过拆卸才能被彼此分开。机械中应用联轴器，可以方便地将组成机器的各个部分连接起来，有利于机器的设 计、制造、运输和维修。联轴器的类型很多，通常根据相对位移有无补偿能力划分为刚性联轴器和挠性 联轴器两大类 刚性联轴器对相对位移无补偿能力，且全部由刚性零件组成，也没有缓冲减震 能力，故适用于被联接的两轴严格对中，在和平稳的场合。挠性联轴器因具有挠性，对相对位移具有补偿能力。他按是否具有弹性元件又 分为无弹性元件的挠性联轴器和有弹性元件的脑性联轴器两种。有弹性元件的挠性 联轴器，可以依靠弹性元件的变形与蓄能性来缓冲、减振、改善传动系统的工作性 能。选用 GB/T58

18、43 1986 YL 型凸缘联轴器。（5）滚动轴承的选择 选择轴承时，首先必须了解和掌握所需配备轴承的机械设备性能，再根据各类 轴承的技术特性和具体工作条件等要求进行轴承类型的选择，最终应该满足设备的 使用要求。具体选择时可以参考以下几个方面：1）轴承的载荷 轴承所承受载荷的大小、方向、和性质是选择轴承类型的主要依据。轴承的承载能力大于求轴承，并且承受冲击载荷的能力强，所以载荷较大的工作场 合，优先选用棍子轴承。轴承承受纯径向载荷时，可以选用深沟球轴承，圆柱滚子轴承或者滚针轴承；所承受纯轴向载荷，可选用推力轴承；当径向载荷和轴向载荷联合作用时，一般选 用角接触球轴承和圆锥滚子轴承；若径向载荷很

19、大，而轴向载荷很小时，也可以选 用深沟球轴承，若轴向载荷很大，径向载荷较小时，可用推力调心滚子轴承，也可 用圆柱滚子轴承或者深沟球轴承和推力轴承联合使用。2）支撑限位要求：可以承受双向轴向载荷的轴承，可以作固定支撑用。只承受单向轴向载荷的轴 承可以作单向限位支撑。游动支撑轴向不限位，可使轴在支撑上自由伸缩游动，此 时可用内，外圈不可分的向心轴承在座孔内游动，也可以用内，外圈可用的圆柱滚 子轴承，其内，外圈相对游动。3）轴承的调心性能 当轴的中心线与轴承座中心线由于加工、安装等误差的影响而不重合时，或因 受力后使轴向弯曲而挠度较大时，会造成轴承的内外圈轴线发生偏斜，这时应该选 用调心性能好的调心

20、球轴承或者调心滚子轴承，使轴的偏转角控制在需用值以内，否则会降低轴承寿命。4）轴承的安装和拆卸 方便地装拆轴承，也是选用轴承类型时应该考虑的因素之一。当轴承座保护是 剖分式而必须沿轴向安装和拆卸轴承时，应优先选用内外圈可分离的轴承。上边所设计的底盘钢架结构由材料力学知识计算能够满足设计要求且具有成本 低的特点。此底盘的扩展空间较大，可适合于各种方位的货架，并且具有较高的承 载能力。可以满足提升各种货物的需求。般棍子 3.3升降装置的设计 3.3.1确定传动方案 我们所学的传动方式有以下几种：带传动、链传动、齿轮传动、蜗轮蜗杆传动 和钢丝绳传动等，一般地说，啮合传动传递功率的能力高于摩擦传动；蜗

21、轮传动工 作的发热情况较为严重，因而传动的功率不宜过大；摩擦轮传动由于必须有足够的 压紧力，故而在传递同一圆周力时，其压轴力比齿轮传动的大几倍，因而不宜用于 大功率传动。带传动容易磨损松弛易出现打滑现象；齿轮传动制造及安装精度要求 高价格较贵而且不宜用于传动距离过大场合；链传动与摩擦型带传动相比，链传动 无弹性滑动和整体打滑现象，因而能保持准确的平均传动比，传动效率高；又因为 链不需要像带那样张得很紧，故而作用于轴上的径向压力较小；链条采用金属材料 制造，在同样的使用条件下，链传动的整体尺寸较小，结构比较紧凑，多用于低速 重载。综合考虑以上因素本次设计采用蜗轮 蜗杆减速和链传动。3.3.2选择

22、电动机类型与结构 电动机在工业生产中实现生产机械的启动、停止以及速度调节，完成各种生产 工艺过程的要求，保证生产过程的正常运行。电动机的型号有多种主要有以下几种：直流电动机、交流电动机（三相异步电动机、单相异步电动机、同步电动机）、伺服 电动机等。交流电动机与直流电动机相比具有结构简单、制造容易、维护方便、运行可靠，价格便宜，具有较好的稳态和动态特性，因此，它是工业中使用得最为广泛的一种 电动机。由于此次设计的机器人是应用于仓库货物装卸业而且货物装卸货物最大重 量为kg,故而需要一个能够提供足够大动力的电机来提供动力，因此综上所述选用 冶金及起重用三相异步电动机。联轴器联接的两轴，只有在及其停

23、车后并经过拆卸才能被彼此分开。在机械中 应用联轴器，可以方便地将组成机器的各个部分连接起来，有利于机器的设计、制 造、运输和维修。联轴器的类型很多，通常根据相对位移有无补偿能力划分为刚性 联轴器和挠性联轴器两大类。刚性联轴器对相对位移无补偿能力，且全部由刚性零件组成，也没有缓冲减震 能力，故适用于被联接的两轴严格对中，在和平稳的场合。挠性联轴器因具有挠性，对相对位移具有补偿能力。3.4重心与整机性能的关系 货物装卸机器人的重心是机器人所受外力的合力的作用点。质心的位置，与受力的情况有密切的关系，直接影响轴荷分配、稳定性和平顺 性以及制动、驱动和坡道行驶时的 前后轴质量的转移。质心过高，则稳定性

24、就不好，转弯时容易发生侧倾。在机器人使用时，要注意合理装载，降低质心高度。较重的 货物应尽可能装在下部，而把较轻的货物装在上部。重心的高低，直接影响机器稳定 性的好坏。另外，在整机运输当中，也是一个必不可少的技术参数。所以在 JB2405-79 标准中，把重心位置的测定列为整机性能试验的项目之一。最近，在具体设计中，在 对机器人整体发动机功率和牵引性能计算时，就需要用到有关机器人的总重及重心 所在位置。机器人的自重及其位置对于一些旧有车型的改 进设计来说，可以方便地取得，而且比较准确可靠。3.5货物装卸机器人的运动过程（1）计算机控制驱动装置，使仓库货物装卸机器人在仓库内固定轨迹上前进，车轮

25、上装有传感器，随时将车体位置形成反馈传到计算机中。到达所要求位置时，计算 机发出指令控制底盘驱动装 置中的电机停止转动，因所选用的电机本身具有制动功 能，且减速器采用了蜗轮蜗杆装置，所以具有定位准确的特点。（2）到达指定货架前时，计算机接受到传感器反馈的信息，经处理，向升降装置 中的电机发出指令，电机开始正转，货叉开始上升，到达所要求的位置后，计算机 发出停止指令，货叉随即停止，因所要求的定位精度不高，允许有一定的误差。（3）当货叉达到指定高度时，计算机随即发出指令，控制伸缩机构电机转动，此 电机带有减速器和制动装置，当伸出所需长度后，电机停止转动，货物就被放到货 叉上，当货叉完全伸出后，有延时，数秒钟后，电机反向转动，货物被移出货架。（4）为防止货物位于整个仓库货物装卸机器人车体上面而导致车体行走时所带来的 不稳定因素，计算机应该再次发出控制指令，升降装置中电机得到指令，使货物降 到合适位置。（5）至此，货物被装好，计算机随即发出与开始相反的指令，控制底盘驱动装置，让仓库货物装卸机器人按原路返回到出发点。