哈 爾 濱 工 程 大 學(xué) 2014屆 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 立 題 論 證 書院（系） 機(jī)電工程學(xué)院 題目對(duì)應(yīng)專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 題目申報(bào)人 隋立明 職 稱 講師 申報(bào)時(shí)間 2013 年 12 月題目名稱 圖書館輔助機(jī)器人的設(shè)計(jì)題目來源（劃√號(hào)，不可多選）在研科研項(xiàng)目 生產(chǎn)實(shí)踐 自擬題目 √理工類理論研究類（ ） 工程設(shè)計(jì)類（√ ） 軟件開發(fā)類（ ） 科學(xué)實(shí)驗(yàn)類（ ） 綜合類（ ） （劃√號(hào)，不可多選）題目類型文管類 理論型（） 應(yīng)用型（） 文獻(xiàn)綜述型（） （劃√號(hào)，不可多選）課題簡述在大型圖書館中，圖書的上架是一個(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的上架時(shí)間，為此本課題提出設(shè)計(jì)一個(gè)圖書館輔助機(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)別圖書類別、并將圖書放置于準(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)。課題研究內(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)。通過該課題的工作，使學(xué)生在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)電一體化系統(tǒng)分析與集成等方面得到訓(xùn)練。本課題預(yù)期目標(biāo)本課題需要完成工作如下1、對(duì)圖書館機(jī)器人的國際和國內(nèi)研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述；2、設(shè)計(jì)機(jī)器人的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；3、機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和主要零件的設(shè)計(jì)；3、機(jī)器人相關(guān)元件的選型與系統(tǒng)集成方案設(shè)計(jì)。重點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)集成方案設(shè)計(jì)部用怎么做機(jī)械結(jié)構(gòu)大體的結(jié)構(gòu)得照著我設(shè)計(jì)的來 PPT驅(qū)動(dòng)元件是都是電機(jī)，電動(dòng)缸，別選液壓的，主要是電機(jī)驅(qū)動(dòng)成果形式如下1、機(jī)器人裝配圖和零件圖（3 張 0 號(hào)圖，至少 1 張手繪圖）；2、主要元件的選型及機(jī)電系統(tǒng)原理方案；3、設(shè)計(jì)說明書（論文）2 萬字。技術(shù)要求上機(jī) 40 機(jī)時(shí) 圖紙 3 張電路板 0 塊 閱讀文獻(xiàn) 15 篇 讀書筆記 0.5 萬字主要參考資料1. 蔡自興. 機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ).機(jī)械工業(yè)出版社,20092. Mingfang Du , Jianjun Fang ; Lipeng Wang . A parameter self-tuning fuzzy-PID control system for pneumatic manipulator of library robot. International Conference on Electronics, Communications and Control (ICECC), 2011: 4111- 41153. Bdiwi, M., Suchy, J. Library automation using different structures of vision-force robot control and automatic decision system IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS),2012: 1677- 1682 4.崔建偉，宋愛國，莊皓蘭等. 機(jī)器人技術(shù)在圖書館自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用研究. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2009,11:33-355. R·西格沃特等. 自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)論. 西安交通大學(xué)出版社,2013基層學(xué)術(shù)組織負(fù)責(zé)人審核意見：基層學(xué)術(shù)組織負(fù)責(zé)人簽字： 年 月 日(院)系學(xué)士學(xué)位論文工作領(lǐng)導(dǎo)小組審核意見：(院)系學(xué)士學(xué)位論文工作領(lǐng)導(dǎo)小組組長簽字： （院）系蓋章年 月 日做該課題學(xué)生姓名 班 級(jí) 學(xué) 號(hào)注：1、指 導(dǎo) 教 師 對(duì) 應(yīng) 每 個(gè) 學(xué)士學(xué)位論文題目應(yīng)填寫該表一份，題目申報(bào)人可為指導(dǎo)教師組。2、題目來源和題目類型要求單選，若該題目屬于兩種類型，則只能選擇一種最主要的類型打√。3、此表一 式 一 份 ， 由 院 （ 系 ） 留 存 。題目：圖書館輔助機(jī)器人的設(shè)計(jì),學(xué) 號(hào)：,一.課題背景,在大型圖書館中，圖書的上下架是一項(xiàng)重要而繁重的工作，重復(fù)量很大，而大量的人工操作與現(xiàn)代高速發(fā)展的科技不相匹配 ，機(jī)器人 進(jìn)入圖書館已經(jīng)變得越來越重要。尤其在未來的書庫管理中， 圖書的上架、 下架、 整理、 清點(diǎn)、 查找等大量基礎(chǔ)性、需要人工完成的工作， 最好的方式是用機(jī)器人來代替， 從而將館員從繁重、 單調(diào)的工作中解放出來，機(jī)器人將發(fā)揮巨大作用、 扮演越來越重要的角色。,二.課題設(shè)計(jì)的目的、意義,本次設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠完成圖書上架等工作的圖書館輔助機(jī)器人，要求機(jī)器人具有行走、自動(dòng)識(shí)別圖書類別、并將圖書放置于準(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)。 通過對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)控制方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生在機(jī)械設(shè)計(jì)，機(jī)電一體化系統(tǒng)的方案論證與分析設(shè)計(jì)等方面的能力，從而能夠具備一定的分析問題和解決問題的能力。,三.課題預(yù)期完成的內(nèi)容,對(duì)圖書館機(jī)器人的國際及國內(nèi)研究現(xiàn)狀進(jìn)行文獻(xiàn)綜述 對(duì)機(jī)器人的移動(dòng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析計(jì)算 機(jī)器人相關(guān)元件的選型與系統(tǒng)集成方案設(shè)計(jì) 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 繪制機(jī)器人整體三維機(jī)構(gòu)圖 機(jī)器人整體裝配圖和零件圖合計(jì)3張（手繪一張） 主要元件選型結(jié)果及機(jī)電系統(tǒng)原理方案 設(shè)計(jì)說明書兩萬字,四.輔助機(jī)器人的具體設(shè)計(jì)方案與原理圖,底座小車的3個(gè)車輪互成120度，車輪采用瑞典輪，3個(gè)獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人全方位移動(dòng)。 機(jī)器人本體為單臂結(jié)構(gòu),采用直角坐標(biāo)系，具有4個(gè)自由度的機(jī)械手和2個(gè)手指的“手”，末端執(zhí)行器則可以采用兩指結(jié)構(gòu)，用于夾持圖書，機(jī)械手上裝備有攝像機(jī)和傳感器，用來識(shí)別圖書和定位末端執(zhí)行器。 機(jī)器人機(jī)身部位裝有圖書存儲(chǔ)欄，用來放置待上架的圖書。,,,軸系爆炸圖,軸系裝配圖系,全方位輪構(gòu)型圖,,五.工作安排,1~2周，文獻(xiàn)查閱，確定結(jié)構(gòu)方案，完成開題報(bào)告 3~4周，機(jī)器人移動(dòng)部分設(shè)計(jì)計(jì)算，操作機(jī)構(gòu)分析計(jì)算 5~6周，機(jī)器人的車體及框架部分三維設(shè)計(jì) 7~8周，機(jī)器人的操作部分三維設(shè)計(jì)及機(jī)電控制系統(tǒng)原理方案 9~10周，機(jī)器人的整體裝配圖繪制 11~12周，機(jī)器人的零件圖繪制 13~14周，撰寫論文,七.參考文獻(xiàn),1. 蔡自興. 機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ).機(jī)械工業(yè)出版社,20092. Mingfang Du , Jianjun Fang ; Lipeng Wang . A parameter self-tuning fuzzy-PID control system for pneumatic manipulator of library robot. International Conference on Electronics, Communications and Control (ICECC), 2011: 4111- 41153. Bdiwi, M., Suchy, J. Library automation using different structures of vision-force robot control and automatic decision system IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS),2012: 1677- 1682 4.崔建偉，宋愛國，莊皓蘭等. 機(jī)器人技術(shù)在圖書館自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用研究. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2009,11:33-355. R·西格沃特等. 自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)論. 西安交通大學(xué)出版社,2013,謝 謝！,I寧XX 大學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )圖書館輔助機(jī)器人的設(shè)計(jì)所 在 學(xué) 院專 業(yè)班 級(jí)姓 名學(xué) 號(hào)指 導(dǎo) 老 師年 月 日摘 要機(jī)器人是在在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(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)別圖書類別、并將圖書放置于準(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)。課題研究內(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， 圖書館輔助，提升IIIAbstractThe 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, improveIV目 錄摘 要 IIAbstract.III目 錄 IV第 1 章 緒論.11.1 課題背景及目的 .11.2 本課題研究的目的和意義 21.3 工業(yè)機(jī)器人概念 21.4 國內(nèi)機(jī)器人的研究 2第 2 章 圖書館輔助機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求與方案.42.1 圖書館輔助機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求 .42.2 基本設(shè)計(jì)思路 42.2.1 系統(tǒng)分析 .42.2.2 總體設(shè)計(jì)框圖 .42.2.3 電動(dòng)機(jī)器人的基本參數(shù) .52.3 電動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 52.4 機(jī)器人材料的選擇 52.5 機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方式 .62.6 電動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式的選擇 62.7 動(dòng)作要求分析 72.8 電動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型 7第 3 章 圖書館輔助機(jī)器人機(jī)械部分的設(shè)計(jì)計(jì)算.93.1 手爪夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 93.1.1 手爪夾持器種類 93.1.2 夾持器設(shè)計(jì)計(jì)算 103.2 升降方向的電動(dòng)缸設(shè)計(jì) .113.2.1 滾珠絲杠的精度 113.2.2 滾珠絲杠參數(shù)的計(jì)算 .11V3.3 伺服電機(jī)的選擇 .153.3.1 最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 153.3.2 負(fù)載慣量的計(jì)算 163.3.3 空載加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算 173.4 水平方向電動(dòng)缸的設(shè)計(jì) 183.4.1 導(dǎo)程確定 183.4.2 確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 183.4.3 確定絲桿的等效負(fù)載 183.4.4 確定絲桿所受的最大動(dòng)載荷 193.4.5 精度的選擇 203.4.6 選擇滾珠絲桿型號(hào) 203.5 校核 .213.5.1 臨界壓縮負(fù)荷驗(yàn)證 .213.5.2 臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證 223.5.3 絲桿拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率 223.6 電機(jī)的選擇 .233.6.1 電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 233.6.2 電機(jī)扭矩計(jì)算 24第 4 章 豎直方向電動(dòng)缸.274.1 滾珠絲杠計(jì)算、選擇 274.2 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算 304.3 底座回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 .324.4 機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)校核 .324.4.1 選擇伺服電機(jī)的具體型號(hào)和參數(shù) 324.4.2 標(biāo)準(zhǔn)斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算 344.4.3 本機(jī)構(gòu)中齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)與校核 344.5 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 .394.5.1 軸的設(shè)計(jì)概述 394.5.2 軸的強(qiáng)度校核 42VI總結(jié).46參考文獻(xiàn).47致 謝.481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，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)和撰寫論文的能力。（3）的綜合素質(zhì)和實(shí)踐能力的測(cè)試。21.2 本課題研究的目的和意義（1）通過對(duì)圖書館輔助機(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）在大型圖書館中，圖書的上架是一個(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的上架時(shí)間，為此本課題提出設(shè)計(jì)一個(gè)圖書館輔助機(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)別圖書類別、并將圖書放置于準(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。國際標(biāo)準(zhǔn)化聯(lián)合國最近采用了美國機(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。可以說，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3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。在國際上，各個(gè)國家都實(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 90000 的全球經(jīng)濟(jì)增長中的訂單。7%的平均年增長率。國際工業(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)用范圍越來越廣泛；技術(shù)越來越高，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。總的發(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。在第二十世紀(jì)九十年代，電動(dòng)機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)和快速增長，年均增長率超過百分之十。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，年增長率高達(dá)百分之四十三。經(jīng)過 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)試和倉庫，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。4第 2 章 圖書館輔助機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求與方案2.1 圖書館輔助機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求在大型圖書館中，圖書的上架是一個(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的上架時(shí)間，為此本課題提出設(shè)計(jì)一個(gè)圖書館輔助機(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)別圖書類別、并將圖書放置于準(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)。課題研究內(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)分析該機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(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)問題，機(jī)器人是圖書的上架機(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。2.2.2 總體設(shè)計(jì)框圖人機(jī)交互系統(tǒng)( 系統(tǒng)軟件 、 編程語言系統(tǒng) )控制器及控制算法控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) ( 各驅(qū)動(dòng)器 )機(jī)械系統(tǒng) ( 機(jī)身 、 臂部 、手腕 、 手爪 )作業(yè)對(duì)象內(nèi)部傳感器信息反饋工作對(duì)象及環(huán)境信息反饋感知系統(tǒng)5圖 2 總體設(shè)計(jì)框圖如圖 2 為總設(shè)計(jì)框圖，說明如下：(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)速度過低的話，會(huì)無法滿足機(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?？傊x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6觀和價(jià)格等因素。這里有幾個(gè)機(jī)器人使用的材料：（L）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)簡單的速度不易控制，精度不高。油馬達(dá)驅(qū)動(dòng)能量是簡單，速度和位置精度高，使用方便，低噪音，高速變化的機(jī)7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)手臂伸長手臂轉(zhuǎn)回 手腕旋轉(zhuǎn)圖 2.2 電動(dòng)機(jī)器人動(dòng)作簡易圖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]。89第 3 章 圖書館輔助機(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實(shí)現(xiàn)手爪的松、開，來實(shí)現(xiàn)抓取工件。3.齒輪齒條式手爪這種手爪通過活塞推動(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。這種手爪開合行程較大，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)，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條 使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工 工件的直徑來調(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．有足夠的開閉范圍工作時(shí)，一個(gè)手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。夾持類手部的手指都有10張開和閉合裝置?？捎瞄_閉角和手指夾緊端長度表示。于回轉(zhuǎn)型手部手指開閉范圍，手指開閉范圍的要求與許多因素有關(guān)c．力求結(jié)構(gòu)簡單，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）GkN321?式中， -----為所需夾持力；N-----安全系數(shù)，通常取 1.2~2；1k-----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2 gak??12搬運(yùn)工件過程的加速度 ， ， 為重力加速度；2/sm2/8.9sa?g-----方位系數(shù)，查表選取 ；3k 13?k-----假設(shè)被抓持工件的重量 20 ； G帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得： ；N240?理論驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算： （3-7）??1Rbp式中， ----為柱塞缸所需理論驅(qū)動(dòng)力；p----為夾緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的垂直距離；b-----為扇形齒輪分度圓半徑；R-----為手指夾緊力；N---齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率，此處選為 0.92；?11其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得 NP370?計(jì)算驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式為： （3-8 ）?Fkc41式中， -----為計(jì)算驅(qū)動(dòng)力；cF---安全系數(shù)，此處選 1.2；1k---工作條件系數(shù)，此處選 1.1；43.2 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Ff的最小載荷（即摩擦力）（N） (3.3)1968.504.min???fg絲杠最大載荷是：5000＋196＝ 5196（N） (3.4)Fax平均載荷是：= × = ≈3529（N ） (3.5)m??inax2?31??319652??（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12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)106nTL?1065?106?當(dāng)量動(dòng)載荷值： (3.7)KaLpFmC3?式中： ——載荷性質(zhì)系數(shù)，無沖擊取 1-1.2，一般情況取 1.2-1.5，有較大沖擊振Kp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)a Ka精度的絲杠取 =0.9。Ka根據(jù)要求去 =1.5， =0.9，代入數(shù)據(jù)得p≈51.59（KN） (3.8)9.0367512??Cm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。Cm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）0d63螺距(mm) P 10接觸角 ?6.30鋼球直徑(mm) wd7.14413螺紋滾道法面半徑(mm)R715.352.0?dW偏心距(mm) e0.009螺紋升角(mm) ?=Pharctg??6.0絲杠外徑(mm) 1d62.5絲杠底徑(mm) 257.3螺桿接觸直徑(mm)z55.87螺母螺紋外徑(mm)D412.7020????Red螺母內(nèi)徑(mm)（內(nèi)循環(huán)）162.64（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d0PdP0?角 λ= 。將摩擦角 ，代入 = ，得傳動(dòng)效率 =93.7%。6.01'????????tan?（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)算可以用接觸量來校核。a、滾珠絲杠滾道間的接觸變 ?1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)dw0?×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)，???ZZ?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3maxFy形(3.9)301.ZFydwPa???式中 = 51590N。代入數(shù)據(jù)得；PaCm14= = 0.013(mm)301.ZFydwPa??? 3320174.5190.0??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。?1b、絲杠在工作載荷 作用下的抗壓變形Fmax?2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，105.2?PaMdwd2則絲杠的截面積： =1540.6( )42S??m2根據(jù)公式 代入數(shù)據(jù)得：EFeq??2=0.018(mm)6.1540.29??C、總的變形 總= =0.0065+0.018=0.0245mm,絲杠的有效行程為 600， 絲杠在有效行程?總 21?500—630mm 時(shí)，行程偏差允許達(dá)到 30μm,，可見絲杠剛度足夠。（5）穩(wěn)定性的驗(yàn)算(3.10)KLEIfkPa2??公式中取支撐系數(shù) =2，fk由絲杠底徑 =43.3mm 求的截面慣性矩 =188957.7( )，壓桿穩(wěn)定d2642dI??m4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aL?1200mm，代入公式得：=181129.6(㎏)31207.895.4.3???Pa則 f=181129.6N 大于 =51590N，故不會(huì)失穩(wěn)，滿足使用要求。Cm15（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 。nc查資料得公式 ： (3.11)Lcdfc2910?其中： (mm)；43.5.7632.10????dwd為臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度 =1200(mm)；LcLc為絲杠支承方式系數(shù) （一端固定，一端游動(dòng)）f292.f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。?nc（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)iTfpPhFT????????02max??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5196a?Ph力 = N，根據(jù)計(jì)算的滾珠螺母絲杠的機(jī)械效率 =0.947，因CaFp41?139056?? ?為滾珠絲杠預(yù)加載荷引起的附加摩擦力矩：16（N ·m） (3.13)7.48.29013.0???PhFTp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Tf0接相連，其傳動(dòng)比 =1，則最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩：i(N·m)7.146.0947.02156?????T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。JMJL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J1下式計(jì)算，(kg·㎡) (3.14)??025.1.8021??????????PhmvJ絲杠名義直徑 =63mm=0.063m，長度 L=1.2m 絲杠材料（鋼）的密度d0ρ=7.8 ㎏· 。根據(jù)公式計(jì)算絲杠加在電動(dòng)機(jī)軸上的慣量13?(㎏·㎡) (3.15)347.81.20640.57203lJd??????聯(lián)軸器加上鎖緊螺母等的慣量 可直接查手冊(cè)得到，即 (㎏·㎡)J01.3?J故負(fù)載總的慣量為(㎏·㎡)92.01.57.02.313????J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MJLJMJL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JMJ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：17(3.16)41?JLM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㎏·㎡。min30axrn?表 3.2 FANUCα(HV)i 系列交流伺服電機(jī)型號(hào) α1/ 5000iα2/ 5000iα4/ 4000iα8/ 3000iα12/ 3000iα22/3000i輸出功率/kw0.5 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min1?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 80i3.3.3 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，Ta(3.17)tacnJT60mx2??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(㎏·㎡)?JLM加速度時(shí)間 通常取 的 3~4 倍，故 =(3~4) =(3~4)×6=18~24(ms)，則tactmtactm18(N·m)173~060154.321.0???tacTa3.4 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cmkgfMrn .2min,/150maxmax ??最 大 轉(zhuǎn) 矩取 Ph=12mmVPH150/18/axee3.4.2 確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速基本公式 min)/(rPVnh=最大進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 min)/(1502/8/ax rh=最小進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 i/3./miniPVh=絲桿的等效轉(zhuǎn)速 in)/(/)(212in1axrttt+式中取 故21t=min)/(03.1)/((212min1ax rtttnm=+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19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 NGFGFGfKFZx 215-)2(03.3.12-)2( 3y12yma =++=++= ）（）（）（0in其等效載荷按下式計(jì)算（式中取 ， ）21t=1nNtnFFm49)(321mi3ax+=3.4.4 確定絲桿所受的最大動(dòng)載荷 316mhkahtwm10)nT(ffFCar=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 Lh20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) fw3.4.5 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m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30V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）KN21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/μm3.5 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： NFKLEIfFcr max201e=?式中 E------材料的彈性模量 E 鋼 =2.1X1011（N/m 2）LO-------最大受壓長度（m）K1-------安全系數(shù)，取 K1=1.3Fmax-------最大軸向工作負(fù)荷（N）f1-------絲桿支撐方式系數(shù)：f 1=15.1I=絲桿最小截面慣性距（m 4）442)2.1_(6woddI?=22式中 do--------是絲桿公稱直徑（mm）dw------------滾珠直徑（mm） ，絲桿螺紋不封閉長度 Lu=工作臺(tái)最大行程+螺母長度+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度 Lu，選取 LO=620mm代入上式計(jì)算得出 Fca=5.8X108N可見 Fca＞F max， 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crn高轉(zhuǎn)速：2230KPAEILfnCZcr?=式中：A------絲桿最小截面：A= 24-6-22 m10*9.3.414=d-------絲杠內(nèi)徑，單位 ；2dmP--------材料密度 p=7.85*103(Kg/m)--------臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度，單位為 ，本設(shè)計(jì)中該值為cL=148/2+300+(620-488)/2=440mmc----------安全系數(shù)，可取 =0.82K2KfZ----------絲杠支承系數(shù)，雙推-簡支方式時(shí)取 18.9經(jīng)過計(jì)算，得出 = 6.3*104 ，該值大于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。crnmin/r233.5.3 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LAEs/maxin=式中 A——絲杠最小橫截面， ；2()4dm??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： min/1/2/1/ sCHe KK+=sradmWeB/k式中 K e ——滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度(N/μm)；KH——螺母座的剛度(N/μm)；K H=1000 N/μmKc——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，24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、無累計(jì)誤差、控制簡單等優(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 328md42LJRàá=上式中：d—直徑,絲桿外徑 d=39.5mmL—長度=1mP—鋼的密度=7800 2kg/m經(jīng)計(jì)算得 20.×=RJb、X 向直線運(yùn)動(dòng)件向絲桿折算的慣量 2ú?ù?e?=àPMJL上式中：M—質(zhì)量 X 向直線運(yùn)動(dòng)件 M=160kgP—絲桿螺距（m）P=0.001m經(jīng)計(jì)算得 2-810*4.9kgJL×=c、聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量