圖書館輔助機(jī)器人的設(shè)計(jì)-圖書擺放電動(dòng)圓柱坐標(biāo)機(jī)器人含14張CAD圖
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圖書館輔助機(jī)器人的設(shè)計(jì)
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?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，圖書館輔助，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 II
Abstract III
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 4
2.1圖書館輔助機(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 4
2.2.2 總體設(shè)計(jì)框圖 4
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) 5
2.4 機(jī)器人材料的選擇 5
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 6
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 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 9
3.1 手爪夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 9
3.1.1手爪夾持器種類 9
3.1.2夾持器設(shè)計(jì)計(jì)算 10
3.2升降方向的電動(dòng)缸設(shè)計(jì) 11
3.2.1滾珠絲杠的精度 11
3.2.2 滾珠絲杠參數(shù)的計(jì)算 11
3.3伺服電機(jī)的選擇 15
3.3.1最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 15
3.3.2負(fù)載慣量的計(jì)算 16
3.3.3空載加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算 17
3.4 水平方向電動(dòng)缸的設(shè)計(jì) 18
3.4.1導(dǎo)程確定 18
3.4.2確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 18
3.4.3確定絲桿的等效負(fù)載 18
3.4.4確定絲桿所受的最大動(dòng)載荷 19
3.4.5精度的選擇 20
3.4.6選擇滾珠絲桿型號(hào) 20
3.5校核 21
3.5.1 臨界壓縮負(fù)荷驗(yàn)證 21
3.5.2臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證 22
3.5.3絲桿拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率 22
3.6電機(jī)的選擇 23
3.6.1電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 23
3.6.2電機(jī)扭矩計(jì)算 24
第4章 豎直方向電動(dòng)缸 27
4.1 滾珠絲杠計(jì)算、選擇 27
4.2 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算 30
4.3底座回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 32
4.4機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)校核 32
4.4.1選擇伺服電機(jī)的具體型號(hào)和參數(shù) 32
4.4.2標(biāo)準(zhǔn)斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算 34
4.4.3本機(jī)構(gòu)中齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)與校核 34
4.5軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 39
4.5.1軸的設(shè)計(jì)概述 39
4.5.2軸的強(qiáng)度校核 42
總結(jié) 46
參考文獻(xiàn) 47
致 謝 48
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。
1.2 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?？梢哉f，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?？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。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。
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?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
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
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。
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：
（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(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
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(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(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＞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。
49
第4章 豎直方向電動(dòng)缸
4.1 滾珠絲杠計(jì)算、選擇
初選絲杠材質(zhì)：CrWMn鋼，HRC58~60，導(dǎo)程：l0=5mm
強(qiáng)度計(jì)算
絲杠軸向力：(N)
其中：K=1.15，摩擦系數(shù)f=0.003~0005；
壽命值：，其中絲杠轉(zhuǎn)速(r/min)
最大動(dòng)載荷：
式中：fW為載荷系數(shù)，中等沖擊時(shí)為1.2~1.5；fH為硬度系數(shù)，HRC≥58時(shí)為1.0。
查表得中等沖擊時(shí)則:
根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)最大動(dòng)載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲杠的型號(hào)為: CM系列滾珠絲桿副，其型號(hào)為：CM2005-5。
其基本參數(shù)如下:
其額定動(dòng)載荷為14205N> 足夠用.滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式,預(yù)緊方式采用雙螺母螺紋預(yù)緊形式.
滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計(jì)算如下表
名稱
計(jì)算公式
結(jié)果
公稱直徑
――
20mm
螺距
――
５mm
接觸角
――
鋼球直徑
――
3.175mm
螺紋滾道法向半徑
1.651mm
偏心距
0.04489mm
螺紋升角
螺桿外徑
19.365mm
螺桿內(nèi)徑
16.788mm
螺桿接觸直徑
17.755mm
螺母螺紋外徑
23.212mm
螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）
20.7mm
（1） 傳動(dòng)效率計(jì)算
絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為：
式中：φ=10’，為摩擦角；γ為絲杠螺旋升角。
（2） 穩(wěn)定性驗(yàn)算
絲杠兩端采用止推軸承時(shí)不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算。
（3） 剛度驗(yàn)算
滾珠絲杠受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量為：(cm)
Y向所受牽引力大,故用Y向參數(shù)計(jì)算
絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略不計(jì)。導(dǎo)程變形總誤差Δ為
E級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差[ Δ]=15μm/m。
4.2 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算
根據(jù)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式，有：
（1）等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算
折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
式中：為折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載；為步進(jìn)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為齒輪１的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
為齒輪２的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Ｍ為移動(dòng)部件的質(zhì)量。
對(duì)鋼材料的圓柱零件可以按照下式進(jìn)行估算：
式中為圓柱零件直徑，為圓柱零件的長度。
所以有：
電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，可以忽略，所以有：
步進(jìn)電機(jī)的選用
(１）步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩的計(jì)算
設(shè)步進(jìn)電機(jī)的等效負(fù)載力矩為Ｔ，負(fù)載力為Ｐ，根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)所做的功與負(fù)載力所做的功有如下的關(guān)系：
式中為電機(jī)轉(zhuǎn)角，Ｓ為移動(dòng)部件的相應(yīng)位移，為機(jī)械傳動(dòng)的效率。若取，則Ｓ＝，且。所以：
式中：為移動(dòng)部件負(fù)載（N），G為移動(dòng)部件質(zhì)量（N），為與重力方向一致的作用在移動(dòng)部件上的負(fù)載力（N），為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，為步進(jìn)電機(jī)的步距角（rad）,T為電機(jī)軸負(fù)載力矩（N.cm）。
取=0.3（淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)），＝０.8，==279.23Ｎ?？紤]到重力影響，Ｙ向電機(jī)負(fù)載較大，因此Ｇ＝1200Ｎ，所以有：
考慮到啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：
取系數(shù)為０.３，則：
對(duì)于工作方式為三相６拍的步進(jìn)電機(jī)：
(２） 步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率
為使電機(jī)不產(chǎn)生失步空載啟動(dòng)頻率要大于最高運(yùn)行頻率,同時(shí)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩要足夠大,查表選擇兩個(gè)90BF001型三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī).
電機(jī)有關(guān)參數(shù)如下:
型號(hào)
主要技術(shù)參數(shù)
相數(shù)
步距角
電壓
(V)
相電流
(A)
最大靜轉(zhuǎn)矩
(n.m)
空載啟動(dòng)頻率
空載運(yùn)行頻率
分配方式
90BF001
4
0.9
80
7
3.92
2000
8000
4相8拍
外形尺寸(mm)
重量
kg
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
Kg.m
外直徑
長度
軸直徑
90
145
9
4.5
1764
4.3底座回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算
腕部是聯(lián)結(jié)手部和臂部的部件，腕部運(yùn)動(dòng)主要用來改變被夾物體的方位，它動(dòng)作靈活，轉(zhuǎn)動(dòng)慣性小。
4.4機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)校核
臂部和機(jī)身的配置形式基本上反映了的總體布局。本課題圖書館輔助機(jī)器人的機(jī)身設(shè)計(jì)成機(jī)座式，這樣圖書館輔助機(jī)器人可以是獨(dú)立的，自成系統(tǒng)的完整裝置，便于隨意安放和搬動(dòng)，也可具有行走機(jī)構(gòu)。臂部配置于機(jī)座立柱中間，多見于回轉(zhuǎn)型圖書館輔助機(jī)器人。臂部可沿機(jī)座立柱作升降運(yùn)動(dòng)，獲得較大的升降行程。升降過程由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺柱旋轉(zhuǎn)。由螺柱配合導(dǎo)致了手臂的上下運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速器軸上的齒輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)了機(jī)身的旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到了自由度的要求[7-9]。
4.4.1選擇伺服電機(jī)的具體型號(hào)和參數(shù)
1、電機(jī)額定功率的確定
馬達(dá)的額定功率應(yīng)等于或稍大于工作要求的功率。額定功率小于工作要求，則不能保證工作機(jī)器正常工作，或使馬達(dá)長期過載、發(fā)熱大而過早損壞；額定功率過大，則馬達(dá)價(jià)格高，并且由于效率和功率因素低而造成浪費(fèi)。
工作所需功率為：
(3-1)
式中， 電機(jī)工作效率，
電機(jī)所需的輸出功率為：
(3-2)
式中：為電機(jī)至軸之間的總效率。齒輪： 軸承：
蝸桿; 。因此
(3-3)
一般電機(jī)的額定功率
但為了獲得較大預(yù)留量則取電機(jī)額定功率為：。
2、轉(zhuǎn)矩
由后面齒輪的轉(zhuǎn)矩可得：
3、電機(jī)轉(zhuǎn)速的確定
由文獻(xiàn)[2, 5~5]表1-8推薦的各種機(jī)構(gòu)傳動(dòng)范圍為，?。?
齒輪傳動(dòng)比：3-5
蝸桿渦輪傳動(dòng)比：20-100，
則總的傳動(dòng)范圍為：
電機(jī)轉(zhuǎn)速的范圍為：
為降低電機(jī)的重量和價(jià)格，選取常用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，其各
根據(jù)這些，選取SGMAH-44BA6(帶通用減速機(jī)）型電機(jī)，符合要求。
圖3-2電機(jī)參數(shù)圖表
4.4.2標(biāo)準(zhǔn)斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算
(1) 輪齒的受力分析
齒輪傳動(dòng)一般均加以潤滑，嚙合齒輪間的摩擦力通常很小，計(jì)算輪齒受力時(shí)，可不予考慮。沿嚙合線作用在齒面上的法向載荷垂直于齒面，為了計(jì)算方便，將法向載荷（單位為N）在節(jié)點(diǎn)P處分解為兩個(gè)相互垂直的分力，即圓周力與徑向力（單位均為N），由此得
(4-6)
(4-7)
(4-8)
式中：——小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，；
——小齒輪的節(jié)圓直徑，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)齒輪即為分度圓直徑，mm；
——嚙合角，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)齒輪，。
以上分析的是主動(dòng)齒輪上的力，從動(dòng)輪輪齒上的力分別與其大小相等、方向相反。
(2) 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算
輪齒在受載時(shí)，齒根所受的彎矩最大，因此齒根處的彎曲疲勞強(qiáng)度最弱。當(dāng)輪齒在齒頂處嚙合時(shí)，處于雙對(duì)嚙合區(qū)，此時(shí)彎矩的力臂最大，但力不是最大，因此彎矩并不是最大。根據(jù)分析，齒根所受的最大彎矩發(fā)生在輪齒嚙合點(diǎn)位于單對(duì)嚙合區(qū)最高點(diǎn)時(shí)。因此，齒根彎曲強(qiáng)度也應(yīng)按載荷作用于單對(duì)嚙合區(qū)最高點(diǎn)來計(jì)算。由于此種算法比較復(fù)雜，通常只用于高精度齒輪傳動(dòng)。
對(duì)于制造精度不高的齒輪傳動(dòng)，由于制造誤差較大，實(shí)際上多由在齒頂處嚙合的輪齒分擔(dān)較多的載荷。為便于計(jì)算，通常按全部載荷作用于齒頂來計(jì)算齒根的彎曲強(qiáng)度。當(dāng)然，采用這樣的方法，輪齒的彎曲強(qiáng)度比較富裕。
4.4.3本機(jī)構(gòu)中齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)與校核
1. 選定齒輪類型，精度等級(jí)，材料及齒數(shù)。
1）選用斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)選用7級(jí)精度（GB10095-88）
2）選擇小齒輪材料為45（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，大齒輪材料為45（調(diào)質(zhì)）硬度為240HBS
3）選小齒輪齒數(shù)=18，大齒輪齒數(shù)=18×4=72。
4）初選螺旋角為。
2. 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行試算，即
(4-9)
確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值
試選載荷系數(shù)
由表10—7選齒寬系數(shù)
由圖10-26得
(4-10)
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本圖10-30
由表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)
由圖10-21d按齒面硬度查得大小齒輪的接觸疲
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