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摘 要
隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，以互聯(lián)網(wǎng)為媒介向四周擴(kuò)散的貿(mào)易模式逐漸成為主流形式，正因為互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的快速發(fā)展，也促使了周邊產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。其中離我們最近的一個產(chǎn)業(yè)當(dāng)屬物流行業(yè)。以往物流行業(yè)只針對于大型貨品的長途運輸， 但是自從有了新的商業(yè)模式，物流行業(yè)新加了小產(chǎn)品；近距離；快速等屬性。本次我們課題做的設(shè)備是針對于物流的倉儲分揀環(huán)節(jié)而做的專用設(shè)備。移動提升機(jī)構(gòu)能夠很大程度上的提高分揀的工作效率，增加分揀的精確度，更重要的一點是能夠節(jié)省勞動力，從而節(jié)約很大一部分成本進(jìn)而增加經(jīng)濟(jì)效益。隨著物流市場需求的日益增大以及倉儲環(huán)節(jié)對于工作效率的要求逐漸提高，我們的設(shè)備發(fā)展前景一片光明。
本文設(shè)計提升空間 1 米，可夾持 5 千克重物自由移動的設(shè)備。主要的設(shè)計內(nèi)容是：輪式移動機(jī)器人；提升機(jī)構(gòu)；機(jī)械手夾緊機(jī)構(gòu)。輪式移動機(jī)器人是設(shè)備的根基部分，由直流伺服電機(jī)提供動力源帶動一組（4 個）麥克納姆萬向輪轉(zhuǎn)動， 通過控制實現(xiàn)車體的前進(jìn)；后退；旋轉(zhuǎn)等運動。配備承載平臺，安裝提升機(jī)構(gòu)。提升機(jī)構(gòu)為設(shè)備的主體部分，同樣以伺服電機(jī)為動力源帶動剪叉機(jī)構(gòu)實現(xiàn)上升與下降，同時應(yīng)配備蝸輪蝸桿減速器以達(dá)到自鎖的目的。機(jī)械機(jī)構(gòu)作為設(shè)備的執(zhí)行部件，通過齒輪帶動手指關(guān)節(jié)的張開與閉合實現(xiàn)對物品的抓取和放置動作。
論文通過三維建模與理論計算對設(shè)備進(jìn)行功能介紹與校核驗算。關(guān)鍵詞：倉儲機(jī)器人；移動機(jī)器人；提升機(jī)構(gòu)
I
ABSTRACT
In modern industrial production, the welding manipulator can not only reduce the labor intensity of workers, reduce the time needed for welding, but also ensure the quality of welding seam. The use of the welding machine will greatly reduce the labor load. In the premise of guaranteeing the quality of the product, it can also greatly increase the output, which will bring great economic benefits to the company. In order to adapt to the development of modern industry, higher production efficiency is needed. Therefore, it is important to study the welding machine to overcome the previous manual welding, such as high labor intensity, low production quality, low labor efficiency, poor production conditions and so on. It is of great significance to improve the production efficiency and ensure the quality of the important pipeline welding. It has good development prospects and social benefits.
This paper designs a 3 meter telescopic welding machine. The main design contents are the walking trolley mechanism, the locking mechanism and the locking principle, and the structure design of the vertical column rotary mechanism. The trolley is mainly composed of a car body, a driven wheel and a driving wheel, and is driven by a two direct connection motor through a reducer to drive the driving wheel. The locking mechanism is mainly composed of a locking guide rail and a locking nut, wherein the trapezoidal nut and the trapezoidal screw are transformed into a motion form to achieve the purpose of locking. The rotary mechanism is mainly composed of rotary bearing and driving gear. According to the rational design of structure and function, the cross roller bearing with outer teeth is chosen to carry large axial and radial force, and the purpose of turning is achieved. The speed of rotation is realized by the reducer and the transmission ratio of the small gear.
The whole structure function of each part is explained by 3D modeling.
Key words: storage robot; mobile robot; lifting mechanism
II
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1. 緒論 1
1.1 本課題的目的與意義 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動態(tài) 1
1.3 主要設(shè)計內(nèi)容 2
2. 輪式移動機(jī)構(gòu)設(shè)計 4
2.1 電機(jī)選擇 4
2.2 鍵的選擇與校核 6
2.3 零件強(qiáng)度校核 7
3 提升機(jī)構(gòu)設(shè)計 13
3.1 驅(qū)動電機(jī)的選擇 13
3.2 減速器的選擇 14
3.3 軸的設(shè)計及強(qiáng)度校核 16
3.4 剪叉升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計 21
3.5 軸承壽命校核 25
3.6 鍵的選擇與校核 26
4 機(jī)械手設(shè)計 27
4.1 鎖緊原理 27
4.2 機(jī)械手驅(qū)動電機(jī)計算 27
4.3 機(jī)械手強(qiáng)度校核： 29
5 環(huán)保與經(jīng)濟(jì)性研究 35
5.1 環(huán)保性分析 35
5.2 經(jīng)濟(jì)性分析 35
6 結(jié)論 36
參考文獻(xiàn) 37
致謝 38
IV
1. 緒論
1.1 本課題的目的與意義
機(jī)器人技術(shù)作為一種高端新型技術(shù)，在世界的科技發(fā)展上占據(jù)著一定的地位。本著科技強(qiáng)國的思想，機(jī)器人技術(shù)成為各國科技研究的必有項目，并且機(jī)器人技術(shù)從開始的入門級別現(xiàn)已經(jīng)達(dá)到一定技術(shù)水平。并且在發(fā)展的同時也將這一技術(shù)應(yīng)用到我們的日常生活與生產(chǎn)中。其中包括現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備、人工智能設(shè)備、運輸設(shè)備、物流設(shè)備、新型服務(wù)行業(yè)、建筑工程、醫(yī)療器械等。
隨著我國家經(jīng)濟(jì)與科技的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)在我國也有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。同時我國也自主研發(fā)了一系列設(shè)備，水平較過去有顯著的提高，但是較其他掌握尖端技術(shù)的國家還是存在一定的差距。
我國互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展給我們的生活方式帶來了巨大的影響。其中互聯(lián)網(wǎng)+概念的提出與發(fā)展更是帶來了一波生活方式“革命”，最突出的一點改變是人們的購物方式。較以往的實體店購物方式，新型的網(wǎng)絡(luò)購物具有眾多突出的優(yōu)點。包括：便捷性、透明性、廣泛性等。正是因為這些優(yōu)點，現(xiàn)在越來越多的人選擇網(wǎng)絡(luò)購物。這也促進(jìn)的另一個行業(yè)--物流的快速發(fā)展。我們都知道物流行業(yè)最重要的幾個方面是：覆蓋域、流通性、輸送率、安全性。而當(dāng)下因為市場的需求量較大，勞動力工作效率有限的情況，在其中倉儲分揀的環(huán)節(jié)會導(dǎo)致整個物流循環(huán)耗時加長更甚至出現(xiàn)錯誤等情況。所以解決物流循環(huán)中倉儲分揀的效率問題對于整個物流行業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動態(tài)
在備受關(guān)注的“2017 世界機(jī)器人大會”中，各式各樣機(jī)器人亮相，其中包含搬運機(jī)器人、碼垛機(jī)器人、精包裝機(jī)器人、復(fù)合多用機(jī)器人等不同種類的倉儲機(jī)器人。依據(jù)中國電子協(xié)會曾發(fā)布的《2017 中國機(jī)器人發(fā)展報告》，提到我國 2017 年機(jī)器人市場規(guī)模估計將達(dá)到 62.8 億美元，其中三大類型機(jī)器人分別銷售額占比為：服務(wù)機(jī)器人 21%、工業(yè)機(jī)器人 67%和特種機(jī)器人 12%；依據(jù)應(yīng)用類型劃分， 其中搬運上下料用途機(jī)器人在總體機(jī)器人領(lǐng)域總計占市場份額最高，共達(dá)到 61%，這反映出倉儲機(jī)器人領(lǐng)域快速發(fā)展的趨勢。
亞馬遜收購 Kiva 機(jī)器人公司引起了大多數(shù)人們對倉儲機(jī)器人領(lǐng)域的關(guān)注，那么最近幾年中國的電商和快遞業(yè)共同的爆發(fā)式增長則促進(jìn)了關(guān)于倉儲機(jī)器人技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。目前，機(jī)器人已經(jīng)能夠完成拆垛、碼垛、搬運工作，更能完成揀選、分揀
9
等其他更復(fù)雜的物流工作環(huán)節(jié)。除了阿里巴巴、京東、蘇寧易購等電商巨頭還有申通、中通、圓通等快遞公司加快布局倉儲機(jī)器人之外，快倉、極智嘉等其他專門研發(fā)生產(chǎn)專用倉儲機(jī)器人的企業(yè)也紛紛涌現(xiàn)，并且受到市場的追捧。
可以確定的是，應(yīng)用倉儲機(jī)器人，能夠有效提高作業(yè)效率、優(yōu)化資源、降低勞動強(qiáng)度、減少成本等方面起到了了重要作用。就長遠(yuǎn)來看，伴隨著國家人口紅利的消失， 勞動力成本高的問題逐漸凸顯，如果用機(jī)器人代替人工、提高倉儲的自動化水平是大勢所趨；另外，在“智能制造”、“工業(yè) 4.0”等理念的驅(qū)使下，未來智能物流行業(yè)將迎來前所未有的發(fā)展契機(jī)，同時倉儲環(huán)節(jié)所使用的機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用也會隨之增長。
總之，在我國的倉儲領(lǐng)域，使用“機(jī)器換人”的理想正在轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實，不過值得進(jìn)一步研究的是，假若市場情況達(dá)不到預(yù)期的火熱。接下來該如何借助機(jī)器人來推動整個倉儲系統(tǒng)升級換代，如何在提高效率同降低成本間做好選擇，如何提高機(jī)器人技術(shù)水準(zhǔn)，如何根據(jù)需求推出更合適的倉儲機(jī)器人，或者哪些應(yīng)用模式能使得倉儲機(jī)器人市場加速發(fā)展，以上這些都是業(yè)界在未來亟需思考解決的問題。
倉儲機(jī)器人應(yīng)用在國外的成功案例與國內(nèi)不同,國外的物流業(yè)經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展,再加上國外先進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù),Kiva,Swisslog 等企業(yè)都已經(jīng)尋找到創(chuàng)新型的倉儲機(jī)器人系統(tǒng)來解決倉儲問題。下面就國際上先進(jìn)的倉儲機(jī)器人系統(tǒng)之一,Kiva 機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行分析,研究倉儲機(jī)器人給企業(yè)帶來的巨大效益。
Kiva 倉儲機(jī)器人系統(tǒng)與傳統(tǒng)的倉儲作業(yè)最大的不同就是它讓物品適應(yīng)場地,其倉儲機(jī)器人系統(tǒng)可以在任意時間將任意物品送達(dá)任意位置。Kiva 倉儲機(jī)器人系統(tǒng)的實現(xiàn)基于一個個獨立可以自主導(dǎo)航移動的貨架搬運機(jī)器人。這些最高可以舉起 3000 磅重量的機(jī)器人將貨架舉起,然后將貨架搬運到系統(tǒng)指定地點。
1.3 主要設(shè)計內(nèi)容
倉儲機(jī)器人按照不同功能可將其分為三個系統(tǒng)。一、輪式移動系統(tǒng)。本產(chǎn)品適用于大型物流集散中心，因為場地的需要，設(shè)備需要在場地間移動以將不同地區(qū)的快遞送到各自所應(yīng)在的區(qū)域。所以設(shè)備應(yīng)具有移動裝置，同時該移動裝置作為我們整個設(shè)備的支撐裝置，故應(yīng)帶有支撐輪與動力輪，同時配備動力源。二、提升機(jī)構(gòu)。從實際工作環(huán)境出發(fā)，可知現(xiàn)在大多的物流倉庫采用立體化廠庫設(shè)計。這樣的優(yōu)點在于能夠極大的增加現(xiàn)有的作業(yè)空間，在同樣的成本下實現(xiàn)更大的價值。這樣就需要我們的設(shè)備具有一個豎直方向工作范圍的機(jī)構(gòu)，為達(dá)到這樣的要求，我們設(shè)計升降式工作平臺， 以保證工作范圍可達(dá)到 0-1000mm。三、機(jī)械手系統(tǒng)。設(shè)備主要用途在對快遞的分揀。所以最主要的一個功能就是抓取。根據(jù)題目要求，機(jī)械手可抓取的最大直徑為 200mm。故采用對稱式雙手爪設(shè)計。
本論文包括的主要內(nèi)容如下：
(1) 倉儲分揀機(jī)器人總體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計；
(2) 輪式移動機(jī)構(gòu)、剪叉式提升機(jī)構(gòu)、機(jī)械手機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計；
(3) 設(shè)計計算說明。
2. 輪式移動機(jī)構(gòu)設(shè)計
現(xiàn)國內(nèi)機(jī)器人水平已經(jīng)逐漸接近世界頂級級別。機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也隨著技術(shù)的發(fā)展越來越多，目前主流機(jī)器人應(yīng)用可分為以下幾類：1 工業(yè)用途機(jī)器人；2 家居用途機(jī)器人；3 人工智能機(jī)器人。我們題目所要設(shè)計的機(jī)器人屬于第一種工業(yè)機(jī)器人中搬運類機(jī)器人。為實現(xiàn)對工件的搬運功能，特設(shè)計輪式移動機(jī)構(gòu)。
輪式移動機(jī)構(gòu)3D 效果圖如下：
圖 2.1 輪式移動機(jī)構(gòu)
本機(jī)構(gòu)采用上下平臺分開設(shè)計，上平臺功能主要配合提升機(jī)構(gòu)。下平臺主要安裝電機(jī)輪系機(jī)構(gòu)等。采用萬向輪是為了適應(yīng)現(xiàn)場的工作環(huán)境，提高自身靈活性。
2.1 電機(jī)選擇
四輪全向輪運動關(guān)系方程，因為安裝了四組萬向輪，通過四組萬向輪和伺服電機(jī)的配合。每組萬向輪的不同運動速度與形式，可以讓設(shè)備完成直線，斜線，旋轉(zhuǎn)等各種動作。這在實際工作中有很重要的意義，面臨的工作區(qū)域不規(guī)整，多倉庫之間調(diào)配等問題都將得到解決。
運動關(guān)系見圖2.2 ：
根據(jù)圖2.2 推導(dǎo)運動學(xué)方程：
圖 2.2 運動分析
A + B = D
整理可得：
{V1 = Vx + V
y
y
{V2 = Vx -V
y
{V3 = Vx + V
y
{V4 = Vx -V
-VwD
+ VwD
+ VwD
-VwD
x
V = V1 + V2 + V3 + V4
y
V = V1 -V2 + V3 -V4
行走機(jī)構(gòu)阻力計算公式：
運動而產(chǎn)生的最大阻力：
Vw = V3 -V1 / 2D
F1 = mg ′ u
u 為阻力系數(shù)，取u = 0.02
F1 =（50 + 250）′10 ′ 0.02 = 60N
F = F1+ ma
（2.1）
（2.2）
a 為從 0 加速到0.5m / min 需要的的加速度
F = 60 + 80 ′ 0.5 = 100N
主動輪需要的最大轉(zhuǎn)矩：
M = F ′ R
（2.3）
R 為主動輪半徑
M = 100 ′ 27 = 2700N
四輪均布， M1 = M 2 = M 3 = M 4 = 675N
移動機(jī)構(gòu)主動電機(jī)功率:
Pd =
Fv
60000y
（2.4）
T : v ---速度（m / min）；
y ---總傳動效率。
y=0.99 ′ 0.95 ′ 0.99=0.93
T Pd=
Fv =
60000y
675 ′ 6
60000 ′0.93
= 0.08 KW
計算結(jié)果使我們知道，設(shè)備整體負(fù)載不大，所以要求電機(jī)的輸出功率達(dá)到 0.08kw 即可。
經(jīng)查表選用電機(jī)35BYGHM ，電動機(jī)中心高為： H=20mm,外伸軸段 D ′ E = 10mm ′ 28mm 。
額定功率kW : 0.09
質(zhì)量/kg : 0.5
轉(zhuǎn)速r / min : 910
因設(shè)備工作量較大，需要經(jīng)常性的啟動和停止，且選用的為小型直流伺服電機(jī)。所以不配備減速器使用，這樣可以提高系統(tǒng)的工作效率，同時避免使用減速器情況的系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。
2.2 鍵的選擇與校核
鍵將兩個相鄰得軸與齒輪，或者相鄰的連桿等部件聯(lián)成一體化可拆聯(lián)接，這是軸與齒輪或連桿之間常用的聯(lián)接方式。鍵是標(biāo)準(zhǔn)件，按照外部形狀的不同可以分為1、平鍵；2、半圓鍵 3、斜鍵。
為保證對與它配合工作的零部件不造成強(qiáng)度負(fù)擔(dān)，它的截面尺寸b ′ h 應(yīng)根據(jù)實際軸徑從國家標(biāo)準(zhǔn)表中查取，按擠壓強(qiáng)度條件，如果用于動聯(lián)接還需要考慮其耐磨性。當(dāng)單鍵強(qiáng)度不夠時，可用雙鍵設(shè)計。
選擇鍵6*8 GB1095-82
其參數(shù)為b = 6, h = 8, L = 12
p
查得é?s ù? = 135 : 165N / mm2
s = 2T
p dkl
= 8′ 515000
120 ′11′ 24
= 130.04N / mm2
因s < [s ]，故安全。
p p
2.3 零件強(qiáng)度校核
2.3.1 電機(jī)托板強(qiáng)度校核
根據(jù)圖2.2 分析，四個輪系裝配體安裝與平臺四個角。故其受力情況相同。
300
F=G/4=
=75N
4
材料
參數(shù)
名模默屈張彈泊質(zhì)抗
熱
稱型認(rèn)服力性松量剪
擴(kuò)
:
類失強(qiáng)強(qiáng)模比密模
張
型敗度度量
:
度量
系
則
:
1 0 6 0 合 金
:
線 性 彈 性 同 向 性
準(zhǔn)
:
最 大 v o n M i s e s 應(yīng) 力
:
2 . 7 5 7 4 2 e + 0 0 7 N / m
:
6 . 8 9 3 5 6 e + 0 0 7 N / m
:
6 . 9 e + 0 1 0 N / m ^ 2
0 . 3 3
:
2 7 0 0 k g / m ^ 3
:
2 . 7 e + 0 1 0 N / m
2
數(shù)
2 . 4 e - 0 0 5 / K e lv in
負(fù)載
名稱
作用位置
載荷細(xì)節(jié)
靜應(yīng)力
實體: 1面
類型: 應(yīng)用法向力值: 75 N
結(jié)果
最小應(yīng)力
最大應(yīng)力
7.667e-003N/m^2
2.516e+006N/m^2
最小位移量
最大位移量
0.000e + 000mm
6.037e - 004mm
對該零件進(jìn)行了SolidWorks 仿真受力分析。零件定義為真實加工所用材料，并按照真實的裝配關(guān)系定義零件，加載實際所受靜應(yīng)力。分析應(yīng)力對零件的形狀位移等參數(shù)的影響，由圖中結(jié)果顯示我們可知。位移，應(yīng)力等變量都在我們零件的材料和結(jié)構(gòu)的安全范圍內(nèi)。為保證安全，實際工作中可能會出現(xiàn)作用力超出范圍內(nèi)的情況。故對于分析采用了范圍性分析，結(jié)果零件在額定數(shù)值到超出額定數(shù)值 50%范圍內(nèi)安全。
2.3.2 支撐桿的強(qiáng)度校核計算
根據(jù)結(jié)構(gòu)分析本移動機(jī)構(gòu)共上下平臺采用四組共八根支撐桿連接，同樣采用四周均布的排列方式。目的在于載荷均布，避免應(yīng)力集中的情況。同樣的機(jī)構(gòu)部件受力情況一樣。這樣更有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。
F=G/8=300/8=37.5N
材料
參數(shù)
名稱: 1060合金
模型類型: 線性彈性同向性 默認(rèn)失敗準(zhǔn)則: 最大von Mises應(yīng)力
屈服強(qiáng)度: 2.75742e + 007 N / m ^ 2 張力強(qiáng)度: 6.89356e + 007 N / m ^ 2 彈性模量: 6.9e + 010 N / m ^ 2
泊松比: 0.33
質(zhì)量密度: 2700 kg / m ^ 3
抗剪模量: 2.7e + 010 N / m ^ 2
熱擴(kuò)張系數(shù): 2.4e - 005 / Kelvin
結(jié)果
最小應(yīng)力
最大應(yīng)力
2.291e + 005N / m ^ 2
6.229e + 005N / m ^ 2
19
對該零件進(jìn)行了SolidWorks 仿真受力分析。零件定義為真實加工所用材料，并按
照真實的裝配關(guān)系定義零件，加載實際所受靜應(yīng)力。分析應(yīng)力對零件的形狀位移等參數(shù)的影響，由圖中結(jié)果顯示我們可知。位移，應(yīng)力等變量都在我們零件的材料和結(jié)構(gòu)的安全范圍內(nèi)。為保證安全，實際工作中可能會出現(xiàn)作用力超出范圍內(nèi)的情況。故對于分析采用了范圍性分析，結(jié)果零件在額定數(shù)值到超出額定數(shù)值 50%范圍內(nèi)安全。
3 提升機(jī)構(gòu)設(shè)計
現(xiàn)代化物流倉儲中心通常會考慮更有效利用空間，所以在空間設(shè)計中大都會采用空間立體化倉庫設(shè)計，為滿足現(xiàn)場工作需求我們的設(shè)備應(yīng)具備新的功能——能夠?qū)崿F(xiàn)升降。
剪叉式液壓升降臺具有結(jié)構(gòu)簡單、承載量大、安裝空間小、自動化程度高且易于實現(xiàn)集中控制等特點，因此在現(xiàn)代物流、航空、自動化生產(chǎn)線等場合中得到廣泛應(yīng)用。剪叉機(jī)構(gòu)由兩根中間用樞軸連接，可在平面內(nèi)相互轉(zhuǎn)動的剪桿組成，每根剪桿又可以認(rèn)為由兩段一端鉸接和一端固接的梁單元連接而成。剪桿作為機(jī)構(gòu)折疊變化的對象， 鉸點約束剪桿的變化，折疊過程既剪桿圍繞鉸點旋轉(zhuǎn)，最后達(dá)到指定位置，從而完成一個折疊過程。
提升機(jī)構(gòu)3D 效果圖如下：
圖 3.1 提升機(jī)構(gòu)
3.1 驅(qū)動電機(jī)的選擇
參考公式：
P = TN
9550
（3.1）
其中 T 為扭矩,N 為輸出轉(zhuǎn)速
N = 30w
p
w= V
R
其中 V=0.1m/s
（3.2）
（3.3）
計算得：
w= 0.1
0.0225
? 4.4rad / s
30 ′ 4.4
N =
3.14
? 42rpm
電機(jī)取最大扭矩時，按照轉(zhuǎn)速為1400rpm 計算。所以：所需牽引力 F =（5 + 25）′ 9.8 = 294N
作用在齒輪上轉(zhuǎn)矩T = 294 ′ 0.065 = 19.11N / m
提升功率 P = 294 ′ 0.05 = 14.7W
電機(jī)輸出扭矩 T= 19.11 / 35 =0.54N/m
電機(jī)輸出功率 P= 0.54 ′1400 / 9550 =0.08KW
通過查表比較輸出功率與轉(zhuǎn)速選擇德馬克 D60M - R6430A5E 型電機(jī)。如下：
圖 3.2 德馬克電機(jī)
3.2 減速器的選擇
因為： i1 = 1400 =33
i2 42
故所需減速比為 33。同時為實現(xiàn)提升機(jī)構(gòu)的自鎖功能，選擇渦輪蝸桿減速器，根據(jù)載荷查表選用選擇選用 Rv30 型蝸輪蝸桿減速器。
如表 3.1
表 3.1 減速器參數(shù)
在提升重物的過程中，由于現(xiàn)場環(huán)境的不確定性，所以可能需要將工件提升到不同的工作高度，或者達(dá)到不同的高度抓取工件。這時候上方的機(jī)械手需要有一個懸停的動作。若系統(tǒng)不配備自鎖裝置，僅靠電機(jī)完成該功能，會對電機(jī)內(nèi)芯造成極大的負(fù)擔(dān)；磨損甚至損壞。這樣不符合我們的設(shè)計原則。所以給系統(tǒng)配備帶自鎖功能的減速器是較好的方案。它既可以完成機(jī)械手懸停的動作又不會給電機(jī)等系統(tǒng)帶來負(fù)擔(dān)。
表 3.2 減速器尺寸
傳動比 i=35。當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速i1 =1440rpm 時，輸出轉(zhuǎn)速i2 =47rpm ?？沙休d轉(zhuǎn)矩 20n/m?？沙休d電機(jī)功率 0.2kw。
3.3 軸的設(shè)計及強(qiáng)度校核
軸是機(jī)械設(shè)備最常用的零件之一，支承回轉(zhuǎn)運動是其主要作用，可進(jìn)行動能與力的傳遞。按軸線的不同種類可分為 1.直軸；2.曲軸；3.軟軸。軸在彎矩和轉(zhuǎn)矩作用下會變應(yīng)力，在軸的截面如果發(fā)生尺寸突變，那么在該截面就會會產(chǎn)生應(yīng)力集中， 分析可知疲勞斷裂是軸主要失效形式。疲勞強(qiáng)度校核是必不可少的步驟。對載荷發(fā)生突變，這種突變可能是載荷集中或者突然加的外力造成的。但是如果作用在軸的力是某種特性的力，這種力接近或者是靜應(yīng)力。在這樣的條件下會使得軸產(chǎn)生塑性形變。因為這樣的特點，我們在設(shè)計軸的機(jī)構(gòu)同時，還要考慮軸的強(qiáng)度不足導(dǎo)致的失效。所以應(yīng)對軸進(jìn)行校核，校核的位置應(yīng)選取載荷集中，或者可能發(fā)生應(yīng)力突變處。軸結(jié)構(gòu)設(shè)計；軸強(qiáng)度計算作為設(shè)計軸的重要工作內(nèi)容。
3.3.1 主動軸設(shè)計計算
設(shè)計軸的三維效果圖 3.3
圖 3.3 主動軸
計算軸的最小直徑： 公式如下：
d 3 （3.4）
A P
d 3 3
n
（3.5）
其中： d——計算剖面處軸的直徑（mm） T ——軸傳遞的額定轉(zhuǎn)矩（N gmm） T = 9550000P / n
P——軸傳遞的額定功率（kW）
N——軸的轉(zhuǎn)速（r/min）
[t]——軸的許用剪應(yīng)力(MPa)
A——按[t]定的系數(shù)
′
根據(jù)電機(jī)參數(shù)，?。?P=0.08，N=300，t=244，A=106 得到軸的最小直徑d=106 3 0.08 =6.8 mm
300
因為軸上有鍵槽，故考慮安全強(qiáng)度應(yīng)加大軸徑。在有一個鍵槽的時候，增大量為3%；兩個鍵槽時 7%；三個鍵槽時應(yīng)增大 10%。所以計算得：dmin = 6.8′ 10%+6.8=7.5mm
3.3.2 軸的強(qiáng)度校核
根據(jù)電機(jī)的輸出功率與轉(zhuǎn)速配合減速器的參數(shù)可知軸所傳遞的功率 P 和轉(zhuǎn)速 n， 求得傳給軸的力偶M =9549 P 。作用于齒輪上的力分解為圓周力 F 和徑向力 Fr
e n
可得：F= F cosaN
其中 F=294N 其中a=20 °
所以： F cosa= 294 ′ cos 20° = 276
Fr = F sina
其中 F=294N 其中a=20 °
Fr = F sina= 294′sin 20° = 100N
則作用于軸線上的 F 和力偶矩 Fd 。因為? M
2 x
= 0 。
可得： Fd =2 M （3.6）
2 e
即： 276d =2 ′ 954914.7 2 42
T d=48mm
根據(jù)軸的計算簡圖，計算出扭矩：T= M = Fd
e 4
M = Fd = 276 ′ 0.048 = 3.3 N / m
e 4 4
垂直面內(nèi)的彎矩M y
max = Fr ab ；
l
Fab
水平平面內(nèi)的彎矩Mz max = l 。
根據(jù)軸的機(jī)構(gòu)設(shè)計參數(shù)可知：
a = 0.039b = 0.114l = 0.153
即： M
max = Fr ab = 100 ′ 0.039 ′ 0.114 = 29.05
y l 0.153
M max = Fab = 276 ′ 0.039 ′ 0.114 = 77.38
z l 0.153
.
軸在 AE 段內(nèi)各個截面上的扭矩都相等，但在截面 E 上的 Mz和M y 為極值。所以本零件軸的危險截面為截面 E。
合成彎矩： M =
（3.7）
= 29.052 + 77.382 =82.65
其作用力的平面與矢量 M 所在平面相互垂直.
根據(jù)第三強(qiáng)度理論：sca =
（3.8）
其中：a ? 0.3
d 為軸的直徑
s= M
W
t= T
2W
所以整理可得：sca =
= ￡ [s-1 ]
W
其中：sca ——軸的計算應(yīng)力 M—— 軸所受彎矩
T ——軸所受扭矩
W ——軸抗彎截面系數(shù)
表 3.3 彎、扭界面系數(shù)公式
= -
pd3 bt (d-t )2
根據(jù)表 3.3 可知W （3.9）
32 2d
[s-1 ]——許用應(yīng)力
表 3.4 鋼件許用應(yīng)力
根據(jù)表 3.4 可知[s-1 ]=235
29
即：sca =
M 2 + (aT )2
2
=
pd3 - bt (d-t )
3.14 * 0.0253 - 0.005* 0.004 (0.045-0.004)
2 =210.53 ￡ 235
32 2d 32 20.045
圖 3.4 彎矩圖
。
圖 3.5 扭矩圖
（2）軸的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核：
圖 3.6 傳動軸校核參數(shù)
由計算結(jié)果可知，軸所受應(yīng)力值小于許用應(yīng)力。證明在負(fù)載方面，軸的強(qiáng)度達(dá)到我了我們的設(shè)計要求。表 3.5 中，對于軸的旋轉(zhuǎn)速度極限進(jìn)行了計算，實際的轉(zhuǎn)速小于軸的計算安全轉(zhuǎn)速，所以在旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度方面，本軸的設(shè)計也達(dá)到了參數(shù)要求。所以設(shè)計的軸強(qiáng)度校核通過。
3.4 剪叉升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計
3.4.1 機(jī)構(gòu)自鎖條件判別機(jī)構(gòu)整體簡化圖如下：
圖 3.7 機(jī)構(gòu)簡圖
我們設(shè)圖中主動桿與平臺夾角為α，機(jī)構(gòu)所承擔(dān)總壓力為 G。對主動桿進(jìn)行受力
分析：
圖 3.8 受力分析
由圖3.8 進(jìn)行受力分析可知：
F F
cosa = Fy ； sina = Fx
其中由表 3.3 可知T = 0.6，計算F = 323N
所以： cosa= 323 f 1
294
由此我們可知該機(jī)構(gòu)的自鎖條件為α￡ 0° ，故在實際工作中這種情況表示兩連桿重合，機(jī)構(gòu)達(dá)到最低高度。在這個時候無論電機(jī)輸出多大的動力都不能使得機(jī)構(gòu)的運動狀態(tài)發(fā)生改變，機(jī)構(gòu)自鎖。為避免這樣的情況發(fā)生，我們需要對機(jī)構(gòu)行程進(jìn)行限位， 同時另一個問題我們需要考慮的是機(jī)構(gòu)的中間軸與驅(qū)動電機(jī)限位。因為電機(jī)與軸的限位包含了兩連桿的角度限位，所以機(jī)構(gòu)的限位只需考慮剪叉機(jī)構(gòu)的中間軸與驅(qū)動電機(jī)間的干涉。
。
3.4.2 連桿的強(qiáng)度校核
從系統(tǒng)角度分析，當(dāng)系統(tǒng)處于最低位置時受力最大。此時： FAy = FBy
此時為連桿的危險位置，對連桿進(jìn)行受力分析以及強(qiáng)度校核。對于連桿： FAy = FBy =75N
=G/4。故：
質(zhì)量:1.96325 kg
體積: 0.000727129 m ^ 3
密度: 2700 kg / m ^ 3
重量:19.2398 N
材料
參數(shù)
名稱: 鋁合金板LF 5 模型類型: 線性彈性同向性默認(rèn)失敗準(zhǔn)則: 未知
彈性模量: 7.2e + 010 N / m ^ 2
泊松比: 0.33
質(zhì)量密度: 2700 kg / m ^ 3
抗剪模量: 2.7e + 010 N / m ^ 2
熱擴(kuò)張系數(shù): 2.5e - 005 / Kelvin
負(fù)載
載荷名稱
作用
載荷細(xì)節(jié)
靜應(yīng)力
實體: 1面
類型: 應(yīng)用法向力值: 75 N
結(jié)果
最小載荷
最大載荷
2.902e + 001N / m ^ 2
1.435e + 005N / m ^ 2
最小應(yīng)變量
最大應(yīng)變量
3.189e - 009
1.459e - 006
對該零件進(jìn)行了SolidWorks 仿真受力分析。零件定義為真實加工所用材料，并按照真實的裝配關(guān)系定義零件，加載實際所受靜應(yīng)力。分析應(yīng)力對零件的形狀位移等參數(shù)的影響，由圖中結(jié)果顯示我們可知。位移，應(yīng)力等變量都在我們零件的材料和結(jié)構(gòu)的安全范圍內(nèi)。為保證安全，實際工作中可能會出現(xiàn)作用力超出范圍內(nèi)的情況。故對于分析采用了范圍性分析，結(jié)果零件在額定數(shù)值到超出額定數(shù)值 50%范圍內(nèi)安全。
3.5 軸承壽命校核
軸承是機(jī)械設(shè)備中常用的零件之一，標(biāo)準(zhǔn)件。它的工作形式幾乎都與軸承配合使用。在不同的工作環(huán)境下，軸與軸承需要形成不同的配合方式以完成不同功能。最常見的配合方式為過渡配合，當(dāng)然還有間隙和過盈配合。本機(jī)構(gòu)中的配合方式選用的是過渡配合。軸承最常見的失效形式為發(fā)生了塑性變形，發(fā)生變形的位置通常在軸承內(nèi)的滾動體與外圈接觸位置。 通過前面電機(jī)選擇計算與軸的校核計算，
1.78r / min ￡ 5r / min ,滾動體（軸）和軸承接觸處為軸承受力最大點。
P = mg = 300N
滾子軸承，靜軸向系數(shù)Y0 = 0.30
P0 = Y 0A = 0.30′ 300 = 90N
靜載荷選擇軸承時，載荷安全系數(shù)
S = C0 = 300 = 2.31 > 1.6
P0 130
其中 S0 = 1.6 為靜載荷安全系數(shù)，故安全。
3.6 鍵的選擇與校核
鍵將兩個相鄰得軸與齒輪，或者相鄰的連桿等部件聯(lián)成一體化可拆聯(lián)接，這是軸與齒輪或連桿之間常用的聯(lián)接方式。鍵是標(biāo)準(zhǔn)件，按照外部形狀的不同可以分為1、平鍵；2、半圓鍵 3、斜鍵。
為保證對與它配合工作的零部件不造成強(qiáng)度負(fù)擔(dān)，它的截面尺寸b ′ h 應(yīng)根據(jù)實際軸徑從國家標(biāo)準(zhǔn)表中查取，按擠壓強(qiáng)度條件，如果用于動聯(lián)接還需要考慮其耐磨性。當(dāng)單鍵強(qiáng)度不夠時，可用雙鍵設(shè)計。
選擇鍵5′5
GB1095-79
其參數(shù)為b = 5, h = 5, L = 12
p
查得[s ]= 125～150N / mm2
s = 2T
p dkl
= 4 ′ 515000 = 65.02N / mm2
60 ′11′ 48
因s < [s ]，故安全。
p p
4 機(jī)械手設(shè)計
4.1 鎖緊原理
機(jī)械手由驅(qū)動電機(jī)；傳動件；手指執(zhí)行件等部件組成。鎖緊動作由一系列機(jī)構(gòu)共同配合完成。機(jī)械手采用伺服電機(jī)作為動力源，帶動齒輪轉(zhuǎn)動將動力輸出至機(jī)械手傳動件，一根連桿為軸另一根給手指一個拉力。讓其繞軸旋轉(zhuǎn)，兩邊同時進(jìn)行，逐漸兩只手靠近，完成鎖緊動作。抓取工件時，靠近工件的動作跟隨移動平臺完成。然后與工件接觸夾緊?？拷佑|面的摩擦力將工件夾起，完成機(jī)械手的抓取工作。
設(shè)計機(jī)械手三維結(jié)構(gòu)如下：
圖 4.1 機(jī)械手
4.2 機(jī)械手驅(qū)動電機(jī)計算
驅(qū)動電機(jī)的選擇
由圖4.1受力分析可知：
G=N
F = F = N
1 2 2
F = F = 50 = 25
有： 1 2 2 N
根據(jù)扭矩平衡：
F1 ′ 205= Tl ′ 32
T Tl
= 25′ 205 =160.1N
32
電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩TN =F′R=160.1 ′ 0.015=2.4N/m
V
w= （4.1）
R
其中 V=0.1m/s
w=
計算得：
0.2
0.205
? 0.96rad / s
30 ′ 0.96
N =
3.14
? 9.17rpm
電機(jī)軸驅(qū)動齒輪與機(jī)械手齒輪傳動比i = 10
2.4
電機(jī)輸出扭矩 T=
10 =0.24N/m
電機(jī)轉(zhuǎn)速 N = 9.17 ′10 = 91.7rpm
電機(jī)輸出功率 P= 0.24 ′ 91.7 =0.02KW
9550
故選用VRSP 型機(jī)械手專用電機(jī)。其參數(shù)參考下圖：
圖 4.2 電機(jī)結(jié)構(gòu)圖
機(jī)是為了機(jī)械手而專門設(shè)計的電機(jī)，它的優(yōu)點在于體型較小，但是能夠輸出足夠的動力。在保證了完成工作的同時又減少了自身的重量能耗等，對于整個系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)減小，同時也降低了成本，增加了經(jīng)濟(jì)效益。
4.3 機(jī)械手強(qiáng)度校核：
4.3.1 手架
該零件作為機(jī)械手的承載部件，它的強(qiáng)度是否合格直接影響機(jī)械手系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其中尾端部分與提升機(jī)構(gòu)上平臺固定裝配，在邊緣處由于壓力會產(chǎn)生一個剪切力。先對該零件的臨界危險情況進(jìn)行仿真校核分析。
質(zhì)量: 0.112788 kg
體積: 4.17733e - 005 m ^ 3重量:1.10532 N
密度: 2700 kg / m ^ 3
材料
模型參考
屬性
名稱: 1060合金
模型類型: 線性彈性同向性 默認(rèn)失敗準(zhǔn)則: 最大von Mises應(yīng)力
屈服強(qiáng)度: 2.75742e + 007 N / m ^ 2 張力強(qiáng)度: 6.89356e + 007 N / m ^ 2 彈性模量: 6.9e + 010 N / m ^ 2
泊松比: 0.33
質(zhì)量密度: 2700 kg / m ^ 3
抗剪模量: 2.7e + 010 N / m ^ 2
熱擴(kuò)張系數(shù): 2.4e - 005 / Kelvin
負(fù)載
載荷名稱
作用位置
載荷參數(shù)
靜應(yīng)力
實體: 1面
類型: 應(yīng)用法向力值: 50 N
結(jié)果
最小位移
最大位移
0.000e + 000mm
5.104e + 000mm
38
最小應(yīng)變量
最大應(yīng)變量
8.400e - 008
8.096e - 004
對該零件進(jìn)行了SolidWorks 仿真受力分析。零件定義為真實加工所用材料，并按照真實的裝配關(guān)系定義零件，加載實際所受靜應(yīng)力。分析應(yīng)力對零件的形狀位移等參數(shù)的影響，由圖中結(jié)果顯示我們可知。位移，應(yīng)力等變量都在我們零件的材料和結(jié)構(gòu)的安全范圍內(nèi)。為保證安全，實際工作中可能會出現(xiàn)作用力超出范圍內(nèi)的情況。故對于分析采用了范圍性分析，結(jié)果零件在額定數(shù)值到超出額定數(shù)值 50%范圍內(nèi)安全。
4.3.2 連桿
該連桿件是機(jī)械手的動力傳動部件，在機(jī)械手的夾緊過程中，該桿件傳遞來自
驅(qū)動電機(jī)的動力，對于機(jī)械手指作用一個拉力。同時自身也收到拉力的作用。它的強(qiáng)度安全可靠性關(guān)系到機(jī)械手關(guān)鍵夾緊動作是否能完成。先對其進(jìn)行仿真分析。
材料
屬性
名稱: 1060合金
模型類型: 線性彈性同向性 默認(rèn)失敗準(zhǔn)則: 最大von Mises應(yīng)力
屈服強(qiáng)度: 2.75742e + 007 N / m ^ 2 張力強(qiáng)度: 6.89356e + 007 N / m ^ 2 彈性模量: 6.9e + 010 N / m ^ 2
泊松比: 0.33
質(zhì)量密度: 2700 kg / m ^ 3
抗剪模量: 2.7e + 010 N / m ^ 2
熱擴(kuò)張系數(shù): 2.4e - 005 / Kelvin
負(fù)載
載荷名稱
加載位置
負(fù)載參數(shù)
靜應(yīng)力
實體: 1面
類型: 應(yīng)用法向力值: -30 N
結(jié)果
最小應(yīng)變
最大應(yīng)變
1.684e - 008
2.323e - 006
對該零件進(jìn)行了SolidWorks 仿真受力分析。零件定義為真實加工所用材料，并按照真實的裝配關(guān)系定義零件，加載實際所受靜應(yīng)力。分析應(yīng)力對零件的形狀位移等參數(shù)的影響，由圖中結(jié)果顯示我們可知。位移，應(yīng)力等變量都在我們零件的材料和結(jié)構(gòu)的安全范圍內(nèi)。為保證安全，實際工作中可能會出現(xiàn)作用力超出范圍內(nèi)的情況。故對于分析采用了范圍性分析，結(jié)果零件在額定數(shù)值到超出額定數(shù)值 50%范圍內(nèi)安全。
5 環(huán)保與經(jīng)濟(jì)性研究
5.1 環(huán)保性分析
現(xiàn)如今社會， 人們對于環(huán)保問題越來越看重，能源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展已是戰(zhàn)略性問題，所以在產(chǎn)品的設(shè)計過程中環(huán)保問題越來越重要。并且不僅是在日常生活中要注意環(huán)保問題，在生產(chǎn)加工過程中也要加強(qiáng)環(huán)保意識，無論是機(jī)械的生產(chǎn)還是工件的加工流程中對于環(huán)境的保護(hù)是我們必須要做的，并且現(xiàn)如今的設(shè)備在出廠時通常會配備專用的環(huán)保系統(tǒng)。當(dāng)代的產(chǎn)品設(shè)計都會將環(huán)保性元素考慮在內(nèi)，并且會把降低對環(huán)境的損害作為工作的重點。
本次設(shè)計采用麥克納姆輪輪減少聲音方面污染，其他方面采用經(jīng)濟(jì)型伺服電機(jī)作為動力源，進(jìn)而可使用環(huán)保的電能源，最大程度避免對人體的危害。
5.2 經(jīng)濟(jì)性分析
在競爭愈來愈激烈的當(dāng)今市場中，人們始終不變的追求項目：1.工作效率 2.經(jīng)濟(jì)效益，所以在設(shè)計產(chǎn)品時要考慮到能源與耗材的節(jié)約。在滿足同等技術(shù)要求情況下， 應(yīng)始終想著經(jīng)濟(jì)性，爭取用最更少的能源和材料來達(dá)到預(yù)期的效果，以實現(xiàn)最優(yōu)化、最經(jīng)濟(jì)的目的。
在部件的設(shè)計和選擇方面。第一步做了分析計算中，通過比較以選擇電機(jī)等零件， 在能滿足技術(shù)參數(shù)要求的同時選擇價格更低的部件，有效的節(jié)約了成本。
對于工作效率與經(jīng)濟(jì)效益。本設(shè)計產(chǎn)品改變了以往的工作方式，由機(jī)器代替人工， 效率更高、準(zhǔn)確性更好。另一方面，設(shè)備采用電能源。電能源作為目前所采用的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性綜合性能最高的能源，是經(jīng)濟(jì)效應(yīng)與環(huán)保概念共同考慮下最優(yōu)的選擇方案。既滿足了我們的設(shè)計要求，同時避免了不必要的成本又達(dá)到了我們預(yù)期的工作效果。綜合分析，方案可行。
6 結(jié)論
通過這段時間的畢業(yè)設(shè)計 ，收貨頗豐。不管是從知識方面還是實踐方面都得到了提高。總結(jié)本次的設(shè)計學(xué)習(xí)收獲：
（1） 設(shè)計移動機(jī)構(gòu)，對于加工工藝更加了解，能夠獨立分析工藝流程和要求。
（2） 通過設(shè)計提升剪叉機(jī)構(gòu)，能根據(jù)《機(jī)械設(shè)計》；《機(jī)械原理》，力學(xué)等課程進(jìn)行理論計算，提高理論分析與實踐結(jié)合能力。
（3） 學(xué)習(xí)之后，提高了自我查表，制圖，編寫的能力。
（4） 復(fù)習(xí)了計算機(jī)知識， word 應(yīng)用更加熟練。
（5） 進(jìn)行三維建模，熟悉掌握SolidWorks 各項功能，提升自身素養(yǎng)。
本次畢業(yè)設(shè)計整體做完之后，對于我的大學(xué)四年課程做了一個很好的總結(jié)，讓我看清了自己的優(yōu)勢與不足，為以后更好的發(fā)展提供了重要的參考與動力。
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致謝
在已度過的大四的時間里我們大多數(shù)接觸的是專業(yè)基礎(chǔ)課。我們在課堂上掌握的僅僅是專業(yè)基礎(chǔ)課的理論面，如何去鍛煉我們的實踐面？如何把我們所學(xué)到的專業(yè)基礎(chǔ)理論知識用到實踐中去呢？而本次畢業(yè)設(shè)計就為我們提供了良好的實踐平臺。在做本次設(shè)計的過程中，我感觸最深的當(dāng)數(shù)查閱大量的設(shè)計手冊了。為了讓自己的設(shè)計更加完善，更加符合工程標(biāo)準(zhǔn)，一次次翻閱機(jī)械設(shè)計手冊是十分必要的，同時也是必不可少的。
所以通過這次的設(shè)計學(xué)習(xí)，自己不僅鞏固了所學(xué)的知識，而且在設(shè)計過程中，學(xué)會了如何快速正確地畫圖、查手冊等等，為以后的學(xué)習(xí)工作提供了很好的經(jīng)驗。。
最后，要感謝我的指導(dǎo)老師張立老師，謝謝老師一次次認(rèn)真細(xì)心的講解，幫我改正錯誤解決問題。讓我學(xué)到了更多的知識，加強(qiáng)了自身的綜合素質(zhì)。