畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）設(shè)計(jì)（論文）題目： 吸盤搬運(yùn)機(jī)械手 學(xué) 院 名 稱： 專 業(yè)： 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào) 指 導(dǎo) 教 師： 職 稱 定稿日期： 年 月 日II摘 要隨著中國加入世貿(mào)組織，國內(nèi)的物流行業(yè)面臨著一個(gè)非常嚴(yán)峻的問題，就是如何引進(jìn)國外的先進(jìn)技術(shù)，提高生產(chǎn)率。其中就有物流機(jī)器人技術(shù)的引進(jìn)和開發(fā)。在物流操作中產(chǎn)生的煙霧、有毒氣體和灰塵等對(duì)人體的健康有影響，另一個(gè)原因是有些物流部位人很難進(jìn)行操作或者根本不能操作?；谏鲜鲈颍瑖鴥?nèi)的廠家迫切需要用物流器機(jī)器人代替人進(jìn)行物流作業(yè)。本次設(shè)計(jì)的物流機(jī)器人就是為了解決這些問題。通過對(duì)直角坐標(biāo)型物流機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，讓我們熟悉機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，以及掌握利用 AutoCAD 和 solidworks 來繪制二維圖形或創(chuàng)建三維實(shí)體的能力。畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是我們大學(xué)四年學(xué)習(xí)過程中綜合性最強(qiáng)的實(shí)踐學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，對(duì)培養(yǎng)我們的思想、工作作風(fēng)及實(shí)際能力、提高我們?nèi)嫠刭|(zhì)具有很重要的意義。同時(shí)，對(duì)大學(xué)所學(xué)專業(yè)知識(shí)的全面總結(jié)和綜合應(yīng)用，又為今后走向社會(huì)的實(shí)際操作應(yīng)用鑄就了一個(gè)良好的開端。本課題研究的主要內(nèi)容：1. 包括整體傳動(dòng)系統(tǒng)的方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；2. 電機(jī)的選擇和負(fù)載的計(jì)算、回轉(zhuǎn)力矩計(jì)算及其他相關(guān)計(jì)算；3. 零件設(shè)計(jì)與校核；4. 零件圖的繪制與三維模型建立、繪制裝配圖及運(yùn)動(dòng)仿真。關(guān)鍵詞：直角坐標(biāo)型；物流機(jī)器人；機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)IIIAbstractFollowing China joining in the WTO, spray-paint of industry in our country faces a machine for very rigorous problem whatever introduce into advanced technology to increase productivity, spray-paint robot technology’s introduce into and open out. Smog toxicant and dust affect God’s image health in the course of the spray-paint, to all do harm to the human body to is some to spray-paint the part person very difficult proceeding operation or the root can’t operate, base on upper reason that internal factory is a impendence thing that require to use spray-paint robot for replacing man to joining work. The design of the spry-paint robot aim to resolve these problem.Through the mechanical system design of spray painting robot of rectangular coordinate type, hope that students are familiar with the design process of mechatronic systems, and master the use of AutoCAD or solidworks to draw two-dimensional graphics or the ability to create three-dimensional solid. Graduation Project is the most comprehensive teaching program in the practice of teaching, it has very important significance to the students thought, work style and the actual capacity, improving the quality of students. At the same time, it is a comprehensive summary of what they have learned and integrated applications, it opens up a good start to practical of society in the future. The main content of this research: 1.The entire drive system solutions and structure design and; 2. The choice of the motor and load calculation; 3. Design and check parts; 4. Drawing Parts Drawing and 3D-Modeling and Simulation.Keywords：rectangular type； spray-paint robot；mechanical system design IV目 錄引 言 - 1 -第 1 章 緒論 - 3 -1.1 搬運(yùn)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 .- 3 -1.2 搬運(yùn)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) - 4 -1.2.1 國外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì) .- 4 -1.2.2 我國搬運(yùn)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) .- 4 -1.3 本文的主要研究內(nèi)容 - 5 -第 2 章 方案分析設(shè)計(jì) - 6 -2.1 題目分析 - 6 -2.1.1 五種基本坐標(biāo)式機(jī)器人 .- 7 -2.1.2 兩種冗余自由度機(jī)構(gòu)機(jī)器人 .- 7 -2.1.3 模塊化機(jī)構(gòu)機(jī)器人 .- 8 -2.2 主傳動(dòng)方案的選擇 .- 8 -第 3 章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 11 -3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 - 11 -3.1.1 X 方向電動(dòng)機(jī)的選擇 - 11 -3.1.2 Y 方向電動(dòng)機(jī)的選擇 - 11 -3.1.3 Z 方向電動(dòng)機(jī)的選擇 - 12 -3.2 減速器的選擇 - 12 -3.3 滾珠絲杠的設(shè)計(jì) - 13 -3.3.1 x 軸滾珠絲杠的設(shè)計(jì) .- 13 -3.3.2 y 軸滾珠絲杠的設(shè)計(jì) .- 14 -3.4 滾珠絲杠副兩端固定形式的設(shè)計(jì) .- 17 -3.5 各軸軸承的選擇 - 18 -3.6 校核計(jì)算 - 21 -3.6.1 x 軸滾珠絲杠的校核 .- 21 -3.6.2 y 軸滾珠絲杠的校核 .- 21 -3.6.3 z 軸滾珠絲杠的校核 .- 21 -第 4 章 三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 23 -4.1 SOLIDWORKS 簡介 .- 23 -4.2 三維實(shí)體模型的建造 - 24 -4.3 裝配仿真 .- 25 -4.4 關(guān)于對(duì) SOLIDWORKS 的介紹 - 25 -第 5 章 利用 SOLIDWORKS 進(jìn)行裝配仿真 - 28 -結(jié)論與展望 - 34 -致 謝 - 35 -參考文獻(xiàn) - 36 -- 1 -引 言“robot” 一詞源出自捷克語“robota” ，意謂“強(qiáng)迫勞動(dòng)”。1920 年捷克斯洛伐克作家薩佩克寫了一個(gè)名為《洛桑萬能機(jī)器人公司》的劇本,他把在洛桑萬能機(jī)器人公司生產(chǎn)勞動(dòng)的那些家伙取名“Robot”,漢語音譯為“ 羅伯特”，捷克語意為“奴隸” ——薩佩克把機(jī)器人的地位確定為只管埋頭干活、任由人類壓榨的奴隸，它們存在的價(jià)值只是服務(wù)于人類。它們沒有思維能力,不能思考,只是類似人的機(jī)器,很能干, 以便使人擺脫勞作。它們能生存 20 年,剛生產(chǎn)出來時(shí)由人教它們知識(shí)。他們不能思考，也沒有感情，一個(gè)人能干三個(gè)人的活，公司為此生意興隆。后來一個(gè)極其偶然的原因,機(jī)器人開始有了知覺,它們不堪忍受人類的統(tǒng)治,做人類的奴隸,于是,機(jī)器人向人類發(fā)動(dòng)攻擊,最后徹底毀滅了人類?！皺C(jī)器人 ”的名字也正式由此而生。機(jī)器人學(xué)是最近幾十年間發(fā)展起來的一門新學(xué)科，它是人們?cè)O(shè)計(jì)和應(yīng)用機(jī)器人的技術(shù)和知識(shí)。機(jī)器人學(xué)包括的內(nèi)容極其廣泛，綜合了諸如力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、控制論、計(jì)算機(jī)、人工智能、生物學(xué)、系統(tǒng)工程等方面的知識(shí)。機(jī)器人自二十世紀(jì)五十年代誕生以來,在短短的五十多年時(shí)間里得到了迅猛的發(fā)展。它經(jīng)歷了第一代搬運(yùn)機(jī)器人的研究、實(shí)用化與普及，第二代感知功能機(jī)器人的研究與實(shí)用化，以及第三代智能機(jī)器人的研究等各個(gè)階段。搬運(yùn)是制造業(yè)中一項(xiàng)非常重要的工序，它能有效地防止工件受外界環(huán)境侵蝕，提高工件壽命，而且能美化工件外觀。目前在國內(nèi)，搬運(yùn)工序主要還是靠人工完成，搬運(yùn)的質(zhì)量受工人的技術(shù)熟練程度、心情等因素的影響很大。同時(shí)，搬運(yùn)過程中揮發(fā)出來的有毒氣體對(duì)工人的身體健康影響很大。實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)過程自動(dòng)化，具有巨大的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。搬運(yùn)機(jī)器人就是一種典型的搬運(yùn)自動(dòng)化裝備。使用機(jī)器人進(jìn)行搬運(yùn)作業(yè)，工件涂層均勻，重復(fù)精度好，工作效率高，能使工人從惡劣的工作環(huán)境中解放出來。國際上機(jī)器人在搬運(yùn)領(lǐng)域的應(yīng)用已有 20 多年的歷史。較早利用該技術(shù)的有美國的minhit 公司、fudge 公司、德國 hatel 公司等。20 世紀(jì) 80 年代起，德國的 hatel 公司在h16 機(jī)器人上首次采用控制的間或流量控制系統(tǒng)裝有抽吸裝置的內(nèi)置閥，可避免初始污染。美國 McAuto 公司研制成功 4 套用于機(jī)器人軟件模塊：PLACE、 UILD、 COMMAND 、ADJUST，尤其是 PLACE 模塊，用戶可在其提供的交互式圖形界面上設(shè)定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑，并可在其圖形終端上仿真機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程，這是較早把離線編程技術(shù)用于機(jī)器人的文獻(xiàn)記載。1998 年，法國學(xué)者 MontilletD 在搬運(yùn)機(jī)器人應(yīng)用方面做了一些工作，他采用離線編程方法，對(duì)噴槍進(jìn)行路徑規(guī)劃，同時(shí)可對(duì)噴槍的姿態(tài)、噴槍與基體之間的距離、噴槍角度等參數(shù)進(jìn)行控制，滿足連續(xù)搬運(yùn)時(shí)噴槍運(yùn)動(dòng)的條件。隨著搬運(yùn)機(jī)器人技術(shù)的不斷創(chuàng)新，搬運(yùn)精度空前提高，在世界發(fā)達(dá)國家搬運(yùn)機(jī)器人得到了廣泛的應(yīng)用。90 年代起，機(jī)器人技術(shù)在我國也不斷得到應(yīng)用和發(fā)展。我國航天部 703 所，625 所均有熱搬運(yùn)機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)室工作，主要用來搬運(yùn)一些重要及特殊要求的零件，比如在低真空條件下進(jìn)行搬運(yùn)等。早期機(jī)器人任務(wù)程序主要是以在線示教方法編制的，他有很多缺點(diǎn)，因此人們研究出離線編程的方法。離線編程的優(yōu)點(diǎn)在于其有極大的靈活性、良好的安全性和較低的成本。隨著社會(huì)的發(fā)展需要，機(jī)器人已經(jīng)滲透了我們的生活、工作和經(jīng)濟(jì)方面，并且起到了很大的作用。機(jī)器人的研究和發(fā)展對(duì)我們的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有很多的影響。近年來我國機(jī)器人技術(shù)的研究發(fā)展較快，相繼研制出各種各類搬運(yùn)機(jī)器人。從我國研制機(jī)器人的產(chǎn)品來看，大多數(shù)是仿制國外同類產(chǎn)品，尚未形成一個(gè)完整的機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)方法。- 2 -本次設(shè)計(jì)的直角坐標(biāo)型物流機(jī)器人，適用于家居或辦公用柜的表面物流，為了減少成本及設(shè)計(jì)的簡化，三個(gè)軸的傳動(dòng)都采用滾珠絲杠來完成，并用我國漢江機(jī)床廠研制的 C1 型滾珠絲杠。- 3 -第 1 章 緒論1.1 搬運(yùn)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀目前，機(jī)器人技術(shù)作為高技術(shù)的一個(gè)重要分支受到了各國政府的高度重視。其中，最為突出的是日本和美國這兩個(gè)國家。1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)器人，它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教的。1962 年，美國聯(lián)合控制公司在上述的基礎(chǔ)上有試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)器人，取名為 UNIMATE。同年，美國機(jī)械鑄造公司也試驗(yàn)成功一種叫 Versatran 的機(jī)器人。雖然這兩種機(jī)器人出生在六十年代初，但都是國外搬運(yùn)機(jī)器人發(fā)展的基礎(chǔ)。日本是搬運(yùn)機(jī)器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自 1969 年從美國引進(jìn)兩種典型機(jī)器人后，大力從事機(jī)器人的研究。據(jù)報(bào)道，1979 年從事機(jī)器人的研究工作的大專院校、研究單位達(dá) 50 多個(gè)。1976 年各大學(xué)和國家研究部門用在機(jī)器人的研究經(jīng)費(fèi)約占總研究費(fèi)用的 42％ 。1979 年日本機(jī)器人的產(chǎn)值達(dá) 433 億日元，產(chǎn)量為 14535 臺(tái)。目前機(jī)器人占有量居世界第一。根據(jù)國際搬運(yùn)機(jī)器人聯(lián)合會(huì)(IFR)前幾年的統(tǒng)計(jì)，到 2000 年全世界搬運(yùn)機(jī)器人的總數(shù)將達(dá)到 82 萬臺(tái)，比 1996 年增加 24%。其中，日本擁有了 42 萬臺(tái)，占全世界機(jī)器人總數(shù)的 50%左右，繼續(xù)保持 “機(jī)器人王國”地位。我國機(jī)器人起步于20 世紀(jì)70 年代初期，經(jīng)過30 多年的發(fā)展，大致可分為3個(gè)階段:70 年代的萌芽期，80 年代的開發(fā)期，90 年代的實(shí)用化期。在高新技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，隨著改革開放方針的實(shí)施，我國機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展得到政府的重視和支持。在80 年代中期，國家組織了對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人需求的行業(yè)調(diào)研，結(jié)果表明，對(duì)第一代搬運(yùn)機(jī)器人的需求主要集中在汽車行業(yè)(占總需求的60%一70%)。在眾多專家的建議和規(guī)劃下，于“七五”期間，由機(jī)電部主持，中央各部委、中科院以及一些地方科研院所和大學(xué)參加，國家投入相當(dāng)資金，進(jìn)行了搬運(yùn)機(jī)器人基礎(chǔ)技術(shù)、基礎(chǔ)元器件、幾類搬運(yùn)機(jī)器人整機(jī)及應(yīng)用工程的開發(fā)研究。經(jīng)過五年攻關(guān)，完成了示教再現(xiàn)式搬運(yùn)機(jī)器人成套技術(shù)(包括機(jī)器人、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)單元、測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用和小批量生產(chǎn)的工藝技術(shù)等)的開發(fā)，研制出物流、弧焊、點(diǎn)焊和搬運(yùn)等作業(yè)機(jī)器人整機(jī)，幾類專用和通用控制系統(tǒng)及幾類關(guān)鍵元部件的主要性能指標(biāo)達(dá)到80年代初國外同類產(chǎn)品的水平，并且形成小批量生產(chǎn)能力。經(jīng)過80年代尤其是后5年的努力，我國的搬運(yùn)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展基本上可以立足于國內(nèi)。90年代中期，國家已選擇以焊接機(jī)器人的工程應(yīng)用為重點(diǎn)進(jìn)行開發(fā)研究，從而迅速掌握焊接機(jī)器人應(yīng)用工程成套開發(fā)技術(shù)、關(guān)鍵設(shè)備制造、工程配套、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行等技術(shù)。目前已有500臺(tái)左右的焊接機(jī)器人分布于各大中城市的汽車、摩托車、工程機(jī)械等制造業(yè)，其中55%左右為弧焊機(jī)器人，45%左右為點(diǎn)焊機(jī)器人，已建成的機(jī)器人焊接柔性生產(chǎn)線5條，機(jī)器人焊接工作站300個(gè)。90年代后半期是實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)機(jī)器人的商品化時(shí)期，為產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。機(jī)器人設(shè)計(jì)機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。我國機(jī)器人的研究在某一些方面已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)水平，但還存在著一些問題。一方面，在產(chǎn)業(yè)化上與國際上有著一定的差距;另一方面，我國機(jī)器人研究多是借鑒外國先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)行二次開發(fā)的多，自身技術(shù)創(chuàng)新較少。- 4 -1.2 搬運(yùn)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)搬運(yùn)機(jī)器人的發(fā)展正在處于發(fā)展的階段，從自動(dòng)機(jī)到搬運(yùn)機(jī)器人是一個(gè)飛躍，從一般搬運(yùn)機(jī)器人到積極探索和開發(fā)具有只能和功能強(qiáng)大的機(jī)器人將又是一個(gè)飛躍。目前，搬運(yùn)機(jī)器人的開發(fā)正處于一個(gè)蓬勃發(fā)展的階段，在先進(jìn)的搬運(yùn)發(fā)達(dá)國家里，搬運(yùn)機(jī)器人的開發(fā)與制造正在形成一個(gè)龐大的產(chǎn)業(yè)，不斷向新的領(lǐng)域進(jìn)軍?，F(xiàn)在世人對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人的認(rèn)識(shí)已經(jīng)從“機(jī)器奴隸”轉(zhuǎn)變?yōu)椤肮ぷ骰锇椤?。隨著機(jī)器人智能的不斷發(fā)展，搬運(yùn)界出現(xiàn)了非常先進(jìn)的搬運(yùn)機(jī)器人，表現(xiàn)出非凡的工作品質(zhì)，不但成為具有獨(dú)立個(gè)性的機(jī)敏的“操作員”和“工人”，而且“機(jī)器奴隸”在某些方面很快超過了人類助人，正在變成人類聰明的“工作伙伴”。1.2.1 國外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)1．搬運(yùn)機(jī)器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10．3萬美元降至97年的6．5萬美元。2．機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。3．搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。4．機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。5．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。6．當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納” 機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。7．機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床” 以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。1.2.2 我國搬運(yùn)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)我國的搬運(yùn)機(jī)器人從80年代“七五” 科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過 “七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出物流、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有130多臺(tái)套物流機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)物流生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的搬運(yùn)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有- 5 -一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)搬運(yùn)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)” ，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。我國的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863” 計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000米水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種；在機(jī)器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“ 十五” 后期立于世界先進(jìn)行列之中。1.3 本文的主要研究內(nèi)容1．直角坐標(biāo)型物流機(jī)器人，內(nèi)容包括整體傳動(dòng)系統(tǒng)的方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及電機(jī)的選擇和負(fù)載的計(jì)算及其他相關(guān)計(jì)算。2．主要零件設(shè)計(jì)與校核如：軸承、絲杠、螺母副、絲杠支架等。3．零件圖的繪制與三維模型建立、繪制裝配圖及運(yùn)動(dòng)仿真，通過利用 solidworks三維實(shí)體造型的方法對(duì)實(shí)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析，讓它更具有真實(shí)性，更容易理解它的結(jié)構(gòu)特。- 6 -第 2 章 方案分析設(shè)計(jì)2.1 題目分析搬運(yùn)機(jī)器人經(jīng)過幾十年的發(fā)展現(xiàn)在比較好的分類原則是根據(jù)構(gòu)成搬運(yùn)機(jī)器人的三大部分來分類，如下圖所示：直角坐標(biāo)式機(jī)器人 圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人 關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人 基本結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)式機(jī)器人 平面坐標(biāo)式機(jī)器人 柔軟臂式機(jī)器人 冗余自由度式機(jī)器人 控制部分 模塊式機(jī)器人 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)源 液壓電動(dòng)圖 2-1 四種坐標(biāo)形式的搬運(yùn)機(jī)器人（a）直角坐標(biāo)式機(jī)器人；（b）圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人；（c）關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人；（d）球坐標(biāo)式機(jī)器人視覺傳感器傳感部分 觸覺傳感器接近覺傳感器人工操縱機(jī)器人固定程序機(jī)器人控制部分 (信息輸入和示教方法) 可編程序機(jī)器人重演式示教機(jī)器人- 7 -計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)器人智能機(jī)器人2.1.1 五種基本坐標(biāo)式機(jī)器人機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分可看成是有一些連桿通過關(guān)節(jié)組裝起來的。通常有兩種關(guān)節(jié)，即轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和移動(dòng)關(guān)節(jié)。兩岸和關(guān)節(jié)按照不同坐標(biāo)形式組裝機(jī)器人可分為五種：直角坐標(biāo)形式、圓柱坐標(biāo)形式球坐標(biāo)形式、關(guān)節(jié)坐標(biāo)形式及平面關(guān)節(jié)坐標(biāo)形式。其坐標(biāo)軸是指機(jī)械臂的三個(gè)自由度軸，并未包括手腕上的自由度。圖 2-1 所示為其中的四種坐標(biāo)形式的機(jī)器人。（1）直角坐標(biāo)式機(jī)器人具有三個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，能使手臂末端沿直角坐標(biāo)系的X、Y、Z 三個(gè)坐標(biāo)軸做直線運(yùn)動(dòng)。（2）圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和兩個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，構(gòu)成圓柱形狀的工作范圍。（3）關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，其中兩個(gè)關(guān)節(jié)軸線是平行的，構(gòu)成較為復(fù)雜形狀的工作范圍。（4）球坐標(biāo)式機(jī)器人具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，構(gòu)成球缺形狀的工作范圍。（5）平面關(guān)節(jié)式機(jī)器人可以看成是關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人的特例，它只有平行的肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)軸線共面。圖 2-2 平面關(guān)節(jié)式機(jī)器人2.1.2 兩種冗余自由度機(jī)構(gòu)機(jī)器人整體控制的柔軟臂機(jī)器人，也叫象鼻子機(jī)器人。柔軟臂是用若干驅(qū)動(dòng)源整體控制- 8 -的，控制圖面圓盤的相對(duì)滾動(dòng)，手臂能產(chǎn)生向任何方向柔軟的彎曲。由于凸面圓盤相對(duì)滾動(dòng)的自由度很大，所以把這種柔軟臂機(jī)器人歸在冗余自由度結(jié)構(gòu)機(jī)器人中。哈爾濱搬運(yùn)大學(xué)機(jī)器人研究室設(shè)計(jì)了一種具有柔軟手腕的物流機(jī)器人，用于向任意空間曲面物流作業(yè)。每一關(guān)節(jié)獨(dú)立控制的冗余自由度機(jī)器人，其直角坐標(biāo)式機(jī)器人安放在一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的平臺(tái)上，增加了一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，成為冗余自由度機(jī)器人，這種機(jī)器人很適合用于機(jī)床上下料等場(chǎng)合。2.1.3 模塊化機(jī)構(gòu)機(jī)器人搬運(yùn)機(jī)器人模塊化的主要含義是機(jī)器人由一些可供選擇的標(biāo)準(zhǔn)化?；礈惤M裝而成的，標(biāo)準(zhǔn)模塊是具有標(biāo)準(zhǔn)化接口的機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、控制模塊、傳感器模塊，并已系列化。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題是直角坐標(biāo)型草莓收獲機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，要實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度即在 X、Y、Z 三坐標(biāo)軸上的移動(dòng)，如圖 2-3 所示。圖 2-3 直角坐標(biāo)型物流機(jī)器人自由度示意圖2.2 主傳動(dòng)方案的選擇通過對(duì)直角坐標(biāo)型物流機(jī)器人的分析，要求機(jī)器人主體機(jī)構(gòu)在 X、Y 、Z 三個(gè)坐標(biāo)軸上具有移動(dòng)副。末端執(zhí)行器它具有高的定位精度，一般為 。作業(yè)空間大，在進(jìn)行搬運(yùn)作業(yè)時(shí)，末端執(zhí)行器是一個(gè)噴槍，負(fù)載小。針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)，其傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)如下：能實(shí)現(xiàn)直線傳動(dòng)的機(jī)構(gòu)有齒輪齒條傳動(dòng)、液壓缸伸縮運(yùn)動(dòng)、滾珠絲杠的螺旋傳動(dòng)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)等。齒輪齒條機(jī)構(gòu)是齒輪機(jī)構(gòu)的一種，同樣是利用齒的嚙合原理將電機(jī)帶動(dòng)齒輪所做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為齒條的直線運(yùn)動(dòng)。這種機(jī)構(gòu)具有傳動(dòng)比穩(wěn)定、傳遞功率范圍大、傳動(dòng)效率高、工作可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。能夠廣泛的應(yīng)用在傳動(dòng)比要求- 9 -嚴(yán)格、高載荷的場(chǎng)合，如機(jī)床、汽車等等。但也存在制造和安裝精度要求高、成本較高的缺點(diǎn)。如圖 2-4 所示。圖 2-4 齒輪齒條傳動(dòng)液壓傳動(dòng)是用液體作為工作介質(zhì)來傳遞能量和進(jìn)行控制的傳動(dòng)方式，液壓缸是其執(zhí)行元件，通過液體介質(zhì)實(shí)現(xiàn)液壓缸的伸縮運(yùn)動(dòng)。如圖 2-5 所示。傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)為：①體積小、重量輕；②能在給定范圍內(nèi)平穩(wěn)的自動(dòng)調(diào)節(jié)牽引速度，并可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，且調(diào)速范圍大；③換向容易，在不改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的情況下，可以較方便地實(shí)現(xiàn)工作機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)和直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換；④由于采用油液為工作介質(zhì)，元件相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面間能自行潤滑，磨損小，使用壽命長；⑤操縱控制簡便，自動(dòng)化程度高；⑥液壓元件實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化、便于設(shè)計(jì)、制造和使用。滾珠絲桿是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想的產(chǎn)品。滾珠絲桿由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，這項(xiàng)發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動(dòng)動(dòng)作變成滑動(dòng)動(dòng)作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種搬運(yùn)設(shè)備和精密儀器。如圖 2-6 所示。其傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)： ①傳動(dòng)效率高(達(dá) 85%—98%)；②靈敏度高（無顫動(dòng)、無爬行，同步性好）；③定位精度高(可以實(shí)現(xiàn)無間隙傳動(dòng)，剛度強(qiáng)，溫升小) ；④使用壽命長（是普通滑動(dòng)絲杠的 4 倍以上，磨損小，精度保持期長）； ⑤使用、潤滑和維修方便、可靠；⑥可逆向傳動(dòng)，不自鎖。圖 2-5 液壓缸運(yùn)動(dòng)原理圖- 10 -圖 2-6 滾珠絲杠傳動(dòng) 用曲柄和滑塊來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的平面連桿機(jī)構(gòu)，也稱曲柄連桿機(jī)構(gòu)。如圖 2-7 所示。傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)為： ① ；面接觸低副，壓強(qiáng)小，便于潤滑，磨損輕，壽命長，傳遞動(dòng)力大②低副易于加工，可獲得較高精度，成本低；③桿可以較長，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的操縱控制；④可利用連桿實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)軌跡。但低副之間存在間隙、精度低，不容易實(shí)現(xiàn)精確復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。考慮到設(shè)計(jì)的簡易性，最終確定直角坐標(biāo)型物流機(jī)器人 x、y、z 軸上的三個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)均由滾珠絲杠副來完成；考慮到成本的低廉性，滾珠絲杠副均采用我國漢江機(jī)床廠研制的 C1 型滾珠絲杠。（a）內(nèi)部原理圖 (b) 實(shí)物圖圖 2-7 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)- 11 -第 3 章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇由于物流機(jī)器人的負(fù)載小，結(jié)構(gòu)尺寸也小，所需的電動(dòng)機(jī)的尺寸、質(zhì)量及功率也都不大，YS型電動(dòng)機(jī)按國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造，具有高效、節(jié)能、噪聲低、振動(dòng)小、壽命長、維護(hù)方便、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、優(yōu)良的啟動(dòng)和運(yùn)行性能等特點(diǎn)，采用B級(jí)絕緣，外殼防護(hù)等級(jí)為IP141 ，冷卻方式為ICO141 ，廣泛用于小功率機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備上,如機(jī)器人、機(jī)床等場(chǎng)合，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)是JB/T1009-2007。圖 3-1 YS 系列電機(jī)圖3.1.1 X 方向電動(dòng)機(jī)的選擇擬定 x 方向載荷加機(jī)身總重為 =15kg，平均移動(dòng)速度 ，傳動(dòng)效率為0.8，取安全系數(shù)為 1.2，工作機(jī)所需輸入功率:(1)工作機(jī)的功率 PW/105.2/10.3wPGVKW????(3)所需電動(dòng)機(jī)功率 Pd=45W (3-1).2/.3/.845()d?考慮到功率損失等因素，選擇電動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)略大于 ，所選電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為YS5022,具體參數(shù)見表 3-1。3.1.2 Y 方向電動(dòng)機(jī)的選擇擬定 y 方向載荷加機(jī)身總重為 ，平均移動(dòng)速度 ，傳動(dòng)率為0.8，取安全系數(shù)為 1.2，工作機(jī)所需輸入功率:(1)工作機(jī)的功率 PW- 12 -/1025./10.5wPGVKW????(3)所需電動(dòng)機(jī)功率 Pd=75W (3-2)././.87()d?考慮到功率損失等因素，選擇電動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)略大于 ，所選電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為YS5612，具體參數(shù)見表 3-1。3.1.3 Z 方向電動(dòng)機(jī)的選擇擬定 z 方向載荷加機(jī)身總重為 ，平均移動(dòng)速度 ，傳動(dòng)率為0.8，取安全系數(shù)為 1.2，工作機(jī)所需輸入功率:(1)工作機(jī)的功率 PW/105.2/10.wPGVK????(3)所需電動(dòng)機(jī)功率 Pd=150W (3-3).2/./.85()dw?考慮到功率損失等因素，選擇電動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)略大于 ，所選電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為YS6312，具體參數(shù)見表 3-1。表 3-1 YS 電機(jī)參數(shù)表電 機(jī)型 號(hào)功率（W）電流(A)頻率(Hz)電壓(V) (r/min)最大轉(zhuǎn)矩(N﹒m)毛重(Kg)YS5022 60 0.23 50 380 1400 2.4 2.5YS5612 90 0.2 50 380 1400 2.4 3.5YS6312 180 0.53 50 380 1400 2.4 73.2 減速器的選擇電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為 1400r/min，所以在電機(jī)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間有減速裝置。RV 減速機(jī)是蝸輪蝸桿減速機(jī)家族中比較常見的減速機(jī)之一，它由蝸桿和蝸輪組成,具有結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)比大，以及在一定條件下具有自鎖功能的傳動(dòng)機(jī)械，是最常用的減速機(jī)之一，而且振動(dòng)小，噪音低，能耗低。RV 蝸輪蝸桿減速機(jī)系按 Q／MDl-2000 技術(shù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造。產(chǎn)品在符合按國家標(biāo)準(zhǔn) GBl0085-88 圓柱蝸輪蝸桿參數(shù)基礎(chǔ)之上，吸取國內(nèi)外最先進(jìn)科技，獨(dú)具新穎一格的“方箱型”外形結(jié)構(gòu)，箱體外形美觀，以優(yōu)質(zhì)鋁合金壓鑄而成，具有以下優(yōu)勢(shì)性能：①機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊、體積外形輕巧、小型高效；②熱交換性能好，散熱快；③安裝簡易、靈活輕捷、性能優(yōu)越、易于維護(hù)檢修；④運(yùn)行平穩(wěn)、噪音小，經(jīng)久耐用；⑤適用性強(qiáng)、安全可靠性大。目前已廣泛應(yīng)用于各類行業(yè)生產(chǎn)工藝裝備的機(jī)械減速裝置，是目前現(xiàn)代搬運(yùn)裝備實(shí)現(xiàn)大扭矩、大速比、低噪音、高穩(wěn)定機(jī)械減速傳動(dòng)控制裝置的最佳選擇。- 13 -在我的這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中也可以為節(jié)約成本和簡化結(jié)構(gòu)的考慮采用 RV 減速機(jī)，因?yàn)樗膫鲃?dòng)比：i=57—161，能夠滿足電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速 1400r/min，通過 RV 減速機(jī)的減速直接應(yīng)用到齒輪和絲杠上?？梢赃x用型號(hào)為 RV-20E 型減速器，如圖 3-2 所示。 圖 3-2 RV-20E 型減速器 3.3 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)3.3.1 x 軸滾珠絲杠的設(shè)計(jì)已知平均工作載荷為 使用壽命為 15000h，絲杠的工作長度（螺母的有效行程）L=400mm，絲杠的最大轉(zhuǎn)速 ，最小轉(zhuǎn)速 ，絲杠的材料為 鋼，滾道硬度為 58-62HRC，傳動(dòng)精度 σ= 0.03mm。1） 計(jì)算載荷計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載 CC= 3LwfmF?106nT?n01Lvs按設(shè)計(jì)要求，查《機(jī)電一體化原理》表 2-4 得，取 D 級(jí)精度，表 2-6 得 ，由表 2-7 得 ，由表 2-8 得 ，所以(3-2)2)計(jì)算額定動(dòng)載荷的計(jì)算值 (3-3)3)根據(jù) 選擇滾珠絲杠副，由額定動(dòng)載荷 等于或稍大于 的原則，查《機(jī)電一體化》表 2-9，初選以下型號(hào)規(guī)格的滾珠絲杠：- 14 -FC1-2004-2.5 =4 FC1-2005-2.5 =5 考慮到導(dǎo)程與公稱直徑的優(yōu)先組合，選擇 FC1-2005-2.5，其參數(shù)如下：公稱直徑 mm 導(dǎo)程 =5mm滾珠絲杠副的其他計(jì)算，由《機(jī)電一體化原理》表 2-9 知滾珠直徑 =3.175 mm 螺旋角 λ= 33′滾道半徑 R=0.52 =1.651mm (3-4)螺母螺紋大徑 D= (3-7)(3-8)3.3.2 y 軸滾珠絲杠的設(shè)計(jì)已知平均工作載荷為 使用壽命為 15000h，絲杠的工作長度（螺母的有效行程）L=400mm，絲杠的最大轉(zhuǎn)速 ，最小轉(zhuǎn)速 ，絲杠的材料為 鋼，滾道硬度為 58-62HRC，傳動(dòng)精度 σ= 0.03mm。1)計(jì)算載荷計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載 CC= 3LwfmF?106nT?n01Lvs- 15 -按設(shè)計(jì)要求，查《機(jī)電一體化原理》表 2-4 得，取 D 級(jí)精度，表 2-6 得 ，由表 2-7 得 ，由表 2-8 得 ，所以2)計(jì)算額定動(dòng)載荷的計(jì)算值 3)根據(jù) 選擇滾珠絲杠副，由額定動(dòng)載荷 等于或稍大于 的原則，查《機(jī)電一體化》表 2-9，初選以下型號(hào)規(guī)格的滾珠絲杠：FC1-2505-2.5 =5 FC1-2506-2.5 =6 考慮到導(dǎo)程與公稱直徑的優(yōu)先組合，選擇 FC1-2505-2.5，其參數(shù)如下：公稱直徑 mm 導(dǎo)程 =5mm滾珠絲杠副的其他計(jì)算，由《機(jī)電一體化原理》表 2-9 知滾珠直徑 =3.175 mm 螺旋角 λ= 38′滾道半徑 R=0.52 =1.651mm 偏心距 e= 絲杠內(nèi)徑 = +2e-2R=21.788mm 螺母螺紋大徑 D= 螺母螺紋小徑 3.3.3 z 軸滾珠絲杠的設(shè)計(jì)- 16 -已知平均工作載荷為 使用壽命為 15000h，絲杠的工作長度（螺母的有效行程）L=500mm，絲杠的最大轉(zhuǎn)速 ，最小轉(zhuǎn)速 ，絲杠的材料為 鋼，滾道硬度為 58-62HRC，傳動(dòng)精度 σ= 0.03mm。1)計(jì)算載荷計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載 CC= 3LwfmF?106nT?n01Lvs按設(shè)計(jì)要求，查《機(jī)電一體化原理》表 2-4 得，取 D 級(jí)精度，表 2-6 得 ，由表 2-7 得 ，由表 2-8 得 ，所以2)計(jì)算額定動(dòng)載荷的計(jì)算值 3)根據(jù) 選擇滾珠絲杠副，由額定動(dòng)載荷 等于或稍大于 的原則，查《機(jī)電一體化》表 2-9，初選以下型號(hào)規(guī)格的滾珠絲杠：FC1-2505-3 =5 FC1-3205-2.5 =5 考慮到導(dǎo)程與公稱直徑的優(yōu)先組合，選擇 FC1-2505-3，其參數(shù)如下：公稱直徑 mm 導(dǎo)程 =5mm滾珠絲杠副的其他計(jì)算，由《機(jī)電一體化原理》表 2-9 知- 17 -滾珠直徑 =3.175 mm 螺旋角 λ= 38′滾道半徑 R=0.52 =1.651mm 偏心距 e= 絲杠內(nèi)徑 = +2e-2R=21.788mm 螺母螺紋大徑 D= 螺母螺紋小徑 3.4 滾珠絲杠副兩端固定形式的設(shè)計(jì)為了滿足高精度、高剛度進(jìn)給系統(tǒng)的要求，必須充分重視滾珠絲杠副支撐的設(shè)計(jì)。注意選用軸向剛度高、摩擦力矩小、運(yùn)轉(zhuǎn)精度高及像樣的支撐形式，參見表 3-2。表 3-2 滾珠絲杠副的安裝形式安裝方式 簡圖 特點(diǎn)一端固定一端自由1. 絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性都很低2. 結(jié)構(gòu)簡單3. 軸向剛度較低4. 適用于較短和豎直的絲杠- 18 -兩端鉸支1. 結(jié)構(gòu)簡單2. 軸向剛度低3. 適用于對(duì)剛度和位移精度要求不高的滾珠絲杠安裝4. 對(duì)絲杠的熱伸長叫敏感5. 適用于中等回轉(zhuǎn)速度一端固定一端鉸支1. 絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性都較高，適用于中等回轉(zhuǎn)速度2. 結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜3. 軸向剛度大4. 適用于對(duì)剛度和位移精度要求較高的滾珠絲杠安裝5. 推力球軸承應(yīng)安置在離熱源較遠(yuǎn)的一端兩端固定1. 絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性最高，適用于高速回轉(zhuǎn)2. 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，兩端軸承均需要調(diào)整預(yù)緊3. 軸向剛度最大4. 適用于對(duì)剛度和位移精度要求很高的滾珠絲杠安裝5. 適用于較長的絲杠安裝注：1.“固定”的含義系指支撐的徑向和軸向均有限制；“鉸支”的含義系指支撐僅有徑向的限制2.圖 a 采用大接觸角接觸軸承的安裝方式；圖 b 采用推力球軸承或和角接觸軸承組合的安裝方式，或采用滾針和推力滾子組合軸承。3.5 各軸軸承的選擇滾動(dòng)軸承是現(xiàn)代機(jī)器中泛應(yīng)用的部件之一，它是依靠主要元件間的滾動(dòng)接觸來支承轉(zhuǎn)動(dòng)零件的。與滑動(dòng)軸承相比，滾動(dòng)軸承具有摩擦阻力小、啟動(dòng)靈活、效率高、潤滑方便和互換性好等優(yōu)點(diǎn)。1） 深溝球軸承特點(diǎn)：最具代表性的滾動(dòng)軸承，用途廣泛，可承受徑向負(fù)荷與雙向軸向負(fù)荷，適用于高速旋轉(zhuǎn)及要求低噪聲、低振動(dòng)的場(chǎng)合。主要用途：汽車：后輪、變速器、電氣裝置部件電氣：通用電動(dòng)機(jī)、家用電器其他：儀表、內(nèi)燃機(jī)、建筑機(jī)械、鐵路車輛、裝卸搬運(yùn)機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、各種產(chǎn)業(yè)機(jī)械2）角接觸球軸承特點(diǎn)：套圈與球之間有接觸角，標(biāo)準(zhǔn)的接觸角為 15°、30° 和 40°。接觸角越大軸向- 19 -負(fù) 荷能力也越大，接觸角越小則越有利于高速旋轉(zhuǎn)。單列軸承可承受徑向負(fù)荷與單向軸向負(fù)荷;雙列軸承可承受徑向負(fù)荷與雙向軸向負(fù)荷。角接觸球軸承適用于高速及高精度旋轉(zhuǎn)。主要用途：單列：機(jī)床主軸、高頻馬達(dá)、燃汽輪機(jī)、離心分離機(jī)、小型汽車前輪、差速器小齒輪軸雙列：油泵、羅茨鼓風(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)、各類變速器、燃料噴射泵、印刷機(jī)械3）調(diào)心球軸承特點(diǎn)：由于外圈滾道面呈球面，具有調(diào)心性能，因此可自動(dòng)調(diào)整因軸或外殼的撓曲或不同心引起的軸心不正，主要承受徑向載荷和較小的軸向載荷。主要用途：適用于剛性小、對(duì)中性差的軸及多支點(diǎn)的軸4）圓柱滾子軸承特點(diǎn)：圓柱滾子與滾道呈線接觸，徑向負(fù)荷能力大，即適用于承受重負(fù)荷與沖擊負(fù)荷也適用于高速旋轉(zhuǎn) N 型及 NU 型可軸向移動(dòng)，能適應(yīng)因熱膨脹或安裝誤差引起的軸與外殼相對(duì)位置的變化，最適應(yīng)用作自由端軸承 NJ 型及 NF 型可承受一定程度的單向軸向負(fù)荷，NH 型及 NUP 型可承受一定程度的雙向軸向負(fù)荷內(nèi)圈或外圈可分離，便于裝拆 NNU 型及 NN 型抗徑向負(fù)荷的剛性強(qiáng)。主要用途：中型及大型電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、燃汽輪機(jī)、機(jī)床主軸、減速裝置裝卸搬運(yùn)機(jī)械、各類產(chǎn)業(yè)機(jī)械5）圓錐滾子軸承特點(diǎn)：該類軸承裝有圓臺(tái)形滾子，滾子由內(nèi)圈大擋邊引導(dǎo)，設(shè)計(jì)上使得內(nèi)圈滾道面、外圈滾道面以及滾子滾動(dòng)面的各圓錐面的頂點(diǎn)相交于軸承中心線上的一點(diǎn)。單列軸承可承受徑向負(fù)荷與單向軸向負(fù)荷，雙列軸承可承受徑向負(fù)荷與雙向軸向負(fù)荷 ，適用于承受重負(fù)荷與沖擊負(fù)荷。按接觸胸（α）的不同，分為小錐角、中錐角和大錐角三種型式，接觸角越大軸向負(fù)荷能力也越大。主要用途：汽車：前輪、后輪、變速器、差速器小齒輪軸。機(jī)床主軸、建筑機(jī)械、大型農(nóng)業(yè)機(jī)械、鐵路車輛齒輪減速裝置、軋鋼機(jī)輥頸及減速裝置6）調(diào)心滾子軸承特點(diǎn)：該類軸承在球面滾道外圈與雙滾道內(nèi)圈之間裝有球面滾子，按內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，分為 R、RH 、RHA 和 SR 四種型式。由于外圈滾道的圓弧中心與軸承中心一致，具有調(diào)心性能，因此可自動(dòng)調(diào)整因軸或外殼的撓曲或不同心引起的軸心不正，可承受徑向負(fù)荷與雙向軸向負(fù)荷，特別是徑向負(fù)荷能力大。主要用途：造紙機(jī)械、減速裝置、鐵路車輛車軸、軋鋼機(jī)齒輪箱座、軋鋼機(jī)輥道子、破碎機(jī)、振動(dòng)篩、印刷機(jī)械、木工機(jī)械、各類產(chǎn)業(yè)用減速機(jī)、立式帶座調(diào)心軸承7）推力球軸承特點(diǎn)：由帶滾道的墊圈形滾道圈與球和保持架組件構(gòu)成。與軸配合的滾道圈稱做軸圈，與外殼配合的滾道圈稱做座圈。單向軸承可承受單向軸向負(fù)荷，雙向軸承可承受雙向軸向負(fù)荷（二者均不能承受徑向負(fù)荷）。主要用途：汽車轉(zhuǎn)向銷、機(jī)床主軸8）推力圓柱滾子軸承特點(diǎn)：由墊圈形滾道圈（軸圈、座圈）與圓柱滾子和保持架組件構(gòu)成。圓柱滾子采用凸面加工，因此滾子與滾道面之間的壓力分布均勻，可承受單向軸向負(fù)荷，軸向負(fù)荷能力大，軸向剛性也強(qiáng)。- 20 -主要用途：石油鉆機(jī)、制鐵制鋼機(jī)械9）推力圓錐滾子軸承特點(diǎn)：該類軸承裝有圓臺(tái)形滾子（大端為球面），滾子由滾道圈（軸圈、座圈）擋邊準(zhǔn)確引導(dǎo)，設(shè)計(jì)上使得軸圈和座圈滾道面以及滾子滾動(dòng)面的各圓錐面的頂點(diǎn)相交于軸承中心線上的一點(diǎn)。單向軸承可承受單向軸向負(fù)荷，雙向軸承可承受雙向軸向負(fù)荷。主要用途：單向：起重機(jī)吊鉤、石油鉆機(jī)轉(zhuǎn)環(huán)雙向：軋鋼機(jī)輥頸10）推力調(diào)心滾子軸承特點(diǎn):該類石油機(jī)械軸承中球面滾子傾斜排列，由于座圈滾道面呈球面，具有調(diào)心性能，因此可允許軸有若干傾斜軸向負(fù)荷能力非常大，在承受軸向負(fù)荷的同時(shí)還可承受若干徑向負(fù)荷,使用時(shí)一般采用油潤滑。主要用途：水力發(fā)電機(jī)、立式電動(dòng)機(jī)、船舶用螺旋槳軸、軋鋼機(jī)軋制螺桿用減速機(jī)、塔吊、碾煤機(jī)、擠壓機(jī)、成形角接觸球軸承是深溝球軸承的變換軸承，其優(yōu)點(diǎn)是： 1、 結(jié)構(gòu)簡單； 2、 極限轉(zhuǎn)速比較高； 3、 摩擦力矩比較?。?4、 可同時(shí)承受徑向和軸向載荷； 5、 同樣的外型尺寸比深溝球軸承動(dòng)、靜載荷容量大； 6、 旋轉(zhuǎn)精度高、噪音小。 基于上述優(yōu)點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)中用于支撐滾珠絲杠所選用的就是角接觸球軸承。1) x 軸軸承的選擇查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》表 13-3 知，選擇軸承為 7004C(α= )，基本額定動(dòng)載荷2) y 軸軸承的選擇查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》表 13-3 知，選擇軸承為 7005C(α= )，基本額定動(dòng)載荷3) z 軸軸承的選擇查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》表 13-3 知，選擇軸承為 7205C(α= )，基本額定動(dòng)載荷3.6 校核計(jì)算3.6.1 x 軸滾珠絲杠的校核1)穩(wěn)定性驗(yàn)算絲杠不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 (N)按下式計(jì)算- 21 -(3-9)式中，E 為絲杠材料的彈性模量，對(duì)于鋼，E=206GPa，l 為絲杠工作長度(m)，4)效率驗(yàn)算滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率 η 為(3-18) η 要求在 90%-95%之間，所以該絲杠副合格。3.6.2 y 軸滾珠絲杠的校核1)穩(wěn)定性驗(yàn)算絲杠不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 (N)按下式計(jì)算：取安全系數(shù) S= =10.3查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》表 2-10 知，絲杠不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。切變模量，對(duì)剛 G=83.3GPa； T(N﹒m)為轉(zhuǎn)矩。T= 式中，ρ 為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)； 為平均工作載荷。本次設(shè)計(jì)取摩擦系數(shù)為 ，則得 ρ=。T=1500按最不利的情況(其中 F= ) 4)效率驗(yàn)算滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率 η 為η 要求在 90%-95%之間，所以該絲杠副合格。3.6.3 z 軸滾珠絲杠的校核1)穩(wěn)定性驗(yàn)算絲杠不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 (N)按下式計(jì)算：取安全系數(shù) S= =10.3 查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》表 2-10 知，絲杠不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。- 22 -所以該絲杠副工作穩(wěn)定。式中，ρ 為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)； 為平均工作載荷。本次設(shè)計(jì)取摩擦系數(shù)為 ，則得 ρ=。T=20004)效率驗(yàn)算滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率 η 為η 要求在 90%-95%之間，所以該絲杠副合格。- 23 -第 4 章 三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1 solidworks 簡介SolidWorks 為達(dá)索系統(tǒng)（Dassault Systemes S.A）下的子公司，專門負(fù)責(zé)研發(fā)與銷售機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的視窗產(chǎn)品。達(dá)索公司是負(fù)責(zé)系統(tǒng)性的軟件供應(yīng)，并為制造廠商提供具有 Internet 整合能力的支援服務(wù)。該集團(tuán)提供涵蓋整個(gè) 產(chǎn)品生命周期的系統(tǒng)，包括設(shè)計(jì)、工程、制造和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理 等各個(gè)領(lǐng)域中的最佳軟件系統(tǒng)，著名的 CATIAV5 就出自該公司之手，目前達(dá)索的 CAD 產(chǎn)品市場(chǎng)占有率居世界前列。SolidWorks 公司成立于 1993 年，由 PTC 公司的技術(shù)副總裁與 CV 公司的副總裁發(fā)起，總部位于馬薩諸塞州的康克爾郡（Concord,Massachusetts ）內(nèi)，當(dāng)初的目標(biāo)是希望在每一個(gè)工程師的桌面上提供一套具有生產(chǎn)力的實(shí)體模型設(shè)計(jì)系統(tǒng)。從 1995 年推出第一套 SolidWorks 三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件至今至 2010 年已經(jīng)擁有位于全球的辦事處，并經(jīng)由300 家經(jīng)銷商在全球 140 個(gè)國家進(jìn)行銷售與分銷該產(chǎn)品。1997 年，Solidworks 被法國達(dá)索（Dassault Systemes ）公司收購，作為達(dá)索中端主流市場(chǎng)的主打品牌。1．參數(shù)化設(shè)計(jì)：相對(duì)于產(chǎn)品而言，我們可以把它看成幾何模型，而無論多么復(fù)雜的幾何模型，都可以分解成有限數(shù)量的構(gòu)成特征，而每一種構(gòu)成特征，都可以用有限的參數(shù)完全約束，這就是參數(shù)化的基本概念。2．基于特征建模：solidworks 是基于特征的實(shí)體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計(jì)人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設(shè)計(jì)者提供了在設(shè)計(jì)上從未有過的簡易和靈活。3．單一數(shù)據(jù)庫（全相關(guān)）：solidworks 是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上，不像一些傳統(tǒng)的 CAD/CAM 系統(tǒng)建立在多個(gè)數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個(gè)庫，使得每一個(gè)獨(dú)立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個(gè)部門的。換言之，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程的任何一處發(fā)生改動(dòng)，亦可以前后反應(yīng)在整個(gè)設(shè)計(jì)過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。例如，一旦工程詳圖有改變，NC （數(shù)控）工具路徑也會(huì)自動(dòng)更新；組裝工程圖如有任何變動(dòng)，也完全同樣反應(yīng)在整個(gè)三維模型上。這種獨(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計(jì)的完整的結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)合起來。這一優(yōu)點(diǎn)，使得設(shè)計(jì)更優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場(chǎng)，價(jià)格也更便宜。軟件模塊包括 solidworks、Pro/ASSEMBLY 、PRO/CABLING、PRO/DETAIL 等近20 多個(gè)模塊。我們常用的軟件模塊是 solidworks，它是該系統(tǒng)的基本部分，其中功能包括參數(shù)化功能定義、實(shí)體零件及組裝造型，三維上色實(shí)體或線框造型棚完整工程圖產(chǎn)生及不同視圖（三維造型還可移動(dòng)，放大或縮小和旋轉(zhuǎn)）。solidworks 是一個(gè)功能定義系統(tǒng)，即造型是通過各種不同的設(shè)計(jì)專用功能來實(shí)現(xiàn)，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots ）、倒角（Chamfers）和抽空（ Shells）等，采用這種手段來建立形體，對(duì)于工程師來說是更自然，更直觀，無需采用復(fù)雜的幾何設(shè)計(jì)方式。這系統(tǒng)的參數(shù)比功能是采用符號(hào)式的賦予形體尺寸，不象其他系統(tǒng)是直接指定一些固定數(shù)值于形體，這樣工程師可任意建立形體上的尺寸和功能之間的關(guān)系，任何一個(gè)參數(shù)改變，其也相關(guān)的特征也會(huì)自動(dòng)修正。這種功能使得修改更為方便和可令設(shè)計(jì)優(yōu)化更趨完美。造型不單可以在屏幕上顯示，還可傳送到繪圖機(jī)上或一些支持 Postscript 格式的彩色打印機(jī)。solidworks 還可輸出三維和二維圖形給予其他應(yīng)用軟件，諸如有限元分析及后置處理等，這都是通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換格式來實(shí)現(xiàn)，用戶更可配上 solidworks 軟件的其它模塊或自- 24 -行利用 C 語言編程，以增強(qiáng)軟件的功能。它在單用戶環(huán)境下(沒有任何附加模塊)具有大部分的設(shè)計(jì)能力，組裝能力(人工)和工程制圖能力(不包括 ANSI， ISO， DIN 或 JIS 標(biāo)準(zhǔn))，并且支持符合搬運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)的繪圖儀(HP，HPGL)和黑白及彩色打印機(jī)的二維和三維圖形輸出 solidworks 功能如下：1．特征驅(qū)動(dòng)（例如：凸臺(tái)、槽、倒角、腔、殼等）；2．參數(shù)化（參數(shù)=尺寸、圖樣中的特征、載荷、邊界條件等）；3．通過零件的特征值之間，載荷/邊界條件與特征參數(shù)之間（如表面積等）的關(guān)系來進(jìn)行設(shè)計(jì)。 4．支持大型、復(fù)雜組合件的設(shè)計(jì)(規(guī)則排列的系列組件，交替排列，Pro/PROGRAM 的各種能用零件設(shè)計(jì)的程序化方法等)。 5．貫穿所有應(yīng)用的完全相關(guān)性(任何一個(gè)地方的變動(dòng)都將引起與之有關(guān)的每個(gè)地方變動(dòng))。其它輔助模塊將進(jìn)一步提高擴(kuò)展 solidworks 的基本功能。4.2 三維實(shí)體模型的建造裝好 solidworks 后配置好 congfig 文件，打開 solidworks 點(diǎn)擊文件→新建→零件→草繪，在草繪界面繪制草圖，然后通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、混合等命令造出三維模型。- 25 -4.3 裝配仿真打開 solidworks 點(diǎn)擊文件→新建→組件，進(jìn)入裝配環(huán)境。在裝配的時(shí)候注意裝配方式的選擇，限制好自由度，因?yàn)檎_的裝配好了才能完成運(yùn)動(dòng)仿真。4.4 關(guān)于對(duì) Solidworks 的介紹隨著科技的不斷進(jìn)步，人們的生活水平不斷的提高。各種電子產(chǎn)品、機(jī)械產(chǎn)品、生活產(chǎn)品的使用周期不斷的縮短，給產(chǎn)品的更新?lián)Q代提出了很大的挑戰(zhàn)。同時(shí)對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)的效率提出了挑戰(zhàn)。為了提高設(shè)計(jì)效率，首先從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的輔助工具去考慮。特別是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件。這其中有 Solidworks、UG、Pro\E 、Auto CAD 等軟件。在這里我重點(diǎn)介紹 Solidworks 軟件的一些主要功能。從電腦開始菜單啟動(dòng) Solidworks 軟件，在菜單欄單擊 按鈕，彈出一個(gè)如下圖所示的對(duì)話框：- 26 -圖 3-1 菜單欄選擇“零件”后，單擊“確定”便進(jìn)入了零件三維實(shí)體的編輯界面。在SolidWorks 窗口頂部分別是 Solidworks 軟件的菜單欄和工具欄；左邊的是 FeatureManager 設(shè)計(jì)樹；窗口左邊的是任務(wù)窗格；窗口底部是狀態(tài)欄。其中工具欄是重點(diǎn)介紹的對(duì)象，分別對(duì)工具欄中的草圖工具欄、視圖工具欄、插件工具欄、特征工具欄、裝配工具欄作詳細(xì)介紹。其中，草圖工具欄如上圖所示。在工具欄中的 按鈕的作用用于建立草圖；此按鈕為智能尺寸按鈕，用于標(biāo)注草圖中輪廓曲線的尺寸大?。簧厦娴墓δ苕I分別用于在草圖中繪制直線、矩形、圓、圓弧、曲線、橢圓、繪制圓角、多邊形、點(diǎn)等二維輪廓曲線； 此按鈕的功能可以在面、邊線以及草圖實(shí)體上繪制字體； 用于剪裁實(shí)體或延伸實(shí)體；用于將模型上所選邊線或草圖實(shí)體轉(zhuǎn)換草圖實(shí)體； 為等距功能鍵； 為鏡像功能鍵； 為線性草圖陣列和圓周草圖陣列功能鍵；此工具欄為視圖工具欄，工具欄的的各項(xiàng)功能分別是正視、前視、后視、左視、右視、上視、下視、等軸測(cè)、上下二等軸測(cè)、左右二等軸測(cè)、視圖定向。