四自由度100kg码垛机器人夹持工装及其配套U型传送带设计.doc

1、鲁东大学 本科毕业设计 1 四自由度 100kg 码垛机器人夹持工装 及其配套 U 型传送带设计 TLM （ . ， . ， ， ） 摘要： 工业机器人是半个世纪以来 急速成长 起来的新兴劳动助手。随着 科学及工业 社会自动化程度的提高，工业机器人 、 机械手臂， 则 占据愈发 重要的位置，因此工业机器人的研究也成为了一个炙手可热的领域。本设计针对工业机器人的加持工装及配套 U型传送带进行了设计，其中包括根据负载特性选择电机、减速器，根据工作条件对夹持结构进行设计，并用 UG 软件进行了绘制仿真。另外，对于传送带，本设计根据各种形式传送带的优缺点，进行了选择和设 计。 关键词： 机器人；夹持工

2、装；传送带；三维建模 Gripping tooling and supporting U-conveyor design of four freedom 100kg palletizing robot TaoLiming Traffic School, Mechanical Engineering and Automation,Class1104, 20112814425 Abstract: Industrial robots are developing rapidly nearly half a century and have been the emerging labor assist

3、ant. With the increased automation of industrial society, industrial robots will occupy an increasingly important position, so the research of industrial robots has also become a hot field. The design for industrial robots blessing tooling and supporting U-shaped conveyor is designed, including the

4、choice depending on the load characteristics of the motor, reducer, according to the working conditions of the holding structure design, and a draw with UG software emulation. Further, accoding to the advantage of a variety of belt, I select and design a conveyor belt . Key words: Industrial robots;

5、 Clamping device; Conveyor belt; Three-dimensional modeling 1 夹持工装 方案拟定 工业 机械手臂的组成包括 夹持装置、手臂、机座等 基本结构 。其中 夹持 装置是机器人用于抓取工件或 用于夹紧加工 工具进行 作业 的主要部件。它相当于人的手，安装于工业机器人手臂的 最 前端 ， 夹持机构应根据机器人不同的任务进行选择，选择与执行任务相适应的夹持装置将大大提高机器人的工作效率。工业机器人的夹持装置 的种类很多 ,鲁东大学 本科毕业设计 2 工业用机器人的夹持装置多用于夹持较重物体，设计结构要求简洁灵活，其原理有的基于电磁效应，但大多数

6、采用机械形式。 在抓取 100kg物体时，夹钳式取料手可以完成任务。 另外， 综合考虑经济、结构等因素， 故本设计 选择夹钳式取料手。 2 夹持工装 电机选择 2.1 类型选择 由于步进电机的步距值不受各种外部因素的干扰 只要在他们的大小不至于引起步进电机产生丢步，就不影响其正常工作，另外步进电机的控制性能好，转子的转动惯量小，动态响应也较理想，易于启动和停止，步进电机综合和其他种类电机的很多优点，以上 特性均有利于机器人夹持装置的控制， 所以本设计 选择步进电机作为驱动电机 。 2.2 夹持装置及传动机构 尺寸及运动参数 设计 涡轮蜗杆模数： m=10mm 蜗杆头数 : 11Z 蜗轮齿数：

7、632Z （此结构为 1/4个涡轮） 传动比： 12ZZi 蜗杆分度圆直径： d1=160mm 蜗杆导程角 : 6.3arc tan11dmz 中心距： a=400mm 涡轮直径： 6 0 0601022 mzd mm 摇杆长度： l=450mm 手指移动最大速度： 5.4max v m/min 加持与传动机构质量： M1=50kg 联轴器的质量 : M2=13.1kg 联轴器外径： D=160mm 摩擦因数 : 2.0 蜗杆长度： l1=616mm 机械效率 : %5.3100 i (2-1) 带入公式（ 2-1）得 %22.72 2.3 电机选择 1) 电机转速 鲁东大学 本科毕业设计 3

8、 涡轮角速度 : 10m in/45.0 5.4m a x ra drv rad/min 涡轮转速 : 59.122 nr/min 蜗杆转速： 21nni (2-2) 带入公式（ 2-2）得 n1=100.17r/min 2) 折算到电机轴上的负载惯量 Jd ： 执行部分转动惯量 J1: 2211 2 iRMJ (2-3) 将数据代入（ 2-3）得 , 21 mKg0 0 0 6 2 5.0 J 蜗杆的转动惯量： 4132 LdJs (2-4) 将数据代入公式（ 2-4）得， 2mKg075.0 sJ 联轴器的转动惯量： 2221 DMJc(2-5) 将数据代入公式（ 2-5）得， 2mKg0

9、28.0 cJ 折算到电机轴上的负载惯量 : 21 mKg1 4 0.0 csd JJJJ 3) 折算到电机轴上的转矩 分析物体受力情况，见 图 2-1： GFF 21 21 FF nFF 1 其中 G为物体重量； 为摩擦因数； nF 为正压力。 计算得 nF =2500N 取安全系数 2.1sK 图 2-1 则所需夹持力 鲁东大学 本科毕业设计 4 30002.11 sn KF N 故转矩 mN1 3 5 045.03 0 0 0 lFM n 蜗杆所受轴向力 4 2 8 663.02 7 0 02 2 dMF x N 折算转矩 ipFT x 211(2-6) 将数据代入公式（ 2-6）得，

10、mN203.01 T 4) 步进电机轴上的加速转矩： DMama JJtnT 602(2-7) 其中 JM为电动机的转动惯量 nm为电机转速 ta为加速时间 ,取为 1s 将数据代入公式（ 2-7）得， ）（ mN27.3928.4 Ma JT 5) 折算到电机轴上的总转矩 : ）（ mN27.394 8 3.42 0 3.027.3928.41 MMaeq JJTTT 电机选择 取电机的安全系数 K=1.5 则所必须的转矩 ）（ mN9.5872.627.394 8 3.45.1 MMeqM JJKTT 查表 25-2-301初步选定电机型号 2S110Q-047F0 其转子惯量为 24 m

11、Kg109.10 MJ 有 mN78.6109.109.5842.6 4 MT mN523.4109.1027.39483.427.39483.4 4 Meq JT 由步进电机 2S110Q-047F0的最大静转矩为 mN78.6mN21 步距角为 8.1 6) 初选电机验算 夹持部件 最大 平移 速度对应电机转速为 min/r375mn 其对应的运行频率为 鲁东大学 本科毕业设计 5 60 360mm nf(2-8) 将数据代入公式（ 2-8）得， Hz1250mf 由 2S110Q-047F0的特性曲线图 分析得出 ，此速度时电动机的输出转矩约为 7.8 mN 4.235 mN 故电机 2

12、S110Q-047F0满足要求。 3 夹持工装 减速器选型 3.1 减速器类型选择 机器人夹持工装需要减速器具有可靠性高、灵活性高、并且需要可接受外部负载荷，需要可以承受较大的外部转矩，并需要有较大的刚性。综合考虑上述因素以及经济因素，该机器 人夹持工装减速器选择 RV-E减速器。 3.2 减速器使用条件 根据 工业 机器人的 使用 状况，确定机器人 参数如下 ： 启动时最大转矩 T1: T1=100 mN 稳定 时转矩 T2: cottX FF 122000d TFt 得 mNT 57.212 停止时最大转矩 T3: mN1003 T 冲击转矩 Tem: mN200 emT 加速时间 : s

13、ec2.01 t 稳定时间 : sec22 t 减速时间 : sec2.03 t 冲击时间 : sec05.0emt 启动转速 : min/r101 N 稳定转速 : min/r33.332 N 制动转速 : min/r103 N 冲击转速 : m in/r33.33emN 3.3 确定负载特性 1) 平均负载转矩 鲁东大学 本科毕业设计 6 310332211310333310222310111 NtNtNt TNtTNtTNtT m (3-1) 将数据代入公式（ 3-1）得， mN98.43 mT 2) 平均输出转速 321332211 ttt NtNtNtN m (3-2) 将数据代入公

14、式（ 3-2）得， min/r42.29mN 暂时选定 RV-40E-105 3.4 减速器校核 1) 验算寿命 31000 mmh TTNNKL(3-3) 将数据代入公式（ 3-3）得， H103.5 6hL 其中 K：额定寿命（ Hr） hL ：所求寿命时间（ Hr） mN ：平均输出转速（ r/min） 0N : 额定输出转速（ r/min） 0T ：额定转矩（ Nm） mT ：平均负载转矩（ Nm） 2) 输出转速为 运行 转速 33.33r/min所允许最高转速 100r/min 输出转速符合要求。 3) 确定停止和启动时转矩 查 表 知， RV-40E-105所允许的最大启动、停止

15、转矩为 1029 mN mN1 0 2 9mN1 0 01 T mN1029mN1002 T 故 停止 、 启动时转矩 均 符合 工作 要求。 4) 确定外部冲击转矩以及紧急停止时的转矩 查 8-2-101 知， 10540 ERV 的瞬时的最大转矩为 2058 mN mN2058mN200 emT 允许作用的次数 emC ： 鲁东大学 本科毕业设计 7 ememememtNTTC 604057 7 5 3100(3-4) 将数据代入公式（ 3-4）得， 6106.1 emC 次 5) 验证 倾斜角度 作用在减速机上的外部负载荷状态（蜗杆受力状态） 所受轴向力 N42862 xFW 所受径向力

16、 N155920t a n4286t a n nxr FF N15591 rFW mm364l mm803 l mm3926.172 6.913641 l mm4386.176.913642 abll 3 3211 10 tM lWlW(3-5) 其中 ： 输出轴倾斜角度（ arc.min） tM ： 弯矩刚性（ Nm/arc.min） 1W 、 2W ：负载（ N） 1l 、 3l ：到负载作用点的距离 l ：负载点到 安装面的 实际 距离 将数据代入公式（ 3-5）得， 10.1 分 6) 验证负载弯矩是否符合要求： 由表 8-2-101得 的允许弯矩为 1666 mN mN1666mN5

17、.1101 100080428643817321000 3221 lWlWMc 综上所述： 10540 ERV 的各项指标均满足使用要求，故此处选用减速器10540 ERV 。 鲁东大学 本科毕业设计 8 4 夹持工装 传动与夹持机构设计 4.1 传动机构三维设计 鉴于抓去重量为 100kg， 需要较大的张力及夹紧力 ， 设计选取 可承受较大轴向力的涡轮蜗杆机构 ， 上下均采用可 以承载 相对较大轴向力的轴承以承载较大的轴向载荷 的滚动轴承 。 蜗杆设计如图所示 1) 蜗杆轴径设计。 本次设计起始于最细轴经 的设计，根据最细轴所能承受的最大扭矩，设计出轴在最细部分的直径，然后根据各段的结构特征

18、、以及装配特征依次设计其他各轴的直径。 根据一般圆轴扭转时时横截面上最大切应力公式 tWTmax (4-1) 其中 T为轴所受的扭矩； tW 为抗扭截面系数； 163dWt (4-2) 蜗杆 选用 45钢 制造 ，取 45钢的需用扭转应力为 Mpa60 经上节 分析 知蜗杆所受最大转矩为冲击转矩， mN200 emT 根据扭转的圆轴的强度条件 ，确定其直径 163m a x dTWT t(4-3) 由公式（ 4-1）（ 4-2）（ 4-3）得轴的直径 mm7.25mm0257.0mm1060 2001616 3 63 emTd 由于键槽的影响，轴的直径扩大 5%，取安全系数 sK =2 得轴的直径 mm97.532%51m i n dd 由轴的结构设计易得， 联轴器链接处 的 直径 最小，取 为 56mm。 鲁东大学 本科毕业设计 9 蜗杆 图纸如图 4-1所示： 图 4-1 蜗杆结构设计及尺寸 与蜗杆配套机构如图 4-2所示： 图 4-2 涡轮结构设计及尺寸 鲁东大学 本科毕业设计 10 固定连杆如图 4-3所示 图 34 固定连杆设计 尺寸 从动连杆设计如图 4-4： 图 4-4 从动连杆设计 尺寸