碼垛機器人部分機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

碼垛機器人部分機械結(jié)構(gòu)設(shè)計題目：碼垛機器人部分機械結(jié)構(gòu)設(shè)計摘要近些年來，我國經(jīng)濟高速發(fā)展，不論城鎮(zhèn)還是農(nóng)村，居民生活水平都大大提高，人們對生活水平的質(zhì)量不斷提高，人們出行對引用水的安全性要求也提高，因此，人們出差、參加會議、學習或旅游等出行在外，桶裝水成為解決引用水的主要途徑。本設(shè)計主要研究機器人搬運成件桶裝水的搬運過程及碼垛過程。經(jīng)調(diào)查，我國成件桶裝水的銷量每年都呈遞增的趨勢，熱別是夏天，銷量和需求量更是達到最高點。生產(chǎn)成件桶裝水的企業(yè)的壓力更是很大，對現(xiàn)有成件桶裝水的搬運多為人工搬運，搬運工人的勞動力度很大，成件桶裝水的碼垛效率不高，成件桶裝水的存放環(huán)境污染也比較差，生產(chǎn)的水來不及堆垛存放，造成了空間的浪費，即使現(xiàn)有桶裝水企業(yè)已經(jīng)引進了機器人碼垛作業(yè)，但是碼垛和搬運的過程自動化程度不高，不適合當代社會企業(yè)的發(fā)展要求，在這樣的社會背景下，結(jié)合現(xiàn)代企業(yè)對車間生產(chǎn)線的要求，研發(fā)能夠自動搬運桶裝水的碼垛機械人來完成這一過程非常有必然。本課題碼垛機器人機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計主要根據(jù)成件桶裝水的碼垛現(xiàn)狀,針對國內(nèi)桶裝礦泉水的生產(chǎn)環(huán)境,設(shè)計了一種自動碼垛成件桶裝水的機器。通過分析和比較現(xiàn)有成件桶裝礦泉水設(shè)備及其部件的結(jié)構(gòu)和功能，進行創(chuàng)新性設(shè)計。本次主要對碼垛機器人機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行總體方案的設(shè)計，其次，對碼垛機器人機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的關(guān)鍵零部件選型和計算，選型部分主要是碼垛機器人機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上電機和聯(lián)軸器、軸承等標準件的選型，計算部分主要是對碼垛機器人機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的傳動機構(gòu)進行受力分析、校核等的計算。關(guān)鍵詞：成件桶裝礦泉水；自動；抓取裝置；碼垛AbstractInrecentyears,ourcountryeconomyhighspeeddevelopment,whetherurbanorruralareas,residentslivingstandardshavegreatlyimproved,thequalityofpeople'slifelevelunceasingenhancement,peopletravelrequirementsforthesafetyofdrinkingwaterareincrease,therefore,peopleonabusinesstrip,toattendthemeeting,studyortourism,suchastraveling,bottledwaterasthemainwaytosolvethedrinkingwater.Thisdesignmainlystudiesthehandlingprocessandpalletizingprocessofthebarreledwatercarriedbytherobot.Accordingtotheinvestigation,thesalesvolumeofbottledwaterinChinaincreaseseveryyear,especiallyinsummer.Manufacturingintoabottledwaterpressureisverybig,theexistingpiecesofbottledwatercarryingmoreformanualhandling,handlingtheworker'slaborstrengthisverybig,intoapalletofbottledwaterefficiencyisnothigh,asabottledwaterstoringenvironmentpollutionismorebad,productionwaterbeforestackinghaulms,causedthewasteofspace,eveniftheexistingbottledwatercompanieshaveintroducedarobotpalletizinghomework,butstackingandhandlingprocessautomationdegreeisnothigh,notsuitableforthedevelopmentofthecontemporarysocialenterpriserequirements,insuchasocialbackground,combiningmodernenterprisetotherequirementoftheworkshopproductionline,Itisnecessarytodevelopstackingrobotsthatcanautomaticallycarrybarreledwater.Themechanicalsystemstructuredesignofthetaskofpalletizingrobotismainlybasedonthestatusquoofpalletizingthebarreledwaterintopieces,aimingattheproductionenvironmentofdomesticbarreledmineralwater,amachineofautomaticpalletizingthebarreledwaterintopiecesisdesigned.Throughtheanalysisandcomparisonofthestructureandfunctionoftheexistingbarreledmineralwaterequipmentanditscomponents,theinnovativedesignwascarriedout.Themainontheoverallschemeofthestructureofpalletizingrobotmechanicalsystemdesign,secondly,topalletizingrobotkeycomponentsselectionandcalculationofthemechanicalsystemstructure,theselectionofpartsmainlypalletizingrobotmechanicalsystemstructureofmotorandcoupling,bearingsandotherstandardpartsselection,calculationpartismainlyforpalletizingrobotmechanicalsystemstructureonthetransmissionmechanismofstressanalysisandcheckingcalculation.KeyWords:Mineralwaterinpieces;Automatically;Graspingdevice;pallet

目錄1緒論 11.1課題的背景和意義 11.1.1課題的背景 11.1.2課題的意義 11.2碼垛機器人國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 21.2.1碼垛機器人國外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 21.2.2碼垛機器人國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 21.3課題的主要內(nèi)容和方法 31.3.1課題的主要內(nèi)容 31.3.2課題的主要方法 41.4課題的創(chuàng)新之處 5第2章碼垛機器人機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體方案的設(shè)計 62.1成件桶裝礦泉水技術(shù)參數(shù)分析 62.2碼垛機器人機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的工作原理 62.2.1抓取成件桶裝礦泉水動作的原理 62.2.2碼垛機器人的移動原理 62.3碼垛機器人總體方案的設(shè)計 72.3.1行走小車方案的設(shè)計 72.3.2機械手組件的方案設(shè)計 72.3.3成件桶裝礦泉水夾具方案的設(shè)計 8第3章碼垛機器人機械系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的設(shè)計及選型 93.1成件桶裝礦泉水夾具體部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計 93.1.1抓取部分的功能分析 93.1.2抓取部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計 93.2夾抓取部分夾緊力及驅(qū)動力的計算 93.3機械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計 113.3.1腕部功能分析 113.3.2腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計 113.3.3腕部驅(qū)動力矩的計算 113.3.4腕部驅(qū)動電機的選型 123.4機械手小臂部分結(jié)構(gòu)設(shè)計 123.4.1小臂部的功能分析 123.4.2小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 133.4.3小臂驅(qū)動力矩的計算 133.4.4小臂驅(qū)動電機的選型 143.5機械手大臂部分結(jié)構(gòu)設(shè)計 143.5.1大臂部分功能分析 143.5.2大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 143.5.3大臂驅(qū)動力矩的計算 153.5.4大臂驅(qū)動電機的選型 153.6機械手旋轉(zhuǎn)座的結(jié)構(gòu)設(shè)計 163.6.1旋轉(zhuǎn)座的功能分析 163.6.2旋轉(zhuǎn)座的結(jié)構(gòu)設(shè)計 163.6.3旋轉(zhuǎn)座腰部驅(qū)動力矩的計算 163.7傳動機構(gòu)中V帶的設(shè)計及選用 173.7.1V帶的分類 173.7.2V帶傳動的特點 193.7.3V帶的結(jié)構(gòu)和型號 203.7.4V帶的設(shè)計計算 203.7.5設(shè)計和選用V帶帶輪 255總結(jié) 30參考文獻 31致謝 32

1緒論1.1課題的背景二十一世紀以來，世界各國機械行業(yè)都在朝著自動化方向發(fā)展。最近幾年，我國機械行業(yè)提出了“智能制造2025計劃”，這足以說明我國機械行業(yè)發(fā)展迅猛，也在大力發(fā)展機械自動化，把人從繁重的體力勞動中解放出來，第三產(chǎn)業(yè)機械也不例外。發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)機械已經(jīng)引起到國家領(lǐng)導人的關(guān)注，這使得農(nóng)業(yè)機械的發(fā)展迎來大好時機。近些年來，人們對生活水平的質(zhì)量不斷提高，人們出行對引用水的安全性要求也提高，因此，人們出差、參加會議、學習或旅游等出行在外，桶裝水成為解決引用水的主要途徑。本設(shè)計主要研究機器人搬運成件桶裝水的搬運過程及碼垛過程。經(jīng)調(diào)查，我國成件桶裝水的銷量每年都呈遞增的趨勢，熱別是夏天，銷量和需求量更是達到最高點。生產(chǎn)成件桶裝水的企業(yè)的壓力更是很大，對現(xiàn)有成件桶裝水的搬運多為人工搬運，搬運工人的勞動力度很大，成件桶裝水的碼垛效率不高，成件桶裝水的存放環(huán)境污染也比較差，生產(chǎn)的水來不及堆垛存放，造成了空間的浪費，即使現(xiàn)有桶裝水企業(yè)已經(jīng)引進了機器人碼垛作業(yè)，但是碼垛和搬運的過程自動化程度不高，不適合當代社會企業(yè)的發(fā)展要求，在這樣的社會背景下，結(jié)合現(xiàn)代企業(yè)對車間生產(chǎn)線的要求，研發(fā)能夠自動搬運桶裝水的碼垛機械人來完成這一過程非常有必然。1.2課題的主要內(nèi)容和方法1.2.1課題的主要內(nèi)容在目前碼垛機器人機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新設(shè)計，旨在為碼垛裝置增加一種結(jié)構(gòu)類型，為第三產(chǎn)業(yè)機械的發(fā)展增添一點微薄之力。本課題的主要內(nèi)容如下：（1）對成件桶裝礦泉水生產(chǎn)地的環(huán)境進行分析，調(diào)研成件桶裝礦泉水的存放間距、行距等數(shù)據(jù)，以及成件桶裝礦泉水在碼垛過程中的分布規(guī)律及分布區(qū)域，收集成件桶裝礦泉水碼垛存放的數(shù)據(jù)參數(shù)。（2）了解以往成件桶裝礦泉水碼垛及分類采用的方式，總結(jié)在碼垛過程中的遇到的問題點及難點，提前為后面的總體方案的設(shè)計奠定一定的工藝基礎(chǔ)。（3）進行成件桶裝礦泉水碼垛機器人機械系統(tǒng)的總體方案設(shè)計。（4）依據(jù)成件桶裝礦泉水碼垛機器人機械系統(tǒng)的總體方案設(shè)計，對支撐機構(gòu)、傳動系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)等用到的關(guān)鍵零部件件進行選型和計算，最終完成成件桶裝礦泉水垛機器人機械系統(tǒng)的設(shè)計。1.2.2課題的主要方法1.通過查閱文獻，了解成件桶裝礦泉水生產(chǎn)環(huán)境的因素，調(diào)研成件桶裝礦泉水存放的行距、間距以及成件桶裝礦泉水在碼垛過程中的分布規(guī)律等，了解以往成件桶裝礦泉水碼垛的工藝過程，尋找蘋成件桶裝礦泉水碼垛作業(yè)的設(shè)計參數(shù)；2.通過對比分析以往成件桶裝礦泉水碼垛過程中的優(yōu)缺點，進而取其精華，去其糟粕，為自己的設(shè)計提供理論依據(jù)，進而為自己的優(yōu)化設(shè)計提供參考；3.在設(shè)計過程中，對一些自己無法解決且無法查得的專業(yè)問題，可向?qū)I(yè)老師或?qū)＜医淌诘冗M行咨詢討論研究。本文碼垛機器人機械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要使用的方法為：文獻查閱即搜集整理相關(guān)研究資料為設(shè)計做準備；用比較分析法即比較國內(nèi)外不同地區(qū)的碼垛機器人的不同的工作原理以及不同的工作方式相互借鑒提取精華努力使課題得以完善；根據(jù)成熟的設(shè)計原理與計算公式進行設(shè)計計算，必要時提出改進方法，通過請教老師和學長學姐，了解碼垛機器人設(shè)計的注意事項和方法。查閱文獻資料得知，根據(jù)動力源來分，驅(qū)動系統(tǒng)主要由液壓驅(qū)動方式、電機驅(qū)動方式。齒輪齒條驅(qū)動方式、氣壓驅(qū)動方式等形式，本次采用電動機和齒輪齒條組合的方式作為驅(qū)動系統(tǒng)的選擇?？刂葡到y(tǒng)主要由可編程控制器組成，由于該部分主要為電氣部分，本次要求主要進行機械部分的設(shè)計，故不再這里贅述。1.3課題的創(chuàng)新之處1、底部增加移動平車，可以快速實現(xiàn)碼垛機器人的移動，打破了傳統(tǒng)固定式機器人的作業(yè)受空間的影響。2、碼垛機器人設(shè)計成4自由度關(guān)節(jié)型機械人形式，它像人手一樣有肘關(guān)節(jié)，可實現(xiàn)多個自由度，動作比較靈活，適于在狹窄空間工作。適合于幾乎任何軌跡或角度的工作可以自由編程，完成全自動化的工作提高生產(chǎn)效率，可控制的錯誤率代替很多不適合人力完成、有害身體健康的復(fù)雜工作。第2章碼垛機器人機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體方案的設(shè)計2.1成件桶裝礦泉水技術(shù)參數(shù)分析經(jīng)過查閱文獻資料，成件桶裝礦泉水的碼垛分布參數(shù)如下幾點：1、成件桶裝礦泉水碼垛的長度間距：0.5m左右；2、成件桶裝礦泉水碼垛的寬度間距：0.5m左右；3、成件桶裝礦泉水碼垛的高度間距：1.5m；2.2碼垛機器人機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的工作原理本次所設(shè)計的碼垛機器人機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由行走小車、機械手裝置等三部分組成，機械手裝置由支撐組件、手臂組件和抓取組件組成。2.2.1抓取成件桶裝礦泉水動作的原理抓取裝置由抓手安裝板、架塊支架、氣缸、拉桿和連接銷等組成，架塊支架安裝在抓手安裝板上，拉桿1、拉桿2通過連接銷連接在氣缸伸出的拉桿上，安裝板固定在成件桶裝礦泉水安裝板上，通過氣缸的伸出和收縮，拉桿1、拉桿2不斷打開和關(guān)閉，進而來完成夾取成件桶裝礦泉水的目的。2.2.2碼垛機器人的移動原理首先，碼垛機器人通過行走小車，可以實現(xiàn)走向不同碼垛位置的移動動作的完成，其次，將抓取裝置運動到指定的成件礦泉水處的動作則由機械手裝置來完成。支撐組件可以實現(xiàn)360度旋轉(zhuǎn)的動作，進而可以完成行走小車移動一次位置，所有工位的成件礦泉水的碼垛作業(yè)；手臂組件由大臂和小臂組成，可以實現(xiàn)行走小車移動一次位置時，在該位置處成件礦泉水上所有左右和上下位置處的成件礦泉水的碼垛，進而可以實現(xiàn)碼垛區(qū)各個位置處的成件礦泉水的碼垛要求。2.3碼垛機器人總體方案的設(shè)計2.3.1行走小車方案的設(shè)計行走小車主要作用是為機械手裝置系統(tǒng)支撐和定位。本次的行走小車方案示意圖見下圖2-1所示：1-后輪對裝置，2-底板，3-皮帶，4-減速機，5-電機，6-前輪對裝置，7-轉(zhuǎn)向機構(gòu)，8-轉(zhuǎn)向電機圖2-1行走小車方案示意圖2.3.2機械手組件的方案設(shè)計機械手裝置由支撐組件、手臂組件和抓取組件組成，具體見下圖2-2所示：1-支撐底座2-支撐桿3-大臂組件4-小臂組件5-抓取部分連接桿圖2-2機械手組件結(jié)構(gòu)示意圖2.3.3成件桶裝礦泉水夾具方案的設(shè)計成件礦泉水夾具體主要用來夾取成件礦泉水的，需要實現(xiàn)的功能是將成件礦泉水定位、夾緊，然后通過機械手的移動，將其碼垛在指定的區(qū)域，具體方案圖見下圖2-3所示：1-拉桿1；2-架塊支架2；3-抓手安裝板；4-液壓拉桿；5-連接銷；6-拉桿2圖2-3成件桶裝礦泉水夾具體結(jié)構(gòu)示意圖經(jīng)過以上的分析，本次所設(shè)計的成件桶裝礦泉水機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體方案示意圖如下圖2-4所示：1-行走小車，2-支撐組件，3-機械臂組件，4-夾具體圖2-4成件桶裝礦泉水機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖第3章碼垛機器人機械系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的設(shè)計及選型3.1成件桶裝礦泉水夾具體部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1.1抓取部分的功能分析抓取部分是本次碼垛機器人設(shè)計的重點，本次設(shè)計的主要目標是能夠?qū)⒊杉把b礦泉水進行碼垛堆放，所設(shè)計的抓取部分必須能實現(xiàn)在抓取成件桶裝礦泉水的時候，夾緊力需要牢固，并且在夾緊件桶裝礦泉水后不能掉落，裝夾桶裝礦泉水時定位需要得到保證，要確保安全。3.1.2抓取部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計在設(shè)計抓取部分的結(jié)構(gòu)時，要充分考慮定位和夾緊這兩點。經(jīng)過分析和比較，本次所設(shè)計的桶裝礦泉水抓取部分結(jié)構(gòu)圖如下圖3-1所示：1-拉桿1；2-架塊支架2；3-抓手安裝板；4-液壓拉桿；5-連接銷；6-拉桿2圖3-1夾持部分結(jié)構(gòu)圖3.2夾抓取部分夾緊力及驅(qū)動力的計算由題目要求，一件礦泉水的重量不算太重，但是在設(shè)計中不可忽略不計，本次取件礦泉水的重量為5kg，所設(shè)計的夾具對封蓋的夾緊力可按公式計算：式中——在這里指的是安全系數(shù)，取值的話一般??；——在這里指的是夾持部分實際工作情況的系數(shù)。具體計算方式可用下公式計算：A——指的是在重力方向上向上的最大加速度，，；——在這里指的是夾持部分在提升是的最大提升速度；；——在這里指的是夾持部分在運行中達到最大速度所用的時間，，本次可取值為；——在這里指的是夾持部分的方位系數(shù)；G——在這里指的是夾持部分所夾持的重力（N）。計算：首先我們假設(shè)設(shè)抓取部分從零直到最高響應(yīng)所需要時間，那么夾緊力和驅(qū)動力的計算方法如下：設(shè)==1.01;=0.5由以上可得知，我們把數(shù)據(jù)帶入得到夾緊力的值為：FN由題目要求，驅(qū)動力和夾緊力大小相等，方向相反，根據(jù)驅(qū)動力公式得：=-=0.75N取=。3.3機械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計3.3.1腕部功能分析腕部的主要作用是連接和支撐。主要連接的結(jié)構(gòu)是抓取裝置和機械手組件的小臂部分。3.3.2腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計在設(shè)計機械手裝置時，需要綜合考慮在腕部和夾抓取裝置連接處需要有一個轉(zhuǎn)動的自由度，腕部要滿足靈活轉(zhuǎn)動的要求，在腕部的設(shè)計過程中需要綜合考慮實際問題需要，需要考慮腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計時的成本管控和合格的質(zhì)量問題，在選材上，腕部需要能夠承受的住力的要求經(jīng)過分析，我們本次設(shè)計的抓取部分腕部的結(jié)構(gòu)圖如下圖3-2所示：1-電機2-減速機3-電機安裝板4-小齒輪5-大齒輪6-夾緊機構(gòu)保護罩圖3-2夾緊腕部機構(gòu)示意圖3.3.3腕部驅(qū)動力矩的計算驅(qū)動力矩的計算公式如下:在以上計算公式中:-——參與腕部的相對于轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動慣量；-——在這里，是指工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量;-是指手腕相對于轉(zhuǎn)動軸在轉(zhuǎn)動時的角速度(弧度/s);-是指腕部在從靜止到起動，在這里過程中所需的時間(s)。將參與手腕轉(zhuǎn)動的成件礦泉水可以簡化為一個Φ30mm×30mm的圓柱體，圓柱體的質(zhì)量為5千克，則參與手腕轉(zhuǎn)動的成件礦泉水對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量為：假設(shè)手腕在進行轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)動的角速度的計算公式為)：=；腕部從靜止到響應(yīng)這過程，大約需要時間：則手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩：3.3.4腕部驅(qū)動電機的選型根據(jù)上面驅(qū)動力矩的選擇，查機械設(shè)計手冊，考慮到電機的實用性和經(jīng)濟性要求，所選擇的電動機為伺服電動機，電動機的型號為Y801-4，額定功率為0.55kw。3.4機械手小臂部分結(jié)構(gòu)設(shè)計3.4.1小臂部的功能分析成件桶裝礦泉水機械手裝置的臂部，就像人的胳臂一樣，主要起到支撐和連接的作用，在機構(gòu)進行碼垛成件礦泉水過程中，小手臂還要滿足靈活轉(zhuǎn)動的要求，在大臂和主骨架的連接處，需要設(shè)計一個旋轉(zhuǎn)的自由度，該自由度的動力驅(qū)動依靠電動機驅(qū)動來完成。在大臂的設(shè)計過程中需要綜合考慮實際問題需要，需要考慮大臂設(shè)計時的成本管控和合格的質(zhì)量問題，在選材上，大臂需要能夠承受的住力的要求。3.4.2小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計小臂的主要功能是連接和支撐。其中，小臂的一端連接的是機械手裝置的大臂，另一端連接的是腕部，小臂要滿足靈活轉(zhuǎn)動的要求，在小臂的設(shè)計過程中需要綜合考慮實際問題需要，需要考慮大臂設(shè)計時的成本管控和合格的質(zhì)量問題，在選材上，小臂需要能夠承受的住力的要求經(jīng)過分析，我們本次設(shè)計的機械手小臂的結(jié)構(gòu)圖如下圖3-3所示：1-小臂2-電機3-減速機4-電機安裝板5-聯(lián)軸器6-軸7-軸承圖3-3夾緊旋蓋機構(gòu)小臂結(jié)構(gòu)示意圖3.4.3小臂驅(qū)動力矩的計算設(shè)機械手小臂在轉(zhuǎn)動過程中速度的最大值我們?nèi)?，在這個速度下我們可以計算轉(zhuǎn)矩。我們假設(shè)碼垛機械手的手爪及其夾持部分質(zhì)量總和為，在其上的小臂安裝用的支架、帶動小臂轉(zhuǎn)動的電動機，連接電動機軸及該處的轉(zhuǎn)軸的軸承及質(zhì)量的總和為，則電動機至少做的功計算公式為：功率則所求轉(zhuǎn)矩3.4.4小臂驅(qū)動電機的選型根據(jù)上面驅(qū)動力矩的選擇，查機械設(shè)計手冊，考慮到電機的實用性和經(jīng)濟性要求，所選擇的電動機為伺服電動機，電動機的型號為801F2-4，額定功率為0.55kw，輸出轉(zhuǎn)矩為范圍為27-206。3.5機械手大臂部分結(jié)構(gòu)設(shè)計3.5.1大臂部分功能分析機械手裝置結(jié)構(gòu)的大臂部，就像人的胳臂一樣，主要起到支撐和連接的作用，在碼垛機器人碼垛成件礦泉水的過程中，大手臂還要滿足靈活轉(zhuǎn)動的要求，在大臂和主骨架的連接處，需要設(shè)計一個旋轉(zhuǎn)的自由度，該自由度的動力驅(qū)動依靠電動機驅(qū)動來完成。在大臂的設(shè)計過程中需要綜合考慮實際問題需要，需要考慮大臂設(shè)計時的成本管控和合格的質(zhì)量問題，在選材上，大臂需要能夠承受的住力的要求。3.5.2大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)過分析，我們本次設(shè)計的夾緊碼垛成件礦泉水機構(gòu)中大臂的結(jié)構(gòu)采用鋼板組合的方式，不僅能滿足手臂在轉(zhuǎn)動過程中的剛度問題，而且該種設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，機械大臂的示意圖結(jié)構(gòu)如下圖3-4所示：1-電機2-減速機3-電機安裝板4-聯(lián)軸器5-軸承6-大臂7-大臂加強筋圖3-4夾緊旋蓋機構(gòu)大臂結(jié)構(gòu)示意圖3.5.3大臂驅(qū)動力矩的計算設(shè)機械手裝置大臂在轉(zhuǎn)動過程中最大轉(zhuǎn)速為，則可求出所需轉(zhuǎn)矩。估計手爪及夾具的總重量為22kg，大臂支座、電動機，軸承及鍵等總重量為10kg，則把上述兩部分提起到能夠碼垛成件礦泉水的位置所需電動機提供的功為：功率則所求轉(zhuǎn)矩。3.5.4大臂驅(qū)動電機的選型根據(jù)上面驅(qū)動力矩的選擇，查機械設(shè)計手冊，考慮到電機的實用性和經(jīng)濟性要求，所選擇的大臂電動機為伺服電動機，電動機的型號為801F2-4，額定功率為0.55kw，輸出轉(zhuǎn)矩為范圍為27-206。3.6機械手旋轉(zhuǎn)座的結(jié)構(gòu)設(shè)計3.6.1旋轉(zhuǎn)座的功能分析旋轉(zhuǎn)座的主要作用是起支撐的作用，在碼垛成件礦泉水過程中，主要起著連接和支撐的作用，它就像一個杠桿，它的剛度要求至關(guān)重要，旋轉(zhuǎn)座在本次設(shè)計中的另一個關(guān)鍵點就是為機械手支撐裝置提供一個電機和旋轉(zhuǎn)運動的結(jié)構(gòu)，既能滿足主構(gòu)架的旋轉(zhuǎn)運動所需的渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)的安裝位置，又要考慮為電機的安裝設(shè)計定位的地方。3.6.2旋轉(zhuǎn)座的結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)過分析，我們本次設(shè)計的旋轉(zhuǎn)座的結(jié)構(gòu)圖如下圖3-5所示：圖3-5夾緊旋蓋機構(gòu)旋轉(zhuǎn)座結(jié)構(gòu)示意圖3.6.3旋轉(zhuǎn)座腰部驅(qū)動力矩的計算旋轉(zhuǎn)座轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算:在上式中:-——在這里指的是相對旋轉(zhuǎn)座的轉(zhuǎn)動慣量;-——在這里是指電動機對旋轉(zhuǎn)座轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量;-在這里指的是旋轉(zhuǎn)座在轉(zhuǎn)動過程中的的角速度，單位；-是指旋轉(zhuǎn)座在動過程花費的時間，單位是(s);我們可以用一個桿件的示意結(jié)構(gòu)來描述參與旋轉(zhuǎn)座的轉(zhuǎn)動運動，由以上可知：手爪及夾具為22kg，小臂部件為12kg，大臂部件為15kg，下面的旋轉(zhuǎn)座的質(zhì)量為25kg，這樣看來，旋轉(zhuǎn)座部件相對于轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動慣量計算公式如下：假設(shè)旋轉(zhuǎn)座轉(zhuǎn)動的角速度為：旋轉(zhuǎn)座轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩為：。3.7傳動機構(gòu)中V帶的設(shè)計及選用帶傳動是一種常用的機械傳動裝置，他的主要作用是傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。大部分帶傳動是依靠撓性傳動帶與帶輪間的摩擦力來傳遞運動和動力的。在帶傳動機構(gòu)中主要由主動輪、從動輪、傳動帶和機架組成。3.7.1V帶的分類在碼垛機器人行走小車傳動機構(gòu)中傳動結(jié)構(gòu)是靠V帶傳動的，V帶傳動的原理是位于主動帶輪、從動帶輪和V帶組成，如下圖3-6所示。當原動機驅(qū)動主動輪運轉(zhuǎn)時候，由于帶和帶輪間的摩擦，便拖動從動輪一起轉(zhuǎn)動，并傳遞一定的動力。選擇帶傳動的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、傳動時平穩(wěn)、V帶的生產(chǎn)成本低，以及在傳動過程中振動小等特點。1-主動帶輪；2-V帶；3-從動帶輪圖3-6V帶傳動示意圖帶的傳動按照傳動原理分摩擦型帶輪和嚙合型帶輪，摩擦型帶輪示意圖見下圖3-7所示，嚙合型帶輪見下圖3-8所示。圖3-7摩擦型帶輪結(jié)構(gòu)示意圖圖3-8嚙合型帶輪結(jié)構(gòu)示意圖摩擦型帶輪分類主要有：V帶，平帶和同步帶三種。V帶傳動能力比其它兩種強，在相同張緊力和相同摩擦系數(shù)的條件下,V帶產(chǎn)生的摩擦力要比平帶的摩擦力要大,因此V帶結(jié)構(gòu)在傳動過程中更緊湊,在機械傳動中應(yīng)用最廣泛。V帶按其寬度和高度相對尺寸的不同,又分為普通V帶,窄V帶,寬V帶,齒形V帶,大楔角V帶等多種類型。目前,普通V帶應(yīng)用最廣。同步帶相當于平帶與多根V帶的組合,兼有兩者的優(yōu)點,多用于結(jié)構(gòu)要求緊湊的大功率傳動中。由于碼垛機器人采用小功率電機，綜合考慮，大小帶輪之間采用普通V帶。普通V帶已標準化，其周線長度Ld為帶的基準長度。普通V帶兩側(cè)楔角φ為40°，相對高度約為0.7，見下圖3-9所示。并按其截面尺寸的不同將其分為Y、Z、A、B、C、D、E七種型號，見下表3-1所示。本次選擇Y型V帶。圖3-9V帶截面機構(gòu)示意圖表3-1普通V帶橫截面尺寸（GB/T11544-1997）3.7.2V帶傳動的特點帶傳動的特點：（1）帶有良好的彈性，可緩和沖擊和振動，傳動平穩(wěn)、噪音小。（2）過載時，帶在帶輪上打滑，對其它零件起安全保護作用。（3）結(jié)構(gòu)簡單，制造、安裝和維護方便，成本較低。（4）能適應(yīng)兩軸中心距較大的場合。（5）工作時有彈性滑動，傳動比不準確，傳動效率低。（6）外廓尺寸較大，結(jié)構(gòu)不緊湊，帶的壽命短，作用在軸上的力大。（7）不宜用于易燃易爆場合。一般情況下，帶傳動傳動的功率P≤100kW，帶速5～25m/s，平均傳動比i≤5，傳動效率為94%～97%。目前帶傳動所能傳遞的最大功率為700kW，高速帶的帶速可達60m/s。3.7.3V帶的結(jié)構(gòu)和型號標準普通V帶都制成無接頭的環(huán)形。其構(gòu)造如下圖3-10所示。當V帶受彎曲時，帶中保持其原長度不變的周線稱為節(jié)線，由全部節(jié)線構(gòu)成節(jié)面。帶的節(jié)面寬度稱為節(jié)寬（bd）,V帶受縱向彎曲時，該寬度保持不變。圖3-10V帶截面示意圖3.7.4V帶的設(shè)計計算帶傳動的失效形式和設(shè)計準則由于帶傳動的主要失效形式是打滑和疲勞破壞，因此帶傳動的設(shè)計準則是在保證帶傳動不打滑的情況下，使帶具有一定的疲勞強度和壽命。單根普通V帶所能傳遞的功率在帶的實際工作條件與上述特定條件不同時，需對P0進行修正。修正后即得與實際條件相符的單根普通V帶所能傳遞的功率，稱該功率為許用功率[P0]。△P0功率增量，考慮傳動比i≠1時，帶在大輪上的彎曲應(yīng)力較小，故壽命相同的條件下，可增大傳遞的功率。Kα包角修正系數(shù)，考慮α≠180°時，對傳動能力的影響。KL帶長度修正系數(shù)，考慮帶長與特定長度不同時對傳動能力的影響。普通V帶傳動的設(shè)計方法和步驟已知條件和設(shè)計的內(nèi)容：傳動用途、工作情況和原動機種類；傳遞的功率Ｐ，主、從動輪的轉(zhuǎn)速n1，n2(或傳動比)；其它要求，如外廓尺寸及安裝位置要求等。設(shè)計的內(nèi)容：確定帶的型號、基準長度、根數(shù)；確定帶輪的材料、結(jié)構(gòu)尺寸；確定傳動中心距及作用在軸上的力；初拉力和張緊方式。綜上，計算和選用V帶的步驟如下：1、確定計算功率PC2、選擇V帶型號3、確定帶輪的基準直徑d1、d24、驗算帶速v5、計算中心距和帶長6、驗算小帶輪包角7、確定V帶根數(shù)8、計算初拉力F09、計算軸上壓力V帶功率的確定計算公式如下：上式中，KA工作情況系數(shù)，取值見表3-2所示。-指的是所需傳遞的額定功率（如電動機的額定功率或名義的負載功率，單位是KW。其具體取值見下表3-2所示：表3-2工作情況系數(shù)KA取值表查簡明機械設(shè)計手冊中表6-1-11[6]，按每天工作<10小時，載荷變動小，取KA=1.1V帶帶型的選擇查簡明機械設(shè)計手冊中圖6-1-3[6]。見下圖3-11所示，根據(jù)和,本次選擇的V帶帶型為A型帶。圖3-11選擇普通V帶選型圖V帶主動帶輪直徑和從動帶輪直徑的確定為降低帶的彎曲應(yīng)力，小帶輪的基準直徑d1應(yīng)大于或等于該型號帶輪的最小直徑dmin。大輪直徑由公式求得，并圓整，取標準系列值。表3-3V帶輪最小直徑及標準直徑系列查簡明機械設(shè)計手冊中表和表[6]中圖A型帶截型參考，選擇V帶的主動帶輪直徑：；下面對V帶帶速進行驗算。（m/s）經(jīng)過查文獻資料得。V在5～25m/s范圍內(nèi)，因此本次對主動帶輪直徑D1的取值是合適的。下面對從動輪的直徑進行計算。設(shè)主動帶輪和從動帶輪的傳動比為。計算公式如下：上式中，i-指主動帶輪和從動帶輪的傳動比比值。查《簡明機械設(shè)計手冊》中，V帶輪的基準系列圓整為D2=118mm那么，主動帶輪和從動帶輪的傳動比為：i=；(r/min)下面確定從動輪的帶速值。計算公式如下：(m/s)<Vmax由此得知，計算結(jié)果和經(jīng)驗數(shù)據(jù)偏差不是很大，基本能滿足設(shè)計要求，可以采用。確定中心距a和帶的基準長度初定中心距：化簡得，中心距的取值范圍：本次選中心距值為：下面根據(jù)中心矩值，計算帶的基準長度，計算公式如下：查簡明機械設(shè)計手冊中及參考Ld0的值,基準長度的取值取和Ld0相近的值，即：；V帶實際軸間距為：（mm）驗算V帶的包角：>確定V帶的根數(shù)：Z假設(shè)單根V帶的基本額定功率P1，由前面的計算得知，和,查簡明機械設(shè)計手冊表6-1-37，普通V帶功率計算取值，得,；查簡明機械設(shè)計手冊中的表[6]，當時，；查表簡明機械設(shè)計手冊中[6],,B帶，取KL=1.00(根)7）單根V帶的預(yù)緊力的確定查簡明機械設(shè)計手冊中表[6],B型帶中，8）作用在傳送帶軸上的力的計算NN3.7.5設(shè)計和選用V帶帶輪對于V帶輪的設(shè)計，質(zhì)量越小越好，設(shè)計的帶輪的結(jié)構(gòu)加工性需要良好；如果采用鑄造帶輪的話，鑄造帶輪應(yīng)無過大的鑄造內(nèi)應(yīng)力；設(shè)計的帶輪結(jié)構(gòu)上，質(zhì)量應(yīng)盡可能的分布均勻，帶輪在加工完后必須做的試驗為動平衡試驗；輪槽工作面要精細加工，以減少帶的磨損；各槽的尺寸和角度應(yīng)保持一定的精度，以使載荷分布較為均勻等。確定V帶帶輪的材料帶輪的材料主要采用鑄鐵，常用的材料牌號為HT150或HT200；轉(zhuǎn)速較高的宜采用鑄鋼；小功率的可采用鑄鋁或塑料。對于本次設(shè)計的碼垛機器人來說，所選用的V帶輪的材料為：鑄鐵HT150；帶輪結(jié)構(gòu)的確定鑄鐵制V帶輪的典型結(jié)構(gòu)有以下幾種形式：實心式，腹板式，孔板式，橢圓輪輻式。帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要是根據(jù)帶輪的基準直徑選擇結(jié)構(gòu)形式；根據(jù)V帶輪的槽型和帶輪的基準直徑，查[6]表小帶輪的基準直徑，B型槽，做成實心輪；大帶輪的基準直徑,B型槽，做成腹板式結(jié)構(gòu)；根據(jù)帶的截面類型確定輪槽的尺寸；確定了帶輪的各部分尺寸后，即可以繪制出零件圖，并按照工藝要求標注出相應(yīng)的技術(shù)條件。帶輪一般放在軸的端部，可以先求出軸的最小直徑：軸的基本直徑尺寸公式如下：P—指的是菠蘿分選機所需要的功率，單位是KW,本次取功率：；n—指的是帶輪軸的轉(zhuǎn)速，單位是r/min，本次取轉(zhuǎn)速：；A0，【τT】—指的是與軸材料有關(guān)的系數(shù)，在此處軸的材料為45號鋼本此所設(shè)計的碼垛機器人行走小車中的帶輪軸選用45鋼就能滿足要求，45鋼的可以查下表：表3-4帶輪軸常用幾種材料的及A0值軸的材料Q235-AQ275、35（1Cr18Ni9Ti）4540Cr、35SiMn38SiMo、3Cr13【τT】/MPa15～2520～3525～4535～55A0149～126135～112126～103112～97對于d≤100mm的軸，有一個鍵槽時候，軸徑要增大5%—7%，有兩個鍵槽時候應(yīng)該增大10%—15%。因為軸上有1處鍵槽，所以本此所設(shè)計的軸的鍵槽處直徑取值為：mm又由于碼垛機器人的主軸承受的是沖擊動載荷，故在設(shè)計時，軸的最小處直徑應(yīng)比理論計算的要大一些，然后，再綜合考慮，暫時選取。所以取。3.7.6V帶傳動的鍵的選擇在本設(shè)計當中，選擇圓頭普通平鍵聯(lián)接。因為圓頭普通平鍵（A型）宜放在軸在上指狀銑刀銑出的鍵槽內(nèi)，從而使鍵在鍵槽內(nèi)軸向固定良好。這種鍵用途廣泛。缺點是鍵的端部側(cè)面與輪轂并不接觸，不能參與傳遞轉(zhuǎn)矩，因而鍵的圓頭部分不能得到充分的利用，且軸上鍵槽端部的應(yīng)力集中較大。平頭平鍵（B型）是放在用盤銑刀銑出的鍵槽內(nèi)，因而避免的上述的缺點，但對尺寸較大的鍵，宜采用緊定螺釘固定在軸上的鍵槽中，以防松動。單圓頭平鍵（C型）則常用于軸端與轂類零件的連接?？紤]到結(jié)構(gòu)的簡單，安裝方便和與同一個軸應(yīng)采用的鍵應(yīng)統(tǒng)一，本設(shè)計中加工的鍵槽用端銑刀加工的，故可選用A型鍵槽。表3-5鍵的尺寸選擇6～8＞8～10＞10～12＞12～17＞17～22＞22～30＞30～38＞38～44b×h2×23×34×45×56×68×710×812×8軸的直徑＞44～50＞50～58＞58～65＞65～75＞75～85＞85～95＞95～110＞110～130b×h14×916×1018×1120×1222×1425×1428×1632×18鍵長系列6，8，10，12，14，16，18，20，22，25，28，32，36，40，45，50，56，63，70，80，90，100，110，125，140，180，200……由上表可來確定鍵的尺寸。由題目可知電動機的輸出軸的伸出長度為：L=112mm；軸徑為d=42mm；選用平鍵來進行V帶傳動的徑向定位。(經(jīng)查表得：小帶輪上的為：鍵12×90GB1096—79；表示為：圓頭普通平鍵（A型）；b=14mm，h=8mm；l=90mm；大帶輪上的為：鍵14×28GB1096—79；表示為：圓頭普通平鍵（A型）；b=14mm，h=9mm；l=70mm；)鍵的材料采用抗拉強度不小于600Mpa的鋼，常用45號鋼。鍵槽的表面粗糙度：軸槽，鍵槽寬度b兩側(cè)的表面粗糙度參數(shù)Ra值推薦1.6～3.2um;由軸的長度系列L確定鍵的長度為90mm。平鍵強度的校核，選擇好的鍵，便是校核其強度是否滿足實際工作的需要，根據(jù)強度校核公式：P=[P]τ=[τ]T—傳遞的轉(zhuǎn)矩N·m；d—軸的直徑mm；l—鍵的工作長度mm；k—鍵與輪轂的接觸高度mm，k=0.5h，此處h為鍵的高度；b—鍵的寬度mm；查表5-3-17[8]動連接，輕微連接，知，[P]=40MPa，[τ]=990MPa校核鍵12×90帶輪直接放在電動機軸上N.m校核鍵14×70N.m總結(jié)畢業(yè)到此可以做一個總結(jié)了，在設(shè)計中主要有以下幾個方面的內(nèi)容，首先在做該設(shè)計之前，筆者進行了大量專業(yè)知識的綜合性的鞏固和復(fù)習，把一些還不清晰的問題做了筆記，進行了解答之后再將所學書本內(nèi)容置于實踐設(shè)計中，所謂實踐是檢驗真理的唯一標準，就是這個意思，本次設(shè)計對于我來說極大的提高了我對機械手以及人工智能方面的認知能力，還有總結(jié)等綜合能力，對于機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的能力也有所提高。就本文的設(shè)計內(nèi)容來說，整個設(shè)計都是圍繞碼垛機器人中的各個主要機構(gòu)做出合理的設(shè)計，對于一些數(shù)據(jù)也做出了計算，這些設(shè)計過程都是會用到計算機二維和三維軟件，所以在計算機二維和三維軟件的使用上我的能力也有所進步，可以對機械設(shè)計的要領(lǐng)具有初步分析和掌握的能力了。在運用計算機時學會了AutoCAD等的使用，在手繪進行構(gòu)思之后