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

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；夹持工装；传送带；三维建模GrippingtoolingandsupportingU-conveyordesignoffourfreedom100kgpalletizingrobotTaoLiming[TrafficSchool,MechanicalEngineeringandAutomation,Class1104,20112814425]Abstract:Industrialrobotsaredevelopingrapidlynearlyhalfacenturyandhavebeentheemerginglaborassistant.Withtheincreasedautomationofindustrialsociety,industrialrobotswilloccupyanincreasinglyimportantposition,sotheresearchofindustrialrobotshasalsobecomeahotfield.ThedesignforindustrialrobotsblessingtoolingandsupportingU-shapedconveyorisdesigned,includingthechoicedependingontheloadcharacteristicsofthemotor,reducer,accordingtotheworkingconditionsoftheholdingstructuredesign,andadrawwithUGsoftwareemulation.Further,accodingtotheadvantageofavarietyofbelt,Iselectanddesignaconveyorbelt.Keywords:Industrialrobots;Clampingdevice;Conveyorbelt;Three-dimensionalmodeling1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:11Z蜗轮齿数：632Z（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:6.3arctan11dmz中心距：a=400mm涡轮直径：600601022mzdmm摇杆长度：l=450mm手指移动最大速度：5.4maxvm/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:%5.3100i(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涡轮角速度:10min/45.05.4maxradrv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/min2)折算到电机轴上的负载惯量Jd：执行部分转动惯量J1:22112iRMJ(2-3)将数据代入（2-3）得,21mKg000625.0J蜗杆的转动惯量：4132LdJs(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，2mKg028.0cJ折算到电机轴上的负载惯量:21mKg140.0csdJJJJ3)折算到电机轴上的转矩分析物体受力情况，见图2-1：GFF2121FF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2.1sK图2-1则所需夹持力鲁东大学本科毕业设计430002.11snKFN故转矩mN135045.03000lFMn蜗杆所受轴向力428663.0270022dMFxN折算转矩ipFTx211(2-6)将数据代入公式（2-6）得，mN203.01T4)步进电机轴上的加速转矩：DMamaJJtnT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MaJT5)折算到电机轴上的总转矩:）（mN27.39483.4203.027.3928.41MMaeqJJTTT电机选择取电机的安全系数K=1.5则所必须的转矩）（mN9.5872.627.39483.45.1MMeqMJJKTT查表25-2-30[1]初步选定电机型号2S110Q-047F0其转子惯量为24mKg109.10MJ有mN78.6109.109.5842.64MTmN523.4109.1027.39483.427.39483.44MeqJT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/r375mn其对应的运行频率为鲁东大学本科毕业设计560360mmnf(2-8)将数据代入公式（2-8）得，Hz1250mf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7.8mN4.235mN故电机2S110Q-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=100mN稳定时转矩T2:cottXFF122000dTFt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:sec2.01t稳定时间:sec22t减速时间:sec2.03t冲击时间:sec05.0emt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:min/r33.33emN3.3确定负载特性1)平均负载转矩鲁东大学本科毕业设计6310332211310333310222310111NtNtNtTNtTNtTNtTm(3-1)将数据代入公式（3-1）得，mN98.43mT2)平均输出转速321332211tttNtNtNtNm(3-2)将数据代入公式（3-2）得，min/r42.29mN暂时选定RV-40E-1053.4减速器校核1)验算寿命31000mmhTTNNKL(3-3)将数据代入公式（3-3）得，H103.56hL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、停止转矩为1029mNmN1029mN1001TmN1029mN1002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8-2-10[1]知，10540ERV的瞬时的最大转矩为2058mNmN2058mN200emT允许作用的次数emC：鲁东大学本科毕业设计7ememememtNTTC604057753100(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N155920tan4286tannxrFFN15591rFWmm364lmm803lmm3926.1726.913641lmm4386.176.913642abll3321110tMlWlW(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8-2-10[1]得的允许弯矩为1666mNmN1666mN5.11011000804286438173210003221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84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、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tWTmax(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][163maxdTWTt(4-3)由公式（4-1）（4-2）（4-3）得轴的直径mm7.25mm0257.0mm106020016][16363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%51min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-