《圖書館輔助機器人設計》12000字

PAGE13PAGE28圖書館輔助機器人設計摘要圖書館輔助機器人是一種新型裝置,它是獨自能夠完成抓取和移動工件。這次所設計的圖書館輔助機器人，可以在一定的空間內完成工件的抓放，它的動作十分的靈活并且多種多樣，他可以根據工件的形狀、大小及對工件抓放的方式，來改變它的相關參數,以便提高操作的準確性。這次所設計的圖書館輔助機器人，最主要的工作就是完成圖書館內書籍的上架工作。所以這就需要機器人要有夾持器、機械手臂、電機和良好的驅動系統(tǒng)，利用夾持器來夾取書籍；利用機械手臂來完成動作；利用電機和驅動系統(tǒng)來輸送動力。并且該機器人的特點應該具有非常好的靈活性和非常好的安全性等。本次課題的設計內容包括整體的結構設計和傳動系統(tǒng)的設計。目錄摘要 II目錄 IV第1章緒論 11.1課題背景及目的 11.2本課題研究的目的和意義 21.3工業(yè)機器人概念 21.4國內機器人的研究 2第2章圖書館輔助機器人的設計要求與方案 42.1圖書館輔助機器人的設計要求 42.2基本設計思路 42.2.1系統(tǒng)分析 42.2.2總體設計框圖 42.2.3電動機器人的基本參數 52.3電動機器人結構設計 52.4機器人材料的選擇 52.5機械臂的運動方式 62.6電動機器人驅動方式的選擇 62.7動作要求分析 72.8電動機器人結構及驅動系統(tǒng)選型 7第3章圖書館輔助機器人機械部分的設計計算 93.1手爪夾持器結構設計與校核 93.1.1手爪夾持器種類 93.1.2夾持器設計計算 103.2升降方向的電動缸設計 113.2.1滾珠絲杠的精度 113.2.2滾珠絲杠參數的計算 113.3伺服電機的選擇 153.3.1最大負載轉矩的計算 153.3.2負載慣量的計算 163.3.3空載加速轉矩計算 173.4水平方向電動缸的設計 183.4.1導程確定 183.4.2確定絲桿的等效轉速 183.4.3確定絲桿的等效負載 183.4.4確定絲桿所受的最大動載荷 193.4.5精度的選擇 203.4.6選擇滾珠絲桿型號 203.5校核 213.5.1臨界壓縮負荷驗證 213.5.2臨界轉速驗證 223.5.3絲桿拉壓振動與扭轉振動的固有頻率 223.6電機的選擇 233.6.1電機軸的轉動慣量 233.6.2電機扭矩計算 24第4章豎直方向電動缸 274.1滾珠絲杠計算、選擇 274.2步進電機慣性負載的計算 304.3底座回轉機構設計計算 324.4機身結構的設計校核 324.4.1選擇伺服電機的具體型號和參數 324.4.2標準斜齒圓柱齒輪傳動的強度計算 344.4.3本機構中齒輪傳動設計與校核 344.5軸的設計計算 394.5.1軸的設計概述 394.5.2軸的強度校核 42總結 46參考文獻 47緒論1.1課題背景及目的隨著社會的發(fā)展，人們對知識的需求越來越大，在一些大型的圖書館內取放書籍很是繁瑣，很是浪費時間和人力。而機器人的發(fā)展，對節(jié)省時間和人力資源具有非常重要的作用，解決取放書籍的方式必定會促進社會的發(fā)展。本課題設計的最關鍵的內容就是對于圖書館上架這一領域的疑問進行設計，設計一個能夠對于圖書館起到輔助作用的機器人，其主要的作用是用在書籍的取放，取代人工操作，從而有效提高工作效率，減少人工成本，提高圖書管理的自動化水平。1.2本課題研究的意義本課題設計的最關鍵的內容就是對于圖書館上架這一領域的疑問進行設計，設計一個能夠對于圖書館起到輔助作用的機器人，其主要的作用是用在書籍的取放。該機器人具有靈活、安全性好等特點，在人力方面，將解放人力資源，降低人員受傷的概率；在時間方面，更是能夠大大的節(jié)省時間成本。同時，通過對圖書館輔助機器人的設計，可使我將大學四年所學的理論知識和專業(yè)技能得到一次綜合的運用，提高自身理論與實踐相結合的能力，從而為今后的發(fā)展奠定堅實的基礎。1.3機器人定義截止到現在，國際上對于機器人的定義都是不一樣的，它的類別也是不一樣的，因為在國際上始終沒有一個統(tǒng)一的標準。在美國的定義是：機器人是通過編程來操作的，機器人主要用于搬各種各樣的材料，并且它的活動方式是多種多樣的。在國際標準化組織的定義是：機器人通過編程和控制對機器人發(fā)出指令。在中國的定義：機器人是通過獨立自主完成工作的機器，并且有著類似于人的自動化機器。1.4國內外機器人的現狀1.4.1國內機器人的現狀在2020年，我國對于機器人的研發(fā)在各個方面都給予大力支持，各個大學也都響應國家的號召，有的大學開設有關機器人協會；有的大學組建有關機器人研發(fā)的團隊；“在哈爾濱工業(yè)大學鄧宗全研制出一款三輪腿式管道機器人，管道機器人利用滾珠絲杠改變輪腿與機器人主架之間的角度，實現在管道內移動過程中適應不同管徑的目的?！盵16]雖然我國在極大的促進機器人的發(fā)展，但是所要面對困難也是巨大的，在一些電機的核心技術上還是有著很大的不足，還是在很大的程度上依靠著進口資源。還有另一方面，國際上的一些知名品牌在我國市場上，還是占有很大的份額，這就讓我國一些剛剛新起的企業(yè)很是難生存。1.4.2國外機器人的現狀在美國有一家公司，他叫公司，他是一家專門生產用于無人排爆的機器人，這家公司自己獨自開發(fā)了系列無人排爆機器人，該系列機器人可以獨自完成很多種排爆任務，并且能夠在極其復雜的道路行走，該機器人的動作多種多樣，他有三節(jié)的機械手臂，并且可以多方位的自由旋轉。國外的機器人行業(yè)發(fā)展十分迅速，對于它的利用也都用到了各個行業(yè)。但是相比于國內，我國的機器人行業(yè)并不落后于國外，特別是在服務行業(yè)，已經可以看到，大家對于機器人的利用很是認可。圖書館輔助機器人的設計要求與方案2.1圖書館輔助機器人的設計要求伴隨現在社會的快速推進的趨勢，對于圖書館在整個城市內占有比在逐步的增高，圖書館也在一點點的變大，這時圖書館在圖書管理上是一項麻煩的工作。所以這次設計的圖書館輔助機器人，應該具有良好的移動性能，并且對于圖書的擺放與抓取十分的精準，同時也要有非常好的安全性能。2.2電動機器人的基本參數1.所抓取的重量20kg；2.對于豎直方向電動缸的滾珠絲杠選取的是5級精度，公稱直徑是，導程；3.對于大齒輪齒數的選擇是，對于小齒輪齒數的選擇是；其次，開始選擇的螺旋角為；再次是使用的斜齒圓齒輪運輸的精度等級為7級；4.圖書館輔助機器人最主要的參數其中之一那就是精度，所以對于物料電動機器人整體的定位精度設置為。2.3基本設計思路2.3.1系統(tǒng)分析機器人的系統(tǒng)應該有控制系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、感知系統(tǒng)等，各個系統(tǒng)應該相互配合，才能完成一系列的動作。所以這就需要對各個系統(tǒng)的精度要求十分的精準。首先需要對各個系統(tǒng)進行分析，分析結果如下：1.控制系統(tǒng)：主要是對各個系統(tǒng)起到發(fā)出命令，各個系統(tǒng)根據接受的命令，完成一系列指定的動作；2.驅動系統(tǒng)：主要是對各個系統(tǒng)輸送動力；3.機械系統(tǒng)：主要是根據需要完成一系列的動作，包括機械運動、機器人的結構、動力的傳遞等；4.感知系統(tǒng)：是根據感應做出的反饋信息。2.3.2總體設計框圖2.3圖書館輔助機器人結構設計結構設計所包含的內容有：機械手臂的擺動與轉動、夾持器的結構等。綜上所述，通過坐標來進行選取更能夠達到本次機器人設計的標準。2.4圖書館機器人材料的選擇機器人在材料的選擇上，應該滿足機器人的設計要求，因為機器人需要完成各種各樣的動作，所以從材料的選擇上，應該根據所工作的環(huán)境，運動的形式，選擇更加輕一點的材料。但是在機械臂振動的過程中，減少了運動精度，所以也要考慮材料的強度問題。機器人的材料與一般的材料不同，它是一種伺服機構，對于機器人必須有控制性。所以在材料的選擇上，更應該綜合的去考慮。2.5機械臂的運動方式機械臂是由大臂和小臂組成的，它的運動方式類似于人的運動方式，是由大臂帶動小臂來完成動作，大臂與控制系統(tǒng)相連接。由于在機器人運動方式上的不同，機器人的種類也是不同的。在日常生活中有幾種經?？吹降倪\動形式，其中就有：在一些比較先進的機械工廠內有極坐標機器人與圓柱坐標機器人；還有一種就是類似于的機器人的是聯合型機器人。由于當今社會的飛速發(fā)展，一種的運動形式已經滿足不了當今社會的發(fā)展需求，所以在結構的選擇上，應該選擇相對而言更加適合的結構。但是一定要依照操作要求。下列的這三種機器人有著類似于人手臂的結構，有兩個肩關節(jié)和一個肘關節(jié)，還有一個手腕方向。他們主要是與肩垂直，圍繞著肩開始旋轉。在旋轉過程中，其中的一個肩要有斜度。兩個肩關節(jié)要有正交軸，并且要與第二軸的肩關節(jié)相平行。由于本次課題所設計的是圖書館輔助機器人，在圖書館內所使用的空間畢竟有限，所以該機器人不可以占用空間過大；機械臂的擺動要足夠的靈活；形狀也不易過大。綜上所述關節(jié)式機械臂更加適合此次設計的機器人。直接驅動式（b）平行連桿式（c）關節(jié)偏置式圖三常見的運動方式2.7動作要求分析第一，對于手部的要求，這一部分能夠跟書籍直接的進行觸碰，因此它需要擁有著將圖書成功的送出的要求；第二，它需要在送書的過程進行之前就進行提前夾緊，夾持器在夾取書籍的過程中，在不損害書籍的情況下，確定好合適的夾緊力，可以在夾取的過程種更加穩(wěn)定一些，形變量小。對于易損的書籍，設計的整個過程中需要能夠將夾緊力的大小隨時進行調整，像那些厚重的書籍需要思考的是對于夾持書籍的整個過程中的安全問題，所以可以對其使用自鎖裝置；第三，臂部，最關鍵的維持構件就是手臂的構件，它起到的效果就是將手部還有臂部加以支持，同時將它們帶動起來做空間運動。臂部運動的目標是將手部傳遞到空間運動領域內隨意的一點當中，假如手部的方位被轉換，那么如果想達到目標，就得使用腕的靈活度。所以正常情況下臂部擁有三個靈活度才能夠將其標準達到，也就是左右旋轉，手臂的舒展情況還有上下運動。手臂在諸多運動當中一般都是將驅動架構作為首選，通過其他的運輸構架來達成，所以在送書的整個過程中它的手臂能夠進行旋轉以及上升；第四，在送書的整個過程中它的小臂能夠進行伸長；第五，對于腕部，這一部分是手臂相連的構件，它可以將書籍被抓之后的方向進行調整，進而對其能夠動作的領域進行提高，而且能夠使得機械手變得隨機應變。手腕擁有著自己單一的自由度。它還能夠在各種方位上進行擺動，正常情況下手腕都有著回轉運動，那么要是希望其達到工作的標準，只要隨后添加上下方位的擺動即可，很多機器人操作起來比較容易，為了能夠將其架構進行整體的改變，可以先不設置腕部，先是通過手臂運動將手部的運動零件全部驅動開來，因此并且擁有著靈活性，在送書的整個過程中需要它的手腕能夠進行旋轉。預夾緊手臂上升手臂旋轉手臂伸長手臂轉回手腕旋轉圖2.2電動機器人動作簡易圖2.8圖書館輔助機器人結構及驅動系統(tǒng)選型一般我們遇到的驅動方式大部分都是靠電驅動的，所選擇的結構是圓柱坐標系結構。由于驅動的方式是靠電，所以驅動系統(tǒng)所運用的是伺服電機。由伺服電機來驅動，主要是向機械臂和機器人本身輸送動力，用于機械臂的活動、機器人的移動、夾持器的抓取。PAGE27圖書館輔助機器人機械部分的設計計算3.1手爪夾持器結構設計與校核3.1.1手爪夾持器的設計對于手爪夾持器的設計，應該根據所夾書籍的狀況，所使用的手爪形式是連桿杠桿式。并且它能夠經整個活塞進行反復的運行，而且經過活塞的中間，扇形，以及桿端齒條能夠將整個手指進行打開以及關閉。因此需要擁有以下幾個特點：1．有適當的夾緊力夾持器在夾取書籍的過程中，在不損害書籍的情況下，確定好合適的夾緊力，可以在夾取的過程種更加穩(wěn)定一些，形變量小。對于易損的書籍，設計的整個過程中需要能夠將夾緊力的大小隨時進行調整，像那些厚重的書籍需要思考的是對于夾持書籍的整個過程中的安全問題，所以可以對其使用自鎖裝置；2．有足夠的開閉范圍其次是對于整個的打開以及最終關閉的范圍應該設計完善，在整個夾持的過程當中會有一個手指張開以及進行關閉，其它們張閉能夠最大承受的變化就叫做開閉范圍，正常情況的前端都會存在開閉裝置，可以用夾持器張開與閉合的角和夾指的距離來對其說明。一般使用的都是夾持式手臂，相對來說多見的是兩指的情況偏多，也有少部分是多指的情況?；剞D型的手指有著不大的開閉角，并且有著簡易的制作流程，沒那么繁瑣的架構，并且能夠廣泛的使用在諸多場合當中。移動型的手指相對來說，有著很繁瑣的架構，在移動手指夾持那些能夠改變的直徑的過程中，軸心的位置沒有受到影響，進而不一樣直徑的構件它都能夠進行夾持，因此要將整體的范圍進行完善的設計。3．力求結構簡單，重量輕，體積小夾持器在工作時的運動狀態(tài)經常變化，它的運動狀態(tài)直接影響整個機械手抓取的重量、定位的精度、運動的速度等。所以在設計夾持器前端的位置時，它的結構應該簡單一些，重量輕一些。4．強度和剛度最后是對于強度和剛度的要去，在夾取的時候，夾取的強度要確保合適，并且剛度的相對標準需要高一些，因此使用的是兩指鉗抓，并且是外卡式的。3.1.2夾持器設計計算當機器人工作時，夾持器應該滿足[3]： （3-1）公式中：夾緊力；：安全系數；：動載系數，可按算，a為加速度，為重力加速度；：方位系數，查表選?。唬杭僭O被抓持重量；將這些數字帶入可以得出：；理論驅動力的計算可得[3]： （3-2）公式中：驅動力；：回轉支點垂直距離；：分度圓半徑；：傳動效率；：分度圓直徑；將其代入以后就能夠運算出：3.2升降方向的電動缸設計3.2.1滾珠絲杠的精度最終選定它的材料應該選取的等級為級，所以開始設絲杠在能夠運行的路程為500mm時，它的行程偏差準許達到30um。3.2.2滾珠絲杠參數的計算（1）最大工作載荷的計算絲杠能夠承受的極限荷載力表示的是在整個運行的過程中能夠擁有的極限摩擦力以及進給力，設該向能夠承受的極限進給力=5000N，并且整個移動構件的質量大概設為，摩擦系數為，所以能夠將最小的載荷[3]： （3-3）最大載荷是： （3-4）平均載荷是： （3-5）（2）當量動載荷的計算根據動荷載還有整個導向的路程，選取的滾珠絲杠副的類型，應該選擇的原則是：公式中Coa：靜載荷：額定靜載荷Ca≤Cam公式中Ca：動載荷Cam：額定動載荷當絲杠達到極限的轉速是2000rmin，它輸送最低的力可以達到的速度是0.5mmin,當它用最小的旋轉速度運轉時，可以忽略不計，因此均勻旋轉的速度是n=1000r （3-6）==900（h）當量動載荷值[3]：(3.7)公式中：：載荷性質系數；：精度影響系數，對4、5級精度的絲杠取。代入數據得：通過將獲取的動載荷還有開始選取的絲杠導程，經過整個滾珠絲杠試驗品的調查以后，選取FF6310-5型滾珠絲杠副，它的公稱直徑是，導程為，Cam=56600N>Ca=50582N,因此可以滿足標準

表3.1滾珠絲杠螺母副的幾何參數名稱符號計算公式結果公稱直徑（mm）63導程(mm)P10接觸角鋼球直徑(mm)螺紋滾道曲率半徑(mm)螺紋升角(mm)偏心距(mm)絲杠大徑(mm)絲杠小徑(mm)螺桿接觸點直徑(mm)螺母螺紋大徑(mm)螺母小徑(mm)（內循環(huán)）（3）傳動效率的計算：公式中φ：摩擦角φ=將數據代入，得傳動效率。（4）剛度的驗算所以結構是一頭固定另一頭是運動的的端向進行穩(wěn)固的方式。一般在穩(wěn)固端使用的是直接接觸軸承，并且另一端也能夠直接跟軸承進行接觸的絲杠。1.滾珠絲杠滾道間的接觸變通過，能夠將單圈滾珠數求出，并且整個滾珠為的圈數×列數，然后代入到中，能夠得出滾珠的數目為。絲杠預緊的整個過程中，將預緊力表示為時。可得：（3.10）代入數據得：b、絲杠在整個運行過程中的載荷的抗壓變形與軸承的距離為，鋼的彈性模量，所以絲杠它的橫截面積[3]：()根據公式[3]：C、總的變形絲杠的有效行程為，絲杠對于在形程500—630mm內，它能夠給予的誤差能夠到達30μm,，所以能夠達到剛度的標準。（5）穩(wěn)定性的驗算：(3.10)公式中fk：支撐系數I：截面慣性矩L:：螺母到軸向不變那一處的距離取極值L=1200mmK：壓桿穩(wěn)定安全系數帶入數據得：則大于，因此不可能有不固定的現象，可以到達正常運作的準則。（6）臨界轉速的驗算公式中：絲杠支承系數最后可以得到：n≈8140rmin,因為極限的的速度大于旋轉的速度，所以不可能顯現出共同振動的的景象。（7）滾珠絲杠的選擇與安裝尺寸的決定通過上述的計算來看絲杠型號能夠達到標準，所以使用的是該型號的安全尺寸。（8）絲杠支承的選擇本次設計絲杠能夠支撐的是一邊固定，絲杠的另一邊可以完成挪動的裝備。3.3計算伺服電機的參數3.3.1最大負載轉矩的設計因為選取的電機額定轉矩需要比極限承受的負載轉矩要大。所以能夠承受的極限轉矩T能夠通過以下的公式進行運算：(3.12)絲杠導程，預緊力有上述計算（3.10）可知，可以經過運算其機械效率為，并且摩擦力矩：(3.13)通過翻閱《機械設計》可以知道單獨一個的軸承摩擦力矩是，那么兩個軸承的摩擦力矩是。則最大負載轉矩：伺服電機的額定轉需要比目前的值要大。3.3.2負載慣量的選擇負載慣量能夠經過按壓來運算，并且其重量是，直到電動機軸的慣量能夠運算至電動機軸上的慣量。(3.14)公式中：為滾珠絲杠導程；：質量。經過公式將電動機軸的慣量加以運算的： (3.15)可表示聯軸器和鎖緊螺的慣量，通過查閱《機械設計》可知，即。負載總慣量運算的公式：轉子慣量需要達到的要求是能夠跟負載慣量進行完善的對應。所以通過資料，能夠與之對應的標準公式為：(3.16)則所選應在范疇以里。通過之前的設計可以選擇交流伺服電機，它的型號是a223000i型，該電機的額定轉矩是22N?m，極限轉速，轉動慣量3.4水平方向電動缸的設計滾珠絲桿副的整體結構包括滾動的圓珠、絲桿和螺母。當中極其主要的的效果是將直線和旋轉這兩個領域的運動對其加以變換，并且螺母與絲桿內部使用的是滾珠。X能夠承受的極限路程為，那么能夠承受的極限進給速率為18mmin,所以在設計時，它的質量應該是80kg，并且整體挪動的結構質量應該是30kg，工作臺能夠承受的極限路程是。3.4.1導程確定電機的極限旋轉速度異極限轉矩，所以絲杠的導程是：因此取12mm3.4.2確定絲桿所受的最大動載荷公式中：負載性質系數：溫度系數：硬度系數：精度系數：可靠性系數：等效負載：等效轉速代入數據可以算出3.4.3精度的選擇對于機器人最關鍵的參數還有定位的精度，如果定位的精度不足，就會出現不能夠達到想要的功能標準，如果準確度過高，就會出現過高的成本。所以對于物料電動機器人整體的定位精度設置為，并且該機器人的所有構件的基本參數都能夠通過以上了解的物料電動機器人的諸多零件的時間以及對應的路程來進行決定，正常情況下對于剛開始的設計來說，設置的絲杠的全部路程變動量需要將給予的精度值比需要達到標準的精度值更小，大概在，并且最終的確認方法是最終的精度檢驗當中。3.4.4選擇滾珠絲桿型號計算得出則公稱直徑絲桿的型號為FFZD4010?3公稱直徑絲桿外徑鋼球直徑絲桿底徑圈數Z=3Coa剛度3.5校核干預滾珠絲桿副體系最關鍵的就是軸向拉壓以及定位精度當中震動的穩(wěn)固頻率，并且它扭轉的剛度會將整個的穩(wěn)固評率干擾。能夠承擔軸向負荷的拉壓系統(tǒng)有其自身的拉壓剛度，并且絲桿副內通道的觸碰剛度等諸多構件都會經過不同的支撐結合的形式來經過運算以后來進行確定。3.5.1臨界壓縮負荷驗證臨界壓縮負荷的運算公式為：公式中：材料的彈性模量：最大受壓長度m：安全系數：極限軸向工作負荷N：絲桿支撐方式系數：當絲桿螺紋不工作時的長度，應該是它的整體長度。支撐距離應該大于絲桿螺紋部分長度，選取將數據套入可以得到可以得到，因此最低的壓縮負荷可以達到標準。3.5.2臨界轉速驗證絲杠能夠承受的極限轉速為：式中：：絲桿最小截面：：臨界轉速計算長度，本設計中該值為：安全系數：絲杠支承系數fz經過計算，得出，所以經過以上運算之后能夠得出該轉速能夠達到預期的標準。3.5.3絲桿拉壓振動與扭轉振動的固有頻率拉壓系統(tǒng)剛度的計算:公式中A：絲杠最小橫截面,；螺母座剛度。因為導軌移動兩端的時候，會存在剛度的極值，當中L=750~100通過計算可以得出：式中：滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度；：絲杠副內滾道的接觸剛度；：絲杠本身的拉壓剛度；：軸承的接觸剛度。通過以上的運算能夠得到絲杠的額定效率相比之大，因此可以完成最開始設想的標準。3.6電機的選擇步進電機能夠把一種類型的電信號轉化成其他運動形式信號的器件，是整個運動當中的一種電磁實行器件，并且電機整體的回轉角能夠伴隨著輸入脈沖數的提高而隨之提高，依據輸送信號的周期與適合旋轉的速度相對應，因此當步進電機的慣量很小的時候，整個定位的準確度大，不會出現過大的偏差以及整個操控相對容易等諸多優(yōu)勢，因此該產品能夠使用在所有機電產品內。使用這種電機的過程中要先確保步進電機整個的輸出功率要比負載過程中要求的功率要大，并且還要將轉動的慣量以及運行的環(huán)境等諸多要求考慮在內。3.6.1電機軸的轉動慣量1、回轉運動件的轉動慣量公式中d：絲桿外徑d=39.5mmL：長度L=1mρ：鋼的密度將上述數據帶入得2、當運動件橫向運動時，對絲杠產生的慣量公式中M:質量M=160kgp絲桿螺距p=0.001m通過推算可以得出：3、聯軸器的轉動慣量查閱《機械設計》得所以3.6.2電機扭矩計算1、電機軸上的極限加速力矩公式中：：加速時間：系統(tǒng)增量,所以通過推算可以算出：2、電機軸上的摩擦力矩公式中：導軌摩擦力f:為摩擦系數—傳動效率，I:傳動比I=1通過推算可以得出3、絲桿預緊引起的附加摩擦力矩公式中P：滾珠絲桿預加載荷P≈1500N:未預緊時的傳動效率為經通過推算得出空載扭矩從上面推算可以得出，取電機為SIEMENS的IFT5066，額定轉矩為6.7N?m。第4章豎直方向電動缸4.1滾珠絲杠的設計選擇絲杠的材料：CrWMn鋼，HRC58~60，導程：d0強度計算絲杠軸向力：公式中K=1.15，摩擦系數f=0.003~0.005；使用時間：，當中絲杠旋轉的速度極限動載荷：公式中:載荷系數fw=(1.2~1.5):硬度系數fH=1.0將數據帶入計算得:最終選擇CM系列滾珠絲杠，型號是CM2005?5所以額定動載荷.運用的是外循環(huán)螺旋槽式,采用的是雙螺母螺紋預緊形式.傳動效率計算絲杠螺母副的傳動效率為：公式中φ：摩擦角。穩(wěn)定性計算因為在絲杠兩端所運用的為止推軸承，所以在運行時對穩(wěn)定性不做要求。剛度計算滾珠絲杠的變化量：因為豎直方向受牽引力比較大,所以豎直方向推算：扭矩受導程的影響很小，所以可以不記。導程變形總誤差?：E級精度4.2步進電機慣性負載的設計(１）電機所做的功與負載力所做的功有如下的關系：公式中T:等效負載力矩；P:負載力；Φ：電機轉角；S:工件的挪動位置；傳動效率。選擇，，。因此：公式中：：移動部件負載；：移動部件質量；：移動部件上負載力；：導軌摩擦系數；：電機的步距角；：電機軸負載力矩。取。因為需要顧慮到重力的因素，豎直方向的電機相對于大一些，所以G=1200N，因此存在：因為裝置在開啟的時候會受到的因素，所以啟動轉矩：所以：電機的運行方法是三相６拍：(２）電機可以接受最大的工作周期相對能夠承受的極限工作頻率大的同時也要保證電機展現空載的觸發(fā)頻率，并且能夠保證電機的極限靜轉矩完善，所以使用的是型的兩個三相反應式步進電機電機。4.4機身結構的設計校核臂部，最關鍵的維持構件就是手臂的構件，它起到的效果就是將手部還有臂部加以支持，同時將它們帶動起來做空間運動。臂部運動的目標是將手部傳遞到空間運動領域內隨意的一點當中，假如手部的方位被轉換，那么如果想達到目標，就得使用腕的靈活度。所以正常情況下臂部擁有三個靈活度才能夠將其標準達到，也就是左右旋轉，手臂的舒展情況還有上下運動。手臂在諸多運動當中一般都是將驅動架構作為首選，通過其他的運輸構架來達成，所以在送書的整個過程中它的手臂能夠進行旋轉以及上升。4.4.1選擇伺服電機的具體型號和參數1、電機額定功率的確定機芯的額定功率要大于等于在工作過程中的實際功率。但是額定功率所需求的要比運行的需要小，而且不可以確保整個機器能夠按照標準進行完善的運行，或者是由于馬達經常過載運行導致的發(fā)熱量過多而提前磨損的現象，額定功率大就會造成馬達的成本過大，輸入的功率過大所需要的功率過小造成揮霍。實際功率：(3-1)公式中：T=5247N?m,電機工作效率，輸出功率：(3-2)公式中：是總效率。齒輪：軸承：蝸桿;。所以 (3-3)通常電機的額定功率 因為需要得到稍微大一點的預留量所以選擇的電機額定功率是：。2、轉矩通過后邊的齒輪所產生的的轉矩可以知道：3、電機轉速的確定齒輪傳動比：3?5蝸桿渦輪傳動比：20?100，所以整體的傳動限度是：電機轉速的范圍：通過綜合考慮，最終選擇SGMAH?44BA6型號電機，更加適合此次設計的需求。4.4.2標準斜齒圓柱齒輪傳動的強度計算(1)輪齒的受力分析齒輪在運轉時要利用一些潤滑，所以各個齒輪在配合的時候所產生摩擦力很是微小，而且整個運算輪齒在受力的整個過程中能夠不將其進行。由齒輪間相互配合的線施加在總齒面的法向載荷與齒輪的齒面互相垂直，為了能夠達到簡便的運算，把在節(jié)點當中變?yōu)閮蓚€能夠互相垂直的力，也就是徑向力和圓周力，進而能夠經過以下的公式運算：(4-6)(4-7)(4-8)式中：：小齒輪轉矩；：小齒輪分度圓直徑；α：配合角齒輪。之所以力的方向相對，是因為輪齒上兩個力相等。(2)齒根彎曲疲勞強度計算輪齒受到的彎矩最大的過程就是在受載的過程，所以齒根部分擁有著最低的疲勞強度，輪齒跟齒頂部進行嚙合的整個過程中，彎矩的力臂最大，不過并不是力也能夠達到極限，所以彎矩沒有過大，所以齒根彎曲強度需要經過載荷作用在一對嚙合區(qū)的極限點來進行運算。由于該計算手段相對繁瑣，一般情況使用的都是高準確度的齒輪進行傳輸。4.4.3本機構中齒輪傳動設計與校核首先：對于大齒輪齒數的選擇是。對于小齒輪齒數的選擇是；其次，開始選擇的螺旋角為；再次是使用的斜齒圓齒輪運輸的精度等級為7級；最后是使用的小齒輪材料是45，硬度是的，大齒輪跟小齒輪的材料相同。經過按接觸強度計算：(4-9)公式中K:選載荷系數φd:齒寬系數ZE:彈性影響系數(4-10)接觸疲勞強度極限:(4-11)應力循環(huán)次數:(4-12)(4-13)計算接觸疲勞許用應力:(4-14)(4-15)公式中KHN1,KHN2:接觸疲勞壽命系數S:安全系數圓周速度：(4-17)齒寬：(4-18)模數：(4-19)齒高：(4-20)齒寬齒高比：(4-21)根據，7級精度，動載系數斜齒輪：所以載荷系數(4-24)6）校正之后分度圓直徑(4-25)計算模數m(4-26)3.按齒根彎曲強度設計：(4-28)公式中σFS:彎曲疲勞安全系數S=1.2σFE:彎曲疲勞強度極限彎曲強度的計算：(4-27)公式中KFN:彎曲疲勞壽命系數εβ:重合度系數,YF?:齒形系數,YSa:應力校正系數,當量齒數(4-30)(4-31)代入數據得：7）齒輪相對比(4-32)(4-33)相比之下小齒輪比較大一些。齒數：(4-35)公式中Z:齒數m:模數m=4mm所以則幾何尺寸計算計算中心距(4-36)計算齒輪寬度(4-37)按圓整后中心距修正螺旋角(4-38)計算大小齒輪分度圓直徑(4-39)(4-40)計算齒輪寬度選擇小齒輪齒寬為14mm，大齒輪齒寬為70mm.4.5軸的設計計算4.5.1軸的設計概述軸是重要零件之一，有兩個主要功能：一是支承做回轉運動的零件（如凸輪、齒輪、帶輪及聯軸器等），并保證其有確定的工作位置；二是傳遞運動和動力。[17]軸的設計原則：選取合適的材料和處理方法。結構設計符合功能需要。軸各項指標的計算要求選取準確的公式計算，絕大多數軸都要對其進行疲勞強度的計算并進行驗算；為了排除共振的可能性以避免帶來危害，還要計算其是否足夠穩(wěn)定。軸的各部分功能不完全同，據此可以分成5部分：軸頭：能和傳動部分配合的一端軸頸：和軸承配合軸身：鏈接軸頭和軸頸軸環(huán)：半徑徑最長實現位置鎖定功能的部分軸肩：截面大小變化處的部分另外，還存在軸肩處應有的過渡圓角，軸端處的倒角，鍵槽等結構。軸不能有效工作的主要原因是在長期有變化的力（變應力）作用下疲勞而損壞。軸的材料選擇必須符合相應強度、韌性等，軸上有相對運動的部件還應該選取抗磨損的材料。除此之外，還要注意應力集中現象可能帶來的不不良結果。因為要保證軸上零件的穩(wěn)定性，所以軸肩處的圓角半徑R需一定要小于零件內孔的圓角半徑R1或倒角C1；軸肩高度最高不超過0.1d最低不低于0.07d，軸環(huán)寬度b=1.4h，或者可以采取套筒定位。為了使周上零件不在軸上發(fā)生滑動，一定要進行雙端固定。其他常見的軸向固定方法可采用螺母、擋圈、壓板等配合軸肩和套筒實現軸上零件的軸向固定。當轉矩很大時，可以考慮使用花鍵連接，或者兩種方式全都使用以達成固定的目的。當轉矩較小時，可使用釘螺釘、銷釘等方法。尺寸規(guī)范軸本身包括其零件，從設計、鑄造到加工，部件配合尺寸等等全部按照國標為準軸疲勞強度的提升。4.5.2軸的強度校核軸上的功率，轉速，和轉矩取軸承和齒輪的效率為0.98(4-44)(4-45)先將軸最小直徑確定。取材料45鋼時， d因為軸徑只能選擇整數，所以軸徑采用的是30mm，因此可以達到軸徑強度在選擇材料時，應該選擇已經加工過的材所以軸上的載荷：軸上所受力為轉速功率齒輪截面處的如下所示載荷水平面H垂直面V彎矩MH總彎矩M扭矩T(4-48)計算彎矩