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

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Gripping tooling and supporting U-c

2、onveyor design of four freedom 100kg palletizing robotTaoLimingTraffic School, Mechanical Engineering and Automation,Class1104, 20112814425Abstract: Industrial robots are developing rapidly nearly half a century and have been the emerging labor assistant. With the increased automation of industrial

3、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 choice depending on the load characteristics of t

4、he 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; Clamping device; Conveyor belt; Three-dimensional

5、 modeling1 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,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

6、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:蜗轮齿数：（此结构为1/4个涡轮）传动比：蜗杆分度圆直径：d1=160mm蜗杆导程角:中心距：a=400mm涡轮直径：mm摇杆长度：l=450mm手指移动最大速度：m/min加持与传动机构质量：M1=50kg联轴器的质量:M2=13

7、.1kg联轴器外径：D=160mm摩擦因数:蜗杆长度：l1=616mm机械效率:(2-1)带入公式（2-1）得2.3 电机选择1) 电机转速涡轮角速度:rad/min涡轮转速:r/min蜗杆转速：(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:(2-3)将数据代入（2-3）得,蜗杆的转动惯量：(2-4)将数据代入公式（2-4）得， 联轴器的转动惯量：(2-5)将数据代入公式（2-5）得，折算到电机轴上的负载惯量:3) 折算到电机轴上的转矩分析物体受力情况，见图2-1：其中 G为物体重量；为摩擦因数；为正压力。计算得=2500N

8、取安全系数 图2-1则所需夹持力N故转矩蜗杆所受轴向力N折算转矩(2-6)将数据代入公式（2-6）得，4) 步进电机轴上的加速转矩：(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，5) 折算到电机轴上的总转矩:电机选择取电机的安全系数K=1.5则所必须的转矩查表25-2-301初步选定电机型号2S110Q-047F0其转子惯量为有由步进电机2S110Q-047F0的最大静转矩为步距角为6) 初选电机验算夹持部件最大平移速度对应电机转速为其对应的运行频率为(2-8)将数据代入公式（2-8）得， 由2S110Q-047F0的特性曲线图分析得出，

9、此速度时电动机的输出转矩约为7.8>4.235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=100稳定时转矩T2:得停止时最大转矩T3:冲击转矩Tem:加速时间:稳定时间:减速时间:冲击时间:启动转速:稳定转速:制动转速:冲击转速:3.3 确定负载特性1) 平均负载

10、转矩(3-1)将数据代入公式（3-1）得， 2) 平均输出转速(3-2)将数据代入公式（3-2）得， 暂时选定RV-40E-1053.4 减速器校核1) 验算寿命(3-3)将数据代入公式（3-3）得，其中K：额定寿命（Hr）：所求寿命时间（Hr）：平均输出转速（r/min）: 额定输出转速（r/min）：额定转矩（Nm）：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1029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

11、停止时的转矩查8-2-101 知，的瞬时的最大转矩为2058允许作用的次数：(3-4)将数据代入公式（3-4）得，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）所受轴向力所受径向力(3-5)其中：输出轴倾斜角度（arc.min）：弯矩刚性（Nm/arc.min）、：负载（N）、：到负载作用点的距离：负载点到安装面的实际距离将数据代入公式（3-5）得， 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综上所述：的各项指标均满足使用要求，故此处选用减速器。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

12、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(4-1)其中T为轴所受的扭矩；为抗扭截面系数；(4-2)蜗杆选用45钢制造，取45钢的需用扭转应力为经上节分析知蜗杆所受最大转矩为冲击转矩， 根据扭转的圆轴的强度条件，确定其直径(4-3)由公式（4-1）（4-2）（4-3）得轴的直径由于键槽的影响，轴的直径

13、扩大5%，取安全系数=2得轴的直径由轴的结构设计易得，联轴器链接处的直径最小，取为56mm。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固定连杆如图4-3所示图 固定连杆设计尺寸从动连杆设计如图4-4：图4-4 从动连杆设计尺寸手指设计如图4-5所示：图4-5 手指结构设计及尺寸防护壳设计如图4-6所示：图 防护壳结构设计及尺寸装配图如图4-7所示：图4-6 装配图4.2 联轴器的选择涡轮蜗杆传动属于连续传动，冲击小，并且机器人夹持装置装配误差下，两轴间的相对位移很小，故该设计初步选用刚性联轴器。根据联轴器安装轴径，选择内径为5

14、6mm的联轴器。由以上计算分析知所传递的动力参数，理论转矩为，转速为n=31.8r/min；初选GB/T 5843-2003中GYH7型凸缘联轴器。工作机参数，每分钟启停Z=180次/min，环境温度t=40其主要参数为：最大转矩；公称转矩半联轴器转动惯量。由表6-3-51查的，启动系数KZ=1.3；由表6-3-61查得，温度系数Kt=1.1；冲击系数，Ka=1.8。冲击载荷由公式(4-4)由（4-4）带入数据得输入端的冲击转矩小于凸缘联轴器的最大转矩，所以，该联轴器满足要求，可以选用。4.3 轴承的选择与寿命校核根据蜗杆轴结构的设计，选择内径为75mm的轴承，初选7215B轴承,面对面安装。

15、1) 计算轴承的内部轴向力、由表2知，7215B轴承的内部轴向力(4-5)则由公式（4-5） 方向向左 方向向右2) 计算轴承所承受轴向载荷、 因为所以，轴的运动趋势为向左，左轴承会被压，右轴承则会被被松。3) 当量动载荷、轴承1 由表12-102查得X1=1，Y2=0 故根据公式(4-6)由（4-6）代入数据得轴承2 由表12-102查得X2=0.35、Y2=0.57根据公式（4-6）代入数据得4) 轴承的寿命计算由于蜗杆两端轴承选择的型号相同，且，故只计算即可。球轴承寿命系数；查表12-72，温度系数；查表12-82，载荷性质系数(4-7)由公式（4-7）代入数据得远远超过机器使用寿命，故

16、轴承寿命要求足够满足。该轴承的转速只有31.8r/min,远远低于,故不必验算。故选用轴承型号：7215B，润滑方式：脂润滑。4.4 键的设计与强度校核。由于平键联结结构简单、拆装方便，对中性能好，而且制造方便，经济性好，此处选择A型普通平键联结，根据轴的直径d=56mm选择键16X10，键长L=70；GB/T1095;键联结材料以及键制造材料均为45号钢。在此只需校核键强度。查表5-22得，键的许用应力根据(4-8)公式（4-8）代入数据得结论：键满足要求。5 传送带方案拟定该传送带用以传送100kg铸铁箱体，水平运输，带所受正压力很大，由于普通平带具有较大的弹性变形，在重力作用下会使物体在

17、竖直方向上循环产生位移，严重时，会导致物体在传送带上出现打滑现象，使皮带磨损，使用寿命会严重缩短，而且由于皮带的打滑现象，使物体运输位置不精确，从而影响机械手的正常搬运。而滚筒传送带，是利用电动机带动链传动，然后通过链轮带动滚筒转动从而达到传动效果，链与链轮之间传动比稳定，另外由于滚筒刚度较大，变形小，且是滚动摩擦，摩擦小，传动效率高。鉴于普通平带运输的以上缺点，以及上文所述滚筒传送带的优点，该设计选择滚筒传送带。6 传送带滚筒设计6.1 滚筒受力分析传送带运送负载重量Mw=100kg，物体，支撑滚筒两轴承之间的距离L=500mm，滚筒与滚筒之间的距离为l=16mm，工作时，总是有5根滚筒同时

18、承受负载所给的重力。将滚筒简化成简支梁，对单根滚筒受力分析，如图6-1所示：图6-1 受力图滚筒所受剪力如图6-2所示：图6-2 剪力图滚筒所受弯矩如图6-3所示： 图6-3 弯矩图6.2 滚筒壁厚设计由弯矩图可知，滚筒中间处受弯矩最大，属于危险截面，故按该截面设计。取滚筒材料为Q235A钢。对于Q235A钢，,取最大弯矩由剪力图可知由公式(6-1)其中 为危险截面上的最大应力，与中性轴之间的直线长度。为惯性矩滚筒为中空圆柱，其惯性矩(6-2)由式（6-1）（6-2）代入数据得，取d=74mm6.3 滚筒轴径设计滚筒轴径为实心轴，由弯矩图可知在在轴承内端面处的弯矩为0，故此处按扭矩计算轴径。轴

19、用制造，需用扭转应力为查机械设计手册表1-1-103，滚动摩擦系数，物体在滚筒上运动的阻力矩(6-3)由公式（4-3）代入数据得查机械设计手册表1-1-93，滚动轴承摩擦因数经UG测量体质量分析，该滚筒轴的总质量为滚动轴承所受的摩擦力轴承阻力矩总阻力矩故所受扭矩图，见图6-4：图6-4 扭矩图根据(6-4)(6-5)公式（6-4）（6-5）代入数据得考虑到键槽的影响实际轴径，另外，考虑到轴承结构，挠度、倾斜角等的影响，此处取轴径为20mm。与链轮连接处轴的直径取为14。6.4 滚筒轴结构设计由于滚筒直径较小，且与轴径尺寸相差较小，故此设计在滚筒与轴之间直接采取焊接的形式。轴结构设计如图6-5所

20、示：图6-5 滚筒轴设计尺寸滚筒结构如图6-6所示：图6-6 滚筒设计结构及尺寸装配图如图6-7所示：图6-7 装配图6.5 链、链轮的选择与设计1) 链的计算与设计传动比（6-6）传动比取为3现已知物体长度为800mm，物体与物体间隔为500mm，机械手往复一个行程为5s，故物体运行速度滚筒的转速为亦即链轮转速为根据经验公式，取每根滚筒传递功率（6-7）由公式（6-7）得根滚筒传递功率为传送带同时运送箱体数量为10，则其传递功率为设计功率（6-8）为工况系数，由于载荷较小且没有冲击载荷，查表13-2-66,工况系数取1则带入公式（6-8）得传递功率(6-9)其中小链轮齿数系数排数系数链长系数

21、查表13-2-76，知、查表13-2-86，此处为单排链， 为链条节数，节数为120，由（6-9）得,根据和查图13-2-66确定链号后，查表13-2-26确定链号为08A表6-108A基本尺寸表节距p12.70滚子直径d17.92内节内宽b17.852) 小链轮设计由于链号选为08A.链轮无剧烈冲击运动，故材料选择45钢，淬火、回火热处理，硬度达到40-50HRC.由于链轮直径较小，所以采用整体式钢制小链轮，由以上分析可知，每个链轮所传递的转矩为0.18N·m，转矩很小，故采用单排链轮，一边驱动。根据表13-2-216链轮结构尺寸计算公式可知，轮觳厚度轮觳长度轮毂直径齿宽查表13-

22、2-176,分度圆直径：(6-10)由（6-10）代入数据得， 齿顶圆直径：(6-11)由（6-11）代入数据得， 跨柱直径：(6-12)由（6-12）代入数据得， 跨柱测量距：(6-13)由（6-13）代入数据得，小链轮尺寸如图6-8所示：图6-8 链轮结构设计及尺寸大链轮设计由模块（2）设计知，小链轮齿数为20，传动比为3，带入公式（6-5）得大链轮齿数。由于大链轮齿数多，直径大，不宜采用整体结构，根据经验，该链轮采用腹板结构。由于大带轮安装在减速器的输出轴上，该直径为75mm，故轮觳厚度轮觳长度轮毂直径圆角半径腹板厚度，由表13-2-216取为分度圆直径：由大链轮齿数，带入公式（6-10

23、），得，分度圆直径=242.66mm齿顶圆直径：将带入公式（6-11），得跨柱直径：将带入公式（），得跨柱直径跨柱测量距：将，带入公式（6-13）得，大小链轮基本尺寸汇总见表表6-2齿轮基本参数 类型参数小链轮大链轮节距p12.7mm12.7mm滚子直径dr7.92mm7.92mm齿数z2060跨柱测量距MR84.69mm247.1mm跨柱直径dR7.94mm7.94mm齿形GB/T 1243-19977 传送带电动机选择本设计根据工作载荷、工作机的特性和所工作的环境，选择电动机的类型、结构形式和转速，并通过计算电动机的功率，最后确定电机型号。7.1 类型选择电动机中以三相异步电动机应用最为广

24、泛，其中Y系列可适用于多数场合，其中在不易燃、无腐蚀，不易爆的场合应用最广。比如，搅拌机、风机、输送机等。而YZ和YZR系列电动机，主要应用在起重和冶金方面，它的转动惯量较小，而且具有较大的过载能力，能较好适应频繁启动、制动和正反转的工作环境。本设计为U型传送带设计，运行环境平稳，负载较小，无冲击，不需要频繁启动、制动和正反转，故本设计选用Y系列电动机。7.2 电动机输出功率的确定1) 工作机所需功率（7-1）其中T工作机构所需转矩工作机构的转速工作机构的传动效率由图6-4知，转速，传动效率=0.95故由公式（7-1）代入数据得由于同时传送十个物体，故2) 传动装置的效率（7-2）其中为减速器

25、传动效率为联轴器传动效率为链传动效率为滚动轴承传动效率查表2-107,故由公式（7-2）代入数据得, =0.923) 电机所需输出的功率为：（7-3）由公式（7-3）得4) 确定电机转速滚筒，链轮，总传动比故电机转速范围： 7.3 电机型号的选择电动机的额定功率式中P电机额定功率K载荷系数电机运行平稳，无冲击，故载荷系数取K=1.1，带入公式（7-4）得查表2-87,选用Y100-6电动机，其主要参数如下：表7-1电机主要参数电动机额定功率P1.5Kw电动机满载转速nm940r/min电动机轴伸出端直径28电动机输出端安装长度608 传送带减速器选择8.1 类型选择减速器类型很多，由于圆柱齿轮

26、减速器的适应性较好，可以适应较恶劣的工作环境，在工业中常用的减速器是圆柱齿轮减速器。圆柱齿轮减速器又可以分为单级、两级和3级，其传动比依次增大。本次设计选用展开式圆柱齿轮减速器。减速器的使用条件为，每天工作16小时，环境温度为16度，无冷却装置。8.2 减速器型号选择1) 减速器的公称输入功率（8-1）式中P1输入功率P2负载功率KA工况系数SA安全系数P2M机械强度计算功率该传送带为轻载无冲击传送带，每日工作时间为16小时，查表15-2-86选择工况系数，查表15-2-96，安全系数选择=1.3带入公式（8-1），得输入转速为电机公称转速1000r/min，传动比为:ZSY160, ,公称输

27、入功率。当输入转速亦为1000r/min,即电机的公称转速时，折算公称功率故，可选用ZSY160减速器2) 校核热功率热功率应满足（8-2）式中计算热功率；减速器热功率；系数。查表15-2-106, =1（环境温度为20度）, 查表15-2-116,=0.86(每天工作16小时), 由于,查表15-2-126, =1.25.带入公式（8-2），查表15-2-76:ZSY 160,，故，不需要冷却，因此，减速器选定ZSY 160-40，无需冷却。减速器的主要尺寸见表8-1：表8-1减速器主要安装尺寸总长A600mm总高H375mm总宽B290mm输入轴伸出端长度l136输出轴伸出端长度l2105

28、输入轴伸出端直径d124输出轴伸出端直径d2759 传送带各零部件选择9.1 联轴器的选择该联轴器为联结电机轴和减速器输入轴的联轴器，电机轴的直径28mm，减速器输入轴的直径为24mm，且负载转矩很小，工作机无冲击载荷，震动较小。根据4.2节介绍，此处适合选用刚性联轴器。1) 已知电动机的参数Y100-6型三相异步电动机，其功率为，转速n=940r/min；理论转矩：转子转动惯量；启动次数；环境温度；主动端冲击转矩即启动转矩2) 工作机参数总的负载转矩为；负载转动惯量由机械设计手册测得，选用凸缘联轴器，载荷均匀，其理论转矩T应满足另外考虑到联轴器链接两轴的的直径分别为24mm和28mm，初步选

29、用型号为GY3的凸缘联轴器。该联轴器的主要参数为：公称转矩；最大转矩；半联轴器的转动惯量由表6-3-51查的，启动系数KZ=1.3；由表6-3-61查得，温度系数Kt=1.1；冲击系数，Ka=1.8。质量系数冲击载荷由公式由（4-4）带入数据得输入端的冲击转矩小于凸缘联轴器的最大转矩，所以，型号为GY3的凸缘联轴器满足要求，可以选用。9.2 轴承的选择与寿命校核1) 轴承的选型根据轴颈结构的设计，选择内径为20mm的轴承，初选6204轴承,面对面安装。2) 当量动载荷计算已知该轴承的径向载荷,由7查得X=1，Y=0，根据公式(4-6),代入数据得因为该轴承只承受轴向力，故3) 轴承的寿命计算由

30、于两端轴承选择的型号相同，且，故可校核任意一个。球轴承寿命系数；查表12-7，温度系数；查表12-8，载荷性质系数根据公式(4-7),代入数据得,远远大于机器使用年限。故寿命校核满足要求。9.3 键的校核传送带设计共包括四处键连接，分别为电机轴与联轴器、联轴器与减速器轴、减速器轴与大链轮、小链轮与滚筒轴之间的键连接。由于平键在键槽中的周向固定好、结构简单，而且制造方便，经济性好，故此四处均采用A型普通平键联结。由于此四处中小带轮与滚筒轴连接处的直径最小，且所受转矩最大，所以只校核该处键的强度。根据轴的选择键5X5，键长L=20；GB/T1095;键联结材料以及键的材料均为45钢，只校核键的挤压

31、强度。查表5-22得，键的许用应力根据公式（4-8），带入数据得结论：满足要求。10 总结本文对四自由度100Kg码垛机器人加持机构及其配套U型传送带进行了设计。根据大学四年学习及实习经验，对各零部件进行了选择及校核。对于加持机构，我进行了整体结构规划，零件细节部分处理，但亦有不足之处，如零部件结构计算不严格，导致夹持机构质量过重，可能导致工作不便。对于链及链轮结构，根据机械设计手册经验公式以及参考其他学者论文，并结合自己所学知识进行了设计。但是由于缺乏实践经验，可能有部分结构不太合理，还需要进一步设计完善。1 秦大同 谢里阳. 机械设计手册第二卷M. 北京：化学工业出版社，2011.1.2 李建功. 机械设计第四版M. 北京：机械工业出版社，2007.5.3 秦大同 谢里阳. 机械设计手册第一卷M. 北京：化学工