【码垛搬运机的机械设计14000字（论文）】

码垛搬运机的机械设计目录TOC\o"1-2"\h\u20767码垛搬运机的机械设计 18812一、引言 22970二、设计方案 23646（一）码垛搬运机主体结构 22941（二）工作原理 31324（三）移动平台 3263（四）机架 623345（五）夹爪 62612（六）电机选型 74246（七）设计要求 88035三、总体设计及计算 914479（一）总体设计 923039（二）机架 913761（三）移动平台 113449（四）夹具 17970四、主要零部件设计计算 1911548（一）Z轴滚珠丝杆螺母副的选型及校核 1915945（二）直线滑动导轨副的选型及校核 223459（三）同步带及带轮的选型计算 2422784（四）齿轮齿条传动设计计算 2518104（五）Y轴电机支撑架的设计 2923029（六）轴的设计计算 2925664结论 30内容摘要生产线最初采用人工搬运箱子堆放，来实现储存或配送的功能。然而，随着生产率提高，自动堆垛箱子成为必要。这就需要一个自动化的解决方案，称为“码垛机”。近年来，码垛机在各个领域被广泛使用，码垛搬运机相关产业日渐完善，随着科技进步，市场经济快速发展，对产品输送效率有了更高的要求，促进了码垛搬运机的发展。说明书主要分析码垛搬运机的主要功能作用及它的工作原理，确定整体结构组成进行分析和规划。本文主要设计目标：对码垛搬运机的机架、移动平台、夹具机构等关键部件进行详细的机械设计。设计类型为直角坐标式码垛搬运机。关键词码垛；搬运；结构设计；直角坐标式一、引言本文主要设计码垛搬运机的机架、移动平台及夹具机构。设计移动平台是能够沿X，Y、Z三个轴移动机构，用更高级的机械移动替代人工，提高移动速度，有助于加快装卸速度提高运送效率。其次，设计了物料夹持装置，完成物料的夹持、搬运和卸料过程。本文深入地研究了各种码垛机的结构，讨论了其设计和分析的计算要点，根据码垛机的设计要求，详细分析研究了码垛机的工作原理，并就主要功能进行分析，并最终确定了码垛机的设计初步方案。确定码垛搬运机的整体结构组成。并对主要结构尺寸计算分析，对关键零件进行力学分析。绘制码垛机整体装配图，零件图。二、设计方案（一）码垛搬运机主体结构图2-1直角坐标式码垛搬运机本课题所设计的码垛搬运机采用直角坐标式结构，定位系统是整台设备的核心，通过X，Y和Z轴的线性运动，夹具可以在一定范围内移动，以确保指定位置的精度。码垛机的主要结构设计包含如下内容：平台，固定装置和整体框架。码垛机机械结构的动态性能是直接决定码垛机能否满足安全稳定运行的重要影响因素。同为重要影响因素的还有码垛机的夹具，夹具的好坏对码垛机的搬运效率也存在显著影响。由此可见，码垛机夹具和移动平台的设计是非常关键的两个因素。通过对码垛机结构的认真解读，发现Z轴是码垛机三轴运动机构中最重要的部分之一，它实现了抓取器的上下往复运动。整体机架作为支撑需具有一定的稳定性和刚度。目前国内外广泛采用的直角坐标式码垛搬运机的主要传动类型和方式一般分为四种：同步齿形带传动，滚珠丝杠传动，齿轮齿条传动，直线电机传动；还有在特殊场合也使用钢丝绳牵引实现直线运动。该类码垛机总体特点是结构设计较为简单，控制方便，执行动作灵活，它能够实现对复杂空间轨迹的控制。搬运件的负载影响范围较大，运行时移动速度快，且移动方式可自由调整；动作灵活，可以轻松地完成各种复杂的码垛工作任务；系统可靠性较好，维护方便。在物流领域应用广泛。（二）工作原理码垛搬运机进入工作状态后，电机驱动移动平台进行简单的沿X和Y轴快速运动，从起点位置移动到设置好的物料摆放的终点位置后处于待命状态。直到检测区出现物料时，检测系统发送指令驱动码垛搬运机沿Z轴方向运动到物料上方进行夹取。当夹取成功后，上升到等待位，判断夹取的物料是否需要旋转，后将物料按预想设定的码垛位置依次进行堆放，堆放完成后，判断夹具是否需要旋转回到初始状态，最后移动到初始位置。（三）移动平台直角坐标码垛机被要求同时能够完成x轴、Y轴和z轴的三轴运动，其沿x轴、Y轴和z轴的运动是线性的。由于直线导轨具有较高的承载能力，因此直线导轨作为运动导向，如图2-2所示。图2-2直角坐标式码垛搬运机直线运动的传动形式有很多种，常用的有：齿轮齿条传动、滚珠丝杆传动、同步带传动。（1）齿轮齿条传动如图2-3：可实现高精度、大负载的传动。特别是在负载直线运动的情况下，通过增加齿条的长度可以实现高速旋转。但其缺点也很明显；齿条容易磨损，如果齿轮齿条啮合不准确，噪声比较大。图2-3齿轮齿条传动（2）滚珠丝杆传动，如图2-4；具有传动效率高、传动精度高、噪声低、传动驱动力大、维修方便、使用寿命长等优点。它可以承受大负荷传动，适用于高速往复传动。也存在水平传动中，因传动跨距较远，导致螺杆自重而变形，进而直接影响最大转速，可能会有不良结果，因此，一般传动长度不宜过长。由于本文用于垂直传输，此时不存在此类干扰，但仍需考虑最大速度。图2-4滚珠丝杆传动（3）同步带传动，如图2-5：具有负载大、传动精度高、价格经济、更换方便等特点。但由于同步带材料的特性，它具有一定的弹性，因此会产生一定的弹性形变，从而导致传动精度的降低。但同步带不适用于伺服电机和传动齿轮之间的这种短距离连接。这时，输送带的速度可以达到很快，而且噪音也比较小。图2-5同步带传动总的来说，以上三种传动形式各有适应的使用范围，分别是：齿轮齿条适用于长距离重载直线运动，滚珠丝杠适用于垂直方向的高速往返直线运动，同步带适用于短距离直线运动。根据直角坐标码垛机的搬运和结构特点，采用同步带将电机的力传递到x轴方向的齿轮上，采用齿轮齿条传动加直线导轨的传动方式。在y轴方向，采用同步带和直线导轨。Z轴是上下运动，有两种方案：一种是采用齿轮齿条传动；第二种方案是采用滚珠丝杠传动。方案一：平台和货物的重量需要齿轮齿条的啮合来承受，因此很容易降低齿条的寿命，如果齿轮齿条的啮合不是很精确，很容易造成货物和平台的滑动。因此，经过比较，采用第二滚珠丝杠传动。也有两个选择的z轴驱动滚珠丝杠。方案一是螺杆不移动，工作平台通过螺母座与螺杆螺母连接，实现垂直移动。二是将滚珠丝杠螺母座固定在y轴工作台上，由Z电机带动丝杠底部随平台上下移动。然而，在第一种方案中，螺杆不移动，螺母座移动。虽然也可以实现码垛，但螺杆的长度占用了码垛的空间。比较后采用第二种方案。（四）机架机架是码垛机的主要受力构件之一，担负着码垛机的重量，对其进行设计时，必须综合考虑其强度、刚度的要求满足的同时，还要保证经济合理，整体美观大方，整机质量协调等因素，在经过仔细论证后，本文所设计的码垛机机架采用Q235冷弯空心方钢。机架的物理外型尺寸受其它部件的限制。应预留移动距离。考虑到整体功能的需要，辊道输送线应放置在货架底部进行物料输送。码垛机框架的高度由车间的高度、夹具的提升高度和输送线的高度决定。太高，超过了房屋容许的高度；过低，捡料难度过大，且不能满足输送线本身的需要。基于上述考虑，本文合理确定了码垛机的高度。（五）夹爪夹具机构一般由两部分组成，分别是：夹具和旋转装置。夹具中使用夹紧爪的高度长短和尖端宽度一般是由夹紧爪和材料板的尺寸及其来源所决定的。夹持夹紧物体的工作方式主要分为有三种：夹持、提升和吸附。其中，夹持式适用于形状有规则的物体，升降式适用于不规则异形体，吸附式适合吸附性好的物体，因此根据捕获物的特性选择夹持式夹具。传统的物体夹紧装置分为机械夹紧装置和真空磁力夹紧装置。选择夹紧装置类型时，必须考虑以下原始数据：（1）码垛机的基本和辅助工艺设备的类型和结构。（2）码垛机的结构和形式。（3）物料自身特性。（4）本工艺流程的特点由码垛机技术集成装置完成。根据设计要求，本文所设计的码垛机的夹紧精度不需要太高，机械夹紧装置可以满足要求，因此不采用昂贵难生产的真空磁力夹。基于上述原因，本文所设计的夹具结构采用机械夹紧。机械夹紧分为夹持式和夹板式。夹持式主要用于高速码垛袋。夹板式主要用于堆放箱子。旋转装置由旋转筒体和其它连接件组成，旋转装置固定在沿z轴方向运动的机构下端。其功能是将物料旋转90度，合理分配物料在托盘上的堆放位置。夹具机构固定在移动平台的z轴下端，通过直线移动平移台的移动将夹具机构带到相应位置夹紧。在行走过程中，完成夹料、上升、旋转、下降、卸料等工序。由于材料大，夹紧力大，采用夹板式夹具。（六）电机选型在码垛机中，通过驱动实现预期的功能。常用的驱动方式有四种：机械驱动、电气驱动、液压驱动和气动驱动。电气传动现在得到了广泛的应用。由于驱动方便、响应快、输出驱动力大、控制方便、价格便宜，码垛机采用电动驱动。驱动电机分为步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机，其特性见表2-1。由于码垛机器人的额定负载较大，电机应具有起动转矩大、转矩特性好、调试范围宽的特点。综合考虑后，决定采用X、Y轴方向的直流伺服电机驱动，Z轴方向的步进电机驱动。（七）设计要求码垛机的一般工作原理：夹爪抓取货物，运输物料，将物料运输到托盘上方的码垛位置，根据预先设定的堆形图调整物料的位置和姿态，按规定的姿势将材料摆放在正确的位置进行堆放。整个码垛过程就是上述四个动作的连续循环。根据实际工作要求，码垛机的设计要求如下：整体结构轻巧，操作方便。足够的结构强度和刚度来承受各种载荷。可减轻结构重量，降低制造成本，维修方便。运动空间是三维四自由度的。行程：X向2200mm，Y向1500mm，Z向1200mm，水平旋转：90度可与生产线集成，具有良好的通讯功能。最大载重150kg，额定载重110kg。各层以90度角相交。每垛11层，垛高800mm。最快的码垛速度为1000mm/s，平均货物运输速度为500mm/s。码垛精度：1mm三、总体设计及计算（一）总体设计1.总体结构2.运行方式码垛机的运动方式很自由，可以根据实际工作现场的要求进行调整后进行的，因此首先确定机构端部沿z轴方向的运动轨迹要求，从而完成预定轨迹的运动。具体的运动过程主要有两个部分:从任何一个位置到流水线上的预定位置去抓取一件货物。由准备部分开始到堆放货物的具体部分。（1）移动机械臂，直到夹爪正好位于拾取位置的箱子上方。不同尺寸的箱子通过输送机随机到达码垛单元。（2)降下机器臂并启动夹爪来抓起箱子。（3）将机械臂从输送机上抬起，使其高于任何障碍物的高度。（4）如果箱子有可用的托盘空间，将臂移到托盘上方的适当位置。否则，请将箱子移动到箱子相关存储区域上方的适当位置。（5）将机械臂笔直降下，使其不会接触其他装载的箱子。堆放物料。（6）将手臂抬高至高于任何障碍物的高度。（7）对于每个离线存储区域，如果存储区域不是空的，并且托盘空间可用于此特定箱子尺寸，则从存储区域移除一个且仅移除一个箱子，并将其放置在托盘上。重复此步骤，直到检查所有存储区域。以上步骤构成了一个搬运的码垛循环。（二）机架框架的主要参考受到厂房空间影响，应考虑z轴的高度。根据设计要求，机架的占地面积应为4000mm*3000mm。在结构上，框架应具有一定的刚度和强度。框架结构由支腿和框架梁组成。支腿与框架梁采用螺栓连接。连杆用于稳定和加固支腿。在框架梁中形成一定尺寸的空间。码垛机通过将已经按照所需的模式在工厂中一层一层地预先安排好的路面砌块运送到现场，从而实现生产率和质量的实质性提高。适合经常用于包装和运输的标准托盘。根据这种方法，现场的拆垛将借助于安装在叉车大小车辆上的商用大型夹具进行。物料搬运托盘是仓储行业的常用工具。也是影响机械整体框架设计的因素，传统上，码垛方法只装载一个尺寸的箱子在同一个托盘上。在零售配送操作中，不同大小的箱子必须装在同一托盘上，并运到不同的零售目的地。二维托盘装载问题通常通过尝试最大化可正交放置在大矩形内的小矩形的数量来解决。由于机器人码垛单元进料箱尺寸的随机性，本研究采用了两种码垛方法（动态托盘模式和多托盘包装）。这两种方法可以减少对离线盒存储区域和机器人进出这些存储区域的需求。动态托盘模式：不同尺寸的箱子以随机方式到达机器人码垛单元。当进料输送机的箱子尺寸分布（比例）发生显著变化时，应立即生成新的托盘模式以适应这种变化。用于计算各种不同箱子尺寸分布的托盘堆垛模式。这些堆叠模式存储在机器人的控制计算机上。当要装载的箱子尺寸分布发生变化时，计算机会搜索一个合适的托盘模式，该托盘模式的预定箱子尺寸比例表示要装载的箱子尺寸比例的最佳匹配。当托盘已满时，计算机检查队列中的箱子，以确定传入箱子的大小分布。对队列中的箱子进行计数，直到累计箱子体积达到托盘的体积。将计算出的箱子尺寸比例与码垛过程之前储存在机器人控制计算机中的参考比例进行比较。如果计算出的比例和参考比例之间的差异超过了用户指定的公差，机器人的控制单元将搜索一个合适的托盘模式，该模式的参考比例与观察到的队列的箱子大小比例相当匹配。多托盘包装：机器人同时装载两个或多个托盘，在机器人的工作允许范围内。每当机器人捡起一个箱子时，堆垛控制程序就会从这些同时装载的托盘中搜索可用的托盘空间。为每个托盘分配一个优先级编号。具有最高优先级编号的托盘首先接收所需的箱子。当托盘满载时，将使用叉车或自动转移装置将其移除。然后插入空托盘。最低优先级编号将重新分配给此空托盘。对于未完全装载的剩余货盘，优先级编号增加。由于大多数机器人工作信封的尺寸限制，最多可以同时装载的托盘数量有限。不同尺寸的箱子随机地到达机器人码垛单元。每种尺寸的箱子比例可根据客户订单或工作订单预先确定。另外，机器人也可以在事先不知道箱子尺寸分布的情况下执行码垛任务。这两种情况可分为“已知”和“未知”箱子大小分布。在已知分布的情况下，假设配电箱的尺寸比例和配电箱的长度（总箱数）是已知的。到达机器人单元的箱子大小的顺序仍然是随机的，但是每个大小的箱子的总数可以预先确定。每当通过计算装载的箱子总数检测到箱子尺寸分配结束时，计算机就会切换托盘模式以进行新的分配运行。在分布未知的情况下，假设在码垛开始之前无法获得箱子尺寸分布的信息。分发运行的总盒数无法预先确定。当托盘装满时，计算机根据前瞻队列中的箱子（在进料输送机中）选择最佳的“匹配”托盘模式。可能的托盘模式被假定为预先确定的，并存储在机器人的控制计算机中。装箱顺序采用关键路径法确定装箱顺序。网络由其节点组成，用圆表示，用于表示分配的箱号。由箭头表示的分支连接两个节点，并定义两个框的前一个和后一个。分支尾部的节点表示前置节点。分支头部的节点指定后续节点。当节点没有直接的前置节点时，托盘上关联的箱子放置位置可用于加载特定箱子。在码垛过程中，节点的直接前置节点将被更新。托盘模式的放置位置数据作为数据文件单独存储在磁盘上。输入数据文件的每条记录包括箱子类型以及箱子在托盘上放置位置的x、y和z坐标。为了使计算机搜索所需记录的时间最小化，并使计算机能够完全控制机器人的运动，这是一个理想的方法。一个链技术被用来完成这些任务。链是指分散在文件中的一组记录，这些记录通过一系列指针相互连接。同样大小的箱子形成一条独特的链条。多托盘包装，更多的箱子可以直接装载到托盘上，非生产性的托盘移动和从存储区域可以最小化。随着同时装载更多托盘，码垛效率逐渐提高。随着同时装载托盘数量的增加，对存储区域的需求不断减少。机架主要参数，长度为3450mm，宽度为2380mm，高度为1800mm。底板固定在框架内的框架梁上。轨道和机架用螺栓固定在底板上。移动平台沿轨道移动到机架内的任何位置，机架用于传输。（三）移动平台移动平台应在三个坐标方向上完成运动和组合，因此移动平台的设计应分为三个部分。完成沿x轴运动的x方向运动机构、沿Y轴运动的Y方向运动机构和沿Z轴运动的Z方向运动机构。各部分由导轨、齿条、齿轮和固定机构组成。1.Z轴电机的选型计算图3-1Z轴电机z轴电机主要克服工作平台的重量和旋转引起的摩擦力矩，如图3-1所示。根据所设计机构的要求，该零件的摩擦力矩为滚动摩擦，数值较小。因此，z轴电机的设计主要考虑工作台的转动惯量。（1）电机转轴上的总转动惯量Jz假设，工作台最大质量为100kg；额定工作的码垛货物的质量为110kg，那么就可以看成是计算400*100*100mm3的120kg长方体绕Z轴的转动惯量为见式（3-1）JZ=式中a=400mm，b=100mm，m=120kg。则Jz=1.7kg.m因此，我们认为可以通过分析z型主轴的各种步进电机模型来初步确定130BYG2502的基本模型。该型号的驱动电机是两相四冲程驱动，步距角为0.9°，和两相混合。可以通过参考“系统设计课程设计指南”中的表4-5来检查此模型的电动机转子的转动惯量Jep=（2）电机转轴上的等效负载转矩Tep可知，当电机快速启动时，电机转轴所承受的负载就是电机的最大的等效负载转矩，见式(3-3)=(3-3)如果计算上一个传动链的总有效度η,那么就能够计算得出快速起动时旋转零件所能折算得到电机运行转轴上的最高加速转矩为：(3-4)式中：nm——ta——Z轴主要是沿电机中心轴方向带动着工作平台进行上下运动。因为此部分的转动惯量比较大，所以速度不能够很快。因此为了保证设备的安全运行，轴的最高旋转速度一般不宜超过，轴的正常工作时旋转速度应该为。转换为电机的转速不宜超。如果此步进电机从一个静止的状态加速到最高的转速所需要花费的时间ta=0.4s，则总效率。则由式（3-4）计算(3-5)（3）步进电机最大静转矩的选定及电机的初选当输入电压降低时，步进电机的驱动功率会受到电网电压的极大影响，其输出转矩也会下降，这可能会导致失步甚至失速。因此，在选择步进电机时，需要考虑安全因素。工作环境可采用安全系数K=4，并应计算出步进电机的最大静态转矩，使其满足：(3-6)初步分析选择的步进电机型号为130BYG2502，查表可得该型号步进电机的最大静转矩为。可见，所选的电机满足（3-6）式的要求。

（4）所选用步进电机的性能校核1、转动电机输出转矩校核假设给定的工作台的最大转速是，步进角度为0.9°便可以求出相应电机的工作频率为fmax=360/0.9×17=6800HZ2、旋转时电机运行频率校核该型号电机在正常工作环境下运行的最高频率为。查表可知130BYG2502步进电机的极限运行频率为1500HZ，则没有超出限度，符合要求3、电机的起动频率计算通过上面的计算可以知道，，当电机处于空载时的最大起动频率为。可以进一步求出电机所需要克服惯性负载的起动频率：fL=由计算结果可知为了有效确保电机在高速起动的时候不会发生失步,电机在高速工作的任何一个时候的起动频率都必须要低于79.5hz，如果想要降低起动频率，可通过软件升降频，使其只有75HZ左右。通过上面一系列的计算校核结果可以得知，Z轴旋转可以选用130BYG2502步进电机，该电机转矩频率曲线如图3-2所示，可以满足需求。图3-2电机转矩频率曲线2.Y轴电机的选型计算（1）计算最大静摩擦力Y导轨上的总载荷大概。(3-8)式中μ——0.3通过式（3-8）计算得：G=1300N(3-9)f=4×5=20N(3-10)F=0.3×1300+20=410N(3-11)（2）计算转矩T1假定同步带轮直径D1为37mmT1=F×D（3）计算Y轴传动功率P假定Y轴方向的运动速度为0.5m/s计算得：P1=Fv水平Y轴电动机主要克服了导轨的摩擦力矩，齿条和小齿轮的摩擦力矩以及同步带轮在水平面内运动的摩擦力矩。根据计算，可以预先选择直流伺服电动机。其主要参数如表3-1所示3.X轴电机的选型计算（1）计算最大静摩擦力X导轨上的总载荷大概。(3-14)式中μ——0.3通过式（2-14）计算得：(3-15)(3-16)(3-17)（2）计算转矩T2假定同步带轮直径D2为25mmT2=F×D（3）计算X轴传动功率P假定Y轴方向的运动速度v2为计算得：P2=FvX轴卧式电动机主要克服了导轨的摩擦力矩，齿条和小齿轮的摩擦力矩以及在水平面上运动的同步皮带轮的摩擦力矩。根据计算，可以预先选择MMS-12直流伺服电动机。其主要参数如表3-1所示。（四）夹具由于设计要求，为了合理分配托盘空间，有时需要将物料旋转90度。因此，夹具机构的设计要求：夹爪不仅能够夹紧物料，还要具有旋转装置来将物料旋转到正确的位置。夹具由支撑架、活动板、固定板、夹持器、导轨、滑块调节座等组成，活动板在导轨上移动带动夹持器夹紧，固定板起挡料作用。根据功能要求，每次夹紧材料。导轨固定板通过螺栓连接在支撑架下方，导轨固定在导轨固定板上。活动板上固定有与导轨配合的滑块调节座。滑块调节座在导轨上直线移动。支撑架主要目的是为了提供支撑和固定联系的运动作用,应该保证具有一个足够的结构刚度和运动稳定性,但是重量不宜太轻。采用了复合铝型材的结构设计,有效地大大减少了这种材料容易超重的质量问题,稳定性高。铝型材两端经过角件互相连接固定。夹具的宽度应大于材料，活动板需要一定的移动距离，以保证夹具能完成夹紧、放下等工序。夹具支撑架的宽度应大于材料的长度，夹具的宽度设计应考虑夹具底部的安装和延伸。在不影响结构稳定性的前提下，活动板不宜过重，故设计采用6061。在活动板侧面开有多个孔，以减轻活动板的重量。滑块调节座固定在活动板上，与导轨固定板上的导轨配合。为了提高结构的稳定性，在活动板下加筋。为了移动平稳，在导轨固定板下安装两个导轨，导轨之间的距离小于一盒物料的宽度。夹持器的设计取决于夹持材料的尺寸和重量。夹持器固定在活动板上，下部受力支撑。夹紧时，夹持器的下部拖动材料的下部，并通过材料本身的重量将其放置在夹持器上。优点是在夹紧材料时不需要夹紧材料。夹持器具有用于钩住材料的延伸部分。夹紧装置的宽度是268毫米，这是一盒材料的宽度。夹持器用螺栓固定在活动板下端。为了稳定夹持材料，四个夹持装置均匀地固定在夹持装置的底部。夹紧机构需要两个推力来完成夹紧和放下过程，一个是将活动板推到夹紧材料上，另一个是将活动板推到初始位置放下材料，因此需要两个气缸来完成这两个过程。有导杆气缸和无导杆气缸属于一种活塞气缸。带有两个导杆的气缸把两个活塞平行于相同带有两个导杆的气缸活塞上的两个导杆自动整合好并集成地放到一起。它结构紧凑,导向传动精度高,能够同时需要承受更多的同轴横向传动荷载和更大扭矩。带端锁，即使没有空气供应，也能保持气缸的位置。因此，在夹持物料时，采用带导杆的气缸为活动板提供推力。停电或无气源时，保持气缸位置不变。无导杆气缸是利用活塞直接或间接地连接外部执行机构，使其随活塞作往复运动。最大的特点是节省安装空间。在断电或漏气的情况下，不带导杆的气缸可以恢复到初始状态。卸料时不使用导杆缸将动板推至初始位置。无导杆油缸通过无导杆油缸支架固定在导轨固定板上，其活动端通过滑动固定件固定在活动板上。气缸滑动端的运动带动活动板在轨道上移动，松开夹具，完成卸料过程。带导杆的三轴气缸，气缸固定在活动板上，气缸的推板靠在活动板上，活动板在气缸的推力作用下在导轨上移动，夹持物料，完成夹持过程。旋转装置包括旋转缸、缸轴套、缸连接板、限位齿杆、液压缓冲器和连接板。旋转油缸的旋转带动旋转轴套的旋转。限位齿杆固定在旋转轴套上，限位齿杆通过接触液压缓冲器使旋转缸减速停止。圆筒连接板起固定连接的作用，将旋转装置固定在z轴机构的下端。连接板用于连接下夹紧机构。两个连接板都必须有一定的稳压性和刚度。转动缸输出轴是带动固定式转动轴齿轮在传递装置上的轴承进行转动。由于该轴承需要支撑较大径向载荷,故在轴承方面选择了一个圆柱形的滚子。回转油缸（摆动油缸）分为两种类型，一种是齿轮齿条式，另一种是叶片式。两种气缸的特性如表3-2所示综合考虑其体积、质量和输出扭矩，采用叶片式摆动油缸（回转油缸）。叶片式回转油缸利用内部的止动块以及齿轮传递器来调节其回转的角度。止动块应由缸体固定,叶片应由转轴相连。空气中的压力是作用于叶片上,驱动齿轮旋转并产生扭矩。叶片型摆动油缸主要有单叶片型和双叶片型。双叶片式的最大输出扭矩是传统单叶片式的两倍,但是旋转角度应小于180°。由于设计要求，要求输出扭矩大，角度为90°，因此，采用双叶片驱动。液压缓冲器的作用是减缓油缸的旋转。有两种类型的液压缓冲器。一种是可调补偿液压缓冲器ACJ，它能自动控制缓冲器的速度，缓冲效果稳定。另一种是不可调补偿液压缓冲器ACA，其缓冲速度分为定速、高速、低速、低速三种。为了更平稳、更准确地降低回转油缸的转速，这里采用了ACJ系列液压缓冲器。连接件上端通过螺栓与z轴机构下端的连接件连接，连接件下端与转动装置的圆筒连接板连接。转动装置的连接板固定在夹紧机构的支撑架上。旋转油缸的旋转带动夹具机构旋转。此外，应在堆垛机机架上安装四个液压缓冲器，以使x轴传动机构的减速运转以及停止。在x轴的机构上分别安装两个液压缓冲器,以使y轴的机构降低减速而停止。液压式的缓冲器需要一定的缓冲时间和速度,无需调速。码垛机和输送线模型通过机架、移动平台、夹具机构和输送线进行安装。当物料由到达指定位置并停放。当检测系统检测到的物料已经抵达时,会向码垛机发出一个指令,并按照预设的路径水平移动至物料处以便进行夹紧。在夹持的机构上方安装了一个相应的传感器元件,用于判断夹持的机构上是否能够夹持好的物料。当检查中找到一些东西被夹在一起的时候,码垛机就开始进行搬运。物料被夹紧并输送到辊道输送线上。物料按设定的码垛规则堆放，并依靠输送线输出物料。码垛机运输为了合理利用码垛托盘空间，需要将货物水平或者垂直放置，因此在夹爪夹紧物料后，夹具机构应能够做到旋转90度，再进行搬运和堆放。四、主要零部件设计计算（一）Z轴滚珠丝杆螺母副的选型及校核1.最大工作载荷Fm的计算Z轴选用的滚珠丝杆螺母如图4-1所示。需要其带动的部分包括工作平台、Z轴的旋转和滚珠丝杆螺母与螺母连接Y轴的部分，这部分大概不会超过1600N，所以Fm=1600N图4-1滚珠丝杆螺母可按矩形导轨方式进行计算计算。查阅《系统设计课程设计指导书》表3-29，可以取该丝杆螺母副颠覆力矩影响系数为K=1.1，同样可以取滚动导轨上的摩擦因数为。根据这些可以求出丝杆螺母在此工作环境的最大工作载荷为：Fm=KFx+μ2.滚珠丝杆螺母座上最大动载荷的计算由于Z轴的最高速度可以达到，因此可以初步的选择丝杠导程为。根据这些数据计算出丝杠的最大转速。同时假设需要选用的丝杆的使用寿命，通过公式，计算出其丝杠寿命系数。取载荷系数fW=1.2，滚道硬度HRC60。取得硬度系数为fH=1.0，根据这些可以通过式（4-2）求出丝杆的最大动载荷：(4-2)3.丝杆螺母副型号的选择通过上述的数值计算我们已经基本求得了丝杆最大转速运行时的动载荷及其运动导程。通过查询表得知，FFZD3210-5型滚珠丝杠副适合需要。丝杆的导程为，公称直径为32mm，属于丝杆内循环滚珠固定式和反向器的双循环螺母式，循环丝杆的滚珠圈数为5圈，一共有2列，精度等级可以根据要求选择5级，其额定动载荷为40kN，大于上式所计算得到的最大动载荷，满足设计要求。4.所选丝杆螺母副传动效率η的计算将上面得到的公称导程，直径，代入式（4-3）(4-3)得丝杠螺旋升角为。将丝杠螺旋升角和导轨摩擦角，代入式（4-4）(4-4)其传动效率为。5.滚动丝杆螺母刚度的验算Z轴上端通过固定装置固定电机和丝杆，尾端通过一对轴承和推力板固定。上、下两固定端之间的距离为。其中钢的弹性模量。查询《系统设计课程设计指导书》中表3-31。可知选用的丝杆底径d2=36.2mm，直径。根据上述数据，可以计算出丝杠截面积。并且可以计算出丝杠受到工作载荷的影响产生的的拉/压应力变形量(4-5)（2）可以根据计算式（4-6）Z=(πd0/Dw(4-7)求得丝杠总变形量。通过查阅相关资料我们可以知道,5级精度的滚珠丝杠行程偏差最大可以允许超过65μm，其有效行程在之间。由由此看来,所选用的丝杆具备了一个足以供使用的刚度。6.滚珠丝杆螺母副的压杆稳定性校核丝杆在运行中失稳期间的临界载荷可以通过计算得来。通过查阅分析结果可得，取支承系数。由丝杠底径，可得计算得到截面惯性矩为。压杆稳定安全系数K应选择2.5；如果丝杆垂直安装。由螺母至轴两端的固定点之间的距离，可以计算得到临界载荷，其值远大于工作载荷。因此所选丝杠不会失稳。经过以上的分析计算可知，选用的FFZD3210-5型滚珠丝杠满足我们所设计的需要。其实体如图4-2所示。图4-2滚珠丝杠螺母副（二）直线滑动导轨副的选型及校核本设计中直线滑动导轨副主要用在X轴和Y轴上来承受来自垂直方向的载荷。（1）导轨承受载荷的计算和型号的选取工作负荷是影响线性滑动导轨使用寿命的最重要因素之一。这种设计的导轨无论X轴还是Y轴都水平放置，并以双导轨和四个滑块的形式支撑。如图4-3所示。图4-3直线滑动导轨本设计中，X轴和Y轴使用的是相同型号规格的直线滑动导轨副，选用HIWIN的EG25型号。但是由于X轴受到的载荷比较大，所以只需对X轴的导轨进行计算选型就可以了。在码垛机工作期间,由于安装和配置问题,很有可能会发现一个小型的滑块就已经承担了整个码垛工作台面的重量和负载。所以我们需要通过计算这一单滑块在该条件下所能够承受的最高竖向负载:(4-8)(4-9)式中fh——ft——frfw——Ca——由以上计算结果可知,选用的导轨长度远远超过了预测的期望值,所以选择的导轨副完全满足了设计需求。导轨副如图4-4所示。图4-4导轨副（三）同步带及带轮的选型计算Y方向设计要求：工作台总重约为20kg，滑行2800mm所需要时间约为6s。（1）设计功率(4-10)KA根据工作情况查表取(4-11)（2）带型选择根据和皮带轮的运动转速查询的数据表格,选取5m宽的圆弧型皮带。（3）带轮齿数Z及节圆直径在皮带速度和安装尺寸的允许范围内，Z应该尽可能大。通过查找表来选择5M皮带和齿数Z=26，节圆直径d1=41.38mm（4）带速v(4-12)（5）基准额定功率P0可查表得P（6）带宽b（基准带宽bs0=9时）(4-13（7）挡圈的设置5M皮带轮，挡圈最小高度K=2.5R=1.5挡圈厚度t=1.5固定环弯曲直径(4-14)挡圈外径(4-15)Y方向同步带轮：根据以上计算，选择皮带轮类型为5M的弧形齿，节距直径为41.38mm，齿数为26，外径为40.24mm，皮带轮的总宽度为13.3mm，外径为固定环为48.24mm，皮带轮孔为10mm。Y方向同步带：皮带式5M弧形皮带，宽度10.4mm，节线长度约1818mm（四）齿轮齿条传动设计计算选择齿轮类型，精度等级，材料等级和齿数（1）齿轮类型：直齿圆柱齿轮。（2）精度等级：速度不高，因此选择了7级精度（GB10095-88）。（3）材料选择：通过查阅《机械设计手册》，选择40Cr（淬火和回火）作为齿轮的材料。硬度为280HBS，机架材料为45钢（淬火和回火），硬度为240HBS。（4）齿轮齿数：Z1=26，齿条齿数Z21.按齿面接触强度设计由设计计算式进行计算，即d1t≥3式中d1t——KHt——T1——∅d——U——ZH——ZE——Zε——Zβ——σH——表示许用应力，单位MPa（1）确定公式内的各计算数值1、试选载荷系数Kt=1.32、计算一个小齿轮向外传递的旋转矩。（预设齿轮模数m=8mm,直径d=250mm）T1=95.5×1053、查询《机械设计手册》以获取选择齿宽系数φd4、通过查询《机械设计手册》可以查得对材料弹性作用产生的影响系数ZE5、查询《机械设计手册》》以获取齿轮的接触疲劳强度极限σHlim1=600MPa;齿条的接触疲劳强度极限6、计算应力循环次数。N1=60n1j7、查询《机械设计手册》以获取接触疲劳寿命系数KHN18、计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1%，安全系数S=1，得σH1=KHN1（2）计算1、齿轮分度圆直径dt1,代入σd1t≥32KHtT2、计算圆周速度v。v=πd1tn13、计算齿宽b。b=∅d∙4、计算齿宽与齿高之比bh模数mt=d齿高h=2.25mt=2.25×2.87=6.46mmbh=34.4455、计算载荷系数。由于v=0.029m/s,7级精度，由《机械设计手册》查得动载荷系数KV=1KHα=K由《机械设计手册》查得使用系数KA当齿轮垂直放置时，当齿轮垂直放置时，通过插值查询《机械设计手册》找到7级精度。KHβ由bh=5.33，KHβK=KAK6、按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，得d1=d7、计算模数m。m=d1Z2.按齿根弯曲强度设计弯曲强度设计公式为式（3-30）m≥32KT1（1）确定公式内各计算数值1、查询《机械设计手册》以获取齿轮的弯曲疲劳强度极限σFE1=500MPa;齿条的弯曲强度极限为2、取弯曲疲劳寿命系数KFN1=1.1，3、计算弯曲疲劳许用应力。取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得σF1=σF2=K4、计算载荷系数K。K=KAKV5、查取应力校正系数。由《机械设计手册》查得YSa1=1.586、查取齿形系数。由《机械设计手册》查得YFa1=2.65,7、计算齿轮齿条的YFaYFa1YSa1YFa2YSa2齿条的数值大。（2）设计计算m≥32×1.78×2.908×105由于抗弯强度主要由齿轮模数m决定，因此齿轮的直径也决定了齿面的接触疲劳强度。根据弯曲强度方法，每个齿轮的模量系数可以计算为3.55。根据四舍五入原则，可以将其作为标准值m=4mm。根据相同的原理，可以计算出分度齿轮的直径d1=77.84mm,Z1=d通过上述的计算论证，模数m=8,直径d=250mm的齿轮满足设计的强度要求，如图4-4所示。图4-5齿轮齿条（五）Y轴电机支撑架的设计Y轴电机支撑架的设计必须根据步进电机的尺寸进行设计，并且必须考虑电机与电机支撑架之间组件的设计。还应考虑在Y轴方向上固定滑块和惰轮，并在Z轴方向上连接工作台。支撑板俯视图如图4-6所示。图4-6电机支撑板Y轴的电机电机、支撑件、滑块和惰轮装配如图4-7所示。图4-7y轴零件装配图（六）轴的设计计算（1）确定轴的类型分析表明，码垛机上的轴都是旋转轴。（2）选择轴的材质选用45号钢。从码垛机在工作中的运动和传递过程可以知道，码垛机的传递载荷和转矩不大，并且运动平稳且无冲击。（3）分析设计问题根据码垛机的结构配置要求：根据轴标准计算并检查强度。（4）轴的计算轴的最小直径的计算(4-38)式中：——轴的传递功率kw；——轴的直径mm；——与轴的材料有关的系数，查得45#钢，；——轴的转速r/min。通过假设电机的效率。