机电一体化系统绪论

课程设计目标1．熟悉机电一体化系统机械系统的设计全过程；

2．学会用现代设计方法根据设计任务书的要求进行方案选择和论证；

3．学会根据设计任务书的要求进行必要的设计计算并选用合适的驱动、传动、导向支承结构件等；

4．培养和提高使用工具书及参考资料（工程手册、设计手册、产品样本等）的能力；

5．加深认识生产实际对工程文件的要求，提高绘制工程图纸的能力；6．掌握撰写设计报告的方法；课程设计任务工业机器人设计：设计步骤与方法1．按设计任务书的要求设计某机电一体化系统机械系统中的一个部件，如工业机器人底座、大臂、小臂、手腕的设计；2．方案选择和论证并确定结构形式；3．稳态设计：（1）负载分析，作负载的等效换算（2）驱动元件的匹配，转矩匹配、功率匹配、选用相应的驱动元件；（3）传动比匹配，传动元件选择（如选用滚珠丝杆、谐波减速器等，）设计步骤与方法

（4）导向支承构件选择与设计（普通轴承，四点接触轴承、直线导轨、特种轴承、滚珠导轨等）；（5）结构设计：机架&机座等；（6）撰写设计报告设计作业形式1、机器人总装图（A2幅面）一份（手腕设计）2、部件机械结构装配图（A2幅面） 一份3、机械零件图（A3或A4幅面） 一份

*机械零件设计需在装配图完成之后，经指导教师审查合格予以指定。4、部件机械结构装配图零件明细表 一份5、部件机械结构装配图外购件明细表一份6、设计计算说明书7、光盘 一份参考资料1.《机电一体化系统机械系统课程设计任务书》，自编2.《机电一体化系统机械系统课程设计指导书》，自编

3.《机电一体化系统设计》，张建民等编著，北京理工大学出版社；

4.《机电一体化技术手册》，机电一体化技术手册编委会编，机械工业出版社；5.《机械设计手册》，机械工业出版社；

6.《机械设计课程设计手册》，清华大学吴宗泽、北京科技大学罗圣国主编高等教育出版社；

7.《机械设计手册》，毛谦德，李振清主编，机械工业出版社；

8.《机械设计课程设计图册》哈尔滨工业大学龚义主编，机械工业出版社；设计任务书设计任务书任务分组每种类型机器人由一个小组合作完成：

每组最多5人，分别负责机器人底座、大臂、小臂、手腕1、手腕2设计。小组成员构成：自愿组成，并选出一名小组负责人设计任务由老师指定分配。工业机器人机械设计机器人的构成：－机械本体：机构；－动力与驱动：动力源；－执行机构：执行器/元件－传感检测：传感器；－信息处理与控制：PLC

&计算机工业机器人机械设计内容（1）机器人机械本体设计：—传动部件设计：滚珠丝杆副、齿轮传动、谐波减速器－支承及导向部件：滚珠导轨副、直线运动球轴承－轴系设计：轴颈计算及结构设计、轴承、键－机架工业机器人机械设计内容（2）执行元件选取与设计：—伺服电机计算与选型（3）稳态设计与校核工业机器人机械设计的依据机器人动力学逆问题：即已知通过轨迹及各点的速度和加速度来求解驱动器提供给主动关节的驱动力。运动模型的简化：将机器人看作是无质量杆件与质量球的组合设计步骤（1）机器人整体结构构思根据给定的机器人类型，通过查询资料，构画出整个机器人的大概结构形式。（2）结构尺寸设计（多关节）手腕：150～250mm，小臂：400～600mm大臂：500～600mm底座：300～400mm,G手腕＝1～2*G负载G小臂＝1.5~2.5*G手腕G大臂＝1.5～2.5*G小臂G底座＝1.5～2.5*G大臂*

直角坐标机器人按照行程确定结构尺寸（3）执行元件（关节伺服电机）计算与选择：

A、电机初选—直线运动：P–电机功率（w)F-最大轴向工作载荷

（N)V–最大直线运动速度

（m/s)η

－传动效率。当负载启停时轴向工作载荷最大：Fmax=ma+fmgA、电机初选—旋转运动T重＝G

*L;T惯＝J*;J=

Jc

+m

*r2(4)传动比及传动机构设计：当功率、转速和运动形式符合工况时，缩短传动链可以提高机器人的响应特性。传动比应在满足驱动部件与负载之间位移与转矩、转速的匹配的基础上，尽可能减小系统的转动惯量，在相同的驱动功率下，使系统的加速度响应最大。因此从高速级到低速级各级传动比应递减，以使传动装置的重量最轻。所以机器人传动装置通常采用谐波减速器与传动轴直联实现减速，后级齿轮传动采用1：1传动比进行力的方向转换。①齿轮传动：谐波减速器的选择，根据转动比、入力马力和电机转速选择②滚珠丝杆副：1）按预期寿命Ln及轴向载荷Fa进行选择式中：Fa--轴向载荷。一般情况下可取平均值Fm代替。对机床及精密机械等通常取此时：2）按承受最大轴向力Fmax选择：Ca>Fmax/fafa--安全系数，一般取0.8∼1.滚珠丝杠的性能核算(1)几种典型的支承方法a)一端固定,一端自由(G--Z);c)一端固定,一端支持(G--j);b)二端支持(j--j)d)二端固定(G--G)几种支承方法下的支承距离(2)最大轴向压缩载荷(3)极限转速（5）轴系设计：轴径计算、轴承选择、键、轴上零件定位（6）导向支承部件设计：－滚珠导轨副－直线运动球轴承（7）电机匹配校核：

a转矩匹配B功率匹配圆柱滚珠衬套滚动导轨寿命计算1）额定寿命的计算使用滚珠的滚动导轨副：使用滚柱的滚动导轨副：L：额定寿命(km)C：基本额定动负荷(kgf)P：系统实际工作时的负荷(kgf)2）考虑使用条件时的寿命计算使用钢珠的滚动导轨副：使用滚柱的滚动导轨副：硬度系数温度系数接触系数负荷系数系统工作时的等效负荷（kgf)当滑块上各方向受力时的等效负荷式中: ---等效负荷---垂直方向的等效负荷---水平方向的等效负荷•X,Y---等效系数硬度系数(洛氏硬度HRC58~64)温度系数接触系数负荷系数3)计算寿命时间

直线运动系统的寿命时间，是按照基本时间内的行走距离来计算的。

当行程的长度及往复的次数均等时，按下式计算。Lh--寿命时间（hr)L--额定寿命(km)ls--行程的长度(m)n1--每分钟往复的次数(4)基本静额定负荷Co

基本静额定负荷是用以下方法确定：在受到最大应力的接触部分处，导

轨表面与滚动本体的永久变形的和，恰好是滚动本