毕业设计（论文）-清理机器人设计

目录TOC\o"1-3"\h\u4805摘要 绪论爬行机器人以工作范围大，动作灵活、结构紧凑、能够抓取靠近基座的物体等特点而受到设计者和使用者的关注。机器人关节是机器人的基础部件,其性能的好坏直接影响机器人的性能。本文根据机器人关节的功能特点,驱动方式,应用场合和主要结构等进行了分类;介绍了典型的机器人关节结构形式,对工业机器人和拟人机器人的关节结构进行了较为详细的介绍;随着数字伺服技术等电子技术的发展,机器人关节也在不断发展。机器人关节呈现出大力矩、高精度、反应灵敏、小型化,机电一体化,标准化和模块化等趋势,以适应机器人技术发展的需要。图1.1爬行机器人1.1课题研究背景和意义当今,在科技日新月益的进展之下,机械人手臂与人类手臂最大区别就在于灵活性与耐力性。机械手的最大优势就是可以在机器正常运转的情况下可以多次重复做一个动作，并且不会像人一样会感觉到疲倦。机械手设计是机械设计制造及其自动化专业的一个重要教学环节，是继基础课及专业课之后的一次综合设计，是一次比较系统完整的整机设计。通过工业机械手的设计，可以提高机构分析与综合的能力、机械结构设计的能力、机电液一体化设计的能力，为今后在工作岗位上的学习打下坚实的基础。我研究的是变电站异物清理机器人，设计该机器人的意义主要表现在：巩固大学学到的机械相关知识，从结构，动力，传动，控制都有一个系统的了解，是对所学专业课的一个总结。其次提高对软件的运用，AUTOCAD会有很大的进步，并且培养检索文献资料与熟练运用手册、规范、图表等常规工程技术资料的能力。最后培养在已有知识的基础上，扩展新知识、新理论、新技术的自学能力。强化运算、识图、制图和编写设计说明书等基本工程技能，强化使用工程语言准确表达设计思想的能力。本设计结合国内外相关技术发展的前景，以及机械手的发展历史。根据变电站异物清理作业的需求，设计一个可代替人力劳动的异物清理机器人，实现异物自动清理，代替人工。1.2国内外研究现状1.2.1国外机器人的发展状况目前，随着制造业技术日益成熟，机器人设计也愈发娴熟，因此产生了众多具有影响力的工业机器人公司，在这里不得不说有德国的KUKARoboter、日本的FANUC、Yaskawa、瑞典的ABBRobotics和美国的AdeptTechnology、AmericanRobot、EmersonIndustrialAutomation等。以上提及的相关公司已经是被工业界广泛认可且使用。据有关专家预测，继计算以及机汽车之后出现的一种新的大型高科技产业有可能是这里提到的机器人。跟据国际机器人联合会和联合国欧洲经济委员会统计，目前的相关市场前景十分好，从20世纪下半叶起，世界机器人行业一直以良好势头在稳步增长。图1.2库卡机器人国外的自动化生产装备一般多数是采用机器人及其相关的自动化生产线的整套自动化设备。尤其是在电子行业、汽车行业以及一些大型企业，已经将工业机器人的普及、覆盖率做的非常高。通过机器人动作的一直行来保证工业生产的一致性和可靠性。机器人代替了传统的人工，降低了企业的用工成本，同时，人员少，极大地降低了工伤事故的发生。图1.3各国加机器人销售量统计从目前的的工业机器人普及率以及拥有数量排名来看，日本、意大利、德国等工业较为发达的国家，比较靠前。经过长达半个世纪的实践和完善，机器人是工厂实现自动化高效生产的一个有效途径。通过机器人的普及，可以推动企业的生产效率。另外，德国的工业4.0计划，中国的2025计划等都是政策引导的结果。各国都在大几发展工业自动化、智能制造等先进的生产模式。而工业机器人则是最基础的自动化执行器。1.2.2国内机器人的发展状况中国作为世界制造大国，面临着严峻的考验，也迎来前所未有的机遇。之所以说考验十分严峻，是因为我国的工业起步较晚，自动化程度相当落后，发展工业自动化，用机器人来替代人的作业，不可能一蹴而就，这事一个循序渐进的过程，所以说中国在这条道路上还有很长的路要走。为什么说是机遇？因为如果我们抓住机遇，大力发展自动化，中国就有可能从制造大国转变为制造强国，有机会赶超欧美德意等国家，跻身世界前列。国内工业机器人的发展大概从2009年开始出现比较明显的增长，工业机器人的装机量在很长一段时间内保持140%的增长率。目前来说，中国的工业机器人装机量在世界总份额中占到五分之一的比例。另外，随着人们生活水平的提高，自动清扫路面，家具清洁机器人等产品也开始迎来高速发展时期。另外，只能语音技术的发展，带来了只能导航机器人的发展，一些酒店服务大厅开始出现机器人导航服务，一些餐厅也开始使用智能机器人点餐上菜等。无论是工厂的工业机器人还是面向生活的只能机器人都在飞速发展。图1.4智能送餐机器人（1）提高工作可靠性：目前，国产清扫设备，在作业可靠性方面明显比不上进口设备。主要原因有三点：第一，动力设备及其传动系统以及工作装置，在耐用性和材料的热处理工艺等方面，因为国内相应的基础配套不够完善，或者条件跟不上，甚至不合格，需要大力改进；其次，制造工艺不合理、加工精度达不到实际要求。第三，整机方面，在一些技术和结构设计上需要做一个比较大的改进等。（2）多功能扫地机的研究与开发：根据调研结果显示，市面上大量的清扫设备都是单一的清洁功能，不具备同时兼顾拖地，喷水或者清洁护栏等其他相关清洁作业，多功能清扫设备的研究，可以将其功能进一步扩展和实用化。图1.5家用扫地机器人（3）环保性要求：目前大多数机型，对扬尘的处理都不是很好。随着国家对环保的要求指标越来越高，有必要研制更加环保清洁的清扫设备。（4）功能模块化：对于不同级别的地面，需要使用到不同的清洁机械。根据地面的不同需求，也应配备不同类型的清洁机械，以减少清扫地面的总成本。因此，有必要对清扫设备进行模块化配置，开发和生产不同类型和构造的清洁机械。随着人们生活水平的提高，自动清扫路面，家具清洁机器人等产品也开始迎来高速发展时期。另外，智能语音技术的发展，带来了只能导航机器人的发展，一些酒店服务大厅开始出现机器人导航服务，一些餐厅也开始使用智能机器人点餐上菜等。无论是工厂的工业机器人还是面向生活的只能机器人都在飞速发展。1.3论文研究内容本设计需要完成变电站异物清理机器人运动学模型分析与计算，机器人底盘、支撑杆、异物清理操作臂三维模型建立。底盘应具有全方位移动性能；支撑杆应具有较好的强度和刚性；异物清理操作臂应具有多个自由度。要求完成以下设计任务。1、变电站异物清理机器人国内外研究调研，包含国内外变电站异物清理机器人的研究现状及发展趋势等；2、变电站异物清理机器人机械系统整体方案设计，包含整体模型框架、底盘类型、行走机构类型、支撑部件、异物清理操作臂、其余零部件种类及功能等；3、变电站异物清理机器人底盘和行走机构设计，包括底盘材质，大小，形状，布局，与轮子连接位置等；4、变电站异物清理机器人支撑部件设计，包含支撑部件种类分析，支撑部件优势分析等；5、变电站异物清理机器人异物清理操作臂设计，包括操作臂机械部分设计及强度仿真计算等；6、机械结构设计要有零件图和整体装配图（CAD图）；7、完成不少于50页的毕业设计说明书，说明书的格式必须参照学校标准模板。1.4论文结构安排文章共设六个章节，分别阐述机器人的发展状况、设计的主要内容以及具体的设计计算等，具体如下：第一章绪论部分主要介绍本课题研究背景和意义，简单分析下国内外相关课题的研究状况，以及本次设计的主要研究内容。第二章阐述异物清理机器人结构设计总体方案，对变电站异物清理机器人的作业环境、作业要求以及作业性能逐一分析，然后给出总体的设计方案。第三章主要涉及异物清理机器人底座结构设计，包括底盘结构的形式以及传动方案的设计，底盘驱动电机的选择，基座旋转电机的选型，传动机构的设计计算等等。第四章主要涉及异物清理机器人手臂结构设计，包括手臂机构的方案设计，Z轴升降机构以及X轴平移机构的设计计算，电机、直线导轨、滚珠丝杆、同步带等的选型计算等。第五章是对异物清理机器人末端执行器结构的设计，主要是对夹持气缸和提升气缸进行选型。第六章则是对设计的异物清理机器人关键零部件进行强度校核，比如手臂、基座等等的强度校核以及有限元分析等。

2异物清理机器人结构设计总体方案2.1引言我国对道路清扫设备的研究开始于二十世纪六十年代，到2020年，现在差不多已经积累了大约六十多年的设计研发制造经验，这里主要是指大型道路清扫设备的研发。但是在小型轻量化的道路清扫设备的研究上，我们的经验相对不是很足，开始的时间相对也比较晚。所以和欧美国家，不论是在生产规模、技术实力还是在实际应用以及清理效果等方面仍然存在着很明显的差距。随着目前的道路清扫机市场需求和技术积累、发展，大概在2005年前后，我国在小型道路清扫设备的研究开始有了一个比较明显的发展。图2.1小型道路清扫设备对于自动、半自动的小型道路清扫设备，最常见的就是马路清扫车，由发动机驱动，它的成本相对比较高，操作比较复杂，普及的可能性不太大。因此，迫切需要开发一种成本低，节省人力物力，清洁效果好、环保型小型清扫设备，以适应院子、公园、校园、小区等小区域地点的清扫作业。图2.2道路清扫车目前，许多国家开发的清扫机器人已经诞生。日本，美国和欧洲正在竞争开发某些产品。例如，有一种电动式气流清扫机器人，它类似于吸尘器原理，电动机带动叶轮高速旋转，使收集箱压强降低，形成一个小范围低压腔体，从而产生吸力，带走道路，可以远程或自主操作，可以转身避开障碍物，该产品有很高的实用价值，可对公园、校园等地面道路进行清扫，并帮助人们摆脱繁琐的劳动。国产道路清扫机的生产技术水平虽然在近几年的积累中，有了一定的进步和提高，性价比上面可以做到超过进口产品，但在以下几个方面，还是有进一步提升的空间，这也是未来数十年内，国内清扫设备技术的发展趋势。2.2异物清理机器人需求分析2.2.1作业环境图2.3变电站内部环境本次设计的异物清理机器人主要用于变电站内部的道路清扫，变电站内部环境较为复杂，内部路面情况多样，有水泥主干道，有铺设地砖的分支道路，也有种植有草坪的绿化地带，还有一些较为复杂的坑洼地带等等。2.2.2作业要求基于上面分析的变电站内部环境较为复杂，各种地形都有存在。所以所设计的异物清理机器人，必须具有一个适应于各种地形的底盘结构，能够保证异物清理机器人能够在变电站内“走”的基本问题。变电站内环境复杂，还需要给机器人配备一套视觉系统，这就好比是人的眼睛，通过眼睛看到的进行分析，然后知道机器人的动作。所以本次设计的变电站异物清理机器人应该能够适应各种不同地形，并且对异物进行识别，准确抓取。2.2.3作业性能本次设计的变电站异物清理机器人，应该具备爬行功能，并且能够适应多种不同的地形。机器人的底盘应该足够大，这样的稳定性更强。同时，整体结构不宜太大，以保证机器人的灵活性，机器人还有该具有旋转机构，升降机构以及平移机构等等，来配合加持机构对异物进行夹持、搬运、收集等作业。为了提高机器人的性能，在底盘上方还应该设计一个小的收集箱，机器人对异物进行收集暂存，待收集箱装满后回到工作站进行集中处理。以便提高机器人的作业效率。2.3总体方案图2.4方案简图变电站异物清理机器人主要结构如图所示，行走底盘设计为履带式小车结构，小车的前进方向，履带设计有一定角度的向上倾斜，可以应付复杂地形。为了增加底盘的稳定性，可以对底盘的宽度进行合理设计，并在底盘下方增加配重块，来降低机器人的中心高度。履带小车的上方设计有一个关节机械臂，主要包括旋转机座、升降机构、移机构以及末端夹持机构等。旋转机座可以实现机械臂绕旋转轴360度旋转和任意位置启停。升降机构、平移机构可以在水平面和竖直平面内做俯仰运动，末端连接有夹爪机构，是具体实施异物清理的执行结构。旋转机座、升降机构和平移机构通过电机来驱动，相互配合来实现末端执行结构在以履带小车为中心一定圆周范围内的异物清理作业。另外，在小车背上有一个异物收集箱，将收集到的异物放在收集箱内暂时存放，待收集箱内装满，异物清理机器人返回工作站，对箱内异物进行处理之后再继续实行异物清理工作。2.4本章小结本章节主要通过分析目前市面上的道路清扫机器人的研究状况以及存在的问题点，再结合本次设计的主体，对变电站内部的地形环境进行简单分析，然后得出变电站异物清理机器人的需求信息，进一步的，得出变电站异物清理机器人的总体结构方案。

3异物清理机器人底座结构设计3.1引言机器人底盘结构的设计是本次设计的一个关键，它是整个机器人的基础部分，主要包括行走机构和旋转基座。行走机构主要是要求满足各种地形的适应问题，旋转基座则是执行机构最为基础的第一道关节机构，关系到末端执行机构是否能够准确的对异物进行抓取。3.2底座结构总体方案设计3.2.1移动方式选择通过对市面上已有的爬行机器人结构进行分析对比，主要有两种实现方式，一种是轮式结构，另一种是履带式结构。前者典型的汽车底盘机构，后者则是典型的坦克底盘结构。根据前面对变电站内部地形环境的分析，我们认为后者更能适应各种多变的地形要求。所以，最终确定本次设计的底盘机构采用履带式行走机构。3.2.2履带方式选择爬行底盘主要有两个作用：支撑固定机器人，为机器人提供动力。他的总体形势有很多种，有一些小型侦察机器人用第 2种履带形式，这种行走装置是轮式机构，这种侦察机器人运动灵活，可获得一定的速度，但这种轮式机构自身有其弱点，其地面适应性较履带式移动方式相差很多。经过市场调研，此次选择设计第5种构型，此种构型的优势是结构简单，结构强度高，重量轻。对于防爆用途是相对理想的结构。图3.1爬行机器人底盘形式3.2.3驱动方式选择除了要受到环境条件的限制以外，驱动机构的设计还要详细分析价格的影响和所能达到的技术水平。目前，比较常用的驱动方案主要有三种形式，分别是电气驱动、液压驱动和气压驱动。这三种驱动方式的主要特点为：（1）电气驱动：根据电动机的类型，电气驱动可分为直流电机驱动、步进电机驱动、交流电机驱动三种方式。（2）气动驱动：优点有控制相对简单，成本较低，可靠性比较高；缺点有出力较小，噪声相对比较大。（3）液压驱动：优点是总体结构相对比较简单，定位精度相对其它几种方式比较高，而且它的功率比较大；缺点有成本较高，还会发生漏油等情况。综上所述，本次设计中有限选用较为清洁的电气驱动方式，电机通过移动式蓄电池来供电，方便快捷，且电机驱动的噪声小，无污染。是目前的主流选择。3.3底座电机选型3.3.1底盘电机选型根据电机的转速公式：其中，V——小车速度；——驱动轮分度圆半径；i——传动比；则电机负载转矩的计算公式如下：其中，——电机的负载转矩；M——车体质量；a——小车加速度；g——重力加速度；f——摩擦系数；α——爬坡角度；——驱动轮分度圆半径；i——传动比；——传动效率。则带入公式，取V=0.1m/s，加速度，摩擦系数0.2，传动比10，总效率0.83，则驱动电机的负载转矩，电机功率。确定电机品牌，三菱，型号：HG-KN-43。3.3.2基座电机选型1、确定机械手各部分的质量,设2、计算最大惯量3、减速机及传动比腰部采用蜗轮蜗杆传动，减速比为1：60，电机最大转速1500rpm，蜗杆最大转速25rpm；4、电机功率的计算腰部旋转电机的功率：根据以上计算，并加以一定的余量，电机的功率选择为1.5Kw。确定电机品牌，三菱，型号：HG-KN-73。

3.4底座结构设计3.4.1蜗轮蜗杆设计1.确定蜗杆的计算功率式中K——使用场合系数，每天工作8小时,轻度震动由《机械工程手册》查得：K＝1.2；K——制造精度系数，取7级精度，查得：K＝0.9；K——材料配对系数，齿面滑动速度<10m/s,由《机械工程手册》查得：K＝0.85。代入数据得以等于或略大于蜗杆计算功率所对应的中心距作为合理的选取值根据《机械工程手册/传动设计卷》（第二版）表2·5－22a选取蜗杆的中心距：a＝175mm蜗杆传动几何参数设计准平行二次包络环面蜗杆的几何参数和尺寸计算表中心距：由《机械工程手册/传动设计卷》（第二版）,标准选取a=175mm蜗轮齿数：由《机械工程手册/传动设计卷》（第二版）,选取蜗杆头数：由《机械工程手册/传动设计卷》（第二版）,选取齿数比：u＝＝60蜗杆齿顶圆直径：《机械工程手册/传动设计卷》（第二版）表2.5－16,选取=58mm蜗轮轮缘宽度：《机械工程手册/传动设计卷》（第二版）表2.5－16,选取b=37mm蜗轮齿距角：＝蜗杆包容蜗轮齿数：K＝=5蜗轮齿宽包角之半：＝0.5（K－0.45）=蜗杆齿宽：《机械工程手册/传动设计卷》（第二版）表2.5－16,选取=53mm蜗杆螺纹部分长度：《机械工程手册/传动设计卷》（第二版）表2.5－16，选取=59mm蜗杆齿顶圆弧半径：《机械工程手册/传动设计卷》（第二版）表2.5－16，选取R=82mm成形圆半径：《机械工程手册/传动设计卷》（第二版）表2.5－16,选取=65mm蜗杆齿顶圆最大直径：《机械工程手册/传动设计卷》（第二版）表2.5－16，选取=53.8mm蜗轮端面模数：m＝=mm径向间隙：=0.5104mm齿顶高：h=0.75m=2.233mm齿根高：h=h+C=2.7434mm全齿高：h=h+h=4.9764mm蜗杆分度圆直径：＝（0.624＋）a＝60.35mm蜗轮分度圆直径：＝2a－＝289.65mm蜗轮齿根圆直径：d＝－2h=284.1814mm蜗杆齿根圆直径：d＝－2h=54.8632mm判断：因为=45.88mm,满足要求蜗杆平均导程角：＝分度圆压力角：=3.4.2输出轴的设计计算由《机械零件设计》表6－1选用45号钢，调质=6502、轴径的初步计算由《机械零件设计》表6－2，取A＝112，根据公式，其中——轴的转速，30r/min——轴传递的功率，1.1kw——计算截面处的轴的直径将数据代入公式得3.确定轴的各段直径和长度（1）滚动轴承的选择，考虑到使用过程中，轴承既受到来自轴向的作用力，又会受到来自于轴向的作用力。所以，设计用深沟球轴承和推力球轴承组合，将型号确定后列在下面：深沟球轴承6032zz两只，d×D×T=160×240×25mm深沟球轴承6015zz两只，d×D×T=75×115×20mm推力球轴承51315一只。d×D×T=75×135×44mm3.4.3底座整体结构设计旋转机座一方面是起到固定支撑机器人所有关节的作用，另一方面，旋转机座为机器人提供旋转运动的动力。该部分通过蜗轮蜗杆传动，控制整个机器人的旋转运动。旋转机座的设计过程中，主要遵循以下几点设计原则：(1)应该设计在一个足够刚度和强度的基础结构上，以保证机器人运行过程中具有足够的稳定性。(2)所选择的轴承、齿轮等应该具有足够的强度和刚度，确保旋转机座可以支撑其上的所有重量以及所搬运的物料的重量。(3)传动设计的精度要求比较高，此关节是机器人的第一个运动关键，其精度和稳定性直接影响到整个机器人的精度。(4)为了保证机器人运动的灵敏度和响应的及时性能，在一些必要的时候，需要对旋转机构设计刹车，这样可以保护旋转结构并且可以保证高速运转的机器人能在需要的时候及时的停在目标位置。(5)旋转基座和地基之间的连接不应该是固定死的，应该设计成一定范围的可调间距。并且，调节机构的设计应该方便调试。（6）旋转驱动的动力一般有电机驱动、液压驱动和气动驱动。目前使用最多的还是电机驱动，应为伺服电机的成本越来越低，并且伺服驱动相对于液压驱动，更加清洁干净，不易造成污染。相比气动驱动，精度更高，反应更快。图3.2底座整体结构图3.5本章小结本章节主要完成了异物清理机器人的底盘结构的选型，通过分析对比轮式底盘和履带式底盘的不同，确定本次设计采用履带式整体结构形式。并且对履带式底盘的多种结构进行了分析对比，最终确定为前端带有倾角的结构形式。另外，本章对旋转基座的结构进行了设计，旋转基座采用蜗轮蜗杆传动，传动比大，传动稳定，精度高，具备自锁功能。本章还对其中的主要零部件，比如电机、蜗轮蜗杆、输出轴等零件进行了设计计算。

4异物清理机器人手臂结构设计4.1引言机器人的手臂是对末端执行机构的运动空间的延伸，设计的时候，应该根据作业工况的复杂程度和作业范围的大小来确定。一般手臂的运动包括旋转运动和直线运动，结合本次的设计方案，手臂共有两个关节，一个Z轴的升降运动和一个X轴的直线运动。Z轴的升降传动选择滚珠丝杠直线导轨结构，采用伺服电机驱动。同时，为了对结构进行轻量化优化设计，X轴采用同步带传动，驱动电机布置在Z轴的中心，以降低机构的转动惯量，提高设备的整体稳定性。4.2手臂总体方案设计4.2.1Z轴方案设计Z轴是在竖直平面内升降运动，负责异物拾取之前，将执行夹爪下降至地面适当高度，待夹持机构夹住异物之后，进行提升动作。Z轴需要对X轴以及夹持器等零部件进行支撑和提升，所以有一定的结构刚性要求。拟采用铸造铝合金作为Z轴的主体支撑结构，采用直线导轨进行导向，传动机构选择滚珠丝杆，选择伺服电机来进行驱动。方案简图如下图。图4.1Z轴方案简图4.2.2X轴方案设计X轴是水平面内的伸缩运动，它是一个悬臂结构，一端连接在Z轴的移动板上，另一端安装有末端执行器，所以X轴的设计应该考虑轻量化的问题，较轻的结构有利于机器人整体的灵活性和运行的稳定性。综合考虑，采用同步带传动，选择步进电机来驱动。同时，考虑X轴旋转惯量的降低，尽可能将电机放置在基座的旋转中心附近。具体结构如下图。图4.2X轴方案简图4.3手臂电机选型4.3.1手臂Z轴电机选型1、计算负载惯量丝杠轴：可动部：总负载惯量：2、计算负载转矩3、初选伺服电机选择依据：负载转矩<伺服电机额定转矩总负载惯量<JR（推荐负载惯量比）x伺服电机的惯量得：电机型号：HG-KR053B（额定转速1500r/min，额定转矩0.16N.m，最大转矩0.56N.m，惯量）。4.3.2手臂X轴电机选型电机所需功率P为P=式中：P——发动机功率（kw）F——作用力（N） V——运行速度电机的输出功率P为P=KW式中，为传动效率。取效率=0.95；由因载荷平稳无波动，电机额定功率稍大于即可，选择电机品牌为雷赛步进电机，型号为DM542。保持转矩。4.4手臂结构设计4.4.1滚珠丝杠设计1、滚珠丝杆副的设计计算对已知数据和假设数据进行汇总整理，结果如下：所需驱动物体总质量最大行程加减速时间行程总时间定位精度重复定位精度直线运动导承摩擦系数驱动部件工作效率1、计算最大速度将已知数据带入公式得2、计算螺距P这里按照电机的最大转速1500r/min来计算，得到最小螺距4.0mm，根据丝杆的时间螺距，选择P=5mm3、暂定丝杆长度=最大行程+螺帽长度+余量（螺距的1~2倍）=300+50+2x25x2=450mm4、计算丝杆的轴径1）根据丝杆的容许转速来确定轴径。一般丝杆的支撑方式多为一端固定，一端支承，根据危险速度来计算所需要的丝杆轴径：根据《机械设计手册》，按下面的计算公式来计算：其中：=15.1得：2）根据丝杆的屈服强度来确定轴径。取丝杆直径大于25mm。5、丝杆精度及安装按时选择定位精度要求较低，选择一般的轧制滚珠丝杆即可满足要求。常见的丝杠安装有以下几种形式：（1）一端固定，一端自由：这种支承形式结构简单，丝杠的轴向刚度：比两端固定的低，丝杠的压杆稳定性和临界转速都较低，设计时尽量使丝杠受拉伸。对于行程小、转速较低的短丝杠和竖直的纪纲可采用悬臂支承结构。（2）两端游动：两端支持的安装方法属于一般的按扎方法，适合与中等转速的场合。（3）一端固定，一端游动：对于高精度、中等转速的较长的卧式安装丝杠，为了防止热变形丝杠伸长，常采用一端轴向笃定的支承方式。这种支承形式的特点是：安装时需保持螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺较困难；丝杠的轴向刚度和一端固定，一端自由的相同；压杆稳定性和临界转速比同长度的轴向力，而另一端只承受径向力，并能作微量轴向浮动。（4）两端固定：对于高精度、高速旋转的滚珠应该采用两端固定的安装方式。为了给丝杠施加预紧力，又能让弹簧来补偿丝杠的热变形，保持预紧力近乎不变。这种支承形式的特点是：刚度最高，只要轴承无间隙，丝杠的轴向刚度为一端固定的4倍。安装时需保持螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺较困难；丝杠一般不会受压，无压杆稳定问题，固有频率比一端固定要高；可以预拉伸，预拉伸后可减少丝杠自重的下垂和补偿热膨胀，但需一套预拉伸结构，结构及工艺都比较复杂；要进行预拉伸的丝杠，其目标行程应略小与公称行程，减少量等于拉伸量。因此这种形式使用与对刚度和位移精度要求高的场合。丝杠的支承轴承应采用滚丝杠哪个专用轴承，这是一种特殊的向心推力球轴承，其接触角增大到60°，增加了滚珠树木并相应减少了滚珠直径，使轴向刚度增大到普通向心推力球轴承的两倍。该轴承一般是成套出售，出厂时已调好预紧力，使用极为方便。若选用通用轴承，可采用向心推力球轴承或向心球轴承同推力球轴承的组合，一般会增加轴承支座的结构尺寸、增加轴承的摩擦力和发热。丝杠两端轴承座孔与滚珠螺母座孔应保证严格的同轴度，同时要保证滚珠螺母与座孔的配合良好以及孔对端面的垂直度，保证轴承支座和螺母支座的整体刚度、局部刚度和接触刚度等。综合以上四种方式的特点，既保证系统稳定性，同时结合制造和安装的经济性。我们选择最常见的安装方式：一端固定，一端支承。4.4.2直线导轨设计线性滑轨使用寿命的计算：根据上银线性滑轨手册提供的寿命计算公式得，其中：L——额定寿命C——基本动额定载荷P——工作负荷滑轨承载负荷计算：最大工作负荷计算：远大于实际使用载荷，顾满足要求。4.4.3同步带、同步带轮设计1、同步带的选择同步带传动是由一根内周表面设有等间距齿的封闭环形胶带和具有相应齿的带轮所组成。运转时，带的凸齿与带轮齿槽相啮合，来传递运动和动力。与其他传动粗比，同步带传动具有如下优点：（1）确定同步带传动的设计功率式中，—载荷修正系数。—工作机上电动机功率（2）确定同步带的型号和节距根据同步带的传动设计功率和带轮的设计，查《机械《机械设计手册》第五版》第五版，得同步带的型号选择为AT10，2、同步带轮的选择（1）确定带轮的齿数，根据同步带轮的最小使用齿数，确定带轮的最小齿数为18，这里，我们选择齿数为20。（2）确定同步带的带宽基本额定功率根据已知系数，查《机械设计手册》第五版，可得最小带宽为9.8mm，取带宽10mm。4.4.4手臂总体结构设计机器人的手臂主要是两个相互垂直的直线运动机构的组合，X轴的竖直升降运动和X轴的水平平移运动。为了降低Z轴的总体高度，没有使用联轴器直连的方式，设计采用的同步带转接的形式，将电机放置在Z轴的下方与滚珠丝杠平行，并且和丝杠在同一个方向上。具体结构如下图所示。图4.3手臂总体结构图4.5本章小结机器人手臂设计中，主要考虑的两个关因素，一个是整体结构的轻量化问题，另一个是机构的紧凑性。这个在设计过程中，首先是对结构进行优化，尽可能的使其结构更加的紧凑合理，比如Z轴电机的放置，利用同步带平行放置在Z轴立柱的背面。同时X轴的轻量化设计则体现在传动机构使用的事同步带结构，因为X轴是悬臂结构，所以它的质量大小对整体结构的稳定性影响很大。另一方面，该轴的驱动电机设计在Z轴的中心线处，这样，在旋转的过程中，可以将转动惯量降低到最小。整体来说，基本满足结构紧凑、轻量化的设计要求。

5异物清理机器人末端执行器结构设计5.1引言机器人的末端执行器是机器人的具体执行机构。他的设计往往是根据实际的作业对象来设计的。本次设计的机器人是用来夹取变电站内的异物，设计采用气动夹持气缸为主题结构，设计夹爪零件，来完成异物的夹取作业。5.2末端执行器总体方案设计5.2.1提升气缸选择提升气缸只要是为了配合Z轴的升降，进一步的增大Z轴的升降行程，从而实现底面与收集箱的高度适应。为了完成这个提升动作，所选择的气缸需要具备平移功能和导向功能。所以选择带导向轴的气缸。通过查阅相关资料，带导杆气缸的导向机构是导向杆和导向成套组成的。根据所需提升重物的质量，来直接选择气缸的直径。由于这里的重量比较低，所需提升的重物的最大质量加上下面夹持机构部分的质量，总体大约在10Kg左右，实际计算出来的气缸直径竖直会非常的小，所以可以根据时间外形尺寸来选择。最终选择的提升气缸直径为30mm，最大提升力300N。5.2.2夹持气缸选择夹持气缸是在伸缩气缸的基础上增加连杆机构，将气缸的伸缩运动转换为夹爪的平行张开和夹紧运动。假设所需夹持的最大重量为5Kg，则再求出夹爪与物体之间的摩擦力，由计算可知，实际所需要的夹持力还是比较小的。参照选型手册，按照10倍的安全系数，选择气缸缸径为40mm，最大夹持力150N。5.3末端执行器结构设计根据以上选型计算和选择结构，对末端夹持机构进行设计，并绘制出二维图纸，如下图所示。图5.1末端执行机构结构图5.4本章小结机器人的末端执行器主要采用气缸组合来实现改功能。通过本次的设计选型，更进一步的了解了非标设计中标准件的选型，尤其是气缸这种现代化设计中最为常见的一种气动元件。气动执行元件

总结与展望在这几个月的时间了，通过自己的不断摸索努力还有老师的帮助，我的毕业设计终于完成了。这次设计成果的完成，指导老师对我的指导和帮助起到了很大的作用。我发自内心的感谢我的指导老师，耐心地帮助我解决技术上的一些难题，无论我的问题是真的有难度还是只是我本人的不理解，他都能够耐心的给我讲解，直到我完全弄明白为止。这次的设计也让我们明了科学应该一丝不苟，人对待任何一个小问题，都应该保持严谨的作风，踏踏实实的走好每一步