多自由度直角坐标型码垛机器人结构优质毕业设计新版说明书.doc

多自由度直角坐标型码垛机器人本体结构设计

Body structure design of rectangular coordinate palletizing robot with the multi-degree freedom

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机械设计制造及其自动化
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目 录
设计总说明 I
INTRODUCTION II
1 绪论 1
1.1 码垛机器人发展情况 1
1.2 研究目标及意义 1
2 课题内容及要求 2
2．1 研究目标、内容及拟处理关键问题 2
2.2 参数要求 3
3 总体机构设计 3
3.1 机械抓手设计 6
3.1.1 方案选择 6
3.1.2 力学分析 7
3.1.3 气缸选择 9
3.2 丝杆螺母副计算和选型 9
3.2.1 Z轴滚珠丝杠螺母副计算和选型 9
3.2.2 x轴和y轴滚珠丝杠螺母副计算和选型 12
3.3 各轴驱动电机选型 12
3.3.1 Z旋转轴电机选择 13
3.3.2 Z轴步进电机计算和选型 15
3.3.3 x轴和y轴步进电机选择 17
3.4 直线滚动导轨副计算和选型 18
3.5 轴承选择 20
3.5.1 Z旋转轴轴承选择 20
3.5.2 Z轴滚珠丝杠下端单向推力球轴承计算和选型 20
3.5.3 其它轴承选择 21
3.6 锥齿轮传动计算和选型 23
4 总体支架受力分析 25
总 结 29
鸣 谢 30
参考文件 31

设计总说明

直角型码垛机器人是工业机器人一个，经过对它数控编程，它能实现能够在XYZ三维坐标系中任意一点移动和遵照可控运动轨迹。能够实现很多个码垛方法，在生产线上对替换人工，提升生产效率等含有显著应用价值。
本课题设计设计内容是完成多自由度直角坐标型码垛机器人本体结构设计，此码垛机器人有四个自由度，用于在流水线对纸箱整齐地码垛在托盘上，能够快速紧凑地码垛。能够经过快速替换机械抓手和重新编程对不一样大小物体进行快速码垛，能够适应不一样码垛对象，应用广泛。
第一步：是对中国外相关码垛机器人领域内研究背景和发展情况进行了解，并了解其研究目标及意义。
第二步:是对码垛机器人总体方案选择：经过进行了具体对比和选择，找到最适宜设计方案，最终方案采取龙门式机构，关键采取是滚珠丝杆螺母副传动，驱动装置采取步进电机，能够经过数控编程改变码垛路线。
第三步:是经过对履带机器人使用情况和需求，对机构选型和计算，关键机构有机械抓手、滚动丝杆螺母副、直线滚动导轨副、步进电机、滚动轴承等。
第四步:是经过Pro/E画出该码垛机总体三维结构图，经过CAD画出码垛机总装配图和其零件图，最终经过Pro/E画出该码垛机运动仿真。

关键词：码垛机器人；丝杆螺母；步进电机

INTRODUCTION

Right angle type palletizing robot is a kind of industrial robot. Through the NC programming, it can move in the XYZ coordinate system of arbitrary point mobile and follow the trajectories of controllable.It can palletize in so many ways in the production line to replace the workerl, improving production efficiency and having significant application value.
This time, the design content of this graduation design is to complete the multi degree of freedom rectangular coordinate palletizing robot body structure design, the palletizing robot has four degrees of freedom, used in the production line of carton packaging of product palletizing in tray.It can compact stacking quickly.It Can replace mechanical grip and re- programe of different size objects for rapid palletizing,and adapt to different palletising object, having a wide range of applications.
The first step of the design is to understand at home and abroad of palletizing robot in the field of the research background and development situation, and understand the purpose and significance of the research.
The second step is the selection of the overall scheme of the palletizing robot: through detaileing comparison and selection, finding the most suitable design. Finally,i chosed the gantry mechanism, the ball screw nut transmission, drive the stepper motor, through the NC programming change stacking line.
The third step is through the use condition and the demand of tracked robot, selectiing and calculating of the agency, main body with mechanical grip and rolling screw nut pair, linear rolling guideways, step motor, rolling bearing and so on.
The forth step is through the Pro/E to draw the palletizing machine overall three-dimensional structure, through the CAD to draw out the palletizing machine assembly drawing and the parts drawing. Finally, through the Pro / E ,i draw the palletizing machine motion simulation.

KEYWORDS: Palletizing robot；Screw nut；Stepper motor

多自由度直角坐标型码垛机器人本体结构设计

毕业设计说明书
1 绪论
1.1 码垛机器人发展情况
现在欧、美、日多种码垛机器人在码垛市场拥有率均超出了90％，绝大数码垛作业由码垛机器人完成。而且基础由她们垄断了全球市场。
l 中国工业机器人在国家支持下，经过“七五”“八五”和“九五”科技攻关，并取得了长足进步，国外码垛机器人在中国市场一统天下局面正在被打破[16]。
l 不过，中国工业码垛机器人其应用水平和技术和其它发达国家相比还有很大差距，如国外同类产品可靠性比中国高，起步较晚，运动速度和精度还有很广提升空间。生产线技术水平和国外相比仍有差距。和全球市场相比，码垛机器人应用规模仍然很小，中国还未发展成专门产业。而且目前中国码垛机器人生产品种规格多，批量小，零部件通用化程度低[16]。
l 所以迫切需要对码垛机器人及其相关物流产业进行全方面计划，整合资源优势，主动推进产业化进程。同时立足实际，完善码垛机器人相关产品、系统及结构，努力提升中国机器人发展水平。

1.2 研究目标及意义
大家在工业生产领域工作时，大家常常受到腐蚀、有毒气体等原因危害，使工人工作环境很恶劣，甚至可能危及生命。不过自从发明机械人以后，对应多种难题迎刃而解。码垛机器人就是作为机器人其中一个，码垛机器人是机、电一体化高新技术产品。码垛机有很多个类，能够在不一样产量生产中发挥着巨大作用。可根据要求编组方法和层数，完成对多种产品码垛。 当码垛机器人自由度越高，它能发挥作用越大，但码垛机使用最优化设计能够使得垛形紧密、整齐。作为工业机器人经典一个，码垛机器人在工业应用，尤其是包装领域正发挥着越来越大作用。张机器人和包装线现结合，既提升了生产线工作效率，有提升了生产线工作效率，又增强了运行可靠性，降低了人力资源开支，更让现代企业快速适应不停改变市场要求，产生巨大经济效益[16]。

2 课题内容及要求
2．1 研究目标、内容及拟处理关键问题
码垛机器人能够分为两类，分别是直角坐标型和关节型，图2-1，而我要做码垛机器人要求是直角坐标型。

图2-1（a）直角坐标型码垛机器人 图2-1（b）关节型码垛机器人
直角坐标型码垛机器人是基于空间XYZ三轴直角坐标系编程、有三轴及以上自由度，能够实现自动控制、可反复编程反复应用，能够适合不一样任务自动化设备。它能够搬运物体、操作工具，以完成多种作业。
本毕业设计目标是要求掌握工业码垛机械手结构及工作原理，实现机械手三个方向移动和一个方向回转，完成一个四自由度直角坐标型码垛机器人设计，要求所设计机器人能抓取一定质量工件（在具体设计时能够在题目中确定是何类形状物体，而且手爪是气压驱动），完成抓取、搬运、码放功效，而且含有较高运动平稳性和反复精度。
关键内容是设计一含有四个自由度直角坐标码垛机器人，4根运动轴对应直角坐标系中 X轴、 Y 轴和 Z 轴, 和 Z 轴上带有一个旋转轴，能够实现自动装载和卸载功效。各轴行程和手爪尺寸及抓取能力按需来设计。
设计内容包含机器人总体设计方案分析确定，包含机器人运动学分析、主体部分结构设计和手爪设计。
在设计过程中要考虑到很多问题，所包含关键问题有：1）机器人运动采取何种驱动电机；2）传动机构设计合理和平稳；3） 导轨布局合理性等等。

2.2 参数要求
1） 单箱重量≤15KG，一次搬运两箱，一次总搬运重量≤30KG。
2） 托盘尺寸1600×1600，码垛完了托盘上纸箱最高处到地面≤1700mm。
3） 行程：X方向2200mm, Y方向1700mm, Z方向1700mm, 水平旋转：+90o.
4） 最快码垛速度可达成1000mm/s，平均速度为500mm/s，码垛精度为1mm。
5) 码放方法要求是在托盘尺寸内每层尽可能多地摆放纸箱，托盘四面纸箱尽可能平稳，要确保运输过程中平稳不倒。而码好托盘每两层纸箱间要向砌砖墙那样，尽可能地相互压住和咬合，图2-2单数层和双数层摆放方法不一样。这么才能够确保码满纸箱托盘（最高1.7米）在运输过程中平稳。

图2-2（a）单层纸箱排放方法 图2-2（b）双层纸箱排放方法

3 总体机构设计
设计方案初步有两种方案：一个是悬臂式码垛机器人，第二种是龙门式码垛机器人，图2-3。

图2-3（a）悬臂式码垛机器人 图2-3（b）龙门式码垛机器人
因为在工作空间比较大情况下，龙门式码垛机器人机构比较稳定，机器人在工作时候不轻易产生晃动，所以选择第二种龙门式码垛机器人。
X轴和y轴能够近似看做xy工作台。关键方案选定是z轴。
Z轴是上下运动，有两个方案：方案一是采取丝杆螺母形式传动，方案二是采取齿轮齿条形式传动。但方案二抓手和物体重量直接要求齿轮和齿条来承受，对齿条和齿轮要有很大要求，而且因为齿轮传动特征，会使下降和上升速度产生齿轮多边形效应。所以比较后采取方案一丝杆螺母形式传动。
采取丝杠螺母形式也有两方案能够选择，第一个方案是丝杠不动，抓手和物体经过螺母座和丝杠螺母连接做上下运动。第二种是丝杠螺母经过螺母座固定在y轴工作台上，而丝杠底部和抓手连接做上下运动。但第二种方案做上下运动重量比较大，会造成做很多无用功从而使码垛机器人效率降低。所以经过比较后采取第一个方案。采取这种方案因为只受到竖直载荷，所以不需要滚动导轨，只需要滚珠丝杆螺母副计算和选型。
机构简图图2-4，三维视图图2-5和图2-6。

图2-4 机构简图

图2-5 三维视图

图2-6 三维视图

3.1 机械抓手设计
3.1.1 方案选择
(1)、因为码垛机器人要求要正确把物品放到指定位置，要求物品能够紧密放置，所以机械抓手设计成一遍是固定夹板，一边是活动夹板。
(2)、为了能够有更大夹紧力和愈加好平衡性能，采取两个气缸提供夹紧力。
机械手动作过程图3-1所表示：
X,Y,Z轴和Z旋转
方向运动
原点
下降
抓紧
X,Y,Z和Z旋转方向运动
放松

图3-1 机械手动作过程
机械抓手三视图图3-2和三维图3-3表示：

图3-2 三视图

图3-3 三维图

3.1.2 力学分析
当物体受到最少夹紧力还处于加紧状态时受力分析图3-4所表示：

图3-4 受力分析
由受力平衡得

解得, 即机械抓手要求最少夹紧力是加紧物体重力二分之一。题目要求加紧物体重量最大是30kg，30kg物体重力为300N，则这抓手要求最少夹紧力为150N。
由图可得，解得=370N
因为使用双气缸，则一个气缸提供185N力即可，工厂里通常全部有自己压缩空气装置，通常压缩空气气压为0.8MPa，则由压力公式F=PS得

解得气缸最少直径为d=0.0343m=34.3mm

3.1.3 气缸选择
依据《机械设计手册单行本气压传动》P22-204表22-4-16选10A-5系列气缸，气缸实体图3-5所表示，该气缸关键零件用铝合金制造，重量轻。这里具体选择型号为10A-5LA50B50，该气缸为标准型，气缸直径为50mm，行程为50mm，安装尺寸符合ISO国际标准。

图3-5 气缸

3.2 丝杆螺母副计算和选型
需要使用丝杆螺母副有z轴、x轴和y轴，x轴和y轴丝杆螺母副使用环境差不多，能够选择一样丝杆螺母副，但z轴使用情况不一样，需要单独计算。
3.2.1 Z轴滚珠丝杠螺母副计算和选型
（1） 最大工作载荷Fm计算
Z轴滚珠丝杆螺母图3-6所表示，需要带动部分包含机械抓手、z旋转轴和丝杆螺母和z旋转轴连接件，估量这部分重量不会超出800N，所以Fz=800N，除此之外，并没有收到其它方向载荷。

图3-6 滚珠丝杆螺母
计算形式可按矩形导轨方法进行，查《系统设计课程设计指导书》表3-29，能够取该丝杆螺母副颠覆力矩影响系数为，一样能够取滚动导轨上摩擦因数为。求得该工作环境最大工作载荷为：

（2）滚珠丝杆螺母座上最大动载荷计算
z轴进给速度最快可达，我们能够初选丝杠导程为，则能够计算出丝杠最快转速。我们能够取滚珠丝杠螺母副使用寿命，代入计算公式，计算出其丝杠寿命系数（单位为：106 r）。查书《系统设计课程设计指导书》表3-30，可取我们载荷系数，滚道硬度为HRC60，则能够取得硬度系数为，则求得丝杆螺母副最大动载荷：

（3） 丝杆螺母副型号选择
最大动载荷和初选丝杠导程依据上面已经计算出来，可查《系统设计课程设计指导书》表3-31，选择GD系列4005-4型滚珠丝杠副，该丝杆螺母副为济宁博特精密丝杠制造所生产，其导程为Ph=5 mm，公称直径为40 mm，为内循环固定反向器双螺母式，循环滚珠为4圈×2列，精度等级能够取5级，可查得其额定动载荷为15307N，大于上式所计算出来FQ，则满足要求。
（4）所选丝杆螺母副传动效率η计算
从上可知公称导程，直径，代入公式，计算得丝杠螺旋升角为。将导轨摩擦角和丝杠螺旋升角，代入计算公式，计算可得其传动效率为。
（5）滚动丝杆螺母刚度验算
1）Z轴上端采取一对面对面组配推力角接触球轴承来固定丝杠上端，下端则采取一对面对面组配推力角接触球轴承，外加一个推力球轴承，上、下支承中心距离计算出约为；钢弹性模量可查得为；查书《系统设计课程设计指导书》表3-31，可知该丝杆丝杠底径，直径，据此能够计算出丝杠截面积为。则能够计算出丝杠由工作载荷作用下而引发拉/压变形量

2）能够依据计算公式 ,求得单圈滚珠数；滚珠圈数×列数为4×2，则可计算出得滚珠总数量。当丝杠预紧时，可计算出轴向预紧力为，由书《系统设计课程设计指导书》式（3-27）计算出滚珠和螺纹滚道间接触变形量为。
3）以上算出和能够代入，求得丝杠总变形量。由书《系统设计课程设计指导书》表3-27知,5级精度滚珠丝杠有效行程在时，行程偏差可许可达成65μm，则可见所选丝杆刚度足够。
（6） 滚珠丝杆螺母副压杆稳定性校核
失稳时临界载荷可依据《系统设计课程设计指导书》式（3-28）计算出来。查《系统设计课程设计指导书》表3-34，应该取其支承系数；由丝杠底径，则可求得截面惯性矩为；当丝杆垂直安装时，压杆稳定安全系数K应取2.5；已知滚动螺母至轴向固定处距离，计算出得临界载荷，远大于工作载荷，则所选丝杠不会失稳。
总而言之，所选择GD系列4005-4型滚珠丝杠副能够满足使用要求，其实体图3-7所表示。

图3-7 滚珠丝杠副

3.2.2 x轴和y轴滚珠丝杠螺母副计算和选型
X轴和y轴能够选择一样规格滚珠丝杆螺母副，图3-8所表示，因为x轴所受垂直载荷比y大，一样只需要进行对x轴受力分析即可，计算方法和z轴差不多。

图3-8 滚珠丝杆螺母副
（1） 丝杆螺母最大工作载荷Fm计算
当抓手抓起限定最重物品码垛机器人以最大速度运行时，其只受到和工作台面垂直垂向载荷。已知移动部件总重量估量小于，一样能够和z轴一样按矩形导轨进行计算，可选K=1.1，μ=0.005。求得滚珠丝杠副最大工作载荷：

（2）滚动丝杆螺母副最大动载荷FQ计算
x轴工作时最快进给速度一样可达成为v=1000mm/s，丝杠导程一样可选Ph=5 mm，则丝杠寿命系数一样为L0=2700（单位为：106 r）。则可求得最大动载荷：

（3）型号选择
依据计算出最大动载荷和初选丝杠导程，和x轴丝杆比较长，关键受到径向载荷，为了确保其刚度，选择直径比较大丝杆，能够选择和z轴相同济宁博特精密丝杠制造生产GD系列-3型滚珠丝杠副，其额定动载荷为15307 N，远远大于FQ，满足要求。
刚度验算和压杆稳定性校核和z轴方法一样，经过计算得出选择滚珠丝杠副满足使用要求。

3.3 各轴驱动电机选型
各轴全部要求有一定精度，而且需要电机自锁，所以电机类型能够选择为步进电机，各轴所承受载荷全部有些不一样，z旋转轴没有起动负载而且转速很低，z轴有起动负载而且移动速度快，x轴和y轴没有起动负载而且移动速度快，则电机选型要分开计算。
3.3.1 Z旋转轴电机选择
该电机关键克服机械抓手和纸箱旋转时摩擦力矩，图3-9所表示，而依据该部分设计机构知摩擦力矩为轴承滚动摩擦，数值较小。抓手和纸箱转动惯量很大，是电机设计需要考虑关键对象。

图3-9 电机装配图
（1）加在电机转轴上总转动惯量Jz计算
抓手最大质量为10kg，许可抓取质量为30kg，其转动惯量计算可近似认为40kg纸箱为400mm×100mm×100mm长方体，则长方体绕Z轴转动惯量为：
Jz=m(a2+b2)/12 （3-1）
式中a=40cm，b=10cm，m=40kg，则。
能够初选z旋转轴步进电机型号为130BYG2502，该电机为两相混合式，二相四拍驱动时步距角为，查《系统设计课程设计指导书》表4-5查到该型号电机转子转动惯量为，则可计算出加在步进电机转轴上总转动惯量为

（2）加在电机转轴上等效负载转矩Tep 计算
其最大等效负载转矩为快速开启时电机转轴所承受负载，则
= （3-2）
在考虑传动链总效率η上，能够计算快速起动时旋转部件折算到电机转轴上最大加速转矩我：
（3-3）
式中 ——对应最快移动速度电机最高转速，其单位为r/min；
——步进电机由静止到加速至最高转速所需时间，其单位为s。
Z旋转轴关键是带动着抓手和纸箱沿电机中心转轴运动，因为这部分转动惯量过大，速度不宜过快，所以为了安全，最高旋转速度可达成为，但平时工作速度平均为。则换算电机转速最高速度为。
假设该步进电机由静止到加速至最高转速所用时间为=0.4s，传动链总效率。则由式（3-3）计算得：

（2）步进电机最大静转矩选定及电机初选
当输入电压降低时，步进电机驱动电源受电网电压影响较大，其输出转矩会下降，可能会造成丢步，甚至可能堵转。所以，选择步进电机时，需要考虑安全系数。本工作环境可取安全系数K=4，计算出步进电机最大静转矩应满足：
(3-4)
初步选择步进电机型号为130BYG2502，查《系统设计课程设计指导书》表4-5得该型号电机最大静转矩为 。可见，所选电机满足（3-4）式使用要求。
（4）所选择步进电机性能校核
1）最快转动电机输出转矩校核
给定工作台最快空载移动速度，其步进角为可求出电机对应运行频率。由图3-10查得，此频率运行电机输出转矩，大于，满足其使用要求。
2）最快旋转时电机运行频率校核
电机运行最高频率为。查书《系统设计课程设计指导书》表4-5可知130BYG2502步进电机极限运行频率为1500Hz，则没有超出程度。
3）步进电机起动频率计算
从上能够知道，，当电机转轴不带任何负载时最高起动频率为。则可求出步进电机克服惯性负载起动频率：
则要想确保步进电机起动时确保不失步，任何时候起动频率全部要求必需小于138Hz。要使起动频率选得更低，能够采取软件升降频，其通常只有100Hz。
从上面一系列计算可知，z旋转轴选择130BYG2502步进电机，能够完全满足设计使用要求。

图3-10 步进电机运行矩频特征

3.3.2 Z轴步进电机计算和选型
Z轴是电机是要求带负载快速开启，和z旋转轴电机选型计算不一样，图3-11所表示。

图3-11 z轴电机装配图
（1）加在步进电机转轴上总转动惯量计算
滚珠丝杠总长l =1700mm，移动部件总重量G=800N，其它参数同z旋转轴;一样算得各个零部件转动惯量以下：上下运动部分折算到丝杠上转动惯，滚珠丝杠转动惯量。因为z轴移动速度很快，不需要减速器，直径和丝杆进行连接，又因为要承受着载荷起动，要选择转矩比较大电机，初选能够和z旋转轴相同步进电机型号为，则加在步进电机转轴上总转动惯量可计算得

（2）加在步进电机承受最大工作负载时快速起动时负载计算
负载转矩总共包含三部分：第一部分是移动部件在运动时折算到电机转轴上摩擦转矩；第二部分是机器快速起动时折算到电机转轴上最大加速转矩；第三部分是负载折算到电机最大工作负载转矩，则有：
=+ + （3-5）
z轴移动速度最快为1000m/s，选择丝杆螺母导程为Ph=5mm，则nm=1000/5=200r/s=1r/min。
设步进电机由静止到加速至最快转速所需时间=1s，传动链总效率。
则一样由式（3-3）求得：
（3-6）
负载折算到电机转轴上最大工作负载转矩：

最终由式（3-5）能够计算出：
= + + =8.2N （3-7）
步进电机最大静转矩一样为负载转矩乘以安全系数4，即为
(3-8)
130BYG2502型号电机最大静转矩 。则选择电机满足（3-8）式使用要求。
步进电机性能校核同z旋转轴校核方法一样，最终校核出该步进电机符合使用要求。

3.3.3 x轴和y轴步进电机选择
X轴和y轴全部是水平放置，全部没有收到竟给方向负载，图3-12所表示。

图3-12 电机三维图
计算加在步进电机转轴上总转动惯量
滚珠丝杠总长l =2200mm，电机经过两副90o锥齿轮传动给丝杆；移动部件总重量G=2500N。一样能够算得各个零部件转动惯量以下：滚珠丝杠转动惯量=3.67，上下运动部分折算到丝杠上转动惯=1.58，两斜齿轮估量传动惯量不会大于JZ=80kg.cm2。初选步进电机型号为一样能够为130BYG2502，则加在步进电机转轴上总转动惯量为
= ++×2+==83.18
同理，依据z轴选择电机方法进行计算，能够计算出得出加在步进电机上最大等效负载转矩为Teq=12.2N.m，因为y轴受到负载比x轴要小，y轴选择130BYG2502电机一样符合使用要求。
总而言之，各轴选择电机型号全部为130BYG2502步进电机，电机外形图3-13所表示。

图 3-13 电机实体图

3.4 直线滚动导轨副计算和选型
直线滚动导轨副用于x轴和y轴，承受垂直载荷。
（1）计算滑块承受工作载荷及选择导轨型号
影响直线滚动导轨副使用寿命关键原因通常是工作载荷。本设计中x轴和y轴全部为为水平部署，y轴是采取双导轨、四滑块支承形式，图3-14所表示，而x采取左右两个导轨模块，每个也是采取双导轨、四滑块支承。
图 3-14 直线滚动导轨副
x轴和y轴采取相同规格导轨副，因为x轴受到载荷最大，则只需要x轴选型计算即可。工作时，其不利情况是一个滑块负担垂直于台面全部工作载荷，可计算出这个单滑块所受最大垂向载荷为：
（3-9）
其中，移动部件重量约为，外加载荷F= Fz=1500N（z轴上下运动时产生冲击）载荷，代入（3-9）式得最大工作载荷。查书本《系统设计课程设计指导书》表3-41，能够初选直线滚动导轨副型号为KL系列型，直线滚动导轨副额定静载荷，其额定动载荷。由直线滚动导轨副标准长度，能够选择导轨长度为。
（2）计算距离额定寿命
初选导轨副滚道硬度能够取，在工作时，温度不会大于100℃，每根导轨上配有两只滑块，其导轨副可取4级精度。查书本《系统设计课程设计指导书》表3-36至表3-40，得

则能够计算出其距离寿命：

计算结果远大于期望值50km，则该选择导轨副符合其使用要求，其实图3-15所表示。

图 3-15 导轨副

3.5 轴承选择
3.5.1 Z旋转轴轴承选择
Z旋转轴只受到轴向力载荷，所以选择单向推力球轴承，其轴向当量动载荷Pa=Fa，Fa为轴承所承受最大轴向力，因为抓手和物体最大重量小于40kg，则可认为其轴向当量动载荷Pa=350N，为了适应其总体机构大小，选择轴承型号为51108，其轴承基础额定动载荷为62.8kN>350N。
其滚动轴承基础额定寿命为L10===3869893×106r
轴承安装形式图3-16所表示:

图 3-16 单向推力球轴承装配图

3.5.2 Z轴滚珠丝杠下端单向推力球轴承计算和选型
一样，丝杆只受到轴向力载荷，所以选择单向推力球轴承，其轴向当量动载荷Pa=Fa，Fa为轴承所承受最大轴向力，可采取滚珠丝杆最大动载荷，则可认为其轴向当量动载荷Pa=14705N，为了适应其总体机构大小，选择轴承型号为51203，其基础额定动载荷为27.2kN>14705N。
其滚动轴承基础额定寿命为L10===6.3×106r
其轴承安装形式图3-17所表示和实体图片图3-18所表示：

图 3-17 单向推力球轴承装配图

图 3-18 单向推力球轴承实体图

3.5.3 其它轴承选择
每个丝杆螺母两端需要采取一对面对面组配推力角接触球轴承，而经过经过以上方法计算全部能够采取7305B型号角接触球轴承。一样，锥齿轮轴两端也要采取一对面对面组配推力角接触球轴承，一样经过计算全部能够采取7305B型号角接触球轴承。则这里要用16个7305B型号角接触球轴承，安装方法图3-19、图3-20、图3-21所表示：

图 3-19 轴承装配图

图 3-20 轴承装配图

图3-21 轴承装配图

3.6 锥齿轮传动计算和选型
X轴简图图3-22所表示，锥齿轮安装方法图3-23所表示，和锥齿轮参数图3-24所表示。

图 3-22 x轴简图 1、电动机； 2、锥齿轮z1； 3、锥齿轮z2； 4、丝杆

图 3-23 齿轮装配图

图 3-24 齿轮参数图

（1） 锥齿轮初定
已知电机输出转矩最大为12.2N.m，其最高转速1r/min，平均转速为6000r/min，由电机驱动，工作寿命为（设每十二个月工作300天），两班制。
1）斜齿轮z1和z2规格相同，所以传动比为1:1；
2）选择齿轮齿数为Z=40；
3）本码垛机工作速度、功率不高，选择6级精度；
4）选择材料为40Cr，调质处理，硬度HBS=241~286。
（2）按齿面接触疲惫强度计算：
1）因为锥齿轮以大端参数为标准值，依据齿宽中点处当量齿轮作为强度计算来进行计算。
初拟齿宽系数，取载荷系数，节锥角为δ=45o，HBS=260,查《机械设计》P211图10-25得σHlim=539Mpa。
2）由书本《机械设计》P203图10-20能够查到得齿轮区域系数ZH=2.5，一样由《机械设计》P202表10-5得材料弹性系数影响系数为ZE=189.8MPa1/2
3）选择接触疲惫强度寿命系数。取安全系数为S=1.0
计算应力循环次数
N=60n1jLh=60×6000×1×（2×8×300×15）=2.592×1010
查《机械设计》P208图10-23，得KHN=1。
4)计算接触疲惫许用应力
许用接触应力为：[σH]=KHNσlim/S=539MPa
5）按齿面接触强度设计传动

齿轮模数
（3） 按齿根弯曲疲惫强度计算：
对齿轮取HBS=260，按线性插值得弯曲疲惫极限为

许用应力：
查《机械设计》图10-17，得YFa=2.77

（4）总而言之，应取模数较大值m=2
（5）齿数参数计算
齿轮当量齿数
分度圆直径d=Zm=40×2=80mm
齿宽，圆整取b=17mm
（6）关键设计结论
从动和主动两个齿轮参数一样，齿数Z=40，模数m=2mm，分锥角δ=45o，齿宽b=17，分度圆直径为80mm，齿轮采取40Cr（调质）。齿轮按6级精度设计。

4 总体支架受力分析
对支架受力分析，关键是校核导轨底座强度，底座图4-1，因为这机器人关键载荷全部是有导轨底座承受，这里要分别对x轴和y轴导轨底座受力分析。

图4-1 导轨底座三维装配图
（1）y轴受力分析
y轴有两个导轨底座，y轴只承受最大垂直载荷约3000N，则单个导轨底座承受最大垂直载荷约1500N，导轨底座材料为铸铁，当y轴移动中间时，某一截面能得到最大拉应力和最大压应力。导轨底座截面铸铁梁载荷和截面尺寸图4-2和图4-3所表示，铸铁抗拉许用应力为[σt]=30MPa，抗压许用应力为[σc]=160MPa。已知截面对形心轴x轴惯性矩为Ix=144.2400×104mm4，且[y1]=31mm。

图 4-2 导轨底座截面图

图4-3 导轨底座受力分析
由平衡方程求出梁支座约束力为
F1=0.75KN F2=0.75KN
做弯矩图图4-4所表示：

图4-4 弯矩图
最大载荷在中间截面，该截面弯矩为M1=1.5×0.9=1.35kN•m，最大拉应力在截面下边缘各点，最大压应力在截面上边缘各点，拉应努力争取得：
同理计算出最大压应力没有超出许用应力，强度条件满足。
（2） x轴受力分析
同理x导轨底座截面铸铁梁载荷和截面尺寸图4-5和图4-6所表示

图 4-5 x轴导轨底座受力分析

图 4-6 x轴导轨底座截面图
同理计算出x轴导轨最大拉应力没有超出许用应力，最大压应力没有超出许用应力，强度条件满足。

总 结
本设计是经过利用了大学四年专业知识，还有课外海量扩展知识而得出结晶。一样还需要一定创新精神，和在同学和老师无私帮助下克服多种难题而得出结果。经过这次毕业设计，使我对以前学到专业知识深入巩固和深入了解，和知道了知识可贵，并提升了自己创新设计能力。本设计关键完成下面关键工作。
（1） 、简明介绍了中国外相关码垛机器人领域内研究背景和发展情况，并叙述了