【導(dǎo)讀】升降臺(tái)的強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)精度能夠達(dá)到機(jī)器人的作業(yè)要求?！稒C(jī)械設(shè)計(jì)手冊4》，機(jī)械工業(yè)出版社，1992. 《機(jī)械設(shè)計(jì)》，化學(xué)工業(yè)出版社，2020. 《材料力學(xué)》，北京大學(xué)出版社，2020. 一噸左右，但是由于機(jī)器人自身不能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，因此它的作業(yè)空間受到極大限制。整個(gè)裝置主要機(jī)構(gòu)為。裝載機(jī)器人的框架平臺(tái)結(jié)構(gòu)與為平臺(tái)提供上升力的升降系統(tǒng)。的轉(zhuǎn)動(dòng)變換為螺母的直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)精確升降。通過運(yùn)用solidworks軟件來對(duì)機(jī)構(gòu)的主要零件建模并。且裝配來建立結(jié)構(gòu)的三維模型。為了確保結(jié)構(gòu)的安全行和合理行，對(duì)于零件的標(biāo)準(zhǔn)件應(yīng)。該完全按照機(jī)械設(shè)計(jì)要求來選取和校核，對(duì)于像龍門框架、平臺(tái)結(jié)構(gòu)這樣的非標(biāo)準(zhǔn)件，過模擬施加載荷并且通過有限元分析的方法來確保結(jié)構(gòu)的合理性。

　　

【正文】 則 ][? ＝ 120~173MPa， ][??? ，強(qiáng)度滿足要求。 螺桿螺紋牙強(qiáng)度校核 剪切強(qiáng)度需滿足條件為 ][??? ,其中剪切強(qiáng)度zbdF21?? ?，取旋合圈數(shù) Z＝ 10，螺桿選北京工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 為梯形螺紋（ ） ,b＝ ＝ , 則 M P 10 000 ??????， 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》表 ， M P 2 0][][ 39。 ???? ?? ，則 ][??? ，剪切強(qiáng)度滿足要求。 彎曲強(qiáng)度需要滿足的條件為 ][ 39。bb ?? ? ， 彎曲強(qiáng)度 M P azbd Fhb 0 0033 221 ???? ????? ??， M P ab 1 20]][~[][ 39。 ?? ?? ， 則 ][ 39。bb ?? ? ，彎曲強(qiáng)度滿足要求。 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì) 選擇聯(lián)軸器種類 聯(lián)軸器 用來聯(lián)接不同機(jī)構(gòu)中的兩根軸（主動(dòng)軸和從動(dòng)軸）使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機(jī)械 零件 。在高速重載的動(dòng)力傳動(dòng)中，有些聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動(dòng)態(tài)性能的作用。聯(lián)軸器由兩半部分組成，分別與主動(dòng)軸和從動(dòng)軸聯(lián)接。 聯(lián)軸器的種類 按照被連接兩軸的相對(duì) 位置 和位置的變動(dòng)情況，可以分為： ① 固定式聯(lián)軸器。主要用于兩軸要求嚴(yán)格對(duì)中并在工作中不發(fā)生相對(duì) 位移 的地方，結(jié)構(gòu)一般較簡單，容易制造，且兩軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速相同，主要有凸緣聯(lián)軸器、套筒聯(lián)軸器、夾殼聯(lián)軸器。 ② 可移式聯(lián)軸器。主要用于兩軸有偏斜或在工作中有相對(duì)位移的地方，根據(jù)補(bǔ)償位移的方法又可分為剛性可移式聯(lián)軸器和 彈性 可移式聯(lián)軸器。剛性可移式聯(lián)軸器利用聯(lián)軸器工 作 零件 間構(gòu)成的動(dòng)連接具有某一方向或幾個(gè)方向的活動(dòng)度來補(bǔ)償，如牙嵌聯(lián)軸器（允許軸向位移）、十字溝槽聯(lián)軸器（用來聯(lián)接平行位移或角位移很小的兩根軸）、萬向聯(lián)軸器（用于兩軸有較大偏斜角或在工作中有較大角位移的地方）、齒輪聯(lián)軸器（允許綜合位移）、鏈條聯(lián)軸器（允許有徑向位移）等， 彈性 可移式聯(lián)軸器（簡稱彈性聯(lián)軸器）利用彈性元件的彈性變形來補(bǔ)償兩軸的偏斜和位移，同時(shí)彈性元件也具有緩沖和減振性能，如蛇形彈簧聯(lián)軸器、徑向多層板簧聯(lián)軸器、彈性圈栓銷聯(lián)軸器、尼龍栓銷聯(lián)軸器、橡膠套筒聯(lián)軸器等。 聯(lián)軸器種類 的選擇 因?yàn)閺臐L珠絲桿上傳下來的重力為一噸左右，因此如果滾珠絲桿與減速器輸出端不能嚴(yán)格對(duì)中，對(duì)于聯(lián)軸器下部的減速器和電機(jī)都回產(chǎn)生較大的彎矩，在裝配時(shí)需要保證減速器的輸出軸與滾阻絲桿保持嚴(yán)格對(duì)中，因此這里選擇固定式聯(lián)軸器。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，套筒聯(lián)軸器和夾殼聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)速低，并且套筒聯(lián)軸器只用于連接兩軸直徑相同聯(lián)軸北京工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 器，而夾殼聯(lián)軸器穩(wěn)定性差，凸緣聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定性高，傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，可以連接不同直徑的兩端，并且適應(yīng)的轉(zhuǎn)速范圍大，因此這里選用剛性凸緣聯(lián)軸器。 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》表 ，根 據(jù)聯(lián)軸器的主要尺寸和特性參數(shù)選擇聯(lián)軸器。因?yàn)榕c聯(lián)軸器相配合的行星架末端軸長為 60mm，直徑為 50mm，與聯(lián)軸器配合的滾珠絲桿軸端直徑為 55mm，長度為 65mm，因此型號(hào)為 YLD10 的聯(lián)軸器滿足要求。 YLD10 聯(lián)軸器參數(shù)如表 9 所示 ： 表 9 聯(lián)軸器參數(shù) 公稱轉(zhuǎn)矩 [T] r/min 許用轉(zhuǎn)速 [n] r/min 軸孔直徑 d mm 軸孔長度 L mm D mm b mm 1600 6000 48/50/55/56 84 160 40 L0 mm 重量 m kg 螺栓數(shù)量 n 螺栓直徑 d3 mm D1 mm s mm 163 4 M12 100 8 查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》表 1126 知，與減速器相連一端轂的深度為 ，寬度為 18mm，與滾珠絲桿相連一端轂的深度為 ，寬度為 20mm，聯(lián)軸器的二維圖如 圖 6所示 : 圖 6 聯(lián)軸器 方案的理論計(jì)算 由設(shè)計(jì)要求可知，本方案要實(shí)現(xiàn)以 4m/min 的方案 使裝載機(jī)器人的平臺(tái) 升降 4000mm的高度，所選電機(jī)轉(zhuǎn)速為 2020n/min，行星減速器的傳動(dòng)比為 5，而滾珠絲桿的導(dǎo)程為10mm。行星減速器的軸端與電機(jī)直接相連，因此行星減速器的高速軸轉(zhuǎn)速與電機(jī)相同，北京工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 既有 電機(jī)高速軸 n?n ，行星減速器的傳動(dòng)比為 5，因此減速器的低速軸的轉(zhuǎn)速為m in/n4005n ?? 高速軸低速軸n 。 行星減速器的低速軸通過聯(lián)軸器與滾珠絲桿連接，因?yàn)槁?lián)軸器并不改變減速器轉(zhuǎn)速的大小 和 方 向 ， 因 此 滾 珠 絲 桿 的 轉(zhuǎn) 速 與 行 星 減 速 器 的 低 速 軸 轉(zhuǎn) 速 相 同 ， 即m in/r4 00n ?? 低速軸絲桿n 。 滾珠絲桿的導(dǎo)程為 10mm，即滾珠絲桿每轉(zhuǎn)一圈，絲桿螺母上升 10mm 的高度，因此滾珠螺母的上升速度為 4 m / m inm in/mm4 0 0 010400 ????螺母v 。 滾珠螺母通過螺栓與升降平臺(tái)固定，因此升降臺(tái)的升降速度為 4m/min，方案理論上可以實(shí)現(xiàn)。 北京工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 第三 章 框架平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 根據(jù)升降平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)要求，升降高度為 4000mm，平臺(tái)寬度不能低于 2020mm， 導(dǎo)軌的高度設(shè)計(jì)為 4500mm，距平臺(tái)底部 300mm并且 KR100 機(jī)器人體積龐大，其高度 約為 米，為 了防止機(jī)器人在升降和作業(yè)過程中與龍門框架發(fā)生碰撞，因此設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)支架的總高度為 6000mm， 設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)的寬度為 2500mm。由于在框架頂端要固定滑輪組，并且需要承載配重和機(jī)器人以及平臺(tái)結(jié)構(gòu)的重量 ， 而這三個(gè)物體總重量 達(dá) 14噸，因此對(duì)框架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)需要很高的要求?？紤]到框架結(jié)構(gòu)的主要目的是支撐重物，而它受力后產(chǎn)生的輕微變形并不會(huì)對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度產(chǎn)生較大影 響，因此這次在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮框架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求?？蚣芙Y(jié)構(gòu)建模如 圖 7 所示。 圖 7 框 架臺(tái) 考慮到框架結(jié)構(gòu)的兩側(cè)要懸掛相同重量的重物，具有對(duì)稱性的矩形結(jié)構(gòu)比三角形有著更好的穩(wěn)定性，因此框架在設(shè)計(jì)時(shí)為四條腿矩形結(jié)構(gòu)。由于四條支架都不與重物的中心重合，因此支架需要承受正應(yīng)力和切應(yīng)力。 支架設(shè)計(jì)為抗彎能力強(qiáng)的方鋼結(jié)構(gòu)，長度為 80mm，寬度 50mm，厚度為 5mm，其截面圖 與結(jié)構(gòu)圖分別為圖 圖 9,考慮到支架臺(tái)在最頂端的彎矩較大， 在支架結(jié)構(gòu)的頂端焊接有厚度 20mm的平板為形成整個(gè)支架臺(tái)結(jié)構(gòu) 。 北京工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 圖 8 支架截面尺寸圖 圖 9 支架結(jié)構(gòu)圖 支架橫梁的設(shè)計(jì) 橫梁結(jié)構(gòu)分為兩部分，一部分為支架結(jié)構(gòu)上的橫梁，支架結(jié)構(gòu)因?yàn)橐惺茌^大的正應(yīng)力與切應(yīng)力，平均每 300mm 的高度設(shè)計(jì)一組橫梁來減少支架所承受的切應(yīng)力，橫梁與支架結(jié)構(gòu)通過焊接連在一起。這里橫梁設(shè)計(jì)為正方形結(jié)構(gòu)，每組橫梁為四根，分別連接于兩端的支架結(jié)構(gòu)。 頂蓋橫梁的設(shè)計(jì) 頂蓋上在與支架結(jié)構(gòu)的連接處因?yàn)橥庑纬叽绲耐蛔兌鴷?huì)存在應(yīng)力集中，在這一部位會(huì)受到較大的彎曲應(yīng)力，因此是框架結(jié)構(gòu)中的危險(xiǎn)點(diǎn)，為了提高這一位置的抗彎能力，在頂蓋的底部設(shè)計(jì)抗彎能力強(qiáng)的方鋼結(jié)構(gòu)橫梁，橫梁頂部與蓋板連接，一端與頂蓋的端面對(duì)齊。在框架結(jié)構(gòu)的兩端各設(shè)計(jì)相同的四組橫梁，橫梁的截面尺寸為長 100mm，寬北京工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 80mm，在每個(gè)與滑輪連接的蓋板正下方設(shè)置一組，中間位置設(shè)置兩組，如圖 10 所示： 圖 10 頂蓋橫梁結(jié)構(gòu)圖 頂蓋的設(shè)計(jì) 框架臺(tái)設(shè)計(jì)側(cè)面寬度為 1100mm，因?yàn)樵诳蚣芘_(tái)的左側(cè)需要用鋼絲繩懸掛配重結(jié)構(gòu)，因此在鋼絲繩的左側(cè)蓋板延伸出 500mm 以保證配重結(jié)構(gòu)有足夠的運(yùn)動(dòng)空間，因?yàn)槠脚_(tái)兩側(cè)的受力相同，為了保證框架臺(tái)的平穩(wěn)性，使框架臺(tái)的左右兩側(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相同。因?yàn)樵陧斏w上需要安裝四個(gè)滑輪，因此在頂蓋上的四個(gè)角上設(shè)計(jì)常委 216mm 寬 115mm 高5mm的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)。頂蓋設(shè)計(jì)如圖 11 所示。 圖 11 頂蓋設(shè)計(jì) 北京工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 應(yīng)用 solidworks 自帶的有限元分析插件 simulation 對(duì)框架體做受力仿真，并分析框架體受力后所發(fā)生的變化。 施加載荷 因?yàn)榭蚣芙Y(jié)構(gòu)所受的壓力為機(jī)器人、平臺(tái)結(jié)構(gòu)、配重的重力之和，方向豎直向下，大小為 2 倍的配重重量，為 2＝ ，因?yàn)殇摻z繩上各處受力相同，因此四個(gè)凸臺(tái)上受力大小均為 247。 4＝ ，在 simulation 軟件中對(duì)框架臺(tái)上的四個(gè)凸臺(tái)上分別施加 的縱向力如圖 12 所示： 圖 12 框架臺(tái)受力圖 選擇材料 在施加載荷之后，需要選擇框架結(jié)構(gòu)的材料，這里選擇合金鋼材料，合金鋼材料的力學(xué)性能如下 表 10 所示： 名稱 數(shù)值 單位 彈性模量 +011 N/m^2 泊松比 NA 抗剪模量 +010 N/m^2 質(zhì)量密度 7700 kg/m^3 張力強(qiáng)度 +008 N/m^2 屈服強(qiáng)度 +008 N/m^2 熱擴(kuò)張系數(shù) /Kelvin 熱導(dǎo)率 50 W/() 比熱 460 J/() 北京工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 表 10 合金鋼力學(xué)性能 劃分網(wǎng)格 在選擇材料之后需要對(duì)框架臺(tái)做網(wǎng)格劃分，劃分時(shí)選擇網(wǎng)格參數(shù)大小為 58mm，完成網(wǎng)格劃分之后的框架臺(tái)如圖 13 所示： 圖 13 框架臺(tái)網(wǎng)格劃分 應(yīng)力分析 在對(duì)框架臺(tái)網(wǎng)格劃分完成之后便 可以仿真模擬，查看結(jié)構(gòu)變形，通過軟件運(yùn)算，得到框架臺(tái)的應(yīng)力分布 如 圖 14 所示。通過軟件分析，設(shè)計(jì)中所找到的最低安全系數(shù)為 ，大于機(jī)械上框架類結(jié)構(gòu)所需要的最低安全系數(shù) ，因此結(jié)構(gòu)安全。從圖中可以看出框架臺(tái)所受到的彎曲應(yīng)力最大點(diǎn)為頂蓋橫梁的與支架頂端的結(jié)合處，為 ，遠(yuǎn)小于材料的屈服極限 620MPa，此外在支架與蓋板的連接處也受到了較大的應(yīng)力，為 45MPa左右，這兩處為框架結(jié)構(gòu)上的危險(xiǎn)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該采取措加強(qiáng)措施，此外從圖中可以看出在支架與支架橫梁結(jié)合處也受到了較大的應(yīng)力。 北京工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 圖 14 框架臺(tái)應(yīng)力分析 位移分析 軟件分析后得到框架結(jié)構(gòu)放大 537 倍的 位移如圖 15 所示。從圖中可以看出框架臺(tái)頂蓋由于受壓力而產(chǎn)生彎曲變形，其中在邊緣處產(chǎn)生的位移最大 ,為 ，考慮到框架臺(tái)結(jié)構(gòu)的主要作用是承載機(jī)器人、平臺(tái)結(jié)構(gòu)、配重的重量以及為裝載線性軌道，因此它的變形不會(huì)對(duì)機(jī)器人的定位精度產(chǎn)生大的影響。 北京工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 圖 15 框架臺(tái)位移分析 平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析 平臺(tái)結(jié)構(gòu)用來安放 KR1000 型機(jī)器人，使機(jī)器人與平臺(tái)在一起做升降運(yùn)動(dòng)，平臺(tái)的長度與框架結(jié)構(gòu)的寬度相同，為 2500mm，左端的 豎直 板 面 與滾珠滑塊通過螺栓連接，使平臺(tái)沿著軌道運(yùn)動(dòng)， 在光孔周圍設(shè)計(jì)螺紋孔用來安裝螺栓。 在平臺(tái)上 打 有 光 孔，使?jié)L珠絲桿從孔中穿過，并且與滾珠螺母把合在一起，通過絲桿的旋轉(zhuǎn)， 在 使平臺(tái)與滾珠螺母一同做豎直方向的運(yùn)動(dòng)。 在平臺(tái)的上板面 上設(shè)有連接放置機(jī)器人和連接鋼絲繩的凸臺(tái)結(jié)構(gòu) ，為了盡可能的減小 與滾珠螺母相連的光孔處應(yīng)力， 將平臺(tái)與兩根鋼絲繩連接位置的中點(diǎn)與凸臺(tái)中心重合。 平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖 16 所示。 考慮 到平 臺(tái)結(jié)構(gòu)直接與機(jī)器人相連，因此平臺(tái)的變形會(huì)對(duì)機(jī)器人的定位精度產(chǎn)生很大影響 。為了保證機(jī)器人的定位精度，這里平臺(tái)的變形控制在 內(nèi)。 圖 16 平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 平臺(tái)的尺寸設(shè)計(jì)如 圖 17 所示 ，平臺(tái)長 2500mm，與框架臺(tái)的寬度相同， 總寬度為2200mm， 厚度為 30mm， 其中與滑塊相連的豎直板面 寬為， 120mm 厚度為 20mm，在平臺(tái)中間離右端面 900mm 處有直徑為 800mm 的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)。平臺(tái)上用來與滾珠螺母相固定的光孔直徑為 70mm，距離平臺(tái)右端距離為 離為 700mm， 在平臺(tái)的下方設(shè)有 10 根肋板，每根肋 寬 50mm，高 80mm。因?yàn)榭紤]到在平臺(tái)中央有孔，因此肋板在孔兩端均勻分布，具體位置如圖所示。 北京工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 圖 17 平臺(tái)尺寸設(shè)計(jì) 平臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析 應(yīng)用 solid