内蒙古工业大学本科毕业设计说明书
第四章 码垛机器人手臂结构及其驱动系统设计
4.1 平面机构受力分析
搬运机器人在实现搬运的运动过程中，水平方向的滚珠丝杠副主要承受摩擦力，而垂直方向的滚珠丝杠副主要承受Z轴方向的载荷。则当机构的小臂处于水平方向、前后大臂与之垂直时，两个方向的滚珠丝杠副受力最大。具体位置如图4-1所示。
图4-1 码垛机器人运动位置
根据搬运机器人运动学分析，可设各臂长分别为：AB=1170 ，BC= 260mm ，CD =1080mm ，DE =240mm，A点到图4-1中心线的距离d = 150mm 。处于图4-1位置时小臂的受力情况见图4-2。
图4-2 小臂受力图
图4-2中，G1为负载和电机的重力，搬运的负载最大为100N，腕部减速机的重力约为
100N，则G1 = 200N ；M为负载和电机共同的转矩，
M?G1?d?200?150?10?3?30N?m ；小臂材料为45号钢，重量约为50N；对小臂
列受力方程如下： ｛
?F?0
?M(A)?014
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F1?F2?G?G1?0｛ (4-1) 1170?260M?F1?1170?G??F2?(1170?260)?02解得F1 = 1237.6154N ，F2 = 987.6154N 4.2 手臂关节轴承的选型与校核
码垛机器人的手臂结构设计要注意两点：一是应使手臂刚度大、重量轻；二是应使手臂运动速度快、惯性小。首先，因为刚度不够时，手臂会发生弯曲变形，则应选择相同条件下，弯曲刚度较大的截面形状。考虑完第一点，对于第二点减小惯性冲击，本章的手臂架选择了碳素结构钢材料。而且尽量缩短手臂的悬伸部分长度。图4-3对小臂进行了剪力与弯矩的分析，可知小臂的弯矩越靠近B点越大，因此小臂的结构为末端窄，靠近B点时逐渐加大尺寸，其它手臂结构则采用均匀尺寸。B点为销轴联接，则弯矩和受力主要由销轴来承受，因此要考虑销轴的校核。其它的销轴联接同B点一样进行校核，销轴的联接结构如图4-4。
图4-3 小臂剪力图和弯矩图
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图4-4 销轴联接结构
图4-5中的关节轴承选用自润滑向心关节轴承，由上下轴套固定，在后机架绕销轴转动时，既能承受径向载荷，又能承受任一方向较小的轴向载荷。查阅《机械设计手册》第五版、单行本、轴承，由表7-1确定所选轴承的型号为GE25ES-2RS，其中d =25mm，轴承尺寸见表4-1。
表4-1 向心自润滑关节轴承参数
尺寸mm 轴承型号 d D B C d1 r1 r2 动载荷 静载荷 0.GE25ES-2RS-2RS 25 42 20 16 29 6 6 0.48 240 7 Kg 0.42额定载荷kN 重量
图4-5 向心关节轴承结构
4.3 销轴校核
4.3.1 后大臂与支架销轴联接校核
1. 销轴抗剪强度：
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??Ft2??d42???? (4-2)
销轴采用45号钢，其许用切应力????80MPa，许用弯曲应力??b??120MPa，
Ft?F2?987.6154N，将以上值带入公式得
d?2??Ft?????987.6154?2?2.8mm
4?802. 销轴抗弯强度：
?b?Ft?a?0.5b????b? (4-3) 34?0.1d其中a?25mm，b?40mm，带入公式得
d?3Ft??a?0.5b?3987.6154??25?0.5?40???9.747mm，
0.4???b?0.4?120因此选择销轴的轴径d= 25mm，满足强度要求。 4.3.2 后大臂与小臂销轴联接校核
1. 销轴抗剪强度：
销轴采用45号钢，其许用切应力????80MPa，许用弯曲应力??b??120MPa，
Ft?F2?987.6154N，将以上值带入公式（4-2）得
d?2?2. 销轴抗弯强度：
其中a?25mm，b?40mm，带入公式（4-3）得
Ft?4?????987.6154?2?2.8mm。
?80
d?3Ft??a?0.5b?3987.6154??25?0.5?40???9.747mm，
0.4???b?0.4?120因此选择销轴的轴径d= 25mm满足强度要求。
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4.3.3 前大臂与支架销轴联接校核
1. 销轴抗剪强度：
销轴采用45号钢，其许用切应力????80MPa，许用弯曲应力??b??120MPa，
Ft?F1?1237.6154N，将以上值带入公式（4-2）得
d?2?2. 销轴抗弯强度：
其中a?25mm，b?40mm，带入公式（4-3）得
Ft?4?????1237.6154?2?3.139mm。
?80
d?3Ft??a?0.5b?31237.6154??25?0.5?40???10.508mm，
0.4???b?0.4?120因此选择销轴的轴径d= 50mm满足强度要求。 4.3.4 前大臂与小臂销轴联接校核
1. 销轴抗剪强度：
销轴采用45号钢，其许用切应力????80MPa，许用弯曲应力??b??120MPa，
Ft?F1?1237.6154N，将以上值带入公式（4-2）得
d?2?2. 销轴抗弯强度
由图9-3可知a?25mm，b?40mm，带入公式（4-3）得
Ft?4?????1237.6154?2?3.139mm
?80
d?3Ft??a?0.5b?31237.6154??25?0.5?40???10.508mm，
0.4???b?0.4?120因此选择销轴的轴径d= 50mm满足强度要求。 4.3.5 其它销轴联接校核
由于小臂和腕部联接与前大臂与小臂销轴联接校核的尺寸相同，可选用轴径为30mm的
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