框架式升降平台的结构设计与分析毕业设计任务书.docx

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1、北京工业大学毕业设计（论文）北京工业大学毕业设计（论文）任务书 题目 框架式升降平台的结构设计与分析 专业 机械工程及其自动化 姓名 课题简介：（主要任务、主要内容、参考文献等）主要任务：针对KR1000型机器人实际进行抓取作业时的操作空间有限性，设计一台框架式升降平台，用于安装固定KR1000型机器人，保证机器人可在升降平台上做升降运动，并保证升降台的强度和运动精度能够达到机器人的作业要求。主要内容：1.设计可实现升降运动的升降机系统2.设计安装升降系统的升降结构平台3.结构平台及框架体的受力分析4.其它零部件校核参考文献：1. 成大先，余俊。机械设计手册4，机械工业出版社，19922.濮良

2、贵。机械设计，化学工业出版社，20113.孙训芳。材料力学，北京大学出版社，2006指导教师签章： 专业负责人签章：年 月 日摘要KUKA公司生产的KR1000机器人是一个重达近五吨的庞然大物，它的最大负也重达一吨左右，但是由于机器人自身不能实现移动，因此它的作业空间受到极大限制。在这里设计升降平台装置用来负载机器人运动，以增大它的作业空间。整个装置主要机构为装载机器人的框架平台结构与为平台提供上升力的升降系统。升降系统通过将滚珠丝杆的转动变换为螺母的直线运动来实现精确升降。由于机器人重量较大，并且作业精度要求高，因此在挑选和设计部件的时候要充分考虑到零件的精度和强度要求。通过运用solidw

3、orks软件来对机构的主要零件建模并且装配来建立结构的三维模型。为了确保结构的安全行和合理行，对于零件的标准件应该完全按照机械设计要求来选取和校核，对于像龙门框架、平台结构这样的非标准件，在设计完成后把建好的模型导入solidworks的一款插件SolidWorks Simulation 中通过模拟施加载荷并且通过有限元分析的方法来确保结构的合理性。关键词：升降平台；滚珠丝杆；solidworks；有限元分析 AbstractKR1000 robot made in KUKAcompany isa weighing nearly five tons of mammothhuge monster

4、,and its maximum weighted about one ton as well,but as the robot can not move by itself,so its working space is greatly limited. In order to increase the robots work space, the lifting platform device is designed here. The mainmechanism of the whole device is a framework of the platformstructureload

5、ingrobotandlifting system of platform. The lifting system achieve preciselifting though transform the ball screws rotation into the nuts linear motion.Through the use of SolidWorks softwaretothemechanism modelingandassemblyfor the main part to establish three-dimensionalmodel structure. In order to

6、ensurethesafety andreasonablestructure,for the standard part should be select and checked fully in accordance with the mechanical requirements, For thenon - standard piecessuch as the longmenframeworkplatform structure, After the design is finished put the modeling into the SolidWorksSimulation. Thr

7、ough the simulation to exert load so as to ensure the rationality of the structureby the finite element analysis method.Keywords: Lifting platform；ball screw；solidworks ；finite element analysis目录毕业设计任务书I摘要II AbstractIII目录IV 1.1 研究背景11.2 研究意义11.3 国内外发展现状11.3.1 国内发展情况11.3.1 国外发展情况21.4 升降设备发展趋势21.5 系统的

8、技术分析31.5.1 技术要求31.5.2系统组成31.5.3工作原理3第二章 升降系统的设计与分析42.1电机的选型42.1.1 伺服电机与步进电机比较52.1.2 电机型号的选择52.2 减速器的设计52.2.1 减速器种类的选择52.2.2 减速器的结构设计62.2.3 齿数的选配条件62.2.4 齿轮参数的计算72.2.5齿轮轴的尺寸设计92.2.6行星架的尺寸设计102.2.7齿轮的强度校核102.2.8太阳轮轴的强度校核122.3 升降机构的设计122.3.1 升降机构的种类132.3.2 滚珠丝杆的选型142.3.3 丝杆的稳定性验算172.3.4 临界转速ncr验算172.3.

9、5 don值验算182.3.6 丝杆幅效率验算182.3.7 螺杆刚度验算182.3.8 螺杆强度验算192.3.9 螺杆螺牙纹强度校核192.4 联轴器的设计202.4.1 选择联轴器种类202.4.2 联轴器的结构设计212.5 方案的理论计算21第三章 框架平台结构的设计与分析233.1 框架结构的设计与分析233.1.1 支架结构的设计243.1.2横梁结构的设计253.1.3 框架结构的应力分析263.2 平台结构的设计与分析293.2.1 平台结构的设计293.2.2 平台结构的分析293.2.3 平台结构的应力分析303.3 系统的定位精度分析32第四章 辅助零件的设计334.1

10、 轨道与轨道滑块的设计334.1.1 线性轨道的选型334.1.2 轨道结构的尺寸设计344.2 配重的设计344.2.1 配重的计算344.2.2 配重的尺寸设计354.3 钢丝绳的设计364.4 滑轮的设计364.4.1 滑轮设计要求364.4.2滑轮的尺寸设计37结论38参考文献49致谢40附录41 V第一章 绪论1.1研究背景KUKA公司的KR1000型机器人是一种重型负载机器人，可实现各种类型的抓取作业，但当其应用于高空移动抓取时，由于其本身的重量影响，导致需要将其放在移动平台上才可以达到所需的操作空间，因此针对KR1000型机器人实际进行抓取作业时的操作空间有限性，拟设计一台框架式

11、升降平台，用于安装固定KR1000型机器人。1.2 研究意义升降台是一种垂直运送人或物的起重机械，具有重量轻、自行走、电启动、自支腿、操作简单、作业面大，能跨越障碍进行高空作业等360度自由旋转优点。除作为不同高度的货物输送外，广泛应用于高空的安装、维修等作业。升降台上往往还装有各种平面输送设备，作为不同高度输送线的连接装置。本平台固定在移动小车上，由小车带动平台做水平运动 其上安装KUKA公司KR1000型机器人，带动机器人做升降运动。1.3国内外发展现状1.3.1国内发展现状我国升降机的发展越来越趋于成熟，有关专家指出目前我国升降机的生产和销售已进入成熟期，不仅国内市场发展一切向好，升降机

12、的出口也风生水起，出口升降机的种类越来越多，出口国家从东南亚扩展到非洲、美洲，一些发展国家也成为我国液压升降机的出口国，出口技术含量和附加值也在提高。随着我国经济发展的带动，国内市场对升降机的需求还在不断升温，这是推动升降机行业发展的主要动力。为适应市场的高需求，国内的升降机生产厂家也在不断进行技术升级改进，企业活力不断提高，这种良性互动使我们的升降机供求趋于平衡并在稳步增长，一切向好。目前升降机企业销售量在不断攀升，营业额逐年增长，但利润率有所下降，这是我国升降机行业优化升级的结果，这将有助于我国升降机行业的长远发展。目前随着机械行业的快速发展，升降机整个行业规范化、标准化越来越高，我国已有

13、完善的升降机研发、生产体系，我们的升降机也远销东南亚。但目前我国的升降机厂家还是借助CAD辅助制图，机械化、规模化生产还不成熟，这与我国对升降机需求的多样化、柔性化不相适应，再加上目前升降机创新太少，特殊要求的升降机价格高，开发周期长，远远不能满足日益增长的客户需求。1.3.2 国外发展现状近20年世界工程升降机行业发生了很大变化。RT(越野轮胎升降机)和AT(全地面升降机)产品的迅速发展，打破了原有产品与市场格局，在 经济发展及市场激烈竞争冲击下，导致世界工程升降机市场进一步趋向一体化。目前世界工程升降机年销售额已达75亿美元左右。主要生产国为美国、日本、德国、法国、意大利等，世界顶级公司有

14、10多家，主要集中在北美、日本(亚洲)和欧洲。美国既是工程升降机的主要生产国，又是最大的世界市场之一。但由于日本、德国升降机工业的迅速发展及RT和AT产品的兴起，美国厂商曾在20世纪6070年代世界市 场中占有的主导地位正逐步受到削弱，从而形成美国、日本和德国三足鼎立之势。近几年美国经济回升，市场活跃，外国厂商纷纷参与竞争。 美国制造商的实力也有所增强，特雷克斯升降机公司的崛起即是例证。特雷克斯升降机公司前身是美国科林升降机厂。1995年以来，其通过一 系列的兼并活动，已发展成为世界顶级公司之一。日本从20世纪70年代起成为工程升降机生产大国，产品质量和数量提高很快，已出口到欧美市场，年总产量

15、居世界第一。自1992年以来，由于受日元升值、国内基建投资下降和亚洲金融危机影响，年产量呈下降趋势。目前日本市场年需求量为3000台左右。欧洲是潜力很大的市场，欧洲各工业国既是工程升降机的出口国，也是重要的进口国。德国是最大的欧洲市场，其次为英国、法国、意大利等国。在德国AT产品市场份额中，利勃海尔占53%，格鲁夫占 16%，德马泰克占14%，多田野和特雷克斯各占10%和5%左右。升降机制造业中的联合之风与汽车业很相似，在汽车行业中，通用汽车、福特、雷诺、宝马、梅赛德斯、大众等大公司都走上了联合之路，这两个行业的世界市场已日趋一体化。欲在成熟的世界市场获取市场份额并保持增长，捷径是购买竞争对手

16、，其长期目标是争夺世界市场的支配地位。在升降机行业，某种意义上，打入世界市场即意味着进入北美、日本(亚洲)和欧洲三大市场。世界顶级公司都对世界市场具有强大影响力，但迄今还没有一家公司在上述三大市场取得主导地位。有4家公司已在两大市场建立了根据地：格鲁夫和特雷克斯在北美与欧洲；多田野在亚洲和欧洲；住友建 机在亚洲及北美。1.4 升降设备的发展趋势1.专用化和通用化随着物流的多样性，升降设备的品种越来越多且不断更新。物流活动的系统性、一致性、机动性、快速性，要求一些设备向专业化发展，一些设备向通用化、标准化发展。2. 自动化和智能化 将机械技术和电子技术结合，将先进的微电子技术、电力电子技术、光缆

17、技术隐蔽功能用到机械的驱动和控制系统，实现升降平台设备的自动化和智能化是今后的发展方向。3. 绿色化“绿色”就是要达到环保要求，这涉及到两个方面，：一是与牵引动力的发展以及制造、辅助材料等有关，二是与使用有关。对牵引力的发展，一是要提高牵引动力，二是有效利用能源，减少污染排放，使用清洁能源及新型动力。1.5 系统的技术分析1.5.1 技术要求升降平台需要满足一定的技术要求，以保证机器人的正常作业。主要规格和技术参数为平台提升高度 为4000mm，平台运动速度4m/min，提升平台宽度 2000mm，提升平台工作面最低工作点500mm，提升平台静止定位精度0.2mm。在平台上安装的机器人重量为4

18、.6t，高度约为1.5m，底面半径约为400mm。此外出于安全考虑，升降系统应该具有自锁功能。1.5.2 系统组成升降平台的机械组成部分主要由升降系统和负载机器人的框架与平台结构以及其他的辅助零部件共三部分组成。其中升降系统包括为系统输出转矩的电机、减小输出转速的减速器、带动平台结构做升降运动的升降机构、以及连接减速器与升降机构的联轴器组成。框架结构主要用来为机器人、机器人提供支撑，平台结构上装载机器人。其他的一些零部件包括轨道与轨道滑块、滑轮与钢丝绳、配种结构以及螺栓等。1.5.3工作原理 由伺服电机输出额定转速给行星减速器，通过行星减速器的降低输入转速的作用将输出转速调节到滚珠丝杆幅所需要

19、的转速。行星减速器的输出轴与刚性凸缘联轴器相连，而联轴器功能只是传递扭矩和转速，因此与联轴器另一端相连的滚珠丝杆转速大小和方向都与行星减速器输出轴相同。根据升降平台的设计要求，平台的提升速度为4m/min,通过选择导程为10mm的滚珠丝杆，滚珠丝杆将自身的转动转化为滚珠螺母的上下移动，并且带动与螺母把合在一起的平台结构一起运动，为了保证较高的运动精度和灵敏度，在框架台上焊接有直线导轨，将平台结构与轨道滑块相连，使平台沿着轨道运动。考虑到KR机器人本身重量较大，为了减少电机的功率消耗以及减低升降系统的承载力，设计用来平衡机器人与平台重量的配重结构。配重与平台结构通过两个钢丝绳来连接。在框架台顶部

20、装有四个滑轮，通过将钢丝绳穿绕在滑轮上来带动机构运动。第二章 升降系统的设计与分析2.1电机的选型电动机是传动以及控制系统中的重要组成部分，随着现代科学技术的发展，电动机在实际应用中的重点已经开始从过去简单的传动向复杂的控制转移；尤其是对电动机的速度、位置、转矩的精确控制。控制用电机主要应用于系统的检测、比较、放达和执行。控制用电机的种类包括伺服电机、步进电机、旋转变压器、自整角机、测速发电机。目前机械控制系统中广泛应用的是步进电机和伺服电机。2.1.1电机种类的选择2.1.1.1伺服电机相比步进电机优点：低频特性：步进电机在低速运行时会出现低频振动现象，电机运行平稳性劣于伺服电机。交流伺服电

21、机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。矩频特性：步进电机的输出力矩会随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，步进电机在高速时力矩会很小。交流伺服电机为恒力矩输出，在其额定转速内能保持力矩不变，都能输出额定转矩。控制精度：步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，选型时电机出力要有充分余量，应处理好起、降速问题。伺服电机驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，电机和驱动器内部构成闭环控制，在其额定力矩内不会出现步进电机的丢步情况，出现过冲情况能补回来，控制性精度能更为可靠。2.

22、1.1.2 步进电机相比伺服电机优点 运行性能：步进电机运行跟踪实施特性优于伺服电机，由于步进电机每发一个脉冲走一个角度，发脉信号电机就会走不会有延时，而伺服电机为闭环控制，发完脉冲和编码返回对比处理，如有过冲在转回去，有一定延时，踪踪特性差于步进电机。例如：用雕刻机画一个圆形，伺服电机没步进电机画的好。在频繁正反转跟踪特性要求较高的场合必需使用步进电机。操作设置：步机电机驱动设置简单，只需将电流，细分设好就可以，伺服驱动器有上百个参数设置，设置很繁琐。2.1.1.3 电机的选择通过对伺服电机和步进电机对比，伺服电机在运行稳定性、系统精度控制等许多性能方面都优于步进电机。同时伺服电机还有高速性

23、能好、抗过载能力强、动态响应时间短、发热和噪音低等优点。考虑到伺服电机电机在与减速器连接时轴端为竖直方向，因此选择立式伺服电机。2.1.2 电机的型号选择2.1.2.1电机的功率计算因为配重平衡了升降台与机器人的重力，滚珠丝杆仅仅用来承受机械臂抓取作业物重量，KR1000型机器人抓取重量最大为一吨，即丝杆承受最大载荷为F1000kg根据设计要求升降平台的提升速度最大为V4m/min0.0667m/s。则提升功率。减速器选用2K-H(NGW)型传动，传动效率，行星减速器与滚珠丝杆幅连接所用的联轴器传递效率为，滚珠丝杆幅传递效率为，滚动轴承传递效率为，减速器共有滚动轴承两对。则机构总效率为：则电机

24、所需功率为2.1.2.2选择电机型号电机采用定位精度高、性能良好的西门子伺服电机。查西门子伺服电机手册，选择编号为1FT6062-6AC7的1FT6伺服电机。其参数如下：表1 电机参数额定转速ne（rmp）轴高SH（mm）额定功率（kw）额定转矩Me额定电流Ie（A）相对数2000631.15.22.63 所得电机转矩， （2-1）说明符合要求。2.2 减速器的设计2.2.1减速器种类的选择减速器是一种动力传达机构，利用齿轮的 速度转换器，将电机（马达）的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩的机构。在目前用于传递动力与运动的机构中，减速器的应用相当广泛。几乎在各式机械的传动系统中都可以见到

25、它的踪迹，从交通工具的船舶、汽车、机车，建筑用的重型机具，机械工业所用的加工机具及自动化生产设备，到日常生活中常用的家电、钟表等等。其应用从大应力的传输工作到小负荷，精确的角度传输都可以见到减速器的应用，切在工业应用上，减速器具有减速及增加转矩的功能。因此广泛应用在速度与扭矩的转换设备。2.2.1.1各类减速器的优缺点按照传动类型的不同，减速机可以分为蜗轮蜗杆减速器、谐波减速器、行星减速器、齿轮减速器四种。各种减速器的优缺点如下：1.蜗轮蜗杆减速器具有反向自锁功能，可以有较大的减速比，输入轴和输出轴不在同一轴线上，也不在同一平面上；但是一般体积比较大，传动效率不高，精度不高。2.谐波减速器谐波

26、优缺点的谐波是利用柔性元件可控的弹性变形来传递运动和动力的，体积不大，精度很高；但是缺点是柔轮寿命有限、不耐冲击、刚性与件相比较差，输入转速不能太高。3.齿轮减速器具有体积小、传递扭矩大的特点。齿轮减速器在模块组合体系基础上设计制造，有极多的电机组合、安装形式和结构方案。传动比分级细密，满足不同的使用工况，实现机电一体化，传动效率高，耗能低，性能优越。但是减速器一般对于安装方面比较麻烦。4.行星轮减速器结构比较紧凑，回城间隙小，精度较高，使用寿命长，额定输出扭矩可以做的很大。但是价格较贵。2.2.1.2减速器的选型 因为当KR1000机器人在抓取和放置重物时，需要极高的精度，并且整个装置对减速

27、机有很大的压力作用，因此减速机需要有较强的过载能力。经过比较后决定使用使用行星轮减速器精密行星减速器主要为伺服电机/步进电机专用，最大特点是定位精度和重复定位精度精准。行星减速机能够解决伺服电机定位精度的“高保真”问题，同时具有体积小、扭矩大、高效率、过载能力强等特性。2.2.2减速器的结构设计 减速器选用2K-H(NGW)型传动。其传动效率为，传动比范围为，选行星减速器的传动比，采用三个行星轮。查实用机械传动装置设计手册表6-12，选择各齿轮齿数。当时，取，。齿轮毛坯为20CrNiMo，硬齿面轮经渗碳、淬火、磨齿加工，齿面硬度为58-62HRC，太阳轮、行星轮精度为六级，内齿轮为七级。齿轮的

28、结构配合如图1所示： 图1 齿轮结构配合2.2.3齿数的选配条件装配条件：为整数，满足装配条件；传动条件：，满足传动比条件；同心条件：由，得： , 满足同心条件；则齿轮的选配条件满足要求。2.2.4齿轮参数的计算 由机械设计图10-21查得齿轮的接触疲劳强度极限，齿轮的弯曲强度极限。1.按弯曲强度初算公式，计算齿轮的模数m， (2-2),已知，小齿轮转矩查表取算式系数，使用系数，取综合系数，取接触强度计算的行星轮间载荷分布不均匀系数，查机械设计图10-5得齿形系数YFA12.65，齿宽系数d0.6， 2.按齿面弯曲强度计算小齿轮分度圆直径d1，计算公式为： (2-3)小齿轮的转矩T5.10N.

29、m，对于钢对钢配对齿轮副，直齿轮传动算式系数，使用系数，综合系数，齿轮的接触疲劳强度极限为，则则，取模数m1.53几何尺寸计算：分度圆直径计算公式为dmz，其中m为齿轮的模数，z为齿轮齿数，相互配合的齿轮模数相同，则模数都为m1.5，则各齿轮的分度圆直径分别为： 齿顶圆直径计算公式为，对于太阳轮、行星轮1，内齿轮0.8则有：da(a)63+21.566mm da(g)93.5+21.596.5mmda(b)252-21.50.8249.6mm齿根圆的直径计算公式为，负号用以外齿合，正号用于内齿合，齿顶系数0.25，则有df(a)63-21.5(1+0.25)59.25mmdf(g)93.5-2

30、1.5(1+0.25)89.75mmdf(b)252+21.5(1+0.25)255.75mm，齿宽系数在0.4到1.0之间，这里选择齿宽系数为d0.6， 行星轮的齿轮宽度为93.50.656，取太阳轮和内齿轮的宽度分别为61mm，51mm。2.2.5齿轮轴的尺寸设计1.首先按公式估算太阳轮轴的轴径，选轴的材料为45号钢，调制处理。查机械设计表15-3，取115，传递功率P0.834kw，轴转速为n2000r/min，代入数值，得，考虑到传动轴要受到较大的轴向力，因此设计时采用较大的轴径，采用齿轮轴形式的设计。2.根据轴上零件的安装和固定的要求，设计三个轴段，零件图形如图2所示1段：该段是与电

31、机的连接端，设计为中空形式，通过使电机轴插入该段轴来使行星减速器与电机连接，取该段的外径d148mm，内径d135mm,长度L160mm.2段：取1、2段之间的轴肩高度为1.5mm，则该段直径为d248+21.551mm， 因为在该段轴上要安装轴承，轴承取能承受较大轴向力的圆锥滚子轴承，轴承代号为30211，内径d51mm，外径D100mm，宽度B21mm。取该段轴的长度L265mm。3段：为了使齿轮与轴承不发生冲撞及加工方便，齿轮与轴承之间要保持一定距离，取2、3段之间轴肩高度为3mm，则该段轴的直径为d3d2+3251+657mm，轴的长度为L310mm。 图2 齿轮轴2.2.6行星架的尺

32、寸设计行星架轴一端与三个行星轮通过平键连接，另外一端通过联轴器与滚珠丝杆相连，设计五个轴段,零件图如图3所示。1段：该段轴共有三个分出轴端，分别与三个行星轮相连，三个轴完全相同，轴的直径为d140mm，轴的长度L1比行星轮厚度略大，取L165mm，2段：该段轴用以对太阳轮、行星轮、内齿轮的轴向固定，因此它的直径d只是略小于内齿轮的外径，取d2250mm，厚度为L215mm。3段：为了使2段的轴与轴承之间不发生相互摩擦及加工方便，取该段轴的直径为d360mm， 长度为L310mm。4段：取3、4段之间的轴肩高度为2mm，则4段轴的直径为d460-2256mm，该段需要安装一对圆锥滚子轴承，轴承代

33、号为30212，轴承内径为d56mm，外径D110mm，宽度B22mm，取轴的长度L465mm。5段：该段通过平键直接与联轴器相连，为了联轴器的轴向定位，4、5段之间应该设计较大的轴肩，设轴肩为3mm，则该段轴的直径为d556-2350mm，取该轴段的长度为L560mm。查机械设计课程设计表11-26选择键尺寸，键宽度为18mm，高度为11mm，其中轴深度为7.0，毂深度为4.4。 图3 行星架 2.2.7齿轮的强度校核 2.2.7.1齿面接触疲劳强度的校核强度条件：HHP计算应力为为：H （2-4） 许用应力HP （2-5）查 机械设计手册，由表23.2-4取使用系数KA1.25，动载系数K

34、v按表23.2-27，取K126.81，K20.0193，则 Kv1.88查表取KHBKFP1，取KHKF1.1，查图23.2-16取节点区域系数ZH2.3，查表23.2-29取材料弹性系数ZE189.8，取接触强度重合系数Z0.85，又已知Hlim1400MPa，h20000，则NL60200020000，又因为N9,则NLN,则可取ZN1，ZLVR为润滑油膜影响系数，取ZLVR0.95，取工作硬化系数Zw1.0,接触强度计算的尺寸系数Zx1.0计算应力许用应力则N,则取YN1，查表23.2-30取相对齿根圆角敏感性系数取弯曲强度计算尺寸系数Yx1.0，齿轮弯曲强度最小安全系数，则齿根弯曲强

35、度满足要求。2.2.8太阳轮轴的强度校核齿轮所受圆周力为： （2-9）齿轮所受径向力为： （2-10） 则齿轮轴所受最大弯矩为在第一段轴，且该段轴为空心，因此为危险轴面，所受弯矩为： （2-11） 轴的计算应力公式为 （2-12）扭转应力为静应力，取折合系数为0.3，轴的抗弯截面系数为则计算应力已知轴的材料为经过调制处理的45号钢，查机械设计表15-1得轴的许用弯曲应力为，则，故安全。2.3 升降机构的设计升降机构又叫升降台，是一种将人或者货物升降到某一高度的升降设备。在工厂、自动仓库等物流系统中进行垂直输送时，升降平台上往往还装有各种平面输送设备，作为不同高度输送线的连接装置。升降机构根据机

36、构属性不同分为刚性、柔性、刚柔双性三类。刚性升降机构包括齿轮齿条式、柱塞式、剪叉式、丝杆式。柔性传动升降机构包括钢丝绳升降机构、链条式升降机构。2.3.1升降机构的类型2.3.1.1各类升降机构的比较1.齿轮齿条式升降机构具有工作连续、升降速度快、操作简单、同步性好等优点，同时，齿轮齿条机构易于将平台调平且定位较精准。但由于价格贵，制造难度大，主要应用于海上自升式升降平台;2柱塞式升降机构结构简单，工作可靠，但其同步精度较差，且存在能耗偏大的问题，因此这种升降技术在升降平台上并不常用;剪叉式升降机构具有结构紧凑、承载量大、驱动装置通过性强和操控性好的特点，因而在各种场合中得到了广泛应用。但剪叉

37、式升降机构台面在升降过程中较难实现匀速，并且升降行程较小;3钢丝绳升降机构布置灵活且具有定点定位性好、运行噪声小、运行平稳性好等优点，但是对升降高度有一定限制。当钢丝绳使用伸长量变大后，升降机构定位不精确，运动平稳性变差，易受外界负载影响、惯性大、启动及换向慢;4链条式升降机构具有结构简单、成本低等优点，常使用于低速与升降高度不大的场合。其采用的链条机构稳定性较强，定点定位好，同步精度高，但运行平稳性较差;5丝杠式升降机构是螺旋形式顶升，因此具有结构紧凑、运行平稳、传动准确等优点，同时丝杠易于实现自锁，故其安全可靠。2.3.1.2升降机构类型选择由于齿轮齿条升降机构主要为海上作业设计，柱塞式升

38、降机构存在能耗大、同步精度差的缺点，钢丝绳机构存在定位不精确，平稳性差的缺点，链条式升降机构也存在稳定性差的缺点。由于KR机器人抓取作业时需要很高的精度和平稳性，并且从安全角度考虑，这里选用丝杆式升降机构。2.3.2滚珠丝杆的选型2.3.2.1计算丝杆总长滚珠丝杆的转速与行星减速器输出轴转速相同，为400r/min。升降平台的提升速度为4m/min，滚珠丝杆的导程为 （2-13）根据滚珠丝杆选型手册，可得导程和余程的关系如表2所示：表2 导程与余程关系导程Ph（mm）2.53456余程Le（mm）1012162024导程Ph（mm）810121620余程Le（mm）3240455060查表得滚

39、珠丝杆余程为由升降平台竖直方向的行程为滚珠螺母的螺纹全长为则滚珠丝杆的螺纹长度为： （2-14） 滚珠丝杆由三节轴端组成，除了控制升降的螺纹轴段，另外包括为了滚珠丝杆的加工与装配方便，中间设计一段过渡轴段，其直径为62mm，长30mm，最后一段轴通过平键连接与联轴器相固定长度为65mm，直径为55mm，轴段设有键槽。 2.3.2.2丝杆的尺寸计算查机电一体化设计基础，得载荷系数、硬度系数、精度系数分别如下表3、表4、表5所示，得KF1.2，KH1.0,KA1.0，查表2-4取C级精度。表3 载荷系数载荷性质无冲击平稳运转一般运转有冲击和振动运转11.21.21.51.52.5表4 硬度系数滚道

40、实际硬度58555045401.01.111.562.43.85表5 精度系数精度等级C、DE、FGH1.01.11.251.43KR1000机器人抓取物重量最大为为1000kg，则取Fm10KN,滚珠丝杆计算载荷1.21.01.01012KN （2-15）各类机械预期工作时间如表6所示： 表6 工作时间机械种类普通机械普通机床数控机床精密机床演示机床航空机械时间（h）5000-1000010000-2000020000200001500010000 取滚珠丝杆使用寿命Lh20000h，最大转速nm400n/min，额定动载荷为： （2-16）根据,Ph10的要求选择丝杆幅尺寸。查滚珠丝杆选型

41、手册得精密研磨级滚珠丝杆FSV系列，型号70-10B3满足要求，其技术参数为表7所示。 表7 滚珠丝杆参数公称外径（mm）导程（mm）珠径（mm）根径（mm）动载荷C（kgf）静载荷C0(kgf)70106.3564.91968837516即Do70mm，Ph10mm，滚珠直径do6.350，滚道半径R0.52do0.526.353.30mm。偏心距为：e0.707(R-do/2)0.707(3.30-6.35/2)8.8410mm （2-17）丝杆内径为：d1Do+2e+2R70+28.8410-3.30263.58mm （2-18）则滚珠丝杆幅的结构如图4。 图4 滚珠丝杆副2.3.2.3滚珠螺母的设计查滚珠丝杆选型手册选择与滚珠丝杆FSV系列，型号70-10B3相对应的滚柱螺母，螺母中的螺纹外径为70mm。主要尺寸如图5所示。 图5 滚珠螺母2.3.2.3滚珠螺母的设计2.3.3丝杆的稳定性验算 由于轴向固定的长丝杆在工作时可能发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数S,应使其大于丝杆幅传动结构允许安全系数【S】.丝杆不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷Fcr，计算公式为：Fcr （2-19）丝杆弹性模量E