课程设计计算说明书(码垛机设计)

中国科学技术大学

机械工程综合课程设计任务书题目：工业码垛机设计

班级：0700901

学生：张海滨

学号：PB********

指导教师：***

设计目录

1、设计任务分析

2、总体方案论证（包括控制系统方案），绘制总体系统草图

3、系统及零部分的结构设计（机电装置正常运转所必需的附件

及其结构设计或选择，尺寸的确定），以及系统总体刚度和强度的计算校验。

4、运动以及动力参数的计算（动力设计及驱动源的选择、传动

装置的确定和分配传动比）

5、执行机构类型和执行方式的确定计算

6、零件图和装配图的绘制

7、典型零件工艺卡片的编写

8、参考文献

一、设计任务分析

1、产品性能

码垛机用于各种包装线末端将已装入容器的纸箱，按一定排列码放在托盘（木质）上，进行自动堆码，可堆码多层，然后推出，便于叉车运至仓库储存。

码垛机应具有一定智能，可根据不同的工艺流程要求，将不同规格的纸质或木质包装箱按预先设定的位置（可编程），整齐地堆放在托盘上。

2、码垛机的技术要求：

码垛范围（长×宽×高）：1200×1200×1800

重复定位精度：（mm）±5.0

最大工作速度：（p/min）6

最大抓取重量：（kg） 20

抓手形式：吸盘式

3、运动要求分析：

根据上述任务要求，需要码垛机的机械手能够实现空间的三维运动，并且有一定的运动精度和重复定位精度。同时要求机械手以吸盘的方式抓取纸箱，经运动到指定位置后放开纸箱。

4、尺寸及动力分析：

在总体尺寸设计时，考虑X向运动空间需要考虑传送带传送过来的货物占用的空间，所以X向横梁长度2000mm （1200mm+8000mm）；Z向支撑梁高度2000mm（1800mm+200mm），横梁宽度200mm*2；Y向横梁长度1800mm（1200mm+600mm），用于叉车的活动空间。

技术要求中需要重复定位精度在±5.0mm，所以采用伺服电机作为动力源，用闭环控制系统，使用位置传感器作为位置检测装置并反馈。要求工作速度在10p/min，通过控制降速比来实现，具体选择见后面计算分析。

最大抓取重量为20kg，初步采用型号为1FT5020-0AH01和1FT5046-0AH01的伺服电机，静转矩为0.17N.M和2.5N.M。X、Y 向的运动由于在重力垂直方向，利用导轨实现，运动阻力较小，较小转矩的电机就可以实现。Z向运动，由于需要承载载荷，具体电机的选择计算见说明书分析。

二、总体方案设计

1、总体构想：

码垛机实现三位运

动方式目前主要有：笛卡

尔坐标框架，龙门架式

（桥式），机械臂式。总

体设计利用空间三坐标

框架，实现机械手的三维

运动。（示意图如右图所

示）

2、执行机构设计：

抓取部分机械手拟使用吸盘式对纸箱进行抓取。吸盘真空实现方式有挤压排气式，真空泵排气式和气流负压式。拟使用真空泵排气式。结构和单元图如右下图示。

3、设计目标与控制系统：

自动式码垛机，同时兼有手动控制按钮以防止突发事件的发生。

控制部分拟使用PLC可编程控制，产品能够根据纸箱的尺寸这一参数，对程序修改后，自动完成新的码垛形式的调整。

4、动力源和传动方式：

动力计划在三维方向使用伺服电机，电机的具体放置位置和安放形式、减速装置见具体设计三维图。为防止微悬臂的振动，可以使用三角架支撑，或者在悬臂外端加支撑杆。

传动方式，在X、Y方向的运动使用螺旋传动。电机带动螺母转动，通过螺纹副带动螺杆直线运动，从而实现框架的X、Y向移动。而在Z向若使用螺旋传动，需要空间过大，所以使用V带轮传动。

三、系统及各部分结构设计

1、四根支撑架设计：

1、由于码垛机整体设计采用框架式，

需要有四根支撑架来支撑整体结构，作为码

垛机的四条“腿”。

该支撑结构使用10#工字钢，其截面形

状及尺寸如右图所示。其中：

h*b*d=100*63*4.5（mm）。支撑杆长度根据

码垛范围要求，设定其长度为2000mm。

查阅资料得知，工程应用中，工字钢材

料一般为Q235B，屈服应力235MP。一般取安全系数1.5，得到工字钢的许用应力为157MP，使用的环境温度在-10℃-40℃范围。

2、初步估计重量（下面计算数据为初步估算数据，未经过休整，有些涉及到的计算也为近似计算，采用收尾法）：

1）、提起重物质量最大为20kg ；

2）、X 向支撑钢板重量（2块）：

337.85g /cm 100.62009.42cm kg ⨯⨯⨯=（普通钢板的密度为

7.85g/cm*3，45#钢或者Q235等）。

3）、X 向导轨的重量（包括支承件和传动件：两端的支承座，两根柱状导轨，一个丝杠）：

=19kg 。

4）、X 向滑块的重量（2块），近似计算为：33390752000.67.85/10 6.36g cm cm kg -⨯⨯⨯⨯⨯=。

5）、Y 向导轨的重量（2个）：333(15040811024130)18007.85/1028.26g cm cm kg -⨯-⨯-⨯⨯⨯⨯=。

6）、Y 向丝杠和滑块重量（1个丝杠、2个滑块）：2333(10180022413060)7.85/107.38g cm cm kg π-⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯=。

7）、Z 向丝杠和螺母（固定件）重量：

23331021007.85/101015.18kg cm cm kg kg π-⨯⨯⨯⨯+=。

8）、其他（三个伺服电机、齿轮、螺钉、吸盘等）：

1.6272030.2kg kg kg kg ⨯++=。X 、Y 向传动需要动力较小，选用电机型号较小，Z 向动力需要较大，其他配件总重量（齿轮、螺钉、螺母等）按20kg 粗略估计。

根据上述估算，得到四根支撑杆所需要的负载总重量为：M=

209.422192 6.36228.2627.3815.1830.2198.84kg kg kg kg kg kg kg kg kg

+⨯+⨯+⨯+⨯+++=2333

(16080404706063101960)7.85g /cm 10cm π-⨯⨯+⨯⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯