毕业设计（论文）-三维数控锡丝点焊机结构设计（全套图纸）

1 分 类 号 密 级 宁波大红鹰学院 毕业设计(论文) 课题名称：三维数控锡丝点焊机结构设计 分 院： 机械与电气工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 二一二年二一二年 十一月十一月 2 摘要 随着科学技术的发展， 焊接结构件的应用也显得越来越频繁， 先进焊接技术的发展 总是不断地从新科技的成果中获得新的起点。目前，数控锡丝焊接技术在电子科技、计 算机技术及机器人的制造中都起着重要的作用。 无论在什么情况下， 数控锡丝焊接机要 适应焊缝的变化才能提高焊接的水平和质量。 我们只有将数控锡丝焊接机技术和焊接跟 踪技术有效的结合才能更好的推动新科技的发展， 因此数控锡丝焊接机的设计对于解决 这一难题至关重要。 关键词：关键词： 焊接技术 机构设计 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 3 Abstract With the development of industrial level, the application of welding structure is becoming more and more frequent, advanced welding technology development are always the results of new science and technology a new starting point. At present, the numerical control tin wire welding technology in the electronic technology, computer technology and manufacturing of the robot plays a important role. In any case, CNC tin wire welding confidential to adapt to the change of weld can improve the level and quality of welding. Only when we CNC tin wire welding machine technology and welding tracking technology effective combination to better promote the development of new technology, so the numerical control tin wire welding machine design for solving this problem is very important. Key Words: Robot technology Intensity is 4 目 录 摘要.2 Abstract .3 目 录.4 第 1 章 绪论.7 1.1 课程的研究目的及意义.7 1.1.1 课程背景.7 1.1.2 课程简介.7 1.1.3 意义.7 1.2 研究现状及发展趋势.8 1.2.1 PCB 板的概要及作用 8 1.2.2 国内焊接机的发展概况.8 1.2.3 国外焊接机的发展概况.8 1.2.4 焊接机在我国的应用及发展趋势.9 1.3 本课题研究的内容及方法 10 5 1.3.1 主要的研究内容 10 1.3.2 设计要求 10 1.3.3 关键的技术问题.11 第 2 章 总体方案机构设计.12 2.1 设计概念 12 2.2 设计原理 12 2.3 方案讨论 12 第 3 章 数控点焊机 X 结构及传动设计 13 3.1 X 向滚珠丝杆副的选择 14 3.1.1 导程确定 14 3.1.2 确定丝杆的等效转速 14 3.1.3 估计工作台质量及负重 14 3.1.4 确定丝杆的等效负载 14 3.1.5 确定丝杆所受的最大动载荷 15 3.1.6 精度的选择 16 3.1.7 选择滚珠丝杆型号 16 3.2 校核 16 3.2.1 临界压缩负荷验证. 17 3.2.2 临界转速验证 18 3.2.3 丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率 18 3.3 电机的选择 19 3.3.1 电机轴的转动惯量 19 3.3.2 电机扭矩计算 20 第 4 章 Y 向结构设计 .24 4.1 传送带的设计 24 4.2 传动带的概述 25 4.2.1 传动带介绍 25 4.2.2 传动带的特点 26 4.2.5 传动带分类 26 6 4.3 传动带传动计算 27 4.3.1 传动带计算选型 27 4.3.2 传动带的主要参数（结构部分） 30 4.3.3 传动带的设计 33 4.3.4 传动带轮的设计 33 4.4 电机的选择 34 4.4.1 电机的分类 34 4.4.2 步进电机的选择 35 第 5 章 Z 向结构设计 .37 5.1 Z 轴滚动导轨副的计算、选择 37 5.2 滚珠丝杠计算、选择. 38 5.3 步进电机惯性负载的计算. 41 第 6 章 送丝机构43 6.1 送丝机构设计工作原理 43 6.2 送丝滚轮 43 6.3 送丝电动机的选型. 44 第 7 章 机架的设计.44 7.1 机架的基本尺寸的确定. 44 7.2 架子材料的选择确定. 45 7.3 主要梁的强度校核. 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 总结与展望 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致 谢 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 7 第 1 章 绪论 1.1 课程的研究目的及意义 1.1.1 课程背景 在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化 水平越来越高，现代化加工车间，常配有自动化生产设备，用来提高生产效率， 完成工人难以完成的或者危险的工作。当然，也不排除 PCB 板的焊接加工过程。 我们发现焊接技术已经渗透到各个领域并且被广泛使用。根据资料显示，我国每 年钢铁的产量一般在 3 亿吨左右，其中有一半以上的钢有用到焊接技术加工。我 国每年的焊接设备需求量金额超过 50 亿元。既然焊接机能够这么普遍地应用在 各个领域，它肯定具备了很大的市场竞争力。 1.1.2 课程简介 目前，市场上存在着各钟各样的电焊机设备，如：MZ 自动埋弧焊机，可以 焊接开坡口或不开坡口的对接焊缝、搭接焊缝、角焊缝及容器密封焊。此种焊缝 可位于水平面或水平面成 10 度角的斜面上，但是，焊机需要人工输送物料，而 且每次只能焊接一个点。DNZ 单面双点焊机虽然可以一次加工两个焊点，但是 物料的输送依然需要工人手工完成，焊接的人工利用率不高。因此，高质量的焊 接不仅有着极好的市场前景，对减少焊接设备进口量、促进我国国民经济发展具 有重要意义。为了解决上述问题，本课题就对三维数控锡丝焊接机的结构设计做 进一步的研究。 本课题主要解决数控锡丝焊接机 (1)数控锡丝点焊机移动设计 (2)数控锡丝 点焊机设计 (3)数控锡丝点焊机设计（4）电机的选择等各个方面的问题。最后 对所选的齿轮和相关零件进行强度校核，使之能够达到要求。 1.1.3 意义 通过完成该课题，设计出 PCB 板焊接数控锡丝焊接机，不需要工人输送物 料，焊枪与焊缝都保持垂直，相对于焊缝的焊接速度都恒为同一速度，进而能够 提高在直线段与在波内斜边段的焊缝成形的一致性，提高 PCB 板的生产质量。 能够提高焊接的质量，扩大焊机的市场前景。能让焊接技术走在工业技术的最前 8 端，推动工业技术的发展。 1.2 研究现状及发展趋势 1.2.1 PCB 板的概要及作用 PCB 就是印刷电路板（Printed circuit board PCB） 。它几乎会出现在每一种电 子设备当中。除了固定各种小零件外，设备中的电子零件都是镶在大小各异的 PCB 上的。PCB 的主要作用就是提供各项零件的电气连接。 随着通信、计算机、电子设备的发展，PCB 板的发展也是突飞猛进。据资 料显示，全球 PCB 板的产业约占电子产业的 18%，2001 年全球 PCB 产值换成 人民币有 3230 亿元。在零三年，我国 PCB 板产值达 500 亿元人民币，产值超越 美国越居全球第二。到 2006 年，我国的 PCB 板产值、产量一度超过了日本，成 为 pcb 板生产第一大国。目前，印刷电路板的设计、加工水平已经达到了 0.2 到 0.3mm（孔径） ，0.15 到 0.12（线条宽度和间距） ，层数已经到达 46 层（富士公 司） 甚至可能更多，可以说印刷电路板的高科技和高复杂性已经达到了一个相当 高的水平。但放在眼前的问题是印刷电路板也面临着巨大的挑战，那就是印刷电 路板的质量问题。要保证印刷电路板的质量，最关键也是最重要的就要提高焊接 技术。 1.2.2 国内焊接机的发展概况 目前，国外许多工业发达国家已经把数控焊接设备的生产标准化、产业化，价格相对也 有所下降。 在近几年， 微电子技术的快速发展带动了以 PC 机位代表的计算机软硬件的发展， 焊接机设备也以建立以 pc 机为基础的制造系统为目标，向开放的集成自动化方向发展。为 顺应这一趋势，焊接数控系统也由专用的封闭数控系统向基于 PC 机的开放数控系统发展。 有些进口的焊接设备只需要操作者输入焊接材料、 厚度、 坡口形式等焊接工艺条件他就可自 动生成焊接工艺，并且还可以随着被焊材料、构件的换代，实现在线远程升级。他们的设备 基本都提供了现场总线接口，是国外自动化焊接系统的集成水平显著提高。在欧美、日本等 技术发达国家，自动化、机器人焊接设备的应用非常普遍，特别是在批量化、大规模和有害 作业环境中使用率更高，已形成了成熟的技术、设备和与之配套并不断升级的焊接工艺。 1.2.3 国外焊接机的发展概况 焊接产品中有许多曲线的焊接，在我国一般采用手工焊接。手工操作具有一 9 定的优势，但也，存在着人员管理难、工人培训周期长、生产环境恶劣、劳动强 度大、焊接质量难以稳定的保持、容易产生夹杂、气孔等缺陷、焊接成本高、生 产效率低一系列的问题等。为了克服上述种种弊端，焊接科技工作者研究出了多 种自动化焊接设备，如仿形焊接机，焊接机器人，三维数控焊接机等。近些年来 我国焊接技术的整体发展水平比较好，尤其是逆变式焊机技术现已成熟，正在全 国推广应用。波控、智能及自动、半自动焊接技术快速发展。自动、半自动气体 保护焊机、埋弧焊机、电阻焊机等产品也迈开了一大步。2000 年我国点弧焊机 器人已达到 980 台。可是尽管如此，我国的焊接设备还是不能满足国内工业的生 产需求。 1.2.4 焊接机在我国的应用及发展趋势 我国从20世纪80年代开始进行大型机床等机械产品焊接结构的研究， 20 多 年来已取得长足的进步。 焊接结构已经在现代化的数控机床等大型机床上应用以 焊代铸以焊代锻的结构设计和制造技术迅速发展。 在汽车制造工业方面， 随着我国汽车产量的不断增加 20 世纪 90 年代开始从 国外陆续引进先进的焊接设备。并在车转动轴、刹车蹄片、轮圈以及其他部件的 制造过程中普遍采用各种先进的焊接工艺，提高了焊接效率和产品质量。焊接在 船舶、 汽车、 锅炉、 压力容器制造行业中也成为主要的生产工艺手段之一 。 目 前， 已有多种焊接工艺方法获得各国船级社的认可而被应用于生产。 自十一五期间开 始进行高效焊接技术的探索以来，至今已取得令人欣喜的成绩。 近年来， 我国在大型贮罐焊接、 球形贮罐焊接、 铝镁合金料仓焊接等领域中， 已成功地开发应用了自动焊或半自动焊工艺， 如球罐全位置自动焊工艺和装备已 在国内开发成功，它将为进一步推动焊接自动化发挥重要作用。 在当前，数控锡丝焊接机的机构设计绝大多数还是依据具体的情况来设计专 用焊接数控锡丝焊接机，称之为固定结构的传统数控锡丝焊接机，其运动特性使 特定数控锡丝焊接机仅能适应一定的范围，花费成本较大，不利于数控锡丝焊接 机的发展。 很数移动焊接数控锡丝焊接机还有焊缝跟踪的功能,其不足之处就是在焊前 必须通过人为的方式,帮助数控锡丝焊接机找到合适的位置并且放好，通过人工 将数控锡丝焊接机本体、十字滑块等调整到合适的状态 ,这里所设计的移动数控 锡丝焊接机是有轨移动焊接数控锡丝焊接机， 只是现有的移动焊接数控锡丝焊接 10 机技术在 PCB 板焊接中的应用， 还不能满足要求，而当前的移动焊接数控锡丝 焊接机技术有相当的发展。 也就是说数控锡丝焊接机的自主性还跟不上工业发展 的脚步。 未来的发展趋势可分为以下三个方面：2 1 选择视觉传感器来进行传感跟踪：因为与图象处理方面相关的技术得到发 展； 2 采用多传感信息融合技术以面对更为复杂的焊接任务； 3 控制技术由经典控制到向智能控制技术的发展： 这也将是移动焊接数控锡丝 焊接机的控制所采用。 1.3 本课题研究的内容及方法 1.3.1 主要的研究内容 在查阅了国内外大量的有关焊接数控锡丝焊接机设计理论及相关知识的资 料和文献基础上，综合考虑焊接数控锡丝焊接机结构特点、具体作业任务特点以 及焊接数控锡丝焊接机的推广应用， 分析确定使用三自由度关节型焊接数控锡丝 焊接机配合生产工序，实现自动化焊接的目的。 为了实现上述目标，本文拟进行的研究内容如下: 1 根据现场作业的环境要求和数控锡丝点焊机本身的结构特点， 确定数控锡丝 点焊机整体设计方案。 2 确定数控锡丝点焊机的性能参数，对初步模型进行静力学分析，根据实际情 况选择电机。 3 从所要功能的实现出发，完成数控锡丝点焊机各零部件的结构设计； 4 完成主要零部件强度与刚度校核。 1.3.2 设计要求 1 根据所要实现的功能，提出三维数控锡丝点焊机的整体设计方案； 2 完成三维数控锡丝点焊机结构的详细设计； 3 通过相关设计计算，完成电机选型； 4 完成三维数控锡丝点焊机结构的三维造型； 绘制三维数控锡丝点焊机结构总 装配图、主要零件图。 11 1.3.3 关键的技术问题 1 方案选择 2 整体的支撑架设计（龙门结构及悬臂结构的选择） 3 机构设计 4 送丝机构 5 工作台 6 电机选型 7 强度校核 12 第 2 章 总体方案机构设计 2.1 设计概念 整体的支撑架采用龙门结构在工程中我们常用的整体支撑架结构有龙 门结构和悬臂梁。所谓的悬臂梁就是梁的一端为不产生轴向、垂直位移和转动的 固定支座，另一端为自由端（可以产生平行于轴向和垂直于轴向的力） 。而龙门 结构通俗地说就是一根横梁连接两个支腿与地面紧固组成的像一个门框一样的 结构。因为他是双支撑结构区别于单支撑和悬臂结构，所以结构特别简单。 2.2 设计原理 数控点焊机的设计应满足一下几个条件首先就是必须保证工件定位可靠的 可靠性， 为了使工件、焊枪与焊接点保持准确的相对位置，必须根据要求的焊 接点，去选择合适的定位机构。再者就是要有足够的强度和刚度 除了受到工 件、工具的重量，还要受到本身的重量，还受到焊接枪在运动过程中产生的惯性 力和振动的影响，没有足够的强度和刚度可能会发生折断或者弯曲变形，所以对 于受力较大的进行强度、刚度计算是非常必要的。最后要尽可能做到具有一定的 通用性 如果可以，应考虑到产品零件变换的问题。为适应不同形状和尺寸的零 件，为满足这些要求，可将制成组合式结构，迅速更换不同的部件及附件来扩大 机构的使用范围。 Y 轴和 Z 轴采用丝杠传动：Y 轴 电动机联轴器滚珠丝杠 Z 轴 纵向电动机联轴器纵向滚珠丝杠大托板 X 轴采用丝杠加导轨形式：横向电动机联轴器横向滚珠丝杠（导轨）-横滑 板 2.3 方案讨论 悬臂梁在工程力学受力分析中，比较典型的简化模型。在实际工程分析中， 大部分实际工程受力部件都可以简化为悬臂梁。 龙门结构制作方便， 承受负载大， 结构稳定，工程上广泛应用。考虑到上述问题该课题的整体结构采用龙门结构。 13 第 3 章 数控点焊机 X 结构及传动设计 表表 3-1 滚珠丝杆副支承滚珠丝杆副支承 支承 方式 简图 特点 一 端 固 定 一 端 自由 结构简单，丝杆的压杆的稳定性和临界转速 都较低设计时尽量使丝杆受拉伸。这种安装 方式的承载能力小，轴向刚度底，仅仅适用 于短丝杆。 一 端 固 定 一 端 游动 需保证螺母与两端支承同轴，故结构较复杂， 工艺较困难，丝杆的轴向刚度与两端相同， 压杆稳定性和临界转速比同长度的较高，丝 杆有膨胀余地，这种安装方式一般用在丝杆 较长，转速较高的场合，在受力较大时还得 增加角接触球轴承的数量，转速不高时多用 更经济的推力球轴承代替角接触球轴承。 两 端 固定 只有轴承无间隙，丝杆的轴向刚度为一端固 定的四倍。一般情况下，丝杆不会受压，不 存在压杆稳定问题，固有频率比一端固定要 高。可以预拉伸，预拉伸后可减少丝杆自重 的下垂和热膨胀的问题，结构和工艺都比较 困难，这种装置适用于对刚度和位移精度要 求较高的场合。 14 3.1 X 向滚珠丝杆副的选择 滚珠丝杆副就是由丝杆、螺母和滚珠组成的一个机构。他的作用就是把旋转 运动转和直线运动进行相互转换。丝杆和螺母之间用滚珠做滚动体，丝杠转动时 带动滚珠滚动。 设X向最大行程为300mm,最快进给速度为18m/min,主轴箱大概质量为50kg, 工作台大概质量为 80kg,移动部件大概质量为 30kg，工作台最大行程为 300mm。 3.1.1 导程确定 电机与丝杆通过联轴器连接，故其传动比 i=1, 选择电机 Y 系列异步电动机 的最高转速cmkgfMrn.2 . 2min,/1500 maxmax =最大转矩，则丝杠的导程为 mmnVPH121500/18000/ maxmax eee 取 Ph=12mm 3.1.2 确定丝杆的等效转速 基本公式 min)/(/rPVn h = 最大进给速度是丝杆的转速 min)/(150012/18000/ maxmax rPVn h = 最小进给速度是丝杆的转速 min)/(083. 012/1/ minmin rPVn h = 丝杆的等效转速 min)/)(/()( 212min1max rtttntnnm+= 式中取 21 2tt = 故 min)/(03.1000)/()( 212min1max rtttntnnm=+= 3.1.3 估计工作台质量及负重 主轴箱重量 NXgmG19608 . 9200 11 = 工作台重量 NXgmG7848 . 980 22 = 移动部件重量 NXgmG2948 . 930 33 = 3.1.4 确定丝杆的等效负载 工作负载是指机床工作时，实际作用在滚珠丝杆上的轴向压力，他的数值用 进给牵引力的实验公式计算。选定导轨为滑动导轨，取摩擦系数为 0.03，K 为颠 覆力矩影响系数，一般取 1.11.5，本课题中取 1.3，则丝杆所受的力为 15 NGFGGGGGFFGfKFF Zx 2155 2 2 -) 2 2 (03. 03 . 1 2 2 -) 2 2 ( 3y13323ymax =+=+=）（）（）（ 0 min =F 其等效载荷按下式计算（式中取 21 tt =， 12 2nn=） N tntn tnFtnF Fm1494)( 3 1 2211 22 3 min11 3 max = + + = 3.1.5 确定丝杆所受的最大动载荷 3 1 6 mh kaht wm 10 60 ) nT ( ffff fF C ar = fw-负载性质系数， （查表：取 fw=1.2） ft-温度系数（查表：取 ft=1） fh-硬度系数（查表：取 fh =1） fa-精度系数（查表：取 fa =1） fk-可靠性系数（ （查表：取 fk =1） Fm-等效负载 nz-等效转速 Th -工作寿命，取丝杆的工作寿命为 15000h 由上式计算得 Car=17300N 表表 3-1-1 各类机械预期工作时间各类机械预期工作时间 Lh 表表 3-1-2 精度系数精度系数 fa 16 表表 3-1-3 可靠性系数可靠性系数 fk 表表 3-1-4 负载性质系数负载性质系数 fw 3.1.6 精度的选择 滚珠丝杠副的精度对电气机床的定位精度会有影响，在滚珠丝杠精度参数 中，导程误差对机床定位精度是最明显的。一般在初步设计时设定丝杠的任意 300mm行程变动量 300 V 应小于目标设定定位精度值的 1/31/2,在最后精度验 算中确定。 ， 选用滚珠丝杠的精度等级 X 轴为 13 级 （1 级精度最高） ， Z 轴为 2 5 级， 考虑到本设计的定位精度要求及其经济性， 选择 X 轴 Y 轴精度等级为 3 级， Z 轴为 4 级。 3.1.7 选择滚珠丝杆型号 计算得出计算得出 Ca=Car=17.3KN, 则 Coa=(23)Fm=（34.651.9）KN 公称直径 Ph=12mm 则选择 FFZD 型内循环浮动返向器，双螺母垫片预紧滚珠丝杆副，丝杆的型 号为 FFZD40103。 公称直径 d0=40mm 丝杆外径 d1=39.5mm 钢球直径 dw=7.144mm 丝 杆底径 d2=34.3mm 圈数=3 圈 Ca=30KN Coa=66.3KN 刚度 kc=973N/m 3.2 校核 滚珠丝杆副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压震动固有频率， 其扭转刚度影响扭转固有频率。承受轴向负荷的滚珠丝杆副的拉压系统刚度 KO 有丝杆本身的拉压刚度 KS，丝杆副内滚道的接触刚度 KC，轴承的接触刚度 Ka， 17 螺母座的刚度 Kn，按不同支撑组合方式计算而定。 3.2.1 临界压缩负荷验证 丝杆的支撑方式对丝杆的刚度影响很大，采用一端固定一端支撑的方式。临 界压缩负荷按下列计算： NFK L EIf Fcr max 2 0 2 1 1e= D 式中 E-材料的弹性模量 E钢=2.1X10 11（N/m2） LO-最大受压长度（m） K1-安全系数，取 K1=1.3 Fmax-最大轴向工作负荷（N） f1-丝杆支撑方式系数：f1=15.1 I=丝杆最小截面惯性距（m 4） 4 4 2 )2 . 1_( 6464 wo dddI DD = 式中 do-是丝杆公称直径（mm） dw-滚珠直径（mm） ， 丝杆螺纹不封闭长度 Lu=工作台最大行程+螺母长度+两端余量 Lu=300+148+20X2=488mm 支撑距离 LO应该大于丝杆螺纹部分长度 Lu，选取 LO=620mm 代入上式计算得出 Fca=5.8X10 8N 可见 FcaFmax，临界压缩负荷满足要求。 18 3.2.2 临界转速验证 滚珠丝杠副高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速 cr n ，要求丝 杠的最高转速： 2 2 2 30 K PA EI L f n C Z cr D = 式中：A-丝杆最小截面：A= 24-6-2 2 2 m10*9.210* 3 . 34 4 14 . 3 4 =d D 2 d -丝杠内径，单位mm； P-材料密度 p=7.85*10 3(Kg/m) c L-临界转速计算长度，单位为 mm ，本设计中该值为 c L=148/2+300+(620-488)/2=440mm 2 K -安全系数，可取 2 K =0.8 fZ-丝杠支承系数，双推-简支方式时取 18.9 经过计算，得出 cr n = 6.3*104 min/r ，该值大于丝杠临界转速，所以满足要 求。 3.2.3 丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率 丝杠系统的轴向拉压系统刚度 Ke的计算公式 LAEK LAEK s s / / max min = = 式中 A丝杠最小横截面， 22 2( ) 4 Admm =； 螺母座刚度 KH=1000N/m。 当导轨运动到两极位置时， 有最大和最小拉压刚度， 其中， L植分别为 750mm 和 100mm。 经计算得： min /1/12/1/1 sCHe KKKK+= 19 srad m W e B / k = 式中 Ke 滚珠丝杠副的拉压系统刚度(N/m)； KH螺母座的刚度(N/m)；KH=1000 N/m Kc丝杠副内滚道的接触刚度(N/m)； KS丝杠本身的拉压刚度(N/m)； KB轴承的接触刚度(N/m)。 经计算得丝杠的扭转振动的固有频率远大于 1500r/min，能满足要求。 3.3 电机的选择 步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行 元件。 每输入一个脉冲电机转轴步进一个距角增量。电机总的回转角与输入脉冲 数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲的频率。步进电机具有惯量低、定位精 度高、无累计误差、控制简单等优点，所以广泛用于机电一体化产品中。选择步 进电动机时首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率， 再者还要考虑 转动惯量、负载转矩和工作环境等因素。 3.3.1 电机轴的转动惯量 a、回转运动件的转动惯量 328 md 42 Ld JR = 上式中：d直径,丝杆外径 d=39.5mm L长度=1m P钢的密度=7800 2 kg/m 经计算得 2 m0.002kg= R J b、X 向直线运动件向丝杆折算的惯量 2 2 = P MJL 20 上式中：M质量 X 向直线运动件 M=160kg P丝杆螺距（m）P=0.001m 经计算得 2- 8 10*4.09mkgJL= c、联轴器的转动惯量 查表得 2 0004kg/ . 0 mJW= 因此 28 - m0.0028kg0004. 010*09. 4002. 0=+=+= WLR JJJJ 3.3.2 电机扭矩计算 a、折算至电机轴上的最大加速力矩 a t Jn T 60 2 max max = 上式中： min/1500 max rn= J=0.0028kg/m 2 ta加速时间 S K 3 ta= KS系统增量，取 15s -1,则 ta=0.2s 经计算得mNT=2 . 2 max b、折算至电机轴上的摩擦力矩 I P FT 2 0f = 上式中： F0导轨摩擦力， F0=Mf， 而f=摩擦系数为0.02， F0=Mgf=32N P丝杆螺距（m）P=0.001m 传动效率，=0.90 I传动比，I=1 经计算得mNTf=75 . 0 21 c、折算至电机轴上的由丝杆预紧引起的附加摩擦力矩 i2 )-1( 2 00 0 PP T= 上式中 P0滚珠丝杆预加载荷1500N 0滚珠丝杆未预紧时的传动效率为 0.9 经计算的 T0=0.05NM 则快速空载启动时所需的最大扭矩 mNTTTT f =+=82 . 2 0max 根据以上计算的扭矩及转动惯量，选择电机型号为 SIEMENS 的 IFT5066，其额 定转矩为 6.7N mg。 3.4 手动上下调节滚珠丝杠副设计与计算 初选丝杠材质：CrWMn 钢，HRC5860，导程：l0=5mm （1） 强度计算 丝杠轴向力：)( ,maxyxzyx WFfKFF+=(N) 其中：K=1.15，滚动导轨摩擦系数 f=0.0030005；在车床车削外圆时：Fx=(0.10.6)Fz， Fy=(0.150.7)Fz，可取 Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz计算。 取 f=0.004,400 Z F =则: max max X F0.50.5 20001000 0.60.6 20001200 1.15 10000.004(2000671.58)1045.686 1.15 12000.004(2000655.2)1252.621 Z YZ X Y FN FFN FN FN = = =+= =+= 寿命值： 6 10 60nT L =，其中丝杠转速 0 max l v n =(r/min) max 0 6 15000 2000 400 /min 5 60 400 15000 360 10 Th v nr l L = = = 22 最大动载荷：FffLQ WH 3 = 式中：fW为载荷系数，中等冲击时为 1.21.5；fH为硬度系数，HRC58 时为 1.0。 查表得中等冲击时1.2,1 WH ff=则: 3 3 360 1.2 1 1045.6867079.58 360 1.2 1 1252.62110686.54 X Y QN QN = = = = 根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠 的型号为: CM 系列滚珠丝杆副，其型号为：CM2005-5。 其基本参数如下: 其额定动载荷为 14205N y Q足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式采用双螺 母螺纹预紧形式. 滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表 名称 计算公式 结果 公称直径 0 d 20mm 螺距t mm 接触角 0 45 23 钢球直径 b d 4.175mm 螺纹滚道法向半径R 0.52 b Rd= 1.651mm 偏心距e (2)sin b eRd= 0.04489mm 螺纹升角 0 t arctg d = 0 4 33 螺杆外径d 0 (0.2 0.25) b ddd= 19.365mm 螺杆内径 1 d 10 22ddeR=+ 16.788mm 螺杆接触直径 2 d 20 cos b ddd= 17.755mm 螺母螺纹外径D 0 22DdeR=+ 24.212mm 螺母内径（外循环） 1 D 10 (0.2 0.255) b Ddd=+ 20.7mm （2） 传动效率计算 丝杠螺母副的传动效率为： )( + = tg tg 式中：=10，为摩擦角；为丝杠螺旋升角。 0 0 4 33 () (4 3310 ) 0.96 gg g g tt t t + + = （3） 稳定性验算 丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。 （4） 刚度验算 滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为： ES Fl l 0 1 = (cm) Y 向所受牵引力大,故用 Y 向参数计算 6 0 62 222 1.651 2 6 1251.82 0.5 1 20.6 102.14 1252.621 0.5 20.6 10 (/) 3.14()2.14 6.12 10 Y FN lcm EN CM SRCM LCM = = = = = = = 24 丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。导程变形总误差 为 0 64 100100 10.5 6.12 1012.24 1012.24 l Lum = = y Q 足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式 采用双螺母螺纹预紧形式. 滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表 名称 计算公式 结果 公称直径 0 d 20mm 螺距t mm 接触角 0 45 钢球直径 b d 3.175mm 螺纹滚道法向半径R 0.52 b Rd= 1.651mm 40 偏心距e (2)sin b eRd= 0.04489mm 螺纹升角 0 t arctg d = 0 4 33 螺杆外径d 0 (0.2 0.25) b ddd= 19.365mm 螺杆内径 1 d 10 22ddeR=+ 16.788mm 螺杆接触直径 2 d 20 cos b ddd= 17.755mm 螺母螺纹外径D 0 22DdeR=+ 23.212mm 螺母内径（外循环） 1 D 10 (0.2 0.255) b Ddd=+ 20.7mm （5） 传动效率计算 丝杠螺母副的传动效率为： )( + = tg tg 式中：=10，为摩擦角；为丝杠螺旋升角。 0 0 4 33 () (4 3310 ) 0.96 gg g g tt t t + + = （6） 稳定性验算 丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。 （7） 刚度验算 滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为： ES Fl l 0 1 =(cm) Y 向所受牵引力大,故用 Y 向参数计算 6 0 62 222 1.651 2 6 1251.82 0.5 1 20.6 102.14 1252.621 0.5 20.6 10 (/) 3.14()2.14 6.12 10 Y FN lcm EN CM SRCM LCM = = = = = = = 丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。导程变形总误差 为 0 64 100100 10.5 6.12 1012.24 1012.24 l Lum = = E 级精度丝杠允许的螺距误差 =15m/m。 41 5.3 步进电机惯性负载的计算 根据等效转动惯量的计算公式，有： （1）等效转动惯量的计算 折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为： 22 1 0123 2 () ()() 180 p q b z JJJJJM z =+ 式中： q J 为折算到电机轴上的惯性负载； 0 J 为步进电机轴的转动惯量； 1 J 为齿 轮的转动惯量； 2 J 为齿轮的转动惯量； 3 J 为滚珠丝杠的转动惯量；为移动部件的质量。 对钢材料的圆柱零件可以按照下式进行估算： 34 0.78 10JDL = 式中D为圆柱零件直径，L为圆柱零件的长度。 所以有： 3422 1 3422 2 3422 3 0.78 102.42.56.47 10. 0.78 105.03.0146.25 10. 0.78 102.03037.44 10. Jkg cm Jkg cm Jkg cm = = = 电机轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有： 22222 240.01 6.47 10() (146.2537.44) 10200()0.7793. 3.14 50 1.5 180 d Jkg cm =+= 4.2.6 步进电机的选用 (）步进电机启动力矩的计算 设步进电机的等效负载力矩为，负载力为，根据能量守恒原理，电机所 做的功与负载力所做的功有如下的关系： TPs = 式中为电机转角，为移动部件的相应位移，为机械传动的效率。若取 b = ，则 p ，且() sz PPGP=+。所以： 42 36() 2 psz b PGP T + = 式中： s P为移动部件负载（N） ，G 为移动部件质量（N） ， z P为与重力方向一致 的作用在移动部件上的负载力（N） ，为导轨摩擦系数， b 为步进电机的步距 角（rad）,T 为电机轴负载力矩（N.cm） 。 取=0.3（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数） ，.8， s P= H P =279.23。 考虑到重力影响，向电机负载较大，因此1200，所以有： 36 0.011251.82 0.03 (2000 1800) 2 3.14 1.5 0.8 65.25 .Tncm + = 考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩： 0.3 0.5 Q T T = 取系数为.，则： 65.25 163.12 . 0.4 q Tn cm= 对于工作方式为三相拍的步进电机： max 163.12 0.8660.866 188.36 . q T j Tncm= (） 步进电机的最高工作频率 max max 1000 1667 6060 0.01 p v f = 为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率 max f,同时电机最大静转 矩要足够大,查表选择两个 90BF001 型三相反应式步进电机. 电机有关参数如下: 型号 主要技术参数 相数 步距 角 电压 (V) 相