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自动摆盘机设计【全套7张CAD图纸+毕业论文】【原创资料】

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【最终】YC491-自动摆盘机设计

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丝杠-A3.dwg

大齿轮-A4.dwg

底座-A2.dwg

支架-A2.dwg

旋转臂-A3.dwg

滚筒-A3.dwg

自动摆盘机装配图-A0.dwg

图纸-CAXA

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摘要II

AbstractIII

第一章绪论1

1.1研究背景及意义1

1.2 摆盘机简介1

第二章总体方案设计2

2.1设计要求及分析2

2.2方案选择2

2.2.1传送机构方案2

2.2.2臂部升降机构方案2

2.2.3臂部摆动机构方案3

2.2.4总体方案确定4

2.3结构原理分析4

2.4总体参数选定5

第三章传送机构设计6

3.1电动机的选择6

3.1.1 扭矩的计算6

3.1.2 启动矩频特性校核7

3.2传送带的设计8

3.3滚筒的设计9

第四章臂部升降机构的设计10

4.1 电动机的选择10

4.1.1根据脉冲当量和最大静转矩初选电机型号10

4.1.2启动矩频特性校核11

4.2滚珠丝杆副的选型与校核11

4.2.1型号选择12

4.2.2校核计算13

4.3 导轨的选型与校核13

4.3.1导轨的选型13

4.3.2滑动导轨副的计算、选择14

4.4轴承及键的校核与寿命计算16

第五章臂部摆动机构的设计18

5.1电动机的选择18

5.1.1电机轴的转动惯量18

5.1.2电机扭矩计算19

5.2齿轮传动的设计20

5.2.1选精度等级、材料和齿数20

5.2.2按齿面接触疲劳强度设计20

5.2.3按齿根弯曲强度设计22

5.2.4几何尺寸计算23

5.3 旋转轴及轴上零件的设计与校核24

5.3.1尺寸与结构设计计算24

5.3.2强度校核计算25

5.3.3键的校核与寿命计算27

5.4摆臂设计27

5.5吸盘的选择27

总结29

参考文献30

致谢31

摘要

为了改善酒店、餐馆等餐饮服务行业的饮食服务质量，对厨具设备自动化的实现进行了研究。基于提高餐饮服务工作效率及环境卫生的前提下，设计了一种自动摆盘机，利用步进电动机带动手臂进行上下移动和水平垂直旋转，通过气压驱动机械手抓取和松放，能够实现全自动摆放各种型式和材料的盘子。本次设计的自动摆盘机由底座、传送机构、臂部升降机构、臂部摆动机构、吸盘等构成。

本次设计首先，通过对自动摆盘机结构及原理进行分析，在此分析基础上提出了总体结构方案；接着，对主要技术参数进行了计算选择；然后，对各主要零部件进行了设计与校核；最后，通过AutoCAD制图软件绘制了自动摆盘机装配图及主要零部件图。

通过本次设计，巩固了大学所学专业知识，如：机械原理、机械设计、材料力学、公差与互换性理论、机械制图等；掌握了普通机械产品的设计方法并能够熟练使用AutoCAD制图软件，对今后的工作于生活具有极大意义。

关键词：自动摆盘机，滚珠丝杠，齿轮，轴

Abstract

In order to improve the diet quality of service for hotels, restaurants and other food service industries, for kitchen equipment for automating studied. Based at improving the efficiency of food service and sanitation of the premise, we designed an automatic pendulum disk drive, stepping motor driven arm up and down movement, and horizontal and vertical rotation, by pressure-driven robot crawling and unclamp, can achieve automatic put dishes of various types and materials. The design of the automatic pendulum disk drive consists of a base, transfer mechanism, the arm lifting mechanism, the arm swing mechanism, sucker.

The design is first, through the automatic Wobble machine structure and principles for analysis, presented in this analysis, based on the overall structure of the program; then, the main technical parameters were calculated selection; then, for each of the main components were designed and check; and finally, through AutoCAD drawing software to draw an automatic pendulum disk drive assembly and main parts diagram in Fig.

Through this design, the consolidation of the university is the professional knowledge, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerances and interchangeability theory, mechanical drawing and the like; mastered the design of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD mapping software on the future work of great significance in life.

Keywords: Automatic pendulum disk drive, Ball screws, Gears, Shafts

第一章绪论

1.1研究背景及意义

随着社会经济的高速发展和人们生活水平的提高，越来越多的人选择在酒店、餐馆和会所等场合就餐。而餐饮服务质量在很大程度上决定了其在行业中的竞争力。

目前，大多数餐饮服务场所的食物搭配、烹饪加工、呈菜上桌等基本是人工操作来完成，这就需要餐饮企业雇佣大量人力，不仅成本过高，往往还伴随意外事故，因而，实现餐饮服务行业厨具设备的自动化，是解决上述问题、提高企业竞争力的良好途径。其中机械手是物流自动化的重要装备，它不仅提高劳动生产效率，还能代替人类完成高强度、高危险、重复枯燥的工作，减轻人的劳动强度［1］。

同时，由于餐用盘子具有表面光滑，外形规则，薄而轻等特点，易于实现自动抓取和码垛。本文旨在设计一套简易的自动摆盘设备，实现盘子的自动摆放，达到提高工作安全性、节省劳动力、降低生产成本的现实目标。

所以，对自动摆盘机的设计和研究，显得尤为重要也非常的有意义。

自动摆盘机装配图-A0.png

底座-A2.png

滚筒-A3.png

丝杠-A3.png

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内容简介：: 15 届毕业设计（论文）题目自动摆盘机设计学院机械工程学院专业机械设计及其自动化 _ 姓名冯云班级 11 机制 2w 指导教师刘浏起止日期 2014.11-2015.6 2015 年 5 月 15 日 nts I 目录摘要 . III Abstract . IV 第一章绪论 . 1 1.1 研究背景及意义 . 1 1.2 摆盘机简介 . 1 第二章总体方案设计 . 2 2.1 设计要求及分析 . 2 2.2 方案选择 . 2 2.2.1 传送机构方案 . 2 2.2.2 臂部升降机构方案 . 2 2.2.3 臂部摆动机构方案 . 3 2.2.4 总体方案确定 . 4 2.3 结构原理分析 . 4 2.4 总体参数选定 . 5 第三章传送机构设计 . 6 3.1 电动机的选择 . 6 3.1.1 扭矩的计算 . 6 3.1.2 启动矩频特性校核 . 7 3.2 传送带的设计 . 8 3.3 滚筒的设计 . 9 第四章臂部升降机构的设计 . 10 4.1 电动机的选择 . 10 4.1.1 根据脉冲当量和最大静转矩初选电机型号 . 10 4.1.2 启动矩频特性校核 . 11 4.2 滚珠丝杆副的选型与校核 . 11 4.2.1 型号选择 . 12 4.2.2 校核计算 . 13 4.3 导轨的选型与校核 . 13 nts II 4.3.1 导轨的选型 . 13 4.3.2 滑动导轨副的计算、选择 . 14 4.4 轴承及键的校核与寿命计算 . 16 第五章臂部摆动机构的设计 . 18 5.1 电动机的选择 . 18 5.1.1 电机轴的转动惯量 . 18 5.1.2 电机扭矩计算 . 19 5.2 齿轮传动的设计 . 20 5.2.1 选精度等级、材料和齿数 . 20 5.2.2 按齿面接触疲劳强度设计 . 20 5.2.3 按齿根弯曲强度设计 . 22 5.2.4 几何尺寸计算 . 23 5.3 旋转轴及轴上零件的设计与校核 . 24 5.3.1 尺寸与结构设计计算 . 24 5.3.2 强度校核计算 . 25 5.3.3 键的校核与寿命计算 . 27 5.4 摆臂设计 . 27 5.5 吸盘的选择 . 27 总结 . 29 参考文献 . 30 致谢 . 31 nts III 摘要为了改善酒店、餐馆等餐饮服务行业的饮食服务质量，对厨具设备自动化的实现进行了研究。基于提高餐饮服务工作效率及环境卫生的前提下，设计了一种自动摆盘机，利用步进电动机带动手臂进行上下移动和水平垂直旋转，通过气压驱动机械手抓取和松放，能够实现全自动摆放各种型式和材料的盘子。本次设计的自动摆盘机由底座、传送机构、臂部升降机构、臂部摆动机构、吸盘等构成。本次设计首先，通过对自动摆盘机结构及原理进行分析，在此分析基础上提出了总体结构方案；接着，对主要技术参数进行了计算选择；然后，对各主要零部件进行了设计与校核；最后，通过 AutoCAD 制图软件绘制了自动摆盘机装配图及主要零部件图。通过本次设计，巩固了大学所学专业知识，如：机械原理、机械设计、材料力学、公差与互换性理论、机械制图等；掌握了普通机械产品的设计方法并能够熟练使用AutoCAD 制图软件，对今后的工作于生活具有极大意义。关键词：自动摆盘机，滚珠丝杠，齿轮，轴 nts IV Abstract In order to improve the diet quality of service for hotels, restaurants and other food service industries, for kitchen equipment for automating studied. Based at improving the efficiency of food service and sanitation of the premise, we designed an automatic pendulum disk drive, stepping motor driven arm up and down movement, and horizontal and vertical rotation, by pressure-driven robot crawling and unclamp, can achieve automatic put dishes of various types and materials. The design of the automatic pendulum disk drive consists of a base, transfer mechanism, the arm lifting mechanism, the arm swing mechanism, sucker. The design is first, through the automatic Wobble machine structure and principles for analysis, presented in this analysis, based on the overall structure of the program; then, the main technical parameters were calculated selection; then, for each of the main components were designed and check; and finally, through AutoCAD drawing software to draw an automatic pendulum disk drive assembly and main parts diagram in Fig. Through this design, the consolidation of the university is the professional knowledge, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerances and interchangeability theory, mechanical drawing and the like; mastered the design of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD mapping software on the future work of great significance in life. Keywords: Automatic pendulum disk drive, Ball screws, Gears, Shafts nts 1 第一章绪论 1.1 研究背景及意义随着社会经济的高速发展和人们生活水平的提高，越来越多的人选择在酒店、餐馆和会所等场合就餐。而餐饮服务质量在很大程度上决定了其在行业中的竞争力。目前，大多数餐饮服务场所的食物搭配、烹饪加工、呈菜上桌等基本是人工操作来完成，这就需要餐饮企业雇佣大量人力，不仅成本过高，往往还伴随意外事故，因而，实现餐饮服务行业厨具设备的自动化，是解决上述问题、提高企业竞争力的良好途径。其中机械手是物流自动化的重要装备，它不仅提高劳动生产效率，还能代替人类完成高强度、高危险、重复枯燥的工作，减轻人的劳动强度 1。同时，由于餐用盘子具有表面光滑，外形规则，薄而轻等特点，易于实现自动抓取和码垛。本文旨在设计一套简易的自动摆盘设备，实现盘子的自动摆放，达到提高工作安全性、节省劳动力、降低生产成本的现实目标。所以，对自动摆盘机的设计和研究，显得尤为重要也非常的有意义。 1.2 摆盘机简介自动摆盘机是用于餐用盘子清洗后的整理并叠成堆，便于下到工序是用那个。摆盘机利用步进电动机带动手臂进行上下移动和水平垂直旋转，通过气压驱动机械手抓取和松放，能够实现全自动摆放各种型式和材料的盘子自动摆盘机由底座、传送机构、臂部升降机构、臂部摆动机构、吸盘等构成。 nts 2 第二章总体方案设计 2.1 设计要求及分析该自动摆盘机的主要功能是以一定的节拍连续将盘子放置在传送带上，经传送带送到一定的位置，以供使用，使用后在传送带的末端被取出。系统要求如下：（ 1）系统运行安全可靠，便于系统检测和故障维修；（ 2）能够实现连续的自运行，噪声小，运行稳定，减少人工的干预；（ 3）具有较好的定位精度，重复定位误差控制在较小范围；（ 4）具有故障预防机制，避免发生碰撞等不良事故；（ 5）设备操作简单，结构合理，外形美观，绿色环保。 2.2 方案选择 2.2.1 传送机构方案由于盘子重量不大，并且对传送的精度要求不高，所以采用平带传送带进行传送即可满足要求，结构如下图示：图 2-1 传送机构方案 2.2.2 臂部升降机构方案升降机构通常有采用液压缸的液压式、采用气缸的气动式，也有采用丝杠 /螺纹传动的机械式。但是通常液压式、和气动式需要比较庞大的液压 /气动系统来提供动力源，并且液压式对工作环境污染较严重，而气动式则冲击较大，均不适合用于本次摆盘机的臂部升降机构。因此本次采用丝杠 /螺纹传动的机械式降机构，为了提高工作效率本次采用滚珠丝杠副作为升降机构，其结构如下图示： nts 3 图 2-2 臂部升降机构方案 2.2.3 臂部摆动机构方案摆动机构，通常可以通过齿轮传动、四杆机构（曲柄摇杆机构）等实现，但是为了保证摆动机构的稳定性以及减小机构尺寸确保机构的紧凑性，本次采用齿轮传动，结构如下图示：图 2-3 臂部摆动机构方案 nts 4 2.2.4 总体方案确定总体设计简图及说明：图 2-4 自动摆盘机总体方案自动摆盘机是由传送带、底座、线性模组、机械手等机械装置组成。线性模组固定在底座上，步进电机 1 带动手臂做往复摆动，步进电机连接滚珠丝杠做升降运动，传送带按固定节拍把盘子送到指定位置。 2.3 结构原理分析该自动摆盘机主要由机械手、线型模组、底座、输送带等各种机械设备组成。线型模组固定在底座上，步进电动机带动滚珠丝杠实现手臂的上下移动，步进电动机 1 带动手臂实现往复摆动，工作流程如图 2 所示 4。传送带将吸盘摆放的盘子以预定节拍送进，当第一个盘码堆的盘子取完时，由步进电动机 12 带动齿轮副将第二个盘码堆移至第一个盘码堆的位置，继续摆盘。 nts 5 图 2-5 自动摆盘机循环工作流程 2.4 总体参数选定以普通陶瓷盘子为例，选取参数如下：盘子口径大约为 190mm，高约为 20mm，厚度约为 5mm，质量约为 M=0.5kg。 nts 6 第三章传送机构设计 3.1 电动机的选择伺服电动机又称为脉冲电动机，是一种把电脉冲信号转换成与脉冲数成正比的角位移或直线位移的执行元件。具有以下四个特点：转速（或线速度）与脉冲频率成正比；在负载能力允许的范围内，不因电源电压、负载、环境条件的波动而变化；速度可调，能够快速启动、制动和反转；定位精度高、同步运行特性好。自动摆盘机的动力系统要求电动机定位精度高，速度调节方便快速，受环境影响小，且颌定功率小，并且可用于开环系统。而 BF 系列伺服电动机为反应式伺服电动机，具备以上的所有条件，我们选用的型号 90BF004 的电动机作为主运动的动力源。选用时主要有以下几个步骤： 3.1.1 扭矩的计算伺服电机最大静转矩 maxjM 是指电机的定位转矩。伺服电机的名义启动转矩 mpM 与最大静转矩 maxjM 的关系是； m axjmp MM 伺服电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。伺服电机所需空载启动力矩按下式计算： 0MMMM kfkakq 式中： kqM 空载启动力矩； kaM 空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度折算到电机轴上的加速力矩； kfM 空载时折算到电机轴上的摩擦力矩； 0M 由于丝杆预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩；而且初选电机型号时，应满足伺服电动机所需空载启动力矩小于伺服电动机名义启动转矩，即： m a xjmpkq MMM nts 7 计算 kqM 的各项力矩如下：加速力矩 J = 22521 /108.1 iMRJJ =1.8 10 55 108.8 = 25106.10 mKg mrvn p b 4000360005.0 5.14800360m a xm a x 2112m a x 101060 40002)108.1106.10(10602 tnJM kq=0.519N/m 空载摩擦力矩 48.02427.096.132 0 iLGfMkf=0.6 mN 附加摩擦力矩 )1(2 2000 iLFM YJ = )92.01(48.02 440 2 = mN 222.1 0MMMM kfkakq =0.519+0.6+1.222=2.341 mN m axjmq MM =0.951 25=23.775 mN 3.1.2 启动矩频特性校核伺服电机有三种工况：启动、快速进给运动、工进运行。前面提出的 m a xjmqkq MMM ，仅仅是指初选电机后检查电机最大静转矩是否满足要求，但是不能保证电机启动时不丢步。因此，还要对启动矩频特性进行校核。伺服电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动时加速力矩很大，启动时丢步是不可避免的。因此很少见。而升速启动过程中只要升速时间足够长，启动过程缓慢，空载力矩 kqM 中的加速力矩 kaM 不会很大。nts 8 一般不会发生丢步现象。 3.2 传送带的设计本设计为了实现自动化，节省人力、物力和提高效率，在盘子输送方面拟采用带传动。在实际工作环境下有平带传动、齿形带和同步带等形式。齿形带在传送有几何规则轮廓的零件时有很大的优势，而且当带高速运动时，采用齿形带能够较好的定位所传送的零件保证零件不会在带上移动，齿形带不是标准件，一般需要在平带上自己安装齿形，制造不方便；同步带传动，属于啮合传动，高速、高精度，适合在高精度仪器装置中使用，带比较薄，比较轻，同步带一般采用伺服电机驱动。平带传动具有如下的特点：（ 1）结构简单，传动平稳，具有过载保护的作用（ 2）有缓冲吸震的作用（ 3）运动平稳无噪声（ 4）适用于远距离传输（ Smax=15m）（ 5）制造、安装精度要求不高虽然平带传动由于带的弹性形变会传动比不稳定；张紧力和轴向力较大；轴向尺寸较大比、不易安装等缺点，但是考虑到在本方案的设计中带传动的作用是实现 PCB板的传送，不需要在带上实现板的定位，因此，在此方案中可以采用平带装置。在装置中采用伺服电机控制可以实现带的及时启停。传送皮带（尺寸 600 200mm）的示意图如图 3.3 所示。根据设计要求：盘子需从较远距离传送过来，传送盘子用传送带，使盘子能自动往前运输，因此本次采用平带传动传送盘子结构方案如下图：虽然平带传动由于带的弹性形变会传动比不稳定；张紧力和轴向力较大；轴向尺寸较大比、不易安装等缺点，但是考虑到在本方案的设计中带传动的作用是实现盘子的传送，不需要在带上实现盘子的定位，因此，在此方案中可以采用平带装置。在装置中采用伺服电机控制可以实现带的及时启停。 nts 9 图 3.3 平带传动示意图 3.3 滚筒的设计滚筒采用灰铁铸造后机加工成型，滚筒结构尺寸如图 3.4 所示：图 3.4 滚筒 nts 10 第四章臂部升降机构的设计 4.1 电动机的选择步进电动机又称为脉冲电动机，是一种把电脉冲信号转换成与脉冲数成正比的角位移或直线位移的执行元件。具有以下四个特点：转速（或线速度）与脉冲频率成正比；在负载能力允许的范围内，不因电源电压、负载、环境条件的波动而变化；速度可调，能够快速起动、制动和反转；定位精度高、同步运行特性好。摆盘机臂部升降机构要求电动机电位精度高，速度调节方便快速，受环境影响小，且额定功率小，并且可用于开环系统。而 BF 系列步进电动机为反应式步进电动机，具备以上的所有条件，我们选用了型号 90BF004 的反应式步进电动机作为主运动的动力源，该机功率为 0.42KW。选用时主要有以下几个步骤： 4.1.1 根据脉冲当量和最大静转矩初选电机型号 (1)步距角初选步进电机型号，并从手册中查到步距角 b ,由于 pbiL 3600 综合考虑，我初选了 4,5.1 0 ib ，可满足以上公式。 (2)距频特性步进电机最大静转矩 Mjmax 是指电机的定位转矩。步进电机的名义启动转矩 Mmq与最大静转矩 Mjmax 的关系是： Mmq= maxMj 步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩按下式计算： 0MM k fM k aM k q 式中： Mkq 为空载启动力矩； Mka 为空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度折算到电机轴上的加速力矩； Mkf 为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩； 0M 为由于丝杆预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩。而且初选电机型号时应满足步进电动机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动nts 11 转矩，即： Mkq Mmq=Mjmax 计算 Mkq 的各项力矩如下：加速力矩 255522521 106.10108.8108.1/108.1 mKgiMRJJJ mrvnpb /4000360005.0 5.14800360m a xm a x mNtnJM k a 519.0101060 40002)108.1106.10(10602 2112m a x 空载摩擦力矩 mNiLGfM kf 6.048.02 427.096.132 0 附加摩擦力矩 mNiLFM YJ 2 2 2.1)92.01(48.02 440)1(2 22000 mqkqjmqkfkakqMMmNMMmNMMMM7 7 5.23259 5 1.03 4 1.22 2 2.16.05 1 9.0m a x0 4.1.2 启动矩频特性校核步进电机有三种工况：启动，快速进给运行，工进运行。前面提出的 kqM maxjmq MM ，仅仅是指初选电机后检查电机最大静转矩是否满足要求，但是不能保证电机启动时不丢步。因此，还要对启动矩频特性进行校核。步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动时加速力矩很大，启动时丢步是不可避免的。因此很少用。而升速启动过程中只要升速时间足够长，启动过程缓慢，空载启动力矩 kqM 中的加速力矩 kaM 不会很大。一般不会发生丢步现象。 4.2 滚珠丝杆副的选型与校核滚珠丝杆已由专门工厂制造，因此，不用我们自己设计制造，只要根据使用工况选nts 12 择某种类型的结构，再根据载荷、转速等条件选定合适的尺寸型号并向有关厂家订购。此次设计中滚珠丝杆被三次选用，故本人只选取其中最重要的主轴传动中的滚珠丝杆加于设计和校核。其步骤如下：首先对于一些参数说明如下：轴向变载荷 )(NFi ，其中 i 表示第 i 个工作载荷， i=1、 2、 3 n ；第 i 个载荷对应的转速 in (r/min); 第 i 个载荷对应的工作时间 it (h) ; 丝杆副最大移动速度 maxv (mm/min); 丝杆预期寿命 )(hLb 。 4.2.1 型号选择（ 1）根据使用和结构要求选择滚道截面形状，滚珠螺母的循环方式和预紧方式；（ 2）计算滚珠丝杆副的主要参数根据使用工作条件，查得载荷系数 df =1.0 系数 js =1.5；计算当量转速 dn m i n/2 0 0 02/)( m i nm a x rnnn d 计算当量载荷 dF NFFF m avd 2 3 3 33/)2( m in 初步确定导程 hP mmnVP h 5.24 0 0 0/1 0 0 0 0/ m a xm a x hP 取 4mm 计算丝杆预期工作转速 nL 12000060 dn nL 计算丝杆所需的额定载荷 aC nts 13 NLFfC ndda1 1 5 11 2 0 0 0 0102 3 3 3110312312 （ 3）选择丝杆型号根据初定的 hP 和计算的 aC ，选取导程为 4mm，额定载荷大于 aC 的丝杆。所选丝杆型号为 CDM2004-2.5。其为外循环双管式、双螺母垫片预紧、导珠管埋入式系列滚珠丝杆。 4.2.2 校核计算（ 1）临界转速校核 4 7 7 68.04 0 0 0m i n/5 9 7 0630 20142.310121012m a x22623216cccnnrl dn而最大工作转速校核合格。（ 2）由于此丝杆是竖直放置，且其受力较小，温度变化较小。所以其稳定性、温度变形等在此也没必要校核。（ 3）滚珠丝杆的预紧预紧力 )( pF 一般取当量载荷的三分之一或额定动载荷的十分之一。即： NFF dp 77831 其相应的预紧转矩 mNPFT hpp 16.010)85.01(85.02 47 7 810)1(2 3232 4.3 导轨的选型与校核 4.3.1 导轨的选型导轨主要分为滚动导轨和滑动导轨两种，直线滚动导轨在数控机床中有广泛的应用。相对普通机床所用的滑动导轨而言，它有以下几方面的优点：定位精度高直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的 1/50。由于动摩擦与静摩擦系数相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少 90%，因此，可将机床定位精度设定到超微米级。降低机床造价并大幅度节约电力 nts 14 采用直线滚动导轨的机床由于摩擦阻力小，特别适用于反复进行起动、停止的往复运动，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，减轻了重量，使机床所需电力降低90%，具有大幅度节能的效果。可提高机床的运动速度直线滚动导轨由于摩擦阻力小，因此发热少，可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率 20 30%。可长期维持机床的高精度对于滑动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动，产生的运动精度的误差是无法避免的。在绝大多数情况下，流体润滑只限于边界区域，由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的，在这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗被浪费掉了。与之相反，滚动接触由于摩擦耗能小滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使直线滚动导轨系统长期处于高精度状态。同时，由于使用润滑油也很少，大多数情况下只需脂润滑就足够了，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易了。所以在结构上选用：开式直线滚动导轨。参照南京工艺装备厂的产品系列。 4.3.2 滑动导轨副的计算、选择根据给定的工作载荷 Fz 和估算的 Wx 和 Wy 计算导轨的静安全系数 fSL=C0/P，式中： C0 为导轨的基本静额定载荷， kN；工作载荷 P=0.5(Fz+W)； fSL=1.03.0(一般运行状况 )， 3.05.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨：因系统受中等冲击 ,因此取 4.0sLf ,0 . 5 ( )O S L X YX Y Z X YC f PP F Wx Z XY Z YO X S L XO Y S L YP = 0 . 5 ( F + W ) = 0 . 5 ( 2 0 0 0 + 6 7 1 . 5 8 ) = 1 3 3 5 . 7 9 NP = 0 . 5 ( F + W ) = 0 . 5 ( 2 0 0 0 + 6 5 5 . 2 ) = 1 3 2 7 . 6 NC = f P = 4 1 3 3 5 . 7 9 = 5 3 4 3 . 1 6 NC = f P = 4 1 3 2 7 . 6 = 5 3 1 0 . 4 N根据计算额定静载荷初选导轨 : 选择汉江机床厂 BGX 系列滚动直线导轨 ,其型号为 : BGXH25BE 基本结构及参数如下 : nts 15 导轨的额定动载荷 17500aC N 依据使用速度 v（ m/min）和初选导轨的基本动额定载荷 aC (kN)验算导轨的工作寿命 Ln：额定行程长度寿命 : ()H T C aWf f f CS fFTK 20004 500MFMF 1 , 2 , 0 . 8 1 , 1 ,50oT W C HRdf f f fK 331 1 0 . 8 1 1 7 5 0 02 5 0 0( ) 5 0 ( ) 1 4 2 4 0 9 . 5 8H T C aWf f f CS fFT K k m 导轨的额定工作时间寿命 : nts 16 3102S oTH lnT3 31021 4 2 4 0 9 . 5 8 1 0 4 9 4 4 7 7 1 5 0 0 02 0 . 6 4 6 0SoTH lnT h T h 导轨的工作寿命足够 . 导轨的静安全系数： 0 4 . 2 1 . 1 63 . 6SL Cf P SLf：静安全系数；0C：基本静额定负载； P ：工作载荷导轨寿命计算： 3( ) 5 0 7 4 8htwcf f CL K m K mfP 4.4 轴承及键的校核与寿命计算（ 1）轴承 1） .按承载较大的滚动轴承选择其型号，因支承跨距不大，故采用两端固定式轴承组合方式。轴承类型选为深沟球轴承，轴承的预期寿命取为： Lh 29200h 由上面的计算结果有轴承受的径向力为 Fr1=340.43N，轴向力为 Fa1=159.90N， 2）初步选择深沟球轴承 6202，其基本额定动载荷为 Cr=51.8KN，基本额定静载荷为 C0r=63.8KN。 3）径向当量动载荷 NFFF NVNHr 43.3406.1871.543 2221211 NFFF NVNHr 8.20552.6711.1943 2222222 nts 17 动载荷为 arr YFFP 4.0 ，查得 6.1Y ，则有 NP r 012.39290.1596.143.3404.0 由 a 式 13-5 得 hrrh LPCnL 104.53012.3925180057660106010 631066 满足要求。（ 2）键 1）选择键联接的类型和尺寸小带轮处选用单圆头平键，尺寸为 mmmmmmlhb 1866 2)校核键联接的强度键、轴材料都是钢，由机械设计查得键联接的许用挤压力为 MPaP 120 键的工作长度 mmbll 33263621 PP M P adlkT 5.82213365.0 5087021021311，合适 nts 18 第五章臂部摆动机构的设计 5.1 电动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。 5.1.1 电机轴的转动惯量 a、旋转轴的转动惯量 328md42 LdJR 上式中： d 直径 ,旋转外径 d=8mm L 长度 =30mm P 钢的密度 =7800 2kg/m 经计算得 2m0.002kg RJ b、齿轮的转动的惯量 328md42 LdJL 上式中： d 直径 ,齿轮外径 d=30mm L 长度 =14mm P 钢的密度 =7800 2kg/m 经计算得 2m0.002kg RJ 2-810*4.09 mkgJ L c、联轴器的转动惯量查表得 20004kg /.0 mJ W nts 19 因此 28- m0 . 0 0 2 8 k g0 0 0 4.010*09.40 0 2.0 WLR JJJJ5.1.2 电机扭矩计算 a、折算至电机轴上的最大加速力矩 atJnT602 m axm ax 上式中： min/1500m a x rn J=0.0028kg/m2 ta 加速时间 SK3ta KS 系统增量，取 15s-1,则 ta=0.2s 经计算得 mNT 2.2m ax b、折算至电机轴上的摩擦力矩 IPFT 20f 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 mNT f 75.0 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(2000 PPT 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 82.20m a x 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.m。 nts 20 5.2 齿轮传动的设计前述算得 mNT 7.62 ，步进电机工作转速能在较大范围变化本次计算取min/7102 rn ，传动比 22 i 5.2.1 选精度等级、材料和齿数采用 7 级精度由表 6.1 选择小齿轮材料为 40Cr（调质），硬度为 280HBS，大齿轮材料为 45 钢（调质），硬度为 240HBS。选小齿轮齿数 1

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