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1515 届毕业设计（论文）开题报告届毕业设计（论文）开题报告题 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 年 月 日毕业设计（论文）开题报告毕业设计（论文）开题报告1、课题的目的、意义课题的目的、意义伴随社会经济的快速发展和人们生活水平的提高，越来越多的人选择在酒店、餐馆或者是会所等场合就餐。而餐饮服务质量在很大程度上决定了其行业中的竞争力、目前，大多数餐饮服务场所的食物搭配、烹饪加工、呈菜上桌等基本是老公操作来完成，这就需要餐饮企业雇佣大量人力，不仅成本太高，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，其不仅提高劳动生产效率，还能够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。同时，由于餐用盘子具有表面光滑、外形规则、薄而轻等特点，易于实现自动的抓取。因此，自动摆盘设备能够实现盘子的自动摆放，达到提高安全性，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。二、二、主要设计内容设计自动摆盘的设计，具体进行总体设计及传动系统设计。主要内容有：1、自动摆盘机方案的设计；(1)确定基本的工作要求；(2)完成整体机构的设计与计算。2、自动摆盘机主要机构的设计(1)托盘座的设计与计算；(2)机械手爪的设计与计算。3、绘制总装配图。4、绘制相关零部件图；3、设计方案 总体设计简图及说明：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。在进行自动摆盘机的设计之前，我实现对其发展的现状、构造及应用有了足够的了解。在此基础上我依据老师给定的设计任务书完成了开题报告的撰写以相应的市场调研等工作。接下来对总体方案进行设计、分析和确定，对总体方案中的主要零部件进行详细的设计、分析及校核。利用 AUTOCAD 二维软件绘制总装配图。编制设计说明书一份。四、预期成果设计的预期效果是：本次所设计的自动摆盘机，结构简单，操作简便、清洁卫生、对餐盘使用量比较大的餐饮企业而言，能够很好的实现厨房餐盘的自动摆放，具有良好的经济效益等等。五、进度安排2014/11-2014/12：了解毕业设计课题，提出初步设计方案，完成开题报告；2015/01-2015/05：按照毕业设计任务书要求，完成毕业设计图纸及说明书；2015/06：按照学院安排，毕业答辩。六、主要参考文献1 赵春海，朱华炳等. 基于单片机控制的自动摆盘机设计. 机械工程师，2013（12）：113-114.2 成大先. 机械设计手册第 1 卷（第 5 版）M. 北京：化学工业出版社，2008. 3 成大先. 机械设计手册第 2 卷（第 5 版）M. 北京：化学工业出版社，2008. 4 成大先. 机械设计手册第 3 卷（第 5 版）M. 北京：化学工业出版社，2008.5 成大先. 机械设计手册第 4 卷（第 5 版）M. 北京：化学工业出版社，2008.6 成大先. 机械设计手册第 5 卷（第 5 版）M. 北京：化学工业出版社，2008.7 谭建荣，张树有，陆国栋，施岳定主编.图学基础教程M. 高等教育出版社 20128 邓星钟主编.机电传动控制M.第三版，华中科技大学出版社 20129 严霖元主编.机械制造基础M.中国农业大学 201310 郑文纬，吴克坚主编.机械原理M.高等教育出版社 2013 11 刘一星，王逢瑚主编.木质建材手册M.化学工业出版社 201312 孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理.北京：高等教育出版社，2006：58105.13 濮良贵.机械设计.北京：高等教育出版社，2010：112158.14 范思冲.画法几何及机械制图. 北京：机械工业出版社，1995：312.15 李益民.机械制造工艺设计简明手册.北京：机械工业出版社，2004：86124.16 陈铁鸣.机械设计课程设计图册.北京：高等教育出版社，2009：114143.17 吴宗泽.机械设计课程设计手册 .北京：清华大学出版社，2010：167275.18 工业机械手编写组.工业机械手.上海：上海科学技术出版社，1985.19 王承义.机械手及其应用M.北京：机械工业出版社，1981：105-125 15 届毕业设计（论文）开题报告题 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 年 月 日毕业设计（论文）开题报告课题的目的、意义伴随社会经济的快速发展和人们生活水平的提高，越来越多的人选择在酒店、餐馆或者是会所等场合就餐。而餐饮服务质量在很大程度上决定了其行业中的竞争力、目前，大多数餐饮服务场所的食物搭配、烹饪加工、呈菜上桌等基本是老公操作来完成，这就需要餐饮企业雇佣大量人力，不仅成本太高，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，其不仅提高劳动生产效率，还能够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。同时，由于餐用盘子具有表面光滑、外形规则、薄而轻等特点，易于实现自动的抓取。因此，自动摆盘设备能够实现盘子的自动摆放，达到提高安全性，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。二、主要设计内容设计自动摆盘的设计，具体进行总体设计及传动系统设计。主要内容有：1、自动摆盘机方案的设计；(1)确定基本的工作要求；(2)完成整体机构的设计与计算。2、自动摆盘机主要机构的设计(1)托盘座的设计与计算；(2)机械手爪的设计与计算。3、绘制总装配图。4、绘制相关零部件图；设计方案 总体设计简图及说明：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。在进行自动摆盘机的设计之前，我实现对其发展的现状、构造及应用有了足够的了解。在此基础上我依据老师给定的设计任务书完成了开题报告的撰写以相应的市场调研等工作。接下来对总体方案进行设计、分析和确定，对总体方案中的主要零部件进行详细的设计、分析及校核。利用AUTOCAD二维软件绘制总装配图。编制设计说明书一份。四、预期成果设计的预期效果是：本次所设计的自动摆盘机，结构简单，操作简便、清洁卫生、对餐盘使用量比较大的餐饮企业而言，能够很好的实现厨房餐盘的自动摆放，具有良好的经济效益等等。五、进度安排2014/11-2014/12：了解毕业设计课题，提出初步设计方案，完成开题报告；2015/01-2015/05：按照毕业设计任务书要求，完成毕业设计图纸及说明书；2015/06：按照学院安排，毕业答辩。六、主要参考文献1 赵春海，朱华炳等. 基于单片机控制的自动摆盘机设计. 机械工程师，2013（12）：113-114.2 成大先. 机械设计手册第1卷（第5版）M. 北京：化学工业出版社，2008. 3 成大先. 机械设计手册第2卷（第5版）M. 北京：化学工业出版社，2008. 4 成大先. 机械设计手册第3卷（第5版）M. 北京：化学工业出版社，2008.5 成大先. 机械设计手册第4卷（第5版）M. 北京：化学工业出版社，2008.6 成大先. 机械设计手册第5卷（第5版）M. 北京：化学工业出版社，2008.7 谭建荣，张树有，陆国栋，施岳定主编.图学基础教程M. 高等教育出版社 20128 邓星钟主编.机电传动控制M.第三版，华中科技大学出版社 20129 严霖元主编.机械制造基础M.中国农业大学 201310 郑文纬，吴克坚主编.机械原理M.高等教育出版社 2013 11 刘一星，王逢瑚主编.木质建材手册M.化学工业出版社 201312 孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理.北京：高等教育出版社，2006：58105.13 濮良贵.机械设计.北京：高等教育出版社，2010：112158.14 范思冲.画法几何及机械制图. 北京：机械工业出版社，1995：312.15 李益民.机械制造工艺设计简明手册.北京：机械工业出版社，2004：86124.16 陈铁鸣.机械设计课程设计图册.北京：高等教育出版社，2009：114143.17 吴宗泽.机械设计课程设计手册 .北京：清华大学出版社，2010：167275.18 工业机械手编写组.工业机械手.上海：上海科学技术出版社，1985.19 王承义.机械手及其应用M.北京：机械工业出版社，1981：105-125 1515 届毕业设计（论文）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I目 录摘 要.IIAbstract.III第一章 绪论.11.1 研究背景及意义.11.2 摆盘机简介.1第二章 总体方案设计.22.1 设计要求及分析.22.2 方案选择.22.2.1 传送机构方案.22.2.2 臂部升降机构方案.22.2.3 臂部摆动机构方案.32.2.4 总体方案确定.42.3 结构原理分析.42.4 总体参数选定.5第三章 传送机构设计.63.1 电动机的选择.63.1.1 扭矩的计算.63.1.2 启动矩频特性校核.73.2 传送带的设计.83.3 滚筒的设计.9第四章 臂部升降机构的设计.104.1 电动机的选择.104.1.1 根据脉冲当量和最大静转矩初选电机型号.104.1.2 启动矩频特性校核.114.2 滚珠丝杆副的选型与校核.114.2.1 型号选择.124.2.2 校核计算.134.3 导轨的选型与校核.13II4.3.1 导轨的选型.134.3.2 滑动导轨副的计算、选择.144.4 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.185.1 电动机的选择.185.1.1 电机轴的转动惯量.185.1.2 电机扭矩计算.195.2 齿轮传动的设计.205.2.1 选精度等级、材料和齿数.205.2.2 按齿面接触疲劳强度设计.205.2.3 按齿根弯曲强度设计.225.2.4 几何尺寸计算.235.3 旋转轴及轴上零件的设计与校核.245.3.1 尺寸与结构设计计算.245.3.2 强度校核计算.255.3.3 键的校核与寿命计算.275.4 摆臂设计.275.5 吸盘的选择.27总 结.29参考文献.30致 谢.31III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：关键词：自动摆盘机，滚珠丝杠，齿轮，轴IV AbstractIn 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, Shafts1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。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：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42.2.4 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。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。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是指电机的定位转矩。伺服电机的名义启动转矩maxjM与最大静转矩的关系是；mpMmaxjM maxjmpMM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： 0MMMMkfkakq式中： 空载启动力矩；kqM 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kaM加速力矩； 空载时折算到电机轴上的摩擦力矩；kfM 由于丝杆预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩；0M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： maxjmpkqMMM7计算的各项力矩如下：kqM加速力矩 =J22521/108 . 1iMRJJ =1.81055108 . 8 =25106 .10mKg mrvnpb4000360005. 05 . 14800360maxmax 2112max10106040002)108 . 1106 .10(10602tnJMkq=0.519N/m空载摩擦力矩 =0.648 . 02427. 096.1320iLGfMkfmN 附加摩擦力矩 )1 (22000iLFMYJ =)92. 01 (48 . 024402mN 222. 1 0MMMMkfkakq =0.519+0.6+1.222=2.341mN =0.95125=23.775maxjmqMMmN 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，仅仅是指初选电机后检查电机最大静转矩是否maxjmqkqMMM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8过程中只要升速时间足够长，启动过程缓慢，空载力矩中的加速力矩不会很kqMkaM大。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 600200mm）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。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,由于bpbiL3600综合考虑，我初选了，可满足以上公式。4,5 . 10ib(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：0MMkfMkaMkq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；为由0M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11转矩，即：MkqMmq=Mjmax计算 Mkq 的各项力矩如下：加速力矩255522521106 .10108 . 8108 . 1/108 . 1mKgiMRJJJmrvnpb/4000360005. 05 . 14800360maxmaxmNtnJMka519. 010106040002)108 . 1106 .10(106022112max空载摩擦力矩mNiLGfMkf6 . 048 . 02427. 096.1320附加摩擦力矩mNiLFMYJ222. 1)92. 01 (48 . 02440)1 (222000mqkqjmqkfkakqMMmNMMmNMMMM775.2325951. 0341. 2222. 16 . 0519. 0max04.1.2 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，仅仅是指初选电机后检查电机最大静转矩是否满kqMmaxjmqMM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，空载启动力矩中的加速力矩不kqMkaM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12选择某种类型的结构，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，其中 i 表示第 i 个工作载荷，i=1、2、3n ；)(NFi第 i 个载荷对应的转速(r/min);in第 i 个载荷对应的工作时间 (h) ;it丝杆副最大移动速度(mm/min);maxv丝杆预期寿命。)(hLb4.2.1 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=1.0 系数=1.5；dfjs 计算当量转速dn min/20002/ )(minmaxrnnnd 计算当量载荷dF NFFFmavd23333/ )2(min 初步确定导程hP mmnVPh5 . 24000/10000/maxmax取 4mmhP计算丝杆预期工作转速nL12000060dnnL计算丝杆所需的额定载荷aC13NLFfCndda1151120000102333110312312（3）选择丝杆型号根据初定的和计算的，选取导程为 4mm，额定载荷大于的丝杆。所选丝hPaCaC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47768 . 04000min/597063020142. 310121012max22623216cccnnrldn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一般取当量载荷的三分之一或额定动载荷的十分之一。即：)(pFNFFdp77831其相应的预紧转矩mNPFThpp16. 010)85. 01 (85. 02477810)1 (232324.3 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。14降低机床造价并大幅度节约电力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 2030%。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()OSLX YX YZX YCf PPFWxZXYZYOXSLXOYSLYP =0.5(F +W )=0.5(2000+671.58)=1335.79NP =0.5(F +W )=0.5(2000+655.2)=1327.6NC=f P =4 1335.79=5343.16NC=f P =4 1327.6=5310.4N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:15导轨的额定动载荷N17500aC 依据使用速度 v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷 (kN)验算导轨的工作寿aC命 Ln：额定行程长度寿命: ()HTCaWff fCSfFTK20004500MFMF 1,2,0.81,1,50oTWCHRdffffK331 1 0.81 175002500()50()142409.58HTCaWff fCSfFTKkm 导轨的额定工作时间寿命: 163102SoTHl nT导轨的工作寿命足够.33102142409.58 10494477150002 0.6 4 60SoTHl nThTh 导轨的静安全系数：04.21.163.6SLCfP ：静安全系数；：基本静额定负载；：工作载荷SLf0CP导轨寿命计算：3()50748htwcff CLKmKmfP4.4 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：Lh29200h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NFFFNVNHr43.3406 .1871 .5432221211NFFFNVNHr8 .20552 .6711 .1943222222217动载荷为，查得，则有arrYFFP4 . 06 . 1YNPr012.39290.1596 . 143.3404 . 0由 式 13-5 得 ahrrhLPCnL104 .53012.3925180057660106010631066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mmmmmmlhb18662)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 MPaP120键的工作长度mmbll33263621，合适 PPMPadlkT5 .82213365 . 0508702102131118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328md42LdJR上式中：d直径,旋转外径 d=8mmL长度=30mmP钢的密度=78002kg/m经计算得2m0.002kg=RJb、齿轮的转动的惯量328md42LdJL上式中：d直径,齿轮外径 d=30mmL长度=14mmP钢的密度=78002kg/m经计算得2m0.002kg=RJ2-810*4.09mkgJL=c、联轴器的转动惯量19查表得 20004kg/. 0mJW=因此28 -m0.0028kg0004. 010*09. 4002. 0WLRJJJJ5.1.2 电机扭矩计算a、折算至电机轴上的最大加速力矩atJnT602maxmax上式中：min/1500maxrn=J=0.0028kg/m2ta加速时间 KS系统增量，取 15s-1,则 ta=0.2sSK3ta=经计算得mNT=2 . 2maxb、折算至电机轴上的摩擦力矩IPFT20f上式中：F0导轨摩擦力，F0=Mf，而 f=摩擦系数为 0.02，F0=Mgf=32NP丝杆螺距（m）P=0.001m传动效率，=0.90I传动比，I=1经计算得mNTf=75 . 0c、折算至电机轴上的由丝杆预紧引起的附加摩擦力矩i2)-1(2000PPT 上式中 P0滚珠丝杆预加载荷1500N0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mNTTTTf=+=82. 20max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20转矩为 6.7N.m。5.2 齿轮传动的设计前述算得，步进电机工作转速能在较大范围变化本次计算取mNT7 . 62，传动比min/7102rn 22i5.2.1 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181Z大齿轮齿数取40220122ZiZ402Z5.2.2 按齿面接触疲劳强度设计由设计计算公式进行试算，即3211)(132. 2HEdttZuuTkd1） 确定公式各计算数值（1）试选载荷系数3 . 1tK（2）计算小齿轮传递的转矩mNT7 . 62（3）小齿轮相对两支承非对称分布，选取齿宽系数6 . 0d（4）由表 6.3 查得材料的弹性影响系数2/18 .189 MPaZE（5）由图 6.14 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限MPaH6001lim大齿轮的接触疲劳强度极限MPaH5502lim（6）由式 6.11 计算应力循环次数8111018. 8) 183008(17106060hjLnN217821009. 421018. 8N（7）由图 6.16 查得接触疲劳强度寿命系数 08. 11NZ12. 12NZ（8）计算接触疲劳强度许用应力取失效概率为 1，安全系数为 S=1，由式 10-12 得MPaMPaSZHNH64860011lim11MPaMPaSZHNH61655006. 12lim22（9）计算试算小齿轮分度圆直径，代入中的较小值td1Hmmdt55.29)6168 .189(236 . 0107 . 63 . 132. 23231计算圆周速度 vsmndvt/83. 060000071055.2914. 310006011计算齿宽 bmmdbtd73.1755.296 . 01计算齿宽与齿高之比 b/h模数mmZdmtnt478. 12055.2911齿高34. 5325. 3/73.17/325. 3478. 125. 225. 2hbmmmhnt计算载荷系数 K根据，7 级精度，查得动载荷系数smv/72. 002. 1VK假设，由表查得mmNbFKtA/100/0 . 1FHKK22由于载荷中等振动，由表 5.2 查得使用系数1 . 1AK由表查得283. 1HK查得28. 1FK故载荷系数439. 1283. 10 . 102. 11 . 1HHVAKKKKK（10）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式可得mmKKddtt57.303 . 1/439. 155.29/3311（11）计算模数mmZdm53. 120/57.30/115.2.3 按齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式为32112FSFdnYYZKTm（1）确定公式内的计算数值由图 6.15 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限MPaFE5001大齿轮的弯曲疲劳强度极限MPaFE3802由图 6.16 查得弯曲疲劳寿命系数 9 . 01NZ93. 02NZ计算弯曲疲劳许用应力取失效概率为 1，安全系数为 S=1.3，得MPaSZFENF2 .3463 . 15009 . 0111MPaSZFENF5 .2713 . 138093. 0222计算载荷系数436. 128. 10 . 102. 11 . 1FFVAKKKKK23（2）查取齿形系数由表 6.4 查得8 . 21FaY23. 22FaY（3）查取应力校正系数 由表 6.4 查得55. 11SaY76. 12SaY（4）计算大小齿轮的，并比较FSaFaYY014456. 05 .27176. 123. 2012536. 02 .34655. 18 . 2222111FSaFaFSaFaYYYY 大齿轮的数据大（5）设计计算mmm32. 1014456. 0206 . 0107 . 6436. 12323对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数 m 大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，可取有弯曲强度算得的模数 1.32mm，并圆整取第一标准模数值 m=1.5mm，并按接触强度算得的分度圆直径mmd57.301算出小齿轮齿数取38.205 . 1/57.30/11mdZ201Z大齿轮齿数取40202122ZiZ402Z5.2.4 几何尺寸计算（1）计算分度圆直径mmmZdmmmZd605 . 140305 . 1202211（2）计算中心距 mmdda452/ )6030(2/ )(21（3）计算齿宽宽度取mmdbd18306 . 01mmBmmB20;1812综合整理两级齿轮参数如下表：参数选择序号名称符号小齿轮大齿轮241齿数Z20402模数m1.5mm3分度圆直径21ddmmmm 60,304齿顶高ahmm5 . 15齿根高fhmm875. 16全齿高hmm375. 37顶隙cmm375. 08齿顶圆直径21ddmmmm 63,339齿根圆直径43ffddmmmm25.56,25.2610齿宽21BBmmmm18,2011中心距amm455.3 旋转轴及轴上零件的设计与校核5.3.1 尺寸与结构设计计算1）传动轴上的功率 P1,转速 n1 和转矩 T1，wP2431min/3551rn mNT57. 612）初步确定轴的最小直径先按式初步估算轴的最小直径。选取轴的材料 45 钢，调质处理。根据3PdCn机械设计表 11.3，取，于是得：112C mmd7 . 9355243. 011231该处开有键槽故轴径加大 510，且传动轴的最小直径显然是安装齿轮轮处的直径。取；。1dmmd121mmL2513）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度（a）为了满足车轮的轴向定位的要求 2 轴段左端需制出轴肩，轴肩高度轴肩高度，取故取 2 段的直径，长度。dh07. 0mmh5 . 2mmd142mmL20225（b）初步选择滚动轴承。因轴承只受径向力的作用，故选用深沟球轴承。根据，查机械设计手册选取 0 基本游隙组，标准精度级的深沟球轴承 6203，故mmd142，轴承采用轴肩进行轴向定位，轴肩高度轴肩高度，取mmdd1573dh07. 0，因此，取。mmh5 . 1mmd184（c）齿轮处由于齿轮分度圆直径，故采用齿轮轴形式，齿轮宽度mmd601B=18mm。另考虑到齿轮端面与箱体间距 1mm 以及两级齿轮间位置配比，取，mml15。mml664）轴上零件的周向定位查机械设计表，联接车轮的平键截面。mmmmmmlhb12445.3.2 强度校核计算1）求作用在轴上的力已知齿轮的分度圆直径为，根据机械设计 （轴的设计计算部分未作mmd60说明皆查此书）式(10-14)，则NtgFFNdTFntrt75.6852007.1884tan07.18841010291.35223NFp5 .10952）求轴上的载荷首先根据轴的结构图作出轴的计算简图。在确定轴承支点位置时，从手册中查取a 值。对于 6203 型深沟球轴承，由手册中查得 a=14mm。因此，轴的支撑跨距为L1=72mm。根据轴的计算简图作出轴的弯矩图和扭矩图。从轴的结构图以及弯矩和扭矩图可以看出截面 C 是轴的危险截面。先计算出截面 C 处的 MH、MV及 M 的值列于下表。载荷水平面 H垂直面 V支反力F，NFNH11431NFNH12622，NFNV22371NFNV1516226C 截面弯矩 MmmNLFMNHH8518532mmNMLFMaNVV14555132总弯矩mmNMMMVH168646145551851852222max扭矩mmNT 6570图 5-1 弯矩图和扭矩图3）按弯扭合成应力校核轴的强度根据式(15-5)及上表中的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力，取，轴的计6 . 0算应力MpaMpaWTMca61.28201 . 098906 . 0168646)(32222已选定轴的材料为 45Cr，调质处理。由表 15-1 查得。因此70MPa1 -，故安全。1 -ca274）键的选择采用圆头普通平键 A 型（GB/T 10961979）连接，联接车轮的平键截面，。齿轮与轴的配合为，滚动轴承与轴mmmmmmlhb1244Mpap11076Hr的周向定位是过渡配合保证的，此外选轴的直径尺寸公差为。6m5.3.3 键的校核与寿命计算（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mmmmmmlhb1244（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 MPaP120键的工作长度mmbll10241221，合适 PPMPadlkT75.54121045 . 06570210213115.4 摆臂设计由于盘子重量较轻，约为 M=0.5kg，所以摆臂不需要进行强度计算，摆臂尺寸只需根据需要采用 CAD 作图法进行匹配，结果如下图示：图 5-2 摆臂5.5 吸盘的选择考虑到盘子表面比较平整光滑，选用硅橡胶吸盘，其具有良好的耐热性、耐寒性28和极低毒性，是食品行