换刀器设计——水平移动系统设计

本科毕业设计说明书（论文） 第 1 页 共 38 页1 绪论柔性生产自动化的数控加工中心正普及化，换刀机器人作为 FMS 中非常重要的部分，被越来越受到重视，并也在日新月异的发展。它的出现会使制造业变得更方便化，轻松化。机器人技术涉及力学、机构学、机械设计、液压技术、自动控制技术、传感技术和计算机技术等众多领域。1.1 换刀机器人的概念所谓换刀机器人，就是一个 4 个自由度的比较复杂并且有快速自动换刀装置的运动机构，在机器人运行过程中需要精确控制末端操作器(手爪)到达指定的位置，需要避开障碍物以及多轴插补运动等 。因此，不仅要求每个关节能1准确到达各自的设定位置，而且要求各关节之间能恰当地协调，才能最终保证手爪的位置精度，完成换刀动作，实现复杂结构件连续加工过程中的自动换刀。21.2 换刀机器人的发展从换刀机器人发展的历史来看，1956 年换刀机器人开始萌芽，美国 IBM 公司研制成功了刀具程序控制装置，同期在日本富士通公司成功研究了数控转塔式冲床。1958 年随着计算机辅助制造技术的发展，美国 K&T 公司研制出了带ATC（Aautomatic；Ttool；Cchange 自动换刀装置）的加工中心。随后在 1967 年出现了柔性制造系统，完整地把换刀机器人和自动上下料机构、交换工作台、自动换刀装置结合，使得自动化程度更高。到 1978 年以后，加工中心迅速发展，带有自动刀具交换装置并且可实现多种工序加工的机床研制成功。1983 年国际标准化组织制定了数控刀具锥柄的国际标准，使得换刀机器人的自动换刀装置形成了统一的结构模式 。5,43随着科技技术不断地更新发展，国内外趋向于研制高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修的换刀机器人。换刀机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。采用换刀机器可以使机床刀库间与中央刀库间的刀具交换与加工同时进行，机床可实现连续加工。近几年来，伴随着全球的机床产业正朝着全方位、高效率、高速度多功能的柔性制造系统的演进趋势以及降低生产成本架构的发展需 本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 38 页求 ，换刀机器人也正朝着：1）发展出换刀机器人系统能承载重量 70kg 以上6的超重刀具，并且要拥有强力锁刀装置，以防止重型刀具在运行中坠落；2）发展出可以同时容纳多种类型刀具的换刀机器人，以便时常变换使用在多种主轴的加工中心；3）换刀机器人向着高效率且定位精确的驱动和选刀系统发展，发展出更高精度且配高质量、高定位的伺服电机及减速机，以符合选刀的迅速和换刀的精确；4）换刀机器人也向着质量轻，成本低，但能有高容量的刀库发展，换刀效率要高 。8,71.3 课题研究的意义在科技日新月异的今天，工业机器人的出现很好的解决了传统制造业中的一些难题，使得工业机器人在制造业中有很大的市场。工业机器人在许多生产领域的使用实践证明，它在提高生产自动化水平，提高劳动生产率和产品质量以及经济效益，改善工人劳动条件等方面，有着令世人瞩目的作用，引起了世界各国和社会各层人士的广泛关注。在新的世纪，机器人工业必将得到更加快速的发展和更加广泛的应用。换刀机器人是加工中心稳定可靠运行的关键功能部件。它的快速、准确性保证了加工中心的运行。有资料显示，换刀机器人的故障率约占整机故障率的 25%。本课题设计的是一种换刀动作少、机构简单化的换刀机器人，同时提高换刀机器人的可靠性、稳定性和可维护性。此次通过毕业设计对换刀机器人水平移动系统部分设计的机会，再次温习了大学四年所学的机械知识，并更深入的了解了机电一体化，练习使用各种绘图软件，为不久之后走出校门又上了一课。 本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 38 页2 换刀机器人的总体设计2.1 换刀机器人的组成及各部分关系概述图 2-1 换刀机器人的组成图它主要由机械系统(执行系统、驱动系统)、控制检测系统及智能系统组成。A、执行系统：执行系统是换刀机器人完成抓取刀具及更换刀具，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、腕部、机身等。（1）手部：又称手爪或抓取机构，它直接抓取刀具。（2）腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变手部的工作方位。（3）臂部：是支承腕部的部件，作用是承受刀具的负荷，并把它传递到预定的位置。（4）机身：是支承手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。B、驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。C、常用的机械传动、液压传动、气压传动和电传动。D、控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。 本科毕业设计说明书（论文） 第 4 页 共 38 页E、检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。2.2 换刀机器人的设计分析2.2.1换刀机器人主要技术性能参数换刀机器人的技术参数是说明其规格和性能的具体指标。主要技术参数有如下：（1）抓取重量：抓取重量是用来表明机器人负荷能力的技术参数，这是一项主要参数。这项参数与机器人的运动速度有关，一般是指在正常速度下所抓取的重量。（2）抓取工件的极限尺寸：抓取工件的极限尺寸是用来表明机器人抓取功能的技术参数，它是设计手部的基础。（3） 坐标形式和自由度：说明机器人机身、手部、腕部等共有的自由度数及它们组成的坐标系特征。（4）运动行程范围：指执行机构直线移动距离或回转角度的范围，即各运动自由度的运动量。根据运动行程范围和坐标形式就可确定机器人的工作范围。（5）运动速度：是反映机器人性能的重要参数。通常所指的运动速度是机器人的最大运动速度。它与抓取重量、定位精度等参数密切有关，互相影响。目前，国内外机器人的最大直线移动速度为 1000mm/s 左右，回转速度最大为180/s，一般为 50/s。（6）定位精度和重复定位精度：定位精度和重复定位精度是衡量机器人工作质量的一项重要指标。本设计中的换刀机器人的有关技术参数见表 2-1 本科毕业设计说明书（论文） 第 5 页 共 38 页表 2-1 换刀机器人技术参数结构形式 组合式直角坐标加旋转自由度数 4负载重量 10 kg (单爪)末端操作器 双手爪工作空间 纵向 11m; 横向 0.6m; 升降 1m; 旋转 180运行速度 五档可调最大运行速度 纵向 33.6 m/min; 横向 16 m/min;升降 8m/min; 旋转 16 rpm重复定位精度 0.6 mm记忆刀位数 不小于 170 把,可扩展总重量 600 kg工作要求：（1）完成总体方案的论证设计； （2）完成水平移动系统设计；（3）绘制总装图、部件图和零件图；（4）撰写设计说明书。2.2.2 总体方案拟定1）工作空间 工作空间是指机器人正常运行时，手部参考点能在空间活动的最大范围，是机器人的主要技术参数。2）结构型式换刀机器人对于外界环境能够做出良好反应的基础是要有一个具有优异运动特性的移动平台。机器人平台的移动机构是机器人的一个关键组成部分，它直接影响到整个机器人的运动精度、灵活性乃至整个系统的可靠性。换刀机器人在空间运动，采用直角坐标加旋转的组合式型式。换刀机器人的结构形式为组合式，具有纵向移动走、横向移动、垂直升降和手腕旋转 4 个自由度，并带有无源式双机械手爪。3）重复定位精度 本科毕业设计说明书（论文） 第 6 页 共 38 页重复定位精度受伺服系统特性、进给系统的间隙与刚性以及摩擦特性等因素的影响，它影响一批零件加工的一致性，是一个非常重要的精度指标。滚珠丝杠将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动。具有有传动效率高，定位准确等特点本设计采用滚珠丝杆来保证重复定位精度。提高重复定位精度。4）驱动方式驱动装置的质量尽可能要轻。单位质量的输出功率要高，效率高。反应速度要快。要求力质量比和力矩转动惯量比要大。动作平滑，不产生冲击。控制灵活，位移偏差和速度偏差小。安全可靠。操作维修方便等。液压驱动适用大负载的情形；气压驱动适用节拍快、负载小且精度要求不高的场合（因为空气具有可压缩性） ；电力驱动适用中等负载，特别适合于动作复杂、运动轨迹严格的各类机器人。直流伺服电机具有良好的启动、制动和调速特性，可很方便的在宽范围内实现平滑无极调速。换刀机器人所有关节均采用直流伺服电机驱动。伺服驱动系统分为四组，每组独立驱动一个关节。每组伺服驱动单元由伺服控制器、伺服控制单元、伺服电机抱闸、光电编码器组成，采用 PWM 速度调制。位置、速度、电流三闭环结构和数字伺服技术。5）传动方式换刀机器人要求工作连贯，运动精度高，齿轮齿条传动能保证瞬时传动比恒定，平稳性较高，传递运动准确可靠；传递的功率和速度范围较大；结构紧凑、工作可靠，可实现较大的传动比；传动效率高，使用寿命长。故纵向移动系统选用齿轮齿条传动。由于横向移动系统距离较短，故选用滚珠丝杠副传动装置。 本科毕业设计说明书（论文） 第 7 页 共 38 页图 2-3 机器人外形图 本科毕业设计说明书（论文） 第 8 页 共 38 页3 换刀机器人的机械系统设计3.1 换刀机器人的执行机构设计3.1.1 总体结构设计图 3-1 换刀机器人总体结构示意图3.1.2 末端执行机构设计换刀机器人的末端执行机构设计是用来抓持刀具的部件。手部抓持刀具的迅速、准确和牢靠程度都将直接影响到换刀机械手的工作性能，它是换刀机械手的关键部件之一。图 3-2 末端执行器 本科毕业设计说明书（论文） 第 9 页 共 38 页设计时要注意的问题：a. 末端执行机构应有足够的夹紧力，为使手指牢靠的夹紧刀具，除考虑夹持刀具的重力外，还应考虑工件在传送过程中的动载荷。b. 末端执行机构应有一定的开闭范围。其大小不仅与刀具的尺寸有关，而且应注意手部接近工件的运动路线及其方位的影响。c. 应能保证刀具在末端执行机构内准确定位。d. 结构尽量紧凑重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。e. 根据应用条件考虑通用性。3.1.3 水平移动系统设计图 3-3 换刀机器人横向纵向运动示意图 本科毕业设计说明书（论文） 第 10 页 共 38 页4 水平移动系统的设计4.1 伺服系统方案设计伺服电机的选取换刀机器人的水平采用了伺服电机驱动，下面就给出各种驱动方式的比较，以作为选取伺服电机作为驱动方式的依据。表 4-1 各种驱动方式比较驱动方式电机 驱动比较内 容 机械传动异步电机，直流电机步进或伺服电机气压传动 液压传动输出力矩输出力矩较大 输出力可较大输出力矩较小气体压力小，输出力矩小，如需输出力矩较大，结构尺寸过大液体压力高，可以获得较大的输出力控制性能速度可高，速度和加速度均由机构控制，定位精度高，可与主机严格同步控制性能较差，惯性大，步易精确定位控制性能好，可精确定位，但控制系统复杂可高速，气体压缩性大，阻力效果差，冲击较严重，精确定位较困难，低速步易控制油液压缩性小，压力流量均容易控制，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制应用范围适用于自由度少的专用机械手，高速低速均能适用适用于抓取重量大和速度低的专用机械手可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手中小型专用通用机械手都有中小型专用通用机械手都有，特别时重型机械手多用由上表可知伺服电机应用于驱动换刀机器人有着许多无可替代的优点，如控制性能好，可精确定位，体积较小可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手等，下面就对伺服电机的型号进行选取。电机的额定转速是根据生产机械的要求而选定的。在考虑机械减速机构的传动比值时，两者相互配合，经过在技术、经济全面比较的基础上，通常电动机的转速不能低于 500r/min，当功率一定时，电动机的转速越低，则其尺寸越大，价格就越昂贵，而且效率也就越低。但是如果选用高速电动机，势必加大机械减速机构的传动比，致使机械传动部分变得复杂 。9要求快速频繁启动、制动的机械，通常是电动机的转动惯量与额定转速平 本科毕业设计说明书（论文） 第 11 页 共 38 页方的乘积（即 值）为最小能获得起动、制动的最快的效果。2NDnJ注： 电动转子的转动惯量， 2mkg电动机额定转速，N in/r4.1.1 伺服电机的选择计算纵向自由度运动学参数计算初步拟定电机的转速为 =1000rpm。根据机械设计基础下 齿轮转nN9速计算公式有：行走齿轮的转速， mi/.63Vi纵 向 最 大 速 度 2zdri NnfT2注： 为行走齿轮的角速度；r 为行走齿轮的半径；d 为行走齿轮分度圆直径；m 为行走齿轮的模数；z 为行走齿轮的齿数； 为小齿轮的最大转速，Nnin/r min/238.714.385.2601rzViN 减速比 21.405.6.31010imVzi减速器设定大齿轮齿数 z=76，m=2 和小齿轮齿数 z=18，m=2，则减速比i=4.22（取偏大值，有利于行走齿轮的稳定性） 。纵向自由度动力学参数计算纵向行走小车伺服电机需克服下列阻力因素：机器人的滚轮与导轨的摩擦力引起的摩擦力矩；整个机器人移动的惯量；减速器的惯量；电机转子的惯量。注：本部分采用的公式参照机电一体化课程设计指导书 。10计算参数 rpmN10电 机 转 速 本科毕业设计说明书（论文） 第 12 页 共 38 页NW580.960换 刀 机 器 人 总 重 量 min/3Vi纵 向 运 动 最 高 速 度 1,5.2z行 走 齿 轮 参 数 90机 械 效 率 .摩 擦 系 数（1） 载负 载 转 动 惯 量 J齿轮齿条传动时折算到小齿轮轴上的转动惯量：式（3-)(2scmNRgWJ1）式中 R-齿轮分度圆半径 cm；W-工作台及工作台质量 N。223075.)185.2(.90mkgJ 则折算到电动机轴上的转动惯量（假定电机转子的转动惯量为25 ）2cmkg式（3-2422 6.1950.3751cmkgJiJt 2）（2）起动力矩式（3-mNJTt 82.6103.642.19543）（假定起动时间为 0.3s）（3）摩擦力矩式（3-mNiDWTf 48.32.4905861.)2(4）则 mN3.148.2.6 本科毕业设计说明书（论文） 第 13 页 共 38 页电机载荷功率式（3-kwTP08.164.32103.5）所以选择北京时代超群电器科技公司生产的电机 SZYX130-04.电机技术参数见表 4-2表 4-2 电机技术参数型号 SZYX130-04额定输出功率（W） 1500额定转矩（ ）mN15额定转速（rpm） 1000最高转速（rpm） 1000转动惯量（ ）2sckg15730额定电流（A） 11.5编码器（P/R） 2500横向伺服电动机的计算横向自由度运动学参数计算1)计算参数：丝杠螺距 L=8mm；电机转速 Nm=2000rpm；横向运动最大速度 V=8m/min2）减速比 16083VLNim使减速比为 1，可以避免使用减速装置，达到简化机械结构，减轻横向移动系统的质量，便于设计计算的目的。横向自由度动力学参数计算横向系统伺服电机需要克服的阻力因素：滚珠丝杠副内摩擦力矩；直线导轨与支承滑块摩擦力矩；丝杠的惯量；横向移动部分的质量；横向移动部分的惯量计算参数电机转速 2000rpm 本科毕业设计说明书（论文） 第 14 页 共 38 页横向移动部分的质量 NW39208.40横向运动最高速度 min/16axV机械效率 5.丝杠内摩擦系数 041导轨副内摩擦系数 .2丝杠导程 mL8丝杠总长 l1丝杠公称直径 d30注：本部分采用的公式参照机电一体化课程设计指导书 。10负载转动惯量横向移动部分式(3-6)231 1094.6208.4)2( mkgLgWJ 丝杠部分 式(3-7)242222 103.8kgdlrmJ 估算电机转动惯量 2479.24.63815mkJ 则起动转矩 cNT.035.9摩擦力矩式（3-cmGLTf 345.6285.014329.02)(18）所以 N.65.9.03所以选择北京时代超群电器科技公司生产的电机 SZYX102-12,电机技术参数见表 4-3 本科毕业设计说明书（论文） 第 15 页 共 38 页表 4-3 电机技术参数型号 SZYX102-12额定输出功率（W） 750额定转矩（ ）mN3.75额定转速（rpm） 2000最高转速（rpm） 2000转动惯量（ ）2sckg4815额定电流（A） 6/10.8编码器（P/R） 25004.2 传动系统的设计换刀机器人用于 FMS 系统中，则传动机构必须满足：（1）结构紧凑，即相同传动功率和传动比条件下，体积最小，重量最轻；（2）传动刚度大，即由驱动器的输出轴到连杆转轴在相同的扭矩时角度变形要小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频运动；（3）误差要小，即由正传到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度；（4）寿命要长，价格低廉。在现有传动机构：齿轮传动，谐波传动，涡轮传动，链传动，齿形传动，行星传动，连杆及摇块传动，滚珠螺旋传动和齿轮齿条传动中选择。4.2.1 纵向传动系统的设计纵向移动系统传动方式的结构设计在机械结构设计中，选择何种传动结构取决于他们的应用空间和条件。而对于换刀机器人来说，要保证稳定的传动和位置精度和重复定位精度。此设计中，由于换刀机器人的纵向移动为长距离运动（11m） ，机器人总重不超过 600kg，所以传动时动力部分要求较高。综上所述，能够很好的保证这些要求的只有齿轮齿条传动最符合，所以，纵向移动系统的传动结构将采用齿轮齿条副传动。纵向移动系统有三部分组成： 本科毕业设计说明书（论文） 第 16 页 共 38 页纵向导轨，齿轮齿条传动部分，电动机部分。纵向导轨固定，齿轮齿条传动部分又分为：齿条和行走齿轮（小齿轮）部分。齿条部分固定于导轨下，行走齿轮（小齿轮）部分与电动机部分连在一起。电动机部分连同减速机和行走齿轮（小齿轮）固定在下支撑架上。齿轮齿条的设计计算（1）行走齿轮的参数计算根据齿轮的受力情况和结构要求，初步确定行走齿轮的模数 m=2.5，齿数z=18， ，则分度圆直径为 d20mzd4518.齿顶高，ha.2为齿顶高系数，本设计取 =1ah齿根高，mmchaf 125.3)25.01()( 为齿根高系数，本设计中取 =0.25 c齿全高 hfa 625.1.352齿顶圆直径 mmzdaaa 50.)18()( 齿根圆直径 chzaff 75.38.2).2()2(2齿宽 .60,7456.0取ddmb（2）齿条参数的设计计算齿条可以看成是齿轮的平铺形式，因此，在设计计算上，齿条的各部分尺寸可以参照外齿轮的计算公式计算：齿顶高 本科毕业设计说明书（论文） 第 17 页 共 38 页mha5.21齿根高，caf 125.3).0()(为齿根高系数，本设计中取 =0.25 c齿全高 mhfa 625.1.352齿距 mp.84.齿厚 ms925.31.2齿槽宽 se.4.则，msl 85.792.35.其中 为一齿和一槽的宽度之和，则，14023.85.71032 lLz其中 L 为整个纵向移动的距离，为齿条的理论齿数。2z齿轮齿条传动失效分析换刀机器人总体重量不超过 600kg，所以在纵向移动过程中会有轻微的振动和冲击载荷。齿轮齿条传动一般常见为齿面磨损，主要是因为开式传动不能实现良好的润滑，摩擦力比较大，啮合齿面容易参入磨料性杂质(如砂粒、铁屑等)，致使齿面磨损较快。齿轮齿条强度的校核 本科毕业设计说明书（论文） 第 18 页 共 38 页齿轮失效形式主要为齿面磨损，按照齿根弯曲疲劳强度校核，注：本部分采用的公式参照机械设计基础下 9根据校核公式：式（4-MPazmYKTFdSaFF22131）：载荷系数； ：小齿轮传递的扭矩；1T：齿宽系数； ：小齿轮齿数；dz：齿形系数； ：应力修正系数；FaYSaY：重合度系数； :许用弯曲应力； F：模数m,其中 为工况载荷系数； 为动载荷系数； 为齿FVAKAVKFK向载荷分布系数； 为齿间载荷分配系数。根据以上设计参数和要求，以及各种工作环境的确定，由参考表查的各项系数的取值如下：=1.0， =1.03， =1.175， =1.2AKVFKF所以 式（4-A 4523.17.203.12） mNT4678.52389.105.9齿轮的弯曲疲劳极限经查表为 MPaFE60查表得齿形系数 ，应力修正系数91.FaY53.1SY弯曲疲劳寿命系数 0NK计算弯曲疲劳许用应力：取安全系数 ,则4.1S 本科毕业设计说明书（论文） 第 19 页 共 38 页式（4-MPaSKFF43713）齿宽系数 ， ，6.0d18z402所以端面重合度式（4-cos32.8121z4）69.10cos14283. 所以重合度系数式 （4-7.069.152.0Y5） MPa43712185.26003.743. 234由此可知，齿轮齿条的模数和齿数的选择符合要求，同时也满足齿根弯曲疲劳设计的要求。齿轮齿条材料及热处理根据齿轮和齿条传动的工作环境以及失效形式的分析，齿轮齿条传动应满足齿面具有较高的抗点蚀、抗磨损、抗胶合和抗塑性变形的能力，齿根要有较高的抗折断能力，并且本设计的传动是开式硬齿面传动。因此，对材料的选择的基本要求是：齿面要硬，齿心要韧。在考虑齿轮材料满足工作条件的要求，齿轮尺寸的大小、毛坯成型的方法及热处理和制造工艺等方面的特点后，选择硬齿面齿轮，材料为 40Cr，热处理方法为表面淬火。齿轮的结构设计在本齿轮齿条的设计中，由于行走齿轮的 ， ，可md45mda160以把齿轮做成实心结构。综合考虑齿轮的几何形状、毛坯类型、材料、加工方 本科毕业设计说明书（论文） 第 20 页 共 38 页法、使用要求及经济性考虑等因素，所以采用实心结构的齿轮轴为佳。齿轮齿条传动润滑油的选择由于摩擦磨损的存在，因此在设计中必须考虑润滑油的选择。用作润滑剂的油类大致分为三类：一类是有机油，通常是动植物油；二类是矿物油，主要为石油产品；三类是化学合成油。综合考虑润滑油的性能：粘度、油性（润滑性） 、凝点、闪电、极压性能、氧化稳定性。并考虑到开式硬齿轮传动的特点（GB5903-86）牌号为 N150。4.2.2 横向传动系统的设计丝杠疲劳强度的计算注：本部分采用的公式参照机电一体化课程设计指导书 。10横向移动的驱动由直流电机驱动滚珠丝杠和丝杠螺母来实现的。下面先介绍一下滚珠丝杠的工作方式及其特点。滚珠丝杠传动就是在螺杆和螺母的滚道之间放适量的滚动体，使螺杆与螺母之间的滑动摩擦变为滚动摩擦的螺旋传动。当螺杆滚动时，滚动体依次沿螺纹滚道滚动，并促使螺母作直线运动。螺旋传动较其他传动方式的优点如下：(1) 摩擦小，效率高，一般情况下，滚动螺旋传动的效在 90%以上，在同样的负荷下，驱动扭矩与滑动摩擦螺旋传动减少 2/33/4。(2) 灵敏度高，传动平稳。因为是滚动摩擦，动静摩擦系数相差极小，所以在静止或是高低速传动时，其摩擦扭矩几乎不变。（3）磨损小，寿命长。滚珠螺旋副中的主要零件均经过热处理，同时表面光洁度高，所以耐磨性高。可消除轴向间隙，提高轴向刚度。由于滚珠丝杠的传动效率高，预紧后仍能较轻松的完成传动任务，因此可以通过预紧消除间隙。估算丝杠轴向最大工作载荷 NLTF 68.207.9410.8.3290)(2210max 式 (4-5)丝杠轴向最小工作载荷 本科毕业设计说明书（论文） 第 21 页 共 38 页式（4-NGF68.407.9104.)(21min 6）丝杠最高转速 rpmNmax丝杠最低转速 10in丝杠及螺母的材料与硬度GCr15SiMn HRC 5863则当量动载荷35.147)2(31minaxF当量转速rpNm0)(inax预期工作寿命 hLh156100360hL则额定动载荷计算：式（4-31)(2, hmwLFfCa7）依据预期工作寿命，取载荷系数 2.1wfNCa 5.0153.472.16, 额定静载荷计算：当滚珠螺旋副在静止或低速（ ）下运转时，考虑静态强度计算，min/1r故省略不计。根据动载荷计算结果、滚珠丝杠副进给速度、行程要求初定导程 L，在时，选取滚珠丝杠副尺寸规格、结构类型为外循环管式，垫片预紧，aCa,导珠管理填入系列，其尺寸如表 4-4。 本科毕业设计说明书（论文） 第 22 页 共 38 页表 4-4 滚珠丝杠尺寸名称 符号 公式 尺寸公称直径 0d 32导程 L8接触角 34钢珠直径 q 4.763滚道法面半径 Rqd52.02.477偏心距 esin1.217螺纹滚道螺纹升角 r0dLarctg34螺杆外径 dq)5.2(33.5螺杆内径 1Re029.48螺杆螺杆接触直径 z cosz27.25螺母螺纹直径 D39.388螺母 螺纹内径 1 qdd)5.2(0 33.00丝杠的稳定性计算临界稳定载荷式（4-2)(lEJFc8）其中弹性模量 25/10.mN 本科毕业设计说明书（论文） 第 23 页 共 38 页丝杠最小截面惯性矩式（4-240)(6mdJq9）丝杠支承端面距离取 1m为约束系数则式（4-2402402 )()(64LdmLdEFqqc 10）支承系数 264Em一端固定，一端铰支，所以 m 取 4/102MNFc 4244 5.10)763.(2则稳定安全系数 9.5468.207maxncy丝杠的许用安全系数 .2yn，满足稳定安全要求yn临界速度计算式（4-KEGLdNc2811）支承结构系数 5.弹性模量 2/102mNE比重 358.7 本科毕业设计说明书（论文） 第 24 页 共 38 页公称直径 qd0整理得 rpmLKdNqc 52081.)763.42(10)(126052 式（4-12）则不产生共振的最高允许转速 ，满足动态rpNnc4165208.8.0稳定条件丝杠螺旋副刚度丝杠轴向直线变形量式（4-mEdFa 07.1.248.91.3504521 13）其中丝杠支承与螺母间距 a 取 500mm丝杠扭转变形所产生的轴向变形量扭转变形角度 GdT432丝杠驱动力矩式（4-mNFL261098.1432014）剪切弹性模量 24/105.8mNG则 rad7210.498.4.36轴向变形量 本科毕业设计说明书（论文） 第 25 页 共 38 页mLa 3702 1026.4.38102.45（3）滚珠和螺纹滚道面弹性变形引起的轴向变形量 3滚珠工作圈数 i=3.5螺母工作滚珠数式（4-7463.215.qdiz15）在， 时04.12763.brR5有 mzF 4243243 106.2.5sin7085sin12.sinsin105. 式（4-16）(4) 支承轴的轴向变形量设计中采用的轴承为角接触轴承（36104GB29283） ，滚珠直径 5.5mm，滚珠数 12。 31)(0237.5244bpdzF预紧轴承的轴向力 即为 2008Np滚动体直径 ，滚动体数目mb5. 12z则 m3244 08.9)5.108(237.531滚珠丝杠螺旋传动系统总的动态变形量 me 0274.1).216.07( 34321 本科毕业设计说明书（论文） 第 26 页 共 38 页综合弹性刚度系数 mNeFK/103.74其数据范围能够满足点位控制精度要求。5 导轨的选择当运动件沿着支承导件作直线运动时，支承导件上的导轨起支承和导向的作用，保证运动件在外力（载荷及运动件本身的重量）的作用下，沿给定的方向进行直线运动。对导轨的要求如下：（1）具有一定的导向精度。导向精度是指运动件沿导轨移动的直线性，以及它与有关基面的相互位置的准确性。（2）运动轻便平稳。工作时，应轻便省力，速度均匀，低速时应无爬行现象。（3）良好的耐磨性。导轨的耐磨性是指导轨长期使用后，能保持一定的使 本科毕业设计说明书（论文） 第 27 页 共 38 页用精度，应使磨损量小，且磨损后能自动补偿或便于调整。（4）足够的刚度。运动件所受的外力是由导轨面承受的，故导轨应有足够的接触刚度，因此，常用加大导轨面宽度，以降低导轨面比压，设置辅助导轨，以承受外载。（5）温度变化影响小。应保证导轨在工作温度变化的条件下，仍能正常工作。（6）结构工艺性好。在保证导轨其它要求的前提下，应使导轨结构简单，便于加工、测量、装配及调整，降低成本。5.1纵向导轨选择直线滚动导轨的特点及应用滚动导轨副是以滚珠作为二导轨和滑块之间的动力传输接口，进行无限循环滚动的运动副。它将滑块约束在导轨上，使得负载平台能沿导轨以高速度、高精度作线形运动，组成零件主要有导轨、滑块、端盖、滚珠等。1）导轨类型的选择（1）按滚动体的循环方式分为有滚动体循环式和滚动体不循环式。本设计中纵向运动导轨选择滚动体循环式。（2）按滚动体的形状分为滚柱式和滚珠式，滚柱式为线接触，故有较高的承载能力，但摩擦力也较高，加工分配也相对复杂。本设计选择滚珠式。2）直线滚动导轨直线滚动导轨的最大特性就是动静摩擦阻力小和高精度，其优点为：(1)纵向运动距离为 11m，距离长。故采用直线滚动导轨以实现高速度运动提高生产率；(2)降低机械制造成本且节约能源；(3)负荷平衡性好，刚性好，吸振性好；(4)装配过程简单，易实现，降低机床成本。直线运动滚动导轨的滚动体能沿着封闭轨运动道作循环运动，行程不受保持架的限制，具有摩擦力小、运动平稳、高精度等优点。换刀机器人在长距离的传动下，采用导轨的辅助运动形式，满足机器人的运动空间和工作空间。3）直线运动导轨的结构设计滚珠导轨与导轨面是点接触，故运动轻便，刚度低，承载能力小，滚动导 本科毕业设计说明书（论文） 第 28 页 共 38 页轨的唯一缺点是：导轨面和滚动面是点接触或线接触，抗振性差，接触应力大，对导轨的表面硬度要求高，对导轨的形状精度和滚动体的尺寸精度要求高。本设计中采用的形式不利因素影响较小，故忽略。5.1.1 直线滚动导轨的计算作用在滑座上的载荷 ，但是由于实际的需要，在计算时取最N40估F大值 ，滑座个数为 ，单向行程长度为 ，每分钟往复N60FMms1L次数为 4，每天工作 8 小时，一年按照 300 个工作日计算，寿命 5 年以上。注：本部分公式参照中国机械设计大典 。1该导轨的额定工作时间寿命 )(120358hTk式（5-nLsk1）其中， 为工作单行程长度（m） ；sN 为每秒往复次数（次/s） ；所以： )(63010421023 kmnLTsks 式(5-2)3FfCKWaTHs其中：K 为寿命系数，一般取 K=50km；F 为滑座工作载荷（N） ；为硬度系数，按表 5.1 查阅选取Hf 1Hf为温度系数，按表 5.2 查阅选取T T为解除系数，按表 5.3 查阅选取Cf 8.0Cf为负荷系数，按表 5.4 查阅选取W 2W为额定动载荷（N）a 本科毕业设计说明书（论文） 第 29 页 共 38 页表 5.1 硬度系数滚道表面硬度（HRC）60 58 55 53 50Hf1.0 0.98 090 0.71 0.54表 5.2 温度系数工作温度/ Tf100 1.00100150 0.90150200 0.73200250 0.63表 5.3 接触系数每根导轨上的滑块数 Cf1 1.02 0.813 0.724 0.665 0.61表 5.4 负荷系数工作条件 Wf无外部冲击或振动的低速运动场合，速度小于 15m/min 11.5无明显冲击或振动的中速运动场合，速度小于 60m/min 1.52有部分冲击或振动的低速运动场合，速度大于 60m/min 23.5因为滑座数目 M=4，在每条导轨上使用两个滑座，故额定动载荷 )(NCa额定行程长度寿命公式： 3FfCKTWaTHs所以： CTHWsafKF)(3式中： )(15046NMF 本科毕业设计说明书（论文） 第 30 页 共 38 页)(40185218.0)563(15NCa 直线运动滚动导轨工作时。滚道及滚动体表面受到交变应力的作用时，产生疲劳破坏，按额定负荷进行选型。选用汉江机床厂的 HJG-D 系列直线滚动导轨，查表，其中 HJG-D35CL 型号导轨的 能满足 5 年的使用要求，选取 HJG-D35CL 型号的直线滚动导4508aC轨。5.1.2 导轨的材料和滚动体尺寸与数目的确定（1） 材料滚动导轨最常用的材料是淬硬至 6062HRC 的钢，以及硬度为 200220HB 的铸铁。淬硬钢导轨具有承载能力高和耐磨性好等优点，但制造困难、成本较高。淬硬钢导轨适合于静载荷高、动载和冲击载荷大、需要预紧和防护比较困难的场合。淬硬钢导轨的硬度，对承载能力的影响很大。当表面硬度相同时，承载能力又决定于硬化层的深度，硬化层越深承载能力越大。综上所述，本设计采用硬度为 200220HB 的铸铁作为滚动导轨的材料。（2） 滚动体的尺寸与数目滚动体的直径、长度和数目，按照导轨的形式，载荷（或压强）进行验算、选择时应考虑一下因素：滚动体的直径越大，滚动摩擦因数越小，滚动的摩擦阻力也越小（滚动摩擦阻力大致与滚动体的直径成反比） 。滚动体的直径过小不仅摩擦阻力加大，而且会产生滑动现象。此外，滚动体直径越大，接触应力越小。对进行承载能力验算，发现不能满足要求，故加大滚动体的直径或增加滚动体的数目。由于滚动体的承载能力与滚珠直径的平方成正比，因此优先加大滚珠的直径。滚动体的数量过少，会导致导轨的制造误差明显，继而影响导轨的位置精度，滚动体的数目增加，不仅能提高导轨的位置精度，还可以降低导轨的压强。通常，每根导轨上每排滚子最少 12-16 个。相反，当滚动体过多，则接触应力很小，会出现载荷分布不均匀的现象，刚度反而下降。由于制造误差不可避免， 本科毕业设计说明书（论文） 第 31 页 共 38 页将有部分滚动体受不到载荷不起作用。对于滚珠导轨，1 个滚珠担负的质量为时，载荷分布是比较均匀的。因此，按下式确定每根导轨上滚珠数NdQ5.9目的最大值：公式：式（5-dGzk5.93）取 ， ，因为 ，所以 取 90 个。md1216.925.30 bz bzb式中： 滚柱和滚珠的数目；bG 每根导轨上分担的运动部件的重量；d 滚珠直径。5.1.3 滚动导轨的润滑与防护（1） 导轨的润滑导轨润滑的目的：减小摩擦阻力、提高机械效率；减小磨损、延长使用寿命；降低温度、减少热变形、改善工作条件；防止生锈。润滑的要求：保证供油清洁，供油充分，油量可调节，润滑装置简单、安全、可靠。润滑剂的选用：润滑一般采用锂系列润滑脂，上脂间隔以行程 100km 为标准。（2） 导轨的防护导轨防护的目的：防止灰尘、切屑、冷却液进入导轨，提高导轨使用寿命。导轨防护装置的要求：防护可靠、安全；能耐红热切屑和冷却液的腐蚀；装卸方便，具有一定的刚度、强度和使用寿命；外形美观、结构简单、制造容易、成本低。防护罩的选择：防护罩一般选择与导轨型号、行程相匹配的软式（风箱式）防护罩，防止污物或异物进入。5.1.4 直线滚动导轨副的安装要求 本科毕业设计说明书（论文） 第 32 页 共 38 页直线滚动导轨副的安装种类很多，几乎能满足任何结构的需要。直线滚动导轨副在选用时通常为两根，每根导轨上使用的滑块为两块，导轨条安装在支撑件上，而滑块在移动件上，在两根导轨中有一条是基准导轨条，一条是辅助导轨条。图 5-1 所列为导轨副常用的几种典型的安装方式。图 5-1（左）的安装方式适用于受冲击、振动大的切削加工机床，导轨体和滑滚体的侧面均采用压板压紧，防止松动，保持精度稳定。图 5-1（右）的安装方式适用于受冲击、振动不大且切削力也不大的轻型机床。这种安装方式导轨和滑块体均无压紧装置，但装配时必须借助工具，使轨道与配件之间的基准面紧密贴合在一起，达到所规定的要求。图 5-1 导轨副的常用安装形式1，3，5，6 基准导轨副 2，4 压板本设计中采用第二种安装方式。5.2 横向导轨设计5.2.1 滑动导轨的选择由于横向导轨受到的倾覆力矩较大，虽然采用滚动导轨可以实现高速度运动、提高生产率，但滚动导轨承受倾覆力矩的能力较差，相对而言采用滑动导轨可以减小倾覆力矩。增加结构的稳定性和刚度。此外，滑动导轨的主要特点还有：a)结构简单、使用维修方便b)没有形成完全液体摩擦，动、静摩擦系数差别大，低速易爬行 本科毕业设计说明书（论文） 第 33 页 共 38 页c)磨损量大、寿命低。综合考虑各方面的因素，横向移动部分的导轨采用滑动导轨，满足结构设计的要求。5.2.2 滑动导轨的压强计算由于导轨宽度远小于长度，因此，在宽度方向，可认为压强分布的均匀的。当导轨的自身变形远小于导轨的接触变形时，可以只考虑接触变形对压强分布的影响。沿导轨长度的接触变形和压强可视为按线性分布。注：本部分公式参考中国机械设计大典由 F 和 M 在动导轨上引起的压强为式(5-4)aLP有式(5-5)63212aLPMM所以 26aLPM式中：F导轨所受的集中力,NM导轨所受的倾覆力矩， mN由 M 引起的最大压强，PMPa由 F 引起的压强，a 导轨宽度，mmL 动导轨的长度，mm导轨所受的最大压强为式(5-6) )61(maxFLMaPMF其中：导轨所受的集中力 N40导轨所受的最大倾覆力矩 m1203.导轨宽度 a=40mm 本科毕业设计说明书（论文） 第 34 页 共 38 页动导轨长度 L=850mm所以距离爪的导轨必须使用压板，根据公式式(5-7)21(3maxFLMP其最大压强 MPa534.0)8.4012(85043max 所以根据最大压强得，查阅手册选择铸铁材料，满足设计要求。6 联轴器的选择该机构利用锥环对之间的磨擦实现与毂之间的无间隙连接传递转矩，且可任意调节两面联接件之间的角度位置 。通过选择所用锥环的对数，可传递不12同大小的转矩。图 2-12 所示为采用锥环（锥环夹紧环）无键消隙联轴器，可使动力传递没有反向间隙。螺钉 5 通过压圈 3 施加轴向力时，由于锥环之间的楔紧作用，内外环 2 分别产生径向弹性变形，消除轴 4 与套筒 1 之间的配合间