机电产品课程设计-塞拉门焊接机器人工作站二维工作滑台设计.docx

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除成绩南京工程学院课程设计说明书(论文)题 目 塞拉门焊接机器人工作站 二维工作滑台设计 课 程 名 称 机电产品课程设计 院（系、部、中心） 机械工程学院 专 业 机械电子工程 班 级 机电 081 学 生 姓 名 学 号 设 计 地 点 工程中心2-201 指 导 教 师 设计起止时间：2011年12月26日 至2012年1月13日 目录一、课程设计任务书21、课程设计应达到的目的22、课程设计题目及要求23、课程设计任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等要求2二、焊接机器人工作滑台滚珠丝杠选择与设计21. 焊接机器人工作滑台滚珠丝杠选择22丝杠选择数值计算过程：22丝杠选择数值计算过程：2三、机器人工作滑台与滚动导轨副选择与设计：131.直线运动滚动导轨副的特点及要求22滚动导轨副的分类23.导轨的结构和作用24.直线滚动导轨副的计算25.滚动导轨的润滑与防护26滚动导轨装配图2四、控制系统的设计21负载等效转动惯量的计算23、步进电动机的驱动与控制24、程序的编制25.硬件接线示意图2五、参考资料2六、实验总结2一、课程设计任务书1、课程设计应达到的目的通过课程设计，要求学生在导师的指导下，对以下几方面的能力进行锻炼和培养：综合运用有关的理论知识，查阅相关资料,针对任务书指定的任务进行设计，以加深对相关理论的理解，提高综合应用知识以及查阅技术资料的能力，培养解决实际工程问题的能力。2、课程设计题目及要求1、焊接机器人工作滑台丝杠选择与设计设有一塞拉门框焊接机器人工作站，见塞拉门框架机器人焊接工作站简图（附后），由于塞拉门框较长，故需将焊接机器人置于二维工作滑台之上，以加大焊接机器人的工作范围，满足塞拉门框焊接的需要。滑台总质量Q=Q1+Q2+Q3，其中Q1为机器人本体质量1424N，Q2为下滑台质量600N，Q3为上滑台质量300N，下滑台移动速度为120mm/s, 下滑台移动最大距离L=2424mm,轴向移动误差小于等于0.05mm,使用寿命为15000h，试选定丝杆传动形式，精度等级选择，间隙调整与预紧方式选择，止动方式选择，支撑方式设计选择，润滑和密封的设计选择，计算选择丝杠型号，校核系统压杆稳定性。 2、焊接机器人工作滑台与滚动导轨副选择与设计机器人本体底面为矩形350X350 mm2, 底座厚度为60mm，使用的螺栓为 mm, 螺栓中心距4 -310X310 mm2,其余同上。3、按（1）中的焊接机器人工作站及所涉工况，试设计其工作滑台总装配图，简述其设计过程与计算说明（选作）。 4、按（1）中的焊接机器人工作站及所涉工况，试设计其控制系统。1）步进电机选择计算，确定步进电机的型号；2）进行控制系统初步设计与方案论证。注：xxx为每位学生学号的末三位，请在设计时使用。3、课程设计任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等要求1、焊接机器人工作滑台丝杠选择与设计: 1）选择、设计过程与计算说明； 2）机器人工作滑台丝杆副运动简图（参见教材P29），粘贴在计算说明书 内A，图中标出各构件号1、2、3.n； 3）丝杠支承结构图（参见教材P27-32），A3图，按装配图要求，有明细表，标题栏有设计，校核，批阅栏等 ，粘贴在计算说明书内。2、焊接机器人工作滑台与滚动导轨副选择与设计1）选择、设计过程与计算说明； 2）机器人工作滑台丝杆副运动简图（参见教材P29），粘贴在计算说明书内，图中标出各构件号1、2、3.n； 3）丝杠支承结构图（参见教材P27-32），A3图，按装配图要求，有明细表，标题栏有设计，校核，批阅栏等 ，粘贴在计算说明书内。3、按题1中的焊接机器人工作站及所涉工况，试设计其工作滑台总装配图（选作）绘制工作滑台总装配图（结合上述2装配图），A0或A1图，按装配图要求，有明细表，标题栏有设计，校核，批阅栏等。4、按题1中的焊接机器人工作站及所涉工况，试设计其控制系统。1）控制系统的设计；2）控制程序编制与调试分析。5、应提交的成果形式：1）机电产品课程设计说明书1份,打印文挡（含目录，所编程序附后，5千字）；2）图纸册1份,打印文挡（含图纸目录，2张A3图）；3）上述所有内容的电子文挡（各班每人按班级、姓名为文件名刻录1张光盘）。二、焊接机器人工作滑台滚珠丝杠选择与设计1. 焊接机器人工作滑台滚珠丝杠选择1） 丝杠传动形式选择丝杠螺母机构又称螺旋传动机构，它主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变为旋转运动。有以传递能量为主的（如螺旋压力机、千斤顶等），也有以传递运动为主的（如工作台的进给丝杠），还有调整零件之间相对位置的螺旋传动机构等（如螺旋传动机构）。丝杠螺母机构有滑动摩擦机构和滚动摩擦机构，滑动丝杠螺母机构结构简单，加工方便，制造成本底，具有自锁功能，但其摩擦阻力矩大，传动效率底（30%-40%）。滚珠丝杠螺母机构虽然结构复杂，制造成本高，但其最大优点是摩擦阻力矩小，传动效率高（92%-98%）其具有螺旋槽的丝杆与螺母之间装有中间传动元件滚珠。丝杠与螺母相对运动的组合情况有四种基本形式：螺母固定丝杠转动并移动；丝杠转动螺母移动；螺母转动丝杠移动；丝杠固定螺母移动并转动。滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床。尤其是近年来，滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行单元，在机床行业得到广泛运用，极大的推动了机床行业的数控化发展。这些都取决于其具有以下几个方面的优良特性： 滚珠丝杠副发热率低，温升小以及在加工过程中对丝杠采取预拉伸并预 ；紧消除轴向间隙等措施，使丝杠副具有高的定位精度和重复定位精度；传动效率高、定位精度高、传动可逆性、使用寿命长、同步性能好等优点。根据设计任务书要求所选传动形式为丝杠转动，螺母移动的滚珠丝杠。特点是需要限制螺母的传动，需要导向装置。其特点是结构紧凑，丝杆刚性较好，适用于工作行程较大的场合。2）滚珠循环方式的选择滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环两种。内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触。内循环方式的优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小。其不足是反向器加工困难、装配调整也不方便。外循环方式中的滚珠在循环反向时，离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外做循环运动。因为该丝杠用于焊接机器人工作站，其往复运动较频繁，负载不大。内循环中的螺纹预紧螺母式滚珠丝杠结构简单、工艺性好、容易制造，精度符合要求，所以选用此方式。3）精度等级的选择根据JB/T3162.2-91标准，对滚珠丝杠副的精度分成六个等级，即C，D，E，F，G，H级。最高精度为C级，最低精度为H级；而JB/T3162.2-1991为1，2，3，4，5，7，10共七个等级，最高为1级，最低为10级。50050010001000150015002000200025002500300030003500350040004000500050006000123,4,57,10161,23,4,57,10201,23,4,57,10251,23,4,57,10321,23,4,57,10401,23,4,57,10501,23,457,10631,23,457,10801,23,457,101001,23,457,10由于是采用开环进给系统，丝杠传动距离为2734，由上表可得：根据定位精度和重复定位精度的要求可选用4级。4）间隙的调整与预紧方式选择滚珠丝杠副在负载时，其滚珠与滚道面接触点处将产生弹性变形。换向时，其轴向间隙会引起空回，这种空回是非连续的，既影响传动精度，又影响系统的稳定性。在实际应用中，有五种调整预紧系统方法双螺母垫片调整预紧式，双螺母螺纹预紧式，双螺母齿差调整预紧式，弹簧式自动调整预紧式，单螺母变位导程自顶紧式和单螺母滚珠过盈预紧式。双螺母螺纹调整预紧式的特点是结构简单刚度高、预紧可靠，使用中调整不方便。考虑到本次设计精度要求不高，可以尽量选择较简单的预紧形式，故本设计采用双螺母垫片预紧式。5）支撑方式选择丝杠的轴承组合及轴承座以及其它刚性零件的连接不足，将严重轴承丝杠副的传动精度和刚度。为了提高轴向刚度，常用以推力轴承为主的轴承组合来支承丝杠，当轴向载荷较小时，也可用角接触球轴承来支承丝杠。支承方式有单推单推式，双推-双推式，双推简支式，双推-自由式。如下图：其中双推简支式两端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较高，试用于中速传动精度较高的长丝杠传动系统。本设计中滑台距离较长，即丝杠传动系统较长，故选择这种传动方式。因轴向载荷较小，选择角轴承作为双推支点，简支端为深沟球轴承。因转速不高，轴承采用脂润滑。6）止动方式的选择因滚珠丝杠传动效率高，无自锁作用，故在垂直安装状态，必须设置防止因驱动力中断而发生逆传动的自锁、制动或重力平衡装置。常用的制动装置有体积小、重量轻、易于安装的超越离合器。本运动无垂直运动，无需制动装置。7）润滑和密封方式的设计选择滚珠丝杠副可用防尘密封圈或防护套密封来防止灰尘及杂质进入滚珠丝杠副，使用润滑剂来提高其耐磨性及传动效率，从而维护其传动精度、延长其使用寿命。密封圈有接触式和非接触式两种，将其装在滚珠螺母的的两端即可。接触式密封圈用具有弹性的耐油橡胶或尼龙等材料制成，因此有接触压力并产生一定的摩擦力矩，但其防尘效果好。为使滚珠丝杠副能充分发挥机能，在其工作状态下，必须润滑，润滑方式主要有以下两种：（1）脂润滑：润滑脂的给脂量一般是螺母内部空间容积的1/3，部分滚珠丝杠副出厂时在螺母内部已加注GB7324-94 2#锂基润滑脂； （2）油润滑：润滑油的给油量标准如表16所示，但是随行程、润滑油的种类、使用条件（热抑制量）等的不同而有所变化。请注意使用。在这里选用润滑油。润滑油的给油量标准（间隔3分钟） 轴 颈 (mm)给油量 (cc)480.0310140.0515180.0720250.1028320.1536400.2545500.3055630.40701000.501001600.602丝杠选择数值计算过程：（1）上滑台丝杠的设计计算焊接机器人质量，上滑台质量 ，最快速度，滑台移动最大距离，轴向移动误差小于等于，使用寿命，丝杠副的工作载荷：（1） 丝杠副的设计计算： 滚动丝杠摩擦系数： 滚动丝杠摩擦力：设：让滑台在0.1秒内加速到0.12 m/s由 即 牵引力：总工作负载：设传动效率：轴向载荷计算公式： 式中-载荷系数，按下表查得，取=1.1载荷性质无冲击平稳转动一般运动有冲击和振动运转11.21.21.51.52.5 -硬度系数，按下表查得，取=1.0滚道实际硬度HRC58555045401.01.111.562.43.85-精度系数，按下表查得，取=1.0精度系数C、DE、FGH1.01.11.251.43求得载荷（2）根据寿命条件计算额定动载荷，初选导程，可得（3）根据必须的额定动载荷选择丝杠副尺寸，由查启东市华森公司丝杠标准手册得如下规格：考虑各种因素，初选FEZD40053内循环浮动式垫片预紧滚珠丝杠副，其中： 公称直径： 导程： 螺旋角：滚珠直径：圈数列数：13螺纹滚道半径：=0.52=0.523.5= 1.82偏心距：=0.707(-/2)=0.707(1.82-3.5/2)=0.049丝杠底径：=36.9 （4）稳定性验算： 假设为双推-简支（F-S），因为丝杠较长，所以用压杆稳定来求临界载荷 = 式中 -丝杠的弹性模量，对于钢=206GPa； -丝杠危险截面的轴惯性转矩，=； -长度系数，两端用铰接时，=2/3； 取丝杠长： =2.7所以 =5.71故 S=2.53.3(参考下表)，丝杠是安全的不会失稳。 临界转速验证：高速运转时，需要验算其是否会发生共振的最高转速，要求丝杆的最高转速。临界转速可按公式计算： =9910=99101756.3=1440，所以不会发生共振。 支撑方式有关系数双推自由FO双推简支FS双推双推FF稳定系数S342.53.3- 长度系数22/3- 临界转速系数1.8753.9274.730（5）刚度验算：滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T(Nm)共同作用下引起每个导程的变形量为 式中 A-丝杠的截面积，A=； -丝杠的极惯性矩，=； -钢的切变模量，对于钢=83.3GPa； -转矩(Nm)，,其中为摩擦角，这里取，即=246.310.197Nm按最不利的情况，即取，则 丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为 通常要求丝杠的导程误差应小于其传动精度的1/2，即 该丝杠的导程误差满足上式要求，所以器刚度可满足要求。（6）效率验算：滚珠丝杠副的传动效率为 = 要求在90%95%之间，所以该丝杠副能满足使用要求。经上述计算验证，FFZD4005-3各项性能指标均符合设计要求，可以选用。（2）下滑台丝杠的设计计算焊接机器人质量，上滑台质量，下滑台质量 ，最快速度，滑台移动最大距离，轴向移动误差小于等于，使用寿命，丝杠副的工作载荷：（1） 丝杠副的设计计算： 滚动丝杠摩擦系数：滚动丝杠摩擦力：设：让滑台在0.1秒内加速到0.12 m/s由 即 牵引力：总工作负载：设传动效率：轴向载荷计算公式： 按上表查得，取=1.1，=1.0，=1.0求得载荷（2）根据寿命条件计算额定动载荷，初选导程，可得（3）根据必须的额定动载荷选择丝杠副尺寸，由查启东市华森公司丝杠标准手册得如下规格：考虑各种因素，初选FNZD40053内循环浮动式垫片预紧滚珠丝杠副，其中： 公称直径： 导程： 螺旋角：滚珠直径：螺纹滚道半径：=0.52=0.523.5= 1.82偏心距：=0.707(-/2)=0.707(1.82-3.5/2)=0.049丝杠底径：=+2-2 = 40+20.049-21.82=36.46（4）稳定性验算： 假设为双推-简支（F-S），因为丝杠较长，所以用压杆稳定来求临界载荷 = 式中 -丝杠的弹性模量，对于钢=206GPa； -丝杠危险截面的轴惯性转矩，=； -长度系数，两端用铰接时，=2/3； 取丝杠长： =2.7所以 =5.70故 S=2.53.3(参考上表)，丝杠是安全的不会失稳。 临界转速验证：高速运转时，需要验算其是否会发生共振的最高转速，要求丝杆的最高转速。临界转速可按公式计算： =9910=99101740.55=1440，所以不会发生共振。（5）刚度验算：滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T(Nm)共同作用下引起每个导程的变形量为 式中 A-丝杠的截面积，A=； -丝杠的极惯性矩，=； -钢的切变模量，对于钢=83.3GPa； -转矩(Nm)，,其中为摩擦角，这里取，即=332.050.279Nm按最不利的情况，即取，则 丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为 通常要求丝杠的导程误差应小于其传动精度的1/2，即 该丝杠的导程误差满足上式要求，所以器刚度可满足要求。（6）效率验算：滚珠丝杠副的传动效率为 = 要求在90%95%之间，所以该丝杠副能满足使用要求。经上述计算验证，FFZD 4005-3各项性能指标均符合设计要求，可以选用。三、机器人工作滑台与滚动导轨副选择与设计1.直线运动滚动导轨副的特点及要求 1）特点：（1）摩擦系数小，运动灵活； （2）动静摩擦系数相同，因而启动阻力小，不易产生爬行； （3）可以预紧，刚度高； （4）寿命长； （5）精度高； （6）润滑方便，可以采用脂润滑，一次装填，长期使用；（7）由专业厂生产，可以外购选用。2）基本要求：（1）导向精度；（2）耐磨性；（3）刚度；（4）工艺性由于滚动直线导轨副的特殊结构，使其具有垂直向上、向下和左右水平四方向额定载荷相等（见图）,且额定载荷大，刚性好，刚度高，三个方向抗颠覆力矩能力大，适用于各种载荷机床。本次设计选用此型号的滚动直线导轨副。2滚动导轨副的分类 直线运动滚动导轨副的滚动体有循环和不循环两种类型。这两种类型又将导轨副分成多种形式。按照滚动体不循环的有滚珠导轨副，滚针导轨副，圆柱滚子导轨副等；滚动体循环的有筏子导轨块，滚动花键副，直线运动球轴承及其支承，滚珠导轨块。3.导轨的结构和作用直线滚动导轨副包括导轨条和滑块两部分，主要功用是导向和承载。导轨通常为两根，装在支承件上。每根导轨条上有两个滑块，固定在移动件上，如移动件较长，也可在一根导轨条上装3个或3个以上滑块。如移动件较宽，也可以用3根或3根以上的导轨条。如果移动件的刚度较高，则少装为好。在两条导轨条中，一条为基准导轨，上面有基准面，滑块上有基准面；另一条为从动导轨。导轨材料选择低合金铸铁。4.直线滚动导轨副的计算（1）上滑台滚动导轨副计算直线滚动导轨副的计算与滚动轴承相仿，以在一定的载荷下行走一定的距离，90%的支承不发生点蚀为依据。这个载荷称为滚动导轨的额定动载荷，可从产品样本中查到。直线滚动导轨副的主要参数，其中为额定动载荷，为额定静载荷（KN）。这个行走距离称为滚动导轨的距离额定寿命，它可以根据滚动导轨的额定动载荷用下面公式进行计算：滚动体为球时 式中：为滚动导轨副的距离额定寿命（km）；为额定动载荷（N），初选滚动导轨型号后，可以从样本中查出 初选导轨为南京工艺装备制造的GGB20AA型导轨。额定动载荷=13.70KN，额定静载荷=19.27KN。导轨参数如工程图。 为每个滑块上的工作载荷（N）；F=270.94/4 = 67.735N 为硬度系数，由下表查得：取=1.0导轨面硬度 HRC58645550硬度系数 1.00.80.53 为温度系数，当工作温度不超过100时，=1；由下表查得工作温度（）100100150150200200250温度系数1.000.900.730.60 为接触系数，由每根导轨上滑块数决定，=0.81，由下表查得每根导轨滑块数二个三个四个五个接触系数 0.810.720.660.61 为载荷/速度系数，由下表查得，取=1.5冲击、速度情况无冲击振动轻冲击振动有冲击振动载荷/速度系数11.51.522.03.5 计算可得: 如果把距离额定寿命换算为小时额定寿命，则 = 式中S为移动件行程长度（m）；为移动件每分钟往复次数（min-1），为安全起见，取，可得 设计所需时间15000，满足设计要求，初选的导轨可用。（2）下滑台滚动导轨副计算 初选导轨为南京工艺装备制造厂的GGB20AA型导轨。额定动载荷=13.70KN额定静载荷=19.27KN。导轨参数如工程图。 为每个滑块上的工作载荷（N）；F=/4 = 91.31N 查（1）的表格，取=1.0，=1，=0.81，=1.5 计算可得: 如果把距离额定寿命换算为小时额定寿命，则 = 式中S为移动件行程长度（m）；为移动件每分钟往复次数（min-1），为安全起见，取，可得 设计所需时间15000，满足设计要求，初选的导轨可用。5.滚动导轨的润滑与防护要注意工作环境与装配过程中的清洁，不能有铁屑、杂质、灰尘等粘附在导轨副上。若工作环境有粉尘时，除利用导轨的密封外，还应考虑增加防尘装置。如下图所示。 润滑的主要目的是减小磨擦和磨损以防止过热，破坏其内部结构，影响导轨副的运动功能。当滚动直线导轨副的运行速度为高速时（V15m/min）,推荐使用N32润滑油（GGB443-84）,40时28.535.2cst, 相当于旧标准的20号机械油，定期润滑或接油管强制润滑（如下图所示）。低速时（V15m/min）推荐使用锂基润滑脂润滑。本次设计的最高时速为 2m/min，所以选用脂润滑。 6滚动导轨装配图四、控制系统的设计1负载等效转动惯量的计算（1）工作台是移动部件，其移动质量折算到滚珠丝杆轴上的转动惯量滚轴丝杠的等效转动惯量的计算（丝杠材料选用钢材）（2）折算到电机上的总等效转动惯量(电机与丝杠直联)=+ = 1.45 + 53.58= 55.032下滑台电机负载等效负载转矩的计算 （1）快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩 为电动机所用的加速时间；（2）移动部件运动时折算到电动机上的摩擦转矩 （3）滚珠丝杆预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩 式中：-滚珠丝杆的预紧力，一般取滚珠丝杆工作载荷Fm的1/3，单位为N -为滚珠丝杆未预紧时的传动效率，一般取（4）快速起动时电动机转轴所承受的负载转矩 而折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tf所以最大工作负载状态下电动机转轴所能承受的负载转矩经过上述计算后，可知加在步进电机转轴上的最大等效负载转矩应为（5）初步选择混合式步进电机（BYG系列）三相六拍，步距角为1.2的反应式步进电动机。取安全系数K=3，则电机所需输出转动惯量初选电机型号：130BYG3502技术参数：步距角为1.2，三相六拍，电压80325V，电流6A，最大静转矩37，空载启动频率1500HZ，空载运行频率15000HZ，转动惯量48电机传动比公式： 已知所选，电机直联 由 得：可得脉冲当量：误差0.05，可选此电机。电机步矩角运算公式：（6）电机转矩验算查表得，齿轮传动效率：,丝杠传动效率总的传动效率：传递功率：电机所需功率：转矩： 所以电机符合要求。3、步进电动机的驱动与控制步进电动机的运行特性与配套使用的驱动电源有密切关系,驱动电源由脉冲分配器、功率放大器等组成。驱动电源是将变频信号源送来的脉冲信号及方向信号按要求的配电方式自动地循环供给电动机各相绕组，以驱动电动机转子正反向旋转。变频信号源是可提供从几赫兹到几万赫兹的频率信号连续可调的脉冲信号发生器。连续可调的脉冲信号发生器。系统总体控制采用单片机控制的方式，由于所需实现的功能较简单，采用汇编的形式。4、程序的编制（1）三相六拍分配状态 表3-1 三相六拍分配状态转向1-2相通电CPCBA代码转向 正A000101H反AB101103HB201002HBC311006HC410004HCA51010CH （2）该电动机是三相六拍，控制精度0.0125mm/步。 所以转动一圈移动6mm，因为滑台最大移动距离2520mm ,所以移动到另一端转动圈数为420圈。可赋值R1=168=0A8H，R2=200=0C8H,R3=6（3）程序ORG 0000HAJMP MAINORG 000BHAJMP TT0ORG 0100HMAIN: LP9： MOV R1，#0A8H LP1： MOV R2，#0C8H （赋步数值）LP2： MOV R3, #06HMOV DPTR，#TAB1LP3： CLR A MOVC A，A+DPTR （查表1）MOV P1,AMOV R0,#34H （赋延时）LP4： DJNZ R0，LP4INC DPTR （正转指向下一步）DJNZ R3，LP3DJNZ R2，LP2DJNZ R1，LP1MOV R1，#0A8HLP5： MOV R2，#0C8HLP6： MOV R3, #06HMOV DPTR，#TAB2 LP7： CLR AMOVC A，A+DPTR （查表2）MOV P1，AMOV R0，#34HLP8： DJNZ R0，LP8INC DPTR （反转）DJNZ R3，LP