WJ037-01-四轴联动焊接机床XA轴机械结构设计【原创设计】
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广西科技大学 鹿山学院 普通本科毕业设计任务书 课题名称 四轴联动焊接机器人 机械结构设计 系 别 专 业 机械工程及自动化 (数控） 班 级 学 号 姓 名 指导教师 唐 清 春 2016 年 1 月 5 日 一、 课题的主要内容和基本要求 1、通过图书、期刊、网络等各种途径，广泛阅读相关文献资料，了解 四轴焊接机器人的相关知识，并完成自己的文献综述。 2、了解 四轴联动 焊接机器人实际应用的意义和该类机器人的发展现状，对焊接机器人的原理，构造运动轨迹进行全面认识，全面把握焊接机器人的机械结构、电机分配等。 3、深入分析课题，选择实现方便、稳定、安全、高效的方案，完成 四轴 焊接机器人的结构设计。 4、按要求完成学院规定的其他各项文档，如开题报告、外文翻译等。 二、进度计划与应完成的工作 一）进度计划 1、第 1 2 周：分析课题、查找文献、完成专业文献翻译、撰写综述或读书报告、论证设计方案、写出开题报告 2、第 3 5 周：总体设计与计算 3、第 6 11 周：结构设计并完成全套图纸，进行工艺和经济性分析 4、第 12 周：编写设计说明书 5、第 15 周：答辩准备、评审、答辩 二）应完成的工作 1. 专业英文译文（ 3000 汉字以上） 2. 毕业设计调研开题报告（ 2000 字以上） 3. 绘制 4 张 （ 1 张 须手 工绘制） 4. 设计说明书不少于 50 页（ 印） 5. 按要求填写毕业设计手册 二、 主要参考文献、资料 1、许成林、彭国勋等编 M南大学出版社， 1998: 1032、贾安东焊接结构与生产 M北京：机械工业出版社 3、成大先主编 三版 卷） M学工业出版社， 1994. 4、蔡春源主编 M5、王润孝，秦现生主编 M6、成大先主编 单行本），减速器、电机与电器） M学工业出版社， 2004. 7、 任工昌 主编 习 指南 M西北大学出版社 ， 2002. 8、龚桂义、潘沛霖 M等教育出版社， 2004. 9 、濮良贵、纪名刚主编 M等教育出版社， 2004. 10、 周开勤主编 M等教育出版社， 2004. 11、吴宗泽主编 M学工业出版社， 1988： 2512、姜培刚， 盖玉先主编 M械工业出版社， 13、文怀兴，夏田 M 学工业出版社， 4、江耕华、胡来榕、陈启松等编 M1983. 15、郑文纬、吴克坚主编 M等教育出版社， 2003. 16 、成大先主编 单行本）机械传动） M学工业出版社， 2004. 17 、刘超儒，彭福荫，高政一主编 M等教育出版社， 2001. 18 、机 械设计实用手册委员会编 . 机械设计实用手册 M械工业出版社，19 、哈尔滨工业大学理论力学教研室编 M等教育出版社，20 、单辉祖主编 M等教育出版社， 2006. 21、王永华 用技术 M 京航空航天大学出版社 22、丁学文电气控制与工程实习指南 M 北京：机械工业出版社 23、齐乐华工程材料及成型工艺基础 . M陕西：西北大学工业出版社 24、贾安东焊接结构与 生产 M北京：机械工业出版社 25、中国焊接协会焊接手册：第三卷 M 2 版北京：机械出版社 26、陈祝年焊接工程手册 M北京：机械工业出版社 指导教师签字： 年 月 日 广西科技大学鹿山学院 毕业设计（论文）开题报告 题 目： 四轴联动焊接机器人 机械结构设计 系 别： 专业班级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 二 年 月 日 一、选题的背景和意义 （所选课题的历史背景、国内外研究现状和发展趋势） 在科技日益发达的今天，机器人已逐步进入人类的生产生活当中。当初只能在电视电影上看到的机器人，那些能够举起千斤重物的机器人，能够在墙上飞檐走壁的机器人。在我们这个时代已经不是梦想，在大街上我们可以看到爬壁机器人的高空作业，在深海机器人又可以代替人类考察，甚至上月球进行研究考察数据。这些机器人将在我们的生活中越来越平凡。 在工业生产中机器人更有人类难以取代的位置。机器人可 以在恶劣的环境下代替人类工作，机器人不会觉得累。在焊接方面机器人更是做的比较出色。对于线条、点面进行的焊接精确度是相当的高。焊接机器人的质量直接就决定了生产制造出的产品的质量，所以制造一个精度高，机构精巧的焊接机器人是必不可少的。 机器人在现代化生产生活中具有广泛的应用，尤其是工业机器人的应用。工业机器人是一种多用途的机器人。在恶劣的环境中机器人可以代替人类完成绝大部分的工作，因此工业机器人在高温、低温、缺氧、等环境中应用较多。焊接机器人的应用在半自动化生产中比较广泛，如汽车外壳、底盘的生产等。 从 大角度来看国内焊接机器人的应用不少，但是国人自主研发的焊接机器人还是比较薄弱的，在生产中大多用的是德系，日系等国外技术生产的机器人。就国内国人自足研发焊接机器人，其重要部件如电机等还是需要向外国订购。从这方面可以看出，虽然中国是一个大国，但工业发展还是落后与其他小国家的。 不管国内还是国外对于焊接机器人的需求都是很大的，拥有一款好的焊接机器人将在焊接行业占领主导地位。从 20 世纪 90 年代以来，计算机的迅速发展，人工智能、传感器技术等大部分新型技术都应用到了焊接机器人当中。使焊接机器人越来越接近人工智能，焊 接技术也越来越高。 焊接机器人（ 据国际标准化组织（ 业机器人术语标准焊接机器人的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机（ ，具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。为了适应不同的用途，机器人最后一个轴的机械接口，通常是一个连接法兰，可接装不同工具或称 末端执行器。焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰装接焊钳或焊（割）枪的，使 之能进行焊接，切割或热喷涂。随着电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展，焊接机器人工 作站，从 60 年代开始用于生产以来，其技术已日益成熟，主要有以下优点： 三、研究方法及措施 通过对国内外相关资料文献的学习，使我对焊接机器人的结构、性能等有了一定的了解。拟采用以下的 措 施研究 ： 第一步 , 构思焊接机器人的结构，例如：机器人的运动结构等。 第二步，利用 计算机辅助软件实现装置的初步设计， 并确定焊接机器人 第三步，通过查阅相关资料完成必要零件的选型与设计，例如：电机、齿轮等。 第四步，完成机械图的绘制。 （ 1） 稳定和提高焊接质量； （ 2）提高劳动生产率； （ 3）改善工人劳动强度，可在有害环境工作； （ 4）降低了对工人操作技术要求； （ 5）缩短了产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资； 二、研究的基本内容和拟解决的主要问题 研究内容 了解焊接机器人实际应用中的意义和该类机器人的发展现状，对焊机机器人的原理、构造、运动轨迹有全面的认识，以及对机器人的机械结构、电机分配有全面的把握。对该课题进行 深入的分析，选择实现方便、稳定、安全、高效的方案，完成小型焊接机器人 机械 结构设计。 拟解决主要问题 1) 需要对小型焊接机器人的整个结构的构思； 2) 通过结构的设计选择合适的电机； 3) 根据机械结构设计合理的传动结构； 4) 需要对设计的传动机构及零件进行校核； 5) 完成焊接部分的结构设计，使机器人能够实现焊接； 6) 学习绘图 制部分装配图 和总装图。 四、研究工作的步骤、进度 研究工作的步骤及进度 1、第 1 2 周：分析课题、查找文献、完成专业文献翻译、撰写综述或读书报告、论证设计方案、写出开题报告 2、第 3 5 周：总体设计与计算 3、第 6 11 周：结构设计并完成全 套图纸，进行工艺和经济性分析 4、第 12 周：编写设计说明书 5、第 15 周：答辩准备、评审、答辩 五、主要参考文献 （其中外文文献不少于 2 篇） 1 许成林、彭国勋等编 M南大学出版社， 1998: 1032 贾安东焊接结构与生产 M北京：机械工业出版社 3 成大先主编 三版 卷） M学工业出版社， 机械零件手册 M4 王润孝，秦现生主编 M5 成大先主编 单行本），减速器、电机与电器） M学工业出版社， 2004. 6 任工昌主编 M北大学出版社， 2002. 7 龚桂义、潘沛霖 M等教育出版社， 2004. 8 濮良贵、纪名刚主编 M等教育出版社， 2004. 9 周开勤主编 M等教育出版社， 2004. 10 苏学成 ,樊炳辉 ,李贻斌等 . 试论煤 矿机器人的研究与开发 J. 机器人 ,1995(3) . 11 Y. B. M. R. R. o 2000). 12 . 六、导师评语： 签字： 年 月 日 毕业设计 (论文 ) 课题名称 四轴联动焊接机床 机械结构设计 系 别 专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师 教研室主任 系 主 任 年 月 日 要 本文 全面阐述了 四轴联动焊接机器人 的结构原理，设计特点，论述了采用 伺服 电机和滚珠丝杠螺母副的优点。详细介绍了 四轴联动焊接机器人 的结构设计及校核，并进行了分析。另外汇总了有关技术参数。 高速度、高精度、高效率和高刚度已成为当今数控机床发展的主要方向，为了弥补这些不足，龙门 四轴联动焊接机器人 便 应运而生 ,大大提高了零件的精度和效率，降低生产成本，因此 四轴联动焊接机器人 X 轴与 A 轴进给运动机构设计成为当前数控机床行业重点研究的对象之一。 其中着重介绍了滚珠丝杠的原理及选用原则，系统地对滚珠丝杠生产、应用等环节进行了介绍。包括种类选择、参数选择、精度选择、循环方式选择、与主机匹配的原则以及厂家的选择等。 关键词 ： 四轴联动焊接机器人 ， 数控 ，伺服 电机 ， 滚珠丝杠 V 目 录 摘 要 . 录 . 1 章 绪 论 .接技术的概述 .接技术的发展趋势 .代焊接技术的运用及特点 .轴联动焊接机器人的基本原理 .题研究的目的和意义 . 2 章 设计的内容及要求 .题的主要内容和基本要求 .设计的内容 . 数控装置总体方案的确定 . 机械部分的设计 . 编写设计说明书 .床主 要部件及运动方式的选定 . 3 章 X 向进给伺服进给结构设计 .滚珠丝杠螺母副的计算和选型 . 最大工作载荷的计算 .设 500已知重力（ N） 00 ，为直线导轨，查表 3大工作载荷 计算如下： . 最大动载荷的计算 . 滚珠丝杠螺母副的选型 . 滚珠丝杠副的支承方式 . 传动效率的计算 . 刚度的验算 . 稳定性校核 .V 临界转速的验证 .步进直线电机的计算和选用 . 转动惯量的计算 . 电机力矩的计算 .步进直线电机的选择 . 丝杠轴向间隙的调整和加预紧力的方法 .导轨副的计算、选择 .联轴器的选择 .轴承的选择 . 4 章 A 向机构设计计算 . 初步确系统压力 . 升降液压缸计算 . 活塞杆的计算校核 . 液压缸工作行程的确定 . 活塞的设计 . 导向套的设计与计算 . 端盖和缸底的计算校核 . 缸体长度的确定 . 缓冲装置的设计 .0 液压缸的选型 .架的设计计算 .、支腿危险载面的强度验算 .、下横梁的强度验算 . 考虑约束弯曲而使应力增大的系数； .测架 受力分析 .面强度计算 .面剪切强度计算 .结 .考文献 .I 致 谢 . 第 1 章 绪 论 随着计算机与信息技术的工业应用，促进了传统的点焊机生产向“精量化”的制造方式而转变。 接技术的概述 焊接技术作为制造业的传统基础工艺与技术，在工业中应用的历史并不长，但它的发展却是极其迅速的。在短短的几十年中焊接已在许多工业部门中为工业经济的发展作出了重要贡献，在各个重要的领域像航空航天、造船、汽车、桥梁、电子信息、海洋钻探、高层建筑金属结构中均广泛应用，使焊接成为一种重要制造技术和材料科学的一个重要专业学科，故开创了连接技术的新篇章。 随着科学技术的发展，焊接已经从简单的构件连接方法及毛坯制造手段发展成为制造行业中一项生产尺寸精确的产品生产的手段。因此，保证其焊接 产品质量的稳定性和提高劳动生产率已经成为焊接生产发展的急待解决的问题。 在机械制造产业中过去一直用整铸整锻方法来生产大型毛坯改成了焊接结构，这大大的简化了生产工艺，降低了成本。许多尖端技术像宇航、核动力等假如不采用焊接结构，则是不可能实现的。 焊接在整个工业中的地位还可以从这样一个事实来判断，即世界上主要工业国家每年生产的焊接结构约占钢产量的 45%左右，且焊接结构之所以有如此迅速的发展是因为它具有一系列优点。下面举例说明一下：与铆接相比它可以节省大量金属材料，大约可减轻 15金属材料，因为 它不需要辅助材料，比如角钢、平板，更不需要铆钉，而且柳接件经过很长时间以后有可以会松动，影响质量，但焊接绝是不可能的，虽然只有一道焊缝，但它属于原子结核，所以能够充分的解决一切问题。其次焊接结构生产不需打孔，划线的工作量也比较少，因此比较省工、省时间，工作效率当然就要高多了 1。 焊接技术与铸造技术是有着较大的区别的。 与铸件相比焊接结构生产不需要制作木模和砂型，也不需要专门 熔炼，浇铸，工序简单，生产周期短。这一点对于单件和小批量生产特别明显，换句话说，和铸件相比就是特别的节省时间也就是工作效率高，其次，焊接结构比铸件节省材料，一般情况下，2 它比铸钢轻 20上，比铸铁件轻 50这主要是因为焊接结构的截面可以按设计的需要来选取，不必象铸件那样因工艺的限制而加大尺寸。因为液体要想让它流动的好充分到位，就必须要有较大的空间，这势必会用到更多的金属材料。比如 12000 吨水压机的下横梁采用焊接结构，净重 260 吨而如果采用铸钢件则重量将达 470 吨，重量减轻将近 45%，这是因为 铸造毛坯不易保证尺寸精度，顾加工裕量就会非常大，这样所用的液体金属当然就会多许多，而且占用的时间也非常长，这是因为熔化与冷却金属都是要用很长时间的原故，再有焊接车间所需要的设备和厂房投资一般都比生产同样重量毛坏的铸造车间低，它只需要一定的场地和所必要的电源，不需要特别复杂的工艺就可以进行加工，一条焊缝就已经完全解决问题了，所以焊接和铸造比较之下即省工又省料同时又非常经济便宜 7。 以上对比说明了焊接的质量及其工作效率的优越性。有些构件在某些特定的部位它的材质有特殊的强度要求，就像大型齿轮的轮缘部分，它是必 须要用高强度的耐磨优质合金钢，这样才能常时间的使用和保证它的质量，但这种钢材很贵，这就会大大提高了成本，所以其它部分为了节省材料可用一般钢材来制造，这样即提高了齿轮的使用性能，使结实耐磨，又节省了优质钢材降低了成本，这就用到了拼焊的方法，像堆焊与摩擦焊，把工件分别加工后再进行拼接，形成一个很完美的整体，可见这也是很有优势的。 因为以上所介绍的这些焊接的优点，故只要正确的认识和切实的掌握它，并能合理的运用就能够获得高质量的构件，所以焊接是绝对不可替代的并且值得努力发展的一门技术。 接技术的发展趋势 通过大力开发高效节能点焊机新技术、新材料、新工艺和新设备、应用机器人技术，灵巧轻便的智能设备及计算机和信息 ,随着世界制造业的快速发展，焊接技术的应用越来越广泛，焊接技术水平也越来越高。新的焊接工艺方法则不断涌现，专业焊接设备日新月异。与此同时，国内外的焊接设备生产企业也纷纷通过各种方式展示自身的实力，特别表现是其品种繁多的产品和先进的技术。核心技术作用得以显现，数控和电源方面有发展，激光焊接技术成为了一大亮点，机器人的应用普及化。可以认为，世界焊接技术又跨上了一个新的台阶，在高效、自动化、环境友好方面有了 新进步；焊接材料种类更丰富，焊接自动化、高效化、清洁化更加突出；焊接技术综合成本更低，焊接对工业的 3 服务更加广泛。同时，焊接中存在的手工、脏乱、粗糙 、 低速已基本消除，取而代之的是自动、精密、清洁及高效。 代焊接技术的运用及特点 在科技发达的现代社会，钢材被大量的运，所以焊接是必不可少的。比如，表面焊接技术是现代机械制造及维修业中一种必要的工艺方法，在汽车制造、维修中得到广泛应用，而且点焊有着生产量大、自动化程度高等特点，故其运用很广泛。焊接技术还广泛应用于航空、航天、能源、电子、汽车及轻工等各工业 部门。现代点焊技术将会更多的运用新技术、新材料、新工艺，将传统的焊接技术中优点继续保持，将传统技术中的缺点找出并进行完善，使其达到高效、自动、精密、便于运用。 轴联动焊接机器人 的基本原理 数控控制（ 是用数字化信号对机床的运动及其过程进行控制的一种控制方法。 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，是现代化工业生产中的一门新型的，发展十分迅速的高新技术。数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所 谓的数字化装备，其技术范围所覆盖的领域又：机械制造技术；微电子技术；信息处理传输技术；自动控制技术；伺服驱动技术；检验监控技术；传感技术；软件技术等。数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的是能技术和最基本的装备。在提高生产率，降低成本，保证质量及改善工人劳动强度等方面，都有突出的优点；特别是在适应机械产品迅速更新换代，小批量，多品种生产方面，各类数控装备是实现先进制造技术的关键。 数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。国际信息处联盟（ 第五技术委员会，对数控机床作了如下的定义：数控机床是一种装了程序控制系统的机床。该系统能逻辑的处理具有使用码或其他符号编码指令规定的程序。 四轴联动焊接机器人 经过长期的技术发展和推动，已从传统的单轴式发展到多轴 式，从传统 四轴联动焊接机器人 发展到现代化智能的加工中心，从单面的加工发展到多 4 面的加工，发展速度快，技术比较成熟。但是对于龙门五面体加工中心，由于我 国基础技术薄弱，研究方法落后，资金投入不足等原因，以及国外对核心技术的 封锁 ，导致我国五面体加工中心发展缓慢 4。从 四轴联动焊接机器人 主要部件的发展情况来看，国内外 四轴联动焊接机器人 的龙门和滑枕的机构基本都具有以下特点： 1. 龙门 主要是由一个横梁和两个立柱构成。分为横梁固定、横梁靠定位块 锁定分段升降和横梁任意升降三种类型。横梁固定式结构机床刚性好，但不适合 加工大型工件，因为在加工靠近工作台面的工件部位时，滑枕伸出长度过大，加 工刚性较差，影响加工尺寸精度；横梁靠定位块锁定分段升降型结构机床刚性较 好，但横梁升降运动不能与滑枕上下移动联动，且操作较复杂；横梁任意升降型 结构 横梁升降运动可以与滑枕上下移动联动，加工范围较广，适合新产品开发。 立柱和横梁的横截面为矩形，刚性好，可耐重切削并长期保持高精度。主轴箱在 横梁上的导轨有自重平衡装置，其动作灵活、迅速且准确。由于主轴箱左右移动 时，横梁升降用滚珠丝杠所受负载有变动，使精度降低，所以采用配置在横梁左 右两侧的油缸来平衡主轴箱左右移动造成的变动负载和横梁本身的自重，以提高 机床的精度。 2. 滑枕 从结构上可分为开式和闭式两种型式。开式结构的滑枕通过压板夹 紧在主轴箱上，滑枕的截面积大；闭式结构的滑枕被夹紧在主轴箱内，滑枕的截 面积小。主轴箱内有液压平衡装置，使滑枕上下移动灵活，可实现强力重切削。 主轴滑枕内部采用强制内冷却，即使作长时间连续重切削，也可保持高精度。滑 枕的行程以满足工件侧面下部的加工要求为宜，不宜太长，以免影响加工时的机 床刚度。滑枕采用一体型的结构，以提高机床的整体刚性。 题研究的目的和意义 我国近几年 四轴联动焊接机器人 进给机构虽然发展较快，但与国际先进水平还存在一定的差距，主要表现在：可靠性差，外观质量差，产品开发周期长，应变能力差。 针对传统 四轴联动焊接机器人 进给机构的不足之处及生产中存在的问 题，有必要在传统机床的基础上研究出新型 四轴联动焊接机器人 进给机构。通过对传统铣床手动的进 5 给系统、夹紧系统及传动系统的创新设计，加入新技术，从而提高产品质量和生产效率，实现自动化，降低劳动强度及工作量。 四轴联动焊接机器人 进给机构的发展现状和趋势是：在规格上将向两头延伸，即开发小型和大型进给机构；在性能上将研制以钢为材料的进给机构，大幅度提高进给机构的承载能力；在形式上继续研制多轴并联，甚至于五轴并联的进给机构。 综上所诉， 四轴联动焊接机器人 进给机构的开发和设计具有很高研究的意义 果的方法，进行 四轴联动焊接机器人 进给机构的设计，使其能够实现更好的工业生产自动化。 本课题对 四轴联动焊接机器人 进给机构部件进行了设计，研究 四轴联动焊接机器人的结构，主要部件及典型零件的设计方法，其意义如下： 1、通过对数控机床的结构设计和研究掌握机构设计的一般步骤和方法； 2、通过对课题的研究，了解国内外有关数控机床的技术现状和发展趋势； 3、通过毕业设计培养自己的创新精神，提供分析问题和解决问题的能力。 第 2 章 设计的内容及要求 题的主要内容和基本要求 一、 课题的主要内容和基 本要求 6 1、通过图书、期刊、网络等各种途径，广泛阅读相关文献资料，了解四轴焊接机器人的相关知识，并完成自己的文献综述。 2、了解四轴联动焊接机器人实际应用的意义和该类机器人的发展现状，对焊接机器人的原理，构造运动轨迹进行全面认识，全面把握焊接机器人的机械结构、电机分配等。 3、深入分析课题，选择实现方便、稳定、安全、高效的方案，完成四轴焊接机器人的结构设计。 4、按要求完成学院规定的其他各项文档，如开题报告、外文翻译等。 二、进度计划与应完成的工作 一）进度计划 1、第 1 2 周：分析课题、查找文献、完 成专业文献翻译、撰写综述或读书报告、论证设计方案、写出开题报告 2、第 3 5周：总体设计与计算 3、第 6 11周：结构设计并完成全套图纸，进行工艺和经济性分析 4、第 12周：编写设计说明书 5、第 15周：答辩准备、评审、答辩 二）应完成的工作 1. 专业英文译文（ 3000汉字以上） 2. 毕业设计调研开题报告（ 2000字以上） 3. 绘制 4张 1张 4. 设计说明书不少于 50页（ 5. 按要求填写毕业设计手册 设计的内容 控装置总体方案的确定 (1) (2)较，论证。 械部分的设计 (1) (2) (3)算和选用； (4) 7 (5) (6) (7) 写设计说明书 (1) 说明书是设计的总结性技术文件，应叙述整个设计的内容，包括提方案的确定，系统框图的分析，机械传动设计计算，选用元器件参数的说明； (2)论文正文不少于 10000 字。 床主要部件及运动方式的选定 （ 1）伺服电机的选择 本次设计选用交流伺服电机，根据本进给系统定位精度的要求，初步选用半闭环伺服系统。如果经计算后半闭环系统不能满足定位精度要求，可改用全闭环伺服系统。交流伺服电机有交流同步电机和交流感应电机。交流感应电机结构简单，与同容量的直流伺服电动机相比较，质量轻、价格便宜。缺点是不能经济的实现范围较大的平滑调速。所以数控机床的进给系统中一般不采用这种电 动机。 交流同步电动机的转速与所用电源的频率之间存在一种严格的关系，即在电源电压和频率固定不变时，它的转速是稳定不变得。由变频电源供电给同步电动机时，便可方便地获得与频率成正比的可变速度。并可得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。其结构虽然比感应电动机复杂，但比直流电动机简单。同步电动机又分为电磁式和非电磁式两大类。在后一类中又有磁滞式、永磁式和反应式多种。在数控机床的进给驱动系统中，多采用永磁式同步电动机。在数控机床进给驱动中，采用具有大转矩、宽调速并装有反馈元件的机电一体化的 永磁式交流同步电动机已十分普及。 （ 2）滚珠丝杠螺母副的选择 滚珠丝杠具有高精度、高刚度、高效率及无间隙等优点。特别是在半闭环加工系统中，滚珠丝杠自身的精度对机床加工精度有很大的影响，定位精度在很大程度上受到滚珠丝杠精度的影响。 滚珠螺母副 4的滚珠循环方式一般会分为外循环和内循环两种。对于内循环方式，滚珠在循环过程中始终保持与滚珠丝杠接触。内循环滚珠丝杠螺母副工作滚珠数目少，8 径向尺寸紧凑，摩擦损失少，流畅性好，传动效率高 ，轴向刚度好，但回珠器槽行比较复杂，需三坐标数控机床才能进行加工。外循环过程中滚珠与丝杠脱离接触，目前使用插管完成滚珠循环的结构，结构简单，工艺性好，但滚道管子突出于螺母外面，所以外循环滚珠丝杠螺母径向尺寸较大。滚珠和滚珠丝杠螺母副接触处有过盈配合，即两者达到预紧；滚珠丝杠螺母副事先通过调节左右螺母的相互离开和靠近消除间隙。常用的消除间隙或预紧的办法有垫片是调隙结构、螺纹式调隙结构和齿差式调隙结构。本次设计采用垫片式调隙结构。 （ 3）导轨副的选用 要设计的进给机构的导轨选用贴塑导轨，它属于滑动导轨，是在机床的动导轨面上贴上一层抗磨软带，导轨副的另一个固定导轨面为磨削面。这样就会使导轨摩擦系数变为 轨速度可达 30m/度比较高，动、静摩擦系数差值小，没有爬行。耐磨性与铸铁对铸铁导轨副相比可提高 1 3 倍。 9 第 3章 X 向进给伺服进给结构设计 第一节 总体设计方案 这个设计的四轴联动焊接机器人是由 焊钳和底座 、 旋转机构、平行移动机构、焊 钳悬浮机构 。 其机械结构示意图如下： 2轴联动点焊机床结构图 其中 轴器、导轨设计、轴承的选择和电机的选择以及支撑件支架的设计。 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 最大工作载荷的计算 假设 X 轴行程 为 500已知重力（ N） 00 ，为直线导轨，查表 3大工作载荷 计算如下： )2( = )( (式中： K 为考虑颠覆力矩影响时的实验系数，取 10 为滑动导轨摩擦系数，取 最大动载荷的计算 3(610/60 (m 0/1 0 0 0m a x (式中： L 滚珠丝杠副的寿命系数，单位为 610 r； T 丝杠寿命，取 15000； 载荷系数，一般取 硬度系数取 1； 横向丝杠副最大工作载荷，其值为 横向滚珠丝杠导程，初选为 横向最大工进速度，该设计值为 .0 m ； n 横向最大工进速度对应丝杠的转度，单位 r 。 计算得出得 ： 滚珠丝杠螺母副的选型 根据计算出的最大动载荷选择江苏启东润泽机床附件有限公司生产的用双螺母方式预紧，精度等级为 3级，其参数如表3 表 3滚珠丝杠相关参数 公称直径/导程/钢球直径/丝杠外径/丝杠底径/额定载荷/接触刚度 / 1 0dhPd 2d 453 11 32 5 9 4 滚珠丝杠副的支承方式 考虑到横向滚珠丝杠副的长度、精度与负载的大小以及改造成本，采用双推 方式轴向刚度高，位移精度好，可以进行预拉伸。 传动效率的计算 =) (式中： 螺距升角，d ,可得 =2 28； 摩擦角，一般取 =10。 算得： =)01822822 = (刚度的验算 1 = （“ +”号代表拉伸，“ -”代表压缩） 式中： 丝杠的最大工作载荷，单位为 N ； 丝杠纵向最大有效行程，单位为 E 丝杠材料的弹性模量，钢 M P ； S 丝杠的横截面面积，单位 2丝杠螺纹的底径2d确定。 根据设计， 4202d为 算得： 1 =25 ) 5 9 = ( (= 4.7 m 查表 3m 131 50 工作压力/满足最低速度的要求。 490 （ 4 式中 许用应力； M P b （ 的抗拉强度为375 400位安全系数取 5，即活塞杆的强度适中） 3活塞杆的结构设计 活塞杆的外端头部与负载的拖动油马达机构相连接，为了避免活塞杆在工作生产中偏心负载力，适应液压缸的安装要求，提高其作用效率，应根据负载的具体情况，选择适当的活塞杆端部结构。 活塞杆的密封形式有 6。采用薄钢片组合防尘圈时，防尘圈与活塞杆的配合可按 H9/取。方便设计和维护，本方案选择 压缸工作行程的确定 液压缸工作行程长度可以根据执行机构实际工作的最大行程确定，并参照表 4标准值。液压缸活塞行程参数优先次序按表 4a、 b、 表 4a）液压缸行程系列（ 3496 25 50 80 100 125 160 200 250 320 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3200 4000 表 4b） 液压缸行程系列（ 3496 40 63 90 110 140 180 220 280 360 450 550 700 900 1100 1400 1800 2200 2800 3600 表 4c） 液压缸形成系列（ 3496 240 260 300 340 380 420 480 530 600 650 750 850 950 1050 1200 1300 1500 1700 1900 2100 2400 2600 3000 3400 3800 根据设计要求知快速接近工件，行程根据任务书要求，根据表 3可选取垂直方向液压缸的工作行程为 900选取水平方向液压缸的工作行程为 1000 塞的设计 由于活塞在液压力的作用下沿缸筒往复滑动，因此，它与缸筒的配合应适当，既不能过紧，也不能间隙过大。配合过紧，不仅使最低启动压力增大，降低机械效率，而且容易损坏缸筒和活塞的配合表面；间隙过大，会引起液压缸内部泄露，降低容积效率，使液压缸达不到要求的设计性能。考虑选用 向套的设计与计算 的确定 当活塞杆全部伸出时，从活塞支承面中点到到导向套滑动面中 点的距离称为最小导向长度 1。影响液压缸工作性能和稳定性。因此，在设计时必须保证液压缸有一定的最小导向长度。根据经验 ,当液压缸最大行程为 L,缸筒直径为 最小导向长度为 : 220 （ 4 一般导向套滑动面的长度 A，在缸径小于 80=(，当缸径大于 80=(.0)d.。活塞宽度 B 取 B=(。若导向长度 H 不够时 ,可在活塞杆 27 上增加一个导向套 K(见图 4增加 套 21 （。 图 4压缸最小导向长度 1 因此 :最小导向长度 ，取 H=9 导向套滑动面长度 A= 活塞宽度 B= 8 .1 m 导向套有普通导向套、易拆导向套、球面导向套和静压导向套等，可按工作情况适当选择。 盖和缸底的计算校核 在单活塞液压缸中， 有活塞杆通过的端盖叫端盖，无活塞杆通过的缸盖叫缸头或缸底。端盖、缸底与缸筒构成密封的压力容腔，它不仅要有足够的强度以承受液压力，而且必须具有一定的连接强度。端盖上有活塞杆导向孔（或装导向套的孔）及防尘圈、密封圈槽，还有连接螺钉孔，受力情况比较复杂，设计的不好容易损坏。 端盖厚 )h 1 式中 螺钉孔分布直径， P 压力， 2 密封环形端面平均直径， 28 材料的许用应力， 2 缸底分平底缸，椭圆缸底，半球形缸底。 体长度的确定 液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还需要考虑到两端端盖的厚度 1。一般液压缸缸体长度不应大于缸体内经的 2030 倍。取系数为5,则液压缸缸体长度： L=5*100 冲装置的设计 液压缸的活塞杆（或柱塞杆）具有一定的质量，在液压力的驱动下运动时具有很大的动量。在它们的行程终端，当杆头进入液压缸的端盖和缸底部分时，会引起机械碰撞，产生很大的冲击和噪声。采用缓冲装置，就是为了避免这种机械撞击，但冲击压力仍然存在，大约是额定工作压力的两倍，这就必然会严重影响液压缸和整个液压系统的强度及正常工作。缓冲装置可以防止和减少液压缸活塞及活塞杆等运动部件在运动时对缸底或端盖的冲击，在它们的行程终端能实现速度的递减，直至为零。 当液压缸中活塞活塞运动速度在 6m/下时，一般不设缓冲装置 ，而运动速度在 12m/需设置缓冲装置。在该组合机床液压系统中，动力滑台的最大速度为 4m/此没有必要设计缓冲装置。 压缸的选型 经过比较，参考市场上的液压缸类型，选择一种可靠优质的液压缸产品的生产商 速易可（上海）有限公司 。 速易可液压动（上海）有限公司成立于 2004 年，从事于空油压零组件和设备研 究、生产、销售的自动化厂商，产品以 牌营销国内外市场，产品主要有空液压净化组件、液压动控制组 件、液压动执行组件、辅助组件、空油压设备，产 品广泛应用于医疗器械、工业机械手、食品包装机械、纺织机械、半导体设备、轨道交通、烟草机械、机床自动控制、真空搬运、汽车制造、教学培训等行业。 速易可目前主要产品有：无杆液压缸、滑台液压缸、止动液压缸、回转液压缸、机械夹、回转夹紧液压（油）压缸、导杆液压缸、带锁液压缸、双轴缸、标准型液压缸、控制阀、空液压控制组件、真空系统组件及相关液压动辅助零组件。 29 根据上节计算，在这选择 30 机架 的设计计算 1）主梁材料的选择：选用 力学性能好。 2）桥式主梁结构形式及截面尺寸的确定：根据标准选用后，验算是否符合要求。本设计选用箱形结构主梁，其组成由上下盖板及左右腹板焊接而成，断面为封闭的箱形 . 1主梁危险载面的强度验算 1）正应力的验算 根据公式计算的垂直弯矩同时作用在主梁上，并考虑约束弯曲和约束扭转的影响，主梁再面上的正应力可按下式叠加： 主梁跨中： 3 m a xm a m a xm a 主梁跨中的最大垂直弯矩和水平弯矩； 主梁支承载面的最大垂直弯矩和水 平弯矩； 主梁跨中和支承载面对 x 轴的载面摸数； 主梁对 y 轴的载面摸数。 强度许用应力为： 31 M P an s 1）确定应力循环特性 a xm 的强度许用应力为： M P an s 式中 n 为载荷组合的安全系数。 2）剪应力的验算 箱形载面主梁支承载面处的剪力 腹板上引起的剪应力按下式计算： )( 21 x 主梁载面的一部分对中性轴的静矩； 主梁载面对 x 轴的惯性矩； 1 、 2 主梁的主、副腹板的厚度。 在水平载荷作用下，盖板上的剪应力： 2式中 支承处的水平剪力； 主梁载面的一部分对 y 轴的静矩； 主梁载面对 y 轴的惯性矩； o 上、下盖板厚度。 32 主梁受扭的影响。则按纯扭转计算，计算式为： 主腹板上11 2 6301 9 62 3 2 5 副腹板上22 2 2361 9 62 3 2 5 盖板上 2 = 6391 9 62 3 2 5 式中 作用与主梁支承载面的扭矩； 主梁封闭载面的轮廓面积， 。 在主梁载面上，各种载荷在同一点引起的剪应力予叠加。 2、支腿危险载面的强度验算 对于单主梁箱形结构门架的支腿应分别选取几个载面进行强度计算。 强度验算式为： m a xm a xm a x 式中 门架平面，支腿验算载面的最大弯矩； 支腿平面，支腿验算载面的最大弯矩； 支腿平面，支腿验算载面的轴向力； xW、 验算载面对 x 轴和 y 轴的载面模数； F 验算载面的面积。 根据静强度和疲劳强度条件计算截面需要的面积：
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