数控龙门码垛机械手设计【全套含14张CAD图纸】
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广西科技大学鹿山学院毕业设计（论文）课题名称：数控龙门码垛机械手设计 系 别： 机械工程系 专业班级： 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 教研室主任： 系分管教学领导： 二一七年 五 月 九 日摘 要本文阐述了机械手的发展历史，国内外的应用状况，及其巨大的优越性，提出了具体的机械手设计要求和进行了总体方案设计和各自由度的具体结构设计、计算。本课题模拟了实际工业生产系统，课题将设计一个龙门机械手，将用于袋装物料转移运送，从一个位置移动到另外一个位置。工业机械手对于提高和确保产品质量，提升生产的效率，改善工人的工作条件和快速更新产品起着非常重要的作用。工业机械手技术结合了多们学科的知识。包含机构学、计算机、控制论、信息和传感技术、人工智能、仿生学等。它是当代十分活跃，应用非常广泛的领域。机械手是指能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。数控龙门码垛机械手能部分地代替人工操作，能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成钢材的传送和装卸。它可在空间抓、放、搬运物体等，动作灵活多样，广泛应用与工业生产和其他领域内。应用plc控制机械手能实现各种规定的工序动作，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境减轻劳动强度，提高劳动生产率，有着十分重要的意义。关键词：机械手；工业；传动；强度25AbstractThis paper describes the history, application status robot at home and abroad, and its great advantages, put forward specific requirements robot design and conduct overall design and specific structure of each degree of freedom of design, calculation. This object simulates actual industrial production system, a design object gantry robot for transferring bagged material transported from one location to another location. Industrial robots to improve and ensure product quality, enhance production efficiency, improve the working conditions of workers and the rapid updating of products plays a very important role. Industrial robot technology with their knowledge of multi-disciplinary. Comprising means, computer, cybernetics, and information sensing technology, artificial intelligence, bionics. It is very active contemporary, is widely used in the field. Refers to a robot hand can mimic certain actions and functions of the arm for gripping a fixed program or object handling operation of the automatic tool operating means. The main executive body consists of three parts, the drive mechanism and control system. It can replace human labor in order to achieve the production of heavy mechanization and automation, can operate in hazardous environments to protect personal safety, which is widely used in machinery manufacturing, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors. CNC gantry palletizing robot can be partially replaced by manual operation, according to the requirements of the production process can follow certain procedures, time and location to complete the transmission and handling of steel. It may be caught in the space, place, object, etc. handling, flexible operation, widely used in industrial production and other fields. Application plc process control robot to achieve the various provisions of the action, not only to improve the quality and yield of products, but also to protect the personal safety, improve the working environment reduce labor intensity and improve labor productivity, has a very important significance. Keywords: robot; Industry; drive; strength目 录摘 要IIAbstractIII目 录IV第1章 绪论11.1 课题研究的背景和意义11.2 机械手的背景11.3 课题研究的现实意义和社会意义11.4 国内机械手的研究21.5 机械手的应用3第2章 设计方案选择与分析42.1 总体机构设计42.2 设计原理5第3章 Z向进给伺服进给结构设计63.1 滚珠丝杠螺母副的计算和选型63.1.1 最大工作载荷的计算63.1.2 最大动载荷的计算63.1.3 滚珠丝杠螺母副的选型73.1.4 滚珠丝杠副的支承方式83.1.5 传动效率的计算83.1.6 刚度的验算83.1.7 稳定性校核83.1.8 临界转速的验证93.2 伺服电动机的选型与计算9第4章 X向进给机构设计计算134.1 滚珠丝杠的选择134.1.1 滚珠丝杠的精度134.1.2 滚珠丝杠参数的计算134.2 伺服电机的选择174.2.1 最大负载转矩的计算174.2.2 负载惯量的计算174.2.3 空载加速转矩计算194.2.4 轴向间隙的调整和加预紧力的方法194.3 导轨副的计算、选择20总 结23致 谢24参 考 文 献25第1章 绪论1.1 课题研究的背景和意义本课题将设计一个龙门机械手，本课题模拟了实际工业生产系统，课题将设计一个龙门机械手，将用于袋装物料转移运送，从一个位置移动到另外一个位置，需完成对工件的安全抓紧和释放。通过本课题的研究，学生不仅可以了解自动生产线的工作过程，还可以深入了解其组成部分的内部结构设计。希望学生通过本课题设计，能充分运用已学习的基础知识和专业知识，设计出可行、优化的装置，并完成机械装配图，重要零件的加工图，在毕业设计说明书中，选用合理的动力元件，计算设计零件的合理尺寸，体现合理的设计思路，综合应用机械原理和设计、工程制图，以及现代制造理念。1.2 机械手的背景机械手是七十年代发展起来的自动化机械，它可以模仿人手的动作区完成作业，程序可按需要变动，所以适合多品种小批量生产。机械手能够突破人体生理条件极限，代替人们去从事高温、放射性、喷雾、沙尘等危险、繁重而又单调的工作。机械手在国外已经广泛应用，而我国主要采用进口的机械手。工业机械手主要承担着焊接、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。目前我国行业比较缺乏机械手，因此，该产品在我国有较好的发展前景。机械手由横向手臂、直立手臂、支撑杆、摆动液压缸、支承工作台、气缸、喷枪等部分组成，它的主要功能是配合液压控制系统完成产品表面的工作。1.3 课题研究的现实意义和社会意义机械手是指能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手能部分地代替人工操作，能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成钢材的传送和装卸。它可在空间抓、放、搬运物体等，动作灵活多样，广泛应用与工业生产和其他领域内。应用plc控制机械手能实现各种规定的工序动作，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境减轻劳动强度，提高劳动生产率，有着十分重要的意义。本课题研究的内容是数控龙门码垛机械手设计，机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证生产质量。随着机械手技术的飞速发展和机械手应用领域的不断深化，不仅要求其控制可靠性强、使用灵活性高和操作灵活性好，还要其成本低、可开发经济性强。收集相关资料，并对现有的资料进行研究，进而分析自己完成本课题还存那方面的困难，除了现有的知识外还应该具备哪些新的知识。选定自己适合和熟悉的制图软件，对选定的工具进行深入学习以及具体的实践。机械结构的分析，根据要求设计出合理轻便的机械手。在相关的软件中模拟机械手的工作状态，在模拟调试后对整个机械手进行完善。机械手是一种模仿人体上肢部分功能，按照预定的要求输送工件或者握持工具进行操作的自动化技术设备，它的结构简单，可以代替人的繁重劳动，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。机械手效率高，噪声低，安全可靠、操作以及维护比较方便，因而有着广阔的前途。本课题通过对于机械手进行结构的设计计算，实现自动搬运钢材等运动。1.4 国内机械手的研究机械手在日本应用的历史非常悠久。在七十年代时机械手首先得到应用，然后经过十年的发展，在八十年代的时候机械手已经得到普及。相应的他们工业年产值也得到了快速提高。1980年达到一千亿日元，到1990年提高到六千亿日元。在2004年时已达到了一万八千五百亿日元。可见机械手在提高生产效益方面的重要性。 在国际方面，各个国家已经意识到机械手的重要性。所以机械手的订单急速上升。在2003年的订单量相对于2002年增长了百分之10。此后机械手的需求量仍然不断上升。从2001年到2006年全球订单增长多达90000多台。平均年增长为7%。国际机械手的发展方向: 机械手涉及到非常多学科的知识和领域。包括：计算机、电子、控制、人工智能、传感器、通讯与网络、控制、机械等等。机械手的发展离不开上述学科的发展。正是由于各个学科的相互影响和综合集成，才能制造出自动化程度高的及其人。随着科学技术的进步，机械手在应用得范围越来越广泛；技术也越来越得到调高，功能更加强大。现在很对机械手的研究都往小型化发展。机械手将会更多的进入到人们的日常生活中去。总体的发展趋势是模块化、标准化、更加智能化。机械手的广泛应用，对提升产品的质量与产能、保障人员安全，改善劳动环境，降低劳动的强度，提高生产效率，节约原材料消耗以及降低生产成本，起着一个十分重要的作用。机械手的广泛应用体现以人为本的原则，它的出现让人们的生活更加便利和美好。1.5 机械手的应用机械手产业是在计算机、继汽车之后出现的又一种新的大型高技术产业。现代，机械手产业市场前景发展很好。从二十世纪起，世界机械手产业一直稳步增长。到了二十世纪九十年代，机械手产品发展快速增长，年增长率平均在百分之十上下。2004年创记录达到百分之二十。在亚洲机械手需求量更多，年增长率高达百分之四十三。经历40多年的发展，机械手应用到很多领域中去了。机械手在制造业中应用的最广泛。如在焊接、热处理、表面涂覆、机械加工、装配、检测和仓库堆垛毛、坯制造(冲压、压铸、锻造等)等等作业中，机械手替代了人工作业，并使得生产效益大大提高。第2章 设计方案选择与分析2.1 总体机构设计 设计方案初步有两种方案：一种是悬臂式的码垛机器人，第二种是龙门式的码垛机器人，如图2-1。 图2-1（a）悬臂式码垛机器人 图2-1（b）龙门式码垛机器人 因为在工作空间比较大的情况下，龙门式的码垛机器人机构比较稳定，机器人在工作的时候不容易产生晃动，所以选择第二种龙门式码垛机器人。 X轴和y轴可以近似看做xy工作台的原理。主要方案选定是z轴。 Z轴是上下运动，有两个方案：方案一是采用丝杆螺母形式传动，方案二是采用齿轮齿条形式传动。但方案二抓手和物体的重量直接要求齿轮和齿条来承受，对齿条和齿轮要有很大的要求，而且因为齿轮的传动特性，会使下降和上升的速度产生齿轮的多边形效应。所以比较后采取方案一丝杆螺母形式传动。 采用丝杠螺母形式也有两方案可以选择，第一种方案是丝杠不动，抓手和物体通过螺母座与丝杠螺母连接做上下运动。第二种是丝杠螺母通过螺母座固定在y轴的工作台上，而丝杠的底部与抓手连接做上下运动。但第二种方案做上下运动的重量比较大，会导致做很多无用功从而使码垛机器人的效率降低。所以通过比较后采取第一种方案。采用这种方案因为只受到竖直的载荷，所以不需要滚动导轨，只需要滚珠丝杆螺母副的计算与选型。 机构简图如图图2-1 机构简图2.2 设计原理为了使工件保持准确的相对位置，必须根据要去选择合适的定位机构。再者就是要有足够的强度和刚度 除了受到工件、工具的重量，还要受到本身的重量，还受到在运动过程中产生的惯性力和振动的影响，没有足够的强度和刚度可能会发生折断或者弯曲变形，所以对于受力较大的进行强度、刚度计算是非常必要的。最后要尽可能做到具有一定的通用性 如果可以，应考虑到产品零件变换的问题。为适应不同形状和尺寸的零件，为满足这些要求，可将制成组合式结构，迅速更换不同的部件及附件来扩大机构的使用范围。Z轴采用丝杠传动：电动机联轴器滚珠丝杠X轴采用丝杠传动：电动机联轴器滚珠丝杠第3章 Z向进给伺服进给结构设计3.1 滚珠丝杠螺母副的计算和选型3.1.1 最大工作载荷的计算 拟定Z轴行程为2000mm，物料袋质量50KG 龙门架立柱高度参考（累10袋每袋高度160mm） 旋转机构和机械手大概75KG , Z轴滚珠丝杆螺母如图3-1所示，需要带动的部分包括机械抓手、z旋转轴和丝杆螺母与z旋转轴连接件，估计这部分重量，所以Fz=1250N，除此之外，并没有收到其他方向的载荷。图3-1 滚珠丝杆螺母 已知重力（N），为直线导轨，查表3-1，最大工作载荷的计算如下： 计算形式可按圆形导轨方式进行，查系统设计课程设计指导书表3-29，可以取该丝杆螺母副颠覆力矩影响系数为，同样可以取滚动导轨上的摩擦因数为。求得该工作环境的最大工作载荷为： (3.1)式中： 为考虑颠覆力矩影响时的实验系数，取1.1； 为滑动导轨摩擦系数，取0.05。3.1.2 最大动载荷的计算 (3.2) (3.3) (3.4)式中：滚珠丝杠副的寿命系数，单位为r； 丝杠寿命，取15000； 载荷系数，一般取1.2； 硬度系数取1； 丝杠副最大工作载荷，其值为2459.6； 滚珠丝杠导程，初选为。 最大工进速度，该设计值为； 最大工进速度对应丝杠的转度，单位。计算得出得 ：=12278.8。3.1.3 滚珠丝杠螺母副的选型根据计算出的最大动载荷,选择江苏启东润泽附件有限公司生产的FL3205-3型内循环式滚珠丝杠副，采用双螺母方式预紧，精度等级为3级，其参数如表3-1所示。表3-1 FL3205-3型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/14533253.51916.532.8143.1.4 滚珠丝杠副的支承方式考虑到滚珠丝杠副的长度、精度与负载的大小以及改造成本，采用双推-单推支承方式，该方式轴向刚度高，位移精度好，可以进行预拉伸。3.1.5 传动效率的计算 = (3.5)式中：螺距升角，根据,可得=228； 摩擦角，一般取=10。算得： =95.67% (3.6)3.1.6 刚度的验算=（“+”号代表拉伸，“-”代表压缩）式中：丝杠的最大工作载荷，单位为； 丝杠纵向最大有效行程，单位为； 丝杠材料的弹性模量，钢； 丝杠的横截面面积，单位按丝杠螺纹的底径确定。根据设计，为2459.6N，为420，为36.5，算得： =0.0047 (3.7) =4.7查表3-3可知，,所以刚度足够。3.1.7 稳定性校核 = (3.8)式中：丝杠支承系数，由表3-4得出单推-单推时，取1； 滚珠丝杠稳定安全系数，一般取2.54，本设计取4； 滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为，本设计中该值为500； 按丝杠底径确定的截面惯性矩，（，单位为）本设中将代入算出=87080。 由以上数据可以算出：= (3.9) 临界载荷远大于工作载荷（2459.6N），故丝杠不会失稳。3.1.8 临界转速的验证 (3.10)式中：丝杠支承系数，单推-单推方式时，由表3-5可得该值为12.1；临界转速计算长度，单位为，本设计中该值约为720；丝杠内径，单位；安全系数，可取=0.8经过计算，得出=5321，由已知，可以算出，该值小于丝杠临界转速，所以满足要求。 3.2 伺服电动机的选型与计算3.2.1 计算折算到电动机轴上的负载惯量（1）计算滚珠丝杠的转动惯量。已知滚珠丝杠的密度，可得 （2）计算联轴器的转动惯量。（3）由公式计算折算到电动机轴上的移动部件的转动惯量。已知执行部件的总质量，电动机每转一圈，执行部件在轴向移动的距离则 （4）由式计算加在电动机轴上总的负载转动惯量 3.2.2 计算折算到电动机轴上的负载力矩（1）由式计算工作负载力矩。电动机每转一圈，执行部件在轴向移动的距离进给传动系统的总效率，则 （2）由式计算摩擦负载力矩。在不工作状态下坐标轴的轴向负载力故 （3）由式计算滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩。滚珠丝杠螺母副的预紧力，滚珠丝杠螺母副的基本导程滚珠丝杠螺母副的效率，则 3.2.3 计算折算到电动机轴上各种所需的力矩 （1）由公式计算线性加速力矩。 已知执行部件以最快速度运动时电动机的最高转速 电动机的转动惯量，坐标轴的负载惯量。取进给伺服系统的位置环增益则加速时间，故 (2)计算阶跃加速力矩。加速时间故 计算坐标轴所需的折算到电动机轴上的各种力矩。由公式计算线性加速时的空载启动力矩。由公式计算阶跃加速时的空载启动力矩。 由公式计算空载时的快进力矩力矩。 由公式计算工作时的工进力矩3.2.4 选择驱动伺服电动机的型号（1）选择驱动电动机的型号。根据以上计算和表格，选择日本FANUC公司生产的a12/3000i型交流伺服电动机为驱动电动机。其主要技术参数如下：额定功率，3KW；最高转速，3000r/min;额定力矩，；转动惯量，；质量，18kg。交流伺服电动机的加速力矩一般为额定力矩的510倍，若按5倍计算，该电动机的加速力矩为，均大于本工作台线性加速时的空载启动力矩或阶跃加速时的空载启动力矩，所以，不管采用何种加速方式，本电动机均满足加速力矩要求。该电动机的额定力矩为，均大于本工作台的快进力矩或工进力矩。因此，不管是快进还是工进，本电动机均满足驱动力矩的要求。（2）惯性匹配验算为了使机械传动系统的惯量达到较合理的匹配，系统的负载惯量与伺服电动机的转动惯量之比一般应满足下式，即 在本设计中，故满足要求。选择日本FANUC公司生产的a12/3000i型交流伺服电动机为驱动电动机。其主要技术参数如下：额定功率，3KW；最高转速，3000r/min;额定力矩，；转动惯量，；质量，18kg。第4章 X向进给机构设计计算4.1 滚珠丝杠的选择4.1.1 滚珠丝杠的精度查阅滚珠丝杠的样本选择丝杠精度为5级精度等级，X 轴行程1000mm4.1.2 滚珠丝杠参数的计算（1）最大工作载荷的计算丝杠的最大载荷为工作时的最大受力加摩擦力，最小载荷即为摩擦力。设最大受力=5000N，导轨上面移动部件的重量约为500，导轨的摩擦系数为0.04，故丝杠的最小载荷（即摩擦力） （N） (4.1)丝杠最大载荷是： 50001965196（N） (4.2)平均载荷是：=3529（N） (4.3)（2）当量动载荷的计算 滚珠丝杠副类型的选择主要是根据导程和动载荷两个参数,其选择的原则为:滚珠丝杠的静载荷Coa不能大于额定静载荷Coam,即CoaCoam;滚珠丝杠的动载荷Ca不能大于额定动载荷Cam,即CaCam。驱动电机最高转速2000 r/min丝杠最高转速为2000r/min，工作台最小进给速度为0.5m/min，故丝杠的最低转速为0.1r/min，可取为0，则平均转速n=1000r/min。丝杠使用寿命T=15000h，故丝杠的工作寿命=675（r） (4.4)当量动载荷值： (4.5)式中： 载荷性质系数，无冲击取1-1.2，一般情况取1.2-1.5，有较大冲击振动时取1.5-2.5； 精度影响系数，对1、2、3级精度的滚珠丝杠取=1.0，对4、5级精度的丝杠取=0.9。 根据要求去=1.5，=0.9，代入数据得 51.59（KN） (4.6)根据计算所得最大动载荷和初选的丝杠导程，查滚珠丝杠样本，选择FF4010-5型内循环浮动返回器双螺母对旋预紧滚珠丝杠副，其公称直径为40mm，导程为10mm，循环滚珠为5圈2列，精度等级取5级，额定动载荷为55600N，大于最大计算动载荷=51590N，符合设计要求。表4.1 滚珠丝杠螺母副的几何参数名 称符 号计算公式和结果公称直径（mm）40螺距(mm)P10接触角钢球直径(mm)7.144螺纹滚道法面半径(mm)偏心距(mm)0.009螺纹升角(mm)=丝杠外径(mm)39.5丝杠底径(mm)34.3螺杆接触直径(mm)32.87（3）传动效率的计算将公称直径=40mm，导程=10mm，代入=arctan，的丝杠螺旋升角=。将摩擦角，代入=，得传动效率=93.7%。（4）刚度的验算本传动系统的丝杠采用一端轴向固定，一端浮动的结构形式。固定端采用一对面对面角接触球轴承和一个角接触球轴承，另一端也采用角接触球轴承，这种安装适应于较高精度、中等载荷的丝杠。滚珠丝杠螺母的刚度的验算可以用接触量来校核。a、滚珠丝杠滚道间的接触变根据公式Z=，求得单圈滚珠数Z=22，改型号丝杠为双螺母，滚珠的圈数列数为52，代入公式圈数列数，得滚珠总数量=220。丝杠预紧时，取轴向预紧力=1732（N）。查相关公式得滚珠丝杠与螺纹滚道间接触变形 (4.7)式中=51590N。代入数据得；=0.013(mm)因为丝杠有预紧力，且为轴向负载，所以实际变形量可以减少一半，取=0.0065mm。 b、丝杠在工作载荷作用下的抗压变形 丝杠采用的是两端都为角接触球轴承，轴承的中心距a=720mm，钢的弹性模量E=,由表2.1中可知，滚珠直径=7.144mm，丝杠底径=34.3mm，则 丝杠的截面积： =1540.6()根据公式代入数据得：=0.018(mm)C、总的变形=0.0065+0.018=0.0245mm,丝杠的有效行程为600，丝杠在有效行程500400mm时，行程偏差允许达到30m,，可见丝杠刚度足够。（5）稳定性的验算 (4.8)公式中取支撑系数=2，由丝杠底径=43.3mm求的截面惯性矩=188957.7()，压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安装），滚珠螺母至轴向固定处的距离取最大值1200mm，代入公式得：=181129.6()则f=181129.6N大于=51590N，故不会失稳，满足使用要求。 （6）临界转速的验算 对于滚珠丝杠还有可能发生共振，需要验算其临界转速，设不会发生共振的最高转速为临界转速。查资料得公式 ： (4.9)为丝杠支承方式系数（一端固定，一端游动）代入数据得：4397(r/min),临界速度远大于丝杠所需转速，故不会发生共振。（7）滚珠丝杠选型和安装尺寸的确定由以上验算可以知道，丝杠型号为FF4010-5完全符合所需要求，故确定选用该型号，安装尺寸查表可知。（8）丝杠支承的选择滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重。因此对丝杠的轴向精度和轴向刚度应有较高要求。其两端支承的配置情况为轴向固定方式。本次设计丝杠支承选用一端固定，另一端浮动。 4.2 伺服电机的选择4.2.1 最大负载转矩的计算所选伺服电机的额定转矩应大于最大负载转矩。最大负载转矩T可根据以下公式计算，即 (4.10)从前面的计算可以知道，最大载荷N，丝杠导程=10mm=0.01m，预紧力=N，根据计算的滚珠螺母丝杠的机械效率=0.947，因为滚珠丝杠预加载荷引起的附加摩擦力矩： （Nm） (4.11)查手册得单个轴承的摩擦力矩为0.32Nm，故一对轴承的摩擦力矩=0.64Nm。简支端轴承步预紧，其摩擦力矩可忽略不计。伺服电动机与丝杠直接相连，其传动比=1，则最大负载转矩：(Nm)所选的伺服电机额定转矩应该大于此值。4.2.2 负载惯量的计算伺服电机的转动惯量应与负载惯量相匹配。负载惯量可以按一下次序计算。立柱与主轴箱的质量为500，折算到电动机轴上的惯量可按下式计算， (kg) (3.14)丝杠名义直径=50mm=0.05m，长度L=1.2m丝杠材料（钢）的密度=7.8。根据公式计算丝杠加在电动机轴上的惯量 () (4.12)联轴器加上锁紧螺母等的惯量可直接查手册得到，即()故负载总的惯量为()电动机的转子惯量应与负载惯量相匹配。通常要求不小于，但也不是越大越好。因越大，总的惯量就越大，加速度性能受影响。为了保证足够的角加速度，以满足系统反应的灵敏的，将采用转矩较大的伺服电动机和它的伺服控制系统。根据有关资料的推荐，匹配条件为： (4.13)则所选交流伺服电动机的转子惯量应在0.00920.036范围之内。根据上述计算可选用表3.2中的交流伺服电机22/3000i型，其额定转矩为22Nm，最高，转动惯量J=0.012。表4.2 FANUC(HV)i系列交流伺服电机型号1/ 5000i2/ 5000i4/ 4000i8/ 3000i12/ 3000i22/3000i输出功率/kw0.5 0.751.41.634额定转矩(Nm)1 2481222最高转速500050004000300030003000转动惯量()0.000310.000530.00140.00260.00260.012质量348121829伺服放大器规格20i20i20i40i80i80i4.2.3 空载加速转矩计算当执行件从静止以阶跃指令加速到最大移动（快速）速度时，所需要的空载加速转矩按下式求， (4.14)空载加速时，主要克服的是惯性，选用的22/3000i型交流伺服电动机,总惯量0.0120+0.0092=0.0212() 加速度时间通常取的34倍，故=(34)=(34)6=1824(ms)，则(Nm)4.2.4 轴向间隙的调整和加预紧力的方法对于滚珠丝杠副，除了单一方向的进给传动精度有一定的要求外，对它的轴向间隙也有严格的要求，以保证反向传动的精度。要把轴向间隙完全消除，也是相当困难的。通常采用双螺母，并加预紧力的方法来消除其轴向间隙。双螺母经加预紧力调整后，能基本上消除轴向间隙。单螺母的滚珠丝杠副是不能调整轴向间隙和预紧力的，其轴向间隙只能依靠滚珠丝杠副本的精度和安装时丝杠和螺母的连接精度来保证。双螺母加预紧力消除轴向间隙必须注意两点，一是：通过预紧后产生的力，可促使预拉变形，以减少弹性变形所引起的位移。但预紧力不能太大，否则会使驱动力矩增大，传动效率反而降低，使用寿命也随之缩短。二是：轴向间隙的消除，不能忽视丝杠的安装部分和驱动部分的轴向间隙，应同时调整是它减少到最小。目前常用的双螺母预紧力调整方法有下面三种。（1）垫片调隙式如图所示为垫片调隙式，一般用螺钉来连接滚珠丝杠上的两个螺母的凸缘处，在中间加垫片。垫片的厚度是螺母间产生轴向位移，以达到消除间隙和产生预紧力的目的。 这种结构特点是结构简单，可靠，装拆方便。但缺点是调整很费时，在工作状态下不能随意调整，因为要更换不同厚度的垫片才能消除间隙，所以是用于一般精度的机构中使用。（2）螺纹调隙式 如图所示为螺纹调隙式。它是一个螺母的外端有凸缘，而另一个螺母的外端没有凸缘，车有螺纹，它伸出在套筒外，并用两个圆螺母调整好间隙后，再用一圆螺母锁紧螺母锁紧就可以了。 这种结构的特点是结构紧凑，调整方便，所以应用广泛，但调整的位移量不太精确。图4.4 垫片调隙式 图4.5螺纹调隙式（3）齿差调隙式 如图所示为齿差调隙式。它是在两个螺母的凸缘上各有圆齿轮2，两者的齿数值相差一个齿，装入内齿圆3中，内齿圆3是用螺钉1和定位销4固定在套筒5上的。调整是先取下内齿圆3，转动圆柱齿轮2，在两个滚柱螺母相对于滚筒5转动时，可以使两个螺母相互产生角位移，这样滚柱螺母对于滚珠丝杠的螺旋滚道也相对移动是两个螺母中的滚柱分别贴近在螺旋滚到的两个相反的侧面上。消除间隙并产生预紧力后，把内齿圆3套上用定位销4固定。这种结构的特点是调整精确可靠，定位精度高，但结构复杂，仅在高精度的数控有所应用。1螺钉； 2圆柱齿轮； 3内齿圆；4定位销； 5套筒。图4-6 齿差调隙式4.3 导轨副的计算、选择根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和WX 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,因此取根据计算额定静载荷初选导轨:选择汉机江厂HJG-D系列滚动直线导轨,其型号为:HJG-D25基本参数如下:表4.3 额定静载荷初选导轨额定载荷/N静态力矩/N*M滑座重量导轨重量导轨长度动载荷静载荷L(mm)17500260001981982880.603.1760滑座个数单向行程长度每分钟往复次数M40.64导轨的额定动载荷N依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷 (kN)验算导轨的工作寿命Ln：额定行程长度寿命: 导轨的额定工作时间寿命: 导轨的工作寿命足够.总 结总结本文对数控龙门码垛机械手装置设计的机械臂结构系统进行了设计，并对机械臂进行了性能分析。由于作者的水平有限，而且对有些相关学科，如传感器技术、控制技术等并不是很了解，仍有许多问题需要解决，还有许多问题值得进一步讨论和更加深入的研究与展望： (1)机械结构优化问题在数控龙门码垛机械手装置设计设计过程中，包括机械臂，采用模块化设计，不同功能结构分别进行设计，各模块之间连接采用最优方式。但是在模块各零件设计过程中，各参数计算选择主要从结构强度和刚度要求出发，很多零件为了匹配，比实际需求尺寸大很多。包括一些非关键零件设计，均是根据前人经验
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