高职毕业设计-机械手

1、广东水利电力职业技术学院毕 业 设 计 论 文 论文题目论文题目作者姓名 二 OO 年 月 日 广东水利电力职业技术学院毕 业 设 计 论 文 论文题目论文题目 学生姓名 学生学号 所在系别 所学专业 指导教师 教 研 室 二 OO 年 月 日毕业设计任务书指导教师姓名专业数控设备应用与维护联系电话课题名称龙门式上下料机械手设计毕业设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求）内容简要： 现在随着我国制造企业的告诉发展，生产装备向自动化和柔性化发展，在市场上大多数的数控机床都配置有自动上下料装置或机械手，以提高生产效率。自动上下料机械手只是工业机器人中额一种类型,用于搬运物料、工件和工具

2、,或者通过不同的编程以完成各种任务的设备。本设计可用于工业现场的龙门式自动上、下料机械手装置。通过大量查阅资料确定设计总体方案；根据加工工件的特点，机械手手爪确定为连杆杠杆式夹持机构；通过对压杆的刚度和稳压性验算选定滚珠丝杆螺母副；同时完成对横梁以及其上的传动系统和其他零部件的设计任务。该设计可以实现微机控制。并可很方便地与数控机床组成车削柔性制造单元（FMC） 夹持工件：圆轴类 长度：500mm 重量：30KG 上下料时间：小于 15s 要做如下工作： 1、了解机械手工作场所的要求和分析机械手应具备的功能。 2、确定龙门式上下料机械手的总体方案和各部分结构方案，如龙门框架、悬挂部分、手爪部分

3、等。 3、具体设计上下料机械手的机构。 4、部分零部件设计计算。 5、控制方案的设计。参考文献图纸内容及纸张非标零件图 3 张（机械手、龙门架、控制电路图）毕业设计进度计划 指导教师签字： 2007 年 12 月 15 日目目 录录中文摘要第一章 绪论 1.1 机械手的概述1.2 机械手的组成 1.3 机械手的分类1.4 械手的意义与作用第二章 总体设计2.1 设计方案2.2 机械手工作场所时的要求2.2.1 夹持工件2.3 总体方案设计 2.4 立柱设计第三章 上下料机械手设计 3.1 机械手机构设计3.1.1 工件设计分析3.1.2 机械手夹紧力计算3.2 气缸设计第四章 悬臂（Z 轴）传

4、动系统设计4.1 传动比的选定4.2 工作台，机械手的质量 4.2.1 工作台的型号及重量 4.2.2 机械手重量2M4.3 滚珠丝杆的选定4.3.1 选取的滚珠丝杠转动系统4.3.2 选取的滚珠丝杠型号和计算4.3.3 滚珠丝杠的校核4.4 直线导轨副型号的选择及额定寿命的计算 4.4.1 直线导轨副型号结构 4.4.2 直线导轨副型号特点 4.4.3 额定寿命及寿命时间的计算4.5 电机的选型及计算 4.5.1 步进电动机的型号的选择 4.5.2 步进电动机的校核第五章 横梁（X 轴）传动系统设计5.1 传动比的选定5.2 滚珠丝杆的选定 5.2.1 选取的滚珠丝杠转动系统 5.2.2 选

5、取的滚珠丝杠型号和计算5.3.3 滚珠丝杠的校核5.4 直线导轨副的型号的选择及额定寿命的计算5.4.1 直线导轨副型号结构5.4.2 直线导轨副型号特点5.4.3 额定寿命及寿命时间的计算5.5 电机的选型及计算 5.5.1 步进电动机的型号的选择 5.5.2 步进电动机的校核第六章第六章 控制方案设计控制方案设计6.1 控制系统的功能要求 6.2 控制电机及控制原理框图6.2.1 系统运行原理6.2.2 控制电路参考文献 致谢 摘要工业机械手的设计涉及：机械设计原理、液压、气压、电气传动及单片机、PLC、可编程控制器等控制系统与基本理论知识。工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受

6、到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。机械手就在这样诞生了,机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、气缸等机械器件组成；电器方面有步进电机、驱动模块、传感器、开关电源、电磁阀、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、气动技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。本文介绍的机械手是由 PLC 输出两路脉冲，分别驱动横轴、竖轴步进电机驱动器，控制机械手横轴和竖轴的精确定位，微动开关将位置信号传给 PLC 主机；直流电机拖动手爪和底盘旋转，位置信号由旋转码盘和接近开关反馈给

7、PLC 主机；电磁阀控制气开阀的开关来控制机械手手爪的张合，从而实现机械手精确运动的功能。本课题拟开发的物料搬运机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数机械手的概述机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人

8、手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如： (1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。 (2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。 (3)可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。（4）可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。(5）宇宙及海洋的开发。(6)军事工程及生物医学方面的研究和试验。机械手传送工件系统示意图，如图 1 所示： 图 1 机械手传送示意及操作面板图第一章第一章 绪绪 论论1.11.1 机械手的概述机械手的概述机械

9、手是一种能按给定的程序或要求，自动地完成物件（如材料、工件、零件或工具等）传送或操作作业地机械装置，它能部分地代替人地手工劳动。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用于夹持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动） 、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方

10、位的物体，需有 6 个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有 23 个自由度。对于机械手，它能模仿人手和手臂的某些动作功能，用于按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。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。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。随着社会发展，这种技术逐渐发展并得到完善，形成了一门具有良好发展前景的学科！1.21.2 机械

11、手的组成机械手的组成机械手的组成及其相互间的关系如图 11 所示。1、手部（或称抓取机构） ； 2、传送机构（或称臂部） ； 3、驱动部分；4、控制部分；5、其它部分（如机体、检测装置等） 。 驱动部分 传送机构 控制部分 行程检测装置机体 手部 传感装置 被传送物件 图 11 机械手的组成及其相互间关系1.31.3 机械手的机械手的分类分类 1、按使用范围分类机械手分为专用机械手和通用机械手，具体一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它的特点是具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智

12、能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机械手来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为“Mechanical hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。2、按驱动方式分类 液压驱动机械手； 气压驱动机械手； 电力驱动机械手；机械驱动机械手； 3、按机械手的臂力大小分类 微型机械手：臂力小于 1 公斤。 小型机械手：臂力为 110 公斤。 中型机

13、械手：臂力为 1030 公斤。 大型机械手：臂力大于 30 公斤。 4、按传送的运动轨迹不同分为： 直线运动传送机构 回转运动传送机构 摆动（或转动）运动传送机构。 5、按照机械手的结构形式来分类机械手可分为关节型机械手和非关节型机械手。其中关节型机械手的机械本体部分一般为由各种关节串接起若干连杆组成的开链式机构。其中，本设计（论文）题目限定为转动关节型机械手臂的机结构设计。而关节型机械臂有如下特点：a.大、小臂均采用薄壁与正题骨架构成的结构型式，有利于提高刚度，减轻质量。内部铝铸件形状复杂，既用作内部齿轮安装壳体与轴的支承座，又兼作承力骨架，传递集中载荷。这样不仅节省材料，减少加工量，又使整

14、体质量减轻。手臂外壁与铸件骨架采用胶接，使连接件减少，工艺简单，减轻了质量。机器人手臂材料首先应是结构材料。既要具有一定的强度，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比较轻。综合而言，应该优先选择强度大而密度小的材料做手臂。其中，非金属材料有尼龙、聚乙烯（PEH）和碳素纤维等；金属材料以轻合金（特别是铝合金）为主。b.轴承外形环定位简单。一般在无轴向载荷处，轴承外环采用端面打冲定位的方法。c.采用薄壁轴承与滑动铜衬套，以减少结构尺寸，减轻质量。d.有些小尺寸齿轮与轴加工成一体，减少连接件，增加了传递刚度。e.大、小臂，手腕部结构密度大，很少有多余空隙。如电机与臂的外壁仅有 0.5mm 间隙，手腕

15、内部齿轮传动安排亦是紧密无间。这样使总的尺寸减少，质量减轻。f.工作范围大，适应性广。工作空间几乎是它的手臂长度所能达到的全球空间。工作时位姿的适应性很强。g.由于结构上采取了刚性齿轮传动，调整齿轮间隙机构，弹性万向联轴器，工艺上加工精密，多用整体铸件，使得重复定位精度较高。1.41.4 机械手的意义与作用机械手的意义与作用在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。机械手可在空间抓、放、搬运物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自

16、动线。机械手一般由耐高温，抗腐蚀的材料制成，以适应现场恶劣的环境，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。在机械工业中，铸、锻、焊、铆、冲压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实例。其它部门，如轻工业，建筑业，国防工业等工作中也均有所应用。机械手是工业机器人的重要组成部分，在很多情况下它就可以称为工业机器人。工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。广泛采用工业机器人，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，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要

17、的意义。 在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：1、可以提高生产过程的自动化程度应用机械手，有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。2、可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。又如在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。在此情况下机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，使劳动条件得以改善。可在劳动条件

18、差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。如在一些简单、重复，特别是较笨重地操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成地人身事故。3、可以减少人力，并便于有节奏地生产应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力地一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。第二章第二章 总体设计总体设计1 1 设计方案设计方案 题目确定以后，参观实物和上网查找资料，获知龙门式上下料机械手有两种形式：直线式和平面式； 图 1 直 线 龙

19、门 式 图 2 平 面 龙 门 式 其中，直线式占用面积少、活动范围小、刚度差，但是精度较高；平面式则是工作范围大、刚度较高、灵活性好，但精度不高。由于本次设计是专门为数控机床上下料的，专用化的程度高，考虑到实用性和经济性，建议选择直线式为设计的结构形式。现推荐两种较好的方案：第一种方案：如图所示： 图 3机器手外观图 主要技术参数：其中搬运零件重量40kg；X 轴最大工作行程:2500mm；Z 轴最大工作行程:500mmX 、Z 轴的直线运动皆为电机通过减速器驱动齿轮与X 轴横梁、Z 轴滑柱上固定的齿条作滚动, 驱动移动部件沿淬硬镶钢导轨运动。第二种方案：CK1463车削单元中的NJS100

20、型龙门式自动上下料机械手：图 4 龙门式上下式机械手结构简图主要技术参数：其中搬运零件重量30kg；X 轴最大工作行程:2000mm；Z 轴最大工作行程:600mm；X、Y轴都采用步进电机和丝杠配合的驱动方式； 第一种方案由于要用减速器驱动齿轮，结构比较大，设计起来比较复杂，实用性不如第二种方案，而且第二种方案机械手制造简单造价便宜，在此以第二种机械手为本次设计的方案。2 2 机械手工作场所时的要求机械手工作场所时的要求龙门式上下料机械手可用于数控车床、数控铣床、数控磨床、加工中心等自动单机和自动线。机械手可从辊道上夹持工件准确的送到机床的装夹部位，然后退出，加工完后，机械手进入，夹持工件放到

21、辊道上。2.12.1、夹持工件、夹持工件加工工件为圆轴类。参数：长度：500mm 重量：30kg一般选 45 号钢，材料密度 7.8（kg/cm）310计算其平均半径:r=4.95(cm) (2-1)rlm50108 . 7303设计机械手钳爪时取 r=5(cm)上下料时间：小于 15S3 3 总体方案设计总体方案设计本设计中龙门式上下料机械手总体控制方式为两轴伺服控制（其中手爪的竖直移动方向为 Z 轴方向、水平移动方向为 X 轴方向，龙门框架为固定式。动作时机械手沿横梁左右移动。手爪机构设计：手爪采用连杆杠杆式，驱动方式为气动驱动。主要依据是考虑对位置精度的要求不高并且要在恶劣的环境中工作。

22、传动方案：由于电机驱动方式的控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，并且考虑经济和结构的要求，建议采用步进电机和丝杆配合的驱动方式。X 轴采用滚珠丝杆传动，方形直线导轨，由步进电机驱动。Y 轴采用滚珠丝杆传动，法兰型直线导轨，由步进电机驱动，机械手定位精度为 0.1mm，脉冲当量为0.05mm/脉冲。机械手移动范围：Z 轴 800mm，最大移动速度=10m/min；X 轴 2000mm，最大max移动速度=18m/min。max4 4 立柱设计立柱设计机架设计准则：机架的设计主要应保证刚度，强度及稳定性。 机架通常分为铸造机架和焊接机架两类，焊接结构较之铸造结构具有强度和刚度高，

23、重量轻，生产周期短以及施工简便等优点。下面是铸造机架和焊接机架的对比：由于零件的抗弯，抗扭强度和刚度除了与其截面面积有关外，还取决与截面形状，合理改变截面的形状，增大其惯性距和截面系数，可提高机架零件的强度和刚度，从而充分发挥材料的作用。在此机架形状选用方形。铸造机架 焊接机架 重量 较重钢板焊件比铸件轻 30% 强度，刚度，抗振性刚度强度较低，阻尼大强度刚度大，抗振性差 价格 价廉 价格较高 生产周期 周期长，资金周转慢 生产周期短 设计条件铸件壁厚不能相差过大，只能用开口结构设计灵活，壁厚可以相差较大 用途 大批量生产 单件小批第三章第三章 上下料机械手设计上下料机械手设计3.13.1 机

24、械手机构设计机械手机构设计3.1.1 工件受力分析工件受力分析根据设计任务书要求，机械手所夹工件为=30kg，长度为 500mm。当工件被夹jM紧后机械手加速起动时所受力最大，受力分析如图 3-1 所示。图中：F1、F2、F3、F4 为夹紧力 加速度0.32m 2/s G 为工件所受重力 G=g=309.8=294(N) jM 为沿轴方向加速时产生的惯性力 yaF =a=300.3210(N) yaFjM 图 3-1 工件受力分析 3.1.2 机械手夹紧力计算机械手夹紧力计算夹紧力所要产生的竖直方向的分力=+G=294+10=304(N)TFYaF计算夹紧力时必须把安全系数考虑在内。安全系数=

25、K1K2K3K式中：为基本安全系数，取=1.5；为运动冲击系数，取=1.1；为夹持1K1K2K2K3K器误差系数，取=1.3；3K所以 =1.5 1.1 1.3 304=652(N)FTFK 在夹紧状态下夹持器体与工件接触的平面与水平面夹角=45，工件所受到向上的分力与夹紧力之间的计算公式为：TFNF （3-1）tanNTFF 式中： 为工件所受到向上的分力(N)TF只有当大于等于时，即时，机械手才能把工件夹紧。TFFTFF所以夹紧力必需满足：NFNFFtan选用能产生较在夹紧力的连杆杠杆式夹持器，如图 3-2 所示：图 3-2 连杆杠杆式夹持器当驱动杆 1 上下移动时，由杆 1、连杆 2、摆

26、动的钳爪 3 和夹持器体 4 构成四杆机构，迫使钳爪完成夹紧和松开动作。夹紧力和驱动力之间的计算公式为： NFPF (3-2)bcFFPNcos =678NcoscbFFNp30cos200180652式中：为夹紧力（N） ；为驱动力（N） ；c200mm；b180mm；=NFPF30扩力比为：= (3-3)icosbcFFNP =1.04232001803.23.2 气缸设计气缸设计气缸选用80mm，管接式地脚结构。当压缩空气单位压力 p=0.2Mpa 时，气缸推力为 1005N。由于已知铰链杠杆机构的扩力比为 =1.04，因为在实际选用中应根据不i同情况对表中数值乘以 0.6-0.8 系数

27、后，再选取。所以故由气缸产生的实际夹紧力为： = 1005 0.8=1.041005 0.8=836（N） (3-4)NFi此时已大于所需的 678N 的夹紧力，故本机械手可安全工作。NF此表中的数据是理论输出力，在实际选用中应根据不同情况对表中数值乘以 0.6-0.8 系数后，再选取。第四章第四章 悬臂（悬臂（Z Z 轴）传动系统设计轴）传动系统设计4.14.1 传动比的选定传动比的选定对于步进电机，脉冲当量（mm/脉冲）确定，初步选定滚珠丝杠导程(mm)和P0L电机步距角(1.8 )/脉冲后，则可用下式来计算该轴伺服传动系统的传动比b=1 (4-1)PbLi360050 . 0360108

28、 . 1其中， 为步进电机的步距角 ，为滚珠丝杠导程 10mm，为bb2 . 10L0Lp系统的脉冲当量 0.05mm/脉冲。使 i=1，使步进电机直接与丝杠用联轴器联接，p有利于简化结构，提高精度。4.24.2 工作台，机械手的质量工作台，机械手的质量：4.2.14.2.1 工作台的型号及重量工作台的型号及重量工作台基础构件采用优质铝合金、铸铁、钢材、及大理石等材料，传动结构可以采用直导轨、直线圆导轨、滚珠丝杠、同步带及气缸等多种组合形式，满足各种行业、不同场合的需要。具有精度高、寿命长、效率高、磨损小、通用性强结构紧凑美观等特点。 在此选用型号为 RHDZ-080 的工作台，工作台采用双滑

29、轨、滚珠丝杆的组合形式。行程 800mm，总长 1120mm。质量为75kg。1M4.2.24.2.2 机械手重量机械手重量2M 机械手材料为 45 号钢，质量为 45kg。4.34.3 滚珠丝杆的选定滚珠丝杆的选定4.3.14.3.1 选取的滚珠丝杠转动系统为选取的滚珠丝杠转动系统为： 磨制丝杠(右旋)轴承到螺母间距离(临界长度)800mmnL固定端轴承到螺母间距离 800mmkL设计后丝杠总长 1000mmL最大行程（有效行程）800mmuL工作台最高移动速度 10（m/min）maxV寿命定为24000 工作小时。hL丝杆摩擦系数 0.1 电机最高转速 1000 （r/min）；加速度0

30、.32mmaxn2/s支承方式为(固定支承)W = 75kg+45kg （工作台托板质量+机械手质量） g=9.8m/sec2(重力加速度)I=1 (电机至丝杠的传动比)摩擦阻力 Fw=W g = 0.11209.8118(N) 丝杆工作时受到的轴向载荷：无夹工件时(+) (g+)(75+45) (9.8+0.32)waFFF1M2MwF+1181332(N)夹工件时(+) (g+)(75+45+30) (9.8+0.32)waFFF1M2MjMwF+1181636(N) 运转方式轴向载荷Fa=F+Fw （N）进给速度(mm/min) 工作时间比例无夹工件时上下移动=13321aFV1=100

31、00q1=50夹工件时上下移动=16362aFV2=8000q2=50 运转方式进给速度(mm/min)进给转速(r/min)无夹工件时上下移动V1=10000n1=1000夹工件时上下移动V2=8000n2=8004.3.24.3.2 选取的滚珠丝杠型号和计算选取的滚珠丝杠型号和计算(1)导程的计算： 10000/100010mm0LinVmaxmax(2)平均速度的计算： 2211mn100qn100qn 900r/min 80010050100010050(3)平均载荷的计算： 32m2321m131100qnnF100qnnFmF 1483(N)33310050900800(1636)

32、100509001000(1332) (4)丝杆时间寿命的计算： 24000900601296000000 转次60nLRmh(5)额定动载荷的计算： 36wm10RfFC 21030(N)361012960000003 . 11483 其中为丝杆在普通运动中的摩擦系数取 1.3wf得到：额定动载荷21030(N)。以值从“FDG 法兰式双螺母表”中查出适合的CC类型：公称直径： d0=32mm 丝杠底径： d0=27.1mm 导程：Pho=10mm 循环圈数：3.5额定动载荷为：Ca25649N 额定静载荷：66711 N 螺母总长oaC128mmsL (6)丝杆螺纹长度的计算： 80024

33、0880mm eu1L2LL 其中最大行程，为余程（由下表查到） 。 uLeL 有效行程有效行程 L Lu u=L=L1 1-L-Le e公称导航 Lo2.53456810121620余程 Le10121620243240455060 丝杠螺纹长度不得小于 800mm 加上螺母总长一半 64mm(从“FDG 法兰式双螺母表”查得螺母总长 128mm)。得丝杠螺纹长度 864m。在此取丝杠螺纹长度 L1=900mm则轴承之间的距离 =900mmL(7)丝杆公称直径的计算：注：公称直径由允许工作转速与工作容许轴向载荷来得出。临界转速及允许工作转速的关系为： 其中为临界转速，为允许工作Ln8 . 0

34、nkLnkn转速。已知1000r/min，在此先假； 1000r/min maxnknmaxnkn 丝杆底径6.6mm722nk210Lnd72107 . 98001000 式中：为安装系数，在“安装方法图”中查找，安装方式为“固定支承”。2得到丝杆底径6.6mm。结合上边求得的10mm 以及额定动载荷21030(N)查0LC“FDG 法兰式双螺母表”得到丝杆的型号为：FDG3210RFDG3210RP5-3.5-1000900P5-3.5-1000900(8)预紧载荷的计算： 1.预加负荷的确定aoF 545(N)316363FFmaxao2.预拉伸滚珠丝杆副行程补偿值 C 和拉伸力的确定t

35、F C3u010Lt 0.02-33610108002106 .11m式中：C 行程补偿值（） ；温度变化值；最大行程；mtC3C200uL膨胀系数 /度006106 .11 2864(N)E4dtF22t22dt95. 1式中：行程内预拉伸力；E 弹性模量 E(N/)；为丝杆底径。tF51006. 22mm2d 4.3.34.3.3 滚珠丝杠的校核滚珠丝杠的校核 (1)丝杆刚度及其弹性变形量 2kw0s)LD707. 0d(165R 211N/2)8004.76707. 032(165m 6.3定位精度（即 0.05mm） s1RF 2111332m21 式中： 为丝杆刚度，为球径，为弹性变

36、形量。sRwD(2)允许的轴向载荷 21LIEKP 42305(N)2425900641006. 22d 82kFPn163642305 最大轴向载荷小于丝杠工作容许轴向载荷，丝杆可以正常工作。(3)临界转速及允许工作转速 临界转速：72112L10Ldn 3712r/min7210900317 . 9 式中：为丝杆轴底径，为安装系数。 1d2 允许工作转速：0.837122970r/minLkn8 . 0n1000maxn/min 小于允许工作转速kn，故丝杆可以正常工作。 4.44.4 直线导轨副的型号的选择及额定寿命的计算直线导轨副的型号的选择及额定寿命的计算4.4.14.4.1 直线导

37、轨副型号结构直线导轨副型号结构滚动直线导轨副是由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架、密封端盖及挡板等组成。当导轨与滑块作相对运动时，钢球就沿着导轨上的经过淬硬和精密磨削加工而成的四条滚道滚动，在滑块端部钢球又通过返向装置（返向器）进入返向孔后再进入滚道，钢球就这样周而复始地进行滚动。返向器两端装有防尘密封端盖，可有效地防止灰尘、屑末进入滑块内部。4.4.24.4.2 直线导轨副型号特点直线导轨副型号特点滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度。驱动

38、功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一。与 V 型十字交叉滚子导轨相比，摩擦阻力可下降约 40 倍。适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约 10 倍。能实现高定位精度和重复定位精度。动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力，从而获得：能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。 成对使用导轨副时，具有“误差均化效应”，从而降低基础件（导轨安装面）的加工精度要求，降低基础件的机械制造成本与难度。导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承接能力及刚度比平面与钢球点接触时大大提高，滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显降低。导轨采用表面硬化处理，使导轨具有良好的可校性；心部保持良好的机械性能。

39、简化了机械结构的设计和制造。4.4.34.4.3 额定寿命及寿命时间的计算（选择导轨型号为额定寿命及寿命时间的计算（选择导轨型号为 RHD20BRHD20B） 额定寿命3cwacthePCfffff50L）（ 23818Km30.06163614501.5181. 01150）（ 式中：除为计算载荷外，其他系数在上表和下表中找出。cP 寿命时间60nL2LLmaxueh 41350(h)5(年) 6068 . 0210238183 4.54.5 电机的选型及计算电机的选型及计算 4.5.14.5.1 步进电动机的型号的选择步进电动机的型号的选择(1)脉冲当量、步距角的确定及传动比的计算脉冲当量

40、：一个脉冲使步进电动机驱动拖动的移动距离=0.05mm/pP步进电动机的步距角/脉冲，其每转的脉冲数 S=200 p/rb08 . 1008 . 1360步进电动机与滚珠丝杆间的传动比i= =1isL02050 . 010(2)等效转动惯量的计算tJ 1滚珠丝杆的转动惯量 JsJs=Kg.m243440101 . 8321085. 71)032. 0(14. 332lpd 2联轴器的转动惯量LJ 在下表中选出联轴器的型号为：LK5C681930 其转动惯量LJ24109 . 1mkg 3工作台及机械手的转动惯量wJ kg.m23220102 . 1)01. 0(8 . 91176)L(Jgww

41、式中：w 为工作台及机械手重量。等效转动惯量的计算：tJ wLstJJJJ23102 . 2mkg (3)等效负载转矩的计算mM 1. 加速度力矩 = aM）（tdJJ2max1002. 1tn =）（33102 . 2105 . 121002. 111000Nm1077. 32式中 Ma -电机启动加速力矩（Nm) ，、-电机自身惯量（在下表查得与负载惯量(Kg.) 。dJtJ2mn-电机所需达到的转速（r/min） ， T-电机升速时间为 1（s） 。2. 预加载荷而产生的转矩fM =fMiL2kFp0ao =0.156Nmi218. 00.01545 式中：为预紧螺母内的摩擦系数（0.1

42、0.3）在此取 0.18pk3. 由负载产生的转矩ZMZMi2LF02a 3.2Nmi8 . 0201. 01636式中：； 为电机传递效率为 0.8等效负载转矩mM =+=0.38Nm mMaMfMZM 电机接线图与外形图 根据等效转动惯量以及等效负载转矩的值，初选电机型号为 110BYG2502 tJmM4.5.24.5.2 步进电动机的校核步进电动机的校核根据已选出的电机 110BYG2502，查出其转动惯量以及最大静转矩23mmkg105 . 1J。电机正常工作时负载惯量，负载转矩0.38Nm。Nm6tMtJ23102 . 2mkg mM在及时能使电机正常工作。2MMmt4JJmt 2

43、36MMmt4105 . 1102 . 2JJ33mt 选择电机 110 BYG2502 满足此条件，电机能够正常运转。第五章第五章 横梁（横梁（X X 轴）传动系统设计轴）传动系统设计5.15.1 传动比的选定传动比的选定对于步进电机，脉冲当量（mm/脉冲）确定，初步选定滚珠丝杠导程(mm)和P0L电机步距角(3 )/脉冲后，则可用下式来计算该轴伺服传动系统的传动比b=1 (4-1)PbLi36001 . 0360123其中， 为步进电机的步距角 ，为滚珠丝杠导程 12mm，为系bb30L0Lp统的脉冲当量 0.1mm/脉冲。使 i=1，使步进电机直接与丝杠用联轴器联接，p有利于简化结构，提

44、高精度。 5.25.2 滚珠丝杆的选定滚珠丝杆的选定5.2.15.2.1 选取的滚珠丝杠转动系统为：选取的滚珠丝杠转动系统为： 磨制丝杠(右旋)轴承到螺母间距离(临界转速)2000mmnL固定端轴承到螺母间距离(容许轴向载荷) 2000mmkL设计后丝杠总长 2200mmL最大行程（有效行程）2000mmuL工作台最高移动速度 18（m/min）maxV寿命定为24000 工作小时。hL丝杆摩擦系数 0.1 电机最高转速 1500 （r/min）；加速度0.6mmaxn2/s支承方式为(固定固定)W = 125kg45kg50kg （工作台质量+机械手质量托板重量） g=9.8m/sec2(重

45、力加速度)I=1 (电机至丝杠的传动比)摩擦阻力 Fw=W g = 0.12209.8216(N) 丝杆工作时受到的轴向载荷：无夹工件时(+)(g+) waFFF1M2M3MwF (125+45+50) (9.8+0.6)+2162504(N)夹工件时(+)(g+)waFFF1M2M3MjMwF (125+45+50+30) (9.8+0.6)+2162816(N) 运转方式轴向载荷Fa=F+Fw （N）进给速度(mm/min) 工作时间比例无夹工件时上下移动=25041aFV1=18000q1=50夹工件时上下移动=28162aFV2=15000q2=50 运转方式进给速度(mm/min)进

46、给转速(r/min)无夹工件时上下移动V1=18000n1=1500夹工件时上下移动V2=15000n2=12005.2.25.2.2 选取的滚珠丝杠型号和计算选取的滚珠丝杠型号和计算(1)导程的计算： 18000/150012mm0LinVmaxmax(2)平均速度的计算： 2211mn100qn100qn 1350r/min 120010050150010050(3)平均载荷的计算： 32m2321m131100qnnF100qnnFmF 2652(N)3331005013501200(2816)1005013501500(2504) (4)丝杆时间寿命的计算： 2400013506019

47、44000000 转次60nLRmh(5)额定动载荷的计算： 36wm10RfFC 43027(N)361019440000003 . 12652 其中为丝杆在普通运动中的摩擦系数取 1.3wf得到：额定动载荷43027(N)。以值从“FDG 法兰式双螺母表”中查出适合的类型：CC公称直径： d0=40mm 丝杠底径： d0=33.9mm 导程：Pho=12mm 循环圈数：4.5额定动载荷为：Ca47016N 额定静载荷：132278 N 螺母总长178mmoaCsL (6)丝杆螺纹长度的计算： 20002452090mm eu1L2LL 其中最大行程，为余程（由下表查到） 。 uLeL 有效

48、行程有效行程 L Lu u=L=L1 1-L-Le e公称导航 Lo2.53456810121620余程 Le10121620243240455060 丝杠螺纹长度不得小于 2000mm 加上螺母总长一半 89mm(从“FDG 法兰式双螺母表”查得螺母总长 178mm)。得丝杠螺纹长度 2090m。在此取丝杠螺纹长度 L1=2100mm则轴承之间的距离 =2100mmL(7)丝杆公称直径的计算：注：公称直径由允许工作转速与工作容许轴向载荷来得出。临界转速及允许工作转速的关系为： 其中为临界转速，为允许工作转速。Ln8 . 0nkLnkn已知1500r/min，在此先假； 1500r/min m

49、axnknmaxnkn 丝杆底径27.3mm722nk210Lnd72109 .2100200051 式中：为安装系数，在“安装方法图”中查找，安装方式为“固定固定” 。2得到丝杆底径27.3mm。结合上边求得的12mm 以及额定动载荷43027(N)查“FDG0LC法兰式双螺母表”得到丝杆的型号为：FDG4012RP5-4.5-25002200(8)预紧载荷的计算： 1.预加负荷的确定aoF 939(N)328163FFmaxao2.预拉伸滚珠丝杆副行程补偿值 C 和拉伸力的确定tF C3u010Lt 0.05-336101020002106 .11m式中：C 行程补偿值（） ；温度变化值；

50、最大行程；mtC3C200uL膨胀系数 /度006106 .11 4482(N)E4dtF22t22dt95. 1式中：行程内预拉伸力；E 弹性模量 E(N/)；为丝杆底径。tF51006. 22mm2d5.3.35.3.3 滚珠丝杠的校核滚珠丝杠的校核 (1)丝杆刚度及其弹性变形量 2kw0s)LD707. 0d(165R 53N/2)200095. 5707. 040(165m 47.2定位精度（即 0.05mm） s1RF 535042m21 式中： 为丝杆刚度，为球径，为弹性变形量。sRwD(2)允许的轴向载荷 21LIEKP 20978(N)24252000641006. 22d 7

51、2kFPn281620978 最大轴向载荷小于丝杠工作容许轴向载荷，丝杆可以正常工作。(3)临界转速及允许工作转速 临界转速：72112L10Ldn 2100r/min7210200038.29 .21 式中：为丝杆轴底径，为安装系数。 1d2 允许工作转速：0.821001680r/minLkn8 . 0n/min 小于允许工作转速，故丝杆可以正常工作。1000maxnkn 5.45.4 直线导轨副型号的选择及额定寿命的计算直线导轨副型号的选择及额定寿命的计算5.4.15.4.1 直线导轨副型号结构直线导轨副型号结构滚动直线导轨副是由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架、密封端盖及挡板等组成。当

52、导轨与滑块作相对运动时，钢球就沿着导轨上的经过淬硬和精密磨削加工而成的四条滚道滚动，在滑块端部钢球又通过返向装置（返向器）进入返向孔后再进入滚道，钢球就这样周而复始地进行滚动。返向器两端装有防尘密封端盖，可有效地防止灰尘、屑末进入滑块内部。5.4.25.4.2 直线导轨副型号特点直线导轨副型号特点滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度。驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一。与 V 型十字交叉滚子导轨相比，摩擦阻力可下降约 40 倍。适

53、应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约 10 倍。能实现高定位精度和重复定位精度。动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力，从而获得：能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。 成对使用导轨副时，具有“误差均化效应”，从而降低基础件（导轨安装面）的加工精度要求，降低基础件的机械制造成本与难度。导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承接能力及刚度比平面与钢球点接触时大大提高，滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显降低。导轨采用表面硬化处理，使导轨具有良好的可校性；心部保持良好的机械性能。简化了机械结构的设计和制造。5.4.35.4.3 额定寿命及寿命时间的计算（选择导轨型号为额定寿命及寿命时

54、间的计算（选择导轨型号为 RHD30ARHD30A） 额定寿命3cwacthePCfffff50L）（ 44702Km30.06281629801.5181. 01150）（ 式中：除为计算载荷外，其他系数在上表和下表中找出。cP 寿命时间60nL2LLueh 46378(h)5(年) 6042210238183 5.55.5 电机的选型及计算电机的选型及计算 5.5.15.5.1 步进电动机的型号的选择步进电动机的型号的选择(1)脉冲当量、步距角的确定及传动比的计算脉冲当量：一个脉冲使步进电动机驱动拖动的移动距离=0.1mm/pP步进电动机的步距角/脉冲，其每转的脉冲数 S=120 p/rb

55、03003360步进电动机与滚珠丝杆间的传动比i= =1isL1201 . 012(2)等效转动惯量的计算tJ 1滚珠丝杆的转动惯量 JsJs=Kg.m233440103 . 4321085. 72 . 2)40 . 0(14. 332lpd 2联轴器的转动惯量（查第四章联轴器图）LJ 在下表中选出联轴器的型号为：LK5C822840 其转动惯量LJ24100 . 7mkg 3工作台、机械手及托板的转动惯量wJ kg.m23220102 . 3)201. 0(8 . 96215)L(Jgww式中：w 为工作台及机械手重量。等效转动惯量的计算：tJ wLstJJJJ23102 . 8mkg (3)等效负载转矩的计算mM1. 加速度力矩 = aM）（tdJJ2max1002. 1tn =）（33102 . 8105 . 921002. 110051.27Nm0式中 Ma -电机启动加速力矩（Nm) ，、-电机自身惯量（在下表查得与负载惯量(Kg.) 。dJtJ2mn-电机所需达到的转速（r/min） ，