板材自动装卸机总体及骨架上料部件设计

1、板材自动装卸 题 目： 板材自动装卸机设计 总体及骨架上料部件设计姓 名： 学 号： 学 院： 专 业： 年 级： 指导教师： （签名）系 主 任： （签章）III板材自动装卸机设计总体及骨架上料部件设计摘 要当前国内的板材制作过程基本为人工操作，人工制造过程为事先用木板钉成方框再倒入材料，再通过手工从两边向中间压平然后等待板材自然硬化。其主要缺点是硬化时间长，无法做到批量大规模生产，耗费人力多，良品率不高，不利于企业营利以及持续发展。基于以上因素，通过查阅相关资料，提出使用机械手代替人工制作的方案，并以此进行板材自动装卸机的设计。提出板材自动装卸机的设计是从实际生产需求出发以达到解决实际问题

2、减轻劳动力提高生产效率和产品成品率，改善人工制作耗时长的缺陷，具有很重要的现实意义。板材自动装卸机主要通过机械手来操作上料与卸料，其机械部分主要有机身、伺服传动系统、板材卸料部件、骨架上料部件等部分组成。其操作过程为通过上方运输平台运送材料至机器倒料口进行下料，上料机械手通过感应抓取钢筋后放入凹模后推出，材料进行二次下料滚压机将凹模平铺满材料，卸料机械手伸入通过真空抓取板材，放到成品区。通过板材自动装卸机生产的板材主要用于建筑方面，在建筑中通过中间填充泡沫可以达到替代梁的作用，使房顶更加美观。本次设计是在了解伺服系统的设计基础上，结合实际生产中的问题利用自身专业知识设计出当前生产常用的机械手操

3、作板材生产工艺过程，通过机械手对钢筋的上料和板材的卸料代替人工操作，以一种新的板材成形方式完全代替老旧的人工铺料时效处理的生产工艺过程，解决了板材成品率以及耗时久的主要问题。关键词： 板材，自动装卸，伺服系统Design of automatic machine for plateDesign of material components in general and frameAbstractCurrent domestic plate production process for manual operation, artificial manufacturing process is w

4、ith wooden nail into the box and then poured into the material, again by hand from both sides to the middle flat and then wait for the plate natural hardening. Its main drawback is that the hardening time is long, can not do mass production, consumption of human, good rate is not high, is not conduc

5、ive to corporate profits and sustainable development. Based on the above factors, the use of mechanical hand instead of manual production scheme is put forward, and the design of automatic loading machine is put forward.The design of automatic loading and unloading machine plate is from the actual p

6、roduction needs starting to solve practical problems to reduce labor and improve the production efficiency and the rate of finished products, improved artificial fabrication time-consuming defect length, has important practical significance. The automatic loading and unloading machine of the plate m

7、ainly through the manipulator to operate the material and unload material, its mechanical part mainly has the fuselage, the servo drive system, the material unloading part, the skeleton material and so on parts. The operation process is through the above transport platform transporting materials to

8、the machine pouring mouth for feeding, feeding manipulator through induction grab bars is put into the concave die after the launch, the material was under the second feeding roller die tile full material unloading manipulator extends into the through vacuum gripping plate materials into finished go

9、ods. Through the automatic loading and unloading machine production of the plate is mainly used for construction, in the building through the middle fill foam can reach the role of alternative beam, make the roof more beautiful.In the understanding of the servo system is designed based on, combined

10、with problems in the actual production to use their professional knowledge to design the production of common mechanical manipulator plate production process, by manipulator of reinforced material and the plate unloading instead of manual operation, with a new sheet metal forming way to completely r

11、eplace the old manual paving material aging treatment of the production process, to solve the problems of plate yield and takes a long time.Key words：Plate, automatic loading and unloading, servo system目 录摘要 Abstract 第一章 绪论11.1 研究背景11.2 研究的主要内容11.3 研究的主要目的与意义1第二章 整体方案的设计22.1 方案的初步构想22.2 整体方案的确定6第三章

12、各部分的计算与设计73.1 水平方向传动部件的选择73.1.1 导轨副的选用73.1.2 丝杠螺母副的选用73.1.3 伺服电机的选用73.1.4 减速装置的选用73.1.5 检测装置的选用73.2 水平方向机械传动部件的计算与选型83.2.1 导轨上移动部件的重量估算83.2.2 直线滚动导轨副的计算与选型83.2.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型83.2.4 轴承座和螺母座的选用123.2.5 伺服电机的计算与选型123.2.6 同步带减速箱的计算与选型133.3 垂直方向传动部件的选择153.3.1 导轨副的选用153.3.2 丝杆螺母副的选用163.3.3 伺服电机的选用163.3.4

13、连接方式的选择163.3.5 检测装置的选用163.4 垂直方向机械传动部件的计算与选型163.4.1 导轨上移动部件的重量估算163.4.2 直线滚动导轨副的计算与选型163.4.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型173.4.4 伺服电机的计算与选型203.4.5 联轴器的选用213.5 底座的计算与选型213.5.1 底座部件的选择213.5.2 伺服电机的计算与选型213.5.3 蜗轮蜗杆减速箱的计算与选型223.5.4 底座轴承布置及轴的校核253.5.5 蜗轮蜗杆减速箱结构参数27结论29参考文献30谢辞31附录1滚珠丝杠导程精度允许值32附录2 总体结构图33板材自动装卸机总体及骨架上

14、料部分第一章 绪论1.1 研究背景当前国内的板材制作过程基本为人工操作，人工制造过程为事先用木板钉成方框再倒入材料，再通过手工从两边向中间压平然后等待板材自然硬化。其主要缺点是硬化时间长，无法做到批量大规模生产，耗费人力多，良品率不高，不利于企业营利以及持续发展，因此有必要将这个过程进行自动化的改进。1.2 研究的主要内容查阅文献资料，熟悉相关知识，了解相关背景。提出板材自动装卸机总体方案设计，并进行可行性分析。设计板材自动装卸机主传动系统设计以及机械手Z向伺服系统设计和X向伺服系统设计，设计骨架夹持机构，对伺服（或步进）电机进行计算、选型（包括惯量、转矩、转速匹配等），丝杠螺母副设计计算，主

15、要零部件结构设计，绘制出CAD图，并对相关尺寸公差进行标注，编写并打印符合撰写规范的毕业设计论文。1.3 研究的主要目的与意义本次设计的主要目的是将自身所学知识与实际生产中的问题进行紧密结合，达到学以致用，解决实际生产的现实问题，利用自身专业知识设计出当前生产常用的机械手操作板材生产工艺过程。其现实意义是通过机械手对钢筋的上料和板材的卸料代替人工操作，以一种新的板材成形方式完全代替老旧的人工铺料时效处理的生产工艺过程，解决了板材成品率以及耗时久的主要问题。该课题与本专业高度相关，是对专业知识学习的一次综合应用，涉及到多门学科，如机械设计、机械制造、材料力学、理论力学、互换性与技术测量、机电一体

16、化等多门学科，通过课题能够加强各个学科有横向与纵向的联系。同时对机械设计工作有一份认识，对从事机械设计工作累计了经验，是对未来从事机械工作是一次很好的锻炼。第二章 整体方案的设计2.1 方案的初步构想通过自身所学的机械原理，现将板材自动装卸机分成三个部件分别进行初步的方案构想。各部件机构的选择：底座旋转机构，现提出三种方案：M(1) 电机通过减速器与齿轮相连，齿轮啮合实现90°旋转。该方案优点是：结构简单，操作便捷，便于装配，瞬时传动比恒定，传动效率高，结构紧凑；缺点是：定位差，需要辅助装置，没有过载保护。结构简图参见图2-1。M图2-1齿轮传动机构简图图2-2蜗轮蜗杆传动简图(2)

17、 电机通过减速器与蜗杆相连，利用蜗轮蜗杆实现90°旋转。该方案优点是：能够以较大传动比运行，承载能力强，具有自锁性能够实现较为精准的转向控制、定位准确；蜗轮蜗杆传动缺点是：传动效率不高，磨损较严重，蜗杆轴向力较大。常用场合为：传动比较大、传动功率小、间歇工作的场合，在该设计中十分符合需求。结构简图参见图2-2(3) 电机通过减速器与缺口圆盘连接，通过槽轮机构实现90°旋转。该方案优点是：能够实现精准的转向控制，便于加工制造，工作时稳定可靠；缺点是：结构设计复杂，在槽轮启动和停止的时候加速度大，有较大冲击，并随着转速的增加而加速，该机构不适用于高速。常用于不需经常调节转位角度

18、的旋转运动。结构简图参见图2-3。图2-3槽轮机构传动简图图2-4垂直部分丝杠传动简图垂直方向的移动，提出三种常见机构：(1) 利用螺旋机构，如常见的滚珠丝杠实现上下运动。其优点是：摩擦损失小、传动效率高，精度高，传动具有可逆性；缺点是：不能自锁，垂直方向安装承载大载荷需要安装超越离合器。结构简图参见图2-4。(2) 利用齿轮齿条传动。其优点为结构简单，承载力大，精度较高；但该机构在机械设计中常用于远距离传动。且缺点明显:传动噪音大，磨损较大，安装精度差。结构简图参见图2-5。图2-5齿轮齿条传动简图(3) 利用同步带传动，其优点是：混合了多种传动类型的优点,同摩擦型带传动相比较，同步带传动的

19、传动带和带轮没有相对滑动，可以保证严格的传动比，传动效率高，传动时噪声低；其缺点是：同步带传动对中心矩及其尺寸稳定性要求较高。适用于轻载、小功率场合。结构简图参见图2-6。图2-6同步带传动简图水平方向的移动：采用常见的滚珠丝杠实现水平方向的来回移动。结构简图参见图2-7。图2-7水平部分丝杠传动简图钢筋抓取机械手的设计：由于机械手抓取钢筋重量较轻，故不用进行力的分析，在这里只需要进行动作的分析即可。(1) 采用气动机械手抓取方式，参见图2-8。图2-8气动机械手(2) 参考衣架夹子进行创新性设计。参见图2-9。图2-9夹子机械手2.2 整体方案的确定考虑经济以及实用性，底座采用蜗轮蜗杆减速器

20、，由于蜗轮蜗杆减速可以有很大的传动比，电机可以通过联轴器与蜗杆直连，同时可以保证90°的转向，由于轴向力较大，采用推力球轴承；由于钢筋自身重量较轻，为了经济性考虑，竖直方向与水平方向可以均采用滚珠丝杠结构；机械手可以采用气动机械手或者创新的衣架式机械手均可，由于钢筋重量较轻，在本次设计中就忽略抓取机械手力的分析，重点为动作分析，通过上方简图进行表示即可。具体可以参见图2-10图2-10整体结构简图第三章 各部分的计算与设计3.1 水平方向传动部件的选择3.1.1 导轨副的选用常用导轨有滚动导轨和滑动导轨两种，其中滑动导轨结构简单，使用维修方便，但是有低速易爬行和磨损大寿命低的特点。本

21、课题要设计的自动板材装卸机的横向装置所需要承受的载荷不大，定位精度要求不是特别高，移动速度较快，要求运动平稳性好，寿命长，所以可以考虑采用直线滚动导轨，它具有灵敏度高，高速度，高精度，摩擦系数小，移动轻巧便捷从而会让运动平稳且在低速时不易出现爬行现象，结构紧凑，传动效率高，安装方便、预紧便捷等优点。3.1.2 丝杠螺母副的选用丝杆螺母副可以将伺服电机的旋转运动转换为直线运动，由于滚珠丝杠螺母副具有高精度保证特点、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，在预紧后可以消除反向间隙。为了满足较高的脉冲当量和定位精度选择使用滚珠丝杆螺母副。3.1.3 伺服电机的选用虽说板材自动装卸机所需精度并不高，其脉

22、冲当量尚未达到0.001mm，但是移动时最快移动速度较高。因此，在伺服电机的选用上可以采用当今流行的交流伺服电机，其优点是惯量小易于提高系统的快速性，定子绕组散热比较方便，工作可靠且对维护和保养要求低，当然也可以选择性能好一些的步进电机，如混合式步进电机，以降低成本，提高性价比。3.1.4 减速装置的选用选择了伺服电机和滚珠丝杆螺母副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，同时选用尽可能选用低惯量电机减轻重量，可能需要减速装置。常见的同步减速装置有齿轮减速和同步带减速。在这里考虑空间结构上的布置，采用同步带传动减速箱。3.1.5 检测装置的选用选

23、用伺服电机作为使用电机，则采用闭环控制。3.2 水平方向机械传动部件的计算与选型3.2.1 导轨上移动部件的重量估算根据钢的密度=7.8gcm3，估算钢筋重量为2.5kg。估算机械手和钢筋工作台总重量约为10kg。3.2.2 直线滚动导轨副的计算与选型(1) 滑块承受工作载荷Fmax的计算及导轨型号的选取影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素为工作载荷。对于水平布置的导轨，通常采用双导轨、四滑块的支承形式。计算选型时考虑最不利的情况，即垂直台面的工作载荷全部由一个滑块承担，由于没有外加载荷，则该滑块所受的最大垂直方向的载荷为：Fmax=G/4(3-1)其中G=100N，代入式（1-1），得到最大

24、工作载荷Fmax=25N=0.025KN。导轨采用济宁博特公司生产的导轨，查济宁博特公司导轨导轨样本手册，根据工作载荷Fmax=0.025KN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG25型，其额定动载荷Ca=17.7KN，额定静载荷C0a=22.6KN。根据钢筋尺寸为1200mm×1200mm×25mm，初定有效行程为1200mm，考虑工作行程应留有一定余量，按导轨长度标准系列，选取导轨的长度为1480mm。(2) 距离额定寿命L的计算上面选取的KL系列的JSA-LG25型导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作

25、速度不高，载荷不大。查参考文献1表3-363-40,取硬度系数fH=1.0、温度系数fT=1.00、接触系数fC=0.81、精度系数fR=0.9、载荷系数fW=1.8，代入公式（3-2），得到距离寿命：L=fHfTfCfRfWCaFmax3×501139276km（3-2）远大于期望值100km，所以距离额定寿命满足要求。3.2.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型(1) 设定的工作条件：每分钟往返次数:n=4次/min无效行程：0.15mm；定位精度:±0.4mm/1260mm反复定位精度：±0.05mm；最小进给量:s=0.02mm/脉冲行程长度：1260mm（根据

26、钢筋选择）(2) 丝杠工艺性的确定为了得出定位精度±0.4mm/1260mm：±0.41260=±0.095300导程精度必须选择±0.095mm/300mm以上。因此，滚珠丝杠的精度等级的选取根据附录1中选择精度等级为C7（运行距离误差为：±0.05mm/300mm）。根据精度等级C7的滚珠丝杠有精密滚珠丝杠和价格低廉的轧制滚珠丝杠，在考虑经济性的原因下，首先选择轧制的滚珠丝杠。(3) 轴向间隙的选择为了满足无效行程在0.15mm，必须选择轴向间隙在0.15mm以下的滚珠丝杠。因此，从满足轴向间隙0.15mm以下的轧制滚珠丝杠选择合适的滚珠丝

27、杠即可。(4) 最大工作载荷Fm计算设定加减速时间为ta=0.15s，机械手匀速进给时间为tm=6.15s，最大有效行程为Smax=1260mm，最大快进速度为Vmax=200mm/s。速度时间表参见图3-1。图3-1滚珠丝杠速度与时间图移动部件重量M=10kg，按矩形导轨进行计算，查参考文献1表3-29，滚动导轨上的摩擦因数 =0.005。 加速时a=Vmaxt×10-3=1.34m/s2，求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm=aM+Mg=1.34×10+0.005×10×10=13.9N 匀速时Fm=G=0.005×100=0.5N 减速时F

28、m=aM-Mg=1.34×10-0.005×100=12.9N(5) 最大动载荷FQ的计算工作台最快进给速度v=12000mm/min，初选丝杠导程Ph=8mm，则此时丝杠转速n=vPh=15000÷8=1500rmin。选取滚珠丝杠的使用寿命T=20000h，代入L0=60nT/106，得到寿命系数L0=1800（单位为：106r）。查参考文献1表3-30，取载荷系数fW=1.2，滚道硬度为60HRC，取硬度系数fH=1.0，代入公式（3-3）FQ=3L0fWfHFm203N（3-3）(6) 初选丝杠型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠型号，由于承受载荷较小，

29、故选用内循环式滚珠丝杠，查FF型内循环浮动式滚珠丝杠副，选择FF3208-3型滚珠丝杠副，为内循环浮动单螺母式，参数参见表3-1表3-1滚珠丝杠参数表丝杠轴外径d导程Ph公称型号钢球直径Dw丝杠底径d2符合圈数列×圈基本额定负荷CaC0a328FF3208-3526.91×317.7KN38.8KN其公称直径为32mm，导程为8mm，循环滚珠为3圈×1列，精度等级C7，采用轧制，额定动载荷为17.7KN，大于FQ,满足要求。(7) 传动效率的计算由上述所选丝杠知其公称直径d0=32mm，导程Ph=8mm，代入公式（3-4）=tan-1Phd0（3-3）得丝杠螺旋升

30、角=4°33'。其摩擦角=10'，代入公式（3-5）=tantan+（3-5）得传动效率=96.4%。(8) 临界转速的计算由于在高速工作下的长丝杠有可能发生共振，需要计算不发生共振的转速为临界转速。为防止丝杠弯曲共振，按公式（3-6）进行计算：ncr=9910f22d2Lc2（3-6）其中f2丝杠支承方式系数，采用双推-简支，则f2=3.927Ln临界转速计算长度，Ln=1.26md2丝杠螺纹底径，d2=0.0269m计算出ncr=25894rmin>nmax=1500rmin同时验算滚珠丝杠另一临界值d0n=32×1500=48000<700

31、00mmrmin-1(9) 刚度的验算 滚珠丝杠副的支承形式一共四种，参见表3-2。表3-2滚珠丝杠副支承形式支承形式简图特点双推-自由1.刚度、临界转速低、压杆稳定性低2.设计时尽量使丝杠受拉伸3.适用于较短或垂直安装双推-简支1.临界转速、压杆稳定性高2.丝杠有热膨胀的余地3.适用于较长的卧式安装丝杠单推-单推可根据预计温升进行预拉伸双推-双推1.丝杠轴向刚度高 2.丝杠不受压，无压杆稳定性问题3.可用预拉伸减少丝杠下垂4.适用于刚度位移精度高场合这里采用采用“双推-简支”的方法，丝杠的一端采用一对角接触球轴承固定，另一端游动，其好处是丝杠有热膨胀的余地，此安装方式适用于较长的卧式安装丝杠

32、，左、右支承的中心距离约为a=1200mm；钢的弹性模量E=2.1×105MP；由上可知，得滚珠直径Dw=5mm，丝杠底径d2=26.9mm，丝杠截面积S=d224=568.32mm2。由公式（3-7）可以算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量1=±FmaES±Ma22IE（3-7）由于转矩M较小，所以公式中的第二项忽略不计，算出1=1.4×10-4mm 根据公式Z=d0DW-3，求得单圈滚珠数Z=17；该型号为单螺母，滚珠的圈数×列数为3×1，代入公式Z=Z×圈数×列数，得滚珠总数量Z=51。丝杠预紧时，

33、取轴向预紧力FYJ=Fm3=4.7N。由接触变形量公式（3-8）可知，2=0.0013Fm103DWFYJZ210（3-8）2=1×10-4mm，因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减少一半，取2=0.5×10-4mm。 将以上算出的1和2代入总=1+2，求得丝杠总变形量（对应跨度1200mm）=1.9×10-4mm。满足C7级精度滚珠丝杠有效行程在10001250mm时，行程允许偏差达到0.047mm，可见丝杠刚度足够。 压杆稳定性校核根据参考文献1计算失稳时临界载荷Fk。查参考文献1表3-34取支承系数fK=4；由丝杠底径d2=26.9mm

34、，求得截面惯性矩I=d246425702.7mm4；压杆安全稳定系数可以取K=3（丝杠水平安装）；滚动螺母至轴向固定处最大距离为1200mm。代入公式（3-9），得到Fk=fK2EIKa2=49325.8NFm=180N（3-9）3.2.4 轴承座和螺母座的选用在选定滚珠丝杠副后，根据查阅资料可知，当今轴承座大都已经标准化，这里采用山东华准机械有限公司生产的轴承座作为丝杠副的支承，详情参见附录3。该轴承座采用了角接触轴承，用DF(面向面)组合。确保了轴承座自身与丝杠装配后无轴向间隙且具备良好的轴向刚性，同时可适当吸收丝杠轴心与导轨之间在平行度方面的安装及加工误差，从而提高工作太的运行顺畅性。固

35、定侧选用BK25型轴承座，轴承型号为NSK7205A，其锁紧螺母选用NRAM25*1.5。支撑侧选用BF25型轴承，轴承型号NSK6205ZZ。螺母座选用MGS32-2。3.2.5 伺服电机的计算与选型伺服电机的选用由上述已知重物重量M=10kg，丝杠螺母螺距为Ph=8mm，螺杆直径d0=32mm，长度L=1260mm，材料密度为=7.85gcm3，加速度a=1.34ms2，加减速时间t1=0.15s，运动时间为t=5.19s，传动效率为96.4%，最快速度v=15m/min。，角加速度=N*260t1=1047.2rads2。参见图3-2。图3-2滚珠丝杠参数简图(1) 计算折算到电机轴上的

36、负载惯量重物折算到电机轴上的转动惯量JW=M×Ph/22=0.16kgcm2螺杆转动惯量JB=Ld0242=10.18kgcm2总负载惯量JL=JW+JB=10.34kgcm2(2) 计算电机转速电机所需转速N=v/Ph=1500r/min(3) 计算电机驱动负载所需要的扭矩克服摩擦力所需转矩Tf=M*g*Ph2=6.6×10-4Nm重物加速时所需转矩Ta1=M*a*Ph/2/=0.018Nm螺杆加速时所需转矩Ta2=JB*=1.106Nm加速时所需总转矩Ta=Ta1+Ta2=1.124Nm(4) 选择伺服电机由于摩擦力矩较小，在这里可以忽略，在选定伺服电机扭矩时需要满足以

37、下条件伺服电机额定扭矩T>Tf且T>Trms伺服电机最大扭矩Tmax>Ta+Tf查松下A5伺服电机选型手册知，初选型号为MDME102G1。其功率为1KW，额定转矩为4.77 Nm,瞬时最大转矩为14.3Nm，额定转速为3000r/min，转子转动惯量为5.90kgcm2，符合松下电机手册知对应转子转动惯量的负载转动惯量比在15倍以下。电机参数见表3-3。表3-3电机参数表电机型号额定转矩Nm最大转矩Nm转子转动惯量（有制动器）kgcm2电机重量kgMDME102G14.7714.35.96.73.2.6 同步带减速箱的计算与选型(1) 传动比的确定图3-3电机转矩特性图已知

38、伺服电机的额定转速为3000r/min，丝杠转速为n=1500r/min，负载转动惯量JL=10.34kgcm2，负载最大转矩Ta=1.124Nm，电机转子转动惯量J0=5.90，同步带传动效率=0.98,根据参考文献2计算最佳传动比，由公式（3-9）：i=JL2J02×+375×TaJ02××n=1.8 （3-9）(2) 确定带的设计功率Pd预选电机在2700r/min时，对应的电机输出转矩为4.77Nm，电机转矩特性见图3-2对应输出功率应为Pout=nT/9.55=2700×4.77÷9.551349W。取P=1.35KW，由参

39、考文献1表3-18中取工作情况系数KA=1.4，则根据参考文献1可以求得带的设计功率Pd=KAP=1.4×1.35=1.89KW。(3) 选择带型和节距pb根据带的设计功率Pd=1.89KW和主动轮最高转速为n1=2700r/min从参考文献1图3-14可以选择同步带带型，选择型号为L型，L型节距pb=9.525mm。(4) 确定小带轮齿数Z1和小带轮节圆直径d1取Z1=20，则小带轮节圆直径d1=60.64mm。当n1=3375r/min时，计算同步带的速度为v=d1n1601000=10.72m/s，没有超过H型带的极限速度40m/s。(5) 确定大带轮的齿数Z2和大带轮的节圆直

40、径d2大带轮的齿数Z2=iZ1=36，节圆直径d2=109.15mm。(6) 初选中心矩a0、带的节线长度L0p、带的齿数Zb初选中心矩0.7d1+d2=118.853mm<a0<2d1+d2=339.58mm取a0=200mm，代入公式（3-10）。则带的节线长度L0p2a0+2d1+d2+d2-d124a0669.65mm （3-10）根据参考文献1表3-13，选取接近的标准节线长度Lp=685.8mm，相应齿数Zb=72。(7) 计算实际中心矩a实际中心矩aa0+Lp-L0p2=208.075mm。(8) 校验带与小带轮的啮合齿数zm代入公式（3-11）zm=entz12-p

41、bz122az2-z1=9 （3-11）啮合齿数比6大，满足设计要求。(9) 计算基准额定功率P0P0=Ta-mv2v1000 （3-12）其中Ta表示带宽为bs0时的许用工作拉力，由参考文献1表3-21查的Ta=244.46N；m表示带宽为bs0时的单位长度的质量，由参考文献1表3-21查的m=0.095kg/m；v表示同步带的带速，由上诉可知v=10.72m/s。有公式（3-12）得出：P0=2.5KW。(10) 确定实际所需同步带带宽bsbsbs0PdKZP011.14 （3-13）bs0表示选定型号的基准宽度，由参考文献1表3-21查的bs0=25.4mm；KZ表示小带轮啮合齿数系数，

42、由参考文献1表3-22查得KZ=1。由公式（3-13）式算得bs19.23mm，再根据参考文献1表3-11选定最接近的带宽bs=25.4mm。(11) 带的工作能力验算根据参考文献1，计算同步带额定功率P的精确值：P=（KZKWTa-bsbs0mv2)v×10-3 （3-14）式中KW为齿宽系数：KW=bsbs01.14=1。有公式（3-14）得P=2.5KW，P=2.5KWPd=1.82KW。因此，带的工作能力合格。3.3 垂直方向传动部件的选择3.3.1 导轨副的选用在水平部件的选择可知，常用导轨有滚动导轨和滑动导轨两种。直线滚动导轨，它具有灵敏度高，摩擦系数小，移动轻巧便捷在运

43、动中会让运动平稳，同时在低速时不易出现爬行现象，滚动导轨的传动效率高，整体结构紧凑，不论安装还是预紧都十分方便等优点。滑动导轨虽然整体结构简单，使用维修很方便，但是有低速易爬行和磨损大寿命低的特点。在考虑部件基于一致性节省成本的原因，垂直部分同水平部件选择一样，采用直线滚动导轨。3.3.2 丝杆螺母副的选用丝杆螺母副可以将伺服电机的旋转运动转换为直线运动，常用的丝杠螺母副有滚珠丝杠螺母副和梯形丝杠螺母副，梯形丝杠螺母副有良好的自锁性但传动效率低，滚珠丝杠螺母副具有高精度保证特点、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，滚珠丝杠垂直安装不会有间隙问题，但垂直安装必要考虑制动，由于水平部件重量较轻，

44、故考虑选用与水平部件一样的滚珠丝杆螺母副。3.3.3 伺服电机的选用在伺服电机的选用上可以采用当今流行的交流伺服电机，其优点是惯量小易于提高系统的快速性，定子绕组散热比较方便，工作可靠且对维护和保养要求低，选择伺服电机需要加制动器，防止断电后丝杠滑动。3.3.4 连接方式的选择选择了伺服电机和滚珠丝杆螺母副以后，在电机能够与负载转动惯量和转矩匹配的情况下，为了垂直机构简单，可以考虑采用直联的方式，电机通过联轴器与传动部件相联接。3.3.5 检测装置的选用选用伺服电机作为伺服电机以后，采用闭环控制。3.4 垂直方向机械传动部件的计算与选型3.4.1 导轨上移动部件的重量估算按照导轨上面的移动部件

45、的重量来进行估算。主要包括水平部件的重量，电机重量为6.7kg，丝杠重量为10kg，螺母座重量约为8kg，两根导轨加滑块估计重量为20kg，水平工作台重量估计为15.3kg，总重为60kg，安全系数取2，则重量为120kg。参见图3-4。3.4.2 直线滚动导轨副的计算与选型(1) 滑块承受工作载荷Fmax的计算及导轨型号的选区影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素为工作载荷。对于垂直布置，可以采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直台面的工作载荷全部由一个滑块承担，由于没有外加载荷，则该滑块所受的最大垂直方向的载荷为：Fmax=G(3-15)其中G=1200N，代入公式（3-14

46、），得到最大工作载荷Fmax=1200N=1.2KN。查参考文献1表3-41，根据工作载荷Fmax=1.2KN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG25型，其额定动载荷Ca=17.7KN，额定静载荷C0a=22.6KN。根据液压机的尺寸，初定有效行程为1000mm，考虑工作行程应留有一定余量，查参考文献1表3-35，按标准系列，选取导轨的长度为11200mm。(2) 距离额定寿命L的计算上面选取的KL系列的JSA-LG25型导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度不高，载荷不大。查参考文献1表3-363-40,取硬度系数fH=

47、1.0、温度系数fT=1.00、接触系数fC=0.81、精度系数fR=0.9、载荷系数fW=1.8，代入公式（3-16），得距离寿命：L=fHfTfCfRfWCaFmax3×501139276km （3-16）远大于期望值100km，故距离额定寿命满足要求。3.4.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型(1) 设定的工作条件工作台和工件总重：M=120kg行程长度：800mm（由液压机估算）每分钟往返次数：n=4次/min无效行程：0.1mm定位精度：±0.8mm/800mm反复定位精度：±0.05mm最小进给量:s=0.01mm/脉冲工作寿命：20000h驱动马达：伺服

48、电机额定转速：3000r/min减速机:无（直连）(2) 滚珠丝杠工艺性的确定为了得出定位精度±0.8mm/800mm：±0.8800=±0.3300导程精度必须选择±0.3mm/300mm以上。因此，滚珠丝杠的精度等级选择根据附录1选择精度等级为C10（运行距离误差为：±0.21mm/300mm）。因为精度等级C10的滚珠丝杠有价格低廉的轧制滚珠丝杠，所以选择轧制滚珠丝杠。(3) 轴向间隙的确定尽管提出了无效行程在0.1mm以下的要求，但是因为是是垂直安装，其轴向载荷会作用于一个方向，所以不论轴向间隙多大，使用时也不成为无效行程。因此，轴向间

49、隙不会有问题。(4) 最大工作载荷Fm计算设定加减速时间为0.2s，机械手匀速进给时间为4.8s，最大有效行程为Smax=800mm，最大快进速度为Vmax=200mm/s。速度时间表参见图3-4。图3-4速度时间表移动部件重量M=120kg，按矩形导轨进行计算，查参考文献1表3-29，滚动导轨上的颠覆力矩影响系数K =1.1。 加速时a=Vmaxt×10-3=1m/s2，求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm=aM+KMg=1×120+1.1×120×9.8=14313.6N 匀速时Fm=KMg=1.1×120×9.8=1293.6N

50、减速时Fm=KMg-aMg=1.1×120×9.8-1×120=1173.6N(5) 最大动载荷FQ的计算工作台最快进给速度v=12000mm/min，初选导程为Ph=8mm，此时丝杠转速n=vPh=12000÷8=1500r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=20000h，代入L0=60nT/106，得到寿命系数L0=1800（单位为：106r）。查参考文献1表3-30，取载荷系数fW=1.2，滚道硬度为60HRC，取硬度系数fH=1.0，代入公式（3-17）FQ=3L0fWfHFm26276N (3-17)(6) 初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的

51、丝杠导程，由于载荷较大，故考虑采用外循环式滚珠丝杠，查CMFZD型外循环插管埋入式垫片预紧滚珠丝杠副，选择CMFZD2808-5型滚珠丝杠副，其公称直径为28mm，导程为8mm，循环滚珠为2.5圈×2列，精度等级C10的轧制滚珠丝杠，具体参数如表3-4所示。表3-4滚珠丝杠参数表丝杠轴外径d导程Ph公称型号钢球直径Dw丝杠底径d2符合圈数列×圈基本额定负荷CaC0a288CMFZD2808-54.76324.52×2.528.7KN74.6KN额定动载荷为28.7KN，大于FQ,满足要求。(7) 传动效率的计算由上述所选丝杠知其公称直径d0=28mm，导程Ph=8

52、mm，代入公式(3-18）=tan-1Phd0（3-18）得丝杠螺旋升角=5°12'。其摩擦角=10'，代入公式（3-19）=tantan+（3-19）得传动效率=96.9%。(8) 刚度的验算 滚珠丝杠副的支承采用“双推-支撑”的方法，丝杠的一端采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，考虑螺母座长度约为100mm，加上两端轴承估算为100mm，左、右支承的中心距离约为a=800+100+100=1000mm；钢的弹性模量E=2.1×105MP；查CMFZD，得滚珠直径Dw=4.763mm，丝杠底径d2=24.5mm，丝杠截面积S=d224=471.44mm2

53、。由公式（3-7）算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量1=FmaES1.75×10-2mm。 根据公式Z=d0DW，求得单圈滚珠数Z=19；滚珠的圈数×列数为2.5×2，代入公式Z=Z×圈数×列数，得滚珠总数量Z=95。丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJ=Fm3=600N。则由公式（3-8）2=0.0013Fm103DWFYJZ210=1.7×10-3mm，因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减少一半，取2=5.7×10-4mm。 将以上算出的1和2代入总=1+2，求得丝杠总变形量（对应跨度900m

54、m）=1.8×10-2mm。查参考文献1可知，C10精度滚珠丝杠有效行程在8001000mm时，行程允许偏差达到0.04mm，可见丝杠刚度足够。(9) 压杆稳定性校核根据公式3-20计算失稳时临界载荷Fk。查参考文献1表3-34取支承系数fK=0.25；由丝杠底径d2=24.5mm，求得截面惯性矩I=d246417686.2mm4；压杆安全稳定系数可以取K=2.5（丝杠垂直安装）；滚动螺母至轴向固定处最大距离为1000mm。代入公式3-20，得到Fk=fK2EIKa2=3978NFm=1800N（3-20）3.4.4 伺服电机的计算与选型由上述已知重物重量M=150kg，丝杠螺母螺距

55、为Ph=8mm，螺杆直径d0=28mm，长度L=1000mm，材料密度为=7.85×10-3，加减速时间t1=0.2s，运动时间为t=5.2s，传动效率为96.9%，最快速度v=12m/min，丝杠角加速度为=N×260t1=785.4rads2。 (1) 计算折算到电机轴上的负载惯量重物折算到电机轴上的转动惯量JW=M×Ph/22=2.43kgcm2螺杆转动惯量JB=Ld0242=4.74kgcm2总负载惯量JL=JW+JB=7.17kgcm2(2) 计算电机转速电机所需转速N=v/Ph=1500r/min(3) 计算电机驱动负载所需要的扭矩克服重力所需转矩Tm=M*g*Ph2=1.97Nm重物加速时所需转矩Ta1=Mg+Ma*Ph/2/=2.17Nm螺杆加速时所需转矩Ta2=JB*=0.38Nm加速时所需总转矩Ta=Ta1+Ta2=2.55Nm(4) 计算瞬时最大扭矩加速扭矩TA=Ta=2.55 Nm匀速扭矩TB=Tm=1.97 Nm减速扭矩TC