毕业设计（论文）-循迹搬运机器人设计

-1-1引言1.1循迹搬运机器人循迹机器人是一种能够自动按照给定的路线（通常是采用不同颜色或者其他信号标记来引导）进行移动的机器人，它是一个运用传感器、信号处理、电机驱动及自动控制等技术来实现路面探测、障碍检测、信息反馈和自动行驶的技术综合体。循迹机器人在军事、民用和科学研究等方面已获得了广泛的应用。例如自动化生产线的物料陪送机器人，医院的机器人护士，商场的导游机器人等。图1-1循迹搬运小车搬运机器人(transferrobot)是可以进行自动化搬运作业的工业机器人。最早的搬运机器人出现在1960年的美国，Versatran和Unimate两种机器人首次用于搬运作业。搬运作业是指用一种设备握持工件，是指从一个加工位置移到另一个加工位置。搬运机器人可安装不同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作，大大减轻了人类繁重的体力劳动。世界上使用的搬运机器人逾10万台，被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。部分发达国家已制定出人工搬运的最大限度，超过限度的必须由搬运机器人来完成。搬运机器人是近代自动控制领域出现的一项高新技术，涉及到了力学，机械学，电器液压气压技术，自动控制技术，传感器技术，单片机技术和计算机技术等学科领域，已成为现代机械制造生产体系中的一项重要组成部分。它的优点是可以通过编程完成各种预期的任务，在自身结构和性能上有了人和机器的各自优势，尤其体现出了人工智能和适应性。循迹搬运机器人结合了循迹机器人和搬运机器人的特点，技能完成循迹机器人的行走工作，又能完成搬运机器人的作业过程。1.2循迹搬运机器人的发展无人搬运车(AutomatedGuidedVehicle，简称AGV)，指装备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输车，工业应用中不需驾驶员的搬运车，以可充电之蓄电池为其动力来源。一般可透过电脑来控制其行进路线以图1-2AGV搬运车及行为，或利用电磁轨道(electromagneticpath-followingsystem)来设立其行进路线，电磁轨道粘贴于地板上，无人搬运车则依循电磁轨道所带来的讯息进行移动与动作。AGV以轮式移动为特征，较之步行、爬行或其它非轮式的移动机器人具有行动快捷、工作效率高、结构简单、可控性强、安全性好等优势。与物料输送中常用的其他设备相比，AGV的活动区域无需铺设轨道、支座架等固定装置，不受场地、道路和空间的限制。因此，在自动化物流系统中，最能充分地体现其自动性和柔性，实现高效、经济、灵活的无人化生产。由此可见，AGV的功能和循迹搬运机器人的功能完全一样，可以说循迹搬运机器人是具有特定搬运功能的AGV小车。而AGV的发展史就是循迹搬运机器人的发展史。AGV扮演物料运输的角色已经50多年了。第一辆AGV诞生于1953年，它是由一辆牵引式拖拉机改造而成的，带有车兜，在一间杂货仓库中沿着布置在空中的导线运输货物。到上世纪五十年代末到六十年代初期时，已有多种类型的牵引式AGV用于工厂和仓库。20世纪70年代，基本的导引技术是靠感应埋在地下的导线产生的电磁频率。通过一个叫做“地面控制器”的设备打开或关闭导线中的频率，从而指引AGV沿着预定的路径行驶。20世纪80年代末期，无线式导引技术引入到AGV系统中，例如利用激光和惯性进行导引，这样提高了AGV系统的灵活性和准确性，而且，当需要修改路径时，也不必改动地面或中断生产。这些导引方式的引入，使得导引方式更加多样化了。从20世纪80年代以来，自动导引运输车（AGV）系统已经发展成为生产物流系统中最大的专业分支之一，并出现产业化发展的趋势，成为现代化企业自动化装备不可缺少的重要组成部分。在欧、美等发达国家，发展最为迅速，应用最为广泛；在亚洲的日本和韩国，也得到迅猛的发展和应用，尤其是在日本，产品规格、品种、技术水平、装备数量及自动化程度等方面较为丰富，已经达到标准化、系列化、流水线生产的程度。在我国，随着物流系统的迅速发展，AGV的应用范围也在不断扩展，如何能够开发出能够满足用户各方面需求（功能、价格、质量）的AGV系统技术是未来我们必须面对的现实问题。综合分析AGV技术的发展，我们不难分析出国内外AGV有两种发展模式：第一种是以欧美国家为代表的全自动AGV技术，这类技术追求AGV的自动化，几乎完全不需要人工的干预，路径规划和生产流程复杂多变，能够运用在几乎所有的搬运场合。这些AGV功能完善，技术先进；同时为了能够采用模块化设计，降低设计成本，提高批量生产的标准，欧美的AGV放弃了对外观造型的追求，采用大部件组装的形式进行生产；系列产品的覆盖面广：各种驱动模式，各种导引方式，各种移载机构应有尽有，系列产品的载重量可从50kg到60000kg（60吨）。尽管如此，由于技术和功能的限制，此类AGV的销售价格仍然居高不下。此类产品在国内有为数不多的企业可以生产，技术水平与国际水平相当。第二种是以日本为代表的简易型AGV技术－－或只能称其为AGC（AutomatedGuidedCart），该技术追求的是简单实用，极力让用户在最短的时间内收回投资成本，这类AGV在日本和台湾企业应用十分广泛，从数量上看，日本生产的大多数AGV属于此类产品（AGC）。该类产品完全结合简单的生产应用场合（单一的路径，固定的流程），AGC只是用来进行搬运，并不刻意强调AGC的自动装卸功能，在导引方面，多数只采用简易的磁带导引方式。由于日本的基础工业发达，AGC生产企业能够为其配置上几乎简单得不能再简单的功能器件，使AGC的成本几乎降到了极限。这种AGC在日本80年代就得到了广泛应用，2002到2003年达到应用的顶峰。由于该产品技术门槛较低，目前国内已有多家企业可生产此类产品。1.3循迹搬运机器人的应用循迹搬运机器人应用广泛，在各个领域都有涉足。1．仓储业仓储业是AGV最早应用的场所。1954年世界上首台AGV在美国的SouthCarolina州的MercuryMotorFreight公司的仓库内投入运营，用于实现出入库货物的自动搬运。目前世界上约有2万台各种各样AGV运行在2100座大大小小仓库中。海尔集团于2000年投产运行的开发区立体仓库中，9台AGV组成了一个柔性的库内自动搬运系统，成功地完成了每天23400的出入库货物和零部件的搬运任务。2．制造业AGV在制造业的生产线中大显身手，高效、准确、灵活地完成物料的搬运任务。并且可由多台AGV组成柔性的物流搬运系统，搬运路线可以随着生产工艺流程的调整而及时调整，使一条生产线上能够制造出十几种产品，大大提高了生产的柔性和企业的竞争力。1974年瑞典的VolvoKalmar轿车装配厂为了提高运输系统的灵活性，采用基于AGVS为载运工具的自动轿车装配线，该装配线由多台可装载轿车车体的AGVS组成，采用该装配线后，装配时间减少了20%，装配故障减小39%，投资回收时间减小57%，劳动力减小了5%。目前，AGV在世界的主要汽车厂，如通用、丰田、克莱斯勒、大众等汽车厂的制造和装配线上得到了普遍应用。图1-3工业机器人近年来，作为CIMS的基础搬运工具，AGV的应用深入到机械加工、家电生产、微电子制造、卷烟等多个行业，生产加工领域成为AGV应用最广泛的领域。3．邮局、图书馆、港口码头和机场在邮局、图书馆、码头和机场等场合，物品的运送存在着作业量变化大，动态性强，作业流程经常调整，以及搬运作业过程单一等特点，AGV的并行作业、自动化、智能化和柔性化的特性能够很好的满足上式场合的搬运要求。瑞典于1983年在大斯得哥尔摩邮局、日本于1988年在东京多摩邮局、中国在1990年于上海邮政枢纽开始使用AGV，完成邮品的搬运工作。在荷兰鹿特丹港口，50辆称为“yardtractors”的AGV完成集装箱从船边运送到几百码以外的仓库这一重复性工作。4．烟草、医药、食品、化工对于搬运作业有清洁、安全、无排放污染等特殊要求的烟草、医药、食品、化工等行业中，AGV的应用也受到重视。在国内的许多卷烟企业，如青岛颐中集团、玉溪红塔集团、红河卷烟厂、淮阴卷烟厂都应用了激光引导式AGV完成托盘货物的搬运工作。1.4本章小结本章主要内容是循迹搬运机器人的现状、应用领域、发展趋势等方面，并通过对现在工业生产中使用搬运机器人的主要工作种类的列举，提出了未来搬运机器人的几种先进的发展模式和本文的主要研究内容。

2总体方案的设计2.1循迹方式的选择AGV控制系统分为地面（上位）控制系统、车载（单机）控制系统及导航/导引系统，其中，地面控制系统指AGV系统的固定设备，主要负责任务分配，车辆调度，路径（线）管理，交通管理，自动充电等功能；车载控制系统在收到上位系统的指令后，负责AGV的导航计算，导引实现，车辆行走，装卸操作等功能；导航/导引系统为AGV单机提供系统绝对或相对位置及航向。AGV系统是一套复杂的控制系统，加之不同项目对系统的要求不同，更增加了系统的复杂性，因此，系统在软件配置上设计了一套支持AGV项目从路径规划、流程设计、系统仿真（Simulation）到项目实施全过程的解决方案。上位系统提供了可灵活定义AGV系统流程的工具，可根据用户的实际需求来规划或修改路径或系统流程；而上位系统也提供了可供用户定义不同AGV功能的编程语言。AGV车载控制系统（OnboardSystem），即AGV单机控制系统，在收到上位系统的指令后，负责AGV单机的导航，导引，路径选择，车辆驱动，装卸操作等功能。AGV之所以能够实现无人驾驶，导航和导引对其起到了至关重要的作用，随着技术的发展，目前能够用于AGV的导航/导引技术主要有以下几种：1直接坐标（CartesianGuidance）用定位块将AGV的行驶区域分成若干坐标小区域，通过对小区域的计数实现导引，一般有光电式（将坐标小区域以两种颜色划分，通过光电器件计数）和电磁式（将坐标小区域以金属块或磁块划分，通过电磁感应器件计数）两种形式，其优点是可以实现路径的修改，导引的可靠性好，对环境无特别要求。缺点是地面测量安装复杂，工作量大，导引精度和定位精度较低，且无法满足复杂路径的要求。2电磁导引（WireGuidance）电磁导引是较为传统的导引方式之一，目前仍被许多系统采用，它是在AGV的行驶路径上埋设金属线，并在金属线加载导引频率，通过对导引频率的识别来实现AGV的导引。其主要优点是引线隐蔽，不易污染和破损，导引原理简单而可靠，便于控制和通讯，对声光无干扰，制造成本较低。缺点是路径难以更改扩展，对复杂路径的局限性大。3磁带导引（MagneticTapeGuidance）与电磁导引相近，用在路面上贴磁带替代在地面下埋设金属线，通过磁感应信号实现导引，其灵活性比较好，改变或扩充路径较容易，磁带铺设简单易行，但此导引方式易受环路周围金属物质的干扰，磁带易受机械损伤，因此导引的可靠性受外界影响较大。4光学导引（OpticalGuidance）在AGV的行驶路径上涂漆或粘贴色带，通过对摄像机采入的色带图像信号进行简单处理而实现导引，其灵活性比较好，地面路线设置简单易行，但对色带的污染和机械磨损十分敏感，对环境要求过高，导引可靠性较差，精度较低。5激光导航（LaserNavigation）激光导引是在AGV行驶路径的周围安装位置精确的激光反射板，AGV通过激光扫描器发射激光束，同时采集由反射板反射的激光束，来确定其当前的位置和航向，并通过连续的三角几何运算来实现AGV的导引。此项技术最大的优点是，AGV定位精确；地面无需其他定位设施；行驶路径可灵活多变，能够适合多种现场环境，它是目前国外许多AGV生产厂家优先采用的先进导引方式；缺点是制造成本高，对环境要求较相对苛刻（外界光线，地面要求，能见度要求等），不适合室外（尤其是易受雨、雪、雾的影响）。6惯性导航（InertialNavigation）惯性导航是在AGV上安装陀螺仪，在行驶区域的地面上安装定位块，AGV可通过对陀螺仪偏差信号（角速率）的计算及地面定位块信号的采集来确定自身的位置和航向，从而实现导引。此项技术在军方较早运用，其主要优点是技术先进，较之有线导引，地面处理工作量小，路径灵活性强。其缺点是制造成本较高，导引的精度和可靠性与陀螺仪的制造精度及其后续信号处理密切相关。7GPS（全球定位系统）导航（GlobalPositionSystem）通过卫星对非固定路面系统中的控制对象进行跟踪和制导，目前此项技术还在发展和完善，通常用于室外远距离的跟踪和制导，其精度取决于卫星在空中的固定精度和数量，以及控制对象周围环境等因素。由此发展出来的是iGPS（室内GPS）和dGPS（用于室外的差分GPS），其精度要远远高于民用GPS，但地面设施的制造成本是一般用户无法接受的。根据工作环境和节约能源的角度，本次设计采用了磁带引导的方式，通过磁感应信号实现导引，其灵活性比较好，改变或扩充路径较容易，磁带铺设简单易行，而且费用合理。2.2机构的设计早期AGV小车自动运行时只能单向行驶，因而适用环境受到局限。为了满足工业生产的要求，近年来国外已有在自动运行时能前进和后退甚至全方位行驶、前进、后退、侧向和旋转的AGV产品，这些成就归功于行走机构的进步。两轮差速的行走机构这种行走机构两行走驱动车轮对称布置在前后中线上两支承轮前后分别布置在以两行走轮支点为底边的等腰三角形顶点处。小车靠两侧行走驱动轮差速转向因此不必设置舵轮。该小车机构简单、工作可靠、成本低。在自动运行状态下小车能做前进、后退行驶并能垂直转弯机动性好。和带舵轮的四轮行走机构小车相比该车由于省去了舵轮不仅可以省去两台驾驶马达还能节省空间小车可以做的更小些。近年来这种机构的小车得到广泛应用。为了提高行驶时车体横向稳定性可将两轮差速的四轮行走机构做如下改进将支承轮由原来的两个增加到四个分别布置在小车底盘的四个角处。2、三轮行走机构三轮行走机构的AGV小车三个车轮分别布置在等腰三角形的三个顶点上前轮既是舵轮又是行走驱动轮后面两个车轮是无动力支承轮。三轮行走机构的AGV小车结构简单、控制容易、工作可靠、造价低。该车手动时可前进、后退和转弯自动运行时只能单向行驶转弯时后轮中点轨迹偏离导引线轮迹呈曳物线。3、带舵轮的四轮行走机构带舵轮的四轮行走机构是在三轮行走机构基础上演变过来的，它相当于把两个三轮车合并在一起两支承轮对称地布置在小车前后的中线上前后车轮分别对称布置在以两支承轮支点为底边的等腰三角形顶点处。前后车轮既是舵轮又是行走驱动轮。这种AGV小车在自动运行状态下可全方位行驶转弯时前后车轮均能跟踪导引线轨迹机动性比三轮车好适用于狭窄通道作业环境。4、其它形式的行走机构近年来国外公司不断研究出新的行走机构。其中最有代表性的属瑞典麦卡纳姆公司的行走机构。该行走机构设计新颖、机构紧凑四个驱动车轮以铰接形式分别布置在底盘的四个角上。运行时分别控制四个车轮的转向和转速利用速度矢量合成原理实现驾驶。后来日本三井公司与麦卡纳姆公司合作在原基础上做了改进推出了三井麦卡纳姆车轮系统，其性能比原来又有所提高。这种AGV小车可实现全方位行驶。根据环境和经济的影响，本次设计采用四轮行走机构，后轮驱动，使用两个两相步进电机分别驱动一个后轮，用差速控制方向。2.3传动方式的选择机械传动有多种形式,主要可分为两类：①靠机件间的摩擦力传递动力和运动的摩擦传动，包括带传动、绳传动和摩擦轮传动等。摩擦传动容易实现无级变速,大都能适应轴间距较大的传动场合,过载打滑还能起到缓冲和保护传动装置的作用，但这种传动一般不能用于大功率的场合，也不能保证准确的传动比。②靠主动件与从动件啮合或借助中间件啮合传递动力或运动的啮合传动，包括齿轮传动、链传动、螺旋传动和谐波传动等。啮合传动能够用于大功率的场合，传动比准确，但一般要求较高的制造精度和安装精度。机械传动机构，可以将动力所提供的运动的方式、方向或速度加以改变，被人们有目的地加以利用。中国古代传动机构类型很多，应用很广，除了上面介绍的以外，像地动仪、鼓风机等等，都是机械传动机构的产物。中国古代传动机构，主要有齿轮传动、绳带传动和链传动。齿轮传动。其出现时间不晚于西汉，西汉时的指南车、记里鼓车，东汉张衡发明的水力天文仪器上，都使用了相当复杂的齿轮传动系统。这些齿轮只用来传递运动，强度要求不高。至于生产上所采用的齿轮，要传递较大的动力，受力一般较大，强度要求较高。古代在利用畜力、水力和风力进行提水、粮食加工等工作时，都要应用此类齿轮。例如在翻车上，须应用一级齿轮传动机构，以改变运动的方位和传递，适应翻车的工作要求。图2-1齿轮传动2、链传动。链，在我国古代出现很早，商代的马具上已有青铜链条，其他青铜器和玉器上也有用链条作为装饰的。西安出土的秦代铜车马上，有十分精美的金属链条。但这都不能算是链传动。作为动力传动的链条，出现在东汉时期。东汉时毕岚率先发明翻车，用以引水。根据其工作原理和运动关系，可以看作是一种链传动。翻车的上、下链轮，一主动，一从动，绕在轮上的翻板就是传动链，这个传动链兼做提水的工作件，因此，翻车是链传动的一种特例。到了宋代，苏颂制造的水运仪象台上，出现了一种“天梯”，实际上是一种铁链条，下横轴通过“天梯”带动上横轴，从而形成了真正的链传动。3、绳带传动。这是一种利用摩擦力的传动方式。在西汉时，四川出产井盐，在凿井、提水时，都是用牛带动大绳轮，收卷绕过滑轮上的绳索，来提升凿井工具、卤水等。西汉时出现的手摇纺车，是一种典型的绳带传动。在西汉时期的画像石上，有几幅手摇纺车图，可以清楚地看到：大绳轮主动，通过绳索带动纱锭，用手摇大绳轮旋转一周，纱锭旋转几十周，效率很高。以后出现的三锭、五锭的纺车，效率就更高了。元代的水运大纺车，也是用绳带传动的。东汉时，冶金手工业有一项重要发明“水排”，用于鼓风。这种绳带传动的工作原理是：水力推动卧式水轮旋转，水轮轴上装有大绳轮，通过绳带带动小绳轮，小绳轮轴上端曲柄随之旋转，通过连杆推动鼓风器鼓风。这种水排鼓风效力很高，可以抵得上几百匹马鼓风。它的出现，标志着东汉时发达的机械已经在我国出现了，因而意义十分重大。2.3.1升降机构传动设计根据机械传动的特点，本次升降机构采用丝杠螺母副的传动方式。PRTT滚珠丝杠螺母副（简称滚珠丝杆副）是回转运动与直线运动相互转换的理想传动装置，它的结构特点是具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠（作为中间传动元件），以减少摩擦。如图2-13所示为滚珠丝杠副的结构，其工作原理是：在丝杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，当把它们套装在一起时可形成螺旋滚道，并且滚道内填满滚珠，当丝杠相对于螺母做旋转运动吋，两者间发生轴向位移.而滚珠则可沿着滚道滚动.减少摩擦阻力.滚珠在丝杠上滚过数圈后，通过回程引导装置（回珠器）.逐个滚回到丝杠和螺母之间.构成一个闭合的回路管道。在传动时，滚珠与丝杠、螺母之间基本上是滚动摩擦.因此它具有以下优点：(1)传动效率高滚珠丝杠副的传动效率很高，可达92%〜98%，是普通丝杠传动的2〜4倍(2)定位精度和重复定位精度高滚珠丝杠副的驱动力矩减少至滑动丝杠的1/3左右，发热率大幅降低，温升减小.并且在安装滚珠丝杠副时采取以预紧方式消除轴向间隙等措施.使滚珠丝杠副具有高的定位精度和重复定位精度。图2-2滚珠丝杠副(3)使用寿命长滚珠丝杠副采用优质合金钢制成，其滚道表面经淬火热处理后硬度高达60〜似HRC，因此其实际寿命远高于滑动丝杠，从而弥补其制造成本高于滑动丝杠的不足点。(4)刚度高滚珠丝杠副经预紧后可以消除轴向间隙，提高系统的刚度。(5)传动的可逆性滚珠丝杠副消除了在传动过程中可能出现的爬行现象，能够实现将旋转运动转化为直线运动或将直线运动转化为旋转运动并传递动力这两种传动方式。因为滚珠丝杠副具有上述优点，所以在各类中、小型数控机床的直线进给系统中普遍采用滚珠丝杠，但是由于滚珠丝杠副的摩擦因数小、不能自锁，所以当作用于垂直位置时.为防止因突然停电而造成主轴箱自动下滑，必须加有制动装置。2.3.2旋转机构传动设计根据机械传动的特点，本次旋转机构采用蜗轮蜗杆旋转机构的设计。蜗轮蜗杆机构常用来传递两交错轴之间的运动和动力。蜗轮与蜗杆在其中间平面内相当于齿轮与齿条，蜗杆又与螺杆形状相似。蜗轮蜗杆传动机构的特点：1.可以得到很大的传动比，比交错轴斜齿轮机构紧凑。2.两轮啮合齿面间为线接触，其承载能力大大高于交错轴斜齿轮机构。3.蜗杆传动相当于螺旋传动，为多齿啮合传动，故传动平稳、噪音很小。图2-3涡轮蜗杆传动具有自锁性。当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆。如在起重机械中使用的自锁蜗杆机构，其反向自锁性可起安全保护作用。传动效率较低，磨损较严重。蜗轮蜗杆啮合传动时，啮合轮齿间的相对滑动速度大，故摩擦损耗大、效率低。另一方面，相对滑动速度大使齿面磨损严重、发热严重，为了散热和减小磨损，常采用价格较为昂贵的减摩性与抗磨性较好的材料及良好的润滑装置，因而成本较高。6.蜗杆轴向力较大。2.4本章小结本章主要内容介绍了整体方案设计的选择，其中循迹搬运机器人循迹方式采用磁带式引导方式；机构的设计采用四轮行走机构，后轮驱动的设计；传动方式选择了丝杠螺母副和蜗轮蜗杆的传动方式。

3.设计计算及其校核3.1步进电机及丝杠螺母副的选择步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机在构造上有三种主要类型：反应式（VariableReluctance，VR）、永磁式（PermanentMagnet,PM）和混合式（HybridStepping,HS）。反应式：定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角小，可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。永磁式：永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大（一般为7.5°或15°）。混合式：混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列。最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占97%以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。该种电机的基本步距角为1.8°/步，配上半步驱动器后，步距角减少为0.9°，配上细分驱动器后其步距角可细分达256倍（0.007°/微步）。由于摩擦力和制造精度等原因，实际控制精度略低。同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大。

选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。

选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。

选择步进电机需要进行以下计算：

（1）计算齿轮的减速比

根据所要求脉冲当量，齿轮减速比i计算如下:

i=(φ∙S)/(360∙Δ)

(1-1)式中φ

步进电机的步距角（o/脉冲）

S

丝杆螺距（mm)

Δ(mm/脉冲）

（2）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量Jt。

Jt=J1+（1/i2)[(J2+Js）+W/g（S/2π)2+

（1-2）式中Jt

折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s2)

J1、J2

齿轮惯量(Kg.cm.s2)

Js

丝杆惯量(Kg.cm.s2)

W工作台重量（N）

S

丝杆螺距（cm）

（3）计算电机输出的总力矩M

M=Ma+Mf+Mt

（1-3）Ma=（Jm+Jt).n/T×1.02×10ˉ2

（1-4）式中Ma

电机启动加速力矩（N.m)

Jm、Jt电机自身惯量与负载惯量(Kg.cm.s2)

n电机所需达到的转速（r/min）

T电机升速时间（s）

Mf=(u.W.s)/(2πηi)×10ˉ2

（1-5）Mf导轨摩擦折算至电机的转矩（N.m)

u摩擦系数

η传递效率

Mt=(Pt.s)/(2πηi)×10ˉ2

（1-6）Mt切削力折算至电机力矩（N.m)

Pt最大切削力（N）

负载起动频率估算。数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为

fq=fq0[(1-(Mf+Mt))/Ml）÷(1+Jt/Jm)]

1/2

（1-7）式中fq带载起动频率（Hz）

fq0空载起动频率

Ml起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（N.m)

若负载参数无法精确确定,则可按fq=1/2fq0进行估算.

运行的最高频率与升速时间的计算。由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率

时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。

负载力矩和最大静力矩Mmax。负载力矩可按式（1-5）和式（1-6）计算，电机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电机输出力矩要大于Mf与Mt之和，并留有余量。一般来说，Mf与Mt之和应小于（0.2

～0.4)Mmax.

步进电机和交流伺服电机是运动控制系统中最常用的两种执行电动机。在电机选型过程中，必须首先计算出负载通过机械传动系统对电机轴的折算扭矩（T折），下面就几中常见的机械传动方式介绍折算扭矩（T折）的计算过程。

1、

重物提升

T折=

(m×g×D)

/(2×i)

[N.m]2、丝杠螺母传动

T折=

1/I((F×t)/(2×π

×η)+Tb)

*N.mF=F0+μmg

*N3、同步带或齿轮齿条传动

T折=(F×D)/(

2×i

×η)

*N.mF=F0+μmg

[N]3.1.1货叉的水平移动货叉的水平移动采用丝杠螺母的传动方式，丝杠的选择何以下图表，选择的丝杠螺母为DCM40.其尺寸如上图所示。图3-1THK梯形丝杠尺寸表如上图所示，货叉的水平移动和横梁的上升都是采用的THK梯形丝杆。THK梯型丝杠是一款符合30度梯形螺纹标准的滑动进给丝杆。它由特种轴承合金经压铸成型制成，具有极好的耐磨性，是一款价格适中的高精度产品。THK梯型丝杠DC/DCM型，这是高性能进给丝杠，它将压铸成形的螺母与高精度滚轧丝杆轴相结，与传统的机械加工品相比可降低成本50%。步进电机的选择：因为是丝杠螺母传动选择点击扭矩的公式应该选择：T折=

（Fa×I）∕（2πn1）

*N∙MT折：驱动扭矩N∙MFa：轴向负载NFa=F+μmg*NF：丝杠的轴向切削力Nμ：导向件的综合摩擦系数m：移动物体重量（工作台+工件）kgg：9.8I：丝杆导程mmn：进给丝杆的正效率假设货物重1000kg，导向件的综合摩擦因数μ=0.1，货叉和螺母等零件约重50kg，丝杠的轴向切削力为零，丝杆导程I为6，传动比n1为0.4代入公式计算：T折=（Fa×I）∕（2πn1）=0.1×（1000+50）×9.8×6∕（2π×0.4）=2.456（N∙M）故而选择雷赛86HS85型步进电机，其保持转矩为8.5N∙M，能够完全符合要求运转。3.1.2横梁的升降运动横梁的升降运动依然选择丝杠螺母的传动，其中的丝杠螺母选择THK梯形丝杠DCM80，计算过程如下：梯形丝杠DCM型和DC型在制造上符合30梯形螺纹的标准。螺母材料采用特殊合金,并具有精密的外螺纹作为核心部分,经压铸成形。因此,与由机械加工制造的产品不同,在精度上的偏差较小,为具有高精度和高耐磨损性的轴承。对于要与其组合使用的丝杠轴,提供滚轧轴作为标准件。此外,切削丝杠轴和研磨丝杠轴也可根据具体用途制造,详细情况请向THK咨询。对于梯形丝杠，提供有标准长度的专用滚轧轴。【提高耐磨损性】轴齿由冷轧加工成型,齿面加工硬化后硬度超过250HV,然后实施镜面抛光。因此,轴具有高度耐磨损性,当与梯形丝杠配合使用时,可以获得极其平滑的运动效果。表3-1高强度锌合金的成分【改善机械性能】在滚轧轴齿面的内部结构中,沿着齿面轮廓出现纤维流线,从而使得齿根周围的结构变得很紧密,因此可以增加疲劳强度。【轴端支承座的额外加工】由于每一根轴都是滚轧成形的,因此轴端的支承座轴承部等的额外加工可以很容易地通过车削或铣削来完成。高强度锌合金梯形丝杠中使用的高强度锌合金是一种具有高度耐焦化性、耐磨损性以及耐负荷性的材料,其成分、机械性能、物理性质和耐磨损性如下表所示。梯形丝杠的选择——动态容许扭矩T和动态容许推力F动态容许扭矩(T)和动态容许推力(F)表示为轴承齿面上接触面压为9.8N/mm2时的扭矩和推力。这些数值被用来作为梯形丝杠强度的基准。pV值使用滑动轴承时,用接触面压(p)与滑动速度(V)的乘积,即pV值作为判断能否使用某种型号的基准。请使用图3-2中所示的相应pV值作为选择梯形丝杠的基准。pV值还随润滑条件的不同而变化。fS∶安全系数在计算梯形丝杠上承受的负荷时,有必要获得随物体重量和运动速度而变化的惯性力产生效果的准确资料。一般来说,对于往复运动或旋转运动的装置,要准确获得所有的系数是不容易的,例如经常重复发生的起动停止时的冲击等。因此,如果不能获得实际负荷资料,则有必要在图3-2PV值表3-2安全系数（fs）选择轴承时,考虑表3-2中显示的根据经验得到的安全系数(fs)。【计算接触面压p】P值可按如下计算∶P∶轴向载荷(PFN)情况下齿面的接触面压(N/mm2)F∶动态容许推力(N)∶轴向载荷(N)【计算齿面滑动速度V】V值可按如下计算∶V∶滑动速度(m/min)Do∶有效直径(参照尺寸表)(mm)n∶每分钟转数(min-1)S∶进给速度(m/min)R∶导程(mm)α：导程角(参照尺寸表)(度)有以上各式带入数据计算，假设使用梯形丝杠DCM型,在承受单方向的轴向载荷P

F

＝20000N的同时,以进给速度为S=3m/min的情况下运动,选择梯形丝杠。首先试探性地选择DCM50型（动态容许推力F＝57100N）,求出接触面压(p)。

N∕mm求出滑动速度(V)。以进给速度S＝3m/min运动时,需要的丝杠轴的每分钟转数(n)按下式计算∶

从pV值图中,可以判断,在p值为3.432N/mm

的情况下,如果滑动速度(V)为6m/min或更低,则不会有异常的磨损。然后求出相对于动态容许推力(F)的安全系数(f

S

)。使用条件为∶温度系数f

T

＝1和作用负荷P

F

＝1080N,安全系数则按如下计算。

按照负荷种类,“f

S

”在2或更大值时能满足强度的要求,因此选择DCM50型合适，但是为了安全考虑，本次设计采用DCM80型，一定能完全符合工作条件。假设货物和横梁一起重1500kg，导向件的综合摩擦因数μ=0.1，丝杆导程I为12，丝杠传动比n1为0.9代入公式计算齿轮传动比为i=5：=5×（200002000）×12∕（2π×0.9）=21.58（N∙M）故而选择雷赛110HS28型步进电机，其保持转矩为28N∙M，能够完全符合要求运转。3.2轴的设计（1）选择轴的材料选取45钢，调制处理，参数如下:硬度为HBS＝220抗拉强度极限σB＝650MPa屈服强度极限σs＝360MPa弯曲疲劳极限σ－1＝270MPa剪切疲劳极限τ－1＝155MPa许用弯应力[σ－1]=60MPa（2）初步估算轴的最小直径由前面的传动装置的参数可知=323.6r/min;=6.5184(KW)；查表可取=115；机械设计第八版370页表15-3=18.26mm3.2.1轴的结构设计（1）拟定轴上零件的装配方案如图（轴1），从左到右依次为轴承、轴承端盖、小齿轮1、轴套、轴承、带轮。（2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度1.轴的最小直径显然是安装带轮处的直径，取=20mm，为了保证轴端挡圈只压在带轮上而不压在端面上，，故Ⅰ段的长度应比后轮的宽度略长一些，现取带轮的右端采用轴肩定位,轴肩的高度 ，取=2.5mm，则=35mm。轴承端盖的总宽度为20mm，根据轴承端盖的拆装及便于对轴承添加润滑脂的要求，取盖端的外端面与带轮的左端面间的距离=30mm，故取=36mm。2.初步选择滚动轴承。因为轴主要受径向力的作用，一般情况下不受轴向力的作用，故选用深沟球滚动轴承，由于轴=35mm，故轴承的型号为6207，其尺寸为35mm，72mm,mm.所以==35mm，==17mm3.取做成齿轮处的轴段Ⅴ–Ⅵ的直径=40mm，=83mm取齿轮距箱体内壁间距离a＝10mm，考虑到箱体的铸造误差，4.在确定滚动轴承位置时，应距箱体内壁一段距离s，取s＝4mm，则s+a＝4mm＋10mm＝14mm=48mm同理=s+a=14mm，=43mm至此，已经初步确定了各轴段的长度和直径（3）轴上零件的轴向定位齿轮，带轮和轴的轴向定位均采用平键链接。（4）确定轴上的倒角和圆角尺寸图3-3确定轴的尺寸参考课本表15－2，取轴端倒角为1×45°，各轴肩处的圆角半R=1.2mm3.2.2计算过程1.根据轴的结构图作出轴的计算简图，如图，对于6207深沟球滚轴承的，简支梁的轴的支承跨距：L==-2a=249mm=47+50+9=106mm，=55mm,=65mm2.作用在齿轮上的力==916.6N333.6N计算支反力水平方向的ΣM=0，所以，=458.3N0，=541.6N垂直方向的ΣM=0，有0，=197N0,=166.8N计算弯矩水平面的弯矩==29789.5垂直面弯矩1084010840合成弯矩==31700==31700根据轴的计算简图做出轴的弯矩图和扭矩图，可看出C为危险截面，现将计算出的截面C处的及M的值列于下表：载荷水平面H垂直面V支反力541.6N458.3N197N166.8N弯矩=29789.5 10840总弯矩=31700=31700扭矩T=1953003.按弯扭合成应力校核轴的硬度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯距和扭距的截面（即危险截面C）的强度。根据课本式15－5及上表中的值，并扭转切应力为脉动循环变应力，取α＝0.6，轴的计算应力==13.51QMPa已由前面查得许用弯应力[σ－1]=60Mpa,因，故安全。4.精确校核轴的疲劳强度截面A，Ⅱ，Ⅲ，B只受扭矩作用，虽然键槽、轴肩及过渡配合所引起应力集中均将削弱轴的疲劳强度，但由于轴的最小直径是按扭转强度较为宽裕地确定的，所以截面A，Ⅱ，Ⅲ，B均无需校核。从应力集中对轴的疲劳强度的影响来看，截面和V和VI处的过盈配合引起的应力集中最严重；从受载的情况看，截面C上的应力最大。截面VI的应力集中的影响和截面V的相近，但截面VI不受扭距作用,同时轴径也较大，故可不必作强度校核。截面C上虽然应力最大，但应力集中不大（过盈配合及槽引起的应力集中均在两端),而且这里轴的直径最大，故截面C不必校核。因而只需校核截面V的左侧即可，因为V的右侧是个轴环直径比较大，故可不必校核。2)截面V左侧抗弯截面系数：W＝0.1d3＝0.1×453＝9112.5mm3抗扭截面系数：WT＝0.2d3＝0.2×453＝18225mm3截面V左侧的弯矩为13256.36截面V上的扭矩为=195300截面上的弯曲应力=1.45Mpa截面上的扭转切应力=21.45Mpa轴的材料为45号钢，调质处理，由表可查得=640MPa,=155MPa,=275Mpa过盈配合处的的值，由课本附表3-8用插入法求出，并取，＝2.18则0.8×2.18＝1.744轴按磨削加工，由课本附图3-4查得表面质量系数＝0.92故得综合系数值为：＝＝＝2.267＝＝＝1.831又由课本§3－1及§3－2得炭钢得特性系数＝0.1～0.2，取＝0.1＝0.05～0.1，取＝0.05所以轴在截面V左侧的安全系数为=83.6==7.687.652>>S=1.6（因计算精度较低，材料不够均匀，故选取s＝1.6）故该轴在截面V左侧的强度也是足够的。因无大的瞬时过载及严重的应力循环不对称性，故可略去静强度校核。3.3齿轮的设计与校核1、选择齿面材料、热处理方法，并确定材料的许用接触应力。根据工作条件，一般用途的减速机可采用闭式软齿面传动。查表5-6得：小齿轮45号钢调质处理230HBS大齿轮45号钢正火处理190HBS两齿轮齿面硬度差为40HBS，符合软齿面传动的设计要求。2、确定材料许用接触应力。查表5-11,两试验齿轮材料的接触疲劳极限应力分别为查表5-12，接触疲劳强度的最小安全系数=1.0，则两齿轮材料的许用接触应力分别为：3、根据设计准则，按齿面接触疲劳强度设计公式5-49，初步确定小齿轮的分度圆直径。小齿轮的转矩为：因原动机为电动机，且工作载荷平稳，由表5-8查得载荷系数k=1.1。斜齿轮减速器属闭式软齿面传动，且对称布置，故取。由表5-9可得，材料的弹性系数由于采用闭式软齿面传动，根据推荐值的范围，初选螺旋角，由图5-38查取区域系数。根据推荐值，初选，则大齿轮齿数。（如果是小数的话圆整，再校验齿数比误差，通常不应超过，。）根据三者的数值，由图5-39查取端面重合度，比较上述结果，取二者中的较小值，根据齿面接触疲劳强度设计公式（5-49），计算小齿轮的分度圆直径为4、确定两齿轮的模数。由表5-13得按表5-2转换成标准模数，取第一系列的标准模数。5、确定两齿轮实际螺旋角的大小。由表5-13得中心距为将上述值圆整，取实际中心距为。所以，实际螺旋角（符合在的范围内）。6、确定两齿轮的几何尺寸。两齿轮的分度圆直径分别为两齿轮（正常齿制，）的齿顶圆直径分别为全齿高齿宽，将值取整，取大齿轮的宽度，小齿轮的宽度，取。7、验算两齿轮的齿根弯曲疲劳强度查表5-11得，两试验齿轮的弯曲疲劳极限应力分别为由表5-12查得弯曲强度的最小安全系数。两齿轮的许用弯曲应力分别为两齿轮的当量齿数分别为根据两齿轮的当量齿数，查表5-10由线性插值法得两齿轮的齿形系数分别为根据两齿轮的当量齿数，查表5-10由线性插值法得两齿数的应力校正系数分别为斜齿轮传动的轴面重合度＝0.897根据和两者的数值，由图5-40可查得，斜齿轮的螺旋角影响系数因为，。较大，将其代入公式5-50得，齿轮的齿根弯曲疲劳应力为故两齿轮的齿根弯曲疲劳强度足够。3.4轴承的设计与校核1、轴承的选择因为斜齿轮在工作时会产生轴向力，所以应采用角接触轴承，根据轴的设计尺寸，选用7