XYZ直角坐標機械手的機械結(jié)構設計

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1、 編號： 畢業(yè)設計說明書 題 目： XYZ直角坐標機械手的 機械結(jié)構設計 學 院 專 業(yè) 學生姓名 學 號 指導教師單位 姓 名 職 稱 題目類型：理論研究 實驗研究 工程設計 工程技術研究 軟件開發(fā) 年5月27 日 摘 要 在當今制造業(yè)迅速發(fā)展的年代，為了提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，增加企業(yè)的經(jīng)濟效益，企業(yè)家們開

2、始把目光和戰(zhàn)略放到機械自動化上，力求能大量的使用自動化設備。目前自動化設備已經(jīng)遍布企業(yè)的生產(chǎn)線。其中最為典型的自動化機械手。為了滿足社會工業(yè)的需求，人們開始研究設計更為先進的機械手。從另外的一個角度上，也可以這么認為，一個國家的機械手技術水平的先進程度和對機械手的應用廣泛程度，體現(xiàn)出了一個國家目前的工業(yè)發(fā)達程度。 本文通過概述機械手，介紹XYZ直角坐標機械手，說明了本次要設計怎么樣的機械手結(jié)構。文中有三個直線運動模塊的詳細設計過程，包括電動機的選擇計算，滾珠絲杠副還有滾動導軌的型號的選擇，滾動軸承的選擇，彈性聯(lián)軸器的選擇，軸承座的設計，電機安裝座的設計選擇，機架的設計，以及機械零件的相關指標

3、的校核。零件的相關指標的校核包括，絲桿的剛度、使用壽命許用轉(zhuǎn)速等的校核，滾動軸承載荷的校核，使用壽命的校核，導軌的使用壽命等校核。文中還詳細介紹了一個非標準零件的工藝，包括詳細的尺寸設計加工工藝過程，即為從毛坯到形成所需零件的詳細加工過程。零件的熱處理工藝過程，包括正火，回火，調(diào)制處理等。 最終就是要實現(xiàn)設計一個能升降運動，左右移動，前后移動的XYZ直角坐標機械手的機械結(jié)構。機械手結(jié)構的設計不僅要能滿足機械手的基本運動，還要能滿足機械手的高定位精度，高移動精度。且其外形還要體積小，外形美觀。 關鍵詞：機械手；電動機；滾珠絲杠副  Abstract In today’s era

4、of rapid development of manufacturing industry, entrepreneurs have begun to focus their eyes and strategies on mechanical automation, strive to use a lot of automation equipment, in order to improve the production efficiency and the economic benefits. Nowadays the automation equipment has been sprea

5、d all over the production lines of enterprises, especially the automated. Due to meet the needs of the social industry, people begin to design more advanced s. From another perspective, the industrial level of a country depend on its manipulator technology and the extensive degree of manipulator app

6、lication. An overview of robot is outlined, its XYZ rectangular coordinate is introduced, and the mechanical structure of the manipulator is described. The design process of three linear motion modules is detailed, including the selection calculation of the motor, type selection of the ball screw p

7、air and the rolling guide, the selection of rolling bearing, the selection of flexible coupling, the design of bearing base, the design of motor mounting base, the design of the frame, and the check of the related indexes of machine parts. The check contains the stiffness of the guide screw, the all

8、owable speed among the working life, the load of rolling bearing, the working life of guide screw. The process of a non-standard part is detailed, including the dimension design, the machining process from the rough to required part. The heat process contains normalizing, tempering, modulation proce

9、ssing. All the above work is aimed at designing a XYZ rectangular coordinate manipulator which can move up and down, move left and right, move forward and backward. The design of the structure must meet not only the basic movement but also the high locating and move accuracy. The manipulator must h

10、ave the small volume and a beautiful appearance. Key words: manipulator; motor; ball screw  引言 1 1 ZYZ直角坐標機械手方案設計 2 1.1本次設計的機械手 2 1.2 本次設計的重點 2 1.3 設計的機械手的外觀結(jié)構三維圖 2 1.4 設計總體方框圖 3 2 Z軸運動模塊的設計 4 2.1滾珠絲杠的設計 4 2.1.1 右旋磨制絲杠 4 2.1.2最大載荷的計算 4 2.1.3絲杠靜載荷的計算 6 2.1.4 絲杠副dn值的校驗 6 2.1.5 絲杠臨界轉(zhuǎn)速

11、進行校核 6 2.1.6螺桿強度校核 7 2.1.7剛度的校核 8 2.1.8絲杠的效率校核 8 2.2滾動軸承的選擇與校核 9 2.2.1徑向外載荷的計算Fr 9 2.2.2計算軸向外載荷Fa 9 2.2.3軸承支反力的計算 9 2.2.4計算角接觸軸承的派生軸向力 9 2.2.5軸承所受軸向載荷 10 2.2.6計算軸承所受當量載荷Pr 10 2.2.7基本額定動載荷C 11 2.2.8選定軸承 11 2.2.9軸承壽命Ln的校核 11 2.3設計滾動軸承座 11 2.4聯(lián)軸器的選擇與校核 12 2.5步進電機的選擇 13 2.6導向機構的設計選擇 14

12、 2.6.1計算滾動直線導軌的額定壽命 15 2.6.2絲杠導軌的連接件 15 2.6.3導軌的潤滑 16 2.7電機安裝座 17 2.8 Z軸運動模塊連接架 17 3 X軸運動模塊的設計 18 3.1滾珠絲杠的設計 18 3.1.1滾珠絲杠副的特點 18 3.1.2滾珠絲桿運動副基本參數(shù)及校核 18 3.1.3剛度的校核 26 3.2滾動軸承的選則與校核 26 3.2.1徑向外載荷Fa 27 3.2.2選定軸承型號 29 3.2.3軸承壽命Ln的校核 29 3.3滾動軸承座的設計 29 3.4聯(lián)軸器的選擇與校核 30 3.5電機的選擇 31 3.5.1電機

13、所需基本參數(shù) 31 3.5.2運動所需功率 32 3.5.3計算絲杠轉(zhuǎn)矩 32 3.6導向機構的設計選擇 32 3.6.1滾動直線導軌的額定壽命 33 3.6.2絲杠導軌連接件 33 3.6.3導軌的潤滑 34 3.7電機安裝座的設計 35 3.8 X軸運動模塊機架設計 35 3.9 橫梁的校核 35 4 Y軸運動模塊的的設計 36 4.1滾珠絲杠的設計 36 4.1.1滾珠絲桿基本參數(shù)及其校核 36 4.1.2剛度的校核 42 4.2滾動軸承的選則與校核 43 4.2.1徑向外載荷Fa 43 4.2.2軸承支反力的計算 43 4.2.3角接觸軸承的派生軸

14、向力 44 4.2.4軸承所受軸向載荷 44 4.2.5軸承所受當量載荷Pr 44 4.2.6基本額定動載荷C 45 4.2.7軸承的選定 45 4.2.8軸承壽命的校核 45 4.3滾動軸承座的設計 45 4.4聯(lián)軸器的選擇與校核 46 4.5電機的選擇 47 4.6導向機構的設計選擇 48 5.6.1滾動直線導軌的額定壽命 49 4.6.2導軌連接件 49 4.6.3導軌的潤滑 50 4.7電機安裝座的設計 51 4.8 Y軸運動模塊連接架設計 51 5 非標準件零件的工藝設計 52 6 結(jié)論 53 謝 辭 54 參考文獻 55 引

15、言 現(xiàn)在的社會是自動化的機械代替人工工作的時代，機械工作效率高，成本比人工工作低，已經(jīng)在大部分領域廣泛應用推廣。一個操作工人可以控制3到6臺機器，工作安全性很高?，F(xiàn)在大部分的自動化機構都運用到機械手結(jié)構，比如摘果機械手，自動上料機等等。XYZ直角坐標機械手，現(xiàn)在基本上是應用在自動化設備上的，可精確定位，一般用在高速高精度的工作環(huán)境，用來重復搬運；或者用來點膠，也可涂膠，也可焊接，甚至裝配、檢測、封裝、剁碼，鎖螺絲當然也可以。在制造方面，它制造成本相當?shù)牡停到y(tǒng)結(jié)構簡單，只有控制系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)，機械系統(tǒng)和操作工具。使用靈活，功能多，根據(jù)操作工具的不同，使用功能不同?？煽啃愿摺⑺俣瓤?、精度高，

16、可以代替人工，提高生產(chǎn)效率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。它可以24小時在高溫等惡劣環(huán)境下不停歇地工作，如果有故障，維修也很方便。 近年來，世界及我國電子技術特別是電子計算機得到很快地技術提升，應用更加廣泛，機器人的研究制造與改良和生產(chǎn)頓時成為高技術領域的一門新興技術，且其發(fā)展迅速，它也就促進了機械手的進一步發(fā)展，所以機械手現(xiàn)在能更好地實現(xiàn)機械化和自動化。目前，機械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分。把傳統(tǒng)的機床設備加上機械手即可共同構成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它在適中、小批量生產(chǎn)中特別受歡迎，通過機械手的應用可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，它的結(jié)構很緊湊，對市場的適應

17、性能力很強。沒當改變加工的工件時，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)也就很容易跟著改變，也就有利于企業(yè)不斷更新研究制造適銷對路的品種，提高市場產(chǎn)品的質(zhì)量，更好地適應市場競爭的需要。但是目前我國的工業(yè)機器人技術還有對它的工程應用的水平和國外比較起來還是有相當大的距離。我國對工業(yè)機械手的應用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平相對很低，機械手的研究和開發(fā)從根本上會直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平，故從經(jīng)濟上、技術都考慮要提高機械手的水平。因此，對機械手的研究設計是非常有現(xiàn)實意義和未來展望的。  1 ZYZ直角坐標機械手方案設計 1.1本次設計的機械手 設計的機械手的有效工作的長、寬、高分別為300mm、250mm、150mm。有效

18、負載的最大質(zhì)量為2kg，沒有外力。機械手的XYZ三個軸的結(jié)構均設計為執(zhí)行元件直接帶動絲杠，并設計選擇合適的導向機構導向。X軸和Y軸的執(zhí)行元件采用永磁式有刷直流伺服電機，運動速度曲線為梯形，最大運動速度為0.1m/s，最大及速度為0.2m/s。Z軸的執(zhí)行元件采用混合式步進電機，運動速度曲線為矩形，最大速度為10mm/s。此次設計的機械手為小型通用直角坐標機械手，設計采用計算機輔助設計。 1.2 本次設計的重點 1）ZXY三個軸的直線運動模塊執(zhí)行元件的選型，即電機的選擇計算。 2）XYZ三個軸傳動機構的設計，包括滾珠絲杠副設計選擇，導向機構的設計選擇，滾動軸承的選擇，軸承的安裝座座的設計，絲

19、杠支承的選擇設計，聯(lián)軸器的選擇，兩軸連接處零件結(jié)構的設計，電機安裝座的設計，機架與三個運動模塊的鏈接設計。 3）零件的各項參數(shù)的校核。 1.3 設計的機械手的外觀結(jié)構三維圖 圖1-1 機械手外觀結(jié)構示意圖 如上圖所示，絲杠伸出的地方就是電機安裝的位置。此結(jié)構就是用一根橫梁來支撐Z軸X軸的運動模塊。Z軸與X軸的連接就是用一個大滑塊來固定連接。Z軸固定在X軸上，X軸固定在Y軸上，Y軸固定在機架上。機架加兩塊肋板，增加它的穩(wěn)定性。三個運動模塊都是電機驅(qū)動，滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，滾動導軌導向，可獨立完成直線運動，也可以相互配合，完成相應的空間曲線運動。 1.4 設計總體方框圖 圖1

20、-2 總體方框圖 根據(jù)設計的機構方案，因為Z軸運動模塊總體質(zhì)量會影響到X軸Y軸的工作負載，在計算X軸，Y軸的有效負載，影響設計絲杠副的尺寸，校核剛度等會受到影響，所以優(yōu)先完成設計Z軸運動模塊。設計完Z軸運動模塊后，再設計X軸，根據(jù)結(jié)構，同理，X軸運動模塊的設計也會影響到Y(jié)軸的設計，所以要先設計X軸運動模塊。最后再設計Y軸的運動模塊。最終設計機座。 有了設計思路后，開始細化設計內(nèi)容，確定的最終的設計思路如下圖： 圖1-3 詳細設計思路圖 根據(jù)詳細設計方案，就開始著手設計。  2 Z軸運動模塊的設計 因為是精密運動機械手，要求精確度高，所以采用滾珠絲杠及滾動導軌。因為滾動

21、絲杠及滾動導軌摩擦阻力小，傳動效率高，經(jīng)過預緊之后，可以得到很好地定位精度和重復定位精度，是本次設計的最合理選擇[2]。驅(qū)動方面采用混合式步進電機驅(qū)動，運動速度曲線為矩形，最大速度為10mm/s。 2.1滾珠絲杠的設計 2.1.1 右旋磨制絲杠 根據(jù)要求設計絲杠的最長長度為： 絲杠的最大行程 絲杠的固定方式為絲杠支撐兩端固定。 絲杠設計為精度5級，可靠性90%。 2.1.2最大載荷的計算 機械手的有效負載的最大質(zhì)量為，故按最大負載計算絲杠的各項參數(shù)。 （重力加速度?。? （2-1） 所以得出絲杠軸向載荷 N 預設絲杠最高轉(zhuǎn)速 r/mim 機械手移

22、動最高速度 mm/s 允許的最大轉(zhuǎn)速 r/min 所以初步計算絲杠的導程 mm （2-2） 所以絲杠的導程取mm 螺紋公稱直徑——mm 鋼球直徑——mm 圈數(shù)列數(shù)—— 螺桿滾道曲率—— （2-3） 表2-1 各類機械預期工作壽命 機械類型 備注 普通機械 普通機床 數(shù)控機床 精密機床 測試機械 航空機械 5000～10000 10000～15000 20000 20000 15000 1000 250（天）16（h）

23、10（年）0.5（開機率）=20000 因為為精密機械手，可按精密機床來選擇，故選擇壽命 由表得 表2-2 載荷系數(shù) 載荷性質(zhì) 無沖擊平穩(wěn)時 一般運行 有沖擊和振動 KF 1-1.2 1.2-1.5 1.5-2 表2-3 硬度系數(shù) 硬度系數(shù) 大于等于58 55 50 KH 1.0 1.11 1.56 表2-4 精度系數(shù) 精度系數(shù) 1、2、3 4、5 7 KA 1.0 0.9 0.8 由上表分析，取 載荷系數(shù)；選擇動載荷硬度系數(shù); 選用轉(zhuǎn)速系數(shù)，式中n為絲桿轉(zhuǎn)速；取短行程系數(shù)。 額定動載荷下限值

24、 （2-4） 式中 為外加在絲杠副上的軸向最大載荷。 查詢機械手冊表格得，可用精度系數(shù) 查詢機械手冊相關表格得，可取可靠性系數(shù) 查詢機械手冊相關表格得，可取載荷性質(zhì)系數(shù) 查詢機械手冊相關得，可取預加載荷系數(shù) 所以，最后的出動載荷下線值 2.1.3絲杠靜載荷的計算 由機械手冊得，，其中式中 根據(jù)計算結(jié)果選擇滾珠絲杠副的型號：決定選用的是用外循環(huán)導珠管埋入式SFU01004-2.5 型號滾珠絲杠副[3]。 180mm的重量0.18kg。為其中，，，，。 滿足承載能力要求。 計算預緊力： （2-5）

25、 2.1.4 絲杠副dn值的校驗 查詢機械手冊得 （3-6） 故結(jié)果符合要求，所設計的滾珠絲杠副工作系統(tǒng)穩(wěn)定。 2.1.5 絲杠臨界轉(zhuǎn)速進行校核 絲杠在高速轉(zhuǎn)動的時候，可能會引起機械共振，所以需要進行絲杠臨界轉(zhuǎn)速的校核[4]。 r/min （2-7） Lc是計算它的許用轉(zhuǎn)速nc所需要用到的安裝距離，下表是Lc計算依據(jù)的選擇依據(jù)。  表2-5 Lc的選擇 符號 意義及用處 b1 絲杠螺紋左端到左軸承的距離b1 b2 絲杠螺紋右端到右端軸承的距離b2 Le 余程Le La 安全

26、行程La=(1-2)Ph Lx Lx機械最大行程 Ln 螺母長度Ln L1 絲杠螺紋長度L1=2Le+2La+Lx+Ln Lu 有效行程Lu=L1-Le Lz 左右端軸承之間的距離lz+b1+b2 L2 L2=b1+Le+La+Ln/2 L3 L3=L2+Lx L4 L4=Lz-L2 L5 L5=b+Le+La+Lx+Ln/2 因為設計為兩端固定，故選Lc=L5 式中，通過查詢機械手冊得， 計算得 mm 故轉(zhuǎn)速已經(jīng)滿足要求 2.1.6螺桿強度校核 螺桿材料為45號鋼，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，且查表得其許用應力MPa 當前設計的螺桿的當量應力

27、 （2-8） 式中 （2-9） 故所設計的絲杠強度符合設計要求。 2.1.7剛度的校核 因為存在工作負載F，也存在轉(zhuǎn)矩T，所以絲桿的導程會產(chǎn)生變形量。 （2-10） 上式中，A為絲杠的截面面積， 。 （2-11） 絲杠的極慣性矩為， 。 （2-12） G為絲杠的彈性模量，T為絲杠的轉(zhuǎn)矩。 所以絲杠在工

28、作行程長度上所會引起的導程誤差為 um （2-13） 本次設計的絲杠的傳動精度為2mm。 絲杠所允許的導程誤差要求小于傳動精度的1/2，即 um （ 2-14） 由上面計算可以得出 故設計符合的絲杠剛度符合要求，可以安裝使用。 2.1.8絲杠的效率校核 （2-15） 效率要求在90%-95% 之間，經(jīng)計算得出的結(jié)果符合要求。 對于絲杠運動副，為了保持精度和延長使用壽命，應該定期對其進行潤滑等保養(yǎng)。 2.2滾動軸承的選擇與校核 本次設計的為精密絲杠傳動的精密機械手，要求傳動精度高，摩擦力小，故選擇滾動軸承。因為

29、機械手既有有軸向載荷又有徑向載荷，所以在設計時一般選用角接觸球軸承[11]。不過還有另一種選擇，那就是選用圓錐滾子軸承，這種軸承也符合要求。本次設計，從二中選一，我選用的是角接觸球軸承。 參考機械設計教科書，表13-1，初選軸承為a=25o的角接觸球軸承[11]。 滾動軸承與絲杠的配合，配合采用基孔制配合，配合公差選用。 2.2.1徑向外載荷的計算Fr N （2-16） 上式中，取負載移動阻力系數(shù) ——負載移動阻力； 動摩擦系數(shù)u取0.05 為有效負載質(zhì)量，為絲杠運動副的總體質(zhì)量。 mm/s2

30、 （2-17） 所以徑向外載荷 N 2.2.2計算軸向外載荷Fa N （2-18） 2.2.3軸承支反力的計算 N 2.2.4計算角接觸軸承的派生軸向力 查機械設計課本，并計算得： N 2.2.5軸承所受軸向載荷 因 則 N N 附表： 表2-6 軸承參數(shù) 基本尺寸/mm 基本額定 載荷/KN 極線轉(zhuǎn)速/r*min-1 安裝尺寸/mm d D B Cr Cor 脂 油 da min Da max ra max 10 26 8 4.92

31、 2.25 19000 28000 12.4 23.6 0.3 26 8 4.75 2.12 19000 28000 12.4 23.6 0.3 30 9 5.82 2.95 18000 26000 15 25 0.6 30 9 5.58 2.82 18000 26000 15 25 0.6 2.2.6計算軸承所受當量載荷Pr 查詢機械設計表13-5，得出以下表格 表3-7 軸承70000AC的計算參數(shù) 因軸承工作時有沖擊，經(jīng)過查機械設計手冊表載荷系數(shù)為，因

32、 （2-19） 所以中軸承所受到的當量載荷 N （2-20） 2.2.7基本額定動載荷C N （2-22） 軸承預期計算壽命， h 壽命指數(shù)，當 h時， fh=2.0 Ft： 溫度系數(shù)， ft =1.0 表2-8 軸承溫度系數(shù) 工作溫度/℃ <120 125 150 175 200 ft 1.0 0.95 0.9 0.85 0.80 2.2.8選定軸承 根據(jù)基本額定載荷C，查找機械手冊表5-5-22，采用了70000AC型號的角接觸軸承，其

33、參數(shù)如下表： 表2-9 70000AC軸承的基本參數(shù) d D B a Cr 10mm 26mm 8mm 8.2mm 4.75KN da Da ras Cor 12.4mm 23.6mm 0.3 2.12KN 2.2.9軸承壽命Ln的校核 h （2-23） Lh>L,h=20000h 且C

34、動軸承與軸承座的配合使用基軸制，配合公差選用[11] 。 設計其本尺寸 d=10mm d為絲杠的直徑，在這里是為了給絲杠能穿過軸承支座所預留的直徑的孔。 為軸承座側(cè)端面到軸承左端面的距離。 D=25mm 軸承外徑，即為為能安裝上滾動軸承預留的直徑。 A為軸承支座為能能安裝上軸承所留的軸向?qū)挾取? 為軸承座的總體長度。 本次設計的軸承安裝座，出于美觀與工作要求，設計如下圖的零件。 圖2-4 Z軸軸承安裝座 安裝時，要要注意對軸承進行預緊，讓軸承的旋轉(zhuǎn)精度得以提高，也能增加出軸承裝置的剛性，減小絲杠導軌在工作時的定震動。 2.4聯(lián)軸器的選擇與校核

35、 聯(lián)軸器有剛性聯(lián)軸器與撓性聯(lián)軸器兩種。設計精密機械手，優(yōu)先考慮精度，故一定要選擇彈性聯(lián)軸器。經(jīng)過查詢機械設計手冊，可用的有彈性元件的撓性聯(lián)軸器有很多種，本次選擇用的是膜片聯(lián)軸器。 其實物圖如下圖： 圖2-5 膜片聯(lián)軸器 因為是精密機械手結(jié)構設計，所以要選擇精密零件。經(jīng)查詢資料，發(fā)現(xiàn)MISUMI公司生產(chǎn)的精密聯(lián)軸器符合設計要求，故采用其聯(lián)軸器，型號為MSC-010SA2-8B-8B-M。其參數(shù)如圖中的表所示： 圖2-6 膜片聯(lián)軸器參數(shù)圖 其質(zhì)量大概為0.2kg。 2.5步進電機的選擇 經(jīng)過查詢資料，采用混合式步進電機。因為Z軸運動模塊的運動速度曲線為矩形，最大速度為1

36、0mm/s，所以按最大運動速度計算。絲杠在工作中所承受的最大有效負載為2kg,所以絲杠的軸向最大負載為 。 所以絲杠的工作功率 w （2-24） 計算絲杠轉(zhuǎn)矩 Nmm （2-25） 上網(wǎng)查詢有關混合式步進電機的相關資料，經(jīng)過分析，只要功率大于2w，輸出轉(zhuǎn)矩大于0.079N*m即可。確定，選擇型號57HM41-0306A。其基本參數(shù)如下表: 表2-10 57HM41-0306A混合式步進電機 額定電壓（V） 額定電流（A） 重 量(kg) 輸出轉(zhuǎn)矩（n*mm） 電機長*寬*高 額定轉(zhuǎn)速（r/min） 15 0.3

37、 0.42 3.8 413838 500 2.6導向機構的設計選擇 本次設計選用的導向機構為直線滾動導軌。直線導軌目前有兩種選擇，一是滑動直線導軌，另一種是滾動直線導軌?；瑒又本€導軌的摩擦力較大，定位精度較差，一般運用在大型的機床。本次設計為小型通用的機械手，要求定位迅速，移動精度高，定位精度高，結(jié)構輕巧，工作效率高[12]。經(jīng)過分析思考，決定使用滾動直線導軌。 把滾珠、滾柱、或者滾針等等的滾動體，放置在相互匹配的兩導軌之間，使兩導軌由滑動摩擦變成為滾動摩擦，就成為了滾動導軌[12]。導軌的截面形狀一般分為：對稱三角形截面、不對稱三角形截面、矩形截面、燕尾型截面、圓

38、形截面[12]。每種截面形狀又可以分為凸形與凹形。Z軸的設計，考慮到傳動的穩(wěn)定性，還有安裝的方便性，以及防止兩導軌在工作時相互脫離，故設計時選用滾動導軌。所設計的導軌可以選用標準件，所以直接可以選擇一定的型號的導軌，只要符合尺寸和壽命，剛度強度，精度要求的導軌都可以選用。經(jīng)過查詢許多廠家的滾動導軌資料，發(fā)現(xiàn)MISUMI公司的LM滾動導軌為國際標準，十分適合本次的設計。 表2-11 所選的導軌的參數(shù) 品牌 滾動體列數(shù) 材料 型號 重量 THK 4列 碳素鋼 HSR15R1C1 1kg/m 下圖為其詳細信息圖 圖2-8 滾動導軌詳細信息圖 導軌的長度為220

39、mm，滑塊外形尺寸為34mm。 表2-12 設計參數(shù) 滑座上負載F 滑座個數(shù) 單方向行程 每分鐘往復 50N 2 150mm 2 每天工作時長 一年工作量 壽命 24h 300天 10年 N （2-26） 2.6.1計算滾動直線導軌的額定壽命 h 根據(jù)公式 （2-27） 其中式中 為單行程長度 為額定行程長度壽命 n 為往復數(shù)每小時 求得 km （2-28

40、） 2.6.2絲杠導軌的連接件 絲杠與導軌的連接件兼做Z軸X軸連接件，其結(jié)構如下圖： 圖2-9 連接滑塊圖 此連接件的設計材料選用45號鋼，尺寸為長、寬、高為94mm、88mm、60mm。根據(jù)公式 m3 （2-29） 實際有重量的體積可按 m3 所以質(zhì)量 kg （2-30） 計算得鏈接件的質(zhì)量為 2.6.3導軌的潤滑 長期工作的導軌，會有磨損，從而影響工作的精度和穩(wěn)定性。為了延長導軌的壽命，一個好方法就是對導軌進行定期的潤滑和保養(yǎng)[12]。滾動導軌的潤滑很

41、是方便，所以工作時，應該要每天潤滑兩次，早上進行一次潤滑，晚上再進行另一次潤滑。 對于潤滑，對潤滑油的選擇十分的重要。對潤滑油最基本的要求就是要有良好的潤滑性能。對于本次精密運動機械手導軌，我覺得應該要根據(jù)導軌的使用特點，還有導軌的各種性能特點來合理選用潤滑油。 表2-13 常見導軌的潤滑方法 導軌類型 所用潤滑油 潤滑方法 備注 普通的滾動導軌 L-AN全損耗系統(tǒng)用油 壓力循環(huán)、油輪、油繩、油槍 一般是無爬行機床（臥式） 液壓式導軌油 液壓系統(tǒng)提供潤滑油 磨床，液壓控制機械系統(tǒng)一般多用的潤滑油 導軌油 壓力循環(huán)油槍、、油繩、油輪 一般用于有爬行運動的機床

42、油霧 需要排除空氣，在工作表面不準有有切屑 潤滑脂 滑動面較短時用脂槍或壓蓋脂杯注入到油槽里[5] 一般用與運動速度較慢或者運動為垂直運動的導軌[6] 由上表格，因為Z軸運動模塊為垂直導軌，所以決定選用精密設備所用的導潤滑脂來進行潤滑。 2.7電機安裝座 根據(jù)前面所選擇的混合式的步進電機，其外形大概為一個長方體，長寬高分別為41mm、38mm、38mm。所以設計一個合適的點擊安裝座，來安裝固定電機。安裝座的選擇設計要做到結(jié)構簡約，剛度強度要達到，質(zhì)量也不能太重，因為太重了會影響到X軸運動模塊與Y軸運動模塊的設計。經(jīng)過在網(wǎng)上多家產(chǎn)品公司的瀏覽查詢，決定采用如下圖所示的電機座，結(jié)構簡

43、約，符合安裝要求。 圖2-10 電機安裝座 要求其質(zhì)量不得超過0.2kg，所以采用薄板中空類型的。電機安裝座里面連接著聯(lián)軸器。 2.8 Z軸運動模塊連接架 連接架要求要有足夠的強度和剛度，設計鏈接架為直接用X軸的滾動導軌充當其機架，再加上連接塊，組成機架。其外觀圖如下圖所示： 圖2-11 Z機架三維輔助圖 電機安裝在其上端。 經(jīng)過計算，得出，Z軸運動模塊的總質(zhì)量為2.98kg。加上有效負載2kg，可知作用在X軸上的有效載荷約為5kg。  3 X軸運動模塊的設計 對于X軸直線運動模塊的設計，采用電機驅(qū)動絲杠副，絲杠轉(zhuǎn)動帶動螺母移動，再加上導向機構進行運動導

44、向，完成X軸運動模塊的設計。 因為X軸直線運動模塊和Z軸直線運動模塊一樣，是精密運動機械，要求定位精確度高，移動精度高，所以不選用滑動絲杠和滑動導軌，而是選用了滾珠絲杠及滾動導軌。因為滾動絲杠及滾動導軌摩擦阻力小，傳動效率高，經(jīng)過預緊之后，可以得到很好地定位精度和重復定位精度，是本次直線運動模塊設計的最合理選擇[12]。執(zhí)行元件驅(qū)動方面采用永磁式有刷直流伺服電機驅(qū)動，運動速度曲線為梯形，最大家速度為。 3.1滾珠絲杠的設計 3.1.1滾珠絲杠副的特點 1）擦阻力很小，機械傳動效率很高； 2）對絲杠副磨損小、使用壽命長、工作時的可靠性很好； 3)絲杠運動一般具有往復性，所以至少

45、要設防逆向運動的緩沖裝置； 4)軸向方向絲杠的剛度可以達到高，但是在工作時抗沖擊能力較差； 5)各種性能都較好，但是就是結(jié)構有點復雜，在生產(chǎn)還有加工的技術復雜，制造較為困難； 6)在對滾珠絲杠預緊后，可以擁有的定位精度很高，也可以擁有很高的重復位置定位精度。 3.1.2滾珠絲桿運動副基本參數(shù)及校核 導軌摩擦力 N （3-1） 其中（Z軸運動模塊最大總質(zhì)量為4.98kg，為了保證各種強度足夠，此處按5kg計算）——移動負載； u=0.05——導軌與支撐之間的摩擦系數(shù) 由方案已確定使用圓柱形滾動導軌，故u的值可由查下表

46、得：  表3-1常用材料的滾動摩擦系數(shù) 摩擦副材料 靜摩擦系數(shù)us 動摩擦系數(shù)u 無潤滑 有潤滑 無潤滑 有潤滑 鋼-鋼 0.15 0.1~0.12 0.1 0.05~0.1 鋼-青銅 0.1~0.15 0.15~0.18 0.07 1）軸向載荷和等效軸向載荷的計算 N （3-2） 其中負載移動阻力系數(shù) k=1.15 ——負載移動阻力； m/s2 （3-3） N 2）預設滾動絲桿基本參數(shù) 采用右旋磨制絲杠。 根據(jù)要求，設

47、計絲杠最長長度mm 最大行程 螺紋公稱直徑——； 鋼球直徑—— 圈數(shù)列數(shù)—— 螺桿滾道曲率—— 設定轉(zhuǎn)速 r/min （3-4） 初算其導程 所以導程選擇mm 3）計算動載荷 （3-5） 壽命系數(shù) （3-6） 工作壽命查下表： 表3-2 各類機械預期工作時間 機械類型 備注 普通機械 普通機床 數(shù)控機床 精密機床

48、測試機械 航空機械 5000～10000 10000～15000 20000 20000 15000 1000 250（天）16（h）10（年）0.5（開機率）=20000 由于是精密絲桿傳動，選。 又查表得： 表3-3 載荷系數(shù)表 載荷性質(zhì) 平穩(wěn)無沖擊 一般運行 有沖擊和振動 KF 1-1.2 1.2-1.5 1.5-2 表3-4 硬度系數(shù) 硬度系數(shù) 大于等于58 55 50 KH 1.0 1.11 1.56 表3-5 精度系數(shù) 精度系數(shù) 1、2、3 4、5 7 KA 1.0 0.9 0.8

49、 由上表知： 載荷系數(shù)，動載荷硬度系數(shù) 。 轉(zhuǎn)速系數(shù) （3-7） 其中n是絲桿轉(zhuǎn)速； 短行程系數(shù)Kl=1.0。 所以 （3-8） 4）螺旋導程角λ 5）基本額定載荷校核Ca N （3-9） N 式中fc為與滾珠絲桿副滾道的幾何形狀制造精度和材料有關的系數(shù)，一圈螺紋滾道內(nèi)的鋼球數(shù)量；鋼球滾道切面在接觸點處的公法線與螺紋軸線的垂直線之間的夾角[12]。

50、由上可知：Ca大于Ca′ 故載荷方面滿足要求。 6)基本靜載荷計算 N （3-10） F ——軸向載荷 N 基本額定靜載荷 N （3-11） 當a=45 o時， 結(jié)果為Coa′小于Coa，所以設計的參數(shù)符合要求。 7）驅(qū)動轉(zhuǎn)矩T Nmm （3-12） ——當量摩擦角，當運動件由旋動運動轉(zhuǎn)變到直線運動時取 當量應力σ MPa （3-13） mm

51、 e滾到圓弧偏心距 mm （3-14）  表3-6 許用應力表 牌號 鑄件預計抗拉強度 單鑄試棒最小抗拉強度（Mp） 用途舉例 鑄件壁厚（mm） 抗拉強度 σb≥ （Mp） 大于 小于等于 HT100 2.5 10 20 30 10 20 30 40 130 100 90 80 100 適于對強度無要求的零件（外罩、底板） HT150 2.5 10 20 30 10 20 30 40 175 145 130 1

52、20 150 適于對強度要求不高的零件（機床底架、軸承座） HT200 2.5 10 20 30 10 20 30 40 220 195 170 160 200 適用于對強度、耐磨性要求較高的零件（氣缸、齒輪） 由上表易知：鑄鐵抗拉強度最小為100Mp，而且剛的抗拉強度較之更大，所以σ小于[σ]，設計符合要求。 8）計算軸向載荷F產(chǎn)生的軸向變形量δF 常見的滾珠絲杠的安裝有三種方式，如下圖： 圖3-1滾珠絲杠安裝方式示意圖 即為固定——自由，固定——支撐，固定——固定，這三種安裝方式。 考慮到連接的穩(wěn)定

53、，故選擇固定——固定的安裝方式 （3-15） 其中Lj——絲桿兩個支撐之間的距離， mm L——絲桿計算長度， mm E——絲桿材料的彈性模量 查表可知： 鋼—— MPa A——絲桿的計算截面積 mm2 （3-16） 轉(zhuǎn)矩T產(chǎn)生的軸向變形量δT mm （3-17） 其中IP——絲桿的計算截面積的極慣性矩 （3-18） G——絲桿材料切變模量 鋼材料取： 軸向載荷F使鋼球與螺旋滾道間產(chǎn)生的軸向變形δa 當時，

54、且滾動螺桿兩邊有預緊，則： mm （3-19） 參數(shù)如下： △Z——工作螺母中的鋼球總數(shù) Z——一圈螺母中的鋼球數(shù) FP——預緊力，一般取 KZ——載荷分布不均勻系數(shù)，一般取 KZ=1.2 因溫度升高引起的軸向位移δa的計算  表3-7 材料線膨脹系數(shù)at（表內(nèi)數(shù)值*10-6/OC） 材料 溫度范圍（OC） 20 20--100 20--200 20--300 工業(yè)用銅 （16.6-17.1） （17.1-17.2） 17.6 黃銅 17.8

55、 16.8 20.9 碳鋼 （10.6-12.2） （11.3-13） （12.1-13.5） 鑄鐵 （8.7-11.1） （8.5-11.6） （10.1-12.2） 鎳鉻合金 14.5 由上表綜合考慮取 mm （3-20） 其中at——線性膨脹系數(shù) △t——絲桿溫度，一般為3-5 lo——螺紋有效長度 lo =250mm 絲桿軸向總變形量δ mm （3-21） 絲桿的軸向剛度 （3-22）

56、剛度條件[Kδ]—絲桿允許軸向剛度 小于 所以設計符合條件 重復定位度 um Kδ：軸向剛度 Fst：導軌間最大靜摩擦力 △ 小于[△]=0.05mm=50m 所以設計符合要求 9）滾珠絲桿副的許用轉(zhuǎn)速值校核 滾珠絲桿副的轉(zhuǎn)速過高，會產(chǎn)生共振，影響正常工作運轉(zhuǎn)，破壞穩(wěn)定性，甚至損壞機器。 （3-23） a：安全系數(shù)，a=0.8 E：彈性模量， MPa I：絲桿剖面最小慣性矩， （3-24） d2: 螺紋底徑，10mm g：9.8N/Kg r：材料

57、比重， N/mm3 A： 螺紋底徑面積， mm2 （3-25） Lc： 計算許用轉(zhuǎn)速nc用的安裝距離。 固定—固定安裝方式中，Lc即為絲桿計算長度，指F和T作用處到固定軸承端的距離，Lc=280mm。 當滾珠絲桿精密等級為5級時 r/min （3-26） 式中，通過查詢機械手冊得， 由上章表1-10已取得 mm 故轉(zhuǎn)速已經(jīng)滿足要求 10）的校核 （3-27） 故設計的滾珠絲杠副工作穩(wěn)定，符合要求。 傳動效率：由螺旋運動變?yōu)橹本€運動時， （3-28

58、） λ：螺紋升角 3.1.3剛度的校核 因為存在工作負載F，也存在轉(zhuǎn)矩T，所以絲桿的導程會產(chǎn)生變形量。 （3-29） 上式中，A為絲杠的截面面積， mm2 （3-30） 絲杠的極慣性矩為， （3-31） G為絲杠的彈性模量，T為絲杠的轉(zhuǎn)矩。 所以絲杠在工作行程長度上所會引起的導程誤差為 um （3-32） 本次設計的絲杠的傳動精度為5mm。 絲杠所允許的導程誤差要求

59、小于傳動精度的1/2，即 um （3-33） 由上面計算可以得出 故設計符合的絲杠剛度符合要求，可以安裝使用。 3.2滾動軸承的選則與校核 選擇軸承的類型與多種因素有關，通常根據(jù)下列幾個因素： 1） 允許空間。 2） 載荷大小和方向。例如既有徑向又有軸向聯(lián)合載荷一般選用角接觸球軸承或圓錐滾子軸承，如徑向載荷大，軸向載荷小，可選深溝球和外圈都有擋邊的圓柱滾子軸承，如同時還存在軸或殼體變形大及安裝對中性差，可選用推力調(diào)心滾子軸承[11]。 3） 軸承工作轉(zhuǎn)速。 4） 旋轉(zhuǎn)精度。 5） 軸承的剛性。 6） 軸向游動。 由上綜合：本設計選用角接

60、觸球軸承 參考機械設計，因為導軌已經(jīng)承擔了主要的載荷，故而初選7000AC角接觸軸承。 滾動軸承與絲杠的配合，配合采用基孔制配合，配合公差選用,[11]。 3.2.1徑向外載荷Fa N （3-34） 1）軸向外載荷的計算Fx： N （3-35） 上式中，取負載移動阻力系數(shù) ——負載移動阻力； 動摩擦系數(shù)u取0.05 N （3-36） 為Z軸運動模塊負載質(zhì)量，為絲杠運動副的總體質(zhì)量。 mm/s2 （3-37） 所以徑向外載荷

61、N 2）軸承支反力的計算： N 3）計算角接觸軸承的派生軸向力： 查機械設計課本，并計算得： N 4）軸承所受軸向載荷： 因 則 N N 附表： 表3-8 軸承參數(shù) 基本尺寸/mm 基本額定 載荷/KN 極線轉(zhuǎn)速/r*min-1 安裝尺寸/mm d D B Cr Cor 脂 油 da min Da max ra max 10 26 8 4.92 2.25 19000 28000 12.4 23.6 0.3 26 8 4.75

62、2.12 19000 28000 12.4 23.6 0.3 30 9 5.82 2.95 18000 26000 15 25 0.6 30 9 5.58 2.82 18000 26000 15 25 0.6 5）計算軸承所受當量載荷Pr： 查詢機械設計表13-5，得出以下表格 表3-9 軸承70000AC的計算參數(shù) 因軸承工作時有往復運動，故而有沖擊，經(jīng)過查機械設計手冊表載荷系數(shù)為，因 所以中軸承所受到的當量載荷 N （3-38） 6）基本額定動載荷C

63、N （3-39） 軸承預期計算壽命，h 壽命指數(shù)，當 h時 fh=2.0 Ft： 溫度系數(shù)，ft =1.0 表3-10軸承溫度系數(shù) 工作溫度/℃ <120 125 150 175 200 ft 1.0 0.95 0.9 0.85 0.80 3.2.2選定軸承型號 根據(jù)計算所得的基本額定載荷C，經(jīng)過查找查找機械手冊表5-5-22，最終決定選用70000AC型號的角接觸軸承。 基本參數(shù)（尺寸）：d=12mm D=28mm B=9 a=8.2

64、mm 安裝尺寸(mm)： da=14.4 Da=25.6 ras=0.3 基本額定動載荷Cr=4.75KN 靜載荷Cor=2.12KN 3.2.3軸承壽命Ln的校核 （3-40） 且C

65、軸制，配合公差選用 。 設計其本尺寸 d=12mm d為絲杠的直徑，在這里是為了給絲杠能穿過軸承支座所預留的直徑的孔。 為軸承座側(cè)端面到軸承左端面的距離。 D=26mm 軸承外徑，即為為能安裝上滾動軸承預留的直徑。 A為軸承支座為能能安裝上軸承所留的軸向?qū)挾取? 為軸承座的總體長度。 其輔助三維圖如下： 圖3-2 X軸軸承座圖 安裝時，要要注意對軸承進行預緊，讓軸承的旋轉(zhuǎn)精度得以提高，也能增加出軸承裝置的剛性，減小絲杠導軌在工作時的震動。 3.4聯(lián)軸器的選擇與校核 聯(lián)軸器有剛性聯(lián)軸器與撓性聯(lián)軸器兩種。設計精密機械手，優(yōu)先考慮精度，故

66、一定要選擇彈性聯(lián)軸器。經(jīng)過查詢機械設計手冊，可用的有彈性元件的撓性聯(lián)軸器有很多種，本次選擇用的是膜片聯(lián)軸器。根據(jù)設計想法，可以選擇單膜片聯(lián)軸器，其實物圖下圖4-2，其型號為SFC-030SA2-10B-10B-M。 圖3-3 聯(lián)軸器實物圖 其基本的參數(shù)如下圖所示： 圖3-3 聯(lián)軸器詳細信息圖 3.5電機的選擇 經(jīng)過查詢資料，采用混合式步進電機。因為Z軸運動模塊的運動速度曲線為矩形，最大速度為20mm/s，所以按最大運動速度計算。 所以絲杠的工作功率： 3.5.1電機所需基本參數(shù) 驅(qū)動最大負載質(zhì)量m=6kg 絲桿最大平移速度v=0.1m/s 加速度a=0.2m/ s2 μ=0.15 ，g=9.8N/kg 外負載力計算：Fw=mgu=9N 慣性負載力 ：Fj=ma=1.2N 折算到電動機軸上的負載力矩為： Tm=(1/i)(l0/2π)(Fw+Fj)=0.5Nm i=1. 折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量： Jm，=(1/i2)(l0/2π)2m=0.00243kgm2 3.5.2