XYZ直角坐標(biāo)機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、 編號(hào)： 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 題 目： XYZ直角坐標(biāo)機(jī)械手的 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué) 院 專 業(yè) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師單位 姓 名 職 稱 題目類型：理論研究 實(shí)驗(yàn)研究 工程設(shè)計(jì) 工程技術(shù)研究 軟件開(kāi)發(fā) 年5月27 日 摘 要 在當(dāng)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(jì)效益，企業(yè)家們開(kāi)

2、始把目光和戰(zhàn)略放到機(jī)械自動(dòng)化上，力求能大量的使用自動(dòng)化設(shè)備。目前自動(dòng)化設(shè)備已經(jīng)遍布企業(yè)的生產(chǎn)線。其中最為典型的自動(dòng)化機(jī)械手。為了滿足社會(huì)工業(yè)的需求，人們開(kāi)始研究設(shè)計(jì)更為先進(jìn)的機(jī)械手。從另外的一個(gè)角度上，也可以這么認(rèn)為，一個(gè)國(guó)家的機(jī)械手技術(shù)水平的先進(jìn)程度和對(duì)機(jī)械手的應(yīng)用廣泛程度，體現(xiàn)出了一個(gè)國(guó)家目前的工業(yè)發(fā)達(dá)程度。 本文通過(guò)概述機(jī)械手，介紹XYZ直角坐標(biāo)機(jī)械手，說(shuō)明了本次要設(shè)計(jì)怎么樣的機(jī)械手結(jié)構(gòu)。文中有三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程，包括電動(dòng)機(jī)的選擇計(jì)算，滾珠絲杠副還有滾動(dòng)導(dǎo)軌的型號(hào)的選擇，滾動(dòng)軸承的選擇，彈性聯(lián)軸器的選擇，軸承座的設(shè)計(jì)，電機(jī)安裝座的設(shè)計(jì)選擇，機(jī)架的設(shè)計(jì)，以及機(jī)械零件的相關(guān)指標(biāo)

3、的校核。零件的相關(guān)指標(biāo)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(dòng)軸承載荷的校核，使用壽命的校核，導(dǎo)軌的使用壽命等校核。文中還詳細(xì)介紹了一個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)零件的工藝，包括詳細(xì)的尺寸設(shè)計(jì)加工工藝過(guò)程，即為從毛坯到形成所需零件的詳細(xì)加工過(guò)程。零件的熱處理工藝過(guò)程，包括正火，回火，調(diào)制處理等。 最終就是要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)一個(gè)能升降運(yùn)動(dòng)，左右移動(dòng)，前后移動(dòng)的XYZ直角坐標(biāo)機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)。機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅要能滿足機(jī)械手的基本運(yùn)動(dòng)，還要能滿足機(jī)械手的高定位精度，高移動(dòng)精度。且其外形還要體積小，外形美觀。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手；電動(dòng)機(jī)；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(biāo)機(jī)械手方案設(shè)計(jì) 2 1.1本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手 2 1.2 本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn) 2 1.3 設(shè)計(jì)的機(jī)械手的外觀結(jié)構(gòu)三維圖 2 1.4 設(shè)計(jì)總體方框圖 3 2 Z軸運(yùn)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì) 4 2.1滾珠絲杠的設(shè)計(jì) 4 2.1.1 右旋磨制絲杠 4 2.1.2最大載荷的計(jì)算 4 2.1.3絲杠靜載荷的計(jì)算 6 2.1.4 絲杠副dn值的校驗(yàn) 6 2.1.5 絲杠臨界轉(zhuǎn)速

11、進(jìn)行校核 6 2.1.6螺桿強(qiáng)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(dòng)軸承的選擇與校核 9 2.2.1徑向外載荷的計(jì)算Fr 9 2.2.2計(jì)算軸向外載荷Fa 9 2.2.3軸承支反力的計(jì)算 9 2.2.4計(jì)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(jì)算軸承所受當(dāng)量載荷Pr 10 2.2.7基本額定動(dòng)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(shè)計(jì)滾動(dòng)軸承座 11 2.4聯(lián)軸器的選擇與校核 12 2.5步進(jìn)電機(jī)的選擇 13 2.6導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)選擇 14

12、 2.6.1計(jì)算滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的額定壽命 15 2.6.2絲杠導(dǎo)軌的連接件 15 2.6.3導(dǎo)軌的潤(rùn)滑 16 2.7電機(jī)安裝座 17 2.8 Z軸運(yùn)動(dòng)模塊連接架 17 3 X軸運(yùn)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì) 18 3.1滾珠絲杠的設(shè)計(jì) 18 3.1.1滾珠絲杠副的特點(diǎn) 18 3.1.2滾珠絲桿運(yùn)動(dòng)副基本參數(shù)及校核 18 3.1.3剛度的校核 26 3.2滾動(dòng)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(hào) 29 3.2.3軸承壽命Ln的校核 29 3.3滾動(dòng)軸承座的設(shè)計(jì) 29 3.4聯(lián)軸器的選擇與校核 30 3.5電機(jī)的選擇 31 3.5.1電機(jī)

13、所需基本參數(shù) 31 3.5.2運(yùn)動(dòng)所需功率 32 3.5.3計(jì)算絲杠轉(zhuǎn)矩 32 3.6導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)選擇 32 3.6.1滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的額定壽命 33 3.6.2絲杠導(dǎo)軌連接件 33 3.6.3導(dǎo)軌的潤(rùn)滑 34 3.7電機(jī)安裝座的設(shè)計(jì) 35 3.8 X軸運(yùn)動(dòng)模塊機(jī)架設(shè)計(jì) 35 3.9 橫梁的校核 35 4 Y軸運(yùn)動(dòng)模塊的的設(shè)計(jì) 36 4.1滾珠絲杠的設(shè)計(jì) 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(dòng)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(jì)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(dāng)量載荷Pr 44 4.2.6基本額定動(dòng)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(dòng)軸承座的設(shè)計(jì) 45 4.4聯(lián)軸器的選擇與校核 46 4.5電機(jī)的選擇 47 4.6導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)選擇 48 5.6.1滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的額定壽命 49 4.6.2導(dǎo)軌連接件 49 4.6.3導(dǎo)軌的潤(rùn)滑 50 4.7電機(jī)安裝座的設(shè)計(jì) 51 4.8 Y軸運(yùn)動(dòng)模塊連接架設(shè)計(jì) 51 5 非標(biāo)準(zhǔn)件零件的工藝設(shè)計(jì) 52 6 結(jié)論 53 謝 辭 54 參考文獻(xiàn) 55 引

15、言 現(xiàn)在的社會(huì)是自動(dòng)化的機(jī)械代替人工工作的時(shí)代，機(jī)械工作效率高，成本比人工工作低，已經(jīng)在大部分領(lǐng)域廣泛應(yīng)用推廣。一個(gè)操作工人可以控制3到6臺(tái)機(jī)器，工作安全性很高?，F(xiàn)在大部分的自動(dòng)化機(jī)構(gòu)都運(yùn)用到機(jī)械手結(jié)構(gòu)，比如摘果機(jī)械手，自動(dòng)上料機(jī)等等。XYZ直角坐標(biāo)機(jī)械手，現(xiàn)在基本上是應(yīng)用在自動(dòng)化設(shè)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(lái)重復(fù)搬運(yùn)；或者用來(lái)點(diǎn)膠，也可涂膠，也可焊接，甚至裝配、檢測(cè)、封裝、剁碼，鎖螺絲當(dāng)然也可以。在制造方面，它制造成本相當(dāng)?shù)牡?，它系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)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(shí)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(lái)，世界及我國(guó)電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)得到很快地技術(shù)提升，應(yīng)用更加廣泛，機(jī)器人的研究制造與改良和生產(chǎn)頓時(shí)成為高技術(shù)領(lǐng)域的一門新興技術(shù)，且其發(fā)展迅速，它也就促進(jìn)了機(jī)械手的進(jìn)一步發(fā)展，所以機(jī)械手現(xiàn)在能更好地實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。目前，機(jī)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(gè)重要組成部分。把傳統(tǒng)的機(jī)床設(shè)備加上機(jī)械手即可共同構(gòu)成一個(gè)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(guò)機(jī)械手的應(yīng)用可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，它的結(jié)構(gòu)很緊湊，對(duì)市場(chǎng)的適應(yīng)

17、性能力很強(qiáng)。沒(méi)當(dāng)改變加工的工件時(shí)，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(duì)路的品種，提高市場(chǎng)產(chǎn)品的質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。但是目前我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)還有對(duì)它的工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比較起來(lái)還是有相當(dāng)大的距離。我國(guó)對(duì)工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平相對(duì)很低，機(jī)械手的研究和開(kāi)發(fā)從根本上會(huì)直接影響到我國(guó)自動(dòng)化生產(chǎn)水平，故從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)都考慮要提高機(jī)械手的水平。因此，對(duì)機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)是非常有現(xiàn)實(shí)意義和未來(lái)展望的。  1 ZYZ直角坐標(biāo)機(jī)械手方案設(shè)計(jì) 1.1本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手 設(shè)計(jì)的機(jī)械手的有效工作的長(zhǎng)、寬、高分別為300mm、250mm、150mm。有效

18、負(fù)載的最大質(zhì)量為2kg，沒(méi)有外力。機(jī)械手的XYZ三個(gè)軸的結(jié)構(gòu)均設(shè)計(jì)為執(zhí)行元件直接帶動(dòng)絲杠，并設(shè)計(jì)選擇合適的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)導(dǎo)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(jī)，運(yùn)動(dòng)速度曲線為梯形，最大運(yùn)動(dòng)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(jìn)電機(jī)，運(yùn)動(dòng)速度曲線為矩形，最大速度為10mm/s。此次設(shè)計(jì)的機(jī)械手為小型通用直角坐標(biāo)機(jī)械手，設(shè)計(jì)采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。 1.2 本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn) 1）ZXY三個(gè)軸的直線運(yùn)動(dòng)模塊執(zhí)行元件的選型，即電機(jī)的選擇計(jì)算。 2）XYZ三個(gè)軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，包括滾珠絲杠副設(shè)計(jì)選擇，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)選擇，滾動(dòng)軸承的選擇，軸承的安裝座座的設(shè)計(jì)，絲

19、杠支承的選擇設(shè)計(jì)，聯(lián)軸器的選擇，兩軸連接處零件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，電機(jī)安裝座的設(shè)計(jì)，機(jī)架與三個(gè)運(yùn)動(dòng)模塊的鏈接設(shè)計(jì)。 3）零件的各項(xiàng)參數(shù)的校核。 1.3 設(shè)計(jì)的機(jī)械手的外觀結(jié)構(gòu)三維圖 圖1-1 機(jī)械手外觀結(jié)構(gòu)示意圖 如上圖所示，絲杠伸出的地方就是電機(jī)安裝的位置。此結(jié)構(gòu)就是用一根橫梁來(lái)支撐Z軸X軸的運(yùn)動(dòng)模塊。Z軸與X軸的連接就是用一個(gè)大滑塊來(lái)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(jī)架上。機(jī)架加兩塊肋板，增加它的穩(wěn)定性。三個(gè)運(yùn)動(dòng)模塊都是電機(jī)驅(qū)動(dòng)，滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，滾動(dòng)導(dǎo)軌導(dǎo)向，可獨(dú)立完成直線運(yùn)動(dòng)，也可以相互配合，完成相應(yīng)的空間曲線運(yùn)動(dòng)。 1.4 設(shè)計(jì)總體方框圖 圖1

20、-2 總體方框圖 根據(jù)設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)方案，因?yàn)閆軸運(yùn)動(dòng)模塊總體質(zhì)量會(huì)影響到X軸Y軸的工作負(fù)載，在計(jì)算X軸，Y軸的有效負(fù)載，影響設(shè)計(jì)絲杠副的尺寸，校核剛度等會(huì)受到影響，所以優(yōu)先完成設(shè)計(jì)Z軸運(yùn)動(dòng)模塊。設(shè)計(jì)完Z軸運(yùn)動(dòng)模塊后，再設(shè)計(jì)X軸，根據(jù)結(jié)構(gòu)，同理，X軸運(yùn)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)也會(huì)影響到Y(jié)軸的設(shè)計(jì)，所以要先設(shè)計(jì)X軸運(yùn)動(dòng)模塊。最后再設(shè)計(jì)Y軸的運(yùn)動(dòng)模塊。最終設(shè)計(jì)機(jī)座。 有了設(shè)計(jì)思路后，開(kāi)始細(xì)化設(shè)計(jì)內(nèi)容，確定的最終的設(shè)計(jì)思路如下圖： 圖1-3 詳細(xì)設(shè)計(jì)思路圖 根據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，就開(kāi)始著手設(shè)計(jì)。  2 Z軸運(yùn)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì) 因?yàn)槭蔷苓\(yùn)動(dòng)機(jī)械手，要求精確度高，所以采用滾珠絲杠及滾動(dòng)導(dǎo)軌。因?yàn)闈L動(dòng)

21、絲杠及滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦阻力小，傳動(dòng)效率高，經(jīng)過(guò)預(yù)緊之后，可以得到很好地定位精度和重復(fù)定位精度，是本次設(shè)計(jì)的最合理選擇[2]。驅(qū)動(dòng)方面采用混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度曲線為矩形，最大速度為10mm/s。 2.1滾珠絲杠的設(shè)計(jì) 2.1.1 右旋磨制絲杠 根據(jù)要求設(shè)計(jì)絲杠的最長(zhǎng)長(zhǎng)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(shè)計(jì)為精度5級(jí)，可靠性90%。 2.1.2最大載荷的計(jì)算 機(jī)械手的有效負(fù)載的最大質(zhì)量為，故按最大負(fù)載計(jì)算絲杠的各項(xiàng)參數(shù)。 （重力加速度?。? （2-1） 所以得出絲杠軸向載荷 N 預(yù)設(shè)絲杠最高轉(zhuǎn)速 r/mim 機(jī)械手移

22、動(dòng)最高速度 mm/s 允許的最大轉(zhuǎn)速 r/min 所以初步計(jì)算絲杠的導(dǎo)程 mm （2-2） 所以絲杠的導(dǎo)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(jī)械預(yù)期工作壽命 機(jī)械類型 備注 普通機(jī)械 普通機(jī)床 數(shù)控機(jī)床 精密機(jī)床 測(cè)試機(jī)械 航空機(jī)械 5000～10000 10000～15000 20000 20000 15000 1000 250（天）16（h）

23、10（年）0.5（開(kāi)機(jī)率）=20000 因?yàn)闉榫軝C(jī)械手，可按精密機(jī)床來(lái)選擇，故選擇壽命 由表得 表2-2 載荷系數(shù) 載荷性質(zhì) 無(wú)沖擊平穩(wěn)時(shí) 一般運(yùn)行 有沖擊和振動(dòng) 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(dòng)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(dòng)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(jī)械手冊(cè)表格得，可用精度系數(shù) 查詢機(jī)械手冊(cè)相關(guān)表格得，可取可靠性系數(shù) 查詢機(jī)械手冊(cè)相關(guān)表格得，可取載荷性質(zhì)系數(shù) 查詢機(jī)械手冊(cè)相關(guān)得，可取預(yù)加載荷系數(shù) 所以，最后的出動(dòng)載荷下線值 2.1.3絲杠靜載荷的計(jì)算 由機(jī)械手冊(cè)得，，其中式中 根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇滾珠絲杠副的型號(hào)：決定選用的是用外循環(huán)導(dǎo)珠管埋入式SFU01004-2.5 型號(hào)滾珠絲杠副[3]。 180mm的重量0.18kg。為其中，，，，。 滿足承載能力要求。 計(jì)算預(yù)緊力： （2-5）

25、 2.1.4 絲杠副dn值的校驗(yàn) 查詢機(jī)械手冊(cè)得 （3-6） 故結(jié)果符合要求，所設(shè)計(jì)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(jìn)行校核 絲杠在高速轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，可能會(huì)引起機(jī)械共振，所以需要進(jìn)行絲杠臨界轉(zhuǎn)速的校核[4]。 r/min （2-7） Lc是計(jì)算它的許用轉(zhuǎn)速nc所需要用到的安裝距離，下表是Lc計(jì)算依據(jù)的選擇依據(jù)。  表2-5 Lc的選擇 符號(hào) 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(jī)械最大行程 Ln 螺母長(zhǎng)度Ln L1 絲杠螺紋長(zhǎng)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?yàn)樵O(shè)計(jì)為兩端固定，故選Lc=L5 式中，通過(guò)查詢機(jī)械手冊(cè)得， 計(jì)算得 mm 故轉(zhuǎn)速已經(jīng)滿足要求 2.1.6螺桿強(qiáng)度校核 螺桿材料為45號(hào)鋼，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理，且查表得其許用應(yīng)力MPa 當(dāng)前設(shè)計(jì)的螺桿的當(dāng)量應(yīng)力

27、 （2-8） 式中 （2-9） 故所設(shè)計(jì)的絲杠強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。 2.1.7剛度的校核 因?yàn)榇嬖诠ぷ髫?fù)載F，也存在轉(zhuǎn)矩T，所以絲桿的導(dǎo)程會(huì)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(zhǎng)度上所會(huì)引起的導(dǎo)程誤差為 um （2-13） 本次設(shè)計(jì)的絲杠的傳動(dòng)精度為2mm。 絲杠所允許的導(dǎo)程誤差要求小于傳動(dòng)精度的1/2，即 um （ 2-14） 由上面計(jì)算可以得出 故設(shè)計(jì)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(jì)算得出的結(jié)果符合要求。 對(duì)于絲杠運(yùn)動(dòng)副，為了保持精度和延長(zhǎng)使用壽命，應(yīng)該定期對(duì)其進(jìn)行潤(rùn)滑等保養(yǎng)。 2.2滾動(dòng)軸承的選擇與校核 本次設(shè)計(jì)的為精密絲杠傳動(dòng)的精密機(jī)械手，要求傳動(dòng)精度高，摩擦力小，故選擇滾動(dòng)軸承。因?yàn)?/p>

29、機(jī)械手既有有軸向載荷又有徑向載荷，所以在設(shè)計(jì)時(shí)一般選用角接觸球軸承[11]。不過(guò)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(shè)計(jì)，從二中選一，我選用的是角接觸球軸承。 參考機(jī)械設(shè)計(jì)教科書(shū)，表13-1，初選軸承為a=25o的角接觸球軸承[11]。 滾動(dòng)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(jì)算Fr N （2-16） 上式中，取負(fù)載移動(dòng)阻力系數(shù) ——負(fù)載移動(dòng)阻力； 動(dòng)摩擦系數(shù)u取0.05 為有效負(fù)載質(zhì)量，為絲杠運(yùn)動(dòng)副的總體質(zhì)量。 mm/s2

30、 （2-17） 所以徑向外載荷 N 2.2.2計(jì)算軸向外載荷Fa N （2-18） 2.2.3軸承支反力的計(jì)算 N 2.2.4計(jì)算角接觸軸承的派生軸向力 查機(jī)械設(shè)計(jì)課本，并計(jì)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(jì)算軸承所受當(dāng)量載荷Pr 查詢機(jī)械設(shè)計(jì)表13-5，得出以下表格 表3-7 軸承70000AC的計(jì)算參數(shù) 因軸承工作時(shí)有沖擊，經(jīng)過(guò)查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表載荷系數(shù)為，因

32、 （2-19） 所以中軸承所受到的當(dāng)量載荷 N （2-20） 2.2.7基本額定動(dòng)載荷C N （2-22） 軸承預(yù)期計(jì)算壽命， h 壽命指數(shù)，當(dāng) h時(shí)， 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(jī)械手冊(cè)表5-5-22，采用了70000AC型號(hào)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(dòng)軸承與軸承座的配合使用基軸制，配合公差選用[11] 。 設(shè)計(jì)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(guò)軸承支座所預(yù)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(dòng)軸承預(yù)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(zhǎng)度。 本次設(shè)計(jì)的軸承安裝座，出于美觀與工作要求，設(shè)計(jì)如下圖的零件。 圖2-4 Z軸軸承安裝座 安裝時(shí)，要要注意對(duì)軸承進(jìn)行預(yù)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(dǎo)軌在工作時(shí)的定震動(dòng)。 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(shè)計(jì)精密機(jī)械手，優(yōu)先考慮精度，故一定要選擇彈性聯(lián)軸器。經(jīng)過(guò)查詢機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，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(shí)物圖如下圖： 圖2-5 膜片聯(lián)軸器 因?yàn)槭蔷軝C(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)要求，故采用其聯(lián)軸器，型號(hào)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(jìn)電機(jī)的選擇 經(jīng)過(guò)查詢資料，采用混合式步進(jìn)電機(jī)。因?yàn)閆軸運(yùn)動(dòng)模塊的運(yùn)動(dòng)速度曲線為矩形，最大速度為1

36、0mm/s，所以按最大運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算。絲杠在工作中所承受的最大有效負(fù)載為2kg,所以絲杠的軸向最大負(fù)載為 。 所以絲杠的工作功率 w （2-24） 計(jì)算絲杠轉(zhuǎn)矩 Nmm （2-25） 上網(wǎng)查詢有關(guān)混合式步進(jìn)電機(jī)的相關(guān)資料，經(jīng)過(guò)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(hào)57HM41-0306A。其基本參數(shù)如下表: 表2-10 57HM41-0306A混合式步進(jìn)電機(jī) 額定電壓（V） 額定電流（A） 重 量(kg) 輸出轉(zhuǎn)矩（n*mm） 電機(jī)長(zhǎng)*寬*高 額定轉(zhuǎn)速（r/min） 15 0.3

37、 0.42 3.8 413838 500 2.6導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)選擇 本次設(shè)計(jì)選用的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)為直線滾動(dòng)導(dǎo)軌。直線導(dǎo)軌目前有兩種選擇，一是滑動(dòng)直線導(dǎo)軌，另一種是滾動(dòng)直線導(dǎo)軌?；瑒?dòng)直線導(dǎo)軌的摩擦力較大，定位精度較差，一般運(yùn)用在大型的機(jī)床。本次設(shè)計(jì)為小型通用的機(jī)械手，要求定位迅速，移動(dòng)精度高，定位精度高，結(jié)構(gòu)輕巧，工作效率高[12]。經(jīng)過(guò)分析思考，決定使用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌。 把滾珠、滾柱、或者滾針等等的滾動(dòng)體，放置在相互匹配的兩導(dǎo)軌之間，使兩導(dǎo)軌由滑動(dòng)摩擦變成為滾動(dòng)摩擦，就成為了滾動(dòng)導(dǎo)軌[12]。導(dǎo)軌的截面形狀一般分為：對(duì)稱三角形截面、不對(duì)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(shè)計(jì)，考慮到傳動(dòng)的穩(wěn)定性，還有安裝的方便性，以及防止兩導(dǎo)軌在工作時(shí)相互脫離，故設(shè)計(jì)時(shí)選用滾動(dòng)導(dǎo)軌。所設(shè)計(jì)的導(dǎo)軌可以選用標(biāo)準(zhǔn)件，所以直接可以選擇一定的型號(hào)的導(dǎo)軌，只要符合尺寸和壽命，剛度強(qiáng)度，精度要求的導(dǎo)軌都可以選用。經(jīng)過(guò)查詢?cè)S多廠家的滾動(dòng)導(dǎo)軌資料，發(fā)現(xiàn)MISUMI公司的LM滾動(dòng)導(dǎo)軌為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，十分適合本次的設(shè)計(jì)。 表2-11 所選的導(dǎo)軌的參數(shù) 品牌 滾動(dòng)體列數(shù) 材料 型號(hào) 重量 THK 4列 碳素鋼 HSR15R1C1 1kg/m 下圖為其詳細(xì)信息圖 圖2-8 滾動(dòng)導(dǎo)軌詳細(xì)信息圖 導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為220

39、mm，滑塊外形尺寸為34mm。 表2-12 設(shè)計(jì)參數(shù) 滑座上負(fù)載F 滑座個(gè)數(shù) 單方向行程 每分鐘往復(fù) 50N 2 150mm 2 每天工作時(shí)長(zhǎng) 一年工作量 壽命 24h 300天 10年 N （2-26） 2.6.1計(jì)算滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的額定壽命 h 根據(jù)公式 （2-27） 其中式中 為單行程長(zhǎng)度 為額定行程長(zhǎng)度壽命 n 為往復(fù)數(shù)每小時(shí) 求得 km （2-28

40、） 2.6.2絲杠導(dǎo)軌的連接件 絲杠與導(dǎo)軌的連接件兼做Z軸X軸連接件，其結(jié)構(gòu)如下圖： 圖2-9 連接滑塊圖 此連接件的設(shè)計(jì)材料選用45號(hào)鋼，尺寸為長(zhǎng)、寬、高為94mm、88mm、60mm。根據(jù)公式 m3 （2-29） 實(shí)際有重量的體積可按 m3 所以質(zhì)量 kg （2-30） 計(jì)算得鏈接件的質(zhì)量為 2.6.3導(dǎo)軌的潤(rùn)滑 長(zhǎng)期工作的導(dǎo)軌，會(huì)有磨損，從而影響工作的精度和穩(wěn)定性。為了延長(zhǎng)導(dǎo)軌的壽命，一個(gè)好方法就是對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行定期的潤(rùn)滑和保養(yǎng)[12]。滾動(dòng)導(dǎo)軌的潤(rùn)滑很

41、是方便，所以工作時(shí)，應(yīng)該要每天潤(rùn)滑兩次，早上進(jìn)行一次潤(rùn)滑，晚上再進(jìn)行另一次潤(rùn)滑。 對(duì)于潤(rùn)滑，對(duì)潤(rùn)滑油的選擇十分的重要。對(duì)潤(rùn)滑油最基本的要求就是要有良好的潤(rùn)滑性能。對(duì)于本次精密運(yùn)動(dòng)機(jī)械手導(dǎo)軌，我覺(jué)得應(yīng)該要根據(jù)導(dǎo)軌的使用特點(diǎn)，還有導(dǎo)軌的各種性能特點(diǎn)來(lái)合理選用潤(rùn)滑油。 表2-13 常見(jiàn)導(dǎo)軌的潤(rùn)滑方法 導(dǎo)軌類型 所用潤(rùn)滑油 潤(rùn)滑方法 備注 普通的滾動(dòng)導(dǎo)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(wú)爬行機(jī)床（臥式） 液壓式導(dǎo)軌油 液壓系統(tǒng)提供潤(rùn)滑油 磨床，液壓控制機(jī)械系統(tǒng)一般多用的潤(rùn)滑油 導(dǎo)軌油 壓力循環(huán)油槍、、油繩、油輪 一般用于有爬行運(yùn)動(dòng)的機(jī)床

42、油霧 需要排除空氣，在工作表面不準(zhǔn)有有切屑 潤(rùn)滑脂 滑動(dòng)面較短時(shí)用脂槍或壓蓋脂杯注入到油槽里[5] 一般用與運(yùn)動(dòng)速度較慢或者運(yùn)動(dòng)為垂直運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌[6] 由上表格，因?yàn)閆軸運(yùn)動(dòng)模塊為垂直導(dǎo)軌，所以決定選用精密設(shè)備所用的導(dǎo)潤(rùn)滑脂來(lái)進(jìn)行潤(rùn)滑。 2.7電機(jī)安裝座 根據(jù)前面所選擇的混合式的步進(jìn)電機(jī)，其外形大概為一個(gè)長(zhǎng)方體，長(zhǎng)寬高分別為41mm、38mm、38mm。所以設(shè)計(jì)一個(gè)合適的點(diǎn)擊安裝座，來(lái)安裝固定電機(jī)。安裝座的選擇設(shè)計(jì)要做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約，剛度強(qiáng)度要達(dá)到，質(zhì)量也不能太重，因?yàn)樘亓藭?huì)影響到X軸運(yùn)動(dòng)模塊與Y軸運(yùn)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)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(jī)座，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

43、約，符合安裝要求。 圖2-10 電機(jī)安裝座 要求其質(zhì)量不得超過(guò)0.2kg，所以采用薄板中空類型的。電機(jī)安裝座里面連接著聯(lián)軸器。 2.8 Z軸運(yùn)動(dòng)模塊連接架 連接架要求要有足夠的強(qiáng)度和剛度，設(shè)計(jì)鏈接架為直接用X軸的滾動(dòng)導(dǎo)軌充當(dāng)其機(jī)架，再加上連接塊，組成機(jī)架。其外觀圖如下圖所示： 圖2-11 Z機(jī)架三維輔助圖 電機(jī)安裝在其上端。 經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出，Z軸運(yùn)動(dòng)模塊的總質(zhì)量為2.98kg。加上有效負(fù)載2kg，可知作用在X軸上的有效載荷約為5kg。  3 X軸運(yùn)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì) 對(duì)于X軸直線運(yùn)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠副，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)螺母移動(dòng)，再加上導(dǎo)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)導(dǎo)

44、向，完成X軸運(yùn)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)。 因?yàn)閄軸直線運(yùn)動(dòng)模塊和Z軸直線運(yùn)動(dòng)模塊一樣，是精密運(yùn)動(dòng)機(jī)械，要求定位精確度高，移動(dòng)精度高，所以不選用滑動(dòng)絲杠和滑動(dòng)導(dǎo)軌，而是選用了滾珠絲杠及滾動(dòng)導(dǎo)軌。因?yàn)闈L動(dòng)絲杠及滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦阻力小，傳動(dòng)效率高，經(jīng)過(guò)預(yù)緊之后，可以得到很好地定位精度和重復(fù)定位精度，是本次直線運(yùn)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)的最合理選擇[12]。執(zhí)行元件驅(qū)動(dòng)方面采用永磁式有刷直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度曲線為梯形，最大家速度為。 3.1滾珠絲杠的設(shè)計(jì) 3.1.1滾珠絲杠副的特點(diǎn) 1）擦阻力很小，機(jī)械傳動(dòng)效率很高； 2）對(duì)絲杠副磨損小、使用壽命長(zhǎng)、工作時(shí)的可靠性很好； 3)絲杠運(yùn)動(dòng)一般具有往復(fù)性，所以至少

45、要設(shè)防逆向運(yùn)動(dòng)的緩沖裝置； 4)軸向方向絲杠的剛度可以達(dá)到高，但是在工作時(shí)抗沖擊能力較差； 5)各種性能都較好，但是就是結(jié)構(gòu)有點(diǎn)復(fù)雜，在生產(chǎn)還有加工的技術(shù)復(fù)雜，制造較為困難； 6)在對(duì)滾珠絲杠預(yù)緊后，可以擁有的定位精度很高，也可以擁有很高的重復(fù)位置定位精度。 3.1.2滾珠絲桿運(yùn)動(dòng)副基本參數(shù)及校核 導(dǎo)軌摩擦力 N （3-1） 其中（Z軸運(yùn)動(dòng)模塊最大總質(zhì)量為4.98kg，為了保證各種強(qiáng)度足夠，此處按5kg計(jì)算）——移動(dòng)負(fù)載； u=0.05——導(dǎo)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(dòng)導(dǎo)軌，故u的值可由查下表

46、得：  表3-1常用材料的滾動(dòng)摩擦系數(shù) 摩擦副材料 靜摩擦系數(shù)us 動(dòng)摩擦系數(shù)u 無(wú)潤(rùn)滑 有潤(rùn)滑 無(wú)潤(rùn)滑 有潤(rùn)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(jì)算 N （3-2） 其中負(fù)載移動(dòng)阻力系數(shù) k=1.15 ——負(fù)載移動(dòng)阻力； m/s2 （3-3） N 2）預(yù)設(shè)滾動(dòng)絲桿基本參數(shù) 采用右旋磨制絲杠。 根據(jù)要求，設(shè)

47、計(jì)絲杠最長(zhǎng)長(zhǎng)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(shè)定轉(zhuǎn)速 r/min （3-4） 初算其導(dǎo)程 所以導(dǎo)程選擇mm 3）計(jì)算動(dòng)載荷 （3-5） 壽命系數(shù) （3-6） 工作壽命查下表： 表3-2 各類機(jī)械預(yù)期工作時(shí)間 機(jī)械類型 備注 普通機(jī)械 普通機(jī)床 數(shù)控機(jī)床 精密機(jī)床

48、測(cè)試機(jī)械 航空機(jī)械 5000～10000 10000～15000 20000 20000 15000 1000 250（天）16（h）10（年）0.5（開(kāi)機(jī)率）=20000 由于是精密絲桿傳動(dòng)，選。 又查表得： 表3-3 載荷系數(shù)表 載荷性質(zhì) 平穩(wěn)無(wú)沖擊 一般運(yùn)行 有沖擊和振動(dòng) 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(dòng)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(dǎo)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(guān)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(diǎn)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(jì)算 N （3-10） F ——軸向載荷 N 基本額定靜載荷 N （3-11） 當(dāng)a=45 o時(shí)， 結(jié)果為Coa′小于Coa，所以設(shè)計(jì)的參數(shù)符合要求。 7）驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T Nmm （3-12） ——當(dāng)量摩擦角，當(dāng)運(yùn)動(dòng)件由旋動(dòng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變到直線運(yùn)動(dòng)時(shí)取 當(dāng)量應(yīng)力σ MPa （3-13） mm

51、 e滾到圓弧偏心距 mm （3-14）  表3-6 許用應(yīng)力表 牌號(hào) 鑄件預(yù)計(jì)抗拉強(qiáng)度 單鑄試棒最小抗拉強(qiáng)度（Mp） 用途舉例 鑄件壁厚（mm） 抗拉強(qiáng)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(duì)強(qiáng)度無(wú)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(duì)強(qiáng)度要求不高的零件（機(jī)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(duì)強(qiáng)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(qiáng)度最小為100Mp，而且剛的抗拉強(qiáng)度較之更大，所以σ小于[σ]，設(shè)計(jì)符合要求。 8）計(jì)算軸向載荷F產(chǎn)生的軸向變形量δF 常見(jiàn)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(gè)支撐之間的距離， mm L——絲桿計(jì)算長(zhǎng)度， mm E——絲桿材料的彈性模量 查表可知： 鋼—— MPa A——絲桿的計(jì)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(jì)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(dāng)時(shí)，

54、且滾動(dòng)螺桿兩邊有預(yù)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(yù)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(jì)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(zhǎng)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(shè)計(jì)符合條件 重復(fù)定位度 um Kδ：軸向剛度 Fst：導(dǎo)軌間最大靜摩擦力 △ 小于[△]=0.05mm=50m 所以設(shè)計(jì)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(guò)高，會(huì)產(chǎn)生共振，影響正常工作運(yùn)轉(zhuǎn)，破壞穩(wěn)定性，甚至損壞機(jī)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(jì)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(jì)算長(zhǎng)度，指F和T作用處到固定軸承端的距離，Lc=280mm。 當(dāng)滾珠絲桿精密等級(jí)為5級(jí)時(shí) r/min （3-26） 式中，通過(guò)查詢機(jī)械手冊(cè)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(shè)計(jì)的滾珠絲杠副工作穩(wěn)定，符合要求。 傳動(dòng)效率：由螺旋運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)時(shí)， （3-28

58、） λ：螺紋升角 3.1.3剛度的校核 因?yàn)榇嬖诠ぷ髫?fù)載F，也存在轉(zhuǎn)矩T，所以絲桿的導(dǎo)程會(huì)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(zhǎng)度上所會(huì)引起的導(dǎo)程誤差為 um （3-32） 本次設(shè)計(jì)的絲杠的傳動(dòng)精度為5mm。 絲杠所允許的導(dǎo)程誤差要求

59、小于傳動(dòng)精度的1/2，即 um （3-33） 由上面計(jì)算可以得出 故設(shè)計(jì)符合的絲杠剛度符合要求，可以安裝使用。 3.2滾動(dòng)軸承的選則與校核 選擇軸承的類型與多種因素有關(guān)，通常根據(jù)下列幾個(gè)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(shí)還存在軸或殼體變形大及安裝對(duì)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(dòng)。 由上綜合：本設(shè)計(jì)選用角接

60、觸球軸承 參考機(jī)械設(shè)計(jì)，因?yàn)閷?dǎo)軌已經(jīng)承擔(dān)了主要的載荷，故而初選7000AC角接觸軸承。 滾動(dòng)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(jì)算Fx： N （3-35） 上式中，取負(fù)載移動(dòng)阻力系數(shù) ——負(fù)載移動(dòng)阻力； 動(dòng)摩擦系數(shù)u取0.05 N （3-36） 為Z軸運(yùn)動(dòng)模塊負(fù)載質(zhì)量，為絲杠運(yùn)動(dòng)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(jì)算： N 3）計(jì)算角接觸軸承的派生軸向力： 查機(jī)械設(shè)計(jì)課本，并計(jì)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(jì)算軸承所受當(dāng)量載荷Pr： 查詢機(jī)械設(shè)計(jì)表13-5，得出以下表格 表3-9 軸承70000AC的計(jì)算參數(shù) 因軸承工作時(shí)有往復(fù)運(yùn)動(dòng)，故而有沖擊，經(jīng)過(guò)查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表載荷系數(shù)為，因 所以中軸承所受到的當(dāng)量載荷 N （3-38） 6）基本額定動(dòng)載荷C

63、N （3-39） 軸承預(yù)期計(jì)算壽命，h 壽命指數(shù)，當(dāng) h時(shí) 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(hào) 根據(jù)計(jì)算所得的基本額定載荷C，經(jīng)過(guò)查找查找機(jī)械手冊(cè)表5-5-22，最終決定選用70000AC型號(hào)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(dòng)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(shè)計(jì)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(guò)軸承支座所預(yù)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(dòng)軸承預(yù)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(zhǎng)度。 其輔助三維圖如下： 圖3-2 X軸軸承座圖 安裝時(shí)，要要注意對(duì)軸承進(jìn)行預(yù)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(dǎo)軌在工作時(shí)的震動(dòng)。 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(shè)計(jì)精密機(jī)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(guò)查詢機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，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(shè)計(jì)想法，可以選擇單膜片聯(lián)軸器，其實(shí)物圖下圖4-2，其型號(hào)為SFC-030SA2-10B-10B-M。 圖3-3 聯(lián)軸器實(shí)物圖 其基本的參數(shù)如下圖所示： 圖3-3 聯(lián)軸器詳細(xì)信息圖 3.5電機(jī)的選擇 經(jīng)過(guò)查詢資料，采用混合式步進(jìn)電機(jī)。因?yàn)閆軸運(yùn)動(dòng)模塊的運(yùn)動(dòng)速度曲線為矩形，最大速度為20mm/s，所以按最大運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算。 所以絲杠的工作功率： 3.5.1電機(jī)所需基本參數(shù) 驅(qū)動(dòng)最大負(fù)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(fù)載力計(jì)算：Fw=mgu=9N 慣性負(fù)載力 ：Fj=ma=1.2N 折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載力矩為： Tm=(1/i)(l0/2π)(Fw+Fj)=0.5Nm i=1. 折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： Jm，=(1/i2)(l0/2π)2m=0.00243kgm2 3.5.2