XYZ直角坐标机械手的机械结构设计

编号： 毕业设计说明书题 目： XYZ直角坐标机械手的 机械结构设计 学 院专 业学生姓名学 号指导教师单位 姓 名职 称 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 年5月27 日摘 要在当今制造业迅速发展的年代，为了提高企业的生产效率，增加企业的经济效益，企业家们开始把目光和战略放到机械自动化上，力求能大量的使用自动化设备。目前自动化设备已经遍布企业的生产线。其中最为典型的自动化机械手。为了满足社会工业的需求，人们开始研究设计更为先进的机械手。从另外的一个角度上，也可以这么认为，一个国家的机械手技术水平的先进程度和对机械手的应用广泛程度，体现出了一个国家目前的工业发达程度。本文通过概述机械手，介绍XYZ直角坐标机械手，说明了本次要设计怎么样的机械手结构。文中有三个直线运动模块的详细设计过程，包括电动机的选择计算，滚珠丝杠副还有滚动导轨的型号的选择，滚动轴承的选择，弹性联轴器的选择，轴承座的设计，电机安装座的设计选择，机架的设计，以及机械零件的相关指标的校核。零件的相关指标的校核包括，丝杆的刚度、使用寿命许用转速等的校核，滚动轴承载荷的校核，使用寿命的校核，导轨的使用寿命等校核。文中还详细介绍了一个非标准零件的工艺，包括详细的尺寸设计加工工艺过程，即为从毛坯到形成所需零件的详细加工过程。零件的热处理工艺过程，包括正火，回火，调制处理等。最终就是要实现设计一个能升降运动，左右移动，前后移动的XYZ直角坐标机械手的机械结构。机械手结构的设计不仅要能满足机械手的基本运动，还要能满足机械手的高定位精度，高移动精度。且其外形还要体积小，外形美观。关键词：机械手；电动机；滚珠丝杠副AbstractIn todays era 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 spread 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 application.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 pair 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 allowable 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 processing.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 have the small volume and a beautiful appearance.Key words: manipulator; motor; ball screw引言11 ZYZ直角坐标机械手方案设计21.1本次设计的机械手21.2 本次设计的重点21.3 设计的机械手的外观结构三维图21.4 设计总体方框图32 Z轴运动模块的设计42.1滚珠丝杠的设计42.1.1 右旋磨制丝杠42.1.2最大载荷的计算42.1.3丝杠静载荷的计算62.1.4 丝杠副dn值的校验62.1.5 丝杠临界转速进行校核62.1.6螺杆强度校核72.1.7刚度的校核82.1.8丝杠的效率校核82.2滚动轴承的选择与校核92.2.1径向外载荷的计算Fr92.2.2计算轴向外载荷Fa92.2.3轴承支反力的计算92.2.4计算角接触轴承的派生轴向力92.2.5轴承所受轴向载荷102.2.6计算轴承所受当量载荷Pr102.2.7基本额定动载荷C112.2.8选定轴承112.2.9轴承寿命Ln的校核112.3设计滚动轴承座112.4联轴器的选择与校核122.5步进电机的选择132.6导向机构的设计选择142.6.1计算滚动直线导轨的额定寿命152.6.2丝杠导轨的连接件152.6.3导轨的润滑162.7电机安装座172.8 Z轴运动模块连接架173 X轴运动模块的设计183.1滚珠丝杠的设计183.1.1滚珠丝杠副的特点183.1.2滚珠丝杆运动副基本参数及校核183.1.3刚度的校核263.2滚动轴承的选则与校核263.2.1径向外载荷Fa273.2.2选定轴承型号293.2.3轴承寿命Ln的校核293.3滚动轴承座的设计293.4联轴器的选择与校核303.5电机的选择313.5.1电机所需基本参数313.5.2运动所需功率323.5.3计算丝杠转矩323.6导向机构的设计选择323.6.1滚动直线导轨的额定寿命333.6.2丝杠导轨连接件333.6.3导轨的润滑343.7电机安装座的设计353.8 X轴运动模块机架设计353.9 横梁的校核354 Y轴运动模块的的设计364.1滚珠丝杠的设计364.1.1滚珠丝杆基本参数及其校核364.1.2刚度的校核424.2滚动轴承的选则与校核434.2.1径向外载荷Fa434.2.2轴承支反力的计算434.2.3角接触轴承的派生轴向力444.2.4轴承所受轴向载荷444.2.5轴承所受当量载荷Pr444.2.6基本额定动载荷C454.2.7轴承的选定454.2.8轴承寿命的校核454.3滚动轴承座的设计454.4联轴器的选择与校核464.5电机的选择474.6导向机构的设计选择485.6.1滚动直线导轨的额定寿命494.6.2导轨连接件494.6.3导轨的润滑504.7电机安装座的设计514.8 Y轴运动模块连接架设计515 非标准件零件的工艺设计526 结论53谢 辞54参考文献55引言现在的社会是自动化的机械代替人工工作的时代，机械工作效率高，成本比人工工作低，已经在大部分领域广泛应用推广。一个操作工人可以控制3到6台机器，工作安全性很高。现在大部分的自动化机构都运用到机械手结构，比如摘果机械手，自动上料机等等。XYZ直角坐标机械手，现在基本上是应用在自动化设备上的，可精确定位，一般用在高速高精度的工作环境，用来重复搬运；或者用来点胶，也可涂胶，也可焊接，甚至装配、检测、封装、剁码，锁螺丝当然也可以。在制造方面，它制造成本相当的低，它系统结构简单，只有控制系统，驱动系统，机械系统和操作工具。使用灵活，功能多，根据操作工具的不同，使用功能不同。可靠性高、速度快、精度高，可以代替人工，提高生产效率，稳定产品质量。它可以24小时在高温等恶劣环境下不停歇地工作，如果有故障，维修也很方便。近年来，世界及我国电子技术特别是电子计算机得到很快地技术提升，应用更加广泛，机器人的研究制造与改良和生产顿时成为高技术领域的一门新兴技术，且其发展迅速，它也就促进了机械手的进一步发展，所以机械手现在能更好地实现机械化和自动化。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把传统的机床设备加上机械手即可共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它在适中、小批量生产中特别受欢迎，通过机械手的应用可以节省庞大的工件输送装置，它的结构很紧凑，对市场的适应性能力很强。没当改变加工的工件时，柔性生产系统也就很容易跟着改变，也就有利于企业不断更新研究制造适销对路的品种，提高市场产品的质量，更好地适应市场竞争的需要。但是目前我国的工业机器人技术还有对它的工程应用的水平和国外比较起来还是有相当大的距离。我国对工业机械手的应用规模和产业化水平相对很低，机械手的研究和开发从根本上会直接影响到我国自动化生产水平，故从经济上、技术都考虑要提高机械手的水平。因此，对机械手的研究设计是非常有现实意义和未来展望的。1 ZYZ直角坐标机械手方案设计1.1本次设计的机械手设计的机械手的有效工作的长、宽、高分别为300mm、250mm、150mm。有效负载的最大质量为2kg，没有外力。机械手的XYZ三个轴的结构均设计为执行元件直接带动丝杠，并设计选择合适的导向机构导向。X轴和Y轴的执行元件采用永磁式有刷直流伺服电机，运动速度曲线为梯形，最大运动速度为0.1m/s，最大及速度为0.2m/s。Z轴的执行元件采用混合式步进电机，运动速度曲线为矩形，最大速度为10mm/s。此次设计的机械手为小型通用直角坐标机械手，设计采用计算机辅助设计。1.2 本次设计的重点1）ZXY三个轴的直线运动模块执行元件的选型，即电机的选择计算。2）XYZ三个轴传动机构的设计，包括滚珠丝杠副设计选择，导向机构的设计选择，滚动轴承的选择，轴承的安装座座的设计，丝杠支承的选择设计，联轴器的选择，两轴连接处零件结构的设计，电机安装座的设计，机架与三个运动模块的链接设计。3）零件的各项参数的校核。1.3 设计的机械手的外观结构三维图图1-1 机械手外观结构示意图如上图所示，丝杠伸出的地方就是电机安装的位置。此结构就是用一根横梁来支撑Z轴X轴的运动模块。Z轴与X轴的连接就是用一个大滑块来固定连接。Z轴固定在X轴上，X轴固定在Y轴上，Y轴固定在机架上。机架加两块肋板，增加它的稳定性。三个运动模块都是电机驱动，滚珠丝杠转动，滚动导轨导向，可独立完成直线运动，也可以相互配合，完成相应的空间曲线运动。1.4 设计总体方框图图1-2 总体方框图根据设计的机构方案，因为Z轴运动模块总体质量会影响到X轴Y轴的工作负载，在计算X轴，Y轴的有效负载，影响设计丝杠副的尺寸，校核刚度等会受到影响，所以优先完成设计Z轴运动模块。设计完Z轴运动模块后，再设计X轴，根据结构，同理，X轴运动模块的设计也会影响到Y轴的设计，所以要先设计X轴运动模块。最后再设计Y轴的运动模块。最终设计机座。有了设计思路后，开始细化设计内容，确定的最终的设计思路如下图：图1-3 详细设计思路图根据详细设计方案，就开始着手设计。2 Z轴运动模块的设计因为是精密运动机械手，要求精确度高，所以采用滚珠丝杠及滚动导轨。因为滚动丝杠及滚动导轨摩擦阻力小，传动效率高，经过预紧之后，可以得到很好地定位精度和重复定位精度，是本次设计的最合理选择2。驱动方面采用混合式步进电机驱动，运动速度曲线为矩形，最大速度为10mm/s。2.1滚珠丝杠的设计2.1.1 右旋磨制丝杠根据要求设计丝杠的最长长度为：丝杠的最大行程 丝杠的固定方式为丝杠支撑两端固定。 丝杠设计为精度5级，可靠性90%。2.1.2最大载荷的计算机械手的有效负载的最大质量为，故按最大负载计算丝杠的各项参数。（重力加速度取） （2-1）所以得出丝杠轴向载荷N预设丝杠最高转速r/mim机械手移动最高速度mm/s允许的最大转速r/min所以初步计算丝杠的导程mm （2-2）所以丝杠的导程取mm螺纹公称直径mm钢球直径mm圈数列数螺杆滚道曲率 （2-3）表2-1 各类机械预期工作寿命机械类型 备注普通机械普通机床数控机床精密机床测试机械航空机械50001000010000150002000020000150001000250（天）16（h）10（年）0.5（开机率）=20000因为为精密机械手，可按精密机床来选择，故选择寿命 由表得表2-2 载荷系数载荷性质无冲击平稳时一般运行有冲击和振动KF1-1.2 1.2-1.51.5-2表2-3 硬度系数硬度系数大于等于585550KH1.01.111.56表2-4 精度系数精度系数1、2、34、57KA1.00.90.8由上表分析，取 载荷系数；选择动载荷硬度系数;选用转速系数，式中n为丝杆转速；取短行程系数。额定动载荷下限值 （2-4） 式中 为外加在丝杠副上的轴向最大载荷。查询机械手册表格得，可用精度系数查询机械手册相关表格得，可取可靠性系数查询机械手册相关表格得，可取载荷性质系数查询机械手册相关得，可取预加载荷系数所以，最后的出动载荷下线值2.1.3丝杠静载荷的计算由机械手册得，其中式中 根据计算结果选择滚珠丝杠副的型号：决定选用的是用外循环导珠管埋入式SFU01004-2.5 型号滚珠丝杠副3。180mm的重量0.18kg。为其中，。满足承载能力要求。计算预紧力： （2-5）2.1.4 丝杠副dn值的校验查询机械手册得 （3-6）故结果符合要求，所设计的滚珠丝杠副工作系统稳定。2.1.5 丝杠临界转速进行校核丝杠在高速转动的时候，可能会引起机械共振，所以需要进行丝杠临界转速的校核4。 r/min （2-7）Lc是计算它的许用转速nc所需要用到的安装距离，下表是Lc计算依据的选择依据。表2-5 Lc的选择符号意义及用处b1丝杠螺纹左端到左轴承的距离b1b2丝杠螺纹右端到右端轴承的距离b2Le余程LeLa安全行程La=(1-2)PhLxLx机械最大行程Ln螺母长度LnL1丝杠螺纹长度L1=2Le+2La+Lx+LnLu有效行程Lu=L1-LeLz左右端轴承之间的距离lz+b1+b2L2L2=b1+Le+La+Ln/2L3L3=L2+LxL4L4=Lz-L2L5L5=b+Le+La+Lx+Ln/2因为设计为两端固定，故选Lc=L5式中，通过查询机械手册得，计算得mm故转速已经满足要求2.1.6螺杆强度校核螺杆材料为45号钢，经过调质处理，且查表得其许用应力MPa当前设计的螺杆的当量应力 （2-8） 式中 （2-9）故所设计的丝杠强度符合设计要求。2.1.7刚度的校核因为存在工作负载F，也存在转矩T，所以丝杆的导程会产生变形量。 （2-10）上式中，A为丝杠的截面面积，。 （2-11）丝杠的极惯性矩为，。 （2-12）G为丝杠的弹性模量，T为丝杠的转矩。所以丝杠在工作行程长度上所会引起的导程误差为um （2-13）本次设计的丝杠的传动精度为2mm。丝杠所允许的导程误差要求小于传动精度的1/2，即um （ 2-14）由上面计算可以得出故设计符合的丝杠刚度符合要求，可以安装使用。2.1.8丝杠的效率校核 （2-15）效率要求在90%-95% 之间，经计算得出的结果符合要求。对于丝杠运动副，为了保持精度和延长使用寿命，应该定期对其进行润滑等保养。2.2滚动轴承的选择与校核本次设计的为精密丝杠传动的精密机械手，要求传动精度高，摩擦力小，故选择滚动轴承。因为机械手既有有轴向载荷又有径向载荷，所以在设计时一般选用角接触球轴承11。不过还有另一种选择，那就是选用圆锥滚子轴承，这种轴承也符合要求。本次设计，从二中选一，我选用的是角接触球轴承。参考机械设计教科书，表13-1，初选轴承为a=25o的角接触球轴承11。滚动轴承与丝杠的配合，配合采用基孔制配合，配合公差选用。2.2.1径向外载荷的计算Fr N （2-16）上式中，取负载移动阻力系数 负载移动阻力；动摩擦系数u取0.05为有效负载质量，为丝杠运动副的总体质量。 mm/s2 （2-17）所以径向外载荷N2.2.2计算轴向外载荷FaN （2-18）2.2.3轴承支反力的计算N2.2.4计算角接触轴承的派生轴向力 查机械设计课本，并计算得：N2.2.5轴承所受轴向载荷因 则NN附表： 表2-6 轴承参数基本尺寸/mm基本额定载荷/KN极线转速/r*min-1安装尺寸/mmd D BCrCor脂油daminDamaxramax10 26 84.922.25190002800012.423.60.326 84.752.12190002800012.423.60.3 30 95.822.95180002600015250.6 30 95.582.82180002600015250.62.2.6计算轴承所受当量载荷Pr查询机械设计表13-5，得出以下表格表3-7 轴承70000AC的计算参数因轴承工作时有冲击，经过查机械设计手册表载荷系数为，因 （2-19）所以中轴承所受到的当量载荷N （2-20）2.2.7基本额定动载荷CN （2-22） 轴承预期计算寿命，h 寿命指数，当h时，fh=2.0Ft： 温度系数，ft =1.0表2-8 轴承温度系数工作温度/L,h=20000h 且CCr 因此，轴承70000AC的选择符合设计要求，合格。2.3设计滚动轴承座滚动轴承支座也兼做丝杠的支撑。滚动轴承座设计为两个，一个为轴承的固定端，一个为轴承的支撑端。滚动轴承与轴承座的配合使用基轴制，配合公差选用11 。设计其本尺寸d=10mm d为丝杠的直径，在这里是为了给丝杠能穿过轴承支座所预留的直径的孔。 为轴承座侧端面到轴承左端面的距离。 D=25mm 轴承外径，即为为能安装上滚动轴承预留的直径。 A为轴承支座为能能安装上轴承所留的轴向宽度。 为轴承座的总体长度。本次设计的轴承安装座，出于美观与工作要求，设计如下图的零件。图2-4 Z轴轴承安装座安装时，要要注意对轴承进行预紧，让轴承的旋转精度得以提高，也能增加出轴承装置的刚性，减小丝杠导轨在工作时的定震动。2.4联轴器的选择与校核联轴器有刚性联轴器与挠性联轴器两种。设计精密机械手，优先考虑精度，故一定要选择弹性联轴器。经过查询机械设计手册，可用的有弹性元件的挠性联轴器有很多种，本次选择用的是膜片联轴器。其实物图如下图：图2-5 膜片联轴器因为是精密机械手结构设计，所以要选择精密零件。经查询资料，发现MISUMI公司生产的精密联轴器符合设计要求，故采用其联轴器，型号为MSC-010SA2-8B-8B-M。其参数如图中的表所示：图2-6 膜片联轴器参数图其质量大概为0.2kg。2.5步进电机的选择经过查询资料，采用混合式步进电机。因为Z轴运动模块的运动速度曲线为矩形，最大速度为10mm/s，所以按最大运动速度计算。丝杠在工作中所承受的最大有效负载为2kg,所以丝杠的轴向最大负载为。所以丝杠的工作功率w （2-24）计算丝杠转矩 Nmm （2-25）上网查询有关混合式步进电机的相关资料，经过分析，只要功率大于2w，输出转矩大于0.079N*m即可。确定，选择型号57HM41-0306A。其基本参数如下表:表2-10 57HM41-0306A混合式步进电机额定电压（V）额定电流（A）重 量(kg)输出转矩（n*mm）电机长*宽*高额定转速（r/min）15 0.3 0.42 3.84138385002.6导向机构的设计选择本次设计选用的导向机构为直线滚动导轨。直线导轨目前有两种选择，一是滑动直线导轨，另一种是滚动直线导轨。滑动直线导轨的摩擦力较大，定位精度较差，一般运用在大型的机床。本次设计为小型通用的机械手，要求定位迅速，移动精度高，定位精度高，结构轻巧，工作效率高12。经过分析思考，决定使用滚动直线导轨。把滚珠、滚柱、或者滚针等等的滚动体，放置在相互匹配的两导轨之间，使两导轨由滑动摩擦变成为滚动摩擦，就成为了滚动导轨12。导轨的截面形状一般分为：对称三角形截面、不对称三角形截面、矩形截面、燕尾型截面、圆形截面12。每种截面形状又可以分为凸形与凹形。Z轴的设计，考虑到传动的稳定性，还有安装的方便性，以及防止两导轨在工作时相互脱离，故设计时选用滚动导轨。所设计的导轨可以选用标准件，所以直接可以选择一定的型号的导轨，只要符合尺寸和寿命，刚度强度，精度要求的导轨都可以选用。经过查询许多厂家的滚动导轨资料，发现MISUMI公司的LM滚动导轨为国际标准，十分适合本次的设计。表2-11 所选的导轨的参数品牌滚动体列数材料型号重量THK4列碳素钢HSR15R1C11kg/m下图为其详细信息图图2-8 滚动导轨详细信息图导轨的长度为220mm，滑块外形尺寸为34mm。表2-12 设计参数滑座上负载F滑座个数单方向行程每分钟往复50N2 150mm 2每天工作时长一年工作量寿命24h300天 10年N （2-26）2.6.1计算滚动直线导轨的额定寿命h 根据公式 （2-27）其中式中为单行程长度为额定行程长度寿命n 为往复数每小时求得km （2-28）2.6.2丝杠导轨的连接件丝杠与导轨的连接件兼做Z轴X轴连接件，其结构如下图：图2-9 连接滑块图此连接件的设计材料选用45号钢，尺寸为长、宽、高为94mm、88mm、60mm。根据公式 m3 （2-29）实际有重量的体积可按m3 所以质量kg （2-30）计算得链接件的质量为2.6.3导轨的润滑长期工作的导轨，会有磨损，从而影响工作的精度和稳定性。为了延长导轨的寿命，一个好方法就是对导轨进行定期的润滑和保养12。滚动导轨的润滑很是方便，所以工作时，应该要每天润滑两次，早上进行一次润滑，晚上再进行另一次润滑。对于润滑，对润滑油的选择十分的重要。对润滑油最基本的要求就是要有良好的润滑性能。对于本次精密运动机械手导轨，我觉得应该要根据导轨的使用特点，还有导轨的各种性能特点来合理选用润滑油。表2-13 常见导轨的润滑方法导轨类型所用润滑油润滑方法备注普通的滚动导轨L-AN全损耗系统用油压力循环、油轮、油绳、油枪一般是无爬行机床（卧式）液压式导轨油液压系统提供润滑油磨床，液压控制机械系统一般多用的润滑油导轨油压力循环油枪、油绳、油轮一般用于有爬行运动的机床油雾需要排除空气，在工作表面不准有有切屑润滑脂滑动面较短时用脂枪或压盖脂杯注入到油槽里5一般用与运动速度较慢或者运动为垂直运动的导轨6由上表格，因为Z轴运动模块为垂直导轨，所以决定选用精密设备所用的导润滑脂来进行润滑。2.7电机安装座根据前面所选择的混合式的步进电机，其外形大概为一个长方体，长宽高分别为41mm、38mm、38mm。所以设计一个合适的点击安装座，来安装固定电机。安装座的选择设计要做到结构简约，刚度强度要达到，质量也不能太重，因为太重了会影响到X轴运动模块与Y轴运动模块的设计。经过在网上多家产品公司的浏览查询，决定采用如下图所示的电机座，结构简约，符合安装要求。图2-10 电机安装座要求其质量不得超过0.2kg，所以采用薄板中空类型的。电机安装座里面连接着联轴器。2.8 Z轴运动模块连接架连接架要求要有足够的强度和刚度，设计链接架为直接用X轴的滚动导轨充当其机架，再加上连接块，组成机架。其外观图如下图所示：图2-11 Z机架三维辅助图电机安装在其上端。经过计算，得出，Z轴运动模块的总质量为2.98kg。加上有效负载2kg，可知作用在X轴上的有效载荷约为5kg。3 X轴运动模块的设计对于X轴直线运动模块的设计，采用电机驱动丝杠副，丝杠转动带动螺母移动，再加上导向机构进行运动导向，完成X轴运动模块的设计。因为X轴直线运动模块和Z轴直线运动模块一样，是精密运动机械，要求定位精确度高，移动精度高，所以不选用滑动丝杠和滑动导轨，而是选用了滚珠丝杠及滚动导轨。因为滚动丝杠及滚动导轨摩擦阻力小，传动效率高，经过预紧之后，可以得到很好地定位精度和重复定位精度，是本次直线运动模块设计的最合理选择12。执行元件驱动方面采用永磁式有刷直流伺服电机驱动，运动速度曲线为梯形，最大家速度为。3.1滚珠丝杠的设计 3.1.1滚珠丝杠副的特点1）擦阻力很小，机械传动效率很高；2）对丝杠副磨损小、使用寿命长、工作时的可靠性很好；3)丝杠运动一般具有往复性，所以至少要设防逆向运动的缓冲装置；4)轴向方向丝杠的刚度可以达到高，但是在工作时抗冲击能力较差；5)各种性能都较好，但是就是结构有点复杂，在生产还有加工的技术复杂，制造较为困难；6)在对滚珠丝杠预紧后，可以拥有的定位精度很高，也可以拥有很高的重复位置定位精度。3.1.2滚珠丝杆运动副基本参数及校核导轨摩擦力 N （3-1）其中（Z轴运动模块最大总质量为4.98kg，为了保证各种强度足够，此处按5kg计算）移动负载；u=0.05导轨与支撑之间的摩擦系数由方案已确定使用圆柱形滚动导轨，故u的值可由查下表得： 表3-1常用材料的滚动摩擦系数摩擦副材料静摩擦系数us动摩擦系数u无润滑有润滑无润滑有润滑钢-钢0.150.10.120.10.050.1钢-青铜0.10.150.150.180.071）轴向载荷和等效轴向载荷的计算N （3-2）其中负载移动阻力系数k=1.15 负载移动阻力； m/s2 （3-3）N2）预设滚动丝杆基本参数采用右旋磨制丝杠。根据要求，设计丝杠最长长度mm最大行程 螺纹公称直径； 钢球直径圈数列数螺杆滚道曲率设定转速r/min （3-4）初算其导程 所以导程选择mm3）计算动载荷 （3-5） 寿命系数 （3-6）工作寿命查下表： 表3-2 各类机械预期工作时间机械类型备注普通机械普通机床数控机床精密机床测试机械航空机械50001000010000150002000020000150001000250（天）16（h）10（年）0.5（开机率）=20000由于是精密丝杆传动，选。又查表得： 表3-3 载荷系数表载荷性质平稳无冲击一般运行有冲击和振动KF1-1.2 1.2-1.51.5-2表3-4 硬度系数硬度系数大于等于585550KH1.01.111.56表3-5 精度系数精度系数1、2、34、57KA1.00.90.8由上表知： 载荷系数，动载荷硬度系数 。转速系数 （3-7）其中n是丝杆转速； 短行程系数Kl=1.0。所以 （3-8） 4）螺旋导程角 5）基本额定载荷校核Ca N （3-9） N式中fc为与滚珠丝杆副滚道的几何形状制造精度和材料有关的系数，一圈螺纹滚道内的钢球数量；钢球滚道切面在接触点处的公法线与螺纹轴线的垂直线之间的夹角12。由上可知：Ca大于Ca故载荷方面满足要求。6)基本静载荷计算 N （3-10） F 轴向载荷 N基本额定静载荷N （3-11）当a=45 o时， 结果为Coa小于Coa，所以设计的参数符合要求。7）驱动转矩TNmm （3-12）当量摩擦角，当运动件由旋动运动转变到直线运动时取当量应力MPa （3-13） mm e滚到圆弧偏心距mm （3-14）表3-6 许用应力表牌号 铸件预计抗拉强度单铸试棒最小抗拉强度（Mp）用途举例 铸件壁厚（mm）抗拉强度b（Mp）大于小于等于HT1002.5102030102030401301009080 100适于对强度无要求的零件（外罩、底板）HT1502.510203010203040175145130120 150适于对强度要求不高的零件（机床底架、轴承座）HT2002.510203010203040220195170160 200适用于对强度、耐磨性要求较高的零件（气缸、齿轮）由上表易知：铸铁抗拉强度最小为100Mp，而且刚的抗拉强度较之更大，所以小于，设计符合要求。8）计算轴向载荷F产生的轴向变形量F 常见的滚珠丝杠的安装有三种方式，如下图：图3-1滚珠丝杠安装方式示意图即为固定自由，固定支撑，固定固定，这三种安装方式。考虑到连接的稳定，故选择固定固定的安装方式 （3-15）其中Lj丝杆两个支撑之间的距离，mmL丝杆计算长度， mmE丝杆材料的弹性模量 查表可知：钢 MPaA丝杆的计算截面积 mm2 （3-16）转矩T产生的轴向变形量Tmm （3-17）其中IP丝杆的计算截面积的极惯性矩 （3-18）G丝杆材料切变模量钢材料取：轴向载荷F使钢球与螺旋滚道间产生的轴向变形a当时，且滚动螺杆两边有预紧，则： mm （3-19）参数如下：Z工作螺母中的钢球总数 Z一圈螺母中的钢球数 FP预紧力，一般取KZ载荷分布不均匀系数，一般取KZ=1.2因温度升高引起的轴向位移a的计算表3-7 材料线膨胀系数at（表内数值*10-6/OC）材料 温度范围（OC） 2020-10020-20020-300工业用铜（16.6-17.1）（17.1-17.2）17.6黄铜17.8 16.820.9碳钢（10.6-12.2）（11.3-13）（12.1-13.5）铸铁（8.7-11.1）（8.5-11.6）（10.1-12.2）镍铬合金14.5由上表综合考虑取mm （3-20）其中at线性膨胀系数 t丝杆温度，一般为3-5 lo螺纹有效长度 lo =250mm丝杆轴向总变形量mm （3-21）丝杆的轴向刚度 （3-22）刚度条件K丝杆允许轴向刚度 小于 所以设计符合条件重复定位度um K：轴向刚度 Fst：导轨间最大静摩擦力 小于=0.05mm=50m 所以设计符合要求9）滚珠丝杆副的许用转速值校核滚珠丝杆副的转速过高，会产生共振，影响正常工作运转，破坏稳定性，甚至损坏机器。 （3-23）a：安全系数，a=0.8E：弹性模量，MPa I：丝杆剖面最小惯性矩， （3-24） d2: 螺纹底径，10mmg：9.8N/Kg r：材料比重，N/mm3 A： 螺纹底径面积，mm2 （3-25）Lc： 计算许用转速nc用的安装距离。固定固定安装方式中，Lc即为丝杆计算长度，指F和T作用处到固定轴承端的距离，Lc=280mm。当滚珠丝杆精密等级为5级时r/min （3-26）式中，通过查询机械手册得，由上章表1-10已取得mm故转速已经满足要求10）的校核 （3-27）故设计的滚珠丝杠副工作稳定，符合要求。传动效率：由螺旋运动变为直线运动时， （3-28） ：螺纹升角3.1.3刚度的校核因为存在工作负载F，也存在转矩T，所以丝杆的导程会产生变形量。 （3-29）上式中，A为丝杠的截面面积，mm2 （3-30）丝杠的极惯性矩为， （3-31）G为丝杠的弹性模量，T为丝杠的转矩。所以丝杠在工作行程长度上所会引起的导程误差为um （3-32）本次设计的丝杠的传动精度为5mm。丝杠所允许的导程误差要求小于传动精度的1/2，即um （3-33）由上面计算可以得出故设计符合的丝杠刚度符合要求，可以安装使用。3.2滚动轴承的选则与校核 选择轴承的类型与多种因素有关，通常根据下列几个因素：1） 允许空间。2） 载荷大小和方向。例如既有径向又有轴向联合载荷一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承，如径向载荷大，轴向载荷小，可选深沟球和外圈都有挡边的圆柱滚子轴承，如同时还存在轴或壳体变形大及安装对中性差，可选用推力调心滚子轴承11。3） 轴承工作转速。4） 旋转精度。5） 轴承的刚性。6） 轴向游动。由上综合：本设计选用角接触球轴承参考机械设计，因为导轨已经承担了主要的载荷，故而初选7000AC角接触轴承。滚动轴承与丝杠的配合，配合采用基孔制配合，配合公差选用,11。3.2.1径向外载荷FaN （3-34）1）轴向外载荷的计算Fx： N （3-35）上式中，取负载移动阻力系数 负载移动阻力；动摩擦系数u取0.05N （3-36）为Z轴运动模块负载质量，为丝杠运动副的总体质量。 mm/s2 （3-37）所以径向外载荷N2）轴承支反力的计算：N 3）计算角接触轴承的派生轴向力： 查机械设计课本，并计算得：N4）轴承所受轴向载荷：因 则N N附表： 表3-8 轴承参数基本尺寸/mm基本额定载荷/KN极线转速/r*min-1安装尺寸/mmd D BCrCor脂油daminDamaxramax10 26 84.922.25190002800012.423.60.326 84.752.12190002800012.423.60.3 30 95.822.95180002600015250.6 30 95.582.82180002600015250.65）计算轴承所受当量载荷Pr：查询机械设计表13-5，得出以下表格表3-9 轴承70000AC的计算参数因轴承工作时有往复运动，故而有冲击，经过查机械设计手册表载荷系数为，因所以中轴承所受到的当量载荷N （3-38）6）基本额定动载荷CN （3-39） 轴承预期计算寿命，h 寿命指数，当h时fh=2.0 Ft： 温度系数，ft =1.0表3-10轴承温度系数工作温度/120125150175200ft1.00.950.90.850.803.2.2选定轴承型号根据计算所得的基本额定载荷C，经过查找查找机械手册表5-5-22，最终决定选用70000AC型号的角接触轴承。基本参数（尺寸）：d=12mm D=28mm B=9 a=8.2mm安装尺寸(mm)： da=14.4 Da=25.6 ras=0.3基本额定动载荷Cr=4.75KN 静载荷Cor=2.12KN3.2.3轴承寿命Ln的校核 （3-40） 且CCr 因此，轴承70000AC的选择符合设计要求，合格。3.3滚动轴承座的设计滚动轴承支座也兼做丝杠的支撑。滚动轴承座设计为两个，一个为轴承的固定端，一个为轴承的支撑端。滚动轴承与轴承座的配合使用基轴制，配合公差选用 。 设计其本尺寸d=12mm d为丝杠的直径，在这里是为了给丝杠能穿过轴承支座所预留的直径的孔。 为轴承座侧端面到轴承左端面的距离。 D=26mm 轴承外径，即为为能安装上滚动轴承预留的直径。 A为轴承支座为能能安装上轴承所留的轴向宽度。 为轴承座的总体长度。其辅助三维图如下：图3-2 X轴轴承座图安装时，要要注意对轴承进行预紧，让轴承的旋转精度得以提高，也能增加出轴承装置的刚性，减小丝杠导轨在工作时的震动。3.4联轴器的选择与校核联轴器有刚性联轴器与挠性联轴器两种。设计精密机械手，优先考虑精度，故一定要选择弹性联轴器。经过查询机械设计手册，可用的有弹性元件的挠性联轴器有很多种，本次选择用的是膜片联轴器。根据设计想法，可以选择单膜片联轴器，其实物图下图4-2，其型号为SFC-030SA2-10B-10B-M。图3-3 联轴器实物图其基本的参数如下图所示：图3-3 联轴器详细信息图3.5电机的选择经过查询资料，采用混合式步进电机。因为Z轴运动模块的运动速度曲线为矩形，最大速度为20mm/s，所以按最大运动速度计算。所以丝杠的工作功率：3.5.1电机所需基本参数驱动最大负载质量m=6kg 丝杆最大平移速度v=0.1m/s 加速度a=0.2m/ s2 =0.15 ，g=9.8N/kg外负载力计算：Fw=mgu=9N惯性负载力 ：Fj=ma=1.2N折算到电动机轴上的负载力矩为：Tm=(1/i)(l0/2)(Fw+Fj)=0.5Nm i=1. 折算到电动机轴上的转动惯量： Jm，=(1/i2)(l0/2)2m=0.00243kgm23.5.2