机电产品课程设计塞拉门框焊接机器人工作站二维工作滑台设计

课程设计说明书 题 目： 塞拉门框焊接机器人工作站二维工作滑台设计 课 程 名 称 机电产品课程设计 院（系、部、中心） 机电工程系 专 业 机械电子工程 班 级 姓 名 学 号 指 导 教 师 起 止 日 期 目录一、课程设计任务书31、课程设计应达到的目的32、课程设计题目及要求33、课程设计任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等要求4二、焊接机器人工作滑台滚珠丝杠选择与设计51. 焊接机器人工作滑台滚珠丝杠选择52丝杠选择数值计算过程：10三、机器人工作滑台与滚动导轨副选择与设计121.直线运动滚动导轨副的特点及要求122.滚动导轨副的分类133.导轨的结构和作用134.直线滚动导轨副的计算145.滚动导轨的润滑与防护15四、控制系统的设计161.步进电机的选择162.步进电动机的驱动与控制163.程序的编制17五、参考资料20 一、课程设计任务书1、课程设计应达到的目的通过课程设计，要求学生在导师的指导下，对以下几方面的能力进行锻炼和培养：综合运用有关的理论知识，查阅相关资料,针对任务书指定的任务进行设计，以加深对相关理论的理解，提高综合应用知识以及查阅技术资料的能力，培养解决实际工程问题的能力。2、课程设计题目及要求1、焊接机器人工作滑台丝杠选择与设计设有一塞拉门框焊接机器人工作站，见塞拉门框架机器人焊接工作站简图（附后），由于塞拉门框较长，故需将焊接机器人置于二维工作滑台之上，以加大焊接机器人的工作范围，满足塞拉门框焊接的需要。滑台总质量Q=Q1+Q2+Q3，其中Q1为机器人本体质量1XXXN，Q2为下滑台质量600N，Q3为上滑台质量300N，下滑台移动速度为120mm/s, 下滑台移动最大距离L=2XXXmm,轴向移动误差小于等于±0.05mm,使用寿命为15000h，试选定丝杆传动形式，精度等级选择，间隙调整与预紧方式选择，止动方式选择，支撑方式设计选择，润滑和密封的设计选择，计算选择丝杠型号，校核系统压杆稳定性。  2、焊接机器人工作滑台与滚动导轨副选择与设计机器人本体底面为矩形350×350 mm2, 底座厚度为60mm，使用的螺栓为 mm, 螺栓中心距4 -310×310 mm2,其余同上。3、按（1）中的焊接机器人工作站及所涉工况，试设计其控制系统。1）步进电机选择计算，确定步进电机的型号；2）进行控制系统初步设计与方案论证。注：XXX为每位学生学号的末三位，请在设计时使用。3、课程设计任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等要求1、焊接机器人工作滑台丝杠选择与设计:       1）选择、设计过程与计算说明；       2）机器人工作滑台丝杆副运动简图（参见教材P29），粘贴在计算说明书 内A，图中标出各构件号1、2、3.n；       3）丝杠支承结构图（参见教材P27-32），A3图，按装配图要求，有明细表，标题栏有设计，校核，批阅栏等 ，粘贴在计算说明书内。2、焊接机器人工作滑台与滚动导轨副选择与设计 1）选择、设计过程与计算说明；    2）机器人工作滑台丝杆副运动简图（参见教材P29），粘贴在计算说明书内，图中标出各构件号1、2、3.n；      3）丝杠支承结构图（参见教材P27-32），A3图，按装配图要求，有明细表，标题栏有设计，校核，批阅栏等 ，粘贴在计算说明书内。3、按题1中的焊接机器人工作站及所涉工况，试设计其单片机控制系统。1）控制系统原理图的设计（A3图）；其中扩展一片8155，利用PA、PB口各控制一个步进电机。2）步进电机驱动原理图设计（A3图）。3）控制程序流程图（A4图）；编写程序清单。5、应提交的成果形式：1）机电产品课程设计说明书1份,打印文挡（含目录，所编程序附后，5千字）；2）控制系统原理图和步进电机驱动原理图各1份（2张A3图）附后。 二、焊接机器人工作滑台滚珠丝杠选择与设计1. 焊接机器人工作滑台滚珠丝杠选择1） 丝杠传动形式选择 丝杠螺母机构又称螺旋传动机构，它主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变为旋转运动。有以传递能量为主的（如螺旋压力机、千斤顶等），也有以传递运动为主的（如工作台的进给丝杠），还有调整零件之间相对位置的螺旋传动机构等（如螺旋传动机构）。丝杠螺母机构有滑动摩擦机构和滚动摩擦机构，滑动丝杠螺母机构结构简单，加工方便，制造成本底，具有自锁功能，但其摩擦阻力矩大，传动效率底（30%-40%）。滚珠丝杠螺母机构虽然结构复杂，制造成本高，但其最大优点是摩擦阻力矩小，传动效率高（92%-98%）其具有螺旋槽的丝杆与螺母之间装有中间传动元件滚珠。丝杠与螺母相对运动的组合情况有四种基本形式：螺母固定丝杠转动并移动；丝杠转动螺母移动；螺母转动丝杠移动；丝杠固定螺母移动并转动。滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床。尤其是近年来，滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行单元，在机床行业得到广泛运用，极大的推动了机床行业的数控化发展。这些都取决于其具有以下几个方面的优良特性： 滚珠丝杠副发热率低，温升小以及在加工过程中对丝杠采取预拉伸并预 ；紧消除轴向间隙等措施，使丝杠副具有高的定位精度和重复定位精度；传动效率高、定位精度高、传动可逆性、使用寿命长、同步性能好等优点。根据设计任务书要求所选传动形式为丝杠转动，螺母移动的滚珠丝杠。特点是需要限制螺母的传动，需要导向装置。其特点是结构紧凑，丝杆刚性较好，适用于工作行程较大的场合。2）滚珠循环方式的选择滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环两种。内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触。内循环方式的优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小。其不足是反向器加工困难、装配调整也不方便。外循环方式中的滚珠在循环反向时，离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外做循环运动。因为该丝杠用于焊接机器人工作站，其往复运动较频繁，负载不大。内循环中的螺纹预紧螺母式滚珠丝杠结构简单、工艺性好、容易制造，精度符合要求，所以选用此方式。3）精度等级的选择根据JB/T3162.2-91标准，对滚珠丝杠副的精度分成六个等级，即C，D，E，F，G，H级。最高精度为C级，最低精度为H级；而JB/T3162.2-1991为1，2，3，4，5，7，10共七个等级，最高为1级，最低为10级。由于是采用开环进给系统，丝杠传动距离为2734，由上表可得：根据定位精度和重复定位精度的要求可选用4级。4）间隙的调整与预紧方式选择滚珠丝杠副在负载时，其滚珠与滚道面接触点处将产生弹性变形。换向时，其轴向间隙会引起空回，这种空回是非连续的，既影响传动精度，又影响系统的稳定性。在实际应用中，有五种调整预紧系统方法双螺母垫片调整预紧式，双螺母螺纹预紧式，双螺母齿差调整预紧式，弹簧式自动调整预紧式，单螺母变位导程自顶紧式和单螺母滚珠过盈预紧式。双螺母螺纹调整预紧式的特点是结构简单刚度高、预紧可靠，使用中调整方便。考虑到本次设计精度要求不高，可以尽量选择较简单的预紧形式，故本设计采用双螺母螺纹预紧式。5）支撑方式选择丝杠的轴承组合及轴承座以及其它刚性零件的连接不足，将严重轴承丝杠副的传动精度和刚度。为了提高轴向刚度，常用以推力轴承为主的轴承组合来支承丝杠，当轴向载荷较小时，也可用角接触球轴承来支承丝杠。支承方式有单推单推式，双推-双推式，双推简支式，双推-自由式。其中双推简支式两端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较高，试用于中速传动精度较高的长丝杠传动系统。本设计中滑台距离较长，即丝杠传动系统较长，故选择这种传动方式。因轴向载荷较小，选择角轴承作为双推支点，简支端为深沟球轴承。因转速不高，轴承采用脂润滑。6）止动方式的选择 因滚珠丝杠传动效率高，无自锁作用，故在垂直安装状态，必须设置防止因驱动力中断而发生逆传动的自锁、制动或重力平衡装置。常用的制动装置有体积小、重量轻、易于安装的超越离合器。本运动无垂直运动，无需制动装置。7）润滑和密封方式的设计选择 滚珠丝杠副可用防尘密封圈或防护套密封来防止灰尘及杂质进入滚珠丝杠副，使用润滑剂来提高其耐磨性及传动效率，从而维护其传动精度、延长其使用寿命。密封圈有接触式和非接触式两种，将其装在滚珠螺母的的两端即可。接触式密封圈用具有弹性的耐油橡胶或尼龙等材料制成，因此有接触压力并产生一定的摩擦力矩，但其防尘效果好。为使滚珠丝杠副能充分发挥机能，在其工作状态下，必须润滑，润滑方式主要有以下两种：（1）脂润滑：润滑脂的给脂量一般是螺母内部空间容积的1/3，部分滚珠丝杠副出厂时在螺母内部已加注GB7324-94 2#锂基润滑脂； （2）油润滑：润滑油的给油量标准如表16所示，但是随行程、润滑油的种类、使用条件（热抑制量）等的不同而有所变化。请注意使用。在这里选用润滑油。润滑油的给油量标准（间隔3分钟）8）承载能力的选择计算作用于丝杠轴向最大动载荷Ca，然后根据Ca值选择丝杠副型号。Ca= fhfwfmax                        式中：L滚珠丝杠寿命系数，(单位为1 转，如1.5则为150万转)。L=60nT/ （其中T为使用寿命时间，h），普通机械为500010000h、数控机床及其他机电一体化设备及仪器装置为15000h、航空机械为1000h；fw载荷系数（平稳或轻度冲击时为1.01.2，中等冲击时为1.21.5，较大冲击或振动时为1.52.5）；fh硬度系数（HRC>=58时为1.0，等于55时为1.11，等于52.5时为1.35，等于50时为1.56，等于45时为2.40）。 丝杆传动简图2丝杠选择数值计算过程： 丝杠的设计计算焊接机器人质量，上滑台质量，下滑台质量 ，最快速度，滑台移动最大距离，轴向移动误差小于等于，使用寿命，丝杠副的工作载荷：（1） 丝杠副的设计计算： 滚动丝杠摩擦系数： 滚动丝杠摩擦力： 设：让滑台在0.1秒内加速到0.12 m/s由 即 牵引力：总工作负载：设传动效率： 轴向载荷计算公式： 按表查得，取=1.1，=1.0，=1.0 求得载荷（2）根据寿命条件计算额定动载荷，初选导程，可得（3）根据必须的额定动载荷选择丝杠副尺寸，由查丝杠标准手册得如下规格：考虑各种因素，初选FNZD40053内循环浮动式垫片预紧滚珠丝杠副，其中： 公称直径： 导程： 螺旋角：滚珠直径：螺纹滚道半径：=0.52=0.52×3.5= 1.82偏心距：=0.707(-/2)=0.707×(1.82-3.5/2)=0.049丝杠底径：=+2-2 = 40+2×0.049-2×1.82=36.46（4）稳定性验算：假设为双推-简支（F-S），因为丝杠较长，所以用压杆稳定来求临界载荷 =式中 -丝杠的弹性模量，对于钢=206GPa； -丝杠危险截面的轴惯性转矩，=； -长度系数，两端用铰接时，=2/3； 取丝杠长： =2.7所以 =5.44×故 S 丝杠是安全的不会失稳。三、机器人工作滑台与滚动导轨副选择与设计1.直线运动滚动导轨副的特点及要求1）特点：（1）摩擦系数小，运动灵活； （2）动静摩擦系数相同，因而启动阻力小，不易产生爬行； （3）可以预紧，刚度高； （4）寿命长； （5）精度高；（6）润滑方便，可以采用脂润滑，一次装填，长期使用；（7）由专业厂生产，可以外购选用。2）基本要求：（1）导向精度；（2）耐磨性；（3）刚度；（4）工艺性由于滚动直线导轨副的特殊结构，使其具有垂直向上、向下和左右水平四方向额定载荷相等（见图）,且额定载荷大，刚性好，刚度高，三个方向抗颠覆力矩能力大，适用于各种载荷机床。本次设计选用此型号的滚动直线导轨副。2滚动导轨副的分类 直线运动滚动导轨副的滚动体有循环和不循环两种类型。这两种类型又将导轨副分成多种形式。按照滚动体不循环的有滚珠导轨副，滚针导轨副，圆柱滚子导轨副等；滚动体循环的有筏子导轨块，滚动花键副，直线运动球轴承及其支承，滚珠导轨块。3.导轨的结构和作用直线滚动导轨副包括导轨条和滑块两部分，主要功用是导向和承载。导轨通常为两根，装在支承件上。每根导轨条上有两个滑块，固定在移动件上，如移动件较长，也可在一根导轨条上装3个或3个以上滑块。如移动件较宽，也可以用3根或3根以上的导轨条。如果移动件的刚度较高，则少装为好。在两条导轨条中，一条为基准导轨，上面有基准面，滑块上有基准面；另一条为从动导轨。导轨材料选择低合金铸铁。 滚动导轨简图4.直线滚动导轨副的计算（1）下滑台滚动导轨副计算直线滚动导轨副的计算与滚动轴承相仿，以在一定的载荷下行走一定的距离，90%的支承不发生点蚀为依据。这个载荷称为滚动导轨的额定动载荷，可从产品样本中查到。直线滚动导轨副的主要参数，其中为额定动载荷，为额定静载荷（KN）。这个行走距离称为滚动导轨的距离额定寿命，它可以根据滚动导轨的额定动载荷用下面公式进行计算：滚动体为球时 式中：为滚动导轨副的距离额定寿命（km）；为额定动载荷（N），初选滚动导轨型号后，可以从样本中查出初选导轨为GGB20AA型导轨。额定动载荷=13.70KN额定静载荷=19.27KN。导轨参数如工程图。 为每个滑块上的工作载荷（N）；F=/4 = 80.873N 查表得，取=1.0，=1，=0.81，=1.5 计算可得: 如果把距离额定寿命换算为小时额定寿命，则 = 式中S为移动件行程长度（m）；为移动件每分钟往复次数（min）为安全起见，取，可得 设计所需时间15000，满足设计要求，初选的导轨可用。5.滚动导轨的润滑与防护要注意工作环境与装配过程中的清洁，不要有铁屑、杂质、灰尘等粘附在导轨副上。若工作环境有粉尘时，除利用导轨的密封外，还应考虑增加防尘装置。如下图所示。润滑的主要目的是减小摩擦和磨损以防止过热，破坏其内部结构，影响导轨副的运动能力。当滚动直线导轨副的运动速度为高速时（V15m/min）,推荐使用N32润滑油（GGB443-84），40时28.535.2cst,相当于旧标准的20号机械油，定期润滑油或接油管强制润滑（如下图所示）。低速时（V<15m/min）推荐使用锂基润滑脂润滑。本次设计的最高时速为2m/min，所以选用脂润滑。四、控制系统的设计1.步进电机的选择（1）初步选择步进电机四相八拍，步距角为1.5的反应式步进电动机。取安全系数K=1.3，则电机所需输出转动惯量J0=初选电机型号：110BYG4601技术参数：步距角为1.5，四相八拍，转矩13，转动惯量11.3电机传动比公式： 已知所选，电机直联 可得脉冲当量：误差0.05，可选此电机。电机步矩角运算公式： （2）电机转矩验算查表得，齿轮传动效率：,丝杠传动效率总的传动效率：传递功率：×0.12=35电机所需功率：转矩： 2步进电动机的驱动与控制步进电动机的运行特性与配套使用的驱动电源有密切关系,驱动电源由脉冲分配器、功率放大器等组成。驱动电源是将变频信号源送来的脉冲信号及方向信号按要求的配电方式自动地循环供给电动机各相绕组，以驱动电动机转子正反向旋转。变频信号源是可提供从几赫兹到几万赫兹的频率信号连续可调的脉冲信号发生器。连续可调的脉冲信号发生器。3程序的编制（1）四相八拍分配状态转向1-2相通电CPDCBA代码转向 正A0000101H反AB1001103HB2001002HBC3011006HC4010004HCD511000CHD6100008HDA7100109HA8000101H（2）程序 COM XDATA 4000HPA XDATA 4001HPB XDATA 4002HORG 1000HMOV DPTR,#COMMOV A,#03HMOVX DPTR,AMAIN:MOV A,#0FFHLCALL MOTOR1LCALL MOTOR2LOOP:JNB P1.0,C1AJNB P1.1,C1BJNB P1.2,C2AJNB P1.3,C2BSJMP LOOPC1A:LCALL DELAYJNB P1.0,C1A0C1B:LCALL DELAYJNB P1.1,C1B0C2A:LCALL DELAYJNB P1.2,C2A0C2B:LCALL DELAYJNB P1.3,C2B0C1A0: MOV R0,#00HC1A1:MOV A,R0LCALL TABJZ C1A0CPL ALCALL MOTOR1JNB P1.1,C1BJNB P1.2,C2AJNB P1.3,C2BLCALL DELAYINC R0SJMP C1A1C1B0: MOV R0,#09HC1B1:MOV A,R0LCALL TABJZ C1B0CPL ALCALL MOTOR1JNB P1.0,C1AJNB P1.2,C2AJNB P1.3,C2BLCALL DELAYINC R0SJMP C1B1C2A0: MOV R0,#00HC2A1:MOV A,R0LCALL TABJZ C2A0CPL ALCALL MOTOR2JNB P1.0,C1AJNB P1.1,C1BJNB P1.3,C2BLCALL DELAYINC R0SJMP C2A1C2B0: MOV R0,#09HC2B1:MOV A,R0LCALL TABJZ C2B0CPL ALCALL MOTOR2JNB P1.0,C1AJNB P1.1,C1BJNB P1.2,C2ALCALL DELAYINC R0SJMP C2B1MOTOR1:MOV DPTR,#PAMOVX DPTR,ARETMOTOR2:MOV DPTR,#PBMOVX DPTR,ARETDELAY: MOV R6,#40 DL1:MOV R7,#248 DJNZ R7,$DJNZ R6,DL1RETTAB: MOV DPTR,#TABLEMOVC A,A+DPTRRETTABLE: DB 01H,03H,02H,06H,04H,0CH,08H,09H DB 00H DB 09H,08H,0CH,04H,06H,02H,03H,01H DB 00H END五、参考资料 1张建民。机电一体化系统设计. 北京：高等教育出版社，2004  2王信义. 机电一体化技术手册. 第二版. 北京：机械工业出版社，20003徐泳龙.单片机原理及应用. 北京：机械工业出版社，20044焦振学.微机数控技术. 北京：北京理工大学出版社，20045 徐灏.机械设计手册. 第二版. 北京：机械工业出版社，20006马秋成 韩利芬 罗益宁 谢瑛. UG CAM篇. 北京：机械工业出版社，20027钟建琳. Pro/ENGINEER .数控加工实用教程 . 北京：机械工业出版社，20028徐锦康 吕慧瑛 刘极峰. 机械优化设计. 北京：机械工业出版社，19969马秋成 韩利芬 罗益宁 谢瑛. UG CAE篇. 北京：机械工业出版社，200210程周. 电机拖动与电控技术. 北京：机械工业出版社，200211 朱思洪主编.机电一体化技术 ，中国农业出版社，2004年12 张君安.机电一体化系统设计，兵器工业出版社， 1997 年13 邱士安主编.机电一体化技术. 西安电子科技大学出版社，2004 14 朱喜林、张代治主编.机电一体化设计基础. 科学出版社. 2004年15 赵松年, 李恩光, 裴仁清主编.机电一体化系统设计. 机械工业出版社，2004