南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書( 論文)作 者 :學(xué) 號：學(xué) 院 (系 ):專 業(yè) :題 目 : 蘋果裝箱機械手設(shè)計指導(dǎo)者： 評閱者： 2016 年 6 月畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 中 文 摘 要本課題最終目的在于研制一套自動裝箱機械手用于蘋果自動生產(chǎn)線取代人工裝箱工作，以實現(xiàn)成型工序參數(shù)的穩(wěn)定性。設(shè)計了一種蘋果自動裝箱機械手，利用步進電動機帶動手臂進行上下移動和水平垂直旋轉(zhuǎn)，通過氣壓驅(qū)動機械手抓取和松放，能夠?qū)崿F(xiàn)全自動裝箱放各種型式和材料的蘋果。本次設(shè)計的蘋果自動裝箱機械手由底座、傳送機構(gòu)、臂部升降機構(gòu)、臂部擺動機構(gòu)、吸盤等構(gòu)成。本次設(shè)計首先，通過對蘋果自動裝箱機械手結(jié)構(gòu)及原理進行分析，在此分析基礎(chǔ)上提出了總體結(jié)構(gòu)方案；接著，對主要技術(shù)參數(shù)進行了計算選擇；然后，對各主要零部件進行了設(shè)計與校核；最后，通過 AutoCAD 制圖軟件繪制了蘋果自動裝箱機械手裝配圖及主要零部件圖。通過本次設(shè)計，鞏固了大學(xué)所學(xué)專業(yè)知識，如：機械原理、機械設(shè)計、材料力學(xué)、公差與互換性理論、機械制圖等；掌握了普通機械產(chǎn)品的設(shè)計方法并能夠熟練使用 AutoCAD 制圖軟件，對今后的工作于生活具有極大意義。關(guān)鍵詞：蘋果，裝箱機械手，滾珠絲杠，齒輪，軸畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 外 文 摘 要Title Apple packing manipulator designAbstractThe ultimate goal of this project is to develop a set of automatic packing machine for automatic production line of apple to replace the manual packing, in order to achieve the stability of the forming process parameters. An apple automatic packing manipulator is designed, using step motor drive the arm of under movement and vertical rotation, through the air pressure drive manipulator and release, can realize the automatic packing for various types and materials of apple. The design of Apple's automatic packing machine hand by the base, the transmission mechanism, the arm of the lifting mechanism, the arm swing mechanism, sucker, etcThis design first, through apple automatic packing machine for the structure principle and analysis, this analysis is proposed based on the overall structure of the program; then, the main technical parameters were calculated to select; then, of the main parts were designed and checked. Finally, through the AutoCAD drawing software drawn apple automatic packing machine for assembly and major parts of the map.Through the design, the consolidation of the University of the professional knowledge, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerance and interchangeability theories, mechanical drawing; master the design method of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD drawing software, for the future work in life is of great significance.Key words: apple, packing machine, ball screw, gear, shaftI目 錄1 緒論 .11.1 研究背景及意義 11.2 機械手簡介 11.3 機械手國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.4 機械手發(fā)展趨勢 32 方案設(shè)計 .42.1 設(shè)計要求 42.1.1 功能要求 .42.1.2 參數(shù)要求 .42.2 機械手的構(gòu)成 42.2.1 執(zhí)行機構(gòu) .42.2.2 驅(qū)動機構(gòu) .52.2.3 控制系統(tǒng) .52.3 總體方案設(shè)計 52.3.1 總體方案擬定 .52.3.2 升降機構(gòu)方案 .62.3.3 擺動機構(gòu)方案 .73 升降機構(gòu)的設(shè)計 .83.1 電動機的選擇 83.1.1 根據(jù)脈沖當(dāng)量和最大靜轉(zhuǎn)矩初選電機型號 .83.1.2 啟動矩頻特性校核 .93.2 滾珠絲桿副的選型與校核 93.2.1 型號選擇 .103.2.2 校核計算 .113.3 導(dǎo)軌的選型與校核 113.3.1 導(dǎo)軌的選型 .113.3.2 滑動導(dǎo)軌副的計算、選擇 .123.4 軸承及鍵的校核與壽命計算 144 擺動機構(gòu)的設(shè)計 .164.1 電動機的選擇 164.1.1 電機軸的轉(zhuǎn)動慣量 .164.1.2 電機扭矩計算 .174.2 齒輪傳動的設(shè)計 184.2.1 選精度等級、材料和齒數(shù) .184.2.2 按齒面接觸疲勞強度設(shè)計 .184.2.3 按齒根彎曲強度設(shè)計 .20II4.2.4 幾何尺寸計算 .214.3 旋轉(zhuǎn)軸及軸上零件的設(shè)計與校核 224.3.1 尺寸與結(jié)構(gòu)設(shè)計計算 .224.3.2 強度校核計算 .234.3.3 鍵的校核與壽命計算 .254.4 擺臂設(shè)計 254.5 吸盤的選擇 255 控制系統(tǒng)設(shè)計 .275.1 CPU 與存儲器 285.2 中斷處理電路 335.3 8279 鍵盤、顯示 37總 結(jié) .44參考文獻 .45致 謝 .46附 錄 .47附錄 147附錄 256本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 1 頁 共 60 頁1 緒論1.1 研究背景及意義蘋果在運輸過程中容易磕碰、擠壓等導(dǎo)致破損后腐爛，因此蘋果必須裝箱運輸，我國蘋果產(chǎn)量巨大，每年到豐收季節(jié)均會有大量蘋果等待裝箱，如果均靠人力會耗費大量人力及時間，不僅容易使工人作業(yè)疲勞而且容易錯過最佳上市時間，因此希望設(shè)計出蘋果裝箱機械手，實現(xiàn)蘋果自動裝箱。在機械工業(yè)中，應(yīng)用機械手的意義可以概括如下：（1）以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度：應(yīng)用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。（2）以改善勞動條件，避免人身事故：在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應(yīng)用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。三、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)：應(yīng)用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。綜上所述，有效的應(yīng)用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。1.2 機械手簡介到目前為止，世界各國對“機械手機械手”還沒有做出統(tǒng)一的明確定義。通常所說的“機械手機械手”是一種能模擬人的手、臂的部分動作，按照予定的程序、軌跡及其它要求，實現(xiàn)抓取、搬運或操縱工具的自動化裝置。而“機械手”一般具有固定的手部、固定的動作程序（或簡單可變程序） 、一般用于固定工位的自動化裝置。因為國內(nèi)外稱作“機械手機械手” 、 “機械手” 、 “操作機”的這三種自動化和半自動化裝置，在技術(shù)上有某些相通之處，所以有時不易明確區(qū)分，就它們的技術(shù)特征來看，其大致區(qū)別如下?！皺C械手” （Mechanical Hand）：多數(shù)是指附屬于主機、程序固定的自動抓取、操作裝置（國內(nèi)一般稱作機械手或?qū)Ｓ脵C械手） 。如自動線、自動線的上、下料，加工中心的自動換刀的自動化裝置。本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 2 頁 共 60 頁1.3 機械手國內(nèi)外研究現(xiàn)狀機械手機械手（Industral Robot ,簡稱 IR）是 1960 年由《美國金屬市場》報首先使用的，但這個概念是由美國 George·C·Pevol 在 1954 年申請的專利“程序控制物料傳送裝置“時提出來的。在這專利中所記述的機械手機械手，以現(xiàn)在的眼光來看，就是示教再現(xiàn)機械手。隨后，美國的 Unimation 公司和美國的機械鑄造(AMF) 公司于 1962 年分別制造了實用的一號機，并分別取名為 Unimate 和 Ver·satran。Unimate 機械手外形類似坦克炮塔，采用極坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，而 Versatran 機械手采用圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)。上述兩種機械手成為機械手結(jié)構(gòu)的主流，美國通用汽車公司和福特汽車公司在其金屬冷熱加工中，采用這類機械手進行壓、鑄、沖壓等上、下料，收到了良好的效果。美國的機械手機械手技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個階段：1963~1967 年為實驗定型階段。1963~1967 年，萬能自動公司制造的機械手機械手供用戶做工藝實驗。1967 年，該公司生產(chǎn)的機械手機械手定型為 1900 臺。1968~1970 年為實驗應(yīng)用階段。這一時期，機械手機械手在美國進入應(yīng)用階段。例如美國通用汽車公司 1968 年訂購了 68 臺機械手機械手；1969 年又自行研制出SAM 型機械手機械手，并用 21 臺組成了點焊小汽車車身的焊接自動線。1970 年至今一直出于技術(shù)發(fā)展和推廣應(yīng)用階段。1970~1972 年，機械手機械手處于技術(shù)發(fā)展階段。1970 年 4 月美國在伊利斯工學(xué)院研究所召開了第一屆全國機械手機械手會議。據(jù)當(dāng)時統(tǒng)計，美國已采用了大約 200 臺機械手機械手，工作時間共達 60 萬小時以上。與此同時，出現(xiàn)了所謂高級機械手，例如森德斯蘭德公司（Sundstrand）發(fā)明了用小型計算機控制 50 臺機械手機械手的系統(tǒng)。在歐洲第一臺機械手機械手是 1963 年瑞典 Kavieldt 公司發(fā)表的第一臺操作機。日本在六十年代初期就開始研制固定程序控制的機器手，并從其他各國引進了用于不同生產(chǎn)過程的機械手，并獲得迅速，很快研制出日本國產(chǎn)華的機械手機械手，技術(shù)水平很快趕上了美國并超過了其它國家，目前機械手機械手在日本已得到迅速發(fā)展并很快得到普及。我國雖然開始研制機械手機械手僅比日本晚 5~6 年，但由于種種原因，機械手機械手的技術(shù)發(fā)展比較慢。但目前已引起了有關(guān)方面的極大關(guān)注。除了引進、消化、本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 3 頁 共 60 頁仿制外，已經(jīng)具備了一定的獨立設(shè)計和研制能力。在 1958 年維吾爾自治區(qū)成立30 年大慶站展覽館展出了由機械局研制的跳舞機械手《阿依古麗》 。在 1986 年地十六屆廣交會上，成都電訊工程學(xué)院研制的第三代仿人機械手《成蓉小姐》已經(jīng)用漢語或英語向來賓問好，并能簡要的介紹的展覽產(chǎn)品及回答簡單問話。西北電訊工程學(xué)院研制的微機控制示教再現(xiàn)式機械手《西電 I 號》 ，也于 1985 年 9 月在陜西省科技貿(mào)易大會上進行了表演。此外，清華大學(xué)自動化系研制的具有視覺手眼系統(tǒng)，北京鋼鐵學(xué)院研制的焊接機械手，均已達到了較高的水平。同時，在機械手學(xué)科中的視覺、聽覺、語音合成、觸覺、計算控制以及人工智能諸領(lǐng)域研究，也取得了一定的進展。近幾年來的成就表明，我國機械手技術(shù)已經(jīng)邁出了可喜的一步。相信在不久的將來，我們一定回趕上世界各國前進的步伐。1.4 機械手發(fā)展趨勢機械手是一種模擬人手操作的自動機械。它可按固定程序抓取、搬運物件或操持工具完成某些特定操作。應(yīng)用機械手可以代替人從事單調(diào)、重復(fù)或繁重的體力勞動，實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，代替人在有害環(huán)境下的手工操作，改善勞動條件，保證人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。20世紀(jì) 40 年代后期，美國在原子能實驗中，首先采用機械手搬運放射性材料，人在安全間操縱機械手進行各種操作和實驗。50 年代以后，機械手逐步推廣到工業(yè)生產(chǎn)部門，用于在高溫、污染嚴(yán)重的地方取放工件和裝卸材料，也作為機床的輔助裝置在自動機床、自動生產(chǎn)線和加工中心中應(yīng)用，完成上下料或從刀庫中取放刀具并按固定程序更換刀具等操作。我國工業(yè)機械手的研究與開發(fā)起步較晚，比歐美要晚 30 年左右，起步于上世紀(jì) 70 年代，1972 年我國第一臺機械手 在上海開發(fā)成功，隨之全國各省都開始研制和應(yīng)用機械手。從第七個五年計劃（1986～1990 年）開始，我國政府大大加 大了對工業(yè)機械手的重視程度，并且為此項目投入大量的資 金，在眾多學(xué)者及研究人員的參與下，研究開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機械手，與此同時，一系列的機械手關(guān)鍵部件也被開發(fā)出來，如機械手專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機，編碼器等等。國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。重點是研究視覺功能和觸覺功能。本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 4 頁 共 60 頁隨著傳感技術(shù)的發(fā)展機械手裝配作業(yè)的能力也將進一步提高，更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。2 方案設(shè)計2.1 設(shè)計要求2.1.1 功能要求設(shè)計裝箱機械手，替代人工，實現(xiàn)蘋果裝箱的機械化。2.1.2 參數(shù)要求原始數(shù)據(jù)：（1）蘋果為近似球型，直徑 50~100mm，重 100~500g。（2）手爪夾持力（最大）不超過 10N。（3）箱體長方形，內(nèi)腔長寬高最大尺寸分別不超過 1000mm.技術(shù)要求：（1） 工作行程,水平方向:50~160cm，豎直方向:40cm 。.（2） 自由度數(shù)目不超過 3 個，選取機械手的坐標(biāo)形式。（3） 安全型驅(qū)動方式，不得有沖擊和震動。2.2 機械手的構(gòu)成機械手是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成的，各部關(guān)系如圖 2.1 所示。圖 2-1 機械手的構(gòu)成2.2.1 執(zhí)行機構(gòu)（1）手部 即直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平移型(為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單） 。手爪多為兩指（也有多指） ；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤（它主要用于吸取冷的，光滑表面的零件或薄板零件）本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 5 頁 共 60 頁和電磁吸盤。傳力機構(gòu)型式較多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。（2）腕部 是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓物體的方位（即姿態(tài)）。它可以有上下擺動，左右擺動和繞自身軸線的回轉(zhuǎn)三個運動。如有特殊要求（將軸類零件放在頂尖上，將筒類、盤類零件卡在卡盤上等） ，手腕還可以有一個小距離的橫移。也有的機械手沒有腕部自由度。（3）臂部 手臂是支承被抓物、手部、腕部的重要部件。手部的作用是帶動手指去抓取物體，并按預(yù)定要求將其搬到預(yù)定的位置。手臂有三個自由度，可采用直角坐標(biāo)（前后、上下、左右都是直線）,圓柱坐標(biāo)（前后、上下直線往復(fù)運動和左右旋轉(zhuǎn)） ，球坐標(biāo)（前后伸縮、上下擺動和左右旋轉(zhuǎn)）和多關(guān)節(jié)（手臂能任意伸屈）四種方式。直角坐標(biāo)占空間大，工作范圍小，慣性大，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、剛度高，在自由度較少時使用。圓柱坐標(biāo)占空間較小，工作范圍較大，但慣性也大，且不能抓取底面物體。球坐標(biāo)式和多關(guān)節(jié)式占用空間小，工作范圍大，慣性小，所需動力小，能抓取底面物體，多關(guān)節(jié)還可以繞障礙物選擇途徑，但多關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以也不常用。2.2.2 驅(qū)動機構(gòu)有氣動、液動、電動和機械式四種形式。氣動式速度快，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。采用點位控制或機械擋塊定位時，有較高的重復(fù)定位精度，但臂力一般在 300N 以下。液動式的出力大，臂力可達 1000N 以上，且可用電液伺服機構(gòu)，可實現(xiàn)連續(xù)控制，使機械手的用途和通用性更廣，定位精度一般在 1mm 范圍內(nèi)。目前常用的是氣動和液動驅(qū)動方式。電動式用于小型，機械式只用于動作簡單的場合。2.2.3 控制系統(tǒng)有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進行點位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機數(shù)字控制，采用凸輪、磁帶磁盤、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特征。2.3 總體方案設(shè)計2.3.1 總體方案擬定本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 6 頁 共 60 頁根據(jù)以上工作要求，綜合考慮機械手的功能實現(xiàn)和通用性，確定采用兩自由度關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。整體方案初步確定自動裝箱機械手通過方形底座固定，接著利用齒輪的旋轉(zhuǎn)帶動機械手做 90°的回轉(zhuǎn)運動。機械手臂由一個關(guān)節(jié)相連，通過兩個單獨的步進電機帶動手臂上下移動及回轉(zhuǎn)。手臂末端連接著兩個吸盤，通過這個吸盤的動作，將蘋果利用氣缸吸附在機械手上，然后將其移動到輸送帶上，如此往復(fù)的循環(huán)。圖 2-2 裝箱機械手初步機構(gòu)簡圖2.3.2 升降機構(gòu)方案升降機構(gòu)通常有采用液壓缸的液壓式、采用氣缸的氣動式，也有采用絲杠/螺紋傳動的機械式。但是通常液壓式、和氣動式需要比較龐大的液壓/氣動系統(tǒng)來提供動力源，并且液壓式對工作環(huán)境污染較嚴(yán)重，而氣動式則沖擊較大，均不適合用于本次擺蘋果機的臂部升降機構(gòu)。因此本次采用絲杠/螺紋傳動的機械式降機構(gòu)，為了提高工作效率本次采用滾珠絲杠副作為升降機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如下圖示：本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 7 頁 共 60 頁圖 2-3 升降機構(gòu)方案2.3.3 擺動機構(gòu)方案擺動機構(gòu)，通?？梢酝ㄟ^齒輪傳動、四桿機構(gòu)（曲柄搖桿機構(gòu)）等實現(xiàn)，但是為了保證擺動機構(gòu)的穩(wěn)定性以及減小機構(gòu)尺寸確保機構(gòu)的緊湊性，本次采用齒輪傳動，結(jié)構(gòu)如下圖示：圖 2-4 擺動機構(gòu)方案本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 8 頁 共 60 頁3 升降機構(gòu)的設(shè)計3.1 電動機的選擇步進電動機又稱為脈沖電動機，是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成與脈沖數(shù)成正比的角位移或直線位移的執(zhí)行元件。具有以下四個特點：①轉(zhuǎn)速（或線速度）與脈沖頻率成正比；②在負(fù)載能力允許的范圍內(nèi)，不因電源電壓、負(fù)載、環(huán)境條件的波動而變化；③速度可調(diào)，能夠快速起動、制動和反轉(zhuǎn)；④定位精度高、同步運行特性好。擺蘋果機臂部升降機構(gòu)要求電動機電位精度高，速度調(diào)節(jié)方便快速，受環(huán)境影響小，且額定功率小，并且可用于開環(huán)系統(tǒng)。而 BF 系列步進電動機為反應(yīng)式步進電動機，具備以上的所有條件，我們選用了型號 90BF004 的反應(yīng)式步進電動機作為主運動的動力源，該機功率為 0.42KW。選用時主要有以下幾個步驟：3.1.1 根據(jù)脈沖當(dāng)量和最大靜轉(zhuǎn)矩初選電機型號(1)步距角初選步進電機型號，并從手冊中查到步距角 ,由于b?本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 9 頁 共 60 頁 pbiL????360綜合考慮，我初選了 ，可滿足以上公式。4,5.10?b?(2)距頻特性步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjmax 是指電機的定位轉(zhuǎn)矩。步進電機的名義啟動轉(zhuǎn)矩Mmq 與最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjmax 的關(guān)系是：Mmq= maxMj?步進電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負(fù)載下的啟動。步進電機所需空載啟動力矩按下式計算： 0kfakq??式中：Mkq 為空載啟動力矩；Mka 為空載啟動時運動部件由靜止升速到最大快進速度折算到電機軸上的加速力矩；Mkf 為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩；為由于絲桿預(yù)緊折算到電機軸上的附加摩擦力矩。0M而且初選電機型號時應(yīng)滿足步進電動機所需空載啟動力矩小于步進電機名義啟動轉(zhuǎn)矩，即：Mkq Mmq=λMjmax?計算 Mkq 的各項力矩如下：①加速力矩 25552521 106.8.10./08. mKgiMRJ ?????????? ????? mrvnpb /4361436maxax?? NtJMk ???????? ????? 519.016042)18.0.(02 212ax ??②空載摩擦力矩 mNiLGfkf ??6.048.2796.130??‘③附加摩擦力矩本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 10 頁 共 60 頁 mNiLFMYJ ??????? 2.1)9.0(48.20)1(200 ???mqkjkfakq mN????75.395. 3461x?3.1.2 啟動矩頻特性校核步進電機有三種工況：啟動，快速進給運行，工進運行。前面提出的 ，僅僅是指初選電機后檢查電機最大靜轉(zhuǎn)矩是否?kqMmaxj??滿足要求，但是不能保證電機啟動時不丟步。因此，還要對啟動矩頻特性進行校核。步進電機啟動有突跳啟動和升速啟動。突跳啟動時加速力矩很大，啟動時丟步是不可避免的。因此很少用。而升速啟動過程中只要升速時間足夠長，啟動過程緩慢，空載啟動力矩 中的加速力矩kqM不會很大。一般不會發(fā)生丟步現(xiàn)象。kaM3.2 滾珠絲桿副的選型與校核滾珠絲桿已由專門工廠制造，因此，不用我們自己設(shè)計制造，只要根據(jù)使用工況選擇某種類型的結(jié)構(gòu)，再根據(jù)載荷、轉(zhuǎn)速等條件選定合適的尺寸型號并向有關(guān)廠家訂購。此次設(shè)計中滾珠絲桿被三次選用，故本人只選取其中最重要的主軸傳動中的滾珠絲桿加于設(shè)計和校核。其步驟如下：首先對于一些參數(shù)說明如下：軸向變載荷 ，其中 i 表示第 i 個工作載荷，i=1、2、3…n ；)(NFi第 i 個載荷對應(yīng)的轉(zhuǎn)速 (r/min);in第 i 個載荷對應(yīng)的工作時間 (h) ;it絲桿副最大移動速度 (mm/min);maxv絲桿預(yù)期壽命 。)(hLb3.2.1 型號選擇（1）根據(jù)使用和結(jié)構(gòu)要求本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 11 頁 共 60 頁選擇滾道截面形狀，滾珠螺母的循環(huán)方式和預(yù)緊方式；（2）計算滾珠絲桿副的主要參數(shù)①根據(jù)使用工作條件，查得載荷系數(shù) =1.0 系數(shù) =1.5；dfjs②計算當(dāng)量轉(zhuǎn)速 dnmin/20/)(miaxrnd???③計算當(dāng)量載荷 dFNFmavd 3/)2(in④初步確定導(dǎo)程 hPmVPh 5.240/1/max???取 4mm⑤計算絲桿預(yù)期工作轉(zhuǎn)速 nL1206?dnL⑥計算絲桿所需的額定載荷 aC'NLFfCnda 152012331' ?????（3）選擇絲桿型號根據(jù)初定的 和計算的 ，選取導(dǎo)程為 4mm，額定載荷大于 的絲桿。所選hPaC' aC'絲桿型號為 CDM2004-2.5。其為外循環(huán)雙管式、雙螺母墊片預(yù)緊、導(dǎo)珠管埋入式系列滾珠絲桿。3.2.2 校核計算（1）臨界轉(zhuǎn)速校核 4768.04min/590321.202max6316 ???????ccc nnrldn而 最 大 工 作 轉(zhuǎn) 速?校核合格。（2）由于此絲桿是豎直放置，且其受力較小，溫度變化較小。所以其穩(wěn)定性、本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 12 頁 共 60 頁溫度變形等在此也沒必要校核。（3）滾珠絲桿的預(yù)緊預(yù)緊力 一般取當(dāng)量載荷的三分之一或額定動載荷的十分之一。即：)(pFNdp7831??其相應(yīng)的預(yù)緊轉(zhuǎn)矩 mNPFThp ???????? 16.0)85.01(.247810)(2 3232???3.3 導(dǎo)軌的選型與校核3.3.1 導(dǎo)軌的選型導(dǎo)軌主要分為滾動導(dǎo)軌和滑動導(dǎo)軌兩種， 直線滾動導(dǎo)軌在數(shù)控機床中有廣泛的應(yīng)用。相對普通機床所用的滑動導(dǎo)軌而言，它有以下幾方面的優(yōu)點：①定位精度高直線滾動導(dǎo)軌可使摩擦系數(shù)減小到滑動導(dǎo)軌的 1/50。由于動摩擦與靜摩擦系數(shù)相差很小，運動靈活，可使驅(qū)動扭矩減少 90%，因此，可將機床定位精度設(shè)定到超微米級。②降低機床造價并大幅度節(jié)約電力采用直線滾動導(dǎo)軌的機床由于摩擦阻力小，特別適用于反復(fù)進行起動、停止的往復(fù)運動，可使所需的動力源及動力傳遞機構(gòu)小型化，減輕了重量，使機床所需電力降低 90%，具有大幅度節(jié)能的效果。③可提高機床的運動速度直線滾動導(dǎo)軌由于摩擦阻力小，因此發(fā)熱少，可實現(xiàn)機床的高速運動，提高機床的工作效率 20～30%。④可長期維持機床的高精度對于滑動導(dǎo)軌面的流體潤滑，由于油膜的浮動，產(chǎn)生的運動精度的誤差是無法避免的。在絕大多數(shù)情況下，流體潤滑只限于邊界區(qū)域，由金屬接觸而產(chǎn)生的直接摩擦是無法避免的，在這種摩擦中，大量的能量以摩擦損耗被浪費掉了。與之相反，滾動接觸由于摩擦耗能小．滾動面的摩擦損耗也相應(yīng)減少，故能使直線滾動導(dǎo)軌系統(tǒng)長期處于高精度狀態(tài)。同時，由于使用潤滑油也很少，大多數(shù)情況下只需脂潤滑就足夠了，這使得在機床的潤滑系統(tǒng)設(shè)計及使用維護方面都變的非常容易了。所以本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 13 頁 共 60 頁在結(jié)構(gòu)上選用：開式直線滾動導(dǎo)軌。參照南京工藝裝備廠的產(chǎn)品系列。3.3.2 滑動導(dǎo)軌副的計算、選擇根據(jù)給定的工作載荷 Fz 和估算的 Wx 和 Wy 計算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù) fSL=C0/P，式中：C0 為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷 P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般運行狀況)， 3.0~5.0（運動時受沖擊、振動） 。根據(jù)計算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌：因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取 4.0sLf?,, ,0.5()OSLXYZCfPFW??xYYOXSL=+.(20+671.58)=3.79N.()26fP413.94.C?根據(jù)計算額定靜載荷初選導(dǎo)軌:選擇漢江機床廠 BGX 系列滾動直線導(dǎo)軌,其型號為: BGXH25BE基本結(jié)構(gòu)及參數(shù)如下:導(dǎo)軌的額定動載荷 N1750aC?本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 14 頁 共 60 頁依據(jù)使用速度 v（m/min）和初選導(dǎo)軌的基本動額定載荷 (kN)驗算導(dǎo)軌的工作aC壽命 Ln：額定行程長度壽命:()HTCaWfSFK?2045MF1,,.81,,oTCHRdffff??3310.8752()()14209.58HTCaWfSFKkm??導(dǎo)軌的額定工作時間壽命: 3102SoTHln??導(dǎo)軌的工作壽命足夠.3 310249.584971506SoTln hTh????導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)： 04.136SLCfP?：靜安全系數(shù)； ：基本靜額定負(fù)載； ：工作載荷Sf 0CP導(dǎo)軌壽命計算： 3()5748htwcfLKmP????本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 15 頁 共 60 頁3.4 軸承及鍵的校核與壽命計算（1）軸承1）.按承載較大的滾動軸承選擇其型號，因支承跨距不大，故采用兩端固定式軸承組合方式。軸承類型選為深溝球軸承，軸承的預(yù)期壽命取為：L'h＝29200h由上面的計算結(jié)果有軸承受的徑向力為 Fr1=340.43N，軸向力為 Fa1=159.90N，2） ．初步選擇深溝球軸承 6202，其基本額定動載荷為 Cr=51.8KN，基本額定靜載荷為 C0r=63.8KN。3） ．徑向當(dāng)量動載荷 NFNVHr 43.06.187.5432221211 ?????r 859222動載荷為 ，查得 ，則有arrYP.0.Nr 0123.156.43. ????由 式 13-5 得○a hrh LPCnL '104.53012.3985760601 6????????????????滿足要求。（2）鍵1）選擇鍵聯(lián)接的類型和尺寸小帶輪處選用單圓頭平鍵，尺寸為 mlhb186???2)校核鍵聯(lián)接的強度本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 16 頁 共 60 頁鍵、軸材料都是鋼，由機械設(shè)計查得鍵聯(lián)接的許用擠壓力為 ??MPaP120??鍵的工作長度mbl3261???，合適??PP MadlkT??????5.8165.0721314 擺動機構(gòu)的設(shè)計本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 17 頁 共 60 頁4.1 電動機的選擇步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉(zhuǎn)軸步進一個距角增量。電機總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖的頻率。步進電機具有慣量低、定位精度高、無累計誤差、控制簡單等優(yōu)點，所以廣泛用于機電一體化產(chǎn)品中。選擇步進電動機時首先要保證步進電機的輸出功率大于負(fù)載所需的功率，再者還要考慮轉(zhuǎn)動慣量、負(fù)載轉(zhuǎn)矩和工作環(huán)境等因素。4.1.1 電機軸的轉(zhuǎn)動慣量a、旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量 328md4LJR???上式中：d—直徑,旋轉(zhuǎn)外徑 d=8mmL—長度=30mmP—鋼的密度 =7800 2kg/m經(jīng)計算得 0.×=RJb、齒輪的轉(zhuǎn)動的慣量 328d4LJL???上式中：d—直徑,齒輪外徑 d=30mmL—長度=14mmP—鋼的密度 =7800 2kg/m經(jīng)計算得 0.×=RJ2-81*4.9kLc、聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量查表得 204g/.mJW=因此28- m0.8kg4.10*9 ??????LR本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 18 頁 共 60 頁4.1.2 電機扭矩計算a、折算至電機軸上的最大加速力矩 atJnT602mxax??上式中： min/150maxrn=J=0.0028kg/m2ta—加速時間 KS—系統(tǒng)增量，取 15s-1,則 ta=0.2sSK3ta經(jīng)計算得 mNT×=2.maxb、折算至電機軸上的摩擦力矩 IPFT??20f?上式中：F0— 導(dǎo)軌摩擦力， F0=Mf，而 f=摩擦系數(shù)為 0.02，F(xiàn)0=Mgf=32NP—絲桿螺距（ m）P=0.001mη—傳動效率，η=0.90I—傳動比， I=1經(jīng)計算得 NTf×=75.0c、折算至電機軸上的由絲桿預(yù)緊引起的附加摩擦力矩 i2)-1(00??PT?上式中 P0—滾珠絲桿預(yù)加載荷≈1500Nη0—滾珠絲桿未預(yù)緊時的傳動效率為 0.9經(jīng)計算的 T0=0.05N·M則快速空載啟動時所需的最大扭矩 mNTTf ×=+=82.0max根據(jù)以上計算的扭矩及轉(zhuǎn)動慣量，選擇電機型號為 SIEMENS 的 IFT5066，其額定轉(zhuǎn)矩為 6.7N.m。4.2 齒輪傳動的設(shè)計本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 19 頁 共 60 頁前述算得 ，步進電機工作轉(zhuǎn)速能在較大范圍變化本次計算取mNT??7.62，傳動比in/7102rn?2i4.2.1 選精度等級、材料和齒數(shù)采用 7 級精度由表 6.1 選擇小齒輪材料為 40Cr（調(diào)質(zhì)） ，硬度為 280HBS，大齒輪材料為 45 鋼（調(diào)質(zhì)） ，硬度為 240HBS。選小齒輪齒數(shù) 18?Z大齒輪齒數(shù) 取4022?i 2?Z4.2.2 按齒面接觸疲勞強度設(shè)計由設(shè)計計算公式進行試算，即 3211)][(2.HEdtt ZuTkd?????1） 確定公式各計算數(shù)值（1）試選載荷系數(shù) .?tK（2）計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 mNT?7.62（3）小齒輪相對兩支承非對稱分布，選取齒寬系數(shù) 6.0??d（4）由表 6.3 查得材料的彈性影響系數(shù) 2/18.9MPaZE（5）由圖 6.14 按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限 H601lim??大齒輪的接觸疲勞強度極限 Pa52li（6）由式 6.11 計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 81 10.)830(1760????hjLnN829.4.?（7）由圖 6.16 查得接觸疲勞強度壽命系數(shù)08.1?NZ12.?NZ本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 20 頁 共 60 頁（8）計算接觸疲勞強度許用應(yīng)力取失效概率為 1％，安全系數(shù)為 S=1，由式 10-12 得??MPaSZHN6480lim1 ????H 15.12li2（9）計算試算小齒輪分度圓直徑 ，代入 中的較小值td1][H?mdt 5.29)68.(236.07312.1 ????計算圓周速度 v snvt /83.060715.94.3160???計算齒寬 b mdt 7.15.291?計算齒寬與齒高之比 b/h模數(shù) Zmtnt 48.20.1?齒高 3.5./7/ 2.75.??hbmnt計算載荷系數(shù) K根據(jù) ，7 級精度，查得動載荷系數(shù)smv/2.0? 02.1?VK假設(shè) ，由表查得NbFtA1?.?HK由于載荷中等振動，由表 5.2 查得使用系數(shù) 1.?AK由表查得 283.1??H查得 FK本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 21 頁 共 60 頁故載荷系數(shù) 439.128.0.1??????HVAK（10）按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式可得 mdtt 57/.5.29/331（11）計算模數(shù)ｍ Zm.10/7./1??4.2.3 按齒根彎曲強度設(shè)計彎曲強度的設(shè)計公式為 321][FSdnYZKT?????（1）確定公式內(nèi)的計算數(shù)值由圖 6.15 查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限 MPaFE501??大齒輪的彎曲疲勞強度極限 382由圖 6.16 查得彎曲疲勞壽命系數(shù)9.01?NZ.2N計算彎曲疲勞許用應(yīng)力取失效概率為 1％，安全系數(shù)為 S=1.3，得??MPaSZFENF 2.346.5091 ????FEF .71.822計算載荷系數(shù) 436.28.0.1??????FVAK（2）查取齒形系數(shù)由表 6.4 查得 8.21FaY.2Fa（3）查取應(yīng)力校正系數(shù) 由表 6.4 查得5.1?Sa76.2Sa本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 22 頁 共 60 頁（4）計算大小齒輪的 ，并比較][FSaY?01456273][ 3465821??FSaY?大齒輪的數(shù)據(jù)大（5）設(shè)計計算 mm32.10456.26.0174333????對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù) m 大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，可取有彎曲強度算得的模數(shù) 1.32mm，并圓整取第一標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)值m=1.5mm，并按接觸強度算得的分度圓直徑 d57.301?算出小齒輪齒數(shù) 取82./5730/1?mdZ 201?Z大齒輪齒數(shù) 取422?i Z4.2.4 幾何尺寸計算（1）計算分度圓直徑 mZd605.143221???（2）計算中心距 a4/)(/)(1??（3）計算齒寬寬度 取bd8306.? mB20;812?綜合整理兩級齒輪參數(shù)如下表：參數(shù)選擇序號 名稱 符號小齒輪 大齒輪1 齒數(shù) Z 20 402 模數(shù) m 1.5mm3 分度圓直徑 21dm60,34 齒頂高 ah5.1本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 23 頁 共 60 頁5 齒根高 fhm875.16 全齒高 3.7 頂隙 c08 齒頂圓直徑 21?d6,9 齒根圓直徑 43f m25.,.10 齒寬 21B18,011 中心距 a44.3 旋轉(zhuǎn)軸及軸上零件的設(shè)計與校核4.3.1 尺寸與結(jié)構(gòu)設(shè)計計算1）傳動軸上的功率 P1,轉(zhuǎn)速 n1 和轉(zhuǎn)矩 T1， ，wP243?min/51rnmNT??57.612）初步確定軸的最小直徑先按式 初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理。根3PdCn??據(jù)機械設(shè)計表 11.3，取 ，于是得：12?md7.9354.012??該處開有鍵槽故軸徑加大 5％～10％，且傳動軸的最小直徑顯然是安裝齒輪輪處的直徑 。取 ； 。1?L213）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度（a）為了滿足車輪的軸向定位的要求 2 軸段左端需制出軸肩，軸肩高度軸肩高度 ，取 故取 2 段的直徑 ，長度 。dh07.?mh5.?md14?mL20?（b）初步選擇滾動軸承。因軸承只受徑向力的作用，故選用深溝球軸承。根據(jù)，查機械設(shè)計手冊選取 0 基本游隙組，標(biāo)準(zhǔn)精度級的深溝球軸承 6203，142?故 ，軸承采用軸肩進行軸向定位，軸肩高度軸肩高度 ，取d573 dh07.?本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 24 頁 共 60 頁，因此，取 。mh5.1?md184?（c）齒輪處由于齒輪分度圓直徑 ，故采用齒輪軸形式，齒輪寬度md601?B=18mm。另考慮到齒輪端面與箱體間距 1mm 以及兩級齒輪間位置配比，取， 。l15?l64）軸上零件的周向定位查機械設(shè)計表，聯(lián)接車輪的平鍵截面 。mlhb124???4.3.2 強度校核計算1）求作用在軸上的力已知齒輪的分度圓直徑為 ，根據(jù)《機械設(shè)計》 （軸的設(shè)計計算部分未md60?作說明皆查此書）式(10-14) ，則 NtgFdTntrt 75.68207.184a.029.35??????Np.2）求軸上的載荷首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖作出軸的計算簡圖。在確定軸承支點位置時，從手冊中查取 a 值。對于 6203 型深溝球軸承，由手冊中查得 a=14mm。因此，軸的支撐跨距為L1=72mm。根據(jù)軸的計算簡圖作出軸的彎矩圖和扭矩圖。從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭矩圖可以看出截面 C 是軸的危險截面。先計算出截面 C 處的 MH、M V 及 M 的值列于下表。載荷 水平面 H 垂直面 V支反力F ，NNH143?NF126?，NFNV2371??56C 截面彎矩 M mLNH??8532 mMLaNV????1432總彎矩 MV ?????6858222max扭矩 T?670本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 25 頁 共 60 頁圖 4-1 彎矩圖和扭矩圖3）按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度根據(jù)式(15-5)及上表中的數(shù)據(jù)，以及軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，取 ，軸的6.0??計算應(yīng)力 ??MpaWTMca 1.28201.98684)(3222 ??????＝已選定軸的材料為 45Cr，調(diào)質(zhì)處理。由表 15-1 查得 。因此70P][1-??，故安全。][1-ca?4）鍵的選擇采用圓頭普通平鍵 A 型（GB/T 1096—1979）連接，聯(lián)接車輪的平鍵截面， 。齒輪與軸的配合為 ，滾動軸承與mlhb124???Mpap10][??76Hr