手自一体螺旋丝杆升降机

PAGEPAGE37安徽建筑大学课程设计设计题目手自一体螺旋丝杆升降机学生姓名专业班级指导老师学院院长评阅人2015年11月20日毕业设计真实性承诺及指导教师声明学生毕业设计真实性承诺郑重声明：本人所提交的毕业设计是在指导教师指导下，独立进行设计工作所取得的成果，内容真实可靠，不存在抄袭、造假等学术不端行为。除文中已经注明引用的内容外，本设计不含其他个人或集体已经公开发表的研究成果。对本设计做出具体贡献的个人和集体，均已在设计说明书以明确方式标明。如被发现设计中存在抄袭、造假等学术不端行为，本人愿承担相应的法律责任和一切后果。学生(签名)： 日期：指导教师关于学生毕业设计真实性审核的声明郑重声明：本人已经对学生毕业设计所涉及的内容进行了严格审核，确定其设计成果均由学生在本人指导下取得，对他人成果的引用已经明确说明引用的出处，如出现抄袭等学术不端行为，本人愿负连带责任。指导教师（签名）： 日期： 注：此声明由指导教师和学生本人亲笔签名。

摘要本次设计的题目是手自提一体螺旋丝杆升降机的设计，螺旋丝杆升降机是一种常用的举升举升装置。它主要包括驱动电机，减速机，传动轴，丝杆螺母，滑块滑轨，升降平台组成。工作时，利用升降机上的电机和减速器带动丝杆驱动式装置中的丝杆作旋转运动，从而使得螺母作直线运动，而平台是固定在螺母上的，因此平台沿着滑轨上下运动。本次设计的丝杆升降平台可以以10米/分钟的提升速度来提升100kg的物品。在本设计中，对电机的选用，减速机的选用，传动轴的设计校核，以及丝杆滑块导轨进行了详细的设计计算，保证产品满足使用要求。关键字：丝杆升降机滚珠丝杆滑块导轨目录TOC\o"1-3"\h\u23509摘要 220410第一章绪论 539991.1背景和意义 5187631.2国内外研究现状 6166951.2.1国外研究现状 6121701.2.2国内发展现状 6187631.3本文研究的内容 64785第二章螺旋丝杆升降机方案设计 8236802.1任务分析 8130232.2方案确定 8第三章滚珠丝杆升降结构设计 14第五章电机减速机的选型计算 14第六章传动轴的设计计算 14\l"_Toc320522240"6.1主轴的结构设计与计算 14\l"_Toc320522241"6.2轴的校核 145319总结 216711致谢 2214255参考文献 23第一章绪论1.1背景和意义现代科学技术不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透。在机械工程领域，由于微电子技术的迅速发展及其向机械工业的渗透，从而使机械工业的技术结构、产品、功能与构成、生产方式及管理体系发展了巨大变化，工业生产已经由“机械电气化”迈入了“机电一体化”的发展阶段。自动托盘系统是一个比较复杂的机电一体化系统，它在现代仓储物流，商品零售等作业过程中正越来越多地取代传统手工作业。它是集机械、电子、计算机等高新技术于一体的。它广泛应用于仓库自动作业。在快餐店，药店等零售业的运用也日趋广泛。在本题主要是设计自动托盘的机械部分设计，主要完成托盘的出架和入架的动作。货物先是通过某种动作到升降机上的，然后升降机运动到了要存放该红货物的货架前，如是进入到了该设计的范畴。该课题就是研究升降机在货架前以后的动作。之后的动作是货物的入架或出架动作，货物的入架是单片机得到信息后给电动机得电正转，使丝杆运动利用拔杆把升降机中的托盘推出并进入到要存放该货物的货架中，当托盘完全进入货架后，单片机给电动机一个信息使它停止正转，到止托盘的入架动作完成。其中托盘的出架动刚好相反，它是利用拔杆与托盘上的拉扣连接后将其拉入升降机中完成动作。它们的连接是利用单片机给电磁铁信息使它动作连接拔杆与拉扣。该设计中用到了电磁铁和接近开关，在托盘的入、出架时拔杆与托盘都是通边电磁铁联接为一体的，使托盘的出、入架更为精确高效。而在判断电磁铁该何时动作使拔杆与拉扣连接是用到了接近开关，它为单片机反馈拔杆与拉扣之间距离的信息，告知单片机现在可以连接拔杆与托盘了。从而实现高效准确的托盘出、入货架。本课题是自动托盘作业系统中出架与入架的机械实现部分。其设计目的是为了实现仓库存取的自动化作业，更深入地理解机电一体化系统的设计与工作过程。

1.2国内外研究现状随着国内丝杆升降机水平的政策调整，出现了飞速发展的局面，及时了解丝杆升降机相关行业的资讯就显得特别重要，下面我们来了解一下丝杆升降机发展趋势、前景：丝杆升降机与工程机械相关的基建项目主要是道路、铁路、城市公交、水利、电力、航空等6方面的投资。对于升降机械来说，中小吨位的升降机械国内制造企业基本可以满足，但是在作业性能、可靠性、吊装的精准上参差不齐，不能满足现代施工、安装、作业的需求。大型轮式升降机在04年之前主要为进口，国内基本没有制造商，徐重经过近7年的不断探索，已拥有完全自主知识产权，从130t-150t相对完善的大吨位全地面升降机系列。但是面对国家不同投资项目的需求，通用型的大吨位升降机产品已不能完全满足项目使用需求，要想全面占领国内市场，必须从基建项目特殊工况需求中出发，针对性开发大吨位轮式升降机市场。丝杆升降机产业的发展轮式升降机产业如何将全球金融危机转化为产业发展的又一机遇？企业如何将国家刺激政策转化为企业发展的机遇？我们认为，第一、整合技术资源进行产品系列的升级；第二、抓住国家4万亿投资的重大及热点建设项目，针对性开发、改进产品，适应建设项目对轮式升降机的需求。针对于此，公司及时调整发展方向，主营丝杆升降机，蜗轮丝杠升降机，螺旋丝杠升降机等多种产品。整合技术资源进行产品系列的升级:面对当期用户市场走向，针对国家重点投资建设项目对全系列升降机产品进行了市场态势分析，详细划分了各中吨位产品区间的作业应用范围，同时以为用户提供更大的起重作业性能、可靠性、吊装的精准性为系列产品升级的指导思想，结合公司已形成的智能控制技术、组合平衡重技术、整体优化技术、单缸插销技术以及人性化设计等成熟技术，将前期积累的成熟技术应用在系列产品的升级中。丝杆升降机解读国家基础建设的投资政策及投资流向，与升降机械相关的铁路、公路、基础设施建设中，中型起重设备需求量最大，安装的速度、设备的出勤率、安装的精确度已成为施工单位购买设备的首要考虑条件。目前国内市场通用升降机，基本为各生产厂家不断完善产品系列时期所推出的产品，相对忽视了对产品可靠性的改进，对结构创新、新技术的运用推广为用户带来更大的使用性能，创造更大的利润空间，造成产品与用户市场的部分脱节。效果也都不太好。1.3本文研究的主要内容本课题要求是对螺旋丝杆升降机进行设计。其主要设计内容为：1、螺旋丝杆升降机的方案设计；2、滚珠丝杠副的选择与计算3、直线滚动导轨副的选择计算；4、伺服电机的选择计算；5、传动轴的设计校核；6、螺旋丝杆升降机的零件图及装配图；

第二章丝杆升降机方案设计2.1设计要求本次设计的是丝杆升降平台，是利用电机带动丝杆旋转实现平台升降的一个设备，实现的技术要求如下：要把电机的旋转运动转化为载物升降平台的直线运动。载物品台尺寸满足：1500mm×800mm。最大升降重量（包括升降平台）：250kg。最大升降速度10米/分钟。升降台行程1700mm。升降平台在导轨上来回行使。设备总体尺寸：1890×1090×2380mm2.2方案设计依据工作原理及技术要求，设备应包括驱动系统，传动系统，丝杆滑块升降系统组成。总体布局设计：由于设备尺寸较大，所以采用四组滑块支撑升降台，左右两个升降丝杆螺母与平台螺栓连接，两组丝杆同步升降带动载物台上下运动。为了节省空间，将动力传动结构布置在设备上方。丝杆手动升降是通过直角减速机手轮带动的。传动系统设计:设备左右两侧升降丝杆必须同步运行，否则会卡住，因此丝杆的用一根传动轴带动，考虑到所需要的扭矩较大，传动结构应包含减速装置。由于电机传动系统布置在设备上方，与丝杆轴心成垂直关系，因此丝杆的驱动可以采用直角减速机带动。总的传动路径为：电机-减速机-传动轴-直角减速机-丝杆螺母—滑块-升降平台上下运动。由于设备需要较高的精度，采用伺服电机传动；又提升重物所需扭矩较大，因此采用减速机放大扭矩，且电机输出轴与传动轴垂直，因此在电机输出轴与传动轴之间采用了蜗轮蜗杆减速机减速机。为了防止平台碰撞，在机架上下面设计了防撞缓冲块。综合，设备结构示意图如图2.所示。图2.1a丝杆升降机结构图1.伺服电机2.蜗杆涡轮减速机3.滚珠丝杆4.螺母5.升降台6.机架7.限位缓冲块图2.1b丝杆升降机结构图1.传动轴2.直角减速机3.手轮第三章滚珠丝杆升降结构设计3.1设计参数的确定根据设计任务，取设计参数为：两跟丝杆升降载物总重250KG,所以单根丝杆承重125kg，丝杆行程1700mm，丝杆最大运行速度167m/s,加速度时间定位精度要求为0.01mm。3.2滚珠丝杠的设计计算及选择3.2.1滚珠丝杠副的支承形式支承应限制丝杠的轴向窜动.较短的丝杠或垂直安装的丝杠,可以一端固定,一端无支承.水平安装丝杠较长时,可以一端固定,一端游动;对于精密和高精度机床的滚珠丝杠副,为了提高丝杠的拉压刚度,可以两端固定.为了补偿热膨胀和减少丝杠下垂,两端固定丝杠时还可以进行预拉伸。一般情况下,应以固定端作为轴向定位基准,从固定端起计算丝杆杠副的长度误差.此外,应尽可能固定端作为驱动端。考虑到本设计的结构与要求,为了便于安装且铝合金机架本身刚度不是很大，采用两端固定的支撑方式图3.2滚珠丝杆固定形式3.2.2滚珠丝杠副的传动特点1.传动效率高效率高达90%~95%,耗费的能量仅为滑动丝杠的1/3。2.运动具有可逆性即可将回转运动变为直线运动,又可将直线运动变为回转运动,且逆传动效率几乎与正传动效率相同。3.系统刚度好通过给螺母组件内施加预压来获得较高的系统刚度,可满足各种机械传动要求,无爬行现象,始终保持运动的平稳性和灵敏性。4.传动精度高经过淬硬并精磨螺纹滚道后的滚珠丝杠副本身就具有和高的制造精度,又由于摩擦小,丝杆副工作时温升和热变形小,容易获得较高的传动精度。5.使用寿命长滚珠是在淬硬的滚道上作滚动运动,磨损极小,长期使用后仍能保持其精度,因而寿命长,且具有很高的可靠性。其寿命一般比滑动丝杠高5~6倍。6.不能自锁特别是垂直安装的丝杠，当运动停止后，螺母将在重力作用下下滑，故常需设置制动装置。7.制造工艺复杂滚珠丝杠和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，制造成本高。由于滚珠丝杠副独特的性能而受到极高的评价,因而已成为数控机床,精密机械,各种省力机械设备及各种机电一体化产品中不可缺少的传动机构。3.2.3丝杠的设计计算1.单根丝杠载荷:I)当滚珠丝杆带动载物升降台快速进给上升时，此时其受到载物台重力，加速度带来的惯性力，摩擦阻力合力一致，所需要的轴向力F升最大。分析此时受力状态，丝杆受到阻力包括：载物台重力Gz=9.8*125kg=1225N；滑块阻力摩擦阻力f；最大加速度惯性力F惯。即滚珠丝杆承受的总阻力F升=GX+f+F惯。由于滚珠滑块摩擦阻力很小，因此f忽略不计算，只需求F惯。根据设计条件，载物台快进速度为10m/min,即0.167m/s,其加速度时间，则载物台升降加速度从而惯性力那么丝杆上升进给时最大轴向阻力II)当滚珠丝杆快速进给下降时，丝杆的最大加速度和快速上升时一直，只是方向相反，分析丝杆螺母受力，根据受力平衡条件有2.丝杠导程Ph设计空载时，工作台最大速度:Vmax=10m/min=10000mm/min3.当量转速丝杆当量转速计算（式3.1）式中：本次设计，丝杆运行转态有:空载运行，运行速度20m/min，转速2000r/min,占时50%:载物上升和下降均为10m/min,转速1000r/min,各自占时25%。则丝杆的当量转速4.当量负荷丝杆当量负载式中取空载时丝杆负重60kg，即588N;负载上升时；负载下降时，则3.2.4丝杠的初步选择1.丝杆直径的选择丝杆为预紧方式，预压力p计算如下那么丝杆最大轴向负载假设丝杆预期寿命Lh为12000h，那么丝杆总回转寿命L那么丝杆的动负载又C-丝杆的动额定负荷2.初选丝杆从HIWIN滚珠丝杆选型目录中挑选FSW型螺母，FSW型螺母是法兰型，单螺母，回流管在螺帽内。FSW型螺母丝杆尺寸规格如表3.2所示。根据表3.2选取FSW32-10B2型滚珠丝杆，其公称直径32mm，导程为10mm。公称直d0=32mm丝杆根径d1=29.3mm钢球直径dw=3.175mm，圈数=2.5圈，动负载C=1886kgf，静负载Co=5666kgf刚度kc=55kgf/μm。表3.2FSW型滚珠丝杆尺寸表3.丝杆螺纹长度LuLu=工作台最大行程(1700)+螺母长度(60)+两端余程(25)=1700+60+85×2=1930mm4.支承距离L支承距离L>Lu=1810mm，结合实际使用取L=1970mm3.2.5丝杠的校核计算滚珠丝杆副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压震动固有频率，其扭转刚度影响扭转固有频率。承受轴向负荷的滚珠丝杆副的拉压系统刚度KO有丝杆本身的拉压刚度KS，丝杆副内滚道的接触刚度KC，轴承的接触刚度Ka，螺母座的刚度Kn，按不同支撑组合方式计算而定。4.2.1临界压缩负荷验证丝杆的支撑方式对丝杆的刚度影响很大，采用一端固定一端支撑的方式。临界压缩负荷按下列计算：式中E材料的弹性模量E钢=2.1X1011（N/m2）LO最大受压长度（m）K1安全系数，取K1=1.3Fmax最大轴向工作负荷（N）f1丝杆支撑方式系数：f1=15.1I=丝杆最小截面惯性距（m4）式中do是丝杆公称直径（mm）dw滚珠直径（mm），丝杆螺纹不封闭长度Lu=工作台最大行程+螺母长度+两端余量Lu=1930mm支撑距离LO应该大于丝杆螺纹部分长度Lu，选取LO=1950mm代入上式计算得出Fca=5.8X108N可见Fca＞Fmax，临界压缩负荷满足要求。4.2.2临界转速验证滚珠丝杠副高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速，要求丝杠的最高转速：式中：A丝杆最小截面：A=丝杠内径，单位；P材料密度p=7.85*103(Kg/m)临界转速计算长度，单位为，本设计中该值为=148/2+300+(620-488)/2=440mm安全系数，可取=0.8fZ丝杠支承系数，双推-简支方式时取18.9经过计算，得出=6.3*104，该值大于丝杠临界转速，所以满足要求。4.2.3丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率丝杠系统的轴向拉压系统刚度Ke的计算公式式中A——丝杠最小横截面，；螺母座刚度KH=1000N/μm。当导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中，L植分别为750mm和100mm。经计算得：式中Ke——滚珠丝杠副的拉压系统刚度(N/μm)；KH——螺母座的刚度(N/μm)；KH=1000N/μmKc——丝杠副内滚道的接触刚度(N/μm)；KS——丝杠本身的拉压刚度(N/μm)；KB——轴承的接触刚度(N/μm)。经计算得丝杠的扭转振动的固有频率远大于1500r/min，能满足要求。第四章滑块导轨的选择计算4.1.1滑块导轨的介绍一、滚动直线导轨副是由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架、密封端盖及挡板等组成，如图4.1所示：图4.1滑块导轨介绍当导轨与滑块作相对运动时，钢球就沿着导轨上的经过淬硬和精密磨削加工而成的四条滚道滚动，在滑块端部钢球又通过返向装置（返向器）进入返向孔后再进入滚道，钢球就这样周而复始地进行滚动运动。返向器两端装有防尘密封端盖，可有效地防止灰尘、屑末进入滑块内部。二、特点滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度。驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一。与V型十字交叉滚子导轨相比，摩擦阻力可下降约40倍。适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约10倍。能实现高定位精度和重复定位精度。动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力，从而获得：能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。成对使用导轨副时，具有“误差均化效应”，从而降低基础件（导轨安装面）的加工精度要求，降低基础件的机械制造成本与难度。导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承接能力及刚度比平面与钢球点接触时大大提高，滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显降低。导轨采用表面硬化处理，使导轨具有良好的可校性；心部保持良好的机械性能。简化了机械结构的设计和制造。4.2滚动直线导轨的选择程序在设计选用滚动直线导轨时，除应对其使用条件，包括工作载荷、精度要求、速度、工作行程、预期工作寿命进行研究外，还须对其刚度、摩擦特性及误差平均、阻尼特性等综合考虑，从而达到正确合理的选用，以满足主机技术性能的要求。4.3.3X向滑块的负荷计算平台采用四角工四组滑块支撑，由于负载不大，预选选上银产品中负荷EGH25SA滑块。滑块参数如图4.1所示。图4.1EGH-SA滑块参数负载计算：根据直线传动技术与设备选用手册表1-5可得静力和考虑惯性力作用下滑块负载计算如表4-1所示。表4-1垂直布置滑块导轨静力作用单个滑块负荷的计算初步选取设计条件:平台总重250kg;尺寸：长×宽=1500mm×800mm；滑轨跨距c=250mm,滑块跨距d=400mm；主轴箱重心作用点到导轨面距离L=100mm，主轴箱滑板重心作用点到导轨面距离h=50mm。根据表4-1计算滑块负荷：F=110×9.8=1078N；W=32×9.8=314N；h=50mmL=100mmc=250mmd=400mm计算滑块受力参数如下：3.3.4导轨的选择及校核1.滑块选取选定条件：等效载荷滑块收到水平和垂直方向的两个作用力，根据THK产品选型计算手册，其等效载荷计算公式为2.行程根据设计结构的要求，选定行程3.往复次数（次/分）4.寿命要求假设机器寿命为5年，则导轨寿命为小时（H）同时由于两个滑块装在一个导轨上，因此接触系数。5.根据静态安全系数选型号（3-1）其中——静态安全系数——载荷系数（在无外部冲击或振动、低速时取1.5）——基本额定静载荷——最大载荷现设静态安全系数则有（3-2）在正常运行时一般选取安全系数为5，根据上述情况，选取上银HG35CA（）的导轨。2.寿命校核根据标准寿命计算公式若使用17500小时，则总的移动距离为：（3-3）其中——温度系数（由手册查得当导轨的工作温度小于100时，其温度系数取1.0）——硬度系数（为了使直线运动系统达到最佳承载能力，需要保持导轨的硬度在HRC58-62，由手册查得为1.0）——基本动载荷所以解得因此，选取的产品满足使用要求。第五章电机减速机的选型计算5.1相关计算根据设计任务，Z轴丝杆进给传动路径为：5.2电机的选用伺服电机—蜗杆涡轮减速机—传动轴—直角减速机—滚珠丝杆—滑台。伺服电机选择主要根据：满足功率要求以及满足扭矩要求即可。首先计算Z轴滑台运行所需最大功率，根据使用要求，当Z轴丝杆处于最大速度且阻力最大时此时功率P用最大，此时有：效率计算：取蜗杆涡轮减速机效率传动轴两端轴承支撑，效率直角减速机效率丝杆装置传动效率则中效率则选用的电机所需功率本次设计选用的伺服电机为松下伺服电机，松下伺服电机型号表如3.3所示。根据上面计算，考虑到忽略的阻力计算，安全系数综合因素，初选1500W松下带制动器伺服马达MDDK5540。该款电机额定功率为1500W，额定扭矩2.41N.m,自身惯量为，额定转速为3000r/min。表3.3松下伺服马达型号表5.3减速机选用本次设计减速机共有两种，一种是与电机直连的蜗杆涡轮减速机，一种是是与丝杆连接的直角减速机。蜗杆涡轮减速机主要用于将电机扭矩放大满足使用要求，直角减速机只用来将动力转向希望效率越高越好。直角减速机选择选用伞式齿轮减速机，寻找相关资料日邦减速机ZTH型减速机比较合适，图5.1是其实物和参数表。图5.2日邦ZTH减速机根据传递扭矩和转速需要，选用减速比为1：1的ZT90直角减速机即可。2.蜗杆涡轮减速机选用传动比计算：蜗杆涡轮所需减速比，根据传动功率和传动比需要，选择RV75型蜗杆涡轮减速机。具体参数如图5.3所示：图5.3RV减速机5.4电机扭矩验算5.4.1负载惯量的计算Z轴丝杆升降系统惯量如图3.6所示。图3.6丝杆惯量计算示意图1.Z向丝杆传动系统惯量计算主要包括丝杆惯量、平台惯量、齿轮组惯量。参照图3-6，先将丝杆和平台的惯量折算到齿轮4轴上，然后在将丝杆滑台折算惯量与其他齿轮组折算到电机轴上。2.丝杠绕II轴的转动惯量因为丝杆截面直径不一样，根据上面丝杆长度选择，可以近似将丝杆总长折算为700mm，平均直径30mm，进行近似计算。3.工作台折算到II轴的转动惯量4.齿轮4绕II轴的转动惯量5.丝杆平台折算到电机轴惯量由对齿轮4的惯量计算可以知道，齿轮4的惯量相对于丝杆，平台的惯量是很小的，因此可以将齿轮4，齿轮3，齿轮2的转动惯量忽略，只需将丝杆和平台的惯量折算到电机轴以及齿轮1的转动惯量计算即可。将丝杆和平台转动惯量折算到I轴——电机轴的计算公式为：6.齿轮6绕II轴的转动惯量7.绕I轴的转动惯量之和3.2.2负载转矩的计算1.快速空载启动时电动机所需力矩为2.最大切削负载时电机所需力矩；3.快给速进时电机所需力矩4.快速空载力矩计算I)根据使用特点，Z轴电机所需最大力矩为装置快速空载启动时，此时有：II)III)IV)显然电机转矩满足要求第七章传动轴的设计传动轴的设计包括如下内容：轴的材料选择，轴径的初步估算，轴的结构设计，按弯扭合成进行轴的强度校核，按疲劳强度进行轴的精确交合，轴的公差与配合的确定，轴的工作图的绘制。5.1轴材料选定轴的材料用碳钢及合金钢，减速装置的轴以45号钢调质处理应用最为广泛，硬度217HB~255HB，，，，。5.2传动轴设计5.2.1初步估算轴的最小直径轴的直径，可根据轴所传递的功率及轴的转速,按下式进行估算：式中：C——与轴材料有关的系数，由《机械设计》表16.2查得，根据轴的材料取115。由上面计算知，传动轴轴传动功率P=1.5KW，转速n=80r/min。代入（式5.1），得该段轴由于和减速齿轮连接，有一键槽，因此将计算值加大5%，应为115mm5.2.2轴的结构设计确定轴各段的直径图6.1轴的结构如图5.1所示，轴的最小直径大于115mm，轴段1、5安装两个角接触球轴承实现固定,然后安装一隔套，大V带轮，所以取轴段1直径=25mm，长度L1=52mm;轴段2为挡