YZ直角坐标机械手的机械结构设计

（机械制造行业）YZ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：机电工程学院专业：机械设计制造及其自动化学生姓名：黄显昌学号：1100110210姓名：张旭职称：实验师2015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，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，目前的工业发达程度。XYZ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，处理工艺过程，包括正火，回火，调制处理等。XYZ直角坐标机械手高定位精度，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AbstractIntoday’seraofrapiddevelopmentofmanufacturingindustry,entrepreneurshavebeguntofocustheireyesandstrategiesonmechanicalautomation,strivetousealotofautomationequipment,inordertoimprovetheproductionefficiencyandtheeconomicbenefits.Nowadaystheautomationequipmenthasbeenspreadallovertheproductionlinesofenterprises,especiallytheautomated.Duetomeettheneedsofthesocialindustry,peoplebegintodesignmoreadvanceds.Fromanotherperspective,theindustriallevelofacountrydependonitsmanipulatortechnologyandtheextensivedegreeofmanipulatorapplication.Anoverviewofrobotisoutlined,itsXYZrectangularcoordinateisintroduced,andthemechanicalstructureofthemanipulatorisdescribed.Thedesignprocessofthreelinearmotionmodulesisdetailed,includingtheselectioncalculationofthemotor,typeselectionoftheballscrewpairandtherollingguide,theselectionofrollingbearing,theselectionofflexiblecoupling,thedesignofbearingbase,thedesignofmotormountingbase,thedesignoftheframe,andthecheckoftherelatedindexesofmachineparts.Thecheckcontainsthestiffnessoftheguidescrew,theallowablespeedamongtheworkinglife,theloadofrollingbearing,theworkinglifeofguidescrew.Theprocessofanon-standardpartisdetailed,includingthedimensiondesign,themachiningprocessfromtheroughtorequiredpart.Theheatprocesscontainsnormalizing,tempering,modulationprocessing.AlltheaboveworkisaimedatdesigningaXYZrectangularcoordinatemanipulatorwhichcanmoveupanddown,moveleftandright,moveforwardandbackward.Thedesignofthestructuremustmeetnotonlythebasicmovementbutalsothehighlocatingandmoveaccuracy.Themanipulatormusthavethesmallvolumeandabeautifulappearance.Keywords:manipulator;motor;ballscrew引言11ZYZ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32Z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172.8Z轴运动模块连接架173X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353.8X轴运动模块机架设计353.9横梁的校核354Y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514.8Y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3到6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，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。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。和未来展望的。1ZYZ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0.1m/s0.2m/sZ轴的执10mm/s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。2XYZ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YXY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。2Z轴运动模块的设计[2]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。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5000～10000普通机床10000～15000250（天）×16（h×10（年）×数控机床200000.5（开机率）=20000精密机床20000测试机械15000航空机械1000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KF1-1.21.2-1.51.5-2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表2-5Lc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FrN（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基本额定极线转速/r*min-1安装尺寸/mm载荷/KNdDBCrCor脂油daminDamaxramax2684.922.25190002800012.423.60.32684.752.12190002800012.423.60.3103095.822.95180002600015250.63095.582.82180002600015250.62.2.6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/℃<120125150175200ft1.00.950.90.850.802.2.8选定轴承根据基本额定载荷C5-5-2270000AC参数如下表：表2-970000AC轴承的基本参数dDBaCr10mm26mm8mm8.2mm4.75KNdaDarasCor12.4mm23.6mm0.32.12KN2.2.9轴承寿命Ln的校核h（2-23）Lh>L,h=20000h且C<Cr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=10mmd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2-4Z轴轴承安装座装置的刚性，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MSC-010SA2-8B-8B-M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/s2kg,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N·mm（2-25）2w大于0.079N*m即可。确定，选择型号57HM41-0306A。其基本参数如下表:表2-1057HM41-0306A混合式步进电机额定电压（V）A）重量(kg)输出转矩电机长*宽*额定转速（n*mm）高（r/min）150.30.423.841×38×385002.6导向机构的设计选择度高，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。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50N2150mm2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。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L-AN全损耗系压力循环、油轮、油绳、油枪一般是无爬行机床（卧式）统用油磨床，液压控制机械系统一液压式导轨油液压系统提供润滑油般多用的润滑油普通的滚一般用于有爬行运动的机

动导轨床导轨油需要排除空气，在工作表面油雾不准有有切屑滑动面较短时用脂枪或压盖脂一般用与运动速度较慢或润滑脂杯注入到油槽里[5]者运动为垂直运动的导轨[6]Z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41mm38mm38mmX轴运动模块与Y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。2.8Z轴运动模块连接架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2-11Z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。3X轴运动模块的设计对于X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)难；6)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静摩擦系数us动摩擦系数u摩擦副材料无润滑有润滑无润滑有润滑钢-钢0.150.1~0.120.10.05~0.1钢-青铜0.1~0.150.15~0.180.071）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5000～10000普通机床10000～15000250（天）×16（h×10（年）×数控机床200000.5（开机率）=20000精密机床20000测试机械15000航空机械1000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KF1-1.21.2-1.51.5-2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λ5）基本额定载荷校核CaN（3-9）N式中fc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=45o时，结果为Coa′小于Coa，所以设计的参数符合要求。7）驱动转矩TN·mm（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σMPa（3-13）mme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铸件壁厚（mm）单铸试棒最用途举例抗拉强度小抗拉强度大于小于等于σ≥b（Mp）（Mp）2.510130适于对强度1020100无要求的零HT100203090100304080板）2.510175适于对强度1020145要求不高的HT15020301301503040120架、轴承座）适用于对强2.5102201020195HT200求较高的零20301702003040160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σ小于[σ]，设计符合要求。8）计算轴向载荷F产生的轴向变形量δF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δTmm（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δa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δa的计算表3-7材料线膨胀系数at（表内数值*10-6/OC）温度范围（OC）材料2020--10020--20020--300工业用铜（16.6-17.1）（17.1-17.2）17.6黄铜17.816.820.9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3-5lo——螺纹有效长度lo=250mm丝杆轴向总变形量δmm（3-21）丝杆的轴向刚度（3-22）刚度条件[Kδ]—丝杆允许轴向刚度小于所以设计符合条件重复定位度umKδ：轴向刚度Fst：导轨间最大静摩擦力△小于[△]=0.05mm=50µm所以设计符合要求9）滚珠丝杆副的许用转速值校核（3-23）a：安全系数，a=0.8E：弹性模量，MPaI：丝杆剖面最小惯性矩，（3-24）d2:螺纹底径，10mmg：9.8N/Kgr：材料比重，N/mm3A：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）λ：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：N3）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NN附表：表3-8轴承参数基本尺寸/mm基本额定极线转速/r*min-1安装尺寸/mm载荷/KNdDBCrCor脂油daminDamaxramax2684.922.25190002800012.423.60.32684.752.12190002800012.423.60.3103095.822.95180002600015250.63095.582.82180002600015250.65）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=2.0Ft：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=12mmD=28mmB=9a=8.2mm安装尺寸(mm)：da=14.4Da=25.6ras=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C<Cr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=12mmd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3-2X轴轴承座图置的刚性，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/s2μ=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)·(l0/2π)·(Fw+Fj)=0.5N·mi=1.折算到电动机轴上的转动惯量：Jm，=(1/i2)·(l0/2π)2·m=0.00243kg·m23.5.2运动所需功率（3-41）3.5.3计算丝杠转矩N·mm（3-42）1.8w矩大于0.006N*m即可。确定，选择型号其基本参数如下表:表3-11R755S直流有刷伺服电机额定电压（V）A）重量(kg)输出转矩电机直径、额定转速（n*mm）长（r/min）120.50.34.643.6mm,80060mm3.6导向机构的设计选择对于XZX轴的导轨依然采用滚动导轨。X轴的设计，考虑到传动的稳定性，精度要求，还有安装的方便性，以及防止两导轨在工作时相互脱离，故设计选用国际标准LM滚动导轨所以设计的导轨可以选用MISUMI公司的LM滚动导轨十分适合。表3-12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下图为详细信息图图3-5滚动导轨详细信息图表3-13设计参数滑座上负载F滑座个数单方向行程每分钟往复20N2280mm2每天工作时长一年工作量寿命24h300天10年N（3-43）3.6.1滚动直线导轨的额定寿命h根据公式（3-44）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（3-45）由结构，导轨的强度校核按简支梁计算，经过计算，弯曲强度符合要求。3.6.2丝杠导轨连接件X轴的链接件其实也就是Z轴连接件,是共用的零件。丝杠与导轨的连接件的结构如下图：图3-6X轴连接件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（3-46）实际有重量的体积可按m3所以质量kg（3-47）计算得链接件的质量为kg3.6.3导轨的润滑工作时，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。滑性能[11]。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3-14常见导轨的润滑方法导轨类型所用润滑油润滑方法备注L-AN全损耗系压力循环、油轮、油绳、油枪一般是无爬行机床（卧式）统用油普通的滚磨床，液压控制机械系统一

液压式导轨油液压系统提供润滑油动导轨般多用的润滑油一般用于有爬行运动的机导轨油床需要排除空气，在工作表面油雾不准有有切屑滑动面较短时用脂枪或压盖脂一般用与运动速度较慢或润滑脂杯注入到油槽里[5]者运动为垂直运动的导轨[6]由上表格，决定选用精密设备所用的导轨油来进行润滑。3.7电机安装座的设计X轴运动模块与Y设计选择如下图所示的安装架：图3-7电机安装座示意图设计其重量不得超过0.2kg。3.8X轴运动模块机架设计链接架要求要有足够的强度和刚度，设计如下图的链接机架，为了能更好的支撑，在最上边加了一根横梁。其外观图如下图所示：图3-8X轴机架其X轴的伺服电机安装在其左端。3.9横梁的校核它的弯曲强度即可。梁的弯曲正应力计算公式为（3-48）因为是圆形截面，所以(3-49)最大弯矩在左端最远处，即(3-50)经过计算，得出，Z轴运动模块的总质量为4.98kg。X轴运动模块的总质量为6.98kg。所以，F=70N，由设计，横梁长度L=0.41m，直径D=0.18m。所以计算得MPa故本次设计选择十分合理。4Y轴运动模块的的设计对于Y动，再加上导向机构进行运动导向，完成Y轴运动模块的设计。因为Y轴直线运动模块和X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。4.1滚珠丝杠的设计4.1.1滚珠丝杆基本参数及其校核导轨摩擦力N（4-1）其中（z轴运动模块最大总质量为6.98kg，为了保证各种强度足够，此处按7kg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的值可由上章表4-1得。1）轴向载荷和等效轴向载荷的计算N（4-2）其中负载移动阻力系数k=1.15——负载移动阻力；m/s2（4-3）N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mm螺纹公称直径——mm钢球直径——mm圈数×列数——螺杆滚道曲率——设定转速r/min（4-4）初算其导程mm所以导程选择mm2)计算动载荷（4-5）寿命系数（4-6）工作寿命查上章表4-2得：由于是精密丝杆传动，选。又查上章表4-3，表4-4，表4-5得：载荷系数，动载荷硬度系数。转速系数，其中n是丝杆转速；短行程系数Kl=1.0，精度为五级，故选择所以（4-7）螺旋导程角λ3）基本额定载荷校核CaNN（4-8）式中fc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。4）基本静载荷计算N（4-9）F——轴向载荷N5）基本额定静载荷N（4-10）当a=45o时，结果为Coa′小于Coa，所以设计的参数符合要求。6)驱动转矩TN·mm（4-11）——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σMPa（4-12）mme滚到圆弧偏心距mm表4-1许用应力表牌号铸件预计抗拉强度铸件壁厚（mm）单铸试棒最用途举例抗拉强度小抗拉强度大于小于等于σ≥b（Mp）（Mp）2.510130适于对强度1020100无要求的零HT100203090100304080板）2.510175适于对强度1020145要求不高的HT15020301301503040120架、轴承座）适用于对强2.5102201020195HT200求较高的零20301702003040160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σ小于[σ]，设计符合要求。7）计算轴向载荷F产生的轴向变形量δF常见的滚珠丝杠的安装有三种方式，即为固定——自由，固定——支撑，固定——固定，这三种安装方式[11]。考虑到连接的稳定和设计要求的精度，故选择固定——固定的安装方式（4-13）其中Lj——丝杆两个支撑之间的距离，L——丝杆计算长度，mmE——丝杆材料的弹性模量查表可知：钢——A——丝杆的计算截面积mm2（4-14）转矩T产生的轴向变形量δTmm（4-15）其中IP——丝杆的计算截面积的极惯性矩（4-16）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δa当时，且滚动螺杆两边有预紧，则：mm（4-17）参数如下：△Z——工作螺母中的钢球总数（4-18）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δa的计算表4-2材料线膨胀系数at（表内数值*10-6/OC）温度范围（OC）材料2020--10020--20020--300工业用铜（16.6-17.1）（17.1-17.2）17.6黄铜17.816.820.9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（4-19）其中at——线性膨胀系数△t——丝杆温度，一般取值为3-5lo——螺纹有效长度lo=360mm丝杆轴向总变形量δmm（4-20）丝杆的轴向刚度刚度条件[Kδ]—丝杆允许轴向刚度小于所以设计符合条件重复定位度Kδ：轴向刚度Fst：导轨间最大静摩擦力△小于[△]=0.05mm=50µm所以设计符合要求8）滚珠丝杆副的许用转速值校核：（4-21）a：安全系数，a=0.8E：弹性模量，I：丝杆剖面最小惯性矩，（4-22）d2:螺纹底径，这里设计为13mm。g：9.8N/Kgr：材料比重N/mm3A：螺纹底径面积，mm2（4-23）Lc：计算许用转速nc用的安装距离。在选择固定—LcF和T作用处到固定轴承端的距离，Lc=360mm。当滚珠丝杆精密等级为5级时r/min（4-24）式中，通过查询机械手册得，由上章表1-10已取得mmr/min故转速已经满足要求的校核：（4-25）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，λ：螺纹升角4.1.2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。（4-26）上式中，A为丝杠的截面面积，mm2（4-27）丝杠的极惯性矩为，（4-28）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（4-29）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mm（4-30）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。4.2滚动轴承的选则与校核由上一章X初步想选轴承为a=25o的70000AC型号的角接触球轴承。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。4.2.1径向外载荷FaN（4-31）轴向外载荷的计算FxN（4-32）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（4-33）为X轴运动模块负载质量，为丝杠运动副的总体质量。mm/s2（4-34）所以径向外载荷N4.2.2轴承支反力的计算N4.2.3角接触轴承的派生轴向力查机械设计课本，并计算得：N4.2.4轴承所受轴向载荷因则NN附表：表4-3轴承参数基本尺寸/mm基本额定极线转速/r*min-1安装尺寸/mm载荷/KNdDBCrCor脂油daminDamaxramax2684.922.25190002800012.423.60.32684.752.12190002800012.423.60.3103095.822.95180002600015250.63095.582.82180002600015250.64.2.5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4-4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（4-35）（4-36）所以中轴承所受到的当量载荷（4-37）4.2.6基本额定动载荷CN（4-38）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4-5轴承温度系数工作温度/℃<120125150175200ft1.00.950.90.850.804.2.7轴承的选定根据基本额定载荷C5-5-2270000AC型号额的角接触轴承。基本参数（尺寸）：d=10mmD=26mmB=8a=8.2mm安装尺寸(mm)：da=12.4Da=23.6ras=0.3基本额定动载荷Cr=4.75KN静载荷Cor=2.12KN4.2.8轴承寿命的校核h（5-39）且C<Cr因此，轴承70000AC的选择符合设计要求，合格。4.3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=13mmd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=26mmA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。设计的零件图如下：图4-1Y轴轴承座4.4联轴器的选择与校核其实物图下图1-10，其型号为SFC-030SA2-10B-10B-M。图4-1联轴器实物图其基本的参数如下图所示：图4-2联轴器详细信息图4.5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：其基本参数如下：驱动最大负载质量m=8kg丝杆最大平移速度v=0.1m/s加速度a=0.2m/s2μ=0.15，g=9.8N/kg外负载力计算：N（4-39）惯性负载力：Fj=ma=1.6N折算到电动机轴上的负载力矩为：Tm=(1/i)·(l0/2π)·(Fw+Fj)=0.055N·m（4-40）i=1.折算到电动机轴上的转动惯量：Jm，=(1/i2)·(l0/2π)2·m=0.032kg·m2（4-41）计算丝杠转矩：N·mm（4-42）2.4w矩大于0.008N*m即可。确定，选择型号其基本参数如下表:表4-6R755S电机额定电压（V）A）重量(kg)输出转矩电机直径与额定转速（n*mm）长（r/min）120.50.35.143.6mm60mm8004.6导向机构的设计选择度高，结构轻巧，工作效率高。经过分析思考，决定使用滚动直线导轨。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，故设计选用国际标准LM滚动导轨。所设计的导轨可MISUMI公司的LM滚动导轨十分适合。表4-7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下图为详细信息图图4-4滚动导轨详细信息图表4-8设计参数滑座上负载F滑座