整体结构及传动系统的设计

整体结构及传动系统的设计

学院：____________工业自动化学院_______________

专业：_______________机械工程__________________

摘要

本课题所设计的内容主要是一款零件自动存放装置的整体机械结构的设计

以及该装置的传动系统的设计。通过对装置的机械传动系统和整体机械结构进行

设计，使其能够应用在不同的生产线实现对不同零件产品的传送和存放的功能。

对零件自动存放装置的研究与设计，为提高企业的生产效率提供机械上的技术支

持，同时也能够有效的降低企业的生产成本。

本课题所设计的传动系统的功能是为零件自动存放装置提供水平方向上的

位移，通过多个丝杠滑台的相互配合，将电机的旋转运动转换为直线运动，实现

将零件准确地运送到平面上的任意位置。同时，本文还分别对电动机，联轴器,

丝杠以及轴承等一些标准件和非标件进行计算选型。

本课题使用文献研究法和内容分析法，分析并解决设计过程中遇到的问题,

运用AutoCAD完成零件的图纸绘制，并通过SolidWorks对本课题的设计进行运

动仿真，保证设计的合理性。

关键词：零件自动存放装置传动系统设计整体结构设计

Overallstructureandtransmissionsystemdesign

Abstract

Thecontentofthissubjectismainlythedesignofthewholemechanical

structureofapartautomaticstoragedeviceandthedesignofthetransmissionsystem

ofthedevice.Throughthedesignofthemechanicaltransmissionsystemandthe

wholemechanicalstructureofthedevice,itcanbeappliedindifferentproduction

linestorealizethetransmissionandstorageofdifferentparts.

Thefunctionofthetransmissionsystemdesignedinthissubjectistoprovide

horizontaldisplacementfortheautomaticstoragedeviceofparts.Atthesametime,

thisarticlealsocalculatesandselectssomestandardpartsandnon-standardpartssuch

asmotors,couplings,screwsandbearings0

Thistopicusestheliteratureresearchmethodandcontentanalysismethodto

analyzeandsolvetheproblemsencounteredinthedesignprocess,usesAutoCADto

completethedrawingoftheparts,andusesSolidWorkstoperformmotionsimulation

onthedesignofthistopictoensuretherationalityofthedesigno

Keywords:Automaticpartsstoragedevice；Transmissionsystemdesign；Overall

structuraldesign

目录

摘要.................................................................................I

ABSTRACT..................................................................................................................................II

一、绪论..............................................................................1

1.1研究背景.................................................................1

1.2国内外现状...............................................................1

1.3课题的研究目标及意义....................................................2

二、设计内容和方案....................................................................3

2.1设计内容..................................................................3

2.2传动系统的设计方案.......................................................3

2.3整体结构的设计方案.......................................................4

三、螺旋传动的设计与计算..............................................................5

3.1原始数据................................................................5

3.2丝杆的设计与校核........................................................6

四、整体机构的设计与计算.............................................................11

4.1材料的选择...............................................................11

4.2支撑杆的计算与校核......................................................11

五、电机的选择、计算与校核...........................................................13

5.1电机的选择...........................................................13

5.2电机的计算与校核......................................................13

六、联轴器与键的选择和校核...........................................................16

6.1联轴器的选择..........................................................16

6.2联轴器的校核..........................................................17

6.3键的选择与校核.......................................................19

七、结论.............................................................................20

参考文献.............................................................................20

致谢..................................................................错误!未定义书签。

一、绪论

1.1研究背景

在当今机械的发展中，传动系统起着重要作用。机械设备的好坏往往取决于

该设备的传动系统是否优秀，优秀的传动系统对于机械设备而言不仅仅只是高效

性，同时还具备有使用寿命长、成本低等特点。随着机械向高效、高速、多功能

方向发展，机械设备的工作性能等在很大程度上取决于传动系统。所以，传动系

统的优化和发展是当今机械领域的重要发展方向，我们要更加关注对传动系统方

面的研究和发展。

作为机械系统的重要组成部分，传动系统的发展和机械系统都与社会生产力

水平息息相关。现如今，随着社会的不断发展和进步，生产力水平也在不断的提

高，为了满足社会的发展，对机械系统的发展提出了新的要求，而传动系统是机

械系统的重要组成部分，因此，对于传动系统的发展提出了更高的要求。

1.2国内外现状

传动系统是机械不可或缺的一部分，随着社会的不断发展和进步以及社会生

产力水平的不断提高，对于传动系统的发展提出更高的要求。

目前，人们能经常接触到的机械的传动方式以及我们所学习到的主要有：带

传动、链传动和齿轮传动等等。带传动主要用于两轴平行而且回转方向相同的场

合。链传动是靠链条与链轮轮齿的啮合来传递运动和动力。链传动没有弹性滑动

和打滑，传动比较准确；需要的张紧力较小，而且链传动的结构比较紧凑，能够

在恶劣环境条件下正常工作。除此之外，由于链传动的中心距较大时，其传动结

构简单，其制造和安装精度要求较低；但链传动的传动平稳性较差。因此，对于

带传动、链传动以及齿轮传动都有各自的特点，根据实际的工作环境与特点选择

合适的传动方式。

螺旋传动作为一种常用的传动机构，被广泛的应用在各种机械领域的传动系

统中。螺旋传动按功能用途可分为传力、传导和调整三个方面。传力螺旋通常用

1

于工作转速不高的场合。传导螺旋主要用以传递运动,可以承受一定的轴向载荷,

工作速度通常比较高，对传动精度的要求比较高。调整螺旋是用以调整零部件间

的相对位置或者固定某些零部件，主要应用于测量装置或精密仪器中的微调机构

中。

随着科技的不断发展，传动系统的局限性将会大大降低，机械传动的模式不

再局限于齿轮等接触式传动，非接触式传动将会使用，这导致传动系统的发展方

向越来越广泛，与之相对的传动系统的难度也会日益增加。

1.3课题的研究目标及意义

本课题的研究目标主要是设计一款零件自动存放装置的整体结构设计以及

该装置的传动系统的设计，使得该零件自动存放装置在实际的生产工作中具有较

强的稳定性，并且能够使工作台移动到工作区域内的任意位置，从而实现零件的

自动存放过程。

通过查阅相关资料，为了使该装置具有较强的稳定性，本课题的设计将采用

四脚支撑的结构，这样不仅能够给装置提供较强的稳定性，而且能够相对直观的

观察整个装置的实际工作情况，同时也方便日后对机器的防护与修理。而本课题

所设计的传动系统主要是实现运动的传递，将螺旋运动转化为直线运动，因此将

采用螺旋传动，其结构简单，容易实现自锁，加工制造方便，能够满足本次课题

的设计需求。

传动系统是机械的重要组成部分，一台机械设备的好坏往往取决于该设备的

传动系统。好的传动系统能够有效的提高企业实际的生产效率，降低企业的生产

成本，促进企业更好的发展。因此，对传动系统的研究必须要重视。

2

二、设计内容和方案

2.1设计内容

本课题的设计内容主要包括两部分。一部分是零件自动存放装置的传动系统

的设计，另一部分是零件自动存放装置的整体机械结构设计。本设计坚持以结构

可靠牢固、简单、易操作以及减轻工人劳动强度的原则，对本课题的设计内容进

行设计方案分析。

2.2传动系统的设计方案

本课题所设计的传动系统的主要作用是将生产线上所生产的零件通过该装

置传送到指定的位置进行存放，因此要考虑工作台在平面上的移动以满足实际的

生产需求。本课题对传动系统的设计拟定几个设计方案进行分析：

方案一是采用液压传动。液压传动系统是通过液压泵将电机的机械能转换为

液体的压力能，在通过液体压力能的变化来传递能量，经过各种控制阀和管路的

传递，借助液压执行元件把液体压力能转换为机械能，实现直线往复运动和回转

运动。

方案二是采用螺旋传动。螺旋传动是靠螺旋与螺纹牙面旋合实现回转运动与

直线运动转换的机械传动。螺旋传动按其在机械中的作用可分为:传力螺旋传动、

传导螺旋传动以及调整螺旋传动。传力螺旋传动以传递力为主，传导螺旋传动以

传递运动为主调整螺旋传动，用于调整或固定零件（或部件）之间的相对位置,

一般不经常转动。

根据实际的生产要求，由于使用液压传动对设备的制造精度要求较高且不便

于对设备的维修与防护，导致液压传动的成本较高；除此之外，工作台需要有自

锁的效果以防止其位置的改变从而影响零件的定位，同时，该设备还应该便于拆

卸，考虑到这些因素，本课题所设计的传动系统将采用滑动螺旋传动。滑动螺旋

的抗冲击性较强，运转时无噪声而且自锁性能好，加工和安装精度较低，并且成

本低。滑动螺旋有梯形螺纹和锯齿形螺纹等几种齿形，其中梯形螺纹的应用最为

广泛，因此，采用梯形螺纹螺旋。所以本课题采用的滑动螺旋传动为梯形螺纹螺

3

旋，由此来实现工作台的移动。

34

A/WW,

1-电动机2-丝杆3-丝杆滑台4-支撑架

图2.1机械传动系统

1-电机2-联轴器3-轴承支撑座固定侧4-丝杠

5-丝杆滑台6-丝杆支撑座7-轴承支撑座支撑侧

图2.2丝杆结构简图

2.3整体结构的设计方案

本课题所设计的零件自动存放装置的整体结构，其主要目标是为该装置提供

足够的稳定性，使其能够在实际的生产工作中可以平稳的工作。因此，通过查阅

相关资料，本课题所设计的零件自动存放装置的整体结构拟采用四脚支撑结构。

采用四脚支撑结构作为该装置的整体结构不仅能够让该装置具有较高的稳定性,

4

使得该装置在实际的生产工作中不会出现晃动的情况，同时由于该结构简单，因

图2.3整体机械结构

三、螺旋传动的设计与计算

3.1原始数据

原始数据如表3.1所示

表3.1原始数据

零件重量5kg

机械手的重量40kg

滑台支承重量100kg

丝杆滑台的重量20kg

5

滑台左右移动速度0.01m/s

滑台左右移动行程1000mm

3.2丝杆的设计与校核

该螺杆为同轴双螺旋螺杆，螺杆转动但不移动。支撑座的重量为20kg,机

械手的重量为30kg,滑块的支承总重量为50kg。滑块移动速度为O.Olm/s,支撑

座的导轨采用矩形导轨，丝杠的行程为1000mm,有效的工作行程为750mm,

根据实际的生产需求可以改变丝杆的行程；螺旋具有自锁性。

3.2.1轴向载荷的确定

丝杆滑台的质量加上机械手的质量和零件的质量为65kg,丝杆滑台有矩形

导轨以及光轴进行导向定位，由《机械设计手册》可得，在定期润滑的条件下,

钢与钢的摩擦系数为〃=0.1〜0.12。

取u=0.12,则牵引力为：

F牵=|img=0.12X65X9.8=76.44N

即滑台所需牵引力为76,44N。

则丝杆所受轴向载荷为

Fq=F牵=76.44N

3.2.2材料的选择及其许用应力的计算

螺杆选用45钢，经调质处理，查表可得钢的屈服极限cs=360MPa,由《机

械设计手册》可得，螺杆的许用拉应力为

(js360

%=3^5=3^5=72-120MPa

取为=100MPao由《机械合计手册》可得，

螺母的许用弯曲应力为

6

"bp=40-60MPa,取abp=50MPa

螺母的许用剪切应力为

(7bp=30~40Mpa,取(JbP=35MPa

滑台的移动速度为OQlm/s,由《机械设计手册》可得，

该滑动螺旋副的许用压强

Pp=11-18MPa,取巴=15MPao

3.2.3螺纹中径的计算

d2>0.8I

其中，F-----轴向载荷

Pp一一螺纹副许用压强

“一一根据设计的螺纹而定

此处取9=1.5

76.44—

d>0.8————=1.47mm

2J1.5x15

为保证丝杆强度和稳定性，由《机械设计手册》可得

梯形螺纹的所示尺寸如表3.2所示：

表3.2梯形螺纹基本尺寸

dP螺距ch中径D2中径D4大径daDi

24mm5mm21.5mm21.5mm24.5mm18.5mm19mm

其中，d——梯形螺纹的公称直径

d3---外螺纹小径

D1---内螺纹小径

中等精度，螺旋副标记为Tr24x5-7H/7e

7

螺母高度

H=(pd2=1.5x21.5=32.25mm

取H=33mm,符合N旋合长度

则螺纹圈数为

H33.

n=—=—=6.6圈

3.2.4自锁性验算

由于丝杆滑台在丝杆停止转动的条件下需要保持既定的位置不变，即丝杆需

要自锁效果。由于是单程螺纹，导程S=P=5mm,所以螺旋升角为

7s5

A=tan-1—―=tan-1----------=4.2°

7rd27Tx21.5

由《机械设计手册》可得，在定期润滑的条件下，钢与青铜的摩擦因数为f=

0.08-0.10,在正常工作的情况下，取;'=0.08。此处，取摩擦因数为/=0.09,

由此可得，丝杆达到自锁条件的最大升角p为

p=tan-1-^

cos彳

其中，a为牙型角，a=30。，代入公式得

,0.09

p=tan-1------=5.3°

~cos15°

由此可得，X<p,即该丝杆自锁可靠。

3.2.5丝杆强度校核

螺纹摩擦力矩为

1

Me=-d2Ftan(A4-p)

=0.5x21.5x76.44xtan(4.2°+5.3°)

=137.5N

当量应力为

8

4x76.44137.5°

(---------)2o3(----------)2

%x18.52〃102x18.531

=0.34MPa<Op

3.2.6螺纹强度校核

1、螺纹剪切强度的校核

由于螺母强度低于丝杆材料，因此只需校核螺母螺纹强度即可。由《机械设

计手册》可得，梯形螺纹的牙根宽度b为

b=0.65p=0.65x5=3.25mm

梯形螺纹的基本牙型高度H

Hi=0.5P=2.5mm

螺母剪切强度T

T=------

nD4bn

76.44

T=----———――：——=0.046MPa<T„=35MPa

Tix24.5x3.25x6.6p

即螺纹剪切强度满足要求。

2、螺纹的弯曲强度校核

螺母弯曲强度与

3F%

b2

°nD4bn

3x76.44x2.5

噩=兀*24.5义3.252*6,6=0A1MPa<耿

即螺母弯曲强度满足要求。

3.2.7丝杆长度计算

丝杆的工作行程为％=1000mm,螺纹长度Zw>lg+H=1033mm,取&=

9

1040mm,考虑到丝杆最右端与电动机相互配合，取。=100mm,丝杆与支撑

座右端的固定侧轴承配合，取L=110mm,丝杆与最左端支撑座支撑侧轴承配

合，取b=70mma

即丝杆总长为L

L=匕+。+G+%=1320mm

3.2.8丝杆稳定性校核

丝杆为两端固定，根据《机械设计手册》，可得长度系数为〃=0.5,丝杆的

危险截面的惯性半径i为

d18.5

i=—3=-----=4.6

44

即

M0.5x1320

A=—=-----------=143.48

i4.6

优质碳钢的;11=100,可得;1>先。

即，临界载荷外

_n3Edl

£=64(@2

52

其中，E为钢材弹性模量，F=2.1x10/V/mmo

则

兀3X2.1x105x18.54

=27358.2/V

64x(0.5x1320)2

水平长丝杆的稳定安全系数Tlw>4

F27358.2

Mc1"=357.9>%

即丝杆的稳定性满足要求。

3.2.9丝杆螺母副的效率计算

由《机械设计手册》可得，螺丝杆母副效率的公式为

10

tanA

”g59〜OB)义诉诉xI。。％

取轴承效率为0.95,代入公式得

tan4.2°

广。.、9才+野产一二仙％

即丝杆螺母副的效率为41.7%。

四、整体机构的设计与计算

4.1材料的选择

铝型材的扩充性能强，安装设备简单快捷，可在任意位置安装螺母螺栓，而

独特的T型、凹槽设计在加装组件时无需拆卸型材，更加方便。除此之外，铝

型材质量较轻而刚度高，由于其本身的化学特性，其耐腐蚀性和加工性能好，适

用于机器框架以及工业自动化设备。因此，本课题所设计的支撑杆的材料均采用

铝型材6061。

4.2支撑杆的计算与校核

4.2.3许用应力的计算

支撑杆采用6061铝合金材料，其屈服强度小之11。MPa,抗拉强度为?

205MPa,由《机械设计手册》可得

支撑杆的许用拉应力为

(js110

%=3^5=3^5=22〜37MPa

取%=30MPa.查表可得,

支撑杆的许用剪切应力

[T]=290MPa

支撑杆的许用弯曲应力

Lab}>205MPa,取【为】=300MPa

11

4.2.4强度校核

1、剪切强度

丝杆滑台的质量为20kg,支撑杆的横截面积为bx/i=100x100mm

F=2F丝=400

由《机械设计手册》可得，[T]=290MPa

支撑杆的剪切强度为

FF40

T=-=----=

Sbn100x100

2、弯曲强度

简支梁的弯矩系数

FL

M=—

4

矩形截面抗弯矩系数

2

b/i

W=—

6

简支梁的弯曲强度

2

MFLbh3FL

%=讨=彳+『/

Lb/i

代入公式可得

3FL3x400x450

270MPa<[a]

=2X100x1002b

即选择的铝型材6061满足设计的强度要求。

12

五、电动机的选择、计算与校核

5.1电动机的选择

本课题所设计的传动系统采用滑动螺旋传动，通过电机直接驱动，丝杆将电

机的转动转换为工作台的水平方向的移动。根据设计的要求，电机要求当失去控

制电压时，电机立即停止转动，即无自转现象发生。且要求电机运行平稳，噪声

小、精度高和抗过载能力强。考虑以上因素，因此选择交流伺服电动机作为该机

械装置的传动系统的动力源。

根据本课题的设计要求，选择MINASA4系列的交流伺服电动机作为零件

自动存放装置中传动系统的动力源。该电机采用数字化交流伺服系统，被广泛运

用于轻工机械和自动化生产线等各种有精确调速、定位和运动轨迹的场合。

5.2电机的计算与校核

5.2.1最大移动速度

由于丝杆与电机采用直接传动，减速比i=l,当电机正常工作中的转速为

额定转速2000r/min时，滑块的最大移动速度为

np2000x5

v=—i=---------=166.67mm/s

5.2.2负载惯性矩力

丝杆直径d=20巾私长度/=1320mm,根据《机械设计手册》可得

实心圆柱体的转动惯量为

md2nlyd4

Jl=~8~=32g

y——材料的比重(/V/m3),钢的密度为p钢=7850的/瓶3

13

即V钢=P钢9=77008.5/V/m3

d---圆柱体的直径（m）

1---圆柱体的长度（m）

g一一重力加速度（m/s2）

丝杆的负载惯性矩Ji

3.14X77008.5X1.32x0.0244

32x9.8

=3.38X1014的.TH

电机轴的负载惯性矩，2

/2=勿

=500X

=3.17x10~4:kg-m

总惯性

42

]L=J1+J2=3.38+3.17=6.55x10-kg-m

5.2.3电机轴的负载惯性矩

由《机械设计手册》可得，导轨的摩擦因数〃=0.12

电机的负载惯性矩7；为

W---输送质量（kg）

H一一摩擦因数

F——轴向载荷（N）

T1——进给传动系统的效率

代入公式可得

——-——————x0.005X1=0.1122N-m

即电机的负载惯性矩为0.1122No

14

5.2.4电机容量预选

电机额定转矩

T,0.1122

T>=——=0.269N-m

e0.4170.417

电机惯量

)L6.55x10-4

JM之§=-----g-----=2,18x104kg-

电机额定转速2000r/min,电机功率为

Tn

P>——L-----

z—79535.4〃

n---伺服电机额定转速

T]——传动系统总效率

代入公式可得

0.1122X2000

P=——~——=0.0564KW

z9535.4X0,417

通过查表可得，选择符合条件的有制动器的中惯量A4系列电机MDMA-10,该电

机的部分参数如下表所示:

表4.1MDMA-10部分参数

额定功率为1.0KW

2

电机惯6.79X10-4kg.m

额定转矩北4.8N-m

最大转矩Uc14.4N,m

额定转速V2000r/min

5.2.5最短加速与减速时间

由《机械设计手册可得》，电机加/减速时间以c

二2兀(/“+九).Oh-九o)

一60(—。―

tAC一一加速/减速时间

%---最高转速(r/min)

15

n0——加速初始启动转速/减速终止转速（r/min）

TAC——加速/减速转矩（N・m）

JM----伺服电机惯量（kg•m2）

2

JL——电机轴换算的负载惯性矩（kg-m）

TL——电机轴换算的负载转矩（N-m）

代入公式可得

2兀(6.79+6.55)x10-4X(2000-0)

^AC=________________________________=002s

60x(14.4-0.1122)一,

电机工作时加减速时间为0.1s

则加减速转矩2c

_27roM+/D.(%一如),T

1AC-777777,■

60XtAC

2TT(6.79+6.55)x10-4x(2000-0)

=------------------77：——---------------------F0.1122

60X0.1

=0.31N・mVTAC=14.4N-m

即电机选择合适。

因此，电机选择A4系列伺服电机MSMA-lO(l.OKW)

5.2.6电机工作转速

丝杠工作时螺母的移动速度为u=0.01m/s

则电机工作时转速为

60v60x100

n=---=------------=1200r/min

P5

六、联轴器与键的选择和校核

6.1联轴器的选择

联轴器是用来连接不同机构中的两根轴使之能够共同旋转并且传递扭矩的

机械零件。在高速重载的动力传动中，联轴器还具有缓冲、减振以及提高轴系动

态的作用。联轴器有两部分组成,分别与主动轴和从动轴连接。在本次的设计中，

16

为了提高系统的刚性和传动效率，采用将伺服电机与螺杆直接相连接的方式。由

于该传动系统中电机启动频繁并且经常正反转，因此选择弹性套柱销联轴器。

弹性套柱销联轴器主要有两个半联轴器和带弹性套的注销组成，通过弹性套

传递扭矩，因此弹性套注销联轴器具有局域缓冲减振的作用。弹性套柱销联轴器

制造容易、拆装方便、成本较低，适用于连接载荷平稳，经常正反转或启动频繁

的场合。

7234567

1-半联轴器2-螺母3-垫片4-挡圈5-弹性套6-柱销7-半联轴器

图6.1弹性套注销联轴器

6.2联轴器的校核

电机轴的部分外形尺寸如表5.1所示:

表5.1电机轴的部分外形尺寸

轴径S22mm

键宽KW8mm

键IWJKH7mm

键槽长LW45mm

17

联轴器的计算转矩

Tea=KAT

T——公称转矩（N-m）,此为电机额定转矩

KA——工程情况系数，转矩变化中等的电机的工程情况系数为L7

则联轴器的转矩为

Tca=1.7x4,8=8.16N,m

选用弹性套注销联轴器。

由《机械设计手册》可得，选用LT3联轴器。

主动端：选择与电机轴能过盈连接的Z型轴孔，A型单键平键槽

n=22mmL=52mm

从动轴：与丝杆连接轴孔为Y型，A型单键平键槽

d2=16mmL=42mm

此处对丝杆轴进行扭转强度计算，由《机械设计手册》可得，

实心轴的扭矩为

d-----轴端直径（mm）

T-----轴所传递的扭矩（N,m）

TP——许用扭转剪切应力（N-m）

钢叼=25〜45MPa,取S=30MPa

代入公式得

T34.8