焊接机器人工作站工作滑台与丝杠传动设计

机电产品综合实践说明书(论文)题目焊接机器人工作站工作滑台与丝杠传动设计课程名称机电产品综合实践院（系、部、中心）机械工程学院专业机械电子工程班级 K机械电子091 学生姓名魏俊学号 240090210 设计地点工程中心2-206 指导教师刘极峰袁建宁南京工程学院目录一、课程设计任务书 (2)1、课程设计应达到的目的 (2)2、课程设计题目及要求 (2)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〕 (2)二、焊接机器人工作滑台滚珠丝杠选择与设计 (3)1. 焊接机器人工作滑台滚珠丝杠选择 (3)2．丝杠选择数值计算过程： (7)三、机器人工作滑台与滚动导轨副选择与设计 (14)1. 直线运动滚动导轨副的特点及要求 (14)2．滚动导轨副的分类 (15)3. 导轨的结构和作用 (15)4. 直线滚动导轨副的计算 (16)5. 滚动导轨的润滑与防护 (17)6 滚动导轨装配图 (18)四、控制系统的设计 (18)1．负载等效转动惯量的计算 (18)2．步进电机的选择 (19)3．步进电动机的驱动与控制 (20)4．程序的编制 (20)5. 硬件接线示意图 (21)五、参考资料 (21)机电产品设计课程设计报告一、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。

图1 内循环示意图1—凸键2、3—反向键②外循环式外循环方式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。

如图2，（a）为螺旋槽式外循环（b）为插管式外循环。

优缺点：结构简单、制造容易、但径向尺寸大，且弯管两端耐磨性和抗冲击性差。

图2 外循环示意图（a）螺旋槽式：1—套筒；2—螺母；3—滚珠；4—挡珠器；5—丝杠（b）插管式：1—弯管；2—压板；3—丝杠；4—滚珠；5—滚道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，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。

①如图3，为双螺母垫片调隙式，改变垫片的厚度，使内外两个螺母产生轴向相对位移。

图3 双螺母垫片调隙式结构优缺点：这种调隙方式能精确地调整预紧量，结构简单，刚度高，工作可靠，但调整不方便，滚道磨损时不能随时进行调整。

②如图4，为螺纹调隙式，转动调整螺母1，使螺母2产生轴向位移。

图4 双螺母螺纹调隙式结构 1、2—锁紧螺母优缺点：这种调隙方式结构简单，调整方便，滚道磨损时可随时进行调整，但预紧量不很准确。

③如图5，为齿差调隙式，通过调整螺母端头上的外齿相对内齿的啮合角度来消除间隙。

图5 双螺母齿差调隙式结构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。

如下图：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。

2．丝杠选择数值计算过程：（1）上滑台丝杠的设计计算焊接机器人质量NQ 12101=，上滑台质量N Q 3003=，最快速度s mm v /120max =，滑台移动最大距离mm L X 2210=，轴向移动误差小于等于mm 05.0±，使用寿命h T 15000=，丝杠副的工作载荷：N N N Q Q F X 1510300121031=+=+=（1） 丝杠副的设计计算：滚动丝杠摩擦系数：009.0=f滚动丝杠摩擦力：N f F F X f 6.13009.01510=⨯=⨯=设：让滑台在0.1秒内加速到0.12 m/s由 at v v t +=0即 1.0012.0⨯+=a2/2.1s m a =牵引力：N ma F Q 8.1848.9/2.11510=⨯==总工作负载：N F F F Q f 4.1988.1846.13=+=+=设传动效率：%92=ηN F F m 6.21592.0/4.198/===η轴向载荷计算公式： m A H F C F K K K F =式中F K ----载荷系数，按下表查得，取F K =1.1H K ----硬度系数，按下表查得，取H K =1.0A K ----精度系数，按下表查得，取A K =1.0求得载荷N F K K K F m A H F C 2.2376.2150.10.11.1=⨯⨯⨯==（2）根据寿命条件计算额定动载荷aC '，初选导程mm L 5=，可得m i n/144060*5/120/r L V n m === 431067.1'⨯'=h m C a L n F C N 4.25841067.11500014402.23743=⨯⨯⨯= （3）根据必须的额定动载荷aC '选择丝杠副尺寸，由a C ≥a C '查南京装配公司丝杠标准手册得如下规格：考虑各种因素，初选FEZD4005—3内循环浮动式垫片预紧滚珠丝杠副，其中：N C a 13000= N C oa 40600=公称直径：mm d m 40=导程：mm L 50=螺旋角：'162))40/(5arctan( ==πλ滚珠直径：mm D W 5.3=圈数×列数：1×3螺纹滚道半径：R =0.52W D =0.52×3.5= 1.82mm偏心距：e =0.707(R -W D /2)=0.707×(1.82-3.5/2)=0.049mm丝杠底径：1d =m d +2e -2R = 40+2×0.049-2×1.82=36.46mm（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cr Fcr F =()22l EI a μπ 式中 E ----丝杠的弹性模量，对于钢E =206GPa ；a I ----丝杠危险截面的轴惯性转矩，a I =644d π=464100867.064003646.0m -⨯=⨯π； μ----长度系数，两端用铰接时，μ=2/3；取丝杠长： l =2.7m所以 cr F =()22l EI a μπ=()26927.23/2100867.010206⨯⨯⨯⨯⨯-π=5.44×410N 故 3.2526.2151044.54=⨯=m cr F F ＞＞[S]=2.5～3.3(参考下表)，丝杠是安全的不会失稳。