机械手肩关节结构的总体方案设计.doc

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1、 摘 要在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。也正是如此机器手在各个领域应用的日益广泛，许多场合要求机械手具有力控制的能力。此次设计是设计一个可以进行半球轴运动的手肩关节的设计，设计一个多关节机械手（包括2个移动关节，2个转动关节和末端执行机构），配合壳体驱动系统来实现此任务。在机械手工作过程中，通过步进电机带动丝杠转动，从而旋转关节1通过链传动来完成平面内的旋转动作，旋转关节2直接在伺服电机的驱动下完成平面内的旋转动作本次设计工作首先对机械手肩关节的进行了运动学分析（包括运动学方程

2、的建立，运动学方程的正问题、逆问题及其解）。设计内容包括机械手肩关节旋转关节的结构设计，传动部分的设计等。其中，重点是对步进进给系统的设计（包括工作台的设计，丝杠的设计，直线导轨、步进电机和减速器的选取等）。最后对系统中主要部件的刚度、强度等性能参数进行了计算与校核。关键词：机械手肩关节 多关节 运动学分析 步进电机 刚度计算AbstractIn todays large-scale manufacturing enterprises to improve productivity , ensure product quality , universal attention degree of

3、 automation of the production process , industrial robots , as an important member of the automated production line , gradually being recognized and adopted enterprise . This is true in all areas of robot applications increasingly widespread , many occasions asked the robot has the ability to force

4、control . The design can be a hemispherical design hand axis shoulder design, the design of a multi -joint robot ( including the movement of the joint 2 , two rotating joints and the end actuator) , with the housing to achieve this task the drive system . In robotic operation, the screw is rotated b

5、y a stepper motor driven rotary joint so by a chain drive to complete a rotation operation plane , rotating joints 2 to complete the action within the plane of rotation is directly driven by the servo motorThe first robot designed to work shoulder kinematics analysis ( including the establishment of

6、 kinematic equations kinematics equations are problems , inverse problems and their solutions ) . Design elements include structural design robotic rotary shoulder joint , transmission part of design. Among them, the focus is on stepping feed system design ( including design , screw design, linear g

7、uide , stepper motor and gear selection table , etc. ) . Finally, the stiffness, strength and other performance parameters of the system s major components were calculated and checked.Keywords: Robot shoulder Freedom Multi-joint Stepper motor Stiffness calculation目 录摘要Abstract .目录前言11 机械手肩关节结构的总体方案设

8、计41.1 课题的主要内容41.2 课题的研究方案41.3 机械手肩关节结构的总体设计41.3.1 自由度分析41.3.2 机械手肩关节的机构形式4 1.3.3 电机布局分析.42 机械手肩关节运动学分析62.1 机械手肩关节运动学方程的建立62.2 运动学方程的正解72.3 运动学方程的逆解83 传动装置的设计103.1 步进电机及减速器的选择103.1.1 机电领域中步进电机的选择原则103.1.2 旋转关节驱动电机及减速器的选择104 轴的设计与验算164.1 轴的结构设计164.1.1 选择轴的材料164.1.2 初步估计轴径175 轴上零件的选择与计算255.1 键的选择与键联接强度

9、校核255.1.1 大臂末端电机轴上键的选择与校核255.1.2 轴上矩形花键的选择与校核265.1.3 小臂电机轴上键的选择与校核265.2 滚动轴承的验算265.2.1 确定轴承的承载能力275.2.2 计算当量动载荷286 步进进给系统的设计与计算296.1 滚珠丝杠的设计296.1.1 材料的选择296.1.2 耐磨性计算296.1.3 螺杆的强度计算306.1.4 螺杆的稳定性计算306.2 丝杠副的选择计算316.2.1 螺母的疲劳寿命计算326.2.2 螺母螺纹牙的强度计算336.2.3 螺母凸缘的强度计算346.5 联轴器的选择与计算366.5.1 选择联轴器的类型366.5.

10、2 联轴器的主要参数376.5.3 联轴器的计算扭矩37结论39致谢40参考文献4126前 言机器人是近30年来发展起来的一种高科技自动化生产设备。机械手是机器人的一个重要分支。它的特点是可通过变成完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其是体现了人的智能和适应性，机器作业的准确性和在各种环境完成作业的能力。本设计完成了多自由度关节式机械手中手肩关节的的运动方案设计和驱动方式选择，并对机座，手臂等机械装置进行了结构设计。机械手也被称为自动手，能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。

11、我所设计的手肩关节部分是为整个机械手提供半球轴的运动。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由 度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。近年来，随着电子技

12、术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。多关节机械手的优点是:动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作.虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。例如：(1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。(2)在装配作业中应用广泛，在电子行业

13、中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。(3)可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。(4)可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。(5)宇宙及海洋的开发。(6)军事工程及生物医学方面的研究和试验。机械手的发展归功于在第二次世界大战中各国加强了经济的投入。比如说日本，战争以后开始发展汽车工业，那么这时候由于它人力的缺乏，迫切需要一种机器人来进行大批量的制造，提高生产效率降低人的劳动强度，这是社会发展本身的一个需求。另一方面它也是生产力发展需求的必然结果，还是人类自身发展的必然结果。随着人类社会的发展，人们在不断认识和改造自然的过

14、程中，需要能够解放人的一种奴隶。这种奴隶要能够代替人们去从事复杂和繁重的体力劳动，实现人们对不可达到世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。但另一方面，尽管人们有各种各样的好的想法，机器人技术仍归功于电子技术，计算机技术以及制造技术等相关技术的发展，需要其提供强大的技术保证。随着社会的进步，不仅工业机器人技术在制造业领域得到了广泛的应用，同时，特种机器人的用途也越来越广泛，机器人每年收获的农作物达数十亿吨。有的机器人可以上山伐木，有的可以挤牛奶，有的则可以擦玻璃、洗汽车和洗飞机。机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，自20世纪60年代初问世以来，经历40余年的发展已取

15、得长足的进步。走向成熟的工业机器人及各种用途的特种机器人的应用，昭示着机器人技术灿烂的明天。机械手研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国开始研制机械手的控制系统，在1947年产生了世界上第一台主从遥控的机器人，1948年又开发了机械式的主从机械手。在1947年产生了世界上第一台主从遥控的机器人，1947年以后是计算机

16、电子技术发展比较迅速的时期，因此各国已经开始利用当时的一些现代的技术，进行了机器人研究。在1962年美国研制成功PUMA通用示教再现型机器人，那么这就标志着机器人走向成熟，应该说第一台可用的机器人在1947年产生，而真正意义的机器人在1962年产生。相继不久，在英国等国家，也相继研究出一些机器人，那么到了20世纪60年代末，日本人将它的国民经济的汽车工业与机器人进行结合，它购买了美国的专利，在日本进行了再次开发和生产机器人。到20世纪70年代，日本已经将这种示教再现型的机器人进行了工业化，出现了很多公司，现在的像ABB，MOTOMAN，安川公司，还有很多机器人公司像OTC等公司。它们都已经将机

17、器人进行了工业化，进行了批量生产，而且成功的用于了汽车工业，使机器人正式走向应用。在20世纪70年代到20世纪80年代初期，工业机器人变成产品以后，得到全世界的普遍应用以后，那么很多研究机构开始研究第二代具有感知功能的机器人，出现了瑞典的ABB公司，德国的KUKA机器人公司和日本的FUNAC公司。它们都在工业机器人方面具有很大的作为，同时我们也看到机器人的应用在不断拓宽，它已经从工业上的一些应用，扩展到了服务行业，并且扩展了它的作业空间，已经在海洋空间和服务医疗等行业的进行使用。我们国家在机器人的研究，是在20世纪70年代后期，当时我们在国家北京举办一个日本的工业自动化产品展览会，在这个会上有

18、两个产品，一个是数控机床，一个是工业机器人，这个时候，我们国家的许多学者，看到了这样一个方向，开始进行了机器人的研究，但是这时候研究，基本上还局限于理论的探讨阶段，那么真正进行机器人研究的时候，是在七五、八五、九五、十五将近这二十年的发展。发展最迅速的时候，是在1986年我们国家成立了863计划是高技术发展计划，就将机器人技术作为一个重要的发展的主题，国家投入将近几个亿的资金开始进行了机器人研究，使得我们国家在机器人这一领域得到很快地、迅速地发展。目前主要单位像中科院沈阳自动化所，原机械部的北京自动化所，像哈尔滨工业大学，北京航空航天大学，清华大学，还包括中科院北京自动化所等等的一些单位都做了

19、非常重要的研究工作，也取得了很多的成果，而且目前这几年来看，我们国家在高校里边，有很多单位从事机器人研究，很多研究生和博士生都在从事机器人方面的研究，目前我们国家比较有代表性的研究，有工业机器人，水下机器人，空间机器人，核工业的机器人，都在国际上应该处于领先水平，总体上我们国家与发达国家相比，还存在很大的差距，主要表现在，我们国家在机器人的产业化方面，目前还没有固定的成熟的产品，但是在上述这些水下、空间、核工业，一些特殊机器人方面，我们取得了很多有特色的研究成就。就目前来看，我们应从生产和应用的角度出发，结合我国国情，加快生产结构简单、成本低廉的实用型机器人和某些特种机器人。1 机械手肩关节结

20、构的总体方案设计1.1 课题的主要内容本次课题的主要内容是设计一个进行半球轴运动的机械手肩关节(包括1个转动关节)。1.2 课题的研究方案针对机械手需要进行的运动，所设计的肩关节需能够进半球运动。机械手肩关节旋转关节1，旋转关节2和执行机构组成。移动关节安装在直线导轨上，通过电机带动丝杠的转动来完成机械手前后方向的移动。旋转关节1的动作是通过链传动来完成的。执行机构设计为可以绕轴转动的圆柱型内空结构，以便与壳体内部形状吻合并且大大减轻机构重量。通过减速器使其达到理想的旋转速度。1.3 机械手肩关节结构的总体设计1.3.1 自由度分析整个机械手臂安装在一个机架上，回转角度是-120，120；肩关

21、节为转动关节，回转角度0，120。所设计部分系统共有2个自由度，分别为基座的回转旋转、肩部俯仰。1.3.2 机械手肩关节的机构形式基座的回转可以进行-120-120的回转，实现除基座以外机构的转动（腰部）；与基座相连的转动肩关节，可以带动大臂，小臂，手腕及工件的上下转动，幅度较大，可以满足0-120的俯仰要求（肩部）；与此相连部分为肘部，接着下去手腕的是俯仰机构和摆动机构，也可实现上下俯仰动作，也可完成左右摆动，分别实现手爪的俯仰和摆动。机构采用齿轮传动控制各自由度的动作，简单方便且功率大，各自由度之间相互联系且独立，动作时互不干涉。根据功能要求，在设计肩部机构实现肩关节的转动动作，电机转动，

22、带动减齿轮传动机构，从而实现肩关节的旋转运动底部回转关节底部外安放一驱动电机1，驱动内部涡轮2涡杆3传动装置，实现竖直主轴4的转动，从而实现大臂5，小臂6等工作部分的旋转自由度，如图3-1底部部设计,内部传动，如图3-3底部部内部传动设计。图3-1底部设计1-电机1 5-大臂图3-3腰部内部传动设计2-蜗杆 3-涡轮 4-主轴大臂和小臂转动关节在大臂与肩部连接关节处安装一驱动电机7，带动与之相连的小齿轮8旋转，进而带动与小齿轮8啮合的大齿轮9旋转，大齿轮旋转使得与之相连的轴10旋转，这样最终转动大臂5，机构设计如图3-3大臂传动设计。而小臂与大臂之间用一同步带11（黑色）连接，当大臂5上轴旋转

23、，便经由同步带使得小臂6的轴旋转，最终使得小臂6旋转起来，设计如图3-4小臂传动设计。 图3-3大臂传动设计7-电机 8-小齿轮 9-大齿轮 10- 传动轴 11-同步带1.3.3 电机布局分析 机器人的结构布局，对其综合性能有很大影响。首先看一下机器人本体主要部件的布局。按照腰部关节转动的电机1就安装在机座上；但是对于驱动肩关节的电机2则应该放置到底座部件上边。如果把电机2也同样安装在机座上，那么它的传动则是一个问题，因为电机1和电机2均在机座上，并且都要传动到腰部和肩关节，无疑会增加基座和腰部的体积，而且在丝杆的传动中可以到达很高的速度，故把电机2安装在机器人的顶部直接驱动齿轮。机器人的肘

24、关节是通过同步带传动，对于腕部的转动，则因为其需要的扭矩较小，故电机3的体积小，质量小，按照就近原则,将其安装在小臂上，腕部的摆动依靠电机4传动齿轮实现，电机4安装把其放在手腕的末端。2 机械手肩关节运动学分析机器人操作手通常为开链空间连杆机构，各杆件间通常用转动副和移动副相连接。开链一端安装在机座上，另一端为末端执行器。各关节由驱动器驱动，关节的相对运动导致连杆的运动，进而确定了末端执行器在空间的位置和姿态。齐次变换是解决机器人操作手运动学的数学工具。2.1 机械手肩关节运动学方程的建立表示机器人操作手的每个杆件在空间相对于基础坐标系位置和姿态的方程，称为机器人操作手的运动学方程。要描述机器

25、人操作手每个杆件的空间位姿，需要使用以下直角系。 绝对坐标系，即建立在工作现场地面的坐标系。 机座坐标系，即建立在机器人上的坐标系，它是机器人各活动杆件的公共参考坐标系。通常在研究问题时，认为机座相对于工作地面是静止的，因此又将机座坐标系称为固定坐标系或基础参考系。 杆件坐标系即建立在机器人指定的活动杆件上的坐标系。它与活动杆件相固连，随杆件一起运动，因此又称其为活动坐标系或当前坐标系。 末端执行器坐标，即末端杆，因此相应坐标系均转为杆件坐标系。在研究具体问题时，常将机座看为操作机的第0号杆件，即首端杆，而将末端执行器视为最后一个杆，即末端杆，因此相应坐标系均转为杆件坐标系。若一个机器人操作手

26、有n个杆组成，各杆件编号从机座到末端执行器依次为0，1，2，3，n，则可以写出变换方程3： (2.1)式中：，n)两杆件的相对变换矩阵。依据上述变换方程，即可求出任一杆件相对机座坐标系的位姿，得到相应的运动学方程。确定相临两杆间的变换矩阵是建立机器人运动学方程的基础。变换矩阵，n)顺序相乘就可得到。因中含有一个关节变量若用广义坐标3则可写成形式，有 (2.2)通常将称为操作手的变换矩阵。显然它是n个关节变量，n)的函数。将(2.2)称为操作手的运动学方程，它表示末端连杆的位姿与关节变量之间的关系。2.2 运动学方程的正解正解问题是指已知各杆的结构参数和关节变量，求末端执行器的空间位姿，即求。按

27、下关节模式确定各杆的A矩阵。所建立的坐标系如下图所示：图2.1 平面三杆机械手建立A矩阵所需要的参数值见下表。表2.1 机械手肩关节的结构参数表杆件号i关节变量iaidicossin100010210010320010=A1= (2.3)=A2= (2.4)=A3= (2.5)则： = A1 A2 A3= (2.6)式中 ； ； ； 。2.3 运动学方程的逆解逆解问题是指已知满足某工作要求时末端执行器的空间位姿，就是已知中各元素的值以及各杆的结构参数，求关节变量。由运动学方程的正解可知中各元素的值以及各杆件的结构参数。求关节变量。由前面可知：= (2.7)根据=，= (2.8)= A2 A3=

28、 (2.9)令(2.8)(2.9)式中两端矩阵第一行第三列元素与第二行第三列元素分别相等，得 (2.10)当工作时，机械手末端位姿如下图：图2.2 机械手末端位姿图因为此时，所以(2.10)式可化简为： (2.11)所以 (2.12)3 传动装置的设计3.1 驱动电机及减速器的选择3.1.1 机电领域中电机的选择原则现代机电行业中经常会碰到一些复杂的运动，这对电机的动力荷载有很大影响。驱动装置是许多机电系统的核心。因此，驱动电机的选择就变得尤为重要。首先要选出满足给定负载要求的电动机，然后再从中按价格、重量、体积等技术经济指标选择最适合的电机2。图3.1 各种电机的T-曲线一般电机选择考虑的问

29、题：(1) 电机的最高转速。(2) 电机的负载转矩。3.1.2 旋转关节驱动电机及减速器的选择1.估算各臂重量上臂 2.5Kg9.8N/Kg=24.5N；前臂 1Kg9.8N/Kg=9.8N；手部 0.5Kg9.8N/Kg=4.9N。2.旋转关节1驱动电机及减速器的选择故驱动关节1选用步进电机55BF009 减速器型号：PLS142HP 减速比i=643.旋转关节2驱动电机及减速器的选择故驱动关节2选用步进电机55BF003 减速器型号：WPLE60 减速比i=804 轴的设计与验算 对于传动轴，除重载轴外，一般无须进行强度计算，只进行刚度计算。 轴在载荷的作用下会产生弯曲和扭转变形，当这些变

30、形超过某个允许值时，会使机器零部件工作状况恶化，甚至使机器无法正常工作，故对精密机器的传动和对刚度要求高的轴，要进行刚度校核，以保证轴的正常工作。轴的刚度分为扭转刚度和弯曲刚度两种，前者是用扭转角来度量，后者是用挠度和偏角来度量。轴在受载的情况下会产生弯曲变形，过大的弯曲变形也会影响轴上零件的正常工作，对于工作要求高的精密机械如机床，如安装齿轮的轴，会因轴的变形影响齿轮的啮合状态几工作平稳性；轴的偏角会使滚动轴承的内外圈互相倾斜，如偏转角超过滚动轴承的允许的转角，就显著降低滚动轴承得寿命；会使滚动轴承所受的压力集中在轴承的一侧，使轴径和轴承发生边缘接触，加剧磨损和导致胶合；轴的变形还会使高速轴

31、回转时产生振动和噪音，影响机器的正常工作。又如机床进给机构中的轴，过大的弯曲变形将使运动部件产生爬行，不能均匀进给，影响加工质量。因此，对于精密机器的轴要进行弯曲刚度的校核，他用弯曲变形时所产生的挠度和偏转角来度量，即验算轴的最大挠度及齿轮处的和轴承处的倾角，是否在允许的范围之内。轴的弯曲变形的精确计算较复杂，除受载荷的影响外，轴承以及各种轴上零件刚度，轴的局部削弱等因素对轴的变形都有影响。因此，在计算时都进行了不同程度的简化1。4.1 轴的结构设计4.1.1 选择轴的材料轴的主要材料是经过轧制或锻造的优质中碳钢和合金钢。为了提高轴的强度（尤其是疲劳强度）和耐磨性，可对轴进行热处理或化学热处理

32、，以及表面强化处理等。故轴的材料选用45，正火处理。4.1.2 初步估计轴径在轴的设计时，必须知道轴的基本直径，基本直径可按转矩估算法来估计。根据轴上所受的转矩估算轴径，至于弯矩对轴强度的影响，用降低许用剪切力的办法来加以考虑估算公式1为：dAmm (4.1)式中 d危险截面的直径(mm)； T转矩(Nm)； 许用剪切应力(N/mm2)； A材料系数； P轴所传递的功率(KW)； N轴的转速(r/min)。查表得取A=110。（因轴端受弯矩，A取平均值）5 轴上零件的选择与计算5.1 键的选择与键联接强度校核键是一种标准零件，通常用来实现轴与轮毂之间的周向固定以传递转矩，有的还能实现轴上零件的

33、轴向固定或轴向滑动的导向。键联接的主要类型有：平键联接、半圆键联接、楔键联接和切向键联接。键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面。键的类型应根据键联接的结构特点、使用要求和工作条件来选择；键的尺寸则按符合标准规格和强度要求来取定。键的主要尺寸为其截面尺寸(一般以键宽b键高h表示)与长度L。键的截面尺寸bh按轴的直径d由标准中选定。键的长度L一般可按轮毂的长度而定，即键长等于或略短于轮毂的长度；而导向平键则按轮毂的长度及其滑动距离而定。一般轮毂的长度可取为L=(1.52)d，这里d为轴的直径。所选定的键长亦应符合标准规定的长度系列。重要的键联接在选出键的类型和尺寸后，还应进行强度校核计算。5.1

34、.1 大臂末端电机轴上键的选择与校核电机轴上键的尺寸 Lbh=45108 l=L-b=45-10=35根据公式(5.1)9进行校核：P=2T103/kldP (5.1)d轴的直径（mm）；l键的工作长度；k键与轮毂的接触高度（mm），平键k=h/2；P许用挤压应力（MPa）。查表得P=120150Mpa 。计算：P=2T103/kld=4T103/hld=4319103/83532=142.4MPaP (5.2)所以键的选择合格。5.1.2 轴上矩形花键的选择与校核轴上矩形花键的尺寸 NdDB=836408根据公式(5.3)9进行校核：P=2T103/zhldmP (5.3)T传递转距(Nm)

35、；各齿间载荷不均匀系数，通常=0.70.8，齿数多时取偏小值；z花键的齿数；h花键侧面的工作高度，矩形花键，h=(D-d/2)-2C,此处D为花键的大径，d为内花键的小径，C为倒角尺寸；dm花键的平均直径，矩形花键，dm=D+d/2；l齿的工作长度（mm）；P许用挤压应力（MPa）。查表9得P=120200Mpa。计算：P=2T103/zhldm=289.44103/0.758110338=7.6MPaP (5.4)所以键的选择合格。5.2 滚动轴承的验算旋转着的轴承，内外圈滚道及滚动体经受着迅速变化的接触应力，当工作循环达到一定次数后，接触表面可能发生疲劳点蚀。这是滚动轴承的主要失效形式。对

36、于静止的、极慢转动的轴承，在很大静载荷作用下，会因接触点处产生的局部应力超过材料的屈服点，导致滚动体或内、外圈滚道表面产生塑性变形。这是一种静强度不足的失效。此外，由于使用维护不当或润滑密封不良等，可能引起磨损、胶合、套圈断裂、保持架破坏等其他形式的失效。由失效分析知，对于一般转速()的轴承，应进行防止疲劳点蚀的寿命计算。5.2.1 确定轴承的承载能力已知轴颈直径d=30mm。该轴所承受的轴向载荷。由上面可知轴承1，2所受的径向载荷R1,R2。轴的转速23.4r/min。工作中有中等冲击，工作温度125。要轴承的预期寿命L10h=15000小时，初选深沟球轴承6206。由机械设计手册2查得深沟

37、球轴承6206的Cr=15.0KN，C0=10.0KN。图5.1 轴承的受力分析其中 Ft，Fr。水平支反力：Fay (5.6)垂直支反力：Faz (5.7) 5.2.2 计算当量动载荷由轴承的固定方式知，轴向外载荷F全部由轴承1承受，故A1=FA，A2 (5.10)查表9-52，因为A1/C0 (5.11)插值确定=0.21。由于 A1/R1 (5.12)所以 X1，Y1 (5.13)由表9-72，按传动装置查取。由表9-42，。因轴承不承受力矩载荷，故=1。所以 (5.14 (5.15)6.1 滚珠丝杠的设计滚珠丝杠是以传递运动为主，并要求较高的运动精度。主要应用于金属切削机床进给，分度机

38、构的传导螺旋，摩擦压力机，千斤顶的穿里螺旋。滚动螺旋传动又称滚珠丝杠副，它是在丝杠和螺母的螺纹滚道间放置适量的钢球，当丝杠或螺母相对转动时，钢球沿螺纹滚道滚动，这样，丝杠和螺母之间即为滚动摩擦，起传动效率及精度大为提高。为防止钢球沿滚道滚出，在螺母或丝杠上设有钢球返回装置，使钢球通过此返回装置自动返回其入口处，形成循环路。6.1.1 材料的选择滚珠丝杠通常选用Q275、45、50、Y40Mn等钢，对于重要的传动，要求耐磨性高，需要进行热处理。可选用T12、65Mn、40Cr、40WMn或20CrMnTi等钢。对于精密导螺旋，还需要热处理后有较好的尺寸稳定性，可选用9Mn2V、CrWMn、38C

39、rMoAlA。满足以上要求，故滚珠丝杠选用9Mn2V钢。6.1.2 耐磨性计算滚珠丝杠的磨损与螺纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润滑状态等因素有关。其中最主要的是螺纹工作面上的压力，压力越大，螺纹副间越容易形成过度磨损。因此，滚动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力P，使其小于材料的许用压力P1。假设作用于螺杆的轴向力为F(单位为N)，螺纹的承压面积（指螺纹工作表面投影到垂直与轴向力的平面上的面积）为A(单位为mm)，螺纹中径为d2(单位为mm2),螺纹工作高度为h(单位为mm),螺纹螺距为P(单位为mm),螺纹工作圈数为u=H/P,则螺纹工作面上的耐磨性条件1为：P=

40、F/A=F/d2hHP (6.1)令=H/d2，则H=d2。代入(6.1)中整理后得，d2 (6.2)6.1.3 螺杆的强度计算受力较大的螺杆需进行强度计算。螺杆工作时承受轴向压力（或拉力）F和扭矩T的作用。螺杆危险截面上既有压缩（或拉伸）应力，又有切应力。因此，校核螺杆强度时，应根据第四强度理论1求出危险截面的计算应力=1/A (6.5)6.1.4 螺杆的稳定性计算对于长径比较大的受压螺杆，当轴向压力F大于某一临界值时，螺杆就会突然发生侧向弯曲而丧失其稳定性。因此，在正常情况下，螺杆承受的轴向力F(单位为N)必须小于临界载荷Fcr(单位为N)。则螺杆的稳定性条件为：Ssc=Fcr/F1。其中

41、：Ssc螺杆稳定性的计算安全系数；Ss 螺杆稳定性安全系数，由于该滚珠丝杠为传导螺旋，所以Ss=2.54；Fcr螺杆的临界载荷，单位为N；根据螺杆的柔度1。此处，为螺杆的长度系数。表6.1 不同固定方式的长度系数端部支撑情况长度系数两端固定一端固定，一端不完全固定一端铰支，一端不完全固定两端不完全固定两端铰支一端固定，一端自由0.500.600.700.751.002.00根据设计可知，长度系数为0.50。且临界载荷Fcr可按欧拉公式计算，即Fcr= (6.10)其中：E螺杆材料的拉压弹性模量，单位为Mpa，E=2.06105Mpa；I螺杆危险截面的惯性矩，I=，单位为mm4。6.2 丝杠副的

42、选择计算现国内外文献上对滚珠丝杠副还没有统一的分类，但各国一般是按以下原则进行分类的，普通滚珠丝杠副一般指公称直径d0=16100mm，导程Ph=420mm，螺旋升角9。微型滚珠丝杠副指公称直径d012mm的滚珠丝杠副。对于导程Ph3mm的滚珠丝杠副称为微型小导程滚珠丝杠副，螺旋升角9的滚珠丝杠副称为微型大导程滚珠丝杠副。大导程滚珠丝杠副指公称直径d016mm，螺旋升角179或导程d0Phd0的滚珠丝杠副，对于螺旋升角17称为超大导程滚珠丝杠副。重型滚珠丝杠副指公称直径d0125mm的滚珠丝杠副。滚珠丝杠副按用途分为两类：定位滚珠丝杠副（用于控制轴向位移）和传动滚珠丝杠副（用于传递动力）。本次

43、设计主要是为了传递轴向位移，应选用定位滚珠丝杠副。滚珠丝杠的螺母结构有整体式和组合式。前者结构简单，但磨损增大时轴向间隙无法调整。后者通过调整可以补偿磨损或消除轴向间隙。本次设计采用整体式螺母。具体结构如下图所示：6.2.1 螺母的疲劳寿命计算滚珠丝杠副的主要失效形式是疲劳点蚀，其疲劳寿命的计算与滚动轴承类同。一般按额定动负荷或额定静负荷选用滚珠丝杠副的尺寸规格。滚珠丝杠副已有专业工厂生产。必须的额定动负荷2： (6.13) (6.14)F轴向载荷；载荷系数；硬度影响系数；短行程系数；计算载荷；额定动载荷；要求的使用寿命；n螺杠的转速。根据计算求得的选择滚珠丝杠副的规格，该规格滚珠丝杠的选择滚珠丝杠副的型号为：CDM40003。6.2.2 螺母螺纹牙的强度计算螺