搬运机械手设计.doc

毕业设计

搬运机械手

毕业设计任务书
设计题目： 搬运机械手设计
1． 设计（论文）的主要任务及目标
1） 介绍机械手的作用，机械手的组成和分类，说明自由度和机械手整体座标的形式。
2） 对机械手分别进行齿轮传动的设计和轴的设计。
3） 在确定动力的情况下通过计算分析，选择满足使用功率的步进电机。
2．设计的基本要求和内容
1）了解机械产品的设计方法。
2）完成搬运机械手的设计。
3）完成相应的工程图。
4）撰写毕业设计说明书。结构完整，层次分明，语言顺畅；避免错别字和错误标点符号；格式符合机械工程系学位论文格式的统一要求。
3．主要参考文献
[1]张军,封志辉.多工步搬运机械手的设计[J].机械设计,2004:56-128.  
[2]李明.单臂回转机械手设计[J].制造技术与机床,2004:108-252. 
[3]张展.机械设计通用手册[M].机械工业出版社，2008:202-308. 
[4]闻邦椿.机械设计手册[M].机械工业出版社，2010:82-186.
4．进度安排

设计（论文）各阶段名称
起 止 日 期
1
查阅文献，了解研究目的意义，完成开题报告
2014.12.01至2014.12.31
2
了解搬运机械手的结构形式
2015.01.01至2015.03.10
3
完成搬运机械手设计
2015.03.11至2015.04.30
4
完成相应的工程图设计说明书等整体设计
2015.05.01至2015.05.15
5
撰写毕业设计说明书，准备答辩
2015.05.16至2015.06.10
审核人： 年 月 日
搬运机械手
摘 要：本设计简要介绍了搬运机械手的一些基本概念，介绍了搬运机械手各机械模块系统的组成及结构设计，以及搬运机械手目前在国内外的发展现状和发展前景，并对机械手的控制做了简单的介绍。同时，本设计对搬运搬运机械手各部分组成进行了结构设计和相应的设计计算，结合机械手在实际生产中的作用，系统的设计和介绍了机械手在工作中的动作过程，确定出了机械手所采用的坐标形式和自由度的个数，并且给出了机械手的部分技术参数。本设计着重对搬运机械手的结构与驱动系统做了详细的分析计算，在搬运机械手的控制部分只简单的对PLC的工作原理和过程进行了阐述，并对搬运机械手进行了PLC梯形图程序的编写。
关键词：搬运机械手，三自由度，圆柱坐标
Conveying Manipulator
Abstract:The design introduces some basic concepts of conveying manipulator, describes the composition and structure of the mechanical system of the conveying manipulator design, as well as the manipulator for handling the current status and development prospects of both at home and abroad, and robot control is introduced. Meanwhile, the design for handling robot consists of various parts of the structure and corresponding design, combined with the robot's role in the actual production system design and introduction of the robot in action in the work process, determine the coordinates and the number of degrees of freedom manipulator and manipulator of some technical parameters are given. The design focuses on conveying manipulator structure and drive system to do a detailed analysis, in transporting manipulator control simply work on PLC theory and processes are described, and the PLC ladder program of the conveying Manipulator.
Keywords: Conveying manipulator, Three degrees of freedom, The cylindrical coordinates

目录
1 绪论 1
1.1 搬运机械手的现状及应用 1
1.2 搬运机械手的组成及分类 2
2 搬运机械手的总体设计要求及手部的设计 4
2.1 设计的总体要求 4
2.2 手部的设计原理及要求 5
2.3 手部的设计计算与校核 6
3 手臂的分析与设计 11
3.1 对手臂设计的基本要求 11
3.2 手臂机构的选择与设计 12
3.2.1 手臂直线伸缩运动的驱动力分析与计算 12
3.2.2 液压缸工作压力与结构的确定 14
4 机身的分析与设计 17
4.1 腰部和基座的设计 17
4.1.1 结构设计 17
4.1.2 步进电机的选取 18
4.1.3 轴承的选取 22
4.2 机械传动装置的选取 23
4.2.1 滚珠丝杠的选择 23
4.2.2 谐波齿轮的选择 25
4.2.3 轴的设计和联轴器的选择 26
5 搬运机械手控制系统的概述 28
5.1 PLC的组成和工作原理 28
5.2 机械手PLC梯形图 30
6 结论 32
参考文献 33
致谢 34

36

1 绪论

1.1 搬运机械手的现状及应用

工业机械手是最近几十年迅速发展起来的一种高科技装备。它具有通过计算机编程来完成各种预期动作的特点，尤其体现在仿照人手的智能化和适应性方面。并且机械手在准确性、效率、适用性等方面有着巨大的提升空间。搬运机械手在现代化的机械生产过程中作为一种新兴的自动化机械装置，被广泛的运用到了流水生产线上，机械手的更新换代和制造已经在许多高科技邻域里占有一席之地，是一门发展潜力巨大的机械工程技术，它的快速发展的促进了机械生产制造领域的发展进程，机械手使自动化和机械化两者充分的结合，大大的提高了生产制造的效率。虽然机械手目前还不能实现非常灵活的工作，但它可以长时间的工作和劳动，不会疲劳，不怕危险，同时抓举工件的力气也比人的力气大很多，所以，机械手目前已得到了许多部门的青睐，并在现实生产中得到了越来越广泛地应用。
机械手的主要特点 (1）对环境的适应性非常强，能够代替人类在危险、高温，高压的环境中工作。(2)机械手长时间工作、不会疲劳，可以代替人从事繁重单调的劳动。 (3）机械手的工作和重复定位能力比较强，比较精确，所以可以稳定和提高产品的生产质量，提高生产效率。 (4）机械手通用性比较强，灵活性也不错，能在生产制造的过程中很好的适应不同产品类型的不断变化，从而满足柔性生产的需求。 5)采用机械手可以明显的提高工厂的生产效率，减少了工厂使用的劳动力，大大降低了劳动成本。
目前，国外已经研发出了有触觉和视觉功能的机械手。第二代机械手也即将问世。它们都通过微型电子计算机来实现控制。国外所研制的机械手都安装了传感器，通过传感器能把外界感应到的信号准确的反馈到控制系统，使机械手具有感觉的能力。目前，国外也已经出现了第三代的自动化机械手，它能自行地完成工作中遇到的各种任务，同时它还与电子计算机设备有着着密切的联系，并且在不断的完善中，使其逐渐发展成为柔性制造系统（FMS）和柔性制造单元（FMC）中重要的一环。目前工业上对零部件的精度要求越来越高并且不再要求机械手能适应各种各样的工作环境，所以对机械手的性能也就随之提高。特别是搬运机械手，它对整个系统的集中控制起了十分重要的作用。
  在重工业方面例如钢铁、制铝，等高温而又危险等重体力行业中，就要求实现自动化。为了提高人身安全以及对工作效率的保证，更重要的是对于高重量，件数少，速度慢和人工不能胜任的地方更要要机械手的帮助。
  在轻工业方面机械手主要是用于运输大批量的工件，这种行业的特点是，体积小，件数多，在这种加工生产线，自动线上人力会疲劳而机械手可以一直工作下去，它在加工厂里面也有很大的应用，例如上下料。进一步在程序控制，自动化反馈等方面已经成为一个重要分支。
所以在生产自动化的进程中，机械手在现代工业应用中发挥着越来越重要的作用,大大地改善了工人的劳动环境,显著的提高了工厂的劳动生产率大大的推进了现代工业生产机械化和自动化的进程。

1.2 搬运机械手的组成及分类

机械手主要由执行机构、驱动机构以及控制系统三大部分组成。其组成和实现过程如下图：
（1）执行机构
( 如图1.1所示 ) 行程检测装置
手部
传感装置
被传送物件
驱动部分
传送机构
控制部分

图1.1 执行机构图
① 手部
手臂的前端装着手部。转动轴安装在手臂内部，通过驱动装置把动力传给手腕，从而实现手部的各种动作。根据被夹持工件的外形和大小，通常机械手的手部会有不同型号和尺寸的夹持器，从而满足不同情况下的动作。
② 手臂
手臂有无关节和有关节手臂之分。
手臂作为手部和基座的连接与传动的部件，通常将动力传到手部，使手部完成抓取工件的动作，并将工件放到预先设定的位置。工业上的搬运机械手的支撑杆一般是由驱动手臂运动的部件与动力源(如液压、气压或电机等)相组装，用来完成机械手手臂的各种各样的复杂动作。在第三章会对它进行详细的参数计算，以保证它能支撑旋转式机械手要抓取的工件所受的重量，不会因工件重量过大而折断。
本课题所设计搬运机械手，手臂能完成上升、下降、左转、右转和前伸、后退三个方向上的运动，且都通过行程开关来控制来满足定位的需求。
（2） 驱动装置
驱动装置主要有气动装置、液压装置、电气驱动和机械驱动装置四种。其中液压和气动装置使用的最多，电动机械驱动较复杂，所以用的较少。
液压装置由油缸、油泵、油箱和阀门等装置组成。液压驱动的优点是出力大、体积小，能实现无级变速和自锁，可以停止在任意的位置。缺点是需要配备压力源，系统复杂成本比较高。
气压驱动由气压马达、气压缸、气阀等装置组成。它的优点是集气简单，所需费用少。缺点是发出的动力较小，只有两种位置的动作，不能在中间位置停止，而且产生的噪音较大，装置维护难度较大。
本课题设计的机械手，主要通过液压装置来实现手臂的伸缩和夹紧、放松；通过丝杠螺母来实现手臂的上升和下降，通过步进电机来实现手臂向左、向右方向的旋转。
（3） 控制系统
机械手控制系统主要是由到达位置、工作顺序、动作时间和加速度等要素构成的。机械手控制系统通常采用数字顺序控制。
目前，机械手一般分为三种：第一种是不需要手动操作的通用机械手。第二种是需要手动才能操作的，称为操作机。第三种是用专用机械手。在国外，主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人。本设计的机械手属于第三类机械手。
2 搬运机械手的总体设计要求及手部的设计

2.1 设计的总体要求

设计通用圆柱坐标系机械手及简介控制原理。设计中的搬运机械手每个方向的动作由电机和液压缸进行驱动，并通过行程开关来控制，技术指标如下：
抓取重量：30N~100N
自由度（三个自由度）如下表2.1
表2.1 自由度
动作
符号
行程范围
速度
伸缩
X
400
小于200mm/s
升降
Z
300
小于60mm/s
回转
Φ
0~120°
小于90°/s
手指夹持范围：棒料，直径50~60mm，长度60~80mm
定位精度：±3mm
控制方式：PLC
图2.1为机械手的整体示意图，

图2.1 为机械手的整体示意图

2.2 手部的设计原理及要求

对手部设计的要求：
（1）有适当的夹紧力和自锁能力
在进行工作的时候，机械手的手部应该具有适当的夹紧力，从而能够更好的夹紧被加工工件，并且保证不会损坏到棒料的已加工表面。为防止出现棒料的掉落和意外事故的发生，手部夹持装置应该有自锁功能。
（2）手部应该力求结构简单，重量轻，体积小
机械手腕部的最前边是手部，在工作时，手部有不同的运动状态，所以它的结构、体积和重量会直接影响到整个机械手的工作状况、定位精度以及运动速度等特性。因此，所设计机械手的手部，应该有较轻的重量，较小的体积和简单的结构。
（3）手部需要有足够的开闭范围
对于机械手手部来说，它需要有足够的开闭范围抓取物体。因此，手指开闭的范围要求与工件的尺寸和形状，手指的形状和尺寸等许多因素有关，一般而言，在工作环境的许可下，开闭的范围大一些较好，如图2.2所示。
图2.2 机械手夹持机构原理图

2.3 手部的设计计算与校核

(1)对夹持装置的基本结构作受力分析
设计手部主要是根据手部加在工件上的夹紧力，对于其夹紧力的方向、大小和作用位置都必须进行详细的分析、计算。一般而言，加紧力必须克服工件自身的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性力矩）以使工件处在稳定的加紧状态。
下面对夹持装置的基本结构作受力分析：如图2.3所示，
图2.3 夹持装置的手部结构及受力分析
1——手指 ，2——销轴 ，3——杠杆
通过杠杆3的作用，销轴2产生向上的拉力为F，同时经过销轴的中心O点，两手指1的滑槽对销轴所产生的反作用力分别为和，其力的方向垂直于滑槽的中心线与并指向点，交和的延长线于A和B。
由=0，得=；
由=0，得=
=-
由,得=
h=，
则=2b （式2.1）
其中，a——手指的回转支点到对称中心的距离；
——夹紧工件时手指滑槽的方向与两个回转支点之间的夹角。
综上所述可知，当驱动力F的数值一定，α角增大时，所需的握紧力也随之增大，但是α角如果过大，则会导致拉杆行程太大，以及手部的结构增大，故，最好为.
则，手指对工件的夹紧力的计算公式为：G, （式2.2）
式中，——安全系数，通常取1.2—2.0；
——工作情况系数，主要是为了考虑到惯性力的影响，可近似的估计为，=1+b/a； （式2.3）
其中，a为重力方向的最大加速度；a=，
——运载时工件最大的上升速度；
t ——系统达到最高速度所用的时间，通常取0.03—0.5s；
——方位系数，通过工件位置与手指的不同来选取；
G——被抓取工件所受的重力（N）。
(2)液压缸的选取
表2.2 液压缸的工作压力
活塞上所受的外力F（N）
液压缸的工作压力Mpa
活塞上所受的外力F（N）
液压缸的工作压力Mpa
小于5000
0.8
20000
3.0
5000
1.5
30000
4.0
10000
2.5
50000以上
5.0

设a=50mm，b=100mm，；机械手的响应时间t为0.5s，则
① 取=1.5，
1+b/a=1+0.1/（0.5×9.8）=1.02
=0.5
将已知条件带入：
得，=1.5×1.02×0.5×588N=449.8
② 根据驱动力公式得：
=2×100×（/50=1378N
③ 取η=0.85，
=/η=1378/0.85=1621N
④ 确定液压缸的直径D
选取活塞杆直径d=0.5D，选择液压缸压力油工作压力P=0.8—1MPa，
则
（式2.4）
查机械设计手册得，选取液压缸内径为：D=63mm，
则活塞杆内径为：d=630.5=31.5mm，取整，选d=32mm。
（3）手爪夹持范围计算
为了能够使手爪能张开的角度达到，活塞杆伸缩的长度达到36mm，手指的长度达到90mm，如下图2.4所示，
当手指闭合时，通过机构的所处状态设计出它的最小夹持半径=40，当张角达到时，最大夹持半径可取80mm。
所以机械手的夹持半径为40—80mm。

图2.4 手爪张开示意图

（4）机械手手爪夹持精度的分析
机械手的精度设计要求对工件要能准确定位且精度较高，有较小的重复定位误差和良好的运动稳定性，并且有足够的抓取能力。
机械手能否准确的夹持工件以及能否把工件放到指定的位置，不仅仅是取决于机械手的定位精度，同时也与机械手夹持误差的大小有关。尤其是在不同的品种或小批量的生产中，为了能够保证对不同工件的抓取，必须要对机械手的夹持误差进行分析。

图2.5 手爪夹持误差分析示意图
本设计针对棒料型工件来对搬运机械手的夹持误差精度进行分析，机械手设定的夹持范围为40—80mm，且一般的夹持误差上下浮动不超过2mm。分析过程如下：
所夹持工件的平均半径为：=（50+80）/2=65mm，
手指的长度ｌ=60mm，设V型夹角，偏转角按照最佳的偏转角来确定：
经查阅机械设计手册并计算得，
当时带入得
（式2.5）
故，夹持误差满足设计要求。
3 手臂的分析与设计

手臂是介于手部和机身之间的部分。它的主要作用是支撑手部和所夹持工件并使它们完成指定的动作。手臂的动作应该包括3个方面的运动：升降、伸缩和旋转。通常手臂的升降和回转运动设计在机身处，所以手臂伸缩运动的介绍是本章的重点。
手臂运动的作用主要是：把手部所夹持的工件移动到预先指定的位置上，手臂的每个运动都要依靠各种驱动装置来提供动力，通过分析手臂的受力情况，可知它在工作中所受到的载荷和自身的动作较复杂。所以，在设计机械手臂时，必须考虑它的机械结构、工作范围和工作环境等情况。

3.1 对手臂设计的基本要求

（1）手臂应承载能力大、自重轻、刚度好
①根据受力的情况，合理的选择轮廓尺寸和截面形状；
②合理布置作用力的方向与位置；
③提高支撑刚度和合理选择各支撑点的位置；
④提高配合的精度；
⑤ 合理简化结构。
（2）手臂的运动速度要高，但惯性要小
机械手手臂的运动速度是机械手的主要参数之一，它能够反映出一个机械手的工作能力。对运动速度较快的机械手来说，其最大的运动速度应在1000—1600mm/s，最大的回转角度应在/s内，大部分手臂的平均移动速度为1000mm/s，平均的回转角速度为/s。当机械手的回转速度与移动速度确定时，最简单，最可行的办法就是，在保证强度的情况下，采用轻质材料从而减轻自身的重量。所以，设计出的机械手手臂要尽可能的轻。其中，减小惯量的三个途径分别为：
①在保证手臂强度的条件下使用轻质材料，从而减轻运动件的自身重量；
②减小机械手臂运动件的轮廓尺寸；
③较小回转的半径，在设计机械手的运动顺序是要先收缩再旋转，尽可能的在减小前伸量的情况下进行回转动作。
④驱动系统中设置缓冲装置。
（3）手臂的动作应该简单灵活
用滚动摩擦来替代滑动摩擦，从而减小运动时手臂所受到的阻力。对于悬臂式机械手上的各个零部件应该合理分布，使机械手的重量均匀分配，从而减少对升降支撑轴线上的偏心力矩，保证机械手的运动平稳性，尤其是要避免在运动过程中发生卡死。所以，必须通过计算，使其不能自锁。

3.2 手臂机构的选择与设计

（1）手臂的典型运动机构
常见的手臂伸缩机构有：
①双导杆的手臂伸缩机构；
②双活塞杆液压缸的机构；
③活塞杆和齿轮齿条的结构。
（2）手臂运动机构的选择
通过分析和充分的考虑，该机械手手臂选用双导杆伸缩的结构，采用液压驱动装置，液压缸选择双作用液压缸。

3.2.1 手臂直线伸缩运动的驱动力分析与计算

先进行简单的类比和估算，根据运动的参数对有关机构的尺寸进行的确定，然后进行校核计算，修正计算，得出最终的结构。
在伸缩运动时，双作用液压缸的驱动力主要是用来克服运动中所受到摩擦力、惯性力等几其它的阻力，则双作用液压缸所需的驱动力应该为：
（式3.1）
（1）手臂摩擦力的分析与计算
每种机械结构和每种导向横截面的形状，它们所受的摩擦力是各不相同的，所以要依据具体的情况估计一个值，图3.1是机械手手臂的受力示意图。

图3.1 是机械手手臂的受力示意图
因为结构分配比较对称，所以两个导向杆受到的作用力近似相等，故先计算一个杆上的受力， （式3.2）
（式3.3）
（式3.4）
得，
（式3.5）
（式3.6）
得，
故， （式3.7）
式中，——参与运动的机构所受的总重力（N）
L——所有机械结构和手臂总重量的重心与导向支撑的最前端之间的距离（m）：
a——导向支撑的长度（m）;
——当量摩擦系数，其大小与支撑的横截面积有关。
导向杆选取钢为材料，导向的支撑部件选取铝型材=019×1.5=0.285，=1050N，L=1.56-0.25=1.31m，导向支撑a的选取为0.18m，
将相关数据带入计算得，

①手臂惯性力的计算
该设计要求手臂平动V=5m/min，则，在计算惯性力时，设置启动时间启动速度=V=0.083m/s，
（式3.8）
=45.5N
②密封装置的摩擦阻力
每一种密封圈所受到的摩擦力都不一样，在设计手臂时，我们选取了O型密封圈，当双作用液压缸的工作压力10MPa时，液压缸上密封圈处所受到的摩擦力近似为：=0.03F。
经过上述分析计算后，最终得出液压缸所需要的驱动力为：
F=0.03F=6210N （式3.9）

3.2.2 液压缸工作压力与结构的确定

通过上述分析，最终得出液压缸所需要的驱动力F=6180N，通过查询机械设计手册后，选取双作用液压缸的工作压力为：P=2MPa。
（1）确定液压缸的结构尺寸:
图3.2为双作用液压缸的示意图，

图3.2 双作用液压缸的示意图
当油进入无杆腔时，
/4， （式3.10）
当油进入有杆腔时，
， （式3.11）
则，液压缸的有效面积为：
S=F/， （式3.12）
故有，
(无杆腔) （式3.13）
（有杆腔） (式3.14)
由F=6210N，=2Pa，选择的机械效率为=0.95，
将相关数据带入后得：
（式3.15）
根据机械设计手册中标准液压缸内径系列表，选择D=80mm。
（2）液压缸外径的设计
根据装配及其他方面的因素，考虑到液压缸的壁厚在7.5mm，所以，该液压缸的外径为77mm。

（3）活塞杆的计算与校核
活塞杆的尺寸要满足活塞运动的强度要求，对于杆长L为直径d的15倍及以上的活塞杆还应该有足够的稳定性。
按照直杆拉、压强度计算：
（式3.16）
即 ， （式3.17）
本设计中的活塞杆选取材料为钢，故=100MPa，经初步计算，取d=18mm，L=1360mm，由于L15d，则需校核其稳定性。
稳定的性条件是,
式中为临界力；为安全系数，一般取2—4。
其中,
式中，E是活塞杆的弹性模量，一般取MPa；S是活塞杆的横截面积；是活塞杆的柔度系数，查机械设计手册得，取85。
故可计算得，则
所以，活塞杆有足够的稳定性！

4 机身的分析与设计

4.1 腰部和基座的设计

4.1.1 结构设计

通过安装在支座上的步进电机和谐波齿轮直接驱动带动机座转动，从而实现机械手的旋转运动，通过安装在顶部的步进电机和联轴器带动滚珠丝杠转动实现手臂的上下移动。在丝杠的两边装有两根导向轴，既保证了机械手手臂能够随机座一起转动，又能保证实现平稳的升降运动。导向轴选用钢材，从而在减小重量的同时节省成本，其设计结构如下图2-10。

1——底座，2——步进电机，3——齿轮，4——基座
5——支架，6——滚珠丝杠，7——导向柱，8——联轴器
图4.1 腰部和基座结构图

1——底座，2——步进电机，3——圆锥滚子轴承，4——带，5——外壳
6——行程开关，7——柔轮，8——波发生器，9——刚轮
图4.2 环形轴承的机器人机座

4.1.2 步进电机的选取

步进电机是一种将电脉冲信号变换成为相应的角位移或者制线位移的机电执行元件。在正常使用的情况下，每当输入一个电脉冲，步进电机就转动一个角度，前进一步。没输入一个脉冲信号，电机就转动一个步距角，因此，这种电动机就称为步进电动机。又因为它输入的既不是正弦交流电，也不是恒定的直流电，而是电脉冲信号，所以被叫做脉冲电动机。步进电机的转速、角位移与脉冲信号的频率和脉冲数成正比，负载变化对它没有影响，步进电机按照脉冲信号转动相应的角度被称为“步距角”也被叫做步距，步进电机每转过一个步距角的角度是固定不变的，它的大小与绕组的相数、转子的齿数和通电方式有关系。目前我国步进进电机步剧角为0.36到90给几个脉冲信号走相应的角度。因此人们通常是通过控制脉冲个数来控制角位移角度，进而达到目的的准确定位；同时控制电机转动的速度和加速度也可以通过控制脉冲频率来实现，从而实现调速。
步进电机是一种感应电机，它有单相轮流通电、双向轮流通电和单双向轮流通电等方式。定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。“单”是指每次切换前后只有一组绕组通电；“双”是指每次有两相绕组通电。步进电机是动力源，是机电一体化很重要的部件，在各种自动化控制系统中被广泛应用。随着现代化电子元器件的微小化和计算机技术的快速发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个行业的经济领域应用都非常广。
搬运机械手在升降和旋转方向的运动均由步进电机提供动力，为了有根据的选取合适的步进电机作为动力源，对不同的驱动方式进行详细的对比，通过对比，可以得出，用步进电机作为动力源有许多的有点。如方便进行控制，定位比较精确，可通过编程进行重复动作等，接下来就开始选择步进电机的型号。
初步选择的电机为BF反应式步进电机，型号为：90BF001。下表4.2为它的一些详细的参数：

表4.2 电机参数表
步进的电机型号
电机相数

电机的步距角
/（°）
电压
/V
最大静转矩
/N·m(Kgf·cm)
最高的空载启动频 率
/HZ
正常工作频率
/HZ
转子转动惯量
10Kg·m
分配方式
质量
/Kg
90BF001
4
0.9
80
3.92
2000
8000
17.64
四相八拍
4.5
（1）传动系统等效转动惯量计算
每个传动的就够都折算到步进电机轴上所得的总转动惯量，就是传动系统等效转动惯量。
①电机转子转动惯量的折算
查表得出，=1.764㎏•cm2
②联轴器转动惯量的折算
（式4.1）
其中： D是圆柱体的直径（cm）, 是圆柱的质量（Kg），L是圆柱体的长度。
对于钢材，材料密度为,把数据代入上式得：

③滚珠丝杠转动惯量的折算
查表可知，滚珠丝杠的转动惯量为0.94•cm2/m，又因为滚珠丝杠的长度L＝380mm，所以滚珠丝杠转动惯量为=0.94×0.38=0.357•cm2；
④手臂转动惯量的折算
因为工作台是可以移动的，所有它的移动使的惯量必须折算到滚珠丝杠的轴上，则其折算后的转动惯量可按下式进行计算： （式4.2）
其中，是滚珠丝杠的导程（cm）；是工作台的质量（kg）。
所以：
⑤系统等效转动惯量计算

（2）验算矩频特性
步进电机的最大静转矩就是指电机的定位转矩，查表得，。步进电机的名义启动转矩与最大静转矩的关系为：
（式4.3）
查表得，＝0.707。所以，
所以步进电机所需要的空载启动力矩的计算如下：
（式4.4）
式中：是空载时的启动力矩（N•cm）；为空载启动时运动机构从静止提速到最大快进速度，折算到步进电机轴上的加速力矩（N•cm）；为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩（N•cm）；
有关的各项力矩值计算如下：
①加速力矩
（式4.5）
（式4.6）
（式4.7）

② 空载摩擦力矩
（式4.8）
其中：取＝0.8

③ 附加摩擦力矩
（式4.9）
其中：是未预紧时滚珠丝杠传动的效率，故取＝0.96。

所以，步进电机所需空载启动力矩：
（式4.10）
初选电机型号时应该满足步进电机所需要的空载启动力矩小于等于步进电机的名义启动力矩，即
从上式可知电机初步满足要求。
（3）启动矩频特性校核
步进电机的启动一般分为突跳启动和升速启动两种。突跳启动使用较少。升速启动就是步进电机从速度为零开始慢慢加速，在速度为零时，他的启动频率也是零。并且在一定的时间里，根据一定的加速规律进行加速。当启动完成时，步进电机的速度也就达到了最高。
查表得，步进电机150BF002的启动频率为
，
所以所选用的电机不会丢步。
（4）运行矩频特性校核
步进电机的最高快进运行频率可按下式计算：
（式4.11）
式中：为运动部件最大快进速度。算得。
快进力矩的计算公式：
（式4.12）
带入数值得：
。
查运行矩频特性图，可得：
快进力矩＝对应的允许快进频率；
所以,所用的电机都满足快速进给运行矩频特性要求。
经过上边的计算与分析，本设计选取的步进电机90BF001是适合使用的，能完成所需要的动作过程。

4.1.3 轴承的选取

（1）基座的支撑部件选用环形轴承，它相比其它轴承的特点是：直径较大但宽度较小，而且精度也比较高，刚度较大、既能承受径向力和轴向又能承受倾覆力矩。
（2）圆锥滚子轴承安装在滚珠丝杠的下面，它的型号为30204，具体的参数如下：

表4.3 轴承参数表

轴承代号

基本额定
极限转速
r/min
动载荷Ca
/KN
静载荷 /KN

脂润滑
油润滑
30204
28.2
30.5
8000
10000

4.2 机械传动装置的选取

4.2.1 滚珠丝杠的选择

假设滚珠的使用寿命为Lh = 15000 h 左右，可靠度为95%，精度是3级精度。
（1）计算载荷
Fc = （式4.13）
查机械设计手册，得
= 1.1 ， = 1.0 ，=1.61 ， = 1
Fc =
= 1.11.01.6111000
= 1771 N （式4.14）
=
=
= 19559 N （式4.15）
（2）选择滚珠丝杆副的型号
滚珠丝杠是机械产品上将回转运动转化直线运动最适合的部件。滚珠丝杠由螺杆、螺母、钢球、预压片、反向器、防尘器组成。它的功能就是转化运动即将旋转运动转化成直线运动，这是艾克姆螺杆的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滑动动作变成滚动动作。滚珠丝杆都用滚动轴承支承。可用的滚动轴承种类很多。就目前工业上普遍来说，主要用到二种，一种是推力角接触轴承，这种轴承可以组配，摩擦力矩较小小；另一种是滚针-推力圆柱滚子组合轴承，这种，多用于重载，轴承刚度大。
滚珠丝杠是许多机器中常见的传动部件，它的主要作用是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率等优点它的传动效率高达85％-98％，是滑动丝杆副的2-4倍雇主丝杆副的摩擦角小于1，因此不自锁。因此设计的旋转式机械手的升降装置上必须有制动装置。滚珠丝杆由于受到的摩擦阻力很小，因此滚珠丝杠被大量应用于各种各样的工业设备如车床，铣床等和精密仪器上面如光学仪器上面。
主要尺寸为：
按= 19559N，查机械设计手册，选取的滚珠丝杠的系列代号为FYC1-4008-2.5。
= 40 mm , =8 mm , =4 mm , d = 39mm，滚珠直径d0=3.969mm
滚道半径 R=
偏心距 e== （式4.16） 丝杠内径
（式4.17）
≤27 mm , =24000 N , =1880 N
螺旋导程角 γ = arctan = arctan = 3º38′（式4.18）
螺杆不长，无需验算稳定性。
（3）刚度验算
根据最差的情况进行考虑，则在螺距(导程)内受轴向力引起的弹性变形与受转矩引起弹性变形方向一致时的变形量最大，具体计算如下：
= + （式4.19）
式中 T1 = ··tan( γ+)
= 1000tan(+)
= 1321 N·mm
磨擦系数f = 0.025, 当量磨擦角 = ，
剪切弹性模量 G=8.33 N/m