3502数控机床上下料机械手设计水平多关节型工业机器人设计—机身与大臂结构及控制系统设计1.doc

全套设计联系QQ2947387549（任务书开题报告 说明书 CAD图 UG图等）数控机床上下料机械手设计水平多关节型工业机器人设计机身与大臂结构及控制系统设计摘 要 工业机器人是综合了机械、电子、计算机、传感器、控制技术、人工智能、仿生学等多种学科的复杂智能机械，它开始应用于汽车制造行业，用来进行焊接、搬运、喷涂和上下料等工作。本次进行的设计题目为水平多关节型工业机器人设计-机身与大臂结构及控制系统设计。设计内容包括了机械系统设计、电力驱动设计以及控制系统三大部分的设计。 本次设计的机器人结构形式为水平多关节式，其最大持重为2.0kg，运动范围为大臂180°、小臂115°、手腕300°、垂直距离100mm，采用了电机驱动，本次设计的控制系统是以MCS-51系列单片机为核心的控制系统。关键词机身；大臂；控制系统Abstract The industrial robot is a combination of mechanical, electronic, computer, sensor, control technology, artificial intelligence, intelligent machinery bionics and other disciplines, it began to be used in the automobile manufacturing industry, used for welding, spraying and handling, loading and unloading work. This design topic for the level of industrial robot design: the fuselage and arm structure and control system design. The design includes the design of mechanical systems, the design of three most of the electric drive control system. The robot design and structure form of the design for the SCARA type, the maximum stable 2.0kg, arm movement range is 180 degrees, 115 degrees of small arm, wrist 300 degrees, a vertical distance of 100mm, the motor drive control system, the design of the control system based on MCS-51 MCU. Keywords：Fuselage；Boom ；Control Systems目 录1. 前 言11.1 课题来源及研究意义11.2 国内、外发展状况11.2.1 国内发展状况11.2.2 国外发展状况21.3 设计任务的主要内容与要求31.3.1 设计内容31.3.2 设计要求31.4 设计的主要技术指标和参数32. 工业机器人工程概述42.1 工业机器人应具备的系统功能42.2 工业机器设计中总体方案的论证42.2.1 确定负载42.2.2 驱动方式42.2.3 传动系统设计42.2.4 工作范围42.2.5 运动速度52.3 机器人机械传动原理53. 机械部分的结构设计与计算63.1 机身部分结构设计63.2 大臂的结构设计63.3 机械部分设计计算73.3.1 选择电动机73.3.2 步进电机的控制123.4 同步带部分传动设计计算123.4.1 一级同步带传动计算123.4.2 二级同步带传动计算153.5 轴系零件的设计计算173.6 滚珠丝杠的设计计算173.6.1 求计算载荷173.6.2 计算额定动载荷183.6.3 选择滚珠丝杠副183.6.4 稳定性验算183.6.5 刚度验算193.6.6 效率验算203.6.7 滚珠丝杠的精度标准214. 电气系统设计214.1 工业机器人的计算机控制系统214.2 控制系统硬件电路设计214.2.1 确定硬件电路总体方案214.2.2 MCS-51单片机硬件结构的特点224.3 MCS-51单片机的引脚描述及片外总线结构234.3.1 单片机型号的选择234.3.2 程序存储器扩展电路254.3.3 静态数据存储器扩展264.4 8155可编程并行I/O扩展接口284.4.1 8155芯片介绍284.4.2 8031单片机和8155接口294.5 由8155构成的键盘、显示器接口电路30总 结35参考文献36致 谢37 QQ2947387549海量机械模具数控方向毕业设计 课程设计 承接定制QQ29473875491. 前 言1.1 课题来源及研究意义 我的课题是水平多关节型工业机器人设计机身与大臂结构及控制系统设计。课题来源是教师自拟。 随着改革开放中国经济的腾飞，我国现代工业化进程的不断加快，加之产业结构调整升级及劳动力成本的不断增加，工业机器人在制造业的普及已是一个必然的趋势，而水平多关节工业机器人就是工业机器人中非常热门的一种机器人。水平多关节机器人具有四个轴和四个运动自由度：X,Y,Z方向的平动自由度和绕Z轴的转动自由度，广泛应用于电子产品工业，汽车工业，塑料工业，药品工业和食品工业等领域，用以完成搬取，装配，喷涂，焊接等操作。1通过本次课题研究，可以使我对水平多关节机器人有一个深入的了解和认识，系统的把理论知识和实践环节进行一次紧密的结合，提升我的实践能力，为顺利走上工作岗位铺上坚实的基石。1.2 国内、外发展状况1.2.1 国内发展状况 我国的机器人技术研究起步较晚，但进步较快，已经在工业机器人、特种机器人和智能机器人等方面取得了一定的成就。通过科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人。但是与世界发达国家相比，还有一定的差距，如可靠性低于国外产品，应用领域窄，生产线系统技术与国外差距大。我国目前从事机器人研发和应用工程的单位相对较少，工业机器人的拥有量远远不能满足需求量，长期大量依靠从国外引进。虽然称作“机器人”，但从研发和应用来看，我国现有的机器人只能称作单一的机器单元，还未能充分体现出智能化、系统化、可重构化、网络化的要求。2 国家下一步的发展思路，将发展以工业机器人为代表的智能制造，以高端装备制造业重大产业长期发展工程为平台和载体，系统推进智能技术、智能装备和数字制造的协调发展，实现我国高端装备制造的重大跨越。具体分两步进行：第一步，20122020年，基本普及数控化，在若干领域实现智能制造装备产业化，为我国制造模式转变奠定基础；第二步，20212030年，全面实现数字化，在主要领域全面推行智能制造模式，基本形成高端制造业的国际竞争优势。 工业机器人市场竞争越来越激烈，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，加快工业机器人的研究开发与生产是使我国从制造业大国走向制造业强国的重要手段和途径。未来几年，国内机器人研究人员将重点研究工业机器人智能化体系结构，高速高精度控制，智能化作业，形成新一代智能化工业机器人的核心关键技术体系，并在相关行业开展应用示范和推广。1.2.2 国外发展状况 国外机器人综合能力很强，比如材料的关键连接部分、装配工艺、软件算法、重要的零部件谐波减速器等。在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流。国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。全球诸多国家近半个世纪的工业机器人的使用实践表明，工业机器人的普及是实现自动化生产，提高社会生产效率，推动企业和社会生产力发展的有效手段。 自1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念以来，工业机器人就得以不断地发展。概括起来，工业机器人的发展历程为3代：第1代：示教再现型机器人，但不具备反馈能力。如挖掘机手柄自动操作机构，该机构结构简单，能够实现动作示教再现。第2代：有感觉的机器人，不仅具有内部传感器，而且具有外部传感器，能获得外部环境信息。如蛇形机器人就装有内部测转速的传感器，以及外部测力的传感器，该机器人能够在不规则环境中具有一定的运动能力。第3代：智能机器人。定义为“可自动控制的装置，能理解指示命令，感知环境，识别对象，规划自身操作程序来完成任务”。如JohnVannoy等人采用实时可适应性的运动规划（RAMP）算法的PUMA560机械臂，它能在复杂动态环境中自动识别来自不同方向的移动或静止的障碍物，主动规划路径，进而完成预定任务。日本将机器人列为战略产业，韩国将机器人作为“增长发动机产业”，各发达国家政府早年通过制定政策，采取一系列措施鼓励企业应用机器人，设立科研基金鼓励机器人的研发设计，从政策上、资金上给予大力支持，工业机器人的应用和研究走在世界的前列。世界工业机器人市场普遍看好，各国都在期待机器人的应用研究有技术上的突破。从近几年世界机器人推出的产品来看，工业机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。 国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势： （1）工业机器人性能不断提高，而单机价格不断下降。 （2）机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。 （3）工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 （4）机器人中的传感器作用日益重要，装配、焊接机器人采用了位置、速度、加速度视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 （5）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 1.3 设计任务的主要内容与要求1.3.1 设计内容 工业机器人系统设计包括机械系统的设计、电力驱动设计、控制系统的设计。为配合机电一体化专业的要求，主要内容是对工业机器人控制系统的设计，该机电控制系统是以MCS-51系列单片机为核心的控制系统，单片机在工业控制方面具有独特的优点，所以该工业机器人采用单片机控制。1.3.2 设计要求(1)拟订总体方案，机械结构与控制方式的有机结合。(2)根据给定的技术参数，合理设计机械部分的结构并进行与设计相关的设计计算。(3)水平多关节机器人装配图与电器原理图的设计与绘制。(4)编写设计说明书。1.4 设计的主要技术指标和参数（1）要求： 关节式机器人、三个自由度以上（2）参数： 结构形式：水平多关节式 最大持重：2.0kg 运动范围：大臂180°、小臂115°、手腕300°、垂直距离100mm 驱动方式：电机驱动 尺寸：540x485x630 控制方式：用单片机控制（3）工作量： （1）该设计所需完成的图纸约合A0图3.5张，其中包括：总装配图A0号1张，机身装配图A0号1张，小臂装配图A1号1张，电气系统设计图A0号1张,机身输出轴A3号1张，机身中间轴A3号1张,大臂下端盖A3号1张。 （2）说明书：不少于1.5万字。 （3）外文翻译：英文单词3000字以上。2. 工业机器人工程概述2.1 工业机器人应具备的系统功能 从系统的功能特点来看，一部复杂的机器可以看成是一个系统，它是由若干个子系统按照一定的方式有机地联系在一起，具有不可分割的特性。如果将系统拆开、则将失去作为一个整体的某些特定功能。因此，在设计一个内部较为复杂的机器时，应具有如下特性3： （1）目的性 即：每个系统都应有明确的目的和功能。 （2）整体性 即:由若干个子系统构成的这个总的机械系统应实现作为一个整体的指定功能。（3）环境适应性 即:任何一个系统都必须能适应外部环境的变化。（4）相关性 即:系统内各子系统之间要具有某种相互关联的特性。2.2 工业机器设计中总体方案的论证2.2.1 确定负载负载大小的确定主要根据机器人各运动方向作用于机械接口处的力和扭矩。其中应考虑机器人末端执行器的重量、抓取工件或作业对象的重量和规定速度和加速度条件下，产生的惯性力等条件 。根据本次设计给定的设计参数（抓取2kg物体）可初估本次设计属于小负载。42.2.2 驱动方式关节型机器人常用的驱动器有电机、液压驱动装置和气动驱动装置等。本次要求采用电机驱动方式。52.2.3 传动系统设计机器人的传动装置应尽量满足体积小、重量轻、结构紧凑和转动惯量小，在传动链中还要考虑采用消隙机构，以提高机器人的运动精度。在机器人中常采用的机械传动机构有带传动、滚珠丝杠传动、齿轮传动、蜗杆传动、链传动等，考虑到齿带传动的单向重复精度较高，在水平面内重复定位误差小，可以满足定位要求。所以，机身和大臂均采用二级齿带传动。62.2.4 工作范围工业机器人的工作范围是由作业过程中的操作范围和运动轨迹来确定的，用工作空间来表示的。工作空间的形状和尺寸则影响工业机器人的机械结构的坐标形式、操作机各手臂关节轴线的长度、各关节轴转角的大小以及变动范围的选择和自由度数等方面。2.2.5 运动速度机器人的运动速度的确定必须在已知机器人操作机手臂的各个动作的最大行程情况下 ，再按照循环时间安排确定每个动作的时间，才能进一步确定各动作的运动速度，速度用m/s或（°）/s表示，各个动作的时间分配要考虑许多方面的因素，例如各动作之间顺序是依序进行还是同时进行，总的循环时间的长短等。应试做各动作时间的分配方案表，进行比较，分配动作时间除了要考虑工艺动作的要求外，还应考虑惯性和行程的大小，定位方式、驱动和控制方式和精度等要求。2.3 机器人机械传动原理 本课题设计的水平多关节型、四个自由度的工业机器人。驱动方式采用电机直接驱动，因此控制简单，编程操作方便。机身设计成薄壁整体铸件型式，这样设计可以使结构轻巧，使用灵活。机身的结构形式是板金框架式结构，手臂的壳体用增强塑料压铸，结构轻巧，使用灵活。其传动原理图1所示:图1 传动系统图本次设计的机器人大臂、小臂均采用了二级齿带传动。升降轴采用丝杠螺母副实现升降运动。手腕转动则是由步进电动机直接驱动，省去了一切传动部件。6本机器人的轴为丝杠螺母副。轴是作垂直升降运动的，它的自重，最大持重，在断电的情况下能实现自锁，可以防止机械手和所持物体坠落。3. 机械部分的结构设计与计算3.1 机身部分结构设计 机身装配图主要是机身壳体和大臂的传动结构。机身壳体被设计用来支撑整个机器人，由板金框架壁厚为4mm的薄钢板组成。大臂传动路线为：大臂电机M上安装着第一级带传动的小带轮，再通过同步齿形带与安装在轴下面的大带轮组成第一级带传动。此轴上方装有第二级带传动的小带轮，通过同步齿形带与安装在轴下方的大带轮组成第二级带传动。轴的上方为盘形状，直接与大臂外壳固定，当电机旋转时机器人大臂就摆动。机身传动示意图如图2所示：图2 机身传动示意图电动机被安装在垫板上，垫板则安装在支架上，可通过螺钉调节第一级同步齿形带的张紧力。机身中间轴通过两只径向推力轴承被安装在支架上，整个支架安装在传动箱体的底部通过螺钉可调节第二级同步带的张紧力。3.2 大臂的结构设计系统的整体性能主要取决于机座及大臂部分的驱动以及传动能力。以下是大臂传动部分的设计计算。大臂装配图主要是大臂壳体和小臂的传动结构。大臂壳体既作为整个机器人传动手臂，又作为小臂传动链的箱体，整个壳体分上、下壳体两部分，由增强塑料模压制而成，壁厚为4mm，局部布置加强筋。小臂传动路线为：小臂电机M输出轴上装有第一级带传动的小带轮（），通过同步齿形带与装在轴上的大带轮()组成第一级带传动。此轴上还装有第二级带传动的小带轮()，通过同步齿形带与安装在轴上的大带轮（属于小臂部件）组成第二级带传动。大带轮与小臂壳体固定。当电机旋转时，机器人小臂就会摆动。478传动原理如图3所示：图3 大臂传动原理示意图 设计特点:(1) 机身与控制柜设计成一体结构 将控制柜设计在机身内部，可以省去复杂的连接电缆，占地面积小，结构紧凑。(2) 构件轻型化设计 该机器人的重量很小，只需同类机器人重量的一半。例如：用增强塑料臂壳取代通常用的铸铝臂壳；支架类的零件采用折弯件；传动采用带传动且许多轮材料为铝合金等。8(3) 结构简单、调整方便 采用结构相对简单的带传动形式，没有采用工艺、装配较为复杂的结构。同时带传动的柔性还适应了机器人在水平方向柔性的特点，满足装配的柔顺性需求。进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：脉冲当量的确定，初估轴径，同步带传动计算，步进电机的计算和选型，直流伺服电机的计算和选型，滚珠丝杠的相关计算等。3.3 机械部分设计计算3.3.1 选择电动机 常用的控制用电机有：步进电机，伺服电机。 （1） 步进电机的介绍步进电机在数字控制系统中被用作执行元件。它是一种能把电信号转换为直线位移或角位移的一种同步电动机，每当输入一个脉冲信号，电动机就移动一步。因此，步进电机又称为脉冲电动机。目前我国应用最广泛的一种步进电机是反应式步进电动机，它具有能快速启动、调速范围广、动态性能好、制动和反转等特点。(2) 伺服电机的介绍 伺服电机有以下优势：1、精度:实现了位置，速度和力矩的闭环控制;克服了步进电机失步的问题; 2、适应性:抗载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用; 3、稳定:低速运行平稳，低速运行时不会产生类似步进电机的步进运行现象。 4、及时性:电机加减速的动态响应时间短，一般在几十毫秒之内; （3） 电机的选择910 1.手腕处步进电机的选择 根据系统需要，初选步进电机为反应式步进电机，其的步距角为7.5°/15°.当三相六拍（1-2相励磁）运动时，步距角为7.5°，其每转脉冲数量为 个。 根据脉冲当量的定义选 =0.01 （1）负载转矩的折算根据手抓及重物的质量（分别为2.3kg和2.0kg），以及手腕处零件的质量总重估计为5.0kg。阻力矩：T=1.225，手抓的转动速度设定为20。则负载转矩： 式中: TL电动机负载转距 导轨摩擦系数，取=0.004 （参考机电一体化机械系统设计 P136） 齿轮与丝杠总效率，其中齿轮传动效率为0.97，丝杠传动效率为0.9 所以， 步进电机的最大静转矩 =（0.3 - 0.5） × 1.36 = 0.04 - 0.068 根据反应式步进电机的技术数据，查机械设计手册表5-2得应选用36BF003型步进电动机。（2）步进电动机的技术参数经计算本设计选用36BF003型号反应式步进电动机。其技术参数见表1: 表1 电动机技术参数：相 数3绕组电阻1.6步距角1.5°/3°分配方式三相六拍电 压27V最大静转距0.078(0.8)Nm相电流1.5A空载启动频率3100Hz转子转动惯量10kg0.0784适配驱动器DX-3F040M外型尺寸 外 径36mm长 度41mm轴 径4mm重 量0.22kg其外形尺寸图如图4所示：图4 步进电机外形图其矩频特性如图5所示：图5 反应式步进电机36BF003矩频特性图2.小臂电机的选择 根据小臂的重量（初步估计为5kg）及手抓的重量（5.0kg）。质心离转轴的距离。故小臂转动的阻力矩，小臂的转动速度初步设定为，为联轴器的传动效率（0.97-0.98）, 为一对联轴器的传动效率(0.98-0.99), 为一对滚动轴承的传动效率(0.98-0.99), 为一滚珠丝杆的传动效率(0.97-0.98), 为关节的总传动效率，所以=W根据计算结果选择55SZ55 其技术参数如表2所示：表2 电动机技术参数转 矩转 速6000 功 率50 W电 压24 V电 流0.49/3.45 A转动惯量外型尺寸 外 径60mm长 度91mm轴 径5mm重 量0.75kg3. 大臂电机的选择 根据大臂的重量（初步估计为8kg）及小臂与手抓的重量（10.0kg）。质心离转轴的距离。故大臂转动的阻力矩，大臂的转动速度初步设定为，为联轴器的传动效率（0.97-0.98）, 为一对带轮的传动效率(0.98-0.99), 为一对滚动轴承的传动效率(0.98-0.99), 为一对同步带的传动效率(0.97-0.98), 为大臂的总传动效率，所以=W 根据计算结果选择70SZ101其技术参数如表3所示：表3 电动机技术参数转 矩转 速7500 功 率68W电 压110 V电 流0.12/1.95 A转动惯量外型尺寸 外 径74mm长 度114mm轴 径6mm重 量1.5kg4. 机身电机的选择 根据机身的重量（初步估计为8kg）及大臂、小臂与手抓的重量（18.0kg）。质心离转轴的距离。故小臂转动的阻力矩，机身部件的转动速度初步设定为，为联轴器的传动效率（0.97-0.98）, 为带轮的传动效率(0.98-0.99), 为一对滚动轴承的传动效率(0.98-0.99), 为同步带的传动效率(0.97-0.98), 为机身的总传动效率，所以=W根据计算结果选择110SZ53其技术参数如表4所示：表4 电动机技术参数转 矩转 速3000 功 率308W电 压110 V电 流0.32/4 A转动惯量外型尺寸 外 径115mm长 度164mm轴 径10mm重 量5.8kg3.3.2 步进电机的控制 步进电机的控制方式示意图如图6所示：图6 步进电机控制方式示意图（a） 电脉冲控制步进电动机工作过程 （b)控制电脉冲信号 （c）帧栅角位移3.4 同步带部分传动设计计算同步带传动是利用齿形和带轮的轮齿依次啮合来传递运动或动力。它与平带传动、V带传动比较具有传动比准确，传动效率较高，轴和轴承上载荷较小，结构紧凑，工作平稳等优点。同步带有梯形齿和圆弧齿两类，梯形齿同步带有模数制和周节制两种。周节制梯形齿同步带已有国家标准。本设计选用的带型为周节制梯形齿同步带。11本设计采用二级同步带减速，传动比取2，同步带传动设计计算的主要内容是根据传递的转速、名义功率、工况及速比来正确选择同步带的带长、型号、带宽及带轮的直径和齿数。计算步骤如下。3.4.1 一级同步带传动计算（1）设计功率由机械设计手册表1-91查得工况系数 （2）选定带型和节距 根据和 由图1-15确定为L型，节距（3）小带轮齿数，根据带型和小带轮转速，由机械设计手册表1-92查得小带轮的最小齿数 ，此处取（4）小带轮节圆直径 由机械设计手册表1-104查得其外径。由机械设计手册表1-104查得其齿高，根圆直径（5）大带齿轮数 （6）大带轮节圆直径 由机械设计手册表1-104查得其外径 。由机械设计手册表1-104查得其齿高，根圆直径 （7）带速 L带，（8）初定轴间距 取（9）带的节线度及齿数 初定带节线长度 由机械设计手册表1-88查得 应选用带长代号为的型同步带，其节线长节线上的齿数 （10）实际轴间距，此结构的轴间距可调整 （11）小带轮啮合齿数 （12）基本额定功率 由机械设计手册表1-98查得许用工作拉力 （13）所需带宽 由机械设计手册表1-95查得型带基准宽度 由机械设计手册表1-95由 由机械设计手册表1-89查得，应选带宽代号为100的型带，其 （<）3.4.2 二级同步带传动计算（1）设计功率由表1-91查得工况系数 （2）选定带型和节距 根据和 由机械设计手册图1-15确定为型，节距（3）小带轮齿数，根据带型和小带轮转速，由机械设计手册表1-92查得 小带轮的最小齿数此处取（4）小带轮节圆直径 由机械设计手册表1-104查得其外径，。由机械设计手册表1-104查得其齿高，根圆直径（5）大带轮齿数 （6）大带轮节圆直径 由机械设计手册表1-104查得其外径。由机械设计手册表8-1-50查得其齿高，根圆直径（7）带速 L带，（8）初定轴间距 取（9）带的节线度及齿数 初定带节线长度 由机械设计手册表1-88查得 应选用带长代号为的型同步带，其节线长节线上的齿数 （10）实际轴间距，此结构的轴间距可调整 （11）小带轮啮合齿数 （12）基本额定功率 由机械设计手册表1-98查得许用工作拉力 (13)所需带宽 由机械设计手册表1-95查得型带 由机械设计手册表1-95查得 由机械设计手册表1-98查得,应选带宽代号为100的型带，其（<） （14）带轮结构和尺寸 传动选用的同步带为150L100和150L100 小带轮： 大带轮： 3.5 轴系零件的设计计算 初估轴径 根据公式， P取0.1 W n=1000 r/min c为45钢的材料系数=107。初估轴径为10 mm。3.6 滚珠丝杠的设计计算 滚珠螺旋传动具有摩擦损失小,传动精度高,动态响应快以及运动灵活性好等优良性能,因而应用广范。传动系统的力变形主要取决于螺杆本身的轴向刚度,螺杆两端支承轴承的刚度以及滚珠与滚道间的接触刚度。滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动或其它直线运动副相比，有下列特点：（1）传动效率高，启动力矩小。（2）具有传动的可逆性，不能自锁。（3）传动精度高。（4）制造工艺复杂，成本高。（5）寿命长，维护简单。（6）可靠性高，润滑密封装置结构简单，维修方便。（7）同步性好，用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的运动部件，可得到较好的同步运动。 根据滚珠丝杠的使用条件：已知：平均工作载荷Fm=50N，丝杠工作长度L=0.23m。平均转速n=250r/min，最大转速n=1000r/mi，使用寿命左右，材料为钢，滚道硬度为5860HRC，传动精度mm。由机械设计手册表12-1-12选择固定式（G）；由表12-1-13选择滚珠丝杆的预紧方式为单螺母变位导程预紧（B）；由机械设计手册表12-1-11选择滚到截面形状为双面弧形；初步计算基本导程，由表12-1-20（4）式得计算公式=1001000=0.1。3.6.1 求计算载荷 其中载荷系数P22表2-6 硬度系数 P22表2精度系数 P22表2-8根据已知条件查表，分别选取：=1.2，K=1，又由于，P18表2-4查得精度等级为级， 因此K . 所以 F=1.21.01.050 60N3.6.2 计算额定动载荷60364.7 N3.6.3 选择滚珠丝杠副，。由机械设计手册表12-1-15选择外循环插管式垫片预紧导珠管埋入型（CDM）滚珠丝杠副。型号为 CDM 2004-2.5. 导程 公称直径 循环列数圈数2.52 钢球直径 =2.381 丝杠外径 螺纹底径 接触刚度 螺 旋 角：4 偏 心 距：0.07（R/2）0.07（0.522.381/2）3.333.6.4 稳定性验算 由于一端轴固定的丝杠在工作时可能会发车生失稳，所以在设计时应验算其安全系数，其值应大于丝杠副传动允许安全系数S计算临界载荷FcFc刚弹性模量E2.0610根据已知条件：Ia/643.14（0.02）/64选取2/3Fc=687802N安全系数： SFc/Fm687802/5013756 查表知（S）2.23.3 所以S 即丝杠是安全的，不会失稳。 3.6.5 共振性检验 丝杠在高速工作时可能发生共振，因此需验算其不会发生共振的最高转速 9910取4.730，2/39910=188604r/minn3000/。所以丝杠不会发生共振。 3.6.6 刚度验算滚珠丝杠导程变形量：Ftan（4） 在本次设计中去摩擦系数为tan，即 50 = + = =0.308+0.154 =0.293um 因此丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为=0.23/4=0.168um 要求 该丝杠的导程误差满足上式，故其刚度满足要求。3.6.7 效率验算 =tan/tan（） =tan（4/tan（4）=0.968要求在0.90.98之间，所以此丝杠副是合格的根据以上计算，选取 CDM 2004-2.5.查得滚珠丝杠副数据得 导程 公称直径 循环列数圈数2.52 钢球直径 =2.381 丝杠外径 螺纹底径 接触刚度 螺 旋 角：4 偏 心 距：0.07（R/2）0.07（0.522.381/2）3.33 3.6.8 滚珠丝杠的精度标准 根据机械设计手册表12-1-18选择滚珠丝杠副的精度等级为2级。4. 电气系统设计4.1 工业机器人的计算机控制系统 单片微型计算机简称单片机。它是将中央处理器CPUA、定时器/计数器、只读存储器ROM、I/O接口、随机存储器RAM以及串行通讯接口等部件集成在一块芯片中，构