机电一体化毕业设计论文三自由度圆柱坐标型工业机器人设计.doc

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1、郑州工业安全职业学院毕业论文（设计）题 目 三自由度圆柱坐标型工业机器人设计 姓 名 系 别_ 机电工程系 _专 业 机电一体化 年 级_ 08机电四班 _指导教师_ _11年05月29日 毕业论文（设计）成绩评定表学 生姓 名学生所在系机电工程系专业班级08机电四班毕业论文（设计）课题名称三自由度圆柱坐标型工业机器人设计 指导教师评语：成 绩：指导教师签名： 年 月 日系学术委员会意见（同意给优、良、及格、不及格等次）签名： 年 月 日 目 录前言.3摘要.4一 机器人的发展现状.61.1 机器人定义61.2 机器人国内外发展概况8二 章工业机器人的总体设计.82.1 工业机器人的组成及各部

2、分关系概述102.2 工业机器人的设计分析112.2.1 设计要求112.2.3工业机器人主要技术性能参数12三 工业机器人的机械系统设计133.1 工业机器人的运动系统分析133.1.1 机器人的运动概述133.1.2 机器人的运动过程分析143.2 工业机器人的执行机构设计153.2.1 末端执行机构设计153.2.1.1 设计时要注意的问题163.2.1.2 总体结构设计163.2.1.3 液压油缸的选择和夹紧力的校验173.2.2 手臂机构的设计193.2.2.1 手臂的设计要求193.2.2.2 伸缩液压油缸的选择203.2.2.3 活塞杆的强度校核203.2.3 腰部和基座设计22

3、3.2.3.1 结构设计223.2.3.2 步进电机的选取233.2.3.3 轴承的选取263.3 工业机器人的机械传动装置的选择273.3.1 滚珠丝杠的选择283.3.2 谐波齿轮的选择293.3.3 联轴器的选择29四 工业机器人的计算级控制系统概述.304.1 工业机器人控制系统的特点及对控制功能的基本要求304.2 计算机控制系统的设计方案314.3 硬件电路的组成32五 工业机器人运行时应采取的安全措施.325.1 安全要求335.2 实施方法34六 总结.35参 考 文 献36致 谢37前 言机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、

4、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我 国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面。工业机器人的研究、制造和应用水平，是一个国家科技水平和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。工业机器人是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具。工业机器人以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。摘 要 机器人在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制

5、，计算机系统，机器人等。而工业机器人是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。本设计为三自由度圆柱坐标型工业机器人，其工作方向为两个直线方向和一个旋转方向。在控制器的作用下，它执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一简单的动作。关键词：三自由度、圆柱坐标、工业机器人Three Dof Cylindrical Coordinates Type Industrial Robot DesignABSTRACTIndustrial robots in Industrially, automatic control systems are found in numerous applicati

6、ons, such as automation machine tool control, computer systems and robotics. Industrial robots are relatively new electromechanical devices that are beginning to change the appearance of modern industry. This scheme introduced a cylindrical robot for three degree of freedom. It is composed of two li

7、near axes and one rotary axis current control only allows these devices move from one assembly line to other assembly line in space, perform relatively simple taskes. This paper is more comprehensive introduction KEY WORDS：three degrees of freedom, cylindrical, Industrial robot一 机器人的发展现状1.1 机器人定义我国科

8、学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点，人们发展了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器，如移动机器人、微机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空中空间机器人、娱乐机器人等。对不同任务和特殊环

9、境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。这些机器人从外观上已远远脱离了最初仿人型机器人和工业机器人所具有的形状，更加符合各种不同应用领域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增强，从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间。1.2 机器人国内外发展概况机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它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，就加强了本国的经济的发展。比如说日本，战后以后开始进行汽车的工业，那么这时候由于它人力的缺乏，它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

10、从社会发展需求本身的一个需求。另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们逐渐的这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中,来需求能够解放人的一种奴隶。那么这种奴隶就是代替人们去能够从事复杂和繁重的体力劳动，实现人们对不可达世界的认识和改造，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，但是它也归功于电子技术，计算机技术以及制造技术等相关技术的发展而产生了提供了强大的技术保证。为什么要发展机器人? 简单说，机器人有三个方面是我们必要去发展的理由:一个是机器人干人不愿意干

11、的事，把人从有毒的、有害的、高温的或危险的，这样的环境中解放出来，同时机器人可以干不好干的活，比方说在汽车生产线上我们看到工人天天拿着一百多公斤的焊钳,一天焊几千个点，就重复性的劳动，一方面他很累，但是产品的质量仍然很低；另一方面机器人干人干不了的活，这也是非常重要的机器人发展的一个理由，比方说人们对太空的认识，人上不去的时候，叫机器人上天，上月球，以及到海洋，进入到人体的小机器人，以及在微观环境下，对原子分子进行搬迁的机器人，都是人们不可达的工作。上述方面的三个问题，也就是说机器人发展的三个理由。机器人有三个发展阶段，一种是第一代机器人，也叫示教再现型机器人，它是通过一个计算机，来控制一个多

12、自由度的一个机械，通过示教存储程序和信息，工作时把信息读取出来，然后发出指令，这样的话机器人可以重复的根据人当时示教的结果，再现出这种动作，比方说汽车的点焊机器人，它只要把这个点焊的过程示教完以后，它总是重复这样一种工作，它对于外界的环境没有感知，这个力操作力的大小，这个工件存在不存在，焊的好与坏，它并不知道，那么实际上这种从第一代机器人，也就存在它这种缺陷，因此，在20世纪70年代后期，人们开始研究第二代机器人，叫带感觉的机器人，这种带感觉的机器人是类似人在某种功能的感觉，比如说力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉和人进行相类比，有了各种各样的感觉，比方说在机器人抓一个物体的时候，它实际上力的大小能

13、感觉出来，它能够通过视觉，能够去感受和识别它的形状、大小、颜色。抓一个鸡蛋，它能通过一个触觉，知道它的力的大小和滑动的情况。第三代机器人，也是我们机器人学中一个理想的所追求的最高级的阶段，叫智能机器人，那么只要告诉它做什么，不用告诉它怎么去做，它就能完成运动，感知思维和人机通讯的这种功能和机能，那么这个目前的发展还是相对的只是在局部有这种智能的概念和含义，但真正完整意义的这种智能机器人实际上并没有存在，而只是随着我们不断的科学技术的发展，智能的概念越来越丰富，它内涵越来越宽。从三代机器人发展过程中，我们对机器人从应用的角度进行了分类，比如说工业机器人，它包括点焊、弧焊、喷漆、搬运、码垛，在工业

14、现场中工作的这种机器人，我们统称为工业机器人，那么从不同的应用中，到水下去作业的叫水下机器人，到空间作业的叫空间机器人，同时又存在农业、林业、牧业，对医疗机器人叫医用机器人，还包括娱乐机器人，建筑和居室上用的机器人，所以从应用分类，它包括从行业、应用角度，也可以进行这样简单的分类二 工业机器人的总体设计2.1 工业机器人的组成及各部分关系概述图2-1 工业机器人的组成图它主要由机械系统(执行系统、驱动系统)、控制检测系统及智能系统组成。(一) 执行系统：执行系统是工业机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、腕部、机身等。(二) 手部：又称手爪或抓取机构，它直接抓取工件或夹

15、具。(三) 腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变手部的工作方位。(四) 臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的负荷，并把它传递到预定的位置。(五) 机身：是支承手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。(六) 驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的机械传动、液压传动、气压传动和电传动。(七) 控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。(八) 检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。图2-2 各部分关

16、系图2.2 工业机器人的设计分析2.2.1 设计要求完成三自由度圆柱坐标型工业机器人操作机和驱动单元的设计工作。原始数据：自动线上有，两条输送带之间距离为1.5m，需设计工业机器人将一零件从A带送到B带。零件尺寸：内孔 100，壁厚 10，高 100。零件材料：45钢。2.2.2 总体方案拟定在工业机器人的诸多功能中，抓取和移动是最主要的功能。这两项功能实现的技术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。根据设计内容和需求确定圆柱坐标型工业机器人，利用步进电机驱动和谐波齿轮传动来实现机器人的旋转运动；利用另一台步进电机驱动滚珠丝杠旋转，从而使与滚珠丝杠螺母副固连在一起的手臂实现上下运动；考

17、虑到本设计中的机器人工作范围不大，故利用液压缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端夹持器则采用内撑连杆杠杆式夹持器，用小型液压缸驱动夹紧。图2-3 机器人外形图2.2.3工业机器人主要技术性能参数工业机器人的技术参数是说明其规格和性能的具体指标。主要技术参数有如下：抓取重量：抓取重量是用来表明机器人负荷能力的技术参数，这是一项主要参数。这项参数与机器人的运动速度有关，一般是指在正常速度下所抓取的重量。抓取工件的极限尺寸：抓取工件的极限尺寸是用来表明机器人抓取功能的技术参数，它是设计手部的基础。坐标形式和自由度：说明机器人机身、手部、腕部等共有的自由度数及它们组成的坐标系特征。运动行程范围：指执行机构直

18、线移动距离或回转角度的范围，即各运动自由度的运动量。根据运动行程范围和坐标形式就可确定机器人的工作范围。运动速度：是反映机器人性能的重要参数。通常所指的运动速度是机器人的最大运动速度。它与抓取重量、定位精度等参数密切有关，互相影响。目前，国内外机器人的最大直线移动速度为1000mm/s左右，一般为200400mm/s；回转速度最大为180/s，一般为50/s。定位精度和重复定位精度：定位精度和重复定位精度是衡量机器人工作质量的一项重要指标。编程方式和存储容量。本设计中的三自由度圆柱坐标型工业机器人的有关技术参数见表2-1。表2-1 三自由度圆柱坐标型工业机器人的有关技术参数机械手类型三自由度圆

19、柱坐标型抓取重量2.69Kg自由度3个（1个回转2个移动）机座长120mm，回转运动，回转角180，步进电机驱动 单片机控制腰部机构长680mm，伸缩运动，升降范围450mm，步进电机驱动 单片机控制手臂机构长826mm，伸缩运动，伸缩范围50mm，液压缸驱动 行程开关控制末端执行器液压缸驱动 行程开关控制三 工业机器人的机械系统设计3.1 工业机器人的运动系统分析3.1.1 机器人的运动概述 工业机器人的运动，可从工业机器人的自由度，工作空间和机械结构类型等三方面来讨论。如图3-1所示，为工业机器人机构的简图。图3-1 机构简图（一） 工业机器人的运动自由度 所谓机器人的运动自由度是指确定一

20、个机器人操作位置时所需要的独立运动参数的数目，它是表示机器人动作灵活程度的参数。本设计的工业机器人具有四转动副和移动副两种运动副，具有手臂伸降，旋转，前后往复三自由度。 （二）机器人的工作空间和机械结构类型 （1）工作空间 工作空间是指机器人正常运行时，手部参考点能在空间活动的最大范围，是机器人的主要技术参数，工作空间图如图3-2。图3-2 工作空间图（2）机械结构类型 圆柱坐标型为本设计所采用方案，这种运动形式是通过一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统（代号RPP），工作空间图形为圆柱形。它与直角坐标型比较，在相同的工作条件下，机体占体积小，而运动范围大。3.1.2 机器人的运动过

21、程分析工业机器人的运动过程中各动作如图3-3和表3-1。图3-3 运动动作图表3-1 运动步骤机器人开机，处于A位工步一手臂上升工步二，工步七，工步十三旋转至B位工步三手臂伸出工步四, 工步十手臂下降工步五，工步十一夹紧工件工步六手臂收缩工步八，工步十四旋转至C位工步九放松工件工步十二实现运动过程中的各工步是由工业机器人的控制系统和各种检测原件来实现的，这里尤其要强调的是机器人对工件的定位夹紧的准确性，这是本次设计成败之关键所在。3.2 工业机器人的执行机构设计3.2.1 末端执行机构设计 工业机器人的末端执行机构设计是用来抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、准确和牢靠程度都将直接影响到

22、工业机械手的工作性能，它是工业机械手的关键部件之一。3.2.1.1 设计时要注意的问题(一) 末端执行机构应有足够的夹紧力，为使手指牢靠的夹紧工件，除考虑夹持工件的重力外，还应考虑工件在传送过程中的动载荷。(二) 末端执行机构应有一定的开闭范围。其大小不仅与工件的尺寸有关，而且应注意手部接近工件的运动路线及其方位的影响。(三) 应能保证工件在末端执行机构内准确定位。(四) 结构尽量紧凑重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。(五) 根据应用条件考虑通用性。3.2.1.2 总体结构设计采用内撑连杆杠杆式夹持器，用小型液压缸驱动夹紧，它的结构形式如图3-4。内撑连杆杠杆式夹持器采用四连杆机构传递撑紧力

23、，即当液压缸1工作时，推动推杆2向下运动，使两钳爪3向外撑开，从而带动弹性爪4夹紧工件。该种夹持器多用于内孔薄壁零件的夹持。图3-4 末端执行器3.2.1.3 液压油缸的选择和夹紧力的校验初选油缸型号：考虑到所要夹持的是很小的薄壁零件，最大工作载荷很小，故初选液压缸型号为Y-HG1-C40/2225LF2HL1Q，它的主要技术参数如表2-2。表3-2 冶金设备标准液压油技术规格缸 径 /mm活塞杆直径 /mm油口直径速度比通径/mm联接螺纹1.46 2 40222810M18x1.5夹紧力校验：（一）零件的计算 （式3-1）其中g取9.8. 取G=27（N）（二） 紧力的计算：要夹持住零件必须

24、满足条件： （式3-2）f为手指与工件的静摩擦系数，工件材料为45号钢，手指为钢材，查机械零件手册 表2-5 f=0.15，N为作用在零件内壁上压紧力，G为零件重力。所以 取N=100（N）由机械制造装备式4-60可知驱动力的计算公式为： 为斜面倾角，为传动机构的效率，这里为平摩擦传动，查机械零件手册表2-2 这里取 0.85, b=77.5mm,c=29mm。 取p=500(N).按液压传动与气压传动公式 4-15 （式3-3）D为汽缸的内径(m)，P为工作压力（Pa）,由液压传动与气压传动表3-2表3-2 液压传动与气压传动负载F/N50000工作压力p/MPa57取p=0.5MPa。由液

25、压系统设计可查得：=0.90.95, 所以 （式3-4）由以上计算可知液压缸能产生的推力F=565N大于夹紧工件所需的推力P=500N。所以该液压缸能够满足要求。3.2.1.4 弹性爪的强度校验 弹性爪的结构形式如图3-7： 图3-7 弹性爪结构图 这种结构是在手爪外侧用螺钉固定弹簧板两端固定。当弹性手工作时，由于夹紧过程具有弹性，就可以避免易损零件被抓伤，变形和破损。工件与弹簧片间的力：由上节可知F=100N。 则弹簧爪截面上的剪应力为=30MPa，=Q/A= （式3-5）故弹性爪满足强度要求。3.2.2 手臂机构的设计3.2.2.1 手臂的设计要求(一) 手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作

26、业任务提出的工作空间要求。(二) 根据手臂所受载荷和结构的特点，合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料。(三) 尽量减小手臂重量和相对其关节回转轴的转动惯量和偏重力矩，以减小驱动装置的负荷；减少运动的动载荷与冲击，提高手臂运动的响应速度。(四) 要设法减小机械间隙引起的运动误差，提高运动的精确性和运动刚度。采用缓冲和限位装置提高定位精度。本设计中手臂由滚珠丝杠驱动实现上下运动，结构简单，装拆方便，还设计有两根导柱导向，以防止手臂在滚珠丝杠上转动，确保手臂随机座一起转动。它的结构如下图。图3-8 手臂结构图选用轴向脚架型液压缸，活塞杆末端为外螺纹结构，手臂与末端执行器连同活塞杆一起转动。3.2.2

27、.2 伸缩液压油缸的选择选液压缸型号为Y-HG1-C50/28100LJ1HL1Q，它的主要技术参数如表2-3。表3-3 冶金设备标准液压油技术规格缸 径 /mm活塞杆直径 /mm油口直径速度比通径/mm联接螺纹1.46 2 50283610M18x1.53.2.2.3 活塞杆的强度校核末端执行器的重量为：10.389Kg。工件重量为：2.64Kg。图3-9 活塞杆的强度校核受力分析图由静力平衡方MB=0 R1LAB QLBC=0 MA=0 R2LAB QLAC=0求得支反力为： R1=524.88N R2=673.16N 以A点为坐标原点，得剪力图和弯矩图如图3-10：图3-10活塞杆的强度

28、校核剪力图和弯矩图由3-2表得活塞杆=140MPa, =240MPa.则在B处横截面上的剪应力为：B= RB/A= （式3-6）安全。在B处的弯应力为：B= MB/A= （式3-7）安全。3.2.3 腰部和基座设计3.2.3.1 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转动机座转动，从而实现机器人的旋转运动，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。采用了双导柱导向，以防止手臂在滚珠丝杠上转动，确保手臂随机座一起转动。支撑梁采用槽钢，以减轻重量和节省材料，它的结构如图2-10。该种设计采用了环形轴承的机器人支承结构。它由电动机2直接驱动一杯形柔轮谐波减速器

29、。这种谐波减速器只有刚轮9、柔轮7和谐波发生器8三大件，而无单独的外壳（这种结构有利于传动系统的小型化、轻型化）。由柔轮7输出低速的回转运动带动与之固联的机座回转壳体5实现手臂的回转运动。齿形皮带传动4和位置传感器6作为机座用来检测手臂机座的角位移。 1支座，2步进电机，3谐波齿轮，4转动机座5支承工字梁，6滚珠丝杠，7导向柱，8锥环无键联轴器图3-11 腰部和基座结构图1支座，2电机，3轴承，4带传动，5壳体6位置传感器，7柔轮，8波发生器，9刚轮图3-12 环形轴承的机器人机座3.2.3.2 步进电机的选取 工业机器人的旋转和上下移动采用了步进电机驱动，下面就给出各种驱动方式的比较，以作为

30、选取步进电机作为驱动方式的依据。表3-4 各种驱动方式比较比较内 容驱动方式机械传动电机 驱动气压传动液压传动异步电机，直流电机步进或伺服电机输出力矩输出力矩较大输出力可较大输出力矩较小气体压力小，输出力矩小，如需输出力矩较大，结构尺寸过大液体压力高，可以获得较大的输出力控制性能速度可高，速度和加速度均由机构控制，定位精度高，可与主机严格同步控制性能较差，惯性大，步易精确定位控制性能好，可精确定位，但控制系统复杂可高速，气体压缩性大，阻力效果差，冲击较严重，精确定位较困难，低速步易控制油液压缩性小，压力流量均容易控制，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制应用范围适用于自由度少的专用机械手，

31、高速低速均能适用适用于抓取重量大和速度低的专用机械手可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手中小型专用通用机械手都有中小型专用通用机械手都有，特别时重型机械手多用由上表可知步进电机应用于驱动工业机器人有着许多无可替代的优点，如控制性能好，可精确定位，体积较小可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手等，下面就对步进电机的型号进行选取。初选电机为BF反应式步进电机，型号为：90BF001。它的有关技术参数如下表：表3-5 BF反应式步进电机的技术参数电机型号相数步距角/（）电压/V最大静转矩/Nm(Kgfcm)最高空载启动频 率/HZ运行频率/HZ转子转动惯量10Kgm分配方式质量

32、/Kg90BF0014 09 80 3.922000800017.64四相八拍45（一）传动系统等效转动惯量计算传动系统的转动惯量是一种惯性负载,在电机选用时必须加以考虑。由于传动系统的各传动部件并不都与电机轴同轴线，还存在各传动部件转动惯量向电机轴折算的问题。最后，要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量。（1）、电机转子转动惯量的折算由机电综合设计指导表2-18查出=1.764cm2（2）、联轴器转动惯量的折算 式3-8（1）式中：为圆柱质量（Kg），D为圆柱体直径（cm）,L为圆柱体长度。对于钢材，材料密度为,把数据代入上式得： 式3-8（2）（3）、滚珠丝杠

33、转动惯量的折算查机电综合设计指导表4-2 P119，得出1m长的滚珠丝杠的转动惯量为0.94cm2，丝杠长度L420mm，所以滚珠丝杠转动惯量：=0.940.42=0.39cm2； （4）、手臂转动惯量的折算工作台是移动部件，其移动质量折算到滚珠丝杠轴上的转动惯量可按下式进行计算： 见机电综合设计指导公式（2-6）P8式中，为丝杠导程（cm）；为工作台质量（kg）。所以： （式3-9） （5）系统等效转动惯量计算（二）验算矩频特性步进电机最大静转矩是指电机的定位转矩，从机电综合设计指导表2-21中查得。步进电机的名义启动转矩与最大静转矩的关系为： 见机电综合设计指导公式（2-29）P32查机电

34、综合设计指导表2-12 P35得0.707。所以，步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩可按下式计算： 见机电综合设计指导公式（2-30）P32式中：为空载启动力矩（Ncm）；为空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度，折算到电机轴上的加速力矩（Ncm）；为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩（Ncm）； 有关的各项力矩值计算如下：（1）加速力矩 见机电综合设计指导式（2-32）和（2-33）P32式中：为传动系统等效转动惯量；为电机最大角加速度；为与运动部件最大快进速度对应的电机最大转速；t为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间，为运动部件最大快进

35、速度；为初选步进电机的步距角；为脉冲当量。 （式3-10）（2）、空载摩擦力矩 见机电综合设计指导公式（2-34）式中：为运动部件的总重量；为导轨摩擦系数；齿轮传动降速比；为传动系数总效率，取0.8；为滚珠丝杠的基本导程。（3）、附加摩擦力矩 见机电综合设计指导公式（2-35）P35式中：为滚珠丝杠预紧力；为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，现取0.96。所以，步进电机所需空载启动力矩：初选电机型号应满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩，即 见机电综合设计指导公式（2-31）P32从上式可知电机初步满足要求。（4）、启动矩频特性校核步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动很少使用。

36、升速启动是步进电机从静止状态开始逐渐升速，在零时刻，启动频率为零。在一段时间内，按一定的升速规律升速。启动结束时，步进电机达到了最高运行速度。查看机电综合设计指导图2-21 P36，从90BF001矩特性图中，可查得：纵向：空载启动力矩对应的允许启动频率。查机电综合设计指导表2-11 P34，步进电机150BF002启动频率，所以所选电机不会丢步。（5）、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： 见机电综合设计指导公式（2-36）P36式中：为运动部件最大快进速度。算得。快进力矩的计算公式： 见机电综合设计指导公式（2-37）P37式中： 为附加摩擦力矩， 为快进时，折算到电机

37、轴上的摩擦力矩。算得：。查看机电综合设计指导图2-22 P36，从90BF001运行矩频特性图中，可知：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。综上所述，所选用的步进电机90BF001符合要求，可以使用。3.2.3.3 轴承的选取(一) 环形轴承3作为机座的支承原件，是为机器人研制的专用轴承，具有宽度小、直径大、精度高、刚度大、承载能力高（可承受径向力、轴向力和倾覆力矩）、装置方便等特点价格高。(二) 丝杠下部装有圆锥滚子轴承，型号为30204， 它的有关参数如下：表3-6圆锥滚子轴承30204参数轴承代号 基本额定 极限转速 r/min动载荷Ca /KN静

38、载荷C0a /KN 脂润滑油润滑 3020428.230.58000100003.3 工业机器人的机械传动装置的选择3.3.1 滚珠丝杠的选择估算：等效载荷 Fm = 1000 N , 丝杆有效行程420 mm , 等效转速 nm = 1500 r/min , 要求使用寿命Lh = 15000 h 左右，工作温度低于100，可靠度95%，精度为3级精度。(一) 计算载荷Fc = 查 上册，表15-21得= 1.1 ， = 1.0 ，=1.61 ， = 1 Fc = = 1.11.01.6111000 = 1771 N = = = 19559 N(二) 选择滚珠丝杆副的型号6主要尺寸为：按= 1

39、9559N，查机电一体化设计基础表2-9，选用汉江机床厂C1型滚珠丝杠，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=丝杠内径 27 mm , =24000 N , =1880 N螺旋导程角 = arctan = arctan = 338螺杆不长，无需验算稳定性。 (三)刚度验算按最不利情况考虑，即在螺距(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，此时变形量为最大，计算公式为： = + （式3-11）式中 T1 = tan( +) = 1000tan(+) = 1321 Nmm磨擦系数f = 0.025, 当量磨擦角 = ，剪切弹性模量 G=8.33 N/mm2所以：= + = 0.0387 m 其中，危险截面= 35.76，E = 2.06每米螺杆长度上的螺矩的弹性变形 = = 6.6 /m ()p = 15/m因为滚球丝杆精度要求为3级精度，由表15-8查得()p = 15/m （式