機電產品課程設計塞拉門框焊接機器人工作站二維工作滑臺設計

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1、 課程設計說明書 題 目： 塞拉門框焊接機器人工作站二維工作滑臺設計 課 程 名 稱 機電產品課程設計 院（系、部、中心） 機電工程系 專 業(yè) 機械電子工程 班 級 姓 名 學

2、 號 指 導 教 師 起 止 日 期 目錄 一、課程設計任務書 3 1、課程設計應達到的目的 3 2、課程設計題目及要求 3 3、課程設計任務及工作量的要求〔包括課程設計計算說明書、圖紙、實物樣品等要求〕 4 二、焊接機器人工作滑臺滾珠絲杠選擇與設計 5 1. 焊接機器人工作滑臺滾珠絲杠選擇 5 2．絲杠選擇數(shù)值計算過程： 10 三、機器人工作滑臺與滾動導軌副選擇與設計 12 1.直線運動滾動導軌副的特點及要求 12 2.滾動導軌副

3、的分類 13 3.導軌的結構和作用 13 4.直線滾動導軌副的計算 14 5.滾動導軌的潤滑與防護 15 四、控制系統(tǒng)的設計 16 1.步進電機的選擇 16 2.步進電動機的驅動與控制 16 3.程序的編制 17 五、參考資料 20 一、課程設計任務書 1、課程設計應達到的目的 通過課程設計，要求學生在導師的指導下，對以下幾方面的能力進行鍛煉和培養(yǎng)：綜合運用有關的理論知識，查閱相關資料,針對任務書指定的任務進行設計，以加深對相關理論的理解，提高綜合應用知識以及查閱技術資料的能力，培養(yǎng)解決

4、實際工程問題的能力。 2、課程設計題目及要求 1、焊接機器人工作滑臺絲杠選擇與設計 設有一塞拉門框焊接機器人工作站，見塞拉門框架機器人焊接工作站簡圖（附后），由于塞拉門框較長，故需將焊接機器人置于二維工作滑臺之上，以加大焊接機器人的工作范圍，滿足塞拉門框焊接的需要。 滑臺總質量Q=Q1+Q2+Q3，其中Q1為機器人本體質量1XXXN，Q2為下滑臺質量600N，Q3為上滑臺質量300N，下滑臺移動速度為120mm/s, 下滑臺移動最大距離L=2XXXmm,軸向移動誤差小于等于±0.05mm,使用壽命為15000h，試選定絲桿傳動形式，精度等級選擇，間隙調整與預緊方式選擇，止動方

5、式選擇，支撐方式設計選擇，潤滑和密封的設計選擇，計算選擇絲杠型號，校核系統(tǒng)壓桿穩(wěn)定性。   2、焊接機器人工作滑臺與滾動導軌副選擇與設計 機器人本體底面為矩形350×350 mm2, 底座厚度為60mm，使用的螺栓為 mm, 螺栓中心距4 -310×310 mm2,其余同上。 3、按（1）中的焊接機器人工作站及所涉工況，試設計其控制系統(tǒng)。 1）步進電機選擇計算，確定步進電機的型號； 2）進行控制系統(tǒng)初步設計與方案論證。 注：XXX為每位學生學號的末三位，請在設計時使用。 3、課程設計任務及工作量的要求〔包括課程設計計算說明書、圖紙、實物樣品等要求〕

6、 1、焊接機器人工作滑臺絲杠選擇與設計:        1）選擇、設計過程與計算說明；        2）機器人工作滑臺絲桿副運動簡圖（參見教材P29），粘貼在計算說明書 內A，圖中標出各構件號1、2、3......n；        3）絲杠支承結構圖（參見教材P27-32），A3圖，按裝配圖要求，有明細表，標題欄有設計，校核，批閱欄等 ，粘貼在計算說明書內。 2、焊接機器人工作滑臺與滾動導軌副選擇與設計  1）

7、選擇、設計過程與計算說明；    2）機器人工作滑臺絲桿副運動簡圖（參見教材P29），粘貼在計算說明書內，圖中標出各構件號1、2、3......n；       3）絲杠支承結構圖（參見教材P27-32），A3圖，按裝配圖要求，有明細表，標題欄有設計，校核，批閱欄等 ，粘貼在計算說明書內。 3、按題1中的焊接機器人工作站及所涉工況，試設計其單片機控制系統(tǒng)。 1）控制系統(tǒng)原理圖的設計（A3圖）；其中擴展一片8155，利用PA、PB口各控制一個步進電機。 2）步進電機驅動原理圖設計（A3圖）。 3）控制程序流程圖（A4

8、圖）；編寫程序清單。 5、應提交的成果形式： 1）機電產品課程設計說明書1份,打印文擋（含目錄，所編程序附后，≧5千字）； 2）控制系統(tǒng)原理圖和步進電機驅動原理圖各1份（2張A3圖）附后。 二、焊接機器人工作滑臺滾珠絲杠選擇與設計 1. 焊接機器人工作滑臺滾珠絲杠選擇 1） 絲杠傳動形式選擇 絲杠螺母機構又稱螺旋傳動機構，它主要用來將旋轉運動變換為直線運動或將直線運動變?yōu)樾D運動。有以傳遞能量為主的（如螺旋壓力機、千斤頂?shù)龋?，也有以傳遞運動為主的（如工作臺的進給絲杠），還有調整零件之間相對位置的螺旋傳動機構等（如螺旋傳動機構）。 絲杠螺母機構有滑動摩擦機構和滾動摩擦機

9、構，滑動絲杠螺母機構結構簡單，加工方便，制造成本底，具有自鎖功能，但其摩擦阻力矩大，傳動效率底（30%-40%）。滾珠絲杠螺母機構雖然結構復雜，制造成本高，但其最大優(yōu)點是摩擦阻力矩小，傳動效率高（92%-98%）其具有螺旋槽的絲桿與螺母之間裝有中間傳動元件——滾珠。絲杠與螺母相對運動的組合情況有四種基本形式：螺母固定絲杠轉動并移動；絲杠轉動螺母移動；螺母轉動絲杠移動；絲杠固定螺母移動并轉動。 滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機械元件，其作用是將旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動或將直線運動轉變?yōu)樾D運動，它是傳統(tǒng)滑動絲杠的進一步延伸發(fā)展。這一發(fā)展的深刻意義如同滾動軸承對滑動軸承所帶來得改變一樣

10、。滾珠絲杠副因優(yōu)良的摩擦特性使其廣泛的運用于各種工業(yè)設備、精密儀器、精密數(shù)控機床。尤其是近年來，滾珠絲杠副作為數(shù)控機床直線驅動執(zhí)行單元，在機床行業(yè)得到廣泛運用，極大的推動了機床行業(yè)的數(shù)控化發(fā)展。這些都取決于其具有以下幾個方面的優(yōu)良特性： 滾珠絲杠副發(fā)熱率低，溫升小以及在加工過程中對絲杠采取預拉伸并預 ；緊消除軸向間隙等措施，使絲杠副具有高的定位精度和重復定位精度；傳動效率高、定位精度高、傳動可逆性、使用壽命長、同步性能好等優(yōu)點。 根據(jù)設計任務書要求所選傳動形式為絲杠轉動，螺母移動的滾珠絲杠。特點是需要限制螺母的傳動，需要導向裝置。其特點是結構緊湊，絲桿剛性較好，適用于工作行程較大的場合。

11、2）滾珠循環(huán)方式的選擇 滾珠絲杠副中滾珠的循環(huán)方式有內循環(huán)和外循環(huán)兩種。內循環(huán)方式的滾珠在循環(huán)過程中始終與絲杠表面保持接觸。內循環(huán)方式的優(yōu)點是滾珠循環(huán)的回路短、流暢性好、效率高、螺母的徑向尺寸也較小。其不足是反向器加工困難、裝配調整也不方便。外循環(huán)方式中的滾珠在循環(huán)反向時，離開絲杠螺紋滾道，在螺母體內或體外做循環(huán)運動。因為該絲杠用于焊接機器人工作站，其往復運動較頻繁，負載不大。內循環(huán)中的螺紋預緊螺母式滾珠絲杠結構簡單、工藝性好、容易制造，精度符合要求，所以選用此方式。 3）精度等級的選擇 根據(jù)JB/T3162.2-91標準，對滾珠絲杠副的精度分成六個等級，即 C，D，E，F(xiàn)，G，H級。最

12、高精度為C級，最低精度為H級；而JB/T3162.2-1991為1，2，3，4，5，7，10共七個等級，最高為1級，最低為10級。由于是采用開環(huán)進給系統(tǒng)，絲杠傳動距離為2734㎜，由上表可得：根據(jù)定位精度和重復定位精度的要求可選用4級。 4）間隙的調整與預緊方式選擇 滾珠絲杠副在負載時，其滾珠與滾道面接觸點處將產生彈性變形。換向時，其軸向間隙會引起空回，這種空回是非連續(xù)的，既影響傳動精度，又影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在實際應用中，有五種調整預緊系統(tǒng)方法雙螺母墊片調整預緊式，雙螺母螺紋預緊式，雙螺母齒差調整預緊式，彈簧式自動調整預緊式，單螺母變位導程自頂緊式和單螺母滾珠過盈預緊式。雙螺母螺紋調整預緊

13、式的特點是結構簡單剛度高、預緊可靠，使用中調整方便?？紤]到本次設計精度要求不高，可以盡量選擇較簡單的預緊形式，故本設計采用雙螺母螺紋預緊式。 5）支撐方式選擇 絲杠的軸承組合及軸承座以及其它剛性零件的連接不足，將嚴重軸承絲杠副的傳動精度和剛度。為了提高軸向剛度，常用以推力軸承為主的軸承組合來支承絲杠，當軸向載荷較小時，也可用角接觸球軸承來支承絲杠。支承方式有單推—單推式，雙推--雙推式，雙推—簡支式，雙推--自由式。其中雙推—簡支式兩端可預拉伸安裝，預緊力小，軸承壽命較高，試用于中速傳動精度較高的長絲杠傳動系統(tǒng)。本設計中滑臺距離較長，即絲杠傳動系統(tǒng)較長，故選擇這種傳動方式。因軸向載荷較小，

14、選擇角軸承作為雙推支點，簡支端為深溝球軸承。因轉速不高，軸承采用脂潤滑。 6）止動方式的選擇 因滾珠絲杠傳動效率高，無自鎖作用，故在垂直安裝狀態(tài)，必須設置防止因驅動力中斷而發(fā)生逆?zhèn)鲃拥淖枣i、制動或重力平衡裝置。常用的制動裝置有體積小、重量輕、易于安裝的超越離合器。本運動無垂直運動，無需制動裝置。 7）潤滑和密封方式的設計選擇 滾珠絲杠副可用防塵密封圈或防護套密封來防止灰塵及雜質進入滾珠絲杠副，使用潤滑劑來提高其耐磨性及傳動效率，從而維護其傳動精度、延長其使用壽命。密封圈有接觸式和非接觸式兩種，將其裝在滾珠螺母的的兩端即可。接觸式密封圈用具有彈性的耐油橡膠或尼龍等材料制

15、成，因此有接觸壓力并產生一定的摩擦力矩，但其防塵效果好。 為使?jié)L珠絲杠副能充分發(fā)揮機能，在其工作狀態(tài)下，必須潤滑，潤滑方式主要有以下兩種： （1）脂潤滑：潤滑脂的給脂量一般是螺母內部空間容積的1/3，部分滾珠絲杠副出廠時在螺母內部已加注GB7324-94 2#鋰基潤滑脂； （2）油潤滑：潤滑油的給油量標準如表16所示，但是隨行程、潤滑油的種類、使用條件（熱抑制量）等的不同而有所變化。請注意使用。在這里選用潤滑油。潤滑油的給油量標準（間隔3分鐘） 8）承載能力的選擇 計算作用于絲杠軸向最大動載荷Ca，然后根據(jù)Ca值選擇絲杠副型號。 Ca= fhfwfmax  &

16、#160;                     式中：L——滾珠絲杠壽命系數(shù)，(單位為1 轉，如1.5則為150萬轉)。L=60nT/ （其中T為使用壽命時間，h），普通機械為5000——10000h、數(shù)控機床及其他機電一體化設備及儀器裝置為15000h、航空機械為1000h； fw——載荷系數(shù)（平穩(wěn)或輕度沖擊時為1.0——1.2，中等沖擊時為1.2——1.5，較大沖擊或振動時為1.5—

17、—2.5）； fh——硬度系數(shù)（HRC>=58時為1.0，等于55時為1.11，等于52.5時為1.35，等于50時為1.56，等于45時為2.40）。 絲桿傳動簡圖 2．絲杠選擇數(shù)值計算過程： 絲杠的設計計算 焊接機器人質量，上滑臺質量，下滑臺質量 ，最快速度，滑臺移動最大距離，軸向移動誤差小于等于，使用壽命， 絲杠副的工作載荷： （1） 絲杠副的設計計算： 滾動絲杠摩擦系數(shù)： 滾動絲杠摩擦力： 設：讓滑臺在0.1秒內加速到0.12 m/s 由 即

18、 牽引力： 總工作負載： 設傳動效率： 軸向載荷計算公式： 按表查得，取=1.1，=1.0，=1.0 求得載荷 （2）根據(jù)壽命條件計算額定動載荷，初選導程，可得 （3）根據(jù)必須的額定動載荷選擇絲杠副尺寸，由≥查絲杠標準手冊得如下規(guī)格： 考慮各種因素，初選FNZD4005—3內循環(huán)浮動式墊片預緊滾珠絲杠副，其中： 公稱直徑： 導程： 螺旋角： 滾珠直徑： 螺紋滾道半徑：=0.52=0.52×3.5= 1.82 偏心距：=0.707(-/2)=0.707×

19、(1.82-3.5/2)=0.049 絲杠底徑：=+2-2 = 40+2×0.049-2×1.82=36.46 （4）穩(wěn)定性驗算： 假設為雙推-簡支（F-S），因為絲杠較長，所以用壓桿穩(wěn)定來求臨界載荷 = 式中 ----絲杠的彈性模量，對于鋼=206GPa； ----絲杠危險截面的軸慣性轉矩，==； ----長度系數(shù)，兩端用鉸接時，=2/3； 取絲杠長： =2.7 所以 ===5.44× 故 ＞＞[S] 絲杠是安全的不會失穩(wěn)。 三、機器人工作滑臺與滾動導軌副選擇與設計

20、 1.直線運動滾動導軌副的特點及要求 1）特點： （1）摩擦系數(shù)小，運動靈活； （2）動靜摩擦系數(shù)相同，因而啟動阻力小，不易產生爬行； （3）可以預緊，剛度高； （4）壽命長； （5）精度高； （6）潤滑方便，可以采用脂潤滑，一次裝填，長期使用； （7）由專業(yè)廠生產，可以外購選用。 2）基本要求：（1）導向精度；（2）耐磨性；（3）剛度；（4）工藝性 由于滾動直線導軌副的特殊結構，使其具有垂直向上、向下和左右水平四方向額定載荷相等（見圖）,且額定載荷大，剛性好，剛度高，三個方向抗顛覆力矩能力大，適用于各種載荷機床。本次設計選用此型號的滾動直線

21、導軌副。 2．滾動導軌副的分類 直線運動滾動導軌副的滾動體有循環(huán)和不循環(huán)兩種類型。這兩種類型又將導軌副分成多種形式。 按照滾動體不循環(huán)的有滾珠導軌副，滾針導軌副，圓柱滾子導軌副等；滾動體循環(huán)的有筏子導軌塊，滾動花鍵副，直線運動球軸承及其支承，滾珠導軌塊。 3.導軌的結構和作用 直線滾動導軌副包括導軌條和滑塊兩部分，主要功用是導向和承載。導軌通常為兩根，裝在支承件上。每根導軌條上有兩個滑塊，固定在移動件上，如移動件較長，也可在一根導軌條上裝3個或3個以上滑塊。如移動件較寬，也可以用3根或3根以上的導軌條。如果移動件的剛度較高，則少裝為好。 在兩條導軌條中，一條為基準導軌，上面

22、有基準面，滑塊上有基準面；另一條為從動導軌。導軌材料選擇低合金鑄鐵。 滾動導軌簡圖 4.直線滾動導軌副的計算 （1）下滑臺滾動導軌副計算 直線滾動導軌副的計算與滾動軸承相仿，以在一定的載荷下行走一定的距離，90%的支承不發(fā)生點蝕為依據(jù)。這個載荷稱為滾動導軌的額定動載荷，可從產品樣本中查到。直線滾動導軌副的主要參數(shù)，其中為額定動載荷，為額定靜載荷（KN）。這個行走距離稱為滾動導軌的距離額定壽命，它可以根據(jù)滾動導軌的額定動載荷用下面公式進行計算： 滾動體為球時 式中：為滾動導軌副的距離額定壽命（km）； 為額定動載荷（N），初

23、選滾動導軌型號后，可以從樣本中查出 初選導軌為GGB20AA型導軌。額定動載荷=13.70KN額定靜載荷=19.27KN。導軌參數(shù)如工程圖。 為每個滑塊上的工作載荷（N）；F=/4 = 80.873N 查表得，取=1.0，=1，=0.81，=1.5 計算可得: 如果把距離額定壽命換算為小時額定壽命，則 = 式中S為移動件行程長度（m）；為移動件每分鐘往復次數(shù)（min）為安全起見，取，可得 設計所需時間15000，滿足設計要求，初選的導軌可用。 5.滾動導軌的潤滑與防護 要注意工作環(huán)境與裝配過程中的清潔，不要有鐵屑、雜質、灰塵等粘附在導軌副

24、上。若工作環(huán)境有粉塵時，除利用導軌的密封外，還應考慮增加防塵裝置。如下圖所示。 潤滑的主要目的是減小摩擦和磨損以防止過熱，破壞其內部結構，影響導軌副的運動能力。當滾動直線導軌副的運動速度為高速時（V≥15m/min）,推薦使用N32潤滑油（GGB443-84），40℃時28.5~35.2cst,相當于舊標準的20號機械油，定期潤滑油或接油管強制潤滑（如下圖所示）。低速時（V<15m/min）推薦使用鋰基潤滑脂潤滑。本次設計的最高時速為2m/min，所以選用脂潤滑。 四、控制系統(tǒng)的設計 1.步進電機的選擇 （1）初步選擇步進電機四相八拍，步距角為1.5的反應式步進電動機。取安全

25、系數(shù)K=1.3，則電機所需輸出轉動慣量J0= 初選電機型號：110BYG4601 技術參數(shù)：步距角為1.5，四相八拍，轉矩13，轉動慣量11.3 電機傳動比公式： 已知所選，電機直聯(lián) 可得脈沖當量：誤差0.05，可選此電機。電機步矩角運算公式： （2）電機轉矩驗算 查表得，齒輪傳動效率：,絲杠傳動效率 總的傳動效率： 傳遞功率：×0.12=35 電機所需功率： 轉矩： 2．步進電動機的驅動與控制 步進電動機的運行特性與配套使用的驅動電源有密切關系,驅動電源由脈沖分配器、功率放大器等組成。驅動電源是將變頻信號源送來的脈沖信號及方向信號

26、按要求的配電方式自動地循環(huán)供給電動機各相繞組，以驅動電動機轉子正反向旋轉。變頻信號源是可提供從幾赫茲到幾萬赫茲的頻率信號連續(xù)可調的脈沖信號發(fā)生器。連續(xù)可調的脈沖信號發(fā)生器。 3．程序的編制 （1）四相八拍分配狀態(tài) 轉向 1-2相通電 CP D C B A 代碼 轉向 正 A 0 0 0 0 1 01H 反 AB 1 0 0 1 1 03H B 2 0 0 1 0 02H BC 3 0 1 1 0 06H C 4 0 1 0 0 04H CD 5 1 1 0 0 0CH D

27、 6 1 0 0 0 08H DA 7 1 0 0 1 09H A 8 0 0 0 1 01H （2）程序 COM XDATA 4000H PA XDATA 4001H PB XDATA 4002H ORG 1000H MOV DPTR,#COM MOV A,#03H MOVX @DPTR,A MAIN: MOV A,#0FFH LCALL MOTOR1 LCALL MOTOR2 LOOP: JNB P1.0,C1A JNB P1.1,C1B JNB P1.2,C2

28、A JNB P1.3,C2B SJMP LOOP C1A: LCALL DELAY JNB P1.0,C1A0 C1B: LCALL DELAY JNB P1.1,C1B0 C2A: LCALL DELAY JNB P1.2,C2A0 C2B: LCALL DELAY JNB P1.3,C2B0 C1A0: MOV R0,#00H C1A1: MOV A,R0 LCALL TAB JZ C1A0 CPL A LCALL MOTOR1 JNB P1.1,C1B

29、JNB P1.2,C2A JNB P1.3,C2B LCALL DELAY INC R0 SJMP C1A1 C1B0: MOV R0,#09H C1B1: MOV A,R0 LCALL TAB JZ C1B0 CPL A LCALL MOTOR1 JNB P1.0,C1A JNB P1.2,C2A JNB P1.3,C2B LCALL DELAY INC R0 SJMP C1B1 C2A0: MOV R0,#00H C2A1: MOV

30、 A,R0 LCALL TAB JZ C2A0 CPL A LCALL MOTOR2 JNB P1.0,C1A JNB P1.1,C1B JNB P1.3,C2B LCALL DELAY INC R0 SJMP C2A1 C2B0: MOV R0,#09H C2B1: MOV A,R0 LCALL TAB JZ C2B0 CPL A LCALL MOTOR2 JNB P1.0,C1A JNB P1.1,C1B JNB P1.

31、2,C2A LCALL DELAY INC R0 SJMP C2B1 MOTOR1:MOV DPTR,#PA MOVX @DPTR,A RET MOTOR2:MOV DPTR,#PB MOVX @DPTR,A RET DELAY: MOV R6,#40 DL1: MOV R7,#248 DJNZ R7,$ DJNZ R6,DL1 RET TAB: MOV DPTR,#TABLE MOVC A,@A+DPTR RET TABLE: DB 01

32、H,03H,02H,06H,04H,0CH,08H,09H DB 00H DB 09H,08H,0CH,04H,06H,02H,03H,01H DB 00H END 五、參考資料   [1]張建民。機電一體化系統(tǒng)設計. 北京：高等教育出版社，2004   [2]王信義. 機電一體化技術手冊. 第二版. 北京：機械工業(yè)出版社，2000 [3]徐泳龍.單片機原理及應用. 北京：機械工業(yè)出版社，2004 [4]焦振學.微機數(shù)控技術. 北京：北京理工大學出版社，2004 [5] 徐灝.機械設計手冊. 第二版. 北京：機械工業(yè)出版社

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