长春工程学院机电学院
专业综合课程设计
课程设计说明书
设计题目 单轴机械手 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 机制0943班 学生姓名 姚伟东 指导教师 李海波
成 绩：
年 月 日
长春工程学院机电学院
专业综合课程设计
学生姓名： 姚伟东 学号： ********** 专 业：机械设计制造及其自动 班级： 机制0943 设计题目： 单轴机械手 指导教师： 李海波 成 绩：
内 装 材 料
编 号 1 2 3 4 5 6 备注 名 称 设计说明书 装配图 零件图 件 数 1 1 10 页 数 17
完成日期： 年 月 日
目录
设计题目 ………………………………………………………………………………………..1
注意事项 ………………………………………………………………………………………..1
设计计算 ……………………………………………..……….………………………2
用语说明 ………………………………………….……………………………………………….6
技术说明 ……………………………………….……………………………….………11
零件及规格 …………………………………………………………………………..16
设计总结 ……………………………………………………………………………...17
参考文献 ……………………………………………………………………………….17
滚珠丝杠设计说明书
一设计题目 单轴机械手
主要技术参数：电机功率（W） 100W 额定扭矩（N·m） 0.32Nm 额定转速（rpm） 3000 导程（mm） 10 最大线速度（mm/s） 600
可搬重量（kg）> 水平 5 垂直 2 Fvd(N) 224 Fzd(N) 778
Mxd(N·m) 29 Myd(N·m) 11 Mzd(N·m) 11 额定推力（N）80
重复定位精度（mm） 0.02mm 有效行程（mm）500 负载伸出长度 500以内
注意事项
本IR系列产品属于机电设备，为维护使用者的安全，在选择机型及实际操作本产品之前，请务必详细阅读相关型录及下列注意事项并依照指示使用，若未依照本注意事项使用本产品而造成功能异常、损坏或其他事故，本公司概不负责。 人身安全
〇本产品适用于工业用途，不可应用在直接与人命或人员福祉相关的保安元件上。
〇 本产品操作运转时，人员应维持在机械动作范围外，以免夹伤或发生其他工安事故。 〇 本产品接装马达并通电时，装置心律调节器者应维持在一公尺距离外，以免受到干扰。 〇本产品勿装置在火源、易燃物、可燃气体附近，以防火灾。 储放安装
〇 搬运时应避免坠落或碰撞。
〇 储放本产品时，建议平放并应妥善包装，避免暴露于高温、低温、潮湿的环境。 〇 切勿自行拆解或改装本产品，以免异物进入或产品破坏，造成功能异常或工安事故。 〇 安装时应将本产品锁固，以免因振动松脱
〇 安装联轴器及马达时，须选用适当的元件，并注意对准轴中心线后将螺丝锁固，切勿强行安装。
〇 操作时须依照型录记载的额定条件，例如最高转速、负荷等，以免造成功能损坏或工安事故。
〇 应避免粉尘、切屑等异物侵入滚珠循环系统内，造成损坏、寿命减短或功能异常。 〇 操作环境温度应在80℃以下，若需应用在高温场所的產品，请洽洽HIWIN业务确认本产品适用条件。
〇 环境特殊时，例如强大振动、真空室、无尘室、腐蚀性化学物、有机溶剂或药剂、极高温或低温、潮湿溅水、油滴 油雾、高盐分、重负荷、垂直或悬臂安装等，请先洽HIWIN业务确认本产品适用条件。 〇 垂直安装时，负载有坠落的危险，建议加装适当的煞车，并於使用前确认煞车功能正常。 维护
〇 初次使用前应先将润滑油补满，请注意油品种类，不同的润滑油不可混用。
〇 正常使用状况下，建议每行走100 km应检查运转状况一次，清除积污，并补充润滑油，滑轨及螺桿均应润滑。 综合解说
HIWIN工业机器人模组，系利用多年来的製造技术与专业水準，配合自行研发生產的滚珠螺桿与线性滑轨设计之模组，具有安装容易、体积小、高精度等特点，产品种类规格多样化，适用于各类自动化设备 產品特色
〇 產品多样化，可搭配需要选用： 驱动方式：可分滚珠螺桿、时规皮带 马达出力：可自行选配伺服马达，或步进马达 马达连结：直接、下接、内藏、左接、右接，依使用空间而定 有效行程：100mm～2000mm（依螺桿转速而定） 〇 组装与维护容易
〇 可依顾客需要作客製化、单件或组合件的特殊设计製造 〇 单轴可组合成多轴使用
设计计算资料
常用单位换算表
一、丝杠副的选择
1. 导程的估算
e=
𝑣𝑚𝑎𝑥
𝑛𝑚𝑎𝑥
𝑣𝑚𝑎𝑥——电机最大转速
𝑛𝑚𝑎𝑥——平台最大进给速度
𝑣𝑚𝑎𝑥3000r/mine===3r/mm
𝑛𝑚𝑎𝑥10000mm/min拟取HIWIN公司的100W伺服电机，电机工作转速3000r/min。 2. 总长的估算
参考HIWIN公司的参考资料可得：
牙长=行程+螺帽长度+100mm(安全长度) 总长=牙长+肩部长度
则，牙长=300+100+100=500mm，估算螺帽长度为100mm 总长=500+100=600mm，估算肩部长度为100mm 3. 初选滚珠丝杠副
根据HIWIN公司生产的精密滚珠丝杠和HIWIN公司给出的滚珠丝杠说明书中的下表可知，当要求精度为5um时，可以选用C1级精度，单一导程变动𝜐2Πp=4um；任
意300mm导程变动𝜐300=5um。牙长在400mm~500mm时，𝑒𝑝=8um，𝜐𝑢=5um。
𝑒𝑝——累计代表导程之偏差。有效行程内，有效代表导程的最大偏差值。
𝜐𝑢——最大导程变动值。有效行程内，可允许导程变动之最大宽幅。
由该公司给出的表4.10可知，当选用C1精度时，极限长度400mm，符合设计要求，此时的螺杆外径为10mm。
根据该公司生产的雇主丝杠型号，拟选用FSW型
拟选用12-4C1型。具体参数如下： 公称外径：12mm 导程：4mm 珠径：2.381mm PCD：12.25mm 根径：9.782mm 珠卷数：3.5*1 刚性：9Kgf/um 动载荷：511Kgf 静载荷：893Kgf 螺母外径：30mm 螺母长度：44mm
根据该公司的表可以查得当外径为10mm时，轴肩为8mm。
A. 挫屈负荷的计算：
4𝑁𝑓𝑑𝑟
𝐹𝜅=40720（2）
𝐿1
𝐹𝑃=0.5𝐹𝐾
𝐹𝐾容许负荷 𝐹𝑃最大容许负荷
𝑑𝑟螺杆轴根径 𝐿1轴承支撑间距 𝑁𝑓不同的组合方式
固定-固定𝑁𝑓=1.0 固定-支撑𝑁𝑓=0.5 支撑-支撑𝑁𝑓=0.25 固定-自由𝑁𝑓=0.0625 挫屈负荷的计算：
4𝑁𝑓𝑑𝑟1∗9.7824
𝐹𝜅=40720(2)=40720∗=1035.66
6002𝐿1
B. 临街转速的计算：
𝑁𝑐=2.71×108×
𝑀𝑓——不同的组转型式
固定-固定𝑀𝑓=1.0 固定-支撑𝑀𝑓=0.689 支撑-支撑𝑀𝑓=0.441 固定-自由𝑀𝑓=0.157
𝑁𝑐=2.71×108×
𝑀𝑓𝑑𝑟1×128
=2.71×10×=9.033×103 22600𝐿1
𝑀𝑓𝑑𝑟
𝐿21
由已知条件：载重20kg，估计平均载荷为200N。这样的估计会远大于实际的载荷。
预期寿命的计算： C．单螺帽的寿命
选用FSW系列12-4C1型螺帽，其动额定负载为C=511kgf,静额定负载为𝐶0=893kgf
𝐶3511×9.8×102
6
L=()×10=（）×106=1.57×1016
𝐹200𝑎
换算成小时：
𝐿ℎ=
𝑛av为平均转速，拟取1500r/min
𝐿1.57×1016
𝐿ℎ===1.74×1011ℎ
𝑛av×601500×60时间远远超出预算时间。
所以选用此种型号的丝杠副完全可以满足要求。 D．选用型号为：
1R10-10A1-FSB-555-625-0.008
牙口数：1 右旋
公称外径：10mm 导程：10 珠卷数：B1
预压方式：压缩式
𝐿
𝑛av×603
螺帽外形：法兰盘型，单螺帽，回流管低于螺帽外径 自润滑
牙长：555mm 总长：625mm
任意300mm内的导程误差为5um 选用不锈钢材料 二、导轨的选择
由于载荷不是很大所以选用小型线性式线性导轨。 确定滚珠丝杠副支承用得轴承代号，规格
（1）轴承所承受得最大轴向载荷
FBmax＝4807＋2200＝7007
（2）轴承类型
两端固定的支承形式，选背对背角接触推力球轴承 （1） 轴承内径 d略小于d2＝8，FBP=
1FBmax，取d＝8 3带入数据得FBP＝528N
（2） 轴承预紧力：预力负荷FBP
（3） 按《现代机床设计手册》选取轴承型号规格 当d＝8mm，预加负荷为：FBP 选角接触球轴承BG/T292-1994 700C
寿命计算
nav平均转速rpm
nav=n1xt1/100+n2xt2/100+n3xt3/100+… nav:平均转速prm n:转速prm
t1/100:转速n1所占时间百分比% 平均负荷Fbm
精度
精度包含准确度（Accuracy）与精密度（Precision），如下说明：
1. 定位精度（準确度） 模组由基準点沿一方向移动，最后实际到达的距离与原设定到达的距离的最大差异值（绝对值）称之。 2. 往返位置重现性（精密度）或指定位重现性，表示IR滑台往返移动过程中，在某一设定位置测得的位置差异值，以全行程中的最大值称之。 3. 行走平行度 (1) 指IR模组的滑台平面与模组安装平面之间的平行度。量表架于滑台平面中央，指针置於安装平面上，取全行程 量测最大差异值。(2) 指IR模组的滑台与模组安装基準面之间的平行度。量表架於滑台平面中央，指针置於模组侧边安装基準面上，取全行程量测的最大差异值。
速度1. 最大线速度IR滑台最大线速度（V）系由滚珠螺桿最高转速（S）乘以导程（L）计
算而得。V（mm/sec）=S（rpm）÷60×L（mm）
2. 最高转速表示滚珠螺桿的最大容许转速，由其临界转速而定。螺桿转速超过临界转速时将可能发生共振。临界转速和螺桿长度有关，因此，滚珠螺桿的临界转速也间接决定了產品的有效行程和总长度。滚珠螺桿的最大容许转速计算方式如下：
3. 加减速度 所谓速度系指滑台设定的运转工作速度，滑台须自停止状态开始加速，达工作速度后维持该速度往目的地移动，抵 达前开始减速，终至停止。 加减速度由使用者依实际使用需要而定。IR设计时，加速度的设定：导程5以下以0.15G计算，其他导程均以0.3G计算。1G = 9.8 m/s2，则0.15G = 1470mm/s2，0.3G = 2940mm/s2。IR模组最大可搬质量须依加速度而定。＊注意： 加减速度将使搬运的质量产生惯性负荷，加减速度愈大，可搬质量愈小；过大的加减速度会產生大的衝击力，应避免之。
马达负载计算1. 确认负载机构的运动条件要求，包括加减速度，运动速度，机构的重量，机构的运动方式。2. 负载之惯量计算直线运动负载惯量计算式 :
JL ： 负载惯量，计算至马达输出轴[kg．cm2] V ： 负载直线运动速度[㎜／min]Δ S ： 马达转一圈，负载的移动量 [㎜] W ： 负载重量[㎏]N ： 马达转速[r/min]
: 3. 由负载惯量与马达惯量的比例原则，选出适当的马达规格。 4. 将选定的马达惯量合併负载惯量，计算出加速转矩及减速转矩。
加速转矩
减速转矩 JL ： 负载惯量，计算至马达输出轴[kg．cm2] JM ： 马达惯量 [kg．cm2] N ： 马达转速[r／min] [rpm] Tpsa ： 加速时间[s] Tpsd ： 减速时间 [s]
5. 依据负载重量，安装方式，磨擦系数，马达效率，计算出等速运动时的负荷转矩。
F ： 直线运动时的轴向力 F=FC＋μ×(W×g＋FO) TL ： 负荷转矩[N．m] FC ： 轴方向的外加作用力[N] FO ： 负载对IR模组的外加正压力[N] W ： 负载重量（含滑台）[kg] μ ： 磨擦系数 η ： 机械效率V ： 负载直线运动速度[mm/min]N ： 马达转速[r/min]g ： 重力加速度(9.8m/s2)ΔS ： 马达转一圈，负载的移动量 [mm]
6. 选定马达的最大输出转矩，须大於加速转矩和负荷转矩相加的和；如果不符合条件，必须选用其他型号，再计算验证至符合要求為止。7. 依据负荷转矩、加速转矩、减速转矩及保持转矩，求出连续实效转矩。
Tpsa ： 加速时间 tc ： 等速时间 Tpsd ： 减速时间 tｈ ： 停止时间 Tf ： 週期时间 Ta ： 加速转矩 TL ： 负荷转矩 Td ： 减速转矩 TLH ： 保持转矩（水平运动时，TLH= 0）
8. 选定马达的额定输出转矩必须大於连续实效转矩；如果不符合条件，必须选用其他型号，再计算验证至符合要求為止。
安装 滚珠螺桿型式若确定用途為垂直方向（z轴）请注意，垂直安装属於特殊使用状态，承载负荷请在表列最大可搬重量 （直立）范围内使用，除此之外，时规皮带型式禁止垂直方向使用。 ＊注意：為防止负载滑落，垂直安装时，採用马达宜含煞车。
寿命 於水平安装、侧掛安装、倾斜安装（角度小於30度）时，IR寿命以线性滑轨的寿命為準；垂直安装、倾斜安装（角度大 於30度）时，IR寿命则以螺桿或固定端轴承寿命（取其小者）為準。 表列额定动负载（Fy, Fz, Mx, My, Mz）是相对於模组行走10,000 Km的寿命，若负载小於表列可负载条件（Fy/Fyd +Fz/Fzd + Mx/Mxd + My/Myd + Mz/Mzd≦1）则寿命将可延长；反之，如果负载大於表定值，则寿命将少於10,000 Km。為确保IR的长期使用，建议儘可能在表列负载范围内使用。
保养 IR模组需要维修保养的部分包括滚珠螺桿、线性滑轨及相关配件。每三个月或每行走100公里的距离后，必须对滚 珠螺桿和线性滑轨补充润滑剂，并请检查有无任何污垢或碎屑在系统内，如果油脂变得骯脏时，请更换油脂。 寿命计算
L: 额定寿命 (公里km) C : 基本动额定负荷(N)
ft : 接触系数1 Pn : 工作负荷(N Fw : 负荷系数 0.8
L : 额定寿命 (旋转数) Ca : 基本动额定负荷(N) fw : 负荷系数 0.5--2 Pa,n : 轴向工作负荷(N) 润滑油脂虽然较不易流失，但為避免因润滑损耗造成润滑不足，建议客户使用距离达100km时，应再补充润滑油脂一次，此时可用注油枪藉由滑块上所附油嘴，将油脂打入滑块中。润滑油脂适用於速度不超过60m/min，且对冷却作用无要求的场合。
油嘴配置图
本设计装置命名方式及用语说明
类别:指产品的系列代号本装置属于SR型一滚珠丝杠驱动方式的单油机械臂 底座宽指产品的本体宽度〔mm〕 本SR系列:48mm
导程:指驱动轮旋转一周滑块移动的距离 本SR导程10mm
有效行程:指滑块可移动的有效范围，也指滑块从零点位置移动到正限位的距离。本SR系列滚珠丝杠型机械臂的普通有效行程为500mm
精度:指重复定位精度。表示反复移动到预先存储的位置时的定位精度。本滚轧丝杠标准型0.02mm
位置开关:OmronEE-SX67 3组 十限位 一限位 零点 电机配置:100W伺服电机.
用语说明
润滑脂
为了让导杆及滚珠丝杆动作流畅而涂抹在接触面上的高粘度油脂。 SCARA
SCARA是Se一ectlve Comp一ante Assemb一v Robot Arm的缩写，是只在特定方向（水平方向〕上具有顺应性（追踪性〕，在垂直方向上具有高刚性特征的机M}手。 步进马达
通过开环控制，与输入脉冲信号成比例进行角度定位的马达。 由向负载
施加在油方向上的负载。 滚珠丝杆的种类
研磨丝杆:由于是研磨加工丝杆，所以精度高，但是昂贵 滚轧丝杆:由于是滚轧加工丝杆，所以能够大量生产 轴向
在滑块移动油上，前后方向上的角度变动。〔Ma方向，如右图所示〕径向
在滑块移动油上，左右方向上的角度变动。(Mb方向如右图所示〕
刹车
主要用于垂直油，用于在伺服关闭时纺止滑块落下。切断电源则刹车变为。ON 向心负载
相对于水平滑块，在90方向上从上向下的负载。 导程
进给丝杆的导程，是指马达每旋转1周〔也就是进给丝杆旋转1周时〕所移动的距离。驱动油的速度与推力随着导程值的变化而变化。 速度
当使用交流伺服马达时，额定转速为3000rpme
也就是1秒5o转。此时。如果丝杆导程为20mm.则速度为5o转/s x 20mm/转=1000mm/s.推力
导程较大则推力较小，导程较小则推力增大。 重复定位精度
向同一点反复进行定位时，停止位置的精度误差。 绝对定位精度
在通过坐标值指定的任意定位点上进行定位时，坐标值与实际测量值的差值。 可搬运重量
驱动油的滑块/拉杆能够移动的物品重量。 零点
这是一个机械臂上的物理位置点，是驱动油动作的基准点。驱动油是以距零点多少个脉冲计数的方式，记忆所有的移动位置。
技术说明
可搬运重量
最高转速
表示滚珠丝杆的最高允许转速，由其临界转速决定。当丝杠转速超过临界转速后，可能引发共振，临界转速和丝杆长度有关。因此丝杠的临界转速也献定了单袖机械手的总长序和有效行程.临界转速和有效行程的关系表如下
最大线速度
滚珠丝杠型机械臂的最高转速乘以导程计算而得.如下表
加速度
加速度使负绒产生惯性负荷，故加速度越大负载负荷则随时降低
注意:当以额定加速度更大的加速(减速)度进行动作时，可能会导致速度急剧缩短火发生故障。 滚珠丝杠型机械臂
导程10,额定加速度为2940mm/s2 编码器的种类:
按装在驱动器上的编码器分增量型和绝对型两种.增量型在接通电源时必须进行零点复位动作绝对型无须原点复位动作。但是如果
保持绝对型数据用的电池耗尽.则无法工作所以请注意电池寿命 零点:
单轴机械手的零点是机械结构上一个确定的物理位置，标准型规格的零点被设计在电机侧. 增量型在接通电源时必须进行零点复位动作
在进行零点复位时滑块会先移到机械终端位置然后街反转请注意不要与周围发生干扰 额字负荷:
“额定负荷”是和运行寿命相关的重要因素之一。 颤定负两分为“颐定静负荷”和“额定动负荷”‘额定静负荷，表示在停止状态下施加负荷时接触面上残留微小压痕的负荷:额定动负面\"则是指施加负两的状态下逗行一定距离后，导软残存平〔不损坏)保持一亘定时的“额定动负荷”.
动态允许力矩是指根据导轨的运行寿命计算出的、对滑块施加的最大补偿负荷.将导轨受力万向分为Mx(横摆)、My(纵倾)，Mz(横倾)3个万向然后对每一驱劫轴设定各万向的允许值 额定动负载(Fx Fy Fz Mx My Mz)是相对于机械臂走10 OOOkm的寿命.为确保机械臂长期
使用，建议尽可能使其在额定负绒范围 内使用.如超过允许值.则应使用辅助导轨等.
寿命:
与水平安装、侧挂安装、倾斜安装(角度小于30度)时，机佩臂的寿命以滑轨的寿命为准;垂直安装，倾斜安装(角度大于30度)时
机械譬的寿命则以丝杠或固定端轴承寿命(取其小者)为准。
表列额定动负载(Fy Fz Mx My Mz)是相对于机械臂走10000的寿命，若负载小于可负载条件(FV/Fyd十「Fz/Fzd十MxMxd十My/Myd十Mx/Mzd }<=I则寿命可延长:反之如果负载大于额定值，则寿命将小于10000km
因此。应保证工作负载在允许的负载范围以内，同时要保证工作单元有足够的润滑，超出允许的负载范围或工作环境恶化将大大幅缩减工作单元的寿命 9负戴伸出长度
负载伸出长度是指规定的使用滑块型时从本体伸出(补偿)的长度。当将工件、托架等安装在偏离驱动轴 滑块重心的位置时，为了能够让驱动轴流畅工作而设置的偏离目标值当在使用中超过各种值的允许值时同时参照动态允许力矩。负找允许伸出长度由滑块的长度决定 可能会导致振劫、力矩过大或反映迟缓.因此请同时参照动态允许力矩。负找允许伸出长度由滑块的长度决定。
垂直负载保护: 在垂直便用时，须充分考虑在电源中断情况下负绒的突然滑落所造成的潜在危险，因此选用电机时，须考掉电刹车保护装置在垂直使用时.需要考虑自重对驱动力矩的影响。 维护保养:
需要保养的配件包活滚珠丝杠、线性导轨及其相关配件对滚珠丝杠和线性导轨添加润滑剂也是必须的。此外如果润滑剂变得肮肪后.谙及时更挽润滑剂
零件及规格
设计中用的螺栓螺母均为标准件GB/5782-2000 轴用弹性挡圈规格为BG/T894.1-1989 50 感应开关PS-A-30
位置开关 Omron EE-SX67}3组：十限位，一限位，零点。 固定方建BG/T1096-2003 联轴器 SCT-20-8X8 导向轴 长555mm
外壳示意图 长650mm
挡板示意图
限位开关示意图
使用环境 温度0—400° 湿度85%一下无结露 结构材质 路合金C6063 表面阳极化处理 防护等级 IP65
润滑方式、润滑油牌号的选择
由于滚动轴承的速度较低，所以可用脂润滑。查[2]表7-2，选用钙基润滑脂（GB/T 491-1987），代号为L-XAMHA1。滚珠丝杠可用高粘度油脂
设计总结
通过设计该滚珠丝杠具有以下优点
1 使用方便 安装便捷 容易操作 噪音小 2 定位精度高 寿命长
由于时间紧迫，所以这次的设计存在许多缺点 如外观不够精美我相信，通过这次的实践，能使我在以后的设计中避免很多不必要的工作，有能力设计出结构更紧凑，传动更稳定精确的设备。
参考文献
机械设计课程设计手册 高等教育出版社
滚珠螺杆线性滑轨技术手册 上海诺银机电科技有限公司 旋转马达位置测量系统技术手册 上海诺银机电科技有限公司 工业机器人线性马达系统技术手册 上海诺银机电科技有限公司 单轴机械手及运动控制系统 多系列单轴机械手结构手册 《机械设计》（ 第七版） —濮良贵，纪名刚主编
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