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1、三轴联动动机械臂臂伺服运运动机械械结构设设计（摘要）机械手手臂是目目前在机机械人技技术领域域中得到到最广泛泛实际应应用的自自动化机机械装置置，在工工业制造造、医学学治疗、娱娱乐服务务、军事事、半导导体制造造以及太太空探索索等领域域都能见见到它的的身影。尽尽管它们们的形态态各有不不同，但但它们都都有一个个共同的的特点，就就是能够够接受指指令，精精确地定定位到三三维（或或二维）空空间上的的某一点点进行作作业。根根据结构构形式的的不同，机机械手臂臂可分为为多关节节机械手手臂，直直角坐标标系机械械手臂、球坐标标系机械械手臂，极极坐标机机械手臂臂，柱坐坐标机械械手臂等等。本文文所设计计的机械械手臂为为直
2、角坐坐标系机机械手臂臂，其由由三个伺服服电机驱驱动，通通过运动动控制卡卡实现运运动控制制，可以以实现三三轴联动动，分别别为X移动，YY移动，ZZ移动。手手臂的运运动由三三个丝杠杠螺母副副完成，伺伺服电机机驱动丝丝杠旋转转，螺母副副移动，从从而实现现三个自自由度的的运动。关键词机机械手臂臂三轴联联动三个个自由度度AbsttracctIIMechhaniicall arrm iis ccurrrenttly thee moost widdelyy prractticaal aappllicaatioon iin tthe fieeld of robbot tecchnoologgy iin aau
3、toomattionn maachiinerry, inddusttriaal mmanuufaccturringg, mmediicall trreattmennt, entterttainnmennt sservvicees, millitaary, seemiccondducttor mannufaactuurinng aand othher areeas of spaace expplorratiion cann seee iits shaadoww. DDesppitee thheirr moorphholoogy varry, butt thhey alll haave onee
4、coommoon ccharractteriistiic, thaat iis aablee too accceppt iinsttrucctioon, preecisselyy poosittionned to carrry outt opperaatioons at a ppoinnt tthreee (or twoo-diimennsioonall) sspacce. Acccorddingg too thhe ddifffereent strructturee, mmechhaniicall arrm ccan be divvideed iintoo muultii-joointt r
5、oobott, CCarttesiian cooordiinattes robbot, sppherricaal ccoorrdinnatees rroboot, pollar cooordiinatte rroboot, cyllinddriccal cooordiinattes robbot armm annd tthe likke. Thiis aartiiclee iss deesiggnedd ass Caarteesiaan rroboot mmaniipullatoor aarm, whhichh iss drriveen bby tthreee sservvo mmotoors
6、, mootioon cconttroll thhrouugh mottionn coontrrol carrd, youu caan aachiievee thhreee-axxis, reespeectiivelly, X MMobiile, Y movvemeent, Z movve. Armm moovemmentt coonsiistss off thhreee sccreww nuut iis ccomppletted, seervoo mootorr drrivee sccreww rootattionn, nnut movve, in ordder to achhievve t
7、threee ddegrreess off frreeddom of movvemeent.Key worrds Mecchannicaal aarmAAxiss liinkaageTThreee ddegrreess off frreeddom第1章绪绪论11.1研研究背景景随着科技技的发展展，工业业自动化化程度不断断提高，机械臂广泛用于各种制造行业中，但对于机械臂在工业的应用来说，大部分时候并不需要机械臂具有六个自由度，其中的一个或几个即可满足工业需求，由于三轴联动机械臂具有三个自由度，基本上可以满足制造行业中以空间任意一点为目标位置的运动要求，故三轴联动机械臂在工业自动化上的运用最为广泛
8、。1.2国国内外研研究现状状国际上对对于机械械臂的开开发、研研制和应应用已有有近500年历史史，目前前，以日日、韩、美美、法、德等为代表表的许多多国家的机机械臂产产业日趋趋成熟和和完善，其所生产的机械臂已成为一种标准设备在全球得到广泛应用。国外机械臂技术由于起步较早，基础雄厚，技术先进，市场占有率高。同国外相比，中国的机械臂技术起步较晚，经过“七五”、“八五”、“九五”三个阶段，中国机械臂从无到有，从小到大，发展迅速，一批国产机械臂已服务于国内诸多企业的生产线上，一批机械臂技术的研究人才也涌现出来，一些相关科研机构和企业已掌握了机械臂的一些关键技术，某些技术已达到了或接近国际先进水平，中国机械
9、臂在世界机械臂领域已占有一席之地，而且中国是一个巨大的机械臂消费市场，行业市场也处于发展壮大中。机械臂技术在制造业应用范围越来越广，其标准化、模块化、智能化和网络化的程度越来越高，功能也越来越强，正向着成套技术和装备的方向发展。1.3研研究目的的和意义义面对工业业4.00时代机机械臂的的巨大市市场，机械臂臂技术的发发展和革革新也变变得尤为为重要，由由于三轴轴联动直直角坐标标系机械械臂结构构简单、用途广泛，市场份额最大，所以对其技术的研究最具市场价值。在机械制制造行业业中，对于机机械臂技技术研究究的意义义可概括如如下，一、在生生产过程程中，机机械臂可可应用于传传送材料料，装卸卸工件，更更换刀具具
10、以及装装配机器器，可以以提高生生产的自自动化程程度，降降低劳动动强度和和生产成成本。二、在特特殊工作作空间如如高温、高压、噪声、狭小空空间等工工作场合合中，人工操操作存在在一些隐隐患甚至至人工根根本不可可能完成成，而通通过机械械臂的应用可可以部分分或全部部代替工工人安全全的完成成作业，改善了劳动条件，在一些简单、重复、笨重的操作中，通过机械臂的应用，可以避免由于疲劳或者疏忽而造成生产事故。三、通过机械臂的应用，首先可以直接减少人力，而且由于机械臂可以连续工作，使得生产工作有节奏的进行。综上所述述，加速开开发和应应用机械械臂，是是机械工工业发展展的必然然趋势。1.4论论文研究究内容第一章绪绪论简
11、单单介绍研研究背景景，国内外外研究现现状，研研究的目目的和意意义。第二章方方案确定定，提出出两种设设计方案案，最后后选择采采用丝杠杠螺母副副的直角角坐标系系机械手手臂。第三章电电机驱动动设计，分析运运动情况况，选择择合适的的伺服电电机。第四章机机械结构构设计，对整个机械臂上选要安装的零部件进行设计选型。第五章基基于CRREO的的设计与与装配，将所设计的机械臂的零部件采用CREO绘制，并将所绘制的零部件进行模拟装配第2章方方案确定定2.1方方案的设设想面对机械械臂的巨巨大的应应用市场场，开发发一种结结构简单单，可以满满足工业业基本应应用机械械臂有很很大的市市场前景景，而且对于于工业应应用来说说，
12、三自自由度直直角坐标标系机械械手臂应应用最为为广泛。直角坐标系机械手臂可以由单轴机械手臂组合而成。单轴机械手臂作为一个组件在工业中应用广泛。故本文所设计的机械臂整体结构可以由三个单轴机械臂组合而成，我们设想了两种方案，两种方案的基本结构形式相似，主要区别在于机械臂的执行元件不同。方案一：此方案案执行原件件为气缸缸，每个个单轴机机械臂的的运动由由一个气气缸完成成，通过过三个气缸缸的组装装，组装成一个具有有三个自自由度的的直角坐坐标系机机械臂，三三个气缸缸可以由一一个气泵泵供气，每个气缸都装有一个阀门，阀门由伺服电机控制气缸的进气速度和进气量，三个伺服电机可以通过运动控制卡来实现运动控制。方案二：
13、此方案案的执行行元件为为丝杠螺螺母副，每每个单轴轴机械臂臂的运动动由一个个丝杠螺螺母副完完成，通通过对三个丝丝杠螺母母副的组组装，组装成一一个具有有三个自自由度的的直角坐坐标系机机械臂，每每个丝杠杠螺母副副均由一一个伺服服电机驱驱动，通通过运动动控制卡卡对伺服服电机转转速和转转角的控控制，实实现最终终的运动控控制。2.2方方案的确确定综合比较较上述两两种方案案，我们们发现第第二种的的结构比比较好。方案一使用气缸虽然执行机构的结构会更紧凑，但是由于需要额外使用气泵、阀门等关键零部件，故造价高，而且气缸不适合承受较大径向力的场合，气缸进出气较难控制，且运动精度低。相比方案一，方案二的单轴机械臂虽然
14、体积稍大，但造价有大幅降低，运动控制精度显著提高，在载荷分布上也更为合理。2.3本本章小结结通过以上上对两种方方案的比比较和分分析，综综合市场场方面因素素，最终终我们选选择采用用方案二二，用使用用丝杠螺螺母副的单轴机机械臂来来组装成成具有三个个自由度度的直角角坐标系系机械臂臂。总体体方案确确定之后后，进行行机构各各部件的的设计和和选择。第3章 电机机驱动设计计由于本文文所设计计的机械械臂采用用三个单单轴机械械臂组合合安装完完成，三三个单轴轴机械臂臂的结构构类似，本本文中只只对X向的单轴轴机械臂臂进行计计算选型型，其余余两个进行行类比设设计，本文中中不做过过多叙述述。3.1 电机机驱动要要求（1
15、）机机械臂运运动需要要有较大大的调速速范围，最最好能够够实现无无级变速速。（2）电电机应该该选用偏大大的功率率，虽然然本文所所设计的的机械臂臂目的是是安装摄像像头进行行扫描摄像像，不需需要高功率电机机，但为了了保证机械械臂运动动的可靠靠性，应该采采用稍微微偏大功功率的电电机。（3）电电机驱动动的动态态响应性性要好，电电机的升升降速时时间要短短，调速速时需要要运转平平稳，换换向可以以进行自自动加减减速控制制。（4）机机械臂的的主轴需需要有较较高的回回转精度度，主轴轴部件需要要具有良良好的抗振性性和足够够的刚度，也需要要具有较较好的热稳定定性，即即要求主轴轴的轴向向和径向向尺寸随温温度的变变化要小
16、小，而且传动动链要短短。3.2 电机选选型由于本文文所设计计的机械械臂尾端端只需要要安装一一个摄像像头进行行扫描摄摄像，而且本机机械臂体体积小，质质量轻，所所需要的的电机功功率不必必要太大大，但为为了保证证运动的的可靠性性，适当当选取偏偏大功率率的电机机即可，向单轴轴机械臂臂所选取取的电机机为松下下公司所所生产的的的型型伺服电电机，额额定功率率为，额定转速速为。本章小结结通过对电电机的选选型，以以及运动动控制系系统的设设计，通通过运动动卡同时时控制三三个伺服服电机验验证运动动控制系系统是否否满足三三轴联动动的设计计要求，进而完成电气部分的设计。第4章机机械结构构设计4.1单单轴机械械臂结构构特
17、点单轴机械械臂的运运动在动动作上除除了由运动控控制卡的的控制外外，在机机械结构构方面还还应具有有响应速速度快、精精度高、稳定性好等特点（有引用）下面主要要对单轴轴机械臂臂的机械械结构特特点进行行讨论：（1）传传动刚度度高本文所研研究的单单轴机械械臂采用用丝杠螺螺母副作作为执行行部件，丝杠螺母副以及其支撑部件的刚度决定了整个机械臂的传动刚度。如果刚度不足，加上摩擦阻力的作用，会导致机械臂的运动产生爬行现象或反向死区，传动的准确性会受到影响。通过合理的选择丝杆尺寸，缩短传动链、对丝杠螺母副及其支撑部件等预紧均可以有效的提高传动刚度。(2) 高谐谐振为了提高高机械臂臂的抗振振性，其机械械构件应具具有
18、合适适的阻尼尼和较高高的固有有频率，通通常要求求机械传传动系统统的固有有频率应应为伺服服驱动系系统固有有频率的23倍（3）低低摩擦机械臂的的运动要求求平稳，能够快快速响应应且定位位准确，那那么就需需要减少少运动件件所受的的摩擦阻阻力，在在机械臂臂中普遍遍采用特特性优良良的滚珠珠丝杠螺螺母副。（4）低低惯性由于机械械臂的特特殊工作作环境，所所以经常常需要启启停、变变速和换换向，如果机械械臂的传传动装置置惯量太太大，会会使负载增增大并会会降低传传动系统统的动态态性能。因此在强强度与刚刚度足够够的前提提下，应应该尽可可能使各各传动元元件的体体积变小小，同时时减少各各运动部部件的重重量，从从而达到到运
19、动部部件能够够对指令令快速响响应的要要求。（5）无无间隙机械臂的的进给系系统存在在反向运运动死区区的另一个个主要因因素是机机械间隙隙，因此此对于传传动链的的各个环环节都需需要采用用消除间间隙的结结构措施施，这些些环节包包括：丝丝杠螺母母副、联联轴器、轴轴承以及及其他支支撑部件件等。4.2滚滚珠丝杠杠的选择择与安装装方式的的选择4.2.1 滚珠丝丝杠特点点在单轴机机械臂上上，滚珠珠丝杠副副将伺服服电机的的回转运运动转换换为直线线运动，滚滚珠丝杠杠螺母副副的特点点是：（1）传传动效率率高，滚滚珠丝杠杠副相比比于传统统螺纹丝丝杠副，以滚滚珠在丝杠与与螺母之之间的滚滚动传递递力和运运动取代代了丝杠杠和
20、螺母母直接作作用的方方式，即即以极小小的滚动动摩擦取取代传统统丝杠的的滑动摩摩擦，使得传动动效率提提高，一一般为=0.920.998，整个传动动副所需需要的驱驱动力矩矩只有滑动动丝杠的的1/33左右，摩摩擦发热热也得到大幅降降低。（2）定定位精度度高由于滚珠珠丝杠副副发热率率低。温升升小以及及在加工工过程中中对丝杠杠采取预预拉伸并并预紧消消除轴向向间隙等措措施，使使滚珠丝杠杠副定位位精度高高且重复定定位精度度高。（3）传传动可逆逆性滚珠丝杠杠副相比比于滑动动丝杠没没有粘滞滞摩擦，故在传动过程中不会出现爬行现象，而且滚珠丝杠可以将回转运动转变为直线运动，也可以将直线运动转变为回转运动，两种运动方
21、式均可以传递相应的动力（4）同同步性能能好由于滚珠珠丝杠副副能够顺滑滑运转，轴向间间隙可以以消除以以及制造造的一致致性，当当采用多多套滚珠珠丝杠副副方案驱驱动多个个相同部件件或统一一装置时时，均可可以很好好地进行行同步工工作。（5）使使用寿命命长由于滚珠珠丝杠滚滚道的表表面硬度度，材料料的选择择以及滚滚道形状状的准确确性等方方面都加加以严格格控制，从而使得滚珠丝杠副的实际寿命远相比于滑动丝杠高很多。但是滚珠珠丝杠副副也存在在一些缺缺点，如如制造成成本高，不不能自锁锁，垂直直安装时时需有平衡衡装置等等（有引引用）4.2.2 安装方方式分类类滚珠丝杠杠副作为为一种以以滚动作作为传动动方式的的关键传
22、传动元件件，在各种种需要传传动和定定位的机机构中应应用广泛泛，其对机机构的影影响也十十分重要要。同时时，在实际际应用中中，滚珠珠丝杠采采用何种种安装方方式，对对整个机机构的工工作效果果也会产产生影响响，根据不同同的具体体应用情情况，滚滚珠丝杠杠副可以以采用的的不同的的安装方方式。滚珠丝杠杠副所承承受的载载荷主要要是轴向向的，其其所承受受的径向向载荷主主要是卧卧式丝杠杠的自重重。在安装装时，螺母座座的孔与与工作螺螺母之间间应保证证配合良良好，并并且孔与与端面应该该保证垂垂直度。这时选择轴承需要根据载荷的方向和大小，轴承配置和安装的形式还与丝杆的长短有关，如果丝杆较短，采用单支撑结构，如果丝杆较长
23、，则需采用双支撑结构。每种安装装方式（即即支撑方方式）有有其各自自的特点点，当选选取安装装方式时时，在考考虑实际际工作要要求（如如传动速速度、定定位精度度、扭矩矩和推理理情况等等）的前提下下，也要要结合所所选择的的滚珠丝杠杠副型号规规格，只只有两个个因素综综合考虑虑，才能能实现理理想的工工作状况。由文献19，20可知“滚珠丝丝杠副的的安装方方式也可可以叫做做滚珠丝丝杠副的的支撑形形式”，安装方方式通常常有两大大类，一一类是丝丝杠旋转转，另一一种是螺螺母旋转转，两大大类共包包括五种种典型的的安装方方式，安装方方式的不不同会影影响滚珠珠丝杠副副所容许许的回转转速度以及及所能够够承受轴向向载荷。安安
24、装方式式应该根根据工况况适当选选择，具具体安装装方式下下文会详详细介绍绍，为了了方便比比较安装装方式的的稳定性性，引入入“稳定定性系数数fk”来表征征丝杠旋旋转类的的每种安安装方式式的稳定定性，fk数值越大大则表示示该安装装方式越越稳定，对对于螺母母旋转类类由于其其受力模模型不同同，校验验体系也也不同，故不能模型化比较。所以本文所设计的机械臂选用丝杠旋转类。4.2.3 丝杠旋旋转类安安装形式式1. “固定固定”型：fk=4本安装方方式适用用于高精精度、高转速速的场合合。该方方式两端端分别装有有一对轴承承来约束束径向和和轴向自自由度，所所受载荷荷由两组轴承承副共同承承担。也也可以是两两端的轴轴承
25、组承承受反向向预紧拉拉伸力，从从而提高高丝杠的的传动刚刚度。在在一些定位位要求较较高的场场合，甚甚至可以以通过受受力情况况和丝杠杠运动发发热变形形趋势来来精确设定定目标行行程的补补偿量，从从而进一一步提高高定位精精度。“固固定固定”型型也叫“双双推双推”型。在实际际情况中中，由于径径向力的的存在，所所以几乎乎不能用用两个推推力轴承承来作为为固定端端。而且且此安装装方式机机构较为为复杂，调调整也较较为困难难，因此此仅在定定位要求求很高的的场合时时才采用“固固定固定”型，其结结构简图图如下。图-11 “固固定固固定”型型2. “固定游动”型：fk=2本安装方方式适用用于高精精度、中转速速的场合，该
26、方式式一端由由一对轴轴承约束束径向和和轴向自自由度，而而另一端端由一个轴轴承来约约束径向向自由度度，所承受受的载荷荷只由一对对轴承副副承担，而而游动的的单个轴轴承用来来防止悬悬臂挠度度，并且且能够消除除由运动动发热产产生的应应力，“固固定游游动”型也叫叫做“双双推支撑”型。此安装装方式结结构简单单，应用用广泛，效效果良好好。其结结构简图图如下。图-22“固定定游动动”型3. “支承支承”型：fk=1本安装方方式适用用于中精精度、中转速速的场合合，该方式式两端分别别装一个个轴承，分分别承受受单方向向的轴向向力和径径向力，两个轴承分别单独承担某一方向的力。由于其力的支撑点随着受力的方向变化，故而其
27、定位可控性较低。此安装方式形式结构简单，受力情况较差，应用较少。其结构简图如下。图-33“支承支承”型型4. “固定自由”型：fk=0.25本安装方方式适用用于中精精度、低低转速的的场合。该方式式一端装装有一对对轴承来来约束径径向和轴轴向自由由度，而而另一端端则处于于自由状态态，这一一对轴承承副承担担所有载载荷，并并且需要要克服丝丝杠水平平安装时时的重力力（以及丝丝杠回转转时的离离心力）所造成成的弯矩矩。“固定自由”型有时时也叫做做“双推推自由”型，此安安装方式式结构简简单，虽然受受力情况况差，但但在低转转速、小小行程的的场合也也经常使使用。其其结构简简图如下下。图4-44“固定定自由由”型综
28、合考虑虑四种安安装方式式安装时时的方便程程度及其其对精度度的影响响，本文文所设计计的机械械臂选择择的安装方方式是：“固定游动”型安装方方式，其所允许许的转速速以及达达到的精精度符合合我们的的设计要要求。4.3XX方向进进给系统统设计4.3.1 基本导导程在X向进进给系统统的单轴轴机械臂臂中，丝丝杠与伺伺服电机机直接通通过联轴轴器链接接，传动动比为，工工作台的的运动速速度需要要达到，伺伺服电机机的额定转速为，那么丝丝杠的转转速也取取，则可可求得丝丝杠的基基本导程程4.3.2 滚珠丝丝杠的选选择计算算1承载能能力选择择. 计算算作用于于丝杠轴轴向最大大动载荷荷，然后根据据值选择丝丝杠副型型号。 (
29、4-1)式中滚珠丝杠杠寿命系系数（单单位1006转），普通机机械为5500001000000、数控机机床及其其他机电电一体化化设备及及仪器装装置为1150000，航空机机械为110000，取。载荷荷系数（平平稳或轻轻度冲击击时为1.001.2，中等冲冲击时为为1.221.5，较大冲冲击或振振动是为为1.552.5）；取。硬度度系数（时为1.00，等于555时为1.111，等于522.5时时为1.335，等于500时为1.556，等于455时为2.440）；取。最大大工作载载荷，由于此机机械臂的的所承受受的载荷荷即克服自自重而运运动，取取则可由公公式(44-1)求得轴向向最大动动载荷初步选用用S
30、FUU0166044型滚珠丝丝杠，其主要参参数为：基本导导程；钢球直直径；丝杠内内径；外径，额额定动负负载，螺螺母外径径，螺母母长度。2.压杆杆稳定性性核算（4-22）式中实际承承受载荷荷的能力力，N；压杆杆稳定的的支撑系系数（双双推双推式式为4，单推单推式为为1，双推简直式式为2，双推自由式式为0.25），取；E钢钢的弹性性模量，取取；I滚滚珠丝杠杠底径的抗弯截截面惯性性矩，；K压压杆稳定定安全系系数，一一般取2.554，取取；丝杠杠的工作作长度，取计算，代代入式44-2中中得，所以压杆杆稳定性性核算合格格。3 刚刚度的验验算滚珠丝杠杠在轴向向力的作作用下，将产生伸长或缩短，在扭矩的作用下将
31、产生扭转而影响丝杠导程的变化，从而影响传动精度及定位精度，故应验算满载时的变形量。其验算公式如下：滚珠丝杠在工作负载F和扭矩T共同作用下，所引起的每一导程的变形量为：（只考虑虑拉伸时时）式中工作负负载，；基本本导程，；E钢钢的弹性性模量，；A丝丝杠的最最小横截截面积，cm2，则T扭扭矩，NNcmm，；为丝杠的的传动效效率，取取，则I丝丝杠底径径的抗弯弯截面惯惯性矩，代入以上上数据，可可得则每一米米弹性变形形所允许许的基本本导程误误差值为为，而此丝杠杠精度标标准中，允许误误差为，故该滚滚珠丝杠杠满足刚刚度要求求。4.3.3支撑轴轴承选型型由于滚珠珠丝杠会会受到一定定的轴向向力，所所以支撑撑轴承应
32、应该选用用角接触触球轴承承，本文文所设计计的机械械臂选用用的角接接触球轴轴承为77032C，在市场场上较为为常见，价价格低廉廉，购买买方便。4.4 YY、Z方向进进给系统统设计对于、方向单单轴机械械臂，相相比于方向单单轴机械械臂来说说，其移移动部件件的重量量和所受受的力都都比方向的小小，所以以在Y、Z方向上上，可以以选取与X向相同同的丝杠杠和支撑轴轴承，但但在伺服服电机选选型上，为了降低成本，可以选取与X向相同系列，额定转速相同，但比X向功率低的型号。对于有装配调整的零件，需要另行设计来满足装配要求。对于Y、Z方向的的进给，因因移动部部件的重重量和所所受的力力都比XX方向的的小，为为了减少少设
33、计部部件的数数量和加加工的要要求，此此方向的的可选用用与X方向相相同的丝丝杠、电电机和轴轴承及其其他零件件，但对对于有装装配调整整的零件件还需另另行设计计以满足足要求。4.5 导轨轨的选型型计算4.5.1导轨轨的形式式及选择择导轨是支支撑和限限制运动动部件按按给定的的运动要要求和规规定的运运动方向向运动，它是滚珠丝杠副运动机构中必不可少的一个部分，在很大程度上会决定单轴机械臂的刚度、精度和精度保持性。常用的导轨副种类很多，按其接触面的摩擦性质可以分为滚动导轨、滑动导轨、流体介质摩擦导轨等。下面着重介绍三种。1. 直线滚滚动导轨轨滚动导轨轨作为滚滚动摩擦擦副的一一类，具具有很多多优点，摩擦系数小
34、，运动灵活；动静摩擦系数基本相同，因而启动阻力小，而不宜产生爬行；可以预紧，刚度高；寿命长，精度高；润滑方便，可以采用脂润滑，一次装填，长期使用；由专业厂生产，可以外购选用。但也存在一些缺点：导轨面与滚动体是点接触或线接触，所以抗振性差。接触应力大；对导轨的表面硬度、表面形状精度和滚动体的尺寸精度要求高，若滚动体的直径不一致，导轨表面有高低，会使运动部件倾斜，产生振动，影响运动精度；结构复杂，制造困难，成本较高；对脏物比较敏感，必须有良好的防护装置。2.液体体静压导导轨由于液体体静压导导轨的工工作面完完全处于于纯液体体的摩擦擦下，因因此工作作时的摩摩擦系数数非常低低，约为为；速度度与负载载不会
35、限限制导轨轨的运动动，且低速速移动均均匀，没没有爬行行现象，由由于液体体的吸振振作用，使得导轨的抗振性好；同时拥有良好的刚性，且承载能力大；由于摩擦发热少，导轨的温升也小。但是液体静压导轨也有缺点，由于液体静压导轨安装了一套液压系统；所以其结构复杂，成本高；油膜的厚度也很难保持一个恒定值。在一些大、重型设备上多使用液体静压导轨。3. 滑动导导轨滑动导轨轨结构简简单、制制造方便便、刚度度好且抗抗振性高，常见的导导轨截面面形状，有有三角形形（分对对称、不对称称两类）、矩形、燕燕尾形及及圆形四四种，每每种截面面形状的的滑动导导轨又有有不同的的特点，每一种截面形状又分为凸形和凹形两类。凸形导轨不易积存
36、切屑等脏物，也不易储存润滑油，宜在低速下工作，凹形导轨则相反，可用于告诉，但必须有良好的防护装置，以防切屑等脏物落入导轨。根据机械械臂的结结构和设设计要求求，X向单轴机械械臂选择择直线滚动动导轨，Y向和Z向单轴机械臂选择燕尾形滑动导轨。4.5.2载荷荷计算1. 计算载载荷直线滚动动导轨副副可以承承受上下下、左右右四方向向的力，还可以承受左右扭转、前后翻转和平面扭转三种扭矩。在选用时，需要对其受力状态（包括水平、竖直、侧卧等），以及受力结构（受力点与支撑点之间所产生的扭矩）和启停时所产生的惯性力等进行受力分析，还需要对整个运动过程中受力变化对导向系统所产生的影响进行评估。由文献23可知载荷荷的选
37、取取围绕单单个滑座座所受的的合力进进行(静态受受力分析析按照理理论力学学常规计计算)，通常常根据载载荷在行行程内的的变化分分段核算算，若某某个滑座座在总行行程L（）内的段内内所受的的载荷分分别为（KN）则计算算载荷为为对于载荷荷呈线性性变化的的情况，可简化成对于载荷荷呈全波波正弦曲曲线变化化的情况况，可简简化成对于载荷荷呈半波波正弦曲曲线变化化的情况况，可简简化成对于同时时承受扭扭矩M(Nm)负载的的情况，式中载荷合合力，N；滑座座的额定定静载荷荷，N；对应应方向的的额定扭扭矩，。由于本机机械臂的的设计目目的主要要是携带带摄像头头进行扫扫描摄像像，那么么其所承承受载荷荷近似为为一个恒恒定载荷荷
38、，故选用公公，选择GGGB166BA型型直线滚滚动导轨轨，长度度5200mm，导轨副副尺寸，滑块块尺寸，。2. 计算额额定寿命命对于滚珠珠直线导导轨副，其其寿命衡衡量标准准为：在允许许的工作作环境内内，使其所承承受的负负载等于于额定动动载荷CC（KN），连续导导向行程程达到550KMM（基准行程程寿命）时有955%（基准准可靠度度）不产生生材料疲疲劳破坏坏。滚珠珠直线导轨轨副的额额定行程程寿命LL为：式中：LL额额定寿命命（kmm）;额定定动载荷荷（KNN），；P当当量动载载荷（kkN）；指数数，当滚滚动体为为滚珠时时，；当当为滚柱柱时，；K额额定寿命命单位（km），滚珠时，；滚柱时，；硬度度
39、系数；HRCC58为为基准硬硬度，低低于HRRC588时额定定动载荷荷锐减。通通常滚珠珠直线导导轨副的的硬度为为HRCC58，故故取。温度度系数，取，见表4-1：表4-11工作温度度()100010150015002000200025001.0000.9000.7330.600接触触系数，取，见表4-2：表4-22每根导轨轨上的滑滑座个数数123451.0000.8110.7220.6660.611精度度系数，取，见表4-3：表4-33精度等级级23451.01.00.90.9载荷荷系数，取，见表4-4：表4-44工作条件件无外部冲冲击和振振动，速速度15 m/mmin无明显冲冲击和振振动，速
40、速度(1560) m/minn有外部冲冲击或振振动，速速度60 m/mmin1.01.551.52.002.03.55代入以上上数据，由由公式得得当行程的的长度已已定时，滚珠直直线导轨轨副的额定寿寿命为式中：寿命命时间（h）；L额额定寿命命（kmm）,；l行行程长度度(m)，；n每每分钟往往返次数数，取；代入以上上数据，得得4.5.3安装装注意事事项1. 导轨在在螺钉紧紧固状态态下进行行线性检检测和调调整，使使导轨呈呈直线状状态；2. 两根或或两根以以上平行行使用时时需检测测和调整整平行度度和等高高；3. 接长导导轨安装装时需使使对接端端的编号号相同，任任何情况况下均需需避免滑滑座脱出出导轨；
41、4. 保证充充分的润润滑，在在高速(15mm/miin)时建议议使用NN32润润滑油(20号机机械油)，在低低速(15mm/miin)时建议议使用锂锂基润滑滑脂；5. 在开放放工况下下建议采采用防护护罩整体体防护。本章小结结根据设计计要求对对典型零零部件进进行了设设计，在在考虑工工况的同同时，对对所设计计零部件件的寿命命以及可可靠性进进行验算算，配合伺伺服电机机、运动动控制卡卡完成预期期的运动动要求。第五章基基于Creoo设计与与装配5.1 软件介介绍Creoo是美国国PTCC公司于于20110年10月推推出CAAD设计计软件包包。Crreo是是整合了了PTCC公司的的三个软软件Prro/EE
42、ngiineeer的参参数化技技术、CCoCrreatte的直直接建模模技术和和ProoducctViiew的的三维可可视化技技术的新新型CAAD设计计软件包包，是PPTC公公司闪电电计划所所推出的的第一个个产品。Creoo是一个个整合PPro/ENGGINEEER、CoCCreaate和和ProoducctViiew三三大软件件并重新新分发的的新型CCAD设设计软件件包，针针对不同同的任务务应用将将采用更更为简单单化子应应用的方方式，所所有子应应用采用用统一的的文件格格式。 Creeo目的的在于解解决CAAD系统统难用及及多CAAD系统统数据共共用等问问题。图5-11 CCreoo初始界界面
43、5.2 壳体的建建模壳体主要要通过多多次拉伸伸操作完成成建模，由由于壳体体上装有有众多零零件，故故壳体的的设计应应该注意意零件安安装位置置的设定定，使零件安安装不发发生干涉涉，并且且安装合合理可靠靠。打开Crreo软软件，选选择新建建命令，选选择类型型为零件件，子类类型为实体，并并输入零零件名称称ketti，取取消勾选选使用默默认模板板，选择确确定。操操作界面面如图55-2所示示。图5-22新建零件件命令操操作界面面在弹出的的文件选选项对话话框中（如图5-3所示），选择择模板类类型为mmmnss_paart_sollid，即为实体体模型设设计，选选择确定定。图5-33 “新新文件选选项”对对话
44、框然后进入入建模主主界面，主界面面设计采用用瀑布式式菜单。非非常明朗朗，（如如图5-4所示）。图5-44 建模模主界面面壳体设计计需要多多次拉伸伸操作，选择拉伸操作，进入拉伸界面，直接在模型树框里点击TOP平面，软件自动跳到草绘界面，即可开始草绘操作，如图5-5所示。图5-55草绘操操作界面面进入草绘绘界面后，首先先点击草草绘视图图按钮，定定向草绘绘平面使使其与屏屏幕平行行，然后后绘制如如图所示示的拉伸伸截面，如如图5-6所示示。图5-66草绘截截面草绘完成成后，点点击确定定按钮，退出草绘绘界面，输入入拉伸长长度8000mmm，其他他按钮状状态默认认，选择择完成，退退出拉伸伸界面，初次拉伸的实
45、体完成，如图5-7所示。图5-77 拉伸伸实体接着需要要在壳体体上进行行拉伸去去除一些些材料，来来减轻质质量并提提高强度度。在上一一步骤所所绘制实实体的基基础上，选择拉伸选项，选择一侧端面作为基准平面，草绘视图。如图5-8所示。图5-88以端面面为基准准草绘截截面草绘完成成后，点点击确定定按钮，退出草绘绘界面，输入入拉伸长长度8000mmm，点击击去除材材料按钮钮，选择完完成，退退出拉伸伸界面，第二次拉伸实体完成，直接点击阵列按钮选取以方向为基准，选取截面一条边为方向，数目框输入8，间距框输入5，如图5-9所示。,图5-99阵列步步骤中实实体状态态点击完成成阵列步步骤，将将阵列内内容选住住，点
46、击击镜像按按钮，点点击RIIGHTT平面作作为镜像像平面，完完成镜像像，此步步骤完成成后的实实体模型型端面如图图5-100所示。图5-110 镜像后实实体模型型端面此后，仍仍需要多多次拉伸伸、阵列列、镜像像以及倒倒圆角和和倒角等等步骤来来完成实实体模型型，包括括确定电电机、底底座、导轨、丝丝杠座和和端盖等零零部件安安装位置置，以及确定定各部件件安装时时所需螺螺纹孔位位置和深度。最最终完成成壳体的实实体建模模如图5-111所示。图5-111 壳壳体实体体5.3 丝杠的建建模在机械设设计手册册中，丝丝杠属于于非标件件，但国内内外丝杠杠生产的的大型企企业已经经具有了了本企业业的一套标准准，本文所绘绘制的丝丝杠并不不能完全全符合企企业的标标准规范范，只是是在整体体构造上上与实际际丝杠并无无区别，丝丝杠主要要通过一一次拉伸伸和一次次螺旋扫扫描完成成，下面对对丝杠的的绘制进进行简述述。首先通过过拉伸选选项，拉拉伸出直直径为116mmm，长度度为6110mmm的圆柱柱体，如图5-122所示。图5-112 丝杠圆柱柱模型接着选择择扫描栏目目下的螺螺旋扫描描选项，点击参参考选项项，在螺螺旋扫描描轮廓下下点击编编辑，进进入草绘绘界面，绘制螺螺旋扫描描轮廓后后点击确