移动机械臂论文1.docx
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移动机械臂论文1
移动机械臂论文1
本科毕业设计论文第1页共17页2电动驱动系统的分析及选用
现代工业机器人的技术发展趋势之一是采用电动驱动系统。
因为电动驱动系统具有电能容易获得、导线传导方便、清洁无污染,并且驱动电机与它的控制系统具有相同的工作物理量,衔接、变换快捷方便;加之适合作工业机器人驱动用的电机品种日益增多,性能不断提高,所以负荷1000N以内的中、小型机器人,现已绝大部分采用了电动驱动系统。
2(1电动驱动系统的组成
电动驱动系统的主要组成部分有:
位置比较(控制)器,速度比较(控制)器,信号和功率放大器,驱动电机,减速器,以及构成闭环伺服驱动系统不可缺少的位置和速度检测(反馈)部分,如图2-1所示:
对于采用步进电机的驱动系统,则没有反馈环节,构成的是开环系统。
图2-1电动驱动系统示意图
2(2工业机器人常用驱动电机的特点和应用范围
工业机器人常用驱动电机分为三大类:
直流伺服电机,交流伺服电机,步进电机。
直流伺服电机的控制电路比较简单,系统价格也较低廉,但电机电刷有磨损,需定时调整及更换,既麻烦又影响性能,电刷还能产生火花,易引起可燃物质(如漆雾、粉尘等)的爆炸,有时不够安全。
交流伺服电机结构较简单,无电刷,运行安全可靠,但控制电路较复杂,系统价格较高。
步进电机是以电脉冲使其转子产生转角,控制电路较简单,也不需要检测反馈环节,因此价格低,但步进电机的功率不大,不适用于大负荷的机器人。
本科毕业设计论文第2页共17页
下表为工业机器人用的各种驱动电机的特点及其应用范围。
表1工业机器人常用驱动电机的特点及其应用范围
电机种类结构特点性能特点应用范围
小惯量永磁直流转子细而长,无惯量小,响应速适于对快速响应要伺服电机齿槽,转子绕组粘贴度快,转速快,低速求高而负荷又不大的场
在电枢表面上性能好,调速范围宽;合,如小型冲床的上下
输出力矩小,负荷惯料机器人等
量改变时,系统刚性
较差
大惯量永磁直流转子直径大,轴惯量大,输出力适于要求驱动力矩伺服电机(力矩电机)向尺寸短,电机呈扁矩大且波动小,转矩大、速度不高、轴向空
平形低,可在堵转下工作;间很紧、响应要求不太
大规格电机转速很严的场合,如搬运、码
慢,甚至可不用减速垛机器人等
器而直接驱动
印刷绕组永磁直电枢由薄片型绕惯量小,快速响适于频繁启、制动、流伺服电机组及片间绝缘片叠装应性能好,低速和换正反转的搬运、装配等
而成,无铁心,结构向性能好,调速范围机器人
紧凑,轴向尺寸小宽;可频繁启、制
动、正反转工作;在
高温高速下有一定过
载能力
同步式交流伺服转子由永磁体构转子转速与定子适于驱动大、中、电机成,定子由三相绕组绕组的旋转磁场同小负荷的各类机器人
组成,转子直径较细,步;从低速到高速,
无电刷绕组都可通大电流,
所以启、制动对输出
力矩影响不大;可频
繁启、停;过载能力、
力矩惯量比、定位精
度都比直流伺服电机
优越
步进电机(反应式以永磁体形成转以电脉冲驱动转适于负荷不大的开或混合式)子磁场,定子由三相子转动,输入的脉冲环驱动系统,如平面关
绕组组成;转子一般数决定转角值,脉冲节型装配机器人、小型
较细,功率不大频率决定转速;定位关节式喷漆机器人等
精度取决于步距角的
大小,步距角越小,
精度越高
工业机器人驱动电机功率的选择要考虑两方面的因素:
一是在最高速度、最大负荷条件下所需的动力,二是在规定时间内能使负荷加、减速至规定值所需的动力,通常更多的是根据后者来选定。
本科毕业设计论文第3页共17页
综合以上分析,考虑到小型喷漆机器人的负荷以及安全防爆等方面因素,在这次设计中选用了步进电机。
3步进电机
3.1步进电动机的基本结构
60年代末开始生产,70年代初发展起来的混合式步进电动机,主要是二相(四相)八极结构,最典型的转子齿数是Z,50,如图3-l所示。
整步方式工作时每转步数Nr
200,即步距角θ,1(8?
。
b
图3-1二相混合式步进电动机典型结构示意图
70年代中期提出的五相混合式步进电动机,与上述二相电动机相比,结构上没有原则的区别,主要是增加了相数,定于一般为l0个极(最典型的转于齿数仍为Z=50,r整步方式运行时,每转步数为N,500,或步距角θ,0(72?
。
比起二相电机来运Lb
行特性显著提高,主要的好处在于:
?
分辨率提高。
?
起动—停止频率提高。
?
运行频域增宽。
?
振荡的趋势减弱,噪声下降,运行平稳性增加。
?
定位转矩减小。
它的不足是功率驱动电路相应增加了相数,因而提高了成本。
3(2步进电动机系统的构成
步进电动机不同于通用的交、直流电动机,它必须与驱动器、控制器(或称脉冲发生器)、直流电源组成系统方能运行。
系统功能示意图如图3-2所示。
在实际系统中,步进电动机和驱动器是两个不可分割的组成部分,故应用中所说的步进电动机均指步进电动机和驱动器的成套装置。
控制器可由配套整机系统中计算机或单片机提供,直流电源亦可由配套整机系统中其它电源提供。
因此,在选择步进电动机的时候,应考虑和驱动器配套选择,本次设计中不涉及到步进电动机的驱动电
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路,所以只考虑了单独的步进电动机的选用。
图3,2驱动系统功能示意图
3(3步进电动机系统的功能
步进电动机是将电脉冲信号转换成角位移或直线位移,其位移量严格正比于输入脉冲数,平均转速严格正比于输入脉冲的频率,故可进行无级调速。
同时,在其工作频段内,可以从一种运动状态稳定地转换到另一种运动状态。
若改变通电顺序,就可方便地控制电动机正转或反转。
所以改变电脉冲输入则能控制它并使其快速起动、反转、制动或改变转速,步进电动机还有自锁能力,当控制电脉冲停止输入,而让最后一个脉冲控制的绕组继续通直流电时,则电动机可以保持在最后一个脉冲控制的角位移的终点位置上,能够实现停车时转子定位。
3(4步进电动机的种类及其技术指标
3(4(1步进电动机的种类
步进电动机按其结构分为:
?
电磁式步进电动机。
?
永磁式步进电动机。
?
混合式步进电动机(感应式永磁步进电动机)。
?
反应式步进电动机(磁阻式步进电动机)。
?
印刷绕组步进电动机。
?
直线步进电动机。
?
滚切式步进电动机。
?
机械谐波式步进电动机。
?
交流感应式步进电动机。
现在我国常用的是反应式步进电动机(BC或BF系列)和混合式步进电动机(BYG系列)两种。
近几年,随着对直线步进电动机需求的显现,直线步进电动机商品也已在市场上出现。
3(4(2步进电动机的主要技术指标
(1)步距角
步距角是每给一个脉冲信号电机转于所转角度(理论值或平均值),等于360?
/(步,r)。
本科毕业设计论文第5页共17页
目前国产商品化步进电动机有BC系列和BYG系列步进电动机,常用步距角为:
0(36?
、0(6?
、0(72?
、0(75?
、0(9?
、1(2?
、1(5?
、1(8?
、2(25?
、3(6?
、4(5?
等。
与之配套的驱动器均具有整步、半步驱动功能。
半步驱动的步距是整步驱动的1,2。
当用户有特殊要求时还可对上述步距角进行细分处理,可进行5细分(1,5步距角)或10细分(1,10步距角)等。
(2)精度
精度通常指的是最大步距误差。
从使用者的角度看,多数情况使用累积误差比较方便。
步进电动机每转一圈的累积误差是零,所以步进电动机产品样本上一般不给出精度指标。
(3)转距
a)定位转矩
定位转矩是指绕组不通电时电磁转矩的最大值,或转角不超过一定值时的转矩。
通常反应式步进电动机的定位转矩为零,除非具有特殊的产生定位转矩的装置。
混合式步进电动机具有一定的定位转矩。
b)静转矩
静转矩是指不改变控制绕组通电状态,即转于不转情况下的电磁转矩。
它是绕组内的电流及失调角的函数。
对应于某一失调角时,静转矩值最大,称为最大静转矩,它的值取决于通电状态及绕组内电流的值。
一般产品样本中“保持转矩”一栏即这里所讲的最大静转矩。
c)动转矩
动转矩是指转于转动情况下的最大输出转矩值,它与运行频率有关。
当然,对于在一定频率情况下,最大静转矩越大其动转矩也就越大。
(4)起动频率
起动频率又称最高起动频率或空载起动频率,指电动机空载起动和停止均无失步的最高频率。
负载时,对于一定的电动机及一定的驱动器,起动频率值与负载的大小有关,负载的大小包含负载转矩和负载转动惯量二方面的含义。
(5)运行频率
运行频率又称连续频率,是指频率连续上升时,电动机不失步运行的最高频率。
用户在选用步进电动机时,考虑上述5个指标基本能回答电气性能的要求。
另外一般产品样本中还会给出相电流指标,该指标只在配套整机系统中有电流限制时参
本科毕业设计论文第6页共17页考。
3(5步进电动机的选用
3(5(1步进电动机选用时应考虑的问题
在小型喷漆机器人中,常用的步进电动机有两种:
反应式和混合式。
在电动机体积相同的条件下,混合式步进电动机的转矩比反应步进电动机大,同时混合式步进电动机步距角通常做得较小,在工作空间受到限制又需小步角和大转矩情况下,多采用混合式步进电动机。
反应式步进电动机转于的机械惯量比混合式步进电动机的低,因此可比更快加速,在负载需移动相当大距离时,使用大步距角的反应式步进电动机可比混合式步进电动机减少步数。
在供电切断时,混合式步进电动机由于有自定位转矩,因此能保持转于的原来位置,而反应式步进电动机在断电时转子就处于自由位置。
步进电动机的选择首先要考虑的是外形尺寸(机座号)、转矩和步距角。
最大静转矩是主要参考指标,样本中该指标的给出也很直观,但同时要考虑实际工作点的动转矩(需查看“矩—频”特性曲线,见图3-3)。
一般动转矩小于最大静转矩。
电动机的性能很大程度上取决其“矩一频”特性曲线。
一个“矩—频”特性好的电机可在高的步进频率下带动负载,从而以最少的时间对负载定位。
图3-3160BC548步进电动机“矩一频”特性曲线
从图3-3中可以查出,当电动机在600Hz时起动,则起动转矩为24Nm,当电动机在100Hz到1000Hz运行时,电动机的动转矩为26—27Nm之间。
而该电动机的最大静转矩为30Nm。
在使用步进电动机时,要注意自振荡现象。
当反应式步进电动机的控制脉冲频率连续升高达到一定值时,开始出现显著的振荡现象,频率继续提高时,振荡越来越大,
本科毕业设计论文第7页共17页直到不能运转。
在有些情况下,也可以越过振荡区,直接提高频率继续运行。
3(5(2步进电动机选用的计算
由于传动系统选用的是滚珠螺旋传动,当滚珠丝杠为回转运动转换为直线运动时,驱动力矩的计算公式为:
FLmaxT=3-12,,
由于给定的小臂约18Kg,折算成力为180N,根据计算得F=754N,考虑到摩擦等其他因素,将其乘上一个安全系数1.5后得:
F=1130N
小臂
670
max轴向最大负荷F?
2F=2260N,导程L=4mm,效率η=0.95
则
FL2260,4maxT===1522.5(N?
mm)2,,2,,0.945
根据相关手册,考虑到外形的尺寸、最大静转矩、步距角等主要参考指标后,选用型号为110BYG550A的步进电机,其主要的技术性能数据为:
相数5步矩角0.36?
/0.72?
最大静转矩3000(N?
mm)
空载启动频率2000(1/s)分配方式4―5/4―4
4滚珠螺旋传动
4(1滚珠螺旋传动的工作原理
滚珠螺旋传动是在丝杠与螺母旋合螺旋槽之间放置适量的滚珠作为中间传动体,借助滚珠返回通道,构成滚珠可在闭合回路中反复循环运动的螺旋传动。
当丝杠或螺母传动时,滚珠被推动在闭合回路中形成滚珠链的作用,把滑动接触变成了滚动接触。
因此,滚珠螺旋传动相对于滑动螺旋传动而言,其运动机理,概括地来说,就是以滚动摩擦代替了滑动摩擦。
这也是滚珠螺旋传动具有独特的技术性能
本科毕业设计论文第8页共17页的物理本质所在。
4(2滚珠螺旋传动的特点
滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动、静压螺旋传动相比,具有如下特点:
(1)传动效率高
对于滑动螺旋传动来说,在定期润滑的条件下,丝杠与青铜(或铸铁)螺母之间
的滑动摩擦系数在0.06,0.15之间,摩擦阻力大,传动效率低(一般低于40%)。
f
然而,滚珠螺旋传动的摩擦系数经实验测得,一般为0.0025,0.0035。
显然,其传动摩擦阻力大大减小,传动效率得到很大提高。
当摩擦系数μ=0.003、螺旋升角λ=2?
时,传动效率可达到90%以上;当螺旋升角λ=3?
时,传动效率可升至95%以上;当λ再度增加时,传动效率理论值可高达98%,但其增加速率缓慢了。
这些效率得数值,相当于滑动螺旋得2,3倍。
这样,滚珠螺旋传动相对于滑动螺旋传动来说,就能以较小的动力推动较大的负荷,而功率消耗只有滑动螺旋传动的1/4,1/2,不仅能大大减轻操纵者的劳动强度,而且对机械小型化、启动后的颤动和滞后时间的减少,以及节省能源方面,都具有重要意义。
(2)传动的可逆性
滚珠螺旋传动不仅正传动效率(简称正效率)高,而且逆传动效率(简称逆效率)也几乎同样高达98%。
它即可把回转运动变成直线运动(简称正运动),又可把直线运动变成回转运动(简称逆运动)。
因此,与滑动螺旋传动相比,突出的不同点是传动具有可逆性。
当然,滚珠螺旋传动的逆效率高,一方面固然带来了逆传动的好处,但另一方面却不如滑动螺旋传动那样具有自锁能力。
在某些机构中,特别是垂直升降机构中使用滚珠螺旋传动时,必须设置防逆转装置。
因此,与滑动螺旋传动相比,带来了机构比较庞杂的缺点。
但与静压螺旋传动相比,机构仍属于简单紧凑,也易于维修。
(3)同步性能好
由于滚珠螺旋传动的滚动摩擦特性,摩擦阻力几乎与运转速度无关,静摩擦力距极小,启动摩擦力居于运动摩擦力据接近相等,因此,运转启动时无颤动,低速下运转无爬行。
这不但缩短了启动时间,消除了在滑动螺旋传动中那种滑移现象,而且大大提高了传动的灵敏度和准确度,具有持续平稳运行的特点。
如果用几套同样的滚珠螺旋传动同时驱动几个相同的部件或装置时,包括启动的同时性、运行中的速度和位
本科毕业设计论文第9页共17页移等,都具有准确的一致性,这就是所说的同步性。
这种技术特性已成功的应用到各种具有同步要求的机构中。
(4)传动精度高
传动精度主要是指进给精度和轴向定位精度。
经过淬硬和精磨螺纹滚道后的滚珠螺旋副,本身就具有较高的进给精度。
高精度滚珠螺旋幅,导程累计误差可达5μm/300mm以上。
当采用预紧螺母时,则能完成消除轴向间隙。
如果预紧力适当(即最佳预紧力),再不增加驱动力矩和基本不降低传动效率的前提下,能提高传动系统的刚度和定位精度;在带有反馈系统的滚珠螺旋传动中,通过机电补偿伺服系统,能获得较高的重复定位精度。
由于滚珠螺旋传动的摩擦力小,工作是本身几乎没有温度变化,因此不但进给速度稳定,而且丝杠尺寸也非常稳定,这就是具有很高定位精度和重复定位精度的重要原因。
滚珠螺旋传动之所以能在高精度的数控机床、多工序自动数控机床、精密机床、工业机器人和精密测量仪器中获得广泛应用,特别是成了要求灵敏而精度配合的伺服系统所不可缺少的配套元件,其重要原因是因其传动精度高。
(5)使用寿命
滚珠螺旋副的丝杠、螺母和滚珠都经过淬硬,而且滚动摩擦产生的磨损极小,故螺旋副经长期使用仍能保持其精度,工作寿命很长,这是滑动螺旋副无法比拟的。
一般说来,滚珠螺旋副的寿命比滑动螺旋副高5,6倍,而且在某些使用场合下可高达10倍左右。
使用寿命长这一优点,可相对的弥补滚珠螺旋传动制造成本较高的不足。
4(3滚珠丝杠副的设计计算
4(3(1主要几何尺寸的计算
(1)螺纹滚道的主要尺寸
根据滚珠丝杠副的螺纹滚道截面形状,滚珠丝杠副较常见的螺纹滚道为单圆弧和双圆弧两种。
在滚珠丝杠副中,其主要几何尺寸和有关计算公式与滑动丝杠副相似,但两者又有较大差别。
为了便于滚珠丝杠副的设计计算,特对其有关尺寸的基本概念和公式中的符号进行如下说明:
da)公称直径0
d公称直径是滚珠丝杠副的特征尺寸,它表示滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态0
时包络滚珠中心的圆柱直径。
通常,它可以按照机械工业部部标准《滚珠丝杠副参数
本科毕业设计论文第10页共17页
dL和代号》中规定的公称直径和基本导程的系列及其组合表选取。
00
Lb)基本导程0
L表示丝杠相对于螺母旋转2π弧度时,螺母上的基准点的轴向位移也基本导程0
可以从相应的表中选取。
c)导程L
导程L是表示丝杠相对于螺母旋转任意弧度时,螺母上的基准点的轴向位移。
d)接触角β
接触角β表示,在螺纹滚道法向剖面内,滚珠中心与滚道接触点的连线和螺纹轴
线的垂线间的夹角,通常取理想接触角β=45?
。
e)螺纹升角,
d螺纹升角,在公称直径的圆柱上螺旋线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角的,0
计算公式如下:
L,10,,tg4-1,d0
df)实际滚珠中心圆直径m
d实际滚珠中心圆直径是当滚珠与丝杠和螺母在实际工作状态时,通过滚珠中心m
的云、圆柱体的直径。
dg)滚珠直径b
d滚珠直径,即刚球的公称直径。
一般可以按如下公式计算:
b
d,(0.60-0.66)L4-2b0
h)滚道半径R
在螺纹的法向截面的滚道半径R,其值可以按下式计算:
R,(0.54,0.555)d4-3b
i)I圆弧偏心距e
圆弧偏心距e为R圆弧滚道中心至螺纹轴线的垂线间的距离。
其值可按下式计算:
ddd,b0b()sin,()sin450.7071()e,R,,R,,R,4-4222
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j)螺纹长度l
螺纹长度l为丝杠(螺杆)上的螺纹滚道全长。
(2)滚珠丝杠的主要尺寸
a)丝杠大径d
丝杠大径d,可以按下失计算:
d=d-(0.2,0.25)d4-50bb)丝杠小径d1
丝杠小径d,可以按下式计算:
1
d=d+2e-2R4-601
c)丝杠接触点直径dz
丝杠接触点直径d,可以按下式计算:
z
d=d-dcosβ4-70bz
d)丝杠牙顶圆角半径r3
对于内循环的丝杠牙顶圆角半径r,可以按下式计算:
3
r=(0.1,0.15)d4-83b(3)滚珠螺母的主要尺寸
a)螺母的螺纹大径D
螺母的螺纹大径D,可按以下公式计算:
D=d-2e+2R4-90
b)螺母小径D1
对于外循环方式的螺母,其小径D可按下式计算:
1
D=d+(0.2,0.25)d4-100b1
对于内循环方式的螺母,其小径D可按下式计算:
1
D=d+0.5(d-d)4-11001
4(3(2滚珠丝杠的设计计算
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滚珠螺旋传动的强度计算方法类似于一般机械零件的计算,也是针对破坏形式的不同而分别拟定强度条件,导出设计计算公式。
一般在转速n?
10r/min,都按疲劳寿命来计算。
长期的理论研究和大量的实验证明,滚珠螺旋传动的额定寿命与额定动负荷之间的关系与轴承相似,即
,FL=C=常数a
对于滚珠螺旋副来说,=3,则:
CC,3aaL=()=()4-12FF
式中L—额定寿命(百万转)
C—额定动负荷(N)a
F—轴向工作载荷(N)
在实际计算时,必须考虑到运转过程中载荷的冲击与振动、表面硬度以及螺母工作行程等不同对疲劳点蚀寿命的影响。
相应地就引入载荷系数K、硬度系数K、工FH作行程系数q,并令K=KKKq,可得:
hFH
C=KF4-13m
式中C—计算动载荷(N)m
K—载荷系数(可查表获得)F
K—硬度系数(可查表获得)]H
q—工作行程系数(可查表获得)
由于设计前对滚珠直径d和公称直径d、螺纹滚道有效长度L和滚珠螺母高度b00均未知,查表还不可能求出所需得两个比值,在设计处理上,则是取q=1代入公式计算。
在设计得小臂驱动系统中滚珠丝杠所受得轴向载荷约取为F=1400N,最大轴向载m
荷可取F=2F,丝杠的材料为20CrMnTi,硬度约为HRC=60,62max
(1)计算动载荷
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查表可得:
K=1.11H
K=3.92h
K=1.2F
q=1.0
则:
K=KKKq=5.22hFH
由前面?
3.5.2分析计算得知F=F=1130Nm
可得C=KF=5.22×1130=5899(N)mm
(2)选择滚珠螺旋副的系列尺寸
从系列表中选取内循环方式,其主要尺寸为:
d=32mm,L=4mm,d=2.381mm,0b
=2?
17′,j=1圈,K=2列。
(3)传动效率和驱动力矩的计算
当量摩擦系数μ=0.005,ρ′=arctgμ=17′11″
tg2:
17,tg==?
94.5%,,tg(2:
17,,17,11,)tg(,,,)1
FL2260,4maxT===1522.5(N?
mm)2,,2,,0.945
(4)稳定性计算
由临界载荷的公式可得:
44(32,2.381)(d,d)40bF=m=2.5×10c22170L0
=665769(N)
4式中m=2.5×10为查表所得。
L—丝杠支承点间的距离0
故稳定安全系数为:
F665769cn===237yF2800max
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n,,,n,=2.5,4yy
因此,稳定性足够。
由于丝杠的转速较低,无须对其临界转速进行验算。
4(3(3滚珠丝杠的预紧
为了消除轴向间隙,提高轴向刚度,滚珠丝杠副一般采用双螺母预紧,预紧后的丝杠与螺母的接触刚度近似为常数。
预紧力一般为最大轴向载荷的1/3。
当预紧力小于此值时,在最大轴向载荷作用下,螺母B的预紧变形将完全恢复,并有间隙产生。
若预紧力过大,会使效率和使用寿命降低,驱动扭矩增大。
当工作中出现最大轴向载荷的机会很少,且略有轴向间隙存在影响不大时,预紧力可取小于最大轴向载荷的1/3,这对于传动效率、寿命和驱动扭矩都是有利的。
当预紧力为最大轴向载荷的1/3时,在轴向载荷的作用下,丝杠与螺母的接触变形是无预紧力时的一半。
若预紧力不等于1/3最大轴向载荷,则丝杠与螺母的接触变形量δ可按下式计算
Fm,,0.0013(mm)4-1423dFZoy,
其中F—轴向载荷(kg);m
F—预紧力(kg)y
D—滚珠丝杠的名义直径(mm)O
d—滚珠直径(mm)o
Z—工作螺母的滚珠数,?
Z=Z×圈数×列数?
Z—一圈的滚珠数(与滚珠循环方式有关):
Do,Z外循环时,;xo
Do,,3Z内循环时,。
xo
在下面要讨论的轴向刚度中将考虑到丝杠与螺母的接触变形量,届时就要运用到此公式来进行计算。
4(3(4防止逆传动的方法
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滚珠丝杠传动在机器人中多为垂直安装。
由于滚珠丝杠副的逆传动效率较高,不能自锁,因此必须防止当传动中断后,因部件自重产生的逆传动.
由部件自重产生的使丝杠回转的扭矩M可按下式计算:
n
W,L,(kg?
cm)4-15M,,n2,
其中L—丝杠导程(cm);
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