已知μ是摩擦系数0.03；WA是负载质量，可由三维实体建模测量得出WA=20kg；g是重力加速度，计算导向面的摩擦力Fa：
Fa=μ·WAg=0.25×20×9.8=49 N
因此丝杠旋转需承受的推力F：
F=Fa+ WAg=676.2 N
乘以安全系数K=1.2,得
F1=K·F=811.44 N
(17)(16)(15)
查阅该公司提供的产品相关资料，丝杠直径BD=12mm时，丝杠动载荷Ca是2.5KN，Ca>F1，满足要求。 （4）确定丝杠长度
丝杠总长一般是工作行程、螺母长度、安装长度、连接长度和余量的总和。由所建立的
三维实体模型可知丝杠总长为650mm。 （5）确定滚珠丝杠精度
在无特殊要求的情况下，根据一般选取的经验，选用C7标准。C7标准表示选取丝杠精度
等级为7级，300mm的丝杠长度上，行程误差不超过0.050mm。 （6）校核扭矩
克服摩擦力Fa，也就是产生所需推力的驱动扭矩T：
T=Fa?L0
2??B?(18)
式中：Bη是进给丝杠的效率，取Bη=0.96。计算可得T=9.75 N·mm，远小于伺服电机所能提供的扭矩，所以校验合格。
综上，所选择的螺母丝杠技术参数如下表：
表3.3 丝杠螺母技术参数
直径
螺母型号
BD/mm
12×10-2 F型
12
切边六孔
10
650
2.5
0.6
BP/mm
BL/mm
Ca/KN
BW/kg
导程
丝杠总长度
丝杠动载荷
丝杠质量
3.2.2伺服电机选择 （1）伺服电机功率确定
- 17 -
估算出伺服电机的最大功率P：
P=K(1+μ) WA·gv
(19)
式中：WA是水平手臂质量，通过三维实体模型建立可得WA =20kg；μ是摩擦系数0.1；v是平移最大速度1m/s；K是安全系数，取K=1.2。
计算得P=282.24W，取功率P=400W的交流伺服电机，可选电机型号：MSME 042G1，它的有关技术参数如下表：
表3.4 竖直移动伺服电机技术参数
功
电机
率
型号
P/W
MSME
400 AC200
042G1
3000
6000
1.3
3.8
0.28
有
/V 电源交流
额定转速
-1
额定转
最大转速
-1
最大转矩
矩T/(N·m)
Tmax/(N·m)
转子转动惯量JM/(kg·cm2)
有无制动器
n/(r·min) nmax/(r·min)
（2）伺服电机惯量比校核
测量丝杠的三维模型，得滚珠丝杠的质量BW=0.6kg，则负载部分的惯量：
JL=JC+JB=JC+1/8·BW×BD2+WA·BP2/(4π2)
(20)
式中：JC是所选联轴器的惯量，JC=3.2×10-5kg·m2，WA是水平手臂质量，通过三维实体模型建立可得WA =20kg，计算可得JL=1.19×10-4kg·m2。
预选电机的惯量JM=0.28×10-4 kg·m2，则惯量比：
JL/JM=4.25倍<30倍
（3）伺服电机转矩校核
一般伺服电机的运转模式如图：
(21)
图3.4 伺服电机运转模式
由最大速度1m/s，移动距离为0.5m，可假设：加速时间ta=0.1s，匀速时间tb=0.4s，减速时间td=0.1s，循环时间tc=1.2s。
移动转矩Tf：
- 18 -
Tf?BP(?gWA?F) 2?B?(22)
式中：Bη是进给丝杠的效率，取0.96；μ是摩擦系数，取0.1；其他参数可由前面的表格得到，计算上式得Tf=0.0325N·m。
加速时转距Ta：
Ta?(JL?JM)?2?N[r/s]+移动转矩
加速时间 [s](23)
式中：JL和JM分别是负载部分的惯量和预选电机的惯量，N是电机最高转速100r/s，计算得Ta=0.956N·m。
减速时转矩Td：
Td?(JL?JM)?2?N[r/s]-移动转矩
加速时间 [s](24)
式中：JL和JM分别是负载部分的惯量和预选电机的惯量，N是电机最高转速100r/s，计算得Td=0.891N·m。
因此，最大转矩就是加速时的转矩Ta=0.956N·m，乘以安全系数K=1.2，TaK=1.15 N·m <3.8N·m（400W电机的最大转矩）。
确认有效转矩Trms：
TrmsTa2?ta?Tf2?tb+Td2?td?tc0.956?0.1?0.0325?0.4+0.891?0.1
1.2?0.378N?m?222(25)
乘以K，TrmsK=0.454 N·m<1.3 N·m(400W电机额定转矩)。根据以上计算可知功率750W电机满足转矩和惯量比要求，适合选用。 3.2.3联轴器选择： （1）选择联轴器
首先确定联轴器的力矩T
T=T1×K1×K2×K3
(26)
式中：T1是伺服电机的力矩，选择伺服电机时可在手册上查得，值为1.27N·m；K1、K2、
K3是联轴器的工况系数；
- 1 -
假定：负载变动较大，K1取1.7，每天运转8h，K2取1.00，每小时启停120次，K3 取1.5的条件下，T=3.24N·m，力矩不大，联轴器可初步选择夹紧式联轴器。
夹紧式联轴器是一种金属弹性联轴器，轴拆装方便，但正常工作承受的力矩有限，对同轴度要求不是很高，并且该联轴器正反转时的转动特性一致，非常适用于机器人等频繁启停的场合。
伺服电机的输出轴径Φ14mm和丝杠的输入轴径Φ10mm，由此选择联轴器型号TS4C-40-1014，如下图。
图3.5 铝合金弹性联轴器
（2）校核力矩
查阅企业联轴器产品说明书[9]，TS4C-40-1014型联轴器的拧紧力矩达4N·m，大于联轴器
实际工作时所承受的力矩T=3.24N·m，满足实际要求。
3.3水平平移
水平平移传动机构采用滚珠丝杠。螺母水平方向固定不动，转动的丝杠带动整个机械手
臂相对于螺母前后平移，实现机械手臂的水平平移。
水平平移和竖直平移采用相同的传动方式，运动参数一致，因此丝杠螺母、伺服电机和
联轴器选择方法一致，不同在于水平平移不用克服机械手臂的重力，消耗功率减小，因此电机选择的功率有所变动。 3.3.1滚珠螺母丝杠选择
水平平移自由度滚珠丝杠选择同竖直平移，详细技术参数见表3-3。
3.3.2伺服电机选择 （1）伺服电机功率确定
估算出伺服电机的最大功率P：
- 21 -
P=KμWA·gv (27)
式中：WA是水平手臂质量，通过三维实体模型建立可得WA =20kg；μ是摩擦系数0.1；v是平移最大速度1m/s；K是安全系数，取K=1.2。
计算得P=24W，取功率P=200W的交流伺服电机，可选电机型号：MSME 022G1，它的有关技术参数如下表：
表3.5 水平移动伺服电机技术参数
转子转动
电机型号 MSME
200
022G1
AC200
3000
6000
0.64
1.91
0.14
功率P/W
交流电源/V
额定转速n/(r·min)
-1
最大转速nmax/(r·min)
-1
额定转矩T/(N·m)
最大转矩
惯量
Tmax/(N·m)
JM/(kg·cm2)
（2）伺服电机惯量比校核
测量丝杠的三维模型，得滚珠丝杠的质量BW=0.6kg，则负载部分的惯量：
JL=JC+JB=JC+1/8·BW×BD2+WA·BP2/(4π2)
(28)
式中：JC是所选联轴器的惯量，JC=3.2×10-5kg·m2，WA是水平手臂质量，通过三维实体模型建立可得WA =20kg，计算可得JL=1.19×10-4kg·m2。
预选电机的惯量JM=0.14×10-4 kg·m2，则惯量比：
JL/JM=8.5倍<30倍
（3）伺服电机转矩校核
伺服电机的运转模式同竖直平移的运转模式：加速时间ta=0.1s，匀速时间tb=0.4s，减速时间td=0.1s，循环时间tc=1.2s。
移动转矩Tf不变，Tf=0.0325N·m。 加速时转距Ta：
Ta?(JL?JM)?2?N[r/s]+移动转矩
加速时间 [s](29)
(30)
式中：JL和JM分别是负载部分的惯量和预选电机的惯量，N是电机最高转速100r/s，计算得Ta=0.868N·m。
减速时转矩Td：
- 1 -