学位论文-—规整与秩序(小型nc立体仓库设计).docx

华东交通大学毕业设计（论文）
规整与秩序（小型NC立体仓库设计）

摘要
小型NC立体仓库设计是面向高校机械及自动化专业的经济型实验装置，其机械系统可实现对9个货位物料的存取，控制系统实现对装置的逻辑控制。根据物料重量及加减速初始条件，计算X、Y、Z三个方向分力及折算转矩，选择直流电机、步进电机和轴承，设计丝杠螺母副、同步带传动、导轨和机体，完成机械系统的设计；根据三台电机的动作逻辑和硬件I/O配置，完成接口电路系统的设计。上位机使用VB的MSComm控件，编写FX2N-PLC通信协议代码，实现上下位机的串行通信,完成显示货位号、寻货、取货、存货、急停、回零等动作的控制。
本文设计了小型NC立体仓库的机械系统和基于PLC的下位机控制系统及基于VB控制的上位机监控。本次设计主要设计了机械系统、电路系统、PLC控制系统及软件设系统。机械系统通过计算后采用Proe建模和动画及AutoCAD画工程图；电路系统根据设计要求采用Protel设计了相应的逻辑电路；PLC控制系统根据整个系统要求的逻辑功能构思了相应的状态转移图及相应的梯形图和程序；软件系统采用VB编程软件编程设计了相应的软件程序实现了上位机与下位机PLC触点之间的通信，通过控制界面的运行证明实现了上位机软件界面对下位机PLC的远程控制。

关键词：小型NC立体仓库；机械系统设计；PLC；接口电路设计；VB通信　

Regularity and Order（Design of Small NC Warehouse）
ABSTRACT
Small NC Warehouse Design is experiment for colleges’ machinery and automation, which has nine racks, we can realize control logic of the device. According to the material weight and initial conditions of acceleration, through computing component of forces in X, Y, Z three directions and convert torque, we can compute selection of DC motor 、Stepper motor and bearings, design of screw-nut pairs, Belt drive guide ways and airframe, According to the action logic of DC motors and hardware configuration, we can complete design of I/O interface circuit. using MSComm and according to FX2N-PLC communication protocol, we can write VB code, which realize serial communication between PC and PLC, which does displaying, seeking goods, getting goods, delivering goods, stopping, setting to zero.
The paper designs mechanical system, control system based on PLC and monitoring control system based on VB of instructional warehouse. It also mainly designs the systems of mechanical, circuit, control of PLC, and software. At the part of mechanical system, we calculate the data, then establish the 3D-model and animation by Pro-E software, and draw two-dimensional map by Auto-CAD software. As for circuit, according the needs, we design the logic schematic with Protel. Considering all kinds of real requirements and the logic functions, we similarly device the corresponding state transition diagram and, ladder-diagram and programs for the control system of PLC. In the last part-software, we adopt VB code to achieve the serial port communication between PC and PLC. Thus, we indeed realize the remote control between PC and PLC, through these codes.

Keywords: Small NC Warehouse; Mechanical system design; PLC; Interface circuit design; VB Communications

目录
目录
摘要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
1.1 课题设计背景 1
1.2 课题设计的内容 1
1.3 课题设计的目的和意义 1
第二章 系统方案确定 2
2.1 机械部分方案确定 2
2.2 控制部分方案确定 3
2.3 系统设计的基本步骤 3
第三章 机械部分设计 4
3.1 货叉伸缩机构设计 4
3.2 升降机构的机械设计 9
3.3 水平行走机构设计 14
3.4 机械部分PRO/e建模后的虚拟装配图 19
第四章 PLC接口电路设计 20
4.1控制系统结构设计 21
4.2 可编程控制器（PLC）的选型 22
4.3 PLC输入输出分配表 23
4.4 PLC接口图 24
4.5 PLC编程 28
第五章 基于VB的控制软件设计 30
5.1 VB的概述 30
5.2 VB控制界面设计 30
5.3 VB软件设计 32
结论 37
参考文献 38
致谢 39
附录A：外文翻译-原文 40
附录B：外文翻译-译文 45
附录C: PLC控制梯形图 50
附录D: VB控制程序 59

III

第一章 绪论
1.1 课题设计背景
自动化仓库应用范围很广，几乎遍布所有行业。本设计的微型自动化立体仓库模型主要应用于机械及自动化等相关专业的实验教学， 本设计的内容能满足学生了解自动化立体仓库的基本结构、动作原理及控制过程，了解电气控制、PLC的相关应用及通信实现的基本方法。掌握PLC的外围电路设计、软件设计流程等要求，也为自动化立体仓库的具体实施拓展了技术参考途径。
1.2 课题设计的内容
设计9个存储位的机械系统。利用Pro/Engineer软件进行机械设计及装配和利用CAD 进行工程制图
设计基于PLC的下位机控制系统。采用PLC完成三台步进电机（或直流电机）的动作逻辑和硬件I/O配置的接口电路及程序的设计。
基于VB的上位机监控。上位机使用VB的MSComm控件，编写FX2N-PLC通信协议代码，实现上下位机的串行通信,完成显示货位号、寻货、取货、存货、急停、回零等动作的控制。
1.3 课题设计的目的和意义
传统条件下的库房管理作业，主要依据人工装卸，特别是对于一些大型物资，不仅工作效率低，浪费大量的人力、物力、存在较大的安全隐患，同时还占据大量的库房面积。立体仓库的投入使用彻底解决了这一难题。
自动化立体仓库可以产生巨大的社会效益和经济效益。它通过高层货架存储，使存储区大幅度地向高空发展，提高了空间利用率；自动化立体仓库采用层积式存放，通过自动存取系统，加快了运行和处理速度，提高了劳动生产率，降低了操作人员的劳动强度；采用自动化技术后，还能较好地适应黑暗、低温、污染、有毒和易爆等特殊场合的物品存储需要；计算机控制能够始终准确无误地对各种信息进行存储和管理，减少了货物处理和信息处理过程中的差错；同时借助于计算机管理还能有效地利用仓库存储能力，便于清点和盘库，合理减少库存，加快资金周转，节约流动资金，从而提高仓库的管理水平。
自动化仓库的信息系统可以与企业的生产信息系统集成，实现企业信息管理的自动化。同时，由于使用自动化仓库，促使企业的科学管理，减少了浪费，保证均衡生产，提高了工作人员的素质和管理人员的水平。
此次课题设计旨在通过具体的工程实践，进一步深入了解、掌握和综合应用所学的专业理论知识，进行小型NC立体仓库设计的基本技能训练，培养分析问题和解决问题的能力，从而提升自己的机械设计能力。

第二章 系统方案确定
2
2.1 机械部分方案确定
现有的立体仓库实例中，从仓库类型分有单元货架仓库、贯通式货架及循环货架仓库。从堆垛机来分有巷道式堆垛机、桥式堆垛机等。本课题设计的是教学型立体仓库，所以体积较小，货叉的行程也较小。结合所学知识可以采用链条传动，同步带传动，齿轮齿条传动，丝杠螺母副传动还可也采用钢索牵引式。如图2-1、图2-2所示为同步带传动和丝杠螺母副传动：

图2-1 同步带传动式 图2-2 丝杆螺母副传动式

采用滚珠丝杆副传动形式结构更为紧凑，在使用丝杠螺母副传动又可以分为滚珠丝杠、滚动导轨式和滑动丝杠、滑动导轨式。采用滚珠丝杠、滚动导轨式传动传动精度高，但造价同时也是很高，传动效率也很低，综合考虑教学型立体仓库采用这种传动方式从经济考虑不是最佳方案。
由于此设计是用于教学型立体仓库，考虑到寻找货位的精度 ，再通过效率比较，在满足条件下这里货叉选择同步带传动，电机选用小型直流电机；考虑到自锁，升降机构选择滑动丝杠副传动，电机选用步进电机；水平行走机构选择同步带传动，电机选用步进电机。最后方案采用如图2-3 所示：

图 2-3 机械设计部分的最终方案

2.2 控制部分方案确定
本课题采用PLC控制立体仓库货叉动作，具有很多优点。在硬件方面，由于采用性能优良的开关电源，并且对采用的器件进行严格的筛选，加上合理的系统结构，最后加固、简化安装，因此PLC具有很强的抗振动冲击性能；无触点的导体电路来完成频繁的开关动作，就不会出现继电器控制系统中的器件老化、脱焊、触点电弧等问题；输入输出接口采用了光电隔离措施，使外部电路和PLC内部电路能有效地进行隔离；PLC模块式结构，可以在其中一个模块出现故障时迅速地判断出故障的模块并进行更换，这样就能尽量缩短系统的维修时间。
根据堆垛机的运行逻辑，可采用PLC步进顺控编程方式程序结构采用选择性的取和存分支与汇合方式，计数模式是堆垛机寻找货位主要方法，在9个货位中，X和Y方向各布局三个行程开关，货位由X和Y方向行程开关被触发的次数确定。若选择取货指令时，水平移动电机驱动移动部件触发行程开关达计数器C0设定值，制动停止，转成竖直电机驱动移动部件触发行程开关达计数器C1设定值，制动停止，转成货叉伸出，定时托起后回缩，移动部件回原点位，将物料放置暂存台。
使用VB编程可设计立体仓库的上位机控制界面，完成界面控件加载及属性设置后，对各控件编写代码，通过代码来定义控件的动作的功能。控制界面包含货位选择、货位显示和操作控制区域。应用VB串行通信的MSComm控件，按照FX2N通信协议编写通信代码，可实现各控件与PLC编程口的串行通信。强制通断PLC中定义的输入口。
2.3 系统设计的基本步骤
立体仓库设计过程中主要考虑一下几点：
（1）深入了解和分析立体仓库的工艺条件和控制要求；
（2）确定机械传动设备，根据精度要求，经济性，效率来确定；
（3）根据负载功率和转矩选择合适的电机；
（4）根据立体仓库控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备；
（5）根据I/O点数来选择合适的PLC类型；
（6）根据I/O点，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或输出端子的接线图；
（7）根据设计要求编出状态转移图，再设计出周密完整的步进顺控梯形图程序；
（8）根据设计要求用VB做控制界面，编出相应的程序，实现远程控制。

第三章 机械部分设计
1
2
3
3.1 货叉伸缩机构设计
因为取货和放货采用同步带就能满足要求，且同步带的传动效率高，所以采用同步带传动。
3.1.1工作台设计
初定m1，由,碳素结构钢的密度：ρ钢=7.85g/cm3。工作台得尺寸为：300L、90W、10H，所以体积为：v=300L×100W×10H=300000mm3=300cm3代入公式计算得：m1=7.85×300=2355g，取m1=2.5kg，所以G1=25N；由设计任务知Mmax=10kg,所以G货=100N；总体质量G总=125N。
3.1.2同步带的设计
以下是根据文献【1】P20-31来计算的：导轨材料初定为钢Q235，查文献【2】表7-1得σmax=235MPa;滑块材料为青铜，查文献【2】表17-2得钢和青铜的摩擦系数f=0.1，所以F=125×0.1=12.5N。
(1)传动比的确定
由设计任务可定i=1。
(2)主动轮的转速n、传递功率P
由设计任务可知V=3m/s,则传递功率由公式得：
P=FV=12.5×0.05=0.625W。
预选电机转速为:n=50r/min。
(3)确定带的设计功率Pd
根据文献【1】P28查表3-18取工作情况系数KA=1.2，由公式:Pd=KAP=1.2×0.625=0.75W。
(4)选择带型和节距Pb
根据带的设计功率Pd=0.75W和主动轮转速n=50r/min，由文献【1】P29图3-14和表3-10中选择同步带、型号为XL型节距Pb=5.08mm。
(5)确定主带轮齿数Z和主带轮节圆直径d1
取Ｚ＝12则小带轮节圆直径:
d1=PbZ1π=19.40mm
当n=50r/min v=3.14×19.4×5060×1000=3.0m/min
(6)确定从带轮齿数Z2和从带轮节圆直径d2
Z2=Z1i=12
d2=d1i=19.40mm
(7)初选中心距a0，带的节线长度，带的齿数Zb
由机构尺寸确定a0=260则带的节线长度：
Lop≈2a0+π2d1+d2+d2-d1 24a0
=520+π2×2×19.4
=580.916mm
根据文献【1】P24表3-13选取接近的标准节线长度:
Lp=584.2mm
相应的齿数Zb=115。
(8)计算实际中心距a
实际中心距为：
a=260+584.2-580.162=263mm,取260mm。
(9)校验带与带轮的啮合齿数Zm
Zm=ent[Z02-PbZ12π2a(z2-z1)]=6
啮合齿数等于6满足要求，此处ent表示取整
(10)计算基准额定功率P0
根据文献【1】P30基准额定功率P0为：
P0=（Ta-mv2）v1000
式中：P0—所选型号同步带在基准宽度下所允许传递的额定功率，单位为KW；
Ta—带宽为bs0时的许用工作拉力，单位为N，如文献【1】P30表3-21所示，查得Ta=50.17；
m—带宽为bs0时的单位长度的质量，单位为kg/m,如文献【1】P30表3-21所示，查得m=0.022kg/m；
V—同步带的线速度，单位为m/s。
代入数据算得：P0=0.0025KW
(11)确定实际所需同步带宽度bs
实际所需同步带宽度为bs为：
bs≥bs0(PdKzP0)11.14
式中：bs0—选定型号的基准带宽，如文献【1】P30表3-21所示，查得bs0=9.5mm；
Kz—小带轮啮合齿数系数，如文献【1】P31表3-22所示，查得Kz=1。
代入数据算得bs≥3.29。
由上式求得最小宽度后，根据文献【1】P21表3-11选择最近的标准带宽bs得：
bs=6.4mm
(12)带的工作能力验算
根据文献【1】P31公式：
P=(KzKwTa-bsbs0mv2)v×10-3
式中: Ｋｚ—啮合系数，如文献【1】P31表3-22所示，查得Kz=1；
　　　 Ｋｗ—齿数系数，Ｋw=(bsbs0)1.14，Ｋw=(bsbs0)1.14=0.71；
Ta—基准带宽为bs0时的许用工作拉力，单位为N，如文献【1】P30表3-21所示，查得Ta=50.17
m —带宽为bs0时的单位长度的质量，单位为kg/m, 如文献【1】P30表3-21所示, 查得m=0.022kg/m；
V—同步带的线速度，单位为m/s，V=3m/s。
代入数据计算得P=1.78w而Pd=0.625w满足P≥Pd因此带的工作能力合格。
3.1.3带轮设计
以下是根据文献【1】P20-31来计算的：
(1)带轮的设计
因为带轮的直径和带的宽度比较小，因此采用双边挡圈整体式同步带带轮。
(2)带轮宽度
因为带的宽度为6.4mm,有挡圈时，带轮的宽度一般比带大1~2mm。根据文献【1】P26的标准带轮宽度表3-15得带轮宽度为：7.1mm。
(3)带轮的齿数和直径
根据文献【1】P27表3-16得带轮直径和齿数分别为：
节圆直径d=19.40mm；外径为d0=18.90mm；带轮齿数Z=12。
(4)带轮的材料
带轮的材料一般采用铸铁或钢，高速钢、小功率时可采用塑料或轻合金。本设计选用钢。
3.1.4电机的计算与选型
(1)初选电机
根据文献【3】初选易顺企业的型号为TH37JB520型号的直流电机，其电压为6~24V；功率5W；额定输出扭矩0.5~15kg/cm；空载转速为1—1000rpm；其外形尺寸为：∅36 L78mm。
(2)传动装置总效率ŋ
传动总效率： ŋ=ŋ1ŋ2=0.99×0.98=0.97
ŋ1联轴器的传动效率，查文献【2】P9表1-2得：ŋ1=0.99
ŋ2同步带的传动效率，查文献【1】P20得：ŋ2=0.98
(3)计算加在电机转轴上的总转动惯量Jeq
①带轮的转动惯量
由回转体转动惯量公式:
J=πd4Bγ32g
式中：d—-回转体直径 d=19.40mm
B—-回转体宽度 B=7.1mm
γ—-材料比重 γ=7.85g/cm3
g—-重力加速度 g=10m/s2
代入公式得:J=0.781×10-3kg∙cm2
②电机的转动惯量
由电机的结构尺寸参数代入上述公式可得：
Jm=7.8×10-3kg∙cm2
③电机转动轴上的总转动惯量Jeq
由动能守恒可得：
12Jeqw2=12Jmw2+12J1w2+12mv2+12J2w2
式中：Jm—-电机的转动惯量
J1 J1—-带轮的转动惯量
代入公式可得：Jeq=11.76kg∙cm2
(4)计算加在电机转轴上的总转矩
由功率守恒得：
TeqW ŋ=FV+JeqW
代入数据得：Teq=0.71N∙m
根据Teq来选择电机可见对于前面选的TH37JB520型号的直流电机完全满足要求。
3.1.5联轴器的选择
选用广州凌科自动化设备有限公司的LK6-16-0606系列的联轴器。
3.1.6导轨的计算
(1)选择导轨的结构类型
根据文献【4】P122表6.2-1因取货精度不需要太高且滑动导轨简单还比较经济，所以选用滑动导轨。
(2)导轨的截面选择
根据文献【4】P122表6.2-2和P126表6.2-4结合工作条件选择圆柱形导轨，采用两导轨四滑块的形式。
(3)初定导轨直径d导
初定导轨直径为d导=10mm。
(4)初定滑块尺寸
导轨直径10mm即滑块的内径，滑块外径20mm，滑块长度为30mm。
(5)滑块座的整体尺寸
滑块座长度为100mm，高为40mm，宽为40mm，两滑块之间的距离为30mm,导套中间内径为12mm。
(6)初定导轨的长度
由机构尺寸可定导轨长度为400mm。
(7)导轨挠度变形计算
根据文献【5】P351-352采用极限法计算导轨的挠度变形，因为作用在导轨中间的力产生挠度变形最大，工作台的受力如图3-1所示：

图 3-1 工作台受力图
根据材料力学知识求得：F1=-255N，F2=130N 负号表示方向向下。考虑最不利的工作条件将F1、F2全部作用于一根导轨上计算导轨受力图如图3-2所示，且最大的力作用于导轨的中点位置上。

图 3-2 导轨受力图
F1产生的变形σ1：σ1=F1l348EI=0.0022×10-3m
F2产生的变形σ2：σ2=Fb（l2-a2）329√3lEI=0.00041×10-3m
所以导轨产生的变形为：σ=σ1-σ2=0.0018mm。产生的变形远小于导轨工作的允许变形量，所以导轨满足条件。
3.1.7 货叉伸缩机构部分整体图
升降机构部分整体图如图3-3所示：

图 3-3货叉伸缩机构爆炸图

3.2 升降机构的机械设计
因升降机构需要考虑自锁，所以采用丝杠螺母传动。以下是根据文献【2】P295-299来计算的。
3.2.1上升机械所承受的重力G
货叉与货物的总重量为20kg,所以总体质量G=200N。
3.2.2螺杆和螺母设计
根据文献【2】P295-299传动形式：采用丝杆传动，螺母移动的方式。螺母为整体式螺母，螺纹为梯形螺纹，牙型角α=30°，高传导螺纹，采用单线头。
（1）螺杆和螺母的材料
螺杆的材料初定为合金钢40Cr，查文献【2】P121得:
σb=980MPa σs=785MPa
螺母的材料初定为铸造青铜，查文献【2】P123得：
σb=310MPa σs=170MPa
（2）初定螺杆螺母尺寸
①螺杆中径d2
根据文献【2】p296的公式：
d2≥0.8Fφp(mm)
式中： [p]—许用比压（MPa），查文献【2】p296表17-1[p]=15MPa；
φ —螺母高径比系数，整体式螺母取为1.2~2.5，取φ=2.5；
F —轴向力，在此轴向力F=G=200N。
代入数据得：d2≥1.85mm
根据计算的d2≥1.85mm查文献【2】P158表9-3得：
d=20mm P=5mm
由d=20mm和P=5mm查文献【2】P158表9-2得：
d3=14.5mm D2=d2=17.5mm D4=20.5mm D1=15mm
②螺母的高度H
H=2.5×20=50mm
③旋合圈数
u=HP=505=10
式中：P—螺距（mm）
④螺纹的工作高度
h=0.5P=0.5×5=2.5mm
⑤校核螺母比压
p=Fπd2hu=2003.14×17.5×2.5×10=0.146MPa≤[p]
⑥验算自锁条件
ψ=arctanSπd2≤ρv=arctanfcosα2
式中： α—螺纹牙型角；
ψ—螺纹升角（度）；
S —螺纹导程（mm）；
ρv—当量摩擦角（度）；
f —摩擦系数，查文献【2】P297表17-2，查得f=0.1。
代入公式得：ψ=5.2°， ρv=5.91°， ψ<ρv，满足自锁条件。
⑦验算螺杆强度
σca=(4Fπd12)2+3(T10.2d13)2≤[σ]
式中： T1=d22Ftanψ+ρv(N∙mm)
代入参数计算得：T1=343.65N∙mm， σca=1.56MPa<[σ]
查文献【2】P297表17-3 σ=σs3~5 ，取σ=σs5=2355=47MPa，因为σca≪σ所以螺杆满足强度要求。
（1）螺母计算
根据耐磨性计算确定d2之后，初步拟定螺母尺寸如图3-4所示：

D2=17.5mm

D1=15.0mm

D4=20.5mm
图 3-4 丝杆螺母结构尺寸
①螺纹牙剪切强度
τ=Fπdbu≤[τ]
式中：[τ]—材料许用剪切应力（MPa）,
查文献【2】P297表17-3得：τ=30MPa；
b—螺纹牙根部宽度，梯形螺纹b=0.65Pmm代入数据b=3.25mm； 代入式中计算得：τ=0.096MPa<[τ]，所以螺纹剪切强度符合工作条件。
②螺纹牙弯曲强度
σb=6Fl*πdb2u≤[σb]
式中：l*— 弯曲力臂mm，l*=d-d22=1.25mm；
[σb]—许用弯曲应力mm，查文献【2】P297表17-3得：σb=40MPa；
代入公式计算得：σb=0.22MPa<σb=40MPa，符合要求。
③螺母抗拉、扭强度核算
σ≤[σ]l
式中：[σ]l—螺母材料的许用压力：[σ]l=0.83σb=257.3MPa;
σ=1.3FS，S指螺母面积，代入数据得：σ=0.28MPa。
因为σ<[σ]l，所以螺母抗拉、扭强度符合要求。
（2）螺杆的稳定性计算
丝杆采用两端固定，其长度系数由文献【6】P99表5-14得：μ=0.5，螺杆的安全系数：
Ssc=FcrF≥[Ss]
式中：[Ss]—螺杆稳定性安全系数取为3~5；
Fcr —临界压力（N），视柔度为λs=μlρ的不同分别确定；ρ=d14是螺杆危险剖面的惯性半径（mm）；
l—螺杆的工作长度， l=900mm；
代入公式可得：λs=124>100 Fcr=22175.6N
Ssc=110>[Ss]max=4,
所以螺杆稳定性足够。
3.2.3轴承的选择
根据文献【6】螺杆的公称直径d=20mm，求轴承所受的轴向力和径向力：

Fa=μF=0.1×200=20N

F1=Fasinψ=20sin5.2°=1.82N

F2=Facosψ=19.92N
图3-5 轴承受力分析

查文献【2】P182表10-2初选7002AC角接触球轴承，d×D×B=15×32×9，Cr=5.95KN,C0r=3.25KN。

⑴ 求Fr1和Fr2
径向力可认为全部作用在导轨上，所以Fr=0, Fae=201.82N

Fr1v=201.82×10900=2.24N

Fr2v=2.24N 图 3-6 轴承正装受力分析
⑵ 求Fa1和Fa2
根据文献【6】P322表13-7得：
Fd1=Fd2=0.68×2.24=1.52N
Fa2=Fd2=1.52N
Fa1=Fd2+Fae=1.52+201.82=203.34N
由：Fa1Fr1=203.342.24=90>e，所以有X1=0.41，Y1=0.87；
所以：P1=1.2×0.41×2.24+0.87×203.34=213.40N
由：Fa2Fr2=1.522.24=0.68=e，所以有X2=1，Y2=0，
所以：P2=1.2×1×2.24=2.68N
⑶ 验算轴承寿命
由于P1>P2，n=1000×25=400r/min，所以按轴承1受力大小验算：
Lh=10660×400(5950213.40)3=911830h>20000h
所以所选轴承满足要求；所选轴承为：7002AC角接触球轴承，d×D×B=15×32×9，Cr=5.95KN,C0r=3.25KN。
3.2.4 电机的选择
⑴传动总效率ŋ
传动总效率为： ŋ=ŋ1ŋ2ŋ3
式中：ŋ1—滑动丝杠传动效率，查文献【4】P425式5-7-3
ŋ1=tanψ tan⁡(ψ+ρv)=0.46；
ŋ2—轴承的传动效率，查文献【2】P9表1-2得：ŋ2=0.98；
ŋ3—联轴器传动效率，查文献【2】P9表1-2得：ŋ3=0.99。
代入参数得：ŋ=0.45。
⑵转动惯量Jeq
根据文献【1】P56-63丝杠转动惯量的计算公式：
J1=mjD28=1.48×10-4kg∙cm2
工作台折算到丝杠的转动惯量：
J2=m(Ph2π)2=0.13×10-4kg∙cm2
所以： Jeq=1.48+0.13×10-4=1.61×10-4kg∙cm2
⑶求Teq
根据文献【1】P56-63 的计算公式：
Teq=Tamax+Tf+T0
式中： Tamax=2πJeqnm60ta ，其中ta=0.3~1s ,取1s，nm=400r/min代入公式计算得： Tamax=0.0067N∙m；
Tf=F摩Ph2πŋi=0.3591N∙m；
T0=0。
所以有Teq=0.0067+0.3597=0.3658N∙m
⑷电机选择
根据力矩选择上海昀研自动化科技有限公司生产的57RB76-156型号的步进电机，n=400r/min， T=0.54N∙m。
3.2.5滑动导轨的计算
以下是根据文献【4】P122-184来计算的：
⑴选择圆柱形导轨，采用两导轨两滑块的形式。
⑵初定导轨尺寸
取圆柱导轨直径d=20mm，导轨长度根据丝杠长度计算，因为丝杆长度为900mm，所以导轨长度也初定为l=900mm。
⑶初定滑块及滑座的尺寸
滑块为圆柱形，内径为d1=20mm，外径为d2=40mm，长度为50mm；滑座为一长方体长为：700mm；宽为200mm；高为60mm。导轨与丝杆的中心距为72.5mm。
⑷ 导轨的挠度变形计算
计算货叉带来的扭矩，受力分析如图3-7所示，货叉部分的重力为200N，力到导轨之间的距离为100mm。

图 3-7 竖直导轨受力分析
所以扭矩M=200×0.1=20N∙m，由力学知识可知在导轨中间产生的挠度变形大，所以设力矩产生在中间处。
根据公式：
W=Mx6lEI(l2-3b2-x2)
b=900-a，I=3.14×20464=8373.3mm4 W=Mx6lEI(14l2-x2)
当x=l23时，代入数据得：Wmax=0.098mm ，挠度变形符合条件。
3.2.6联轴器的选用
选用广州凌科自动化设备有限公司的LK6-25-0612系列的联轴器。
3.2.7 升降机构部分整体图
升降机构部分整体图如图3-8所示：

图 3-8 升降机构爆炸图
3.3 水平行走机构设计
因为水平行走采用同步带就能满足要求，且同步带的传动效率高，所以采用同步带传动。
3.3.1行走机构所承受的重力G
升降机构的总体重力为300N，货叉及货物的重力为200N，所以水平行走机构所受的总体质量G总=500N。
3.3.2同步带的设计
以下是根据文献【1】P20-31来计算的：导轨材料初定为钢Q235，查文献【2】表7-1得σmax=235MPa;滑块材料为青铜，查文献【2】表17-2得钢和青铜的摩擦系数f=0.1，所以F=500×0.1=50N。
⑴传动比的确定
由设计任务可定i=1。
⑵主动轮的转速n、传递功率P
由设计任务可知V=10m/s,则传递功率由公式得：
P=FV=50×1060=8.3W。
预选电机转速为:n=60r/min。
⑶确定带的设计功率Pd
根据文献【1】P28查表3-18取工作情况系数KA=1.2，由公式:
Pd=KAP=1.2×8.3=10W。
⑷选择带型和节距Pb
根据带的设计功率Pd=10W和主动轮转速n=60r/min，由文献【1】P29图3-14和表3-10中选择同步带、型号为XL型节距Pb=9.525mm。
⑸确定主带轮齿数Z和主带轮节圆直径d1
取Ｚ＝18则小带轮节圆直径:
d1=PbZ1π=54.57mm
当n=60r/min v=3.14×54.57×6060×1000=10.3m/min
⑹确定从带轮齿数Z2和从带轮节圆直径d2
Z2=Z1i=18
d2=d1i=54.57mm
⑺初选中心距a0，带的节线长度，带的齿数Zb
由机构尺寸确定a0=1000则带的节线长度：
Lop≈2a0+π2d1+d2+d2-d1 24a0
=2000+π2×2×54.57
=2170mm
根据文献【1】P24表3-13选取接近的标准节线长度:
Lp=2286mm
⑻计算实际中心距a
实际中心距为：
a=1000+2286-21702=1066.8mm,取1067mm。
⑼校验带与带轮的啮合齿数Zm
Zm=ent[Z02-PbZ12π2a(z2-z1)]=9
啮合齿数大于6满足要求，此处ent表示取整。
⑽计算基准额定功率P0
根据文献【1】P30基准额定功率P0为：
P0=（Ta-mv2）v1000
式中：P0—所选型号同步带在基准宽度下所允许传递的额定功率，单位为KW；
Ta—带宽为bs0时的许用工作拉力，单位为N，如文献【1】P30表3-21所示，查得Ta=244.46；
m—带宽为bs0时的单位长度的质量，单位为kg/m,如文献【1】P30表3-21所示，查得m=0.095kg/m；
V—同步带的线速度，单位为m/s。
代入数据算得：P0=0.040KW
⑾确定实际所需同步带宽度bs
实际所需同步带宽度为bs为：
bs≥bs0(PdKzP0)11.14
式中：bs0—选定型号的基准带宽，如文献【1】P30表3-21所示，查得bs0=25.4mm；
Kz—小带轮啮合齿数系数，如文献【1】P31表3-22所示，查得Kz=1。
代入数据算得bs≥7.