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文檔簡介

1、上海大學SHANGHAIUNIVERSITY精選課程設計說明書題目:垂直移動平臺的設計學院機自學院專業(yè)測控技術與儀器學號朱杰學生姓名07121984指導教師章亞男起訖日期2011.3.92011.3.18摘要3一緒論41.1 課程設計的目的41.2 本課程設計的主要內容與要求41.3 具體任務及基本要求56.2.1 方案的比較6.2.2 方案的選擇8.三關鍵技術的設計和計算.錯誤!未定義書簽。四精度分析與誤差計算1.8五結論2.4六參考文獻2.4垂直移動平臺設計說明書摘要在各種精密儀器及精密機械裝置中經常需要精密多維工作平臺進行多維調整,包括位置和姿態(tài)的調整。這些調整裝置可歸納為:水平移動部件

2、、垂直移動部件、旋轉運動部件等。在本課程設計中我主要負責上述調整裝置中垂直移動部件的設計。根據設計的具體任務和基本要求,我從移動工作平臺總體方案的確定到驅動電機的選擇,關鍵零件的設計都力求在整個設計過程中充分靈活地運用精密儀器設計中的主要原則與原理,如阿貝原則、變形最小原則、基面統(tǒng)一原則、精度匹配原則、測量鏈最短原則、運動學設計原理等。精度分析時,采用精度設計的基本概念和方法一一找出影響定位精度的誤差源并計算出誤差數(shù)據從而進行分析,有助于合理地精度分配。本設計說明書包含緒論、方案設計、關鍵技術的設計和計算、精度分析、結論以及參考文獻共六章。最終提交成果包括(1)設計說明書一份(2)垂直移動工作

3、平臺總裝圖A3圖紙一張(3)絲杠、套筒及橫梁零件圖A3圖紙各一張關鍵詞:移動平臺、滑動絲杠、滾動導軌1.1 課程設計的目的本課程設計是“精密儀器設計”課程的后續(xù)教學環(huán)節(jié),其目的是讓學生綜合運用“精密儀器設計”課程及其有關光、機、電的先修相關課程的理論和實踐知識,進行多維精密工作平臺的設計,通過設計使學生了解設計的一般方法和步驟,培養(yǎng)學生課程項目的分析和設計能力、并能熟練運用設計手冊。同時鍛煉和培養(yǎng)學生的獨立工作、調查研究、觀察問題、分析問題、解決問題的工作能力。精密儀器均有較高的精度要求,屬精密設備。其基本特點是精度、效率和自動化程度要求高,結構比較復雜,但其共同的基礎是精密機械設計技術。與一

4、般的機械設計比較,其主要區(qū)別在于精度、分辨率和靈敏度等性能指標上,這就要充分靈活地運用精密儀器設計中的主要原則與原理,如阿貝原則、變形最小原則、基面統(tǒng)一原則、精度匹配原則、測量鏈最短原則、運動學設計原理、平均讀數(shù)原理等,同時要掌握精度分析和設計的基本概念和方法。1.2 本課程設計的主要內容與要求(1)總體方案設計,包括結構布局設計、運動功能設計、基本參數(shù)設計、傳動系統(tǒng)設計;2)總體精度分析和精度分配3)測試方案原理總圖設計4)編寫設計說明書1.3具體任務及基本要求在各種精密儀器及精密機械裝置中經常需要精密多維工作平臺進行多維調整,包括位置和姿態(tài)的調整。如三坐標測量機的工作平臺需要三維的位置調整

5、,高功率激光打靶實驗裝置中靶的姿態(tài)調整等。這些調整裝置可歸納為:水平移動部件、垂直移動部件、旋轉運動部件等。如某精密實驗裝置需要六維調整:三維角度,即俯仰、方位、旋轉;三維平移,即水平橫向、水平縱向和豎直方向。該六維調整裝置采用運動部件串聯(lián)實現(xiàn)。我在本課程設計中主要負責垂直移動部件的設計,其具體任務和要求如下:垂直移動平臺設計:技術要求:(1)垂直工作平臺的移動范圍:+10mm(2)分辨率:211m/step(3)工作臺載重:6kg(4)垂直工作面尺寸:100X100mm(5)工作臺定位精度:5m任務要求:(1) 移動工作平臺的總體方案(2) 驅動電機的選擇(3) 完成移動工作平臺的總裝圖設計

6、(4) 完成關鍵零件的設計(5) 精度分析(6) 設計說明書二方案設計2.1 方案的比較微分頭直接作用,如圖2.1所示圖2.1主要特征:精密線性軸承副,升降平臺,精度高微分頭驅動,定量直觀驅動電機位于工作臺旁側,如圖2.2所示圖2.2絲杠將步進電機的旋轉運動轉換成直線運動后直接由測頭推動連接在工作臺上的擋塊Z向移動移動,從而帶動工作臺。驅動電機位于工作臺面中線方位,如圖3.3所示圖2.3絲杠將步進電機的旋轉運動轉換成螺母的直線運動后,通過橫梁帶動工作臺Z向移動,調整位置。回復時依靠彈簧力的作用,彈簧同時起卸荷和消隙作用。F彈=mg,其中n為動靜導軌間摩擦系數(shù),m為工作臺和載荷總重。2.2 方案

7、的選擇經選擇,我最終采用方案的設計,即采用螺旋絲杠導向螺母完成物體的提升、下降功能。螺旋傳動的特點為:降速傳動比大螺距一般很小,在轉角很大的情況下,能獲得很小的直線位移量,可大大縮短機構的傳動鏈;螺桿轉動,螺母移動型式下結構簡單、緊湊、傳動精度高,工作平穩(wěn)。具有增力作用只要給主動件一個較小的轉矩,從動件即獲得較大的軸向力能自鎖螺旋線升角小于摩擦角時,螺旋傳動具有自鎖作用。一般用于傳遞的30度梯形絲杠都具有自鎖功能,即使沒有制動裝置也可保持載重。效率低、磨損快螺旋工作面為滑動摩擦,傳動效率低(3040%),磨損快,不適于高速和大功率傳動。所需設計的垂直移動平臺屬低速,小功率傳動,故對此要求不高。

8、總體結構布局如圖2.4所示,詳圖請見裝配圖。2.4三.關鍵技術的設計和計算3.1絲杠及步進電機的選擇已知分辨力需滿足02/step,00竺,則 r=0.001 圈 r15初選螺距P=1.5mm,13601=0.36°即步進電機步距角為0.36°,為五相電機。取工作臺尺寸100mmX104mmX10mm,材料為鋁,密度2.7X103kg/m3則質量m=.v=2.7X103X100X100X10X1O9=0.27kg,取0.3kg已知工作臺載重6kg,綜合考慮,取螺母和工作臺連接件以及緊固件總重量為1.0kg,配重取為5kg,故軸向承受重量為0.3+6+1.0+5=12.3kg

9、,放寬余量取15kg,則絲杠所受軸向載荷為Fa=mg=15X9.8=15X9.8=147N螺母材料為青銅,絲杠材料為鋼,查機械零件設計手冊,潤滑情況下取綜合摩擦系數(shù)以=0.15,則螺旋副的驅動力矩為M=drFatg()其中,d2為螺紋中徑,F(xiàn)a為絲杠所受軸向力,為螺紋開角,為摩.一015擦角且二arctg=arctg=1037cos30cos30查Misumi,FA工廠自動化用零件30度梯形絲杠(一端臺階型),螺距P=1.5mm,選型號MTSRA8,其主要參數(shù)如圖3.1中箭頭標出所示:圖3.1大彳全D=8mm;總長L=50500;臺階長20S&QX5,Q=6;有效直徑d2=7.25mm

10、;=3°46'可見,由于螺紋開角0當量摩擦角,所以該螺旋副滿足自鎖條件?,F(xiàn)將上述參數(shù)代入式得,M=dFatg()=725147tg(3461037)22=122.496N.mm=0.122N.m故所選電機最大靜轉矩應大于0.122N.m查M系列步進電機選型表,取5相步進電機M54142%主要參數(shù)如下:最大靜轉矩0.14N.m;整步步距角0.36°伸出軸直徑5mm;其外形如下圖3.2所示:圖3.23.2絲杠的校核強度校核受力較大的絲杠需進行強度計算。絲杠工作時承受軸向壓力F和扭矩T的作用。絲杠危險截面上既有壓縮應力,又有切應力。因此,校核絲杠強度時,應根據第四強度理論

11、求出危險截面的計算應力ca ,其強度條件為car1 2需2 嘖)27 或ca = - .,'F 2 3()2 < A . di L 式中:F絲杠所受白軸向壓力,N ;A絲杠螺紋段的危險截面面積; A=-d2 , mm2;WT 絲杠螺紋段的抗扭截面系數(shù),WtJ16A-d1 , mm3;4d1絲杠螺紋小徑,mm;絲杠所受的扭矩,N.mm絲杠材料白許用應力,MPa其中d1=6.5mm,貝UA=d2=6.52=33.18mm244F=Fa=147N;T=122.496N.mm代入式得ca = -147233.18 .c 4 122.496、23 () =4.45 MPa6.5查機械設計書

12、,取材料的屈服極限為s為480 MPa,安全系數(shù)取 4,則=(="0=120 MPa,滿足 ca< 44,即絲杠強度符合要求。彎曲應力校核:57mm24.5mmMFS100571031057/21035024.5103324.5/21030.4723250.47NmIzD4/646.51034/648.761011maxMy/Iz0.4750103/8.761011268.3106Pa268.3Mpa絲杠采用碳素鋼,查材料力學附錄B得許用應力產450Mpa,因此絲杠的最大彎曲正應力在許用應力范圍之內,符合強度要求。剛度校核:9碳素鋼的彈性模量:E200Gpa20010Pa0.0

13、24mm1.1 339115LFL/48EIz1635010/48200108.76102.42310m絲杠采用碳素鋼,查材料力學附錄B得許用撓度為0.26mm,絲杠的最大撓度在許用撓度范圍之內,因此絲杠符合剛度要求。3.3 聯(lián)軸器的選擇步進電機M54142s(0.14N.m)和30度梯形絲杠連接,進行伴隨有正反轉運轉時,最高轉速2500rpm軸孔:電機側5絲杠側6選用比電機規(guī)格(邊長39.5)小的聯(lián)軸器計算聯(lián)軸器的容許扭矩為保證步進電機進行正反轉運轉,將安全率預計為7倍。0.14N.mX7=0.98N.m故需選擇“容許常用扭矩”0.98N.m以上的聯(lián)軸器。確認軸孔裝配、聯(lián)軸器外徑尺寸。選擇外

14、徑在39.5以下,有軸孔裝配的(5和6)的聯(lián)軸器確認最高轉速選擇容許最高轉速為2500rpm以上的聯(lián)軸器。確認安裝精度查Misumi,FA工廠自動化用零件聯(lián)軸器,鑒于以上考慮,選型SCXW21-5-G其主要參數(shù)如圖3.3中箭頭標出所示:圖3.3d1=5mm;d2=8mm;D=21mm;L=24.5mm;7mm;容許扭矩1.2N.m;容許偏角1O容許偏心0.10mm最高轉速10000rpm3.4 軸承的選擇查Misumi,FA工廠自動化用零件帶座軸承,根據絲杠光桿部分軸徑6mm,L<25mm,選型SBAFRZ606b其主要參數(shù)如圖3.4中箭頭標出所示。3.5導軌的選擇圖3.4查Misumi

15、,FA工廠自動化用零件直線導軌,為防止導軌傾覆,采用線性滑道SVS3100其結構如下圖3.5所示,動靜導軌間采用交叉滾子連接。圖3.5其主要參數(shù)如圖3.6中箭頭標出所示四精度分析與誤差計算儀器精度設計是儀器精度綜合的反問題,其根本任務是將給定的儀器總誤差合理地分配到儀器的各個組成部件上,為正確設計儀器的各個組成部件結構以及制定零部件的公差和技術要求提供依據。合理的精度設計離不開對儀器各組成部分源誤差對儀器總精度影響程度的正確估計。對于一些對儀器精度影響較大的環(huán)節(jié)給予較嚴的精度指標;對于那些對儀器精度影響較小的環(huán)節(jié)給予較寬松的精度指標,在滿足儀器總精度要求的前提下使制造成本降至最小。彎曲變形引起

16、的誤差由于垂直移動平臺的動導軌在運行過程中的移動,使儀器結構件(基座和支架等)的受力大小和受力點的位置發(fā)生變化,從而引起儀器結構件的變形,這種變形通常對儀器精度有較大的影響。重力變形的大小主要與儀器的結構剛度和結構形式有關,對儀器精度的影響程度則根據結構布局的不同有所不同,現(xiàn)就此垂直移動平臺分析之。工作臺在橫臂最外端的集中負荷使橫臂產生相應的撓曲變形和截面轉角,從而引起儀器誤差。設l為工作臺至絲杠的垂直距離,取l=57mm,工作臺、導軌和載荷總重W(圖a)取為80N。嚴格來說,橫臂上最外端的撓曲變形及截面轉角分別由總重W、橫梁自重q(圖b)和由它們共同作用引起的彎曲力矩Ma=W0.5l2q(見

17、圖c)的共同作用所引起,但鑒于彎曲力矩主要由端部總重W引起,相較而言橫梁上均勻分布的載荷q所引起的彎矩則可忽略不計。經計算(a)圖和(c)圖產生的撓曲變形分別為yAyayc=0.02mm該項誤差為系統(tǒng)誤差,可通過標定補償。只要在每次重新開始測量前將撓曲變形量通過脈沖信號由步進電機端補償,即可消除。軸向拉壓變形引起的誤差3,Fal147N20103ml962=0.44即EA20010Pa33.1810m式中,F(xiàn)a為絲杠所受軸力;l為行程范圍;E為材料的彈性模量,查材料力學手冊可知鋼材的彈性模量為200GPa;A為絲杠截面積。該項誤差同樣為系統(tǒng)誤差。阿貝誤差阿貝原則的擴展包含三重意思,即:標尺與被

18、測量一條線若做不到,則應使導軌沒有角運動;或應跟蹤測量,計算出導軌的偏移加以補償。遵守了這三條中的一條,即遵守了阿貝原則。在本垂直移動平臺中,工作臺和絲杠螺母移動方向顯然不在同一直線上,不符合原始阿貝原則,但若滿足或者的條件即符合擴展意義上的阿貝誤差。為使導軌無角運動,可采用過盈配合,并在安裝時就及時減小導軌間隙。 導軌間隙引起的誤差由于在本垂直移動平臺中,絲杠軸和動工作臺間有一定距離,若導軌間隙過大必將產生較大的阿貝誤差。為減小導軌間隙引起的誤差,在安裝時利用工作臺上的調整螺釘進行擰緊。 梯形絲杠的螺距累計誤差依據螺絲螺母-JB2886-1992機床梯形螺紋絲杠、螺母技術條件查得3、4、5、

19、6級絲杠螺紋的螺旋線軸向公差(見圖4.1)及7、8、9級絲杠的螺距公差和螺距累積公差(見圖4.2):絲杠螺紋的螺旋線軸向公差m圖4.2由于要求定位精度為5叩,查表得5級精度下20mm長度內螺旋線軸向公差為3.5四。可見,絲杠螺紋的螺旋線軸向公差是影響定位精度的主要誤差來源。絲杠和導軌不平行引起的誤差此誤差和螺旋測微機構誤差分析原理相同圖4.3精選見圖4.3,螺旋測微機構的軸線與滑塊運動方向成一夾角,由此將引起滑塊位置誤差L。同理,聯(lián)軸器的容許偏角誤差將引起絲杠螺母的位移誤差L。機構傳動方程為式中,L為滑塊移動距離;為螺旋升角;P為螺距。由于源誤差為夾角誤差,滑塊的實際移動距離L'為L

20、- LcosP cos 2精選故位置誤差為L =L- LPP cos 22P(1-cos)2即由絲杠和導軌不平行度引起的誤差為L=4P2查國標手冊可知,行程20mm長度內,級精度下不平行度為20叩,換算成角度偏差為0.02,-=0.001radL20將=3°46',P=1.5,=0.001rad代入上式得,L30-001r2=1.8螺桿軸向竄動誤差?周期性變化,螺桿轉動一轉為一個循環(huán)。?最大軸向竄動誤差其原理如圖4.4所示maxanminD-螺桿軸肩直徑;1和2較小者。.一 min圖4.4螺桿軸向竄動誤差溫度引起的誤差由于溫度的改變,使儀器的零部件尺寸、形狀、相互位置關系以及一些重要的特性參數(shù)發(fā)生變化,從而影響儀器精度。在垂直移動平臺中,作為傳動部件的絲杠熱變形對儀器精度有較大的影響。當螺桿傳動的工作

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