二維伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、密 級(jí)學(xué) 號(hào)080209115院、(系)機(jī)電工程學(xué)院題目：二維伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)學(xué)位申請(qǐng)人：石超指導(dǎo)教師：高紅紅學(xué)科專(zhuān)業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化學(xué)位類(lèi)別：工 學(xué) 2011年 06月本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目： 二維伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)院 （系）： 機(jī)電工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 080209 學(xué) 生： 石超 學(xué) 號(hào)： 080209115 指導(dǎo)教師： 高紅紅 2011年 06月 二維伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘 要機(jī)械制造工業(yè)是一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)法發(fā)展的基礎(chǔ)，隨著高端技術(shù)的不斷發(fā)展，精密與超精密加工技術(shù)已逐漸發(fā)展成機(jī)械制造工業(yè)領(lǐng)域的重要方面。二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是高精度測(cè)

2、量系統(tǒng)和高精度加工系統(tǒng)的核心部件。完整的二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)主要包括機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、位移傳感系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)三大部分。本文主要探究二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。二維伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵在于驅(qū)動(dòng)部分，導(dǎo)向部分和檢測(cè)部分等，本文就針對(duì)這幾部分展開(kāi)研究?；诂F(xiàn)有的各種類(lèi)型機(jī)械運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)的分析，在驅(qū)動(dòng)部分本文直接采用伺服電機(jī)，達(dá)到任意調(diào)速的目的；在導(dǎo)向部分本文采用采用“滾珠絲杠+滾動(dòng)導(dǎo)軌”的方式，以保證足夠的精度；在檢測(cè)部分我們選用SV-SX系列光柵尺進(jìn)行位移檢測(cè)回饋。最后，將搭建好的二維伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)用Auto CAD ,pro/E,UG等二維三維制圖軟件畫(huà)出二維伺服用平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。關(guān)鍵詞: 精

3、密;超精密;伺服；二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)；Auto CADAbstract目錄三大件速度粉紅色目錄摘 要IAbstractII1 緒論11.1課題的選題背景及意義11.2二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)22 總體方案設(shè)計(jì)52.1設(shè)計(jì)任務(wù)及原始參數(shù)52.2設(shè)計(jì)方案分析52.3最終方案確定62.4本章小結(jié)8第三章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)93.1機(jī)械傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)93.1.1滾珠絲杠的工作原理93.1.2滾珠絲杠副的特點(diǎn)93.1.3滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算93.1.4絲杠的調(diào)隙113.2機(jī)械驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)133.2.1 伺服電機(jī)的工作原理及特點(diǎn)133.2.2 伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算及選型143.3聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)選型163.3.1 彈性膜片聯(lián)軸

4、器的特點(diǎn)163.3.2彈性膜片聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)選型173.4滾動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)選型183.4.1 滾動(dòng)導(dǎo)軌的特點(diǎn)183.4.2 滾動(dòng)導(dǎo)軌的計(jì)算選型193.5其他部件的設(shè)計(jì)選型203.5.1光柵尺的設(shè)計(jì)選型203.5.2 軸承的選擇203.5.3軸承端蓋的設(shè)計(jì)223.5.4 軸承支座的設(shè)計(jì)223.5.5 XY軸底座的設(shè)計(jì)243.5.6 工作臺(tái)的設(shè)計(jì)244 結(jié)論25參考文獻(xiàn)26致謝27畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明28畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明29附錄30附錄1 外文翻譯及原文30附錄2 總裝配圖和零件圖30西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1 緒論1.1課題的選題背景及意義運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是檢測(cè)設(shè)備和加工設(shè)備的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行

5、部件，是保證設(shè)備技術(shù)指標(biāo)的核心部件，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)按運(yùn)動(dòng)件可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的維數(shù)可分為一維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和多軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。一般來(lái)說(shuō)，典型的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的組成如圖1-1所示，包括機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，位移傳感系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)三部分。機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是平臺(tái)所采用的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式和驅(qū)動(dòng)連接方法的總和，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)件和固定件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；位移傳感系統(tǒng)是檢測(cè)、處理及傳輸運(yùn)動(dòng)件位移數(shù)據(jù)的部件的總和；反饋控制及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要功能是接收傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)反饋信號(hào)和外部輸入信號(hào)及時(shí)控制、驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)的位移量、速度、加速度。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的性能由各個(gè)部分綜合決定。因而，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是一個(gè)跨領(lǐng)域，多技術(shù)的綜合1。傳感檢測(cè)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)

6、控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)件機(jī)械位移系統(tǒng) 圖1.1 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)組成示意圖裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最基本的裝備，又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備的最核心的技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是利用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過(guò)程進(jìn)行控制的技術(shù)，而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域2。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字指令來(lái)實(shí)現(xiàn)一臺(tái)或者多臺(tái)機(jī)械設(shè)備動(dòng)作控制的技術(shù)。它廣泛的應(yīng)用于機(jī)械制造和自動(dòng)化領(lǐng)域，數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)

7、的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，它對(duì)國(guó)計(jì)民生的一些重要行業(yè)的發(fā)展起著越來(lái)越重要的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展也正朝著高性能.高精度.高速度,模塊化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。在國(guó)內(nèi)，比如鄭州微納科技有限公司生產(chǎn)的二維直線(xiàn)電機(jī)平臺(tái)，由兩臺(tái)永磁同步直線(xiàn)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的X-Y軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成，可同時(shí)對(duì)兩臺(tái)直線(xiàn)伺服電機(jī)進(jìn)行同步控制，是一個(gè)先進(jìn)的有直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的的實(shí)用化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。直線(xiàn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的X-Y平臺(tái)系統(tǒng)，以其快速的響應(yīng)、準(zhǔn)確的定位和高可靠性而廣泛應(yīng)用于高速自動(dòng)化設(shè)備、精密測(cè)量系統(tǒng)、電子與半導(dǎo)體加工設(shè)備，激光加工設(shè)備等領(lǐng)域。目前代表數(shù)控機(jī)床最前沿的坐標(biāo)機(jī)床在世界上某些國(guó)家已經(jīng)發(fā)展到6-7軸聯(lián)動(dòng)，已

8、經(jīng)實(shí)現(xiàn)了比較完善的閉環(huán)伺服控制3。工作臺(tái)是機(jī)床上必不可少的部件，工作臺(tái)的自動(dòng)化能大大減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)在生產(chǎn)實(shí)踐中還有很多現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)效益。二維數(shù)控運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可用于簡(jiǎn)易的數(shù)控機(jī)床(包括車(chē)床.銑床.磨床等)的改造等，是一種多用的機(jī)電一體化裝備。其主要通過(guò)X-Y軸兩個(gè)方向的聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)二維平面內(nèi)任意點(diǎn)或軌跡的運(yùn)動(dòng)控制，從而在高精度加工與測(cè)量領(lǐng)域的得以廣泛應(yīng)用4。1.2二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)起步于1958年，五十多年的發(fā)展歷程大致可分為三個(gè)階段：第一階段從1958年到1979年，即封閉式發(fā)展階段。在此階段，由于國(guó)外的技術(shù)封鎖和我過(guò)的基礎(chǔ)條件的制約，數(shù)控技術(shù)的發(fā)

9、展史極為緩慢的。第二階段是國(guó)家的“六五” 、“七五”期間以及“八五”的前期即引進(jìn)技術(shù)，消化吸收，初步建立起國(guó)產(chǎn)化體系階段。在此階段，由于改革開(kāi)放和國(guó)家的重視，以及研究開(kāi)發(fā)環(huán)境和國(guó)際環(huán)境的改善，我國(guó)數(shù)控技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)以及產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。第三階段是我國(guó)的“八五”后期至今。即實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的研究進(jìn)入市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)階段。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)看，其主要研究熱點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：1. 高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢(shì)效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率。提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。從EMO2001展會(huì)的情況來(lái)看，高速加工中

10、心進(jìn)給速度可達(dá)到80m/min,甚至更高，空運(yùn)行速度可達(dá)到100m/min左右。在加工精度方面，近十年來(lái)，普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已經(jīng)由10m提高到5m，精密級(jí)加工中心則從35m提高到11.5m，并且超精密加工精度已開(kāi)始進(jìn)入納米級(jí)0.1m。2.智能化、開(kāi)放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(shì)21世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng) ,智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面:為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化 ,如加工過(guò)程的自適應(yīng)控制 ,工藝參數(shù)自動(dòng)生成;為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便的智能化 ,如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等。數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)放化已經(jīng)成為數(shù)

11、控系統(tǒng)的未來(lái)之路。所謂開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)可以在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺(tái)上 ,面向機(jī)床廠(chǎng)家和最終用戶(hù) ,通過(guò)改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對(duì)象 數(shù)控功能 ,形成系列化 ,并可方便地將用戶(hù)的特殊應(yīng)用和技訣竅集成到控制系統(tǒng)中 ,快速實(shí)現(xiàn)不同品種、不同檔次的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng) ,形成具有鮮明個(gè)性的名牌產(chǎn)品。目前開(kāi)放數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運(yùn)行平臺(tái)、數(shù)控系統(tǒng)功能庫(kù)以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開(kāi)發(fā)工具等是當(dāng)前研究的核心。網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國(guó)際著名機(jī)床博覽會(huì)的一個(gè)新亮點(diǎn)。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿(mǎn)足生產(chǎn)線(xiàn)、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對(duì)信息集成的需求 ,也是實(shí)現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單

12、元 ,反映了數(shù)控機(jī)床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢(shì)5。工作臺(tái)作為數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，也是影響加工精度的重要組成環(huán)節(jié)。從一開(kāi)始為了滿(mǎn)足加工簡(jiǎn)單的零件而設(shè)計(jì)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的工作臺(tái)，到現(xiàn)在為了實(shí)現(xiàn)多工位加工而制造的分度工作臺(tái)和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)等。我國(guó)在工作臺(tái)的研究開(kāi)發(fā)方面也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。目前工作臺(tái)的種類(lèi)繁多，傳統(tǒng)的工作臺(tái)只能安裝在某一指定機(jī)床上，伴隨著科技的與時(shí)俱進(jìn)，他們的功能也由傳統(tǒng)單一性向現(xiàn)代的多功能方向發(fā)展，并且目前部分工作臺(tái)還可以實(shí)現(xiàn)任意角度的孔、槽、平面類(lèi)機(jī)械加工，以及曲線(xiàn)、凸輪等的加工，并達(dá)到較高的精度3。隨著技術(shù)的進(jìn)步和相關(guān)專(zhuān)業(yè)的發(fā)展，在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面運(yùn)動(dòng)平臺(tái)經(jīng)歷了一系列變化6。最初采用的都是

13、是旋轉(zhuǎn)電機(jī)加滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)形式，單軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1-2.這種類(lèi)型的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)其運(yùn)動(dòng)單元目前能達(dá)到微米級(jí)精度。自從1984年Anorad推出第一臺(tái)無(wú)鐵芯，無(wú)刷直線(xiàn)伺服電機(jī)以來(lái)，直線(xiàn)電機(jī)可以憑借其卓越性能代替旋轉(zhuǎn)電機(jī)開(kāi)始廣泛地應(yīng)用到精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上。直線(xiàn)電機(jī)可以直接驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)件，省去了將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)更簡(jiǎn)單，可靠性更高，大大提高了運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的精度。 圖1.2旋轉(zhuǎn)電機(jī)加滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)單軸結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)，長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的王延風(fēng)等人針對(duì)芯片制造設(shè)備設(shè)計(jì)了一種新型磁懸浮超精密工作臺(tái)，消除了導(dǎo)軌的摩擦和磨損，使工作臺(tái)在X方向和Y方向能夠滿(mǎn)足0.02um的定位精度7。在國(guó)外，B

14、akker致力于新型的氣懸浮平臺(tái)替代傳統(tǒng)接觸式軸承制成的XY平臺(tái)，在重量、體積和成本基本不變的情況下，獲得更高的運(yùn)動(dòng)速度和定位精度8。1.3 本文主要研究的內(nèi)容及研究目的1.3.1 主要的研究?jī)?nèi)容課題主要包括緒論、二維伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、二維伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)。如圖1-3。圖1.3 本文主要內(nèi)容第一章緒論 這一章論述了二維伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的一般結(jié)構(gòu)以及國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況，搞清楚課題的研究意義和目的。第二章總體的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 這一章對(duì)二維伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析以及確定最終的結(jié)構(gòu)方案第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 這一章對(duì)二維伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行分析以及根據(jù)任務(wù)書(shū)參數(shù)進(jìn)行

15、設(shè)計(jì)計(jì)算，包括伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、絲杠、導(dǎo)軌以及檢測(cè)裝置。1.3.2 主要的研究目的a) 通過(guò)設(shè)計(jì)，全面地、系統(tǒng)地了解和掌握二維工作臺(tái)的基本組成及其想怪知識(shí)，學(xué)習(xí)總體的方案擬定、分析與比較的方法。b) 通過(guò)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握幾種典型傳動(dòng)元件與導(dǎo)向元件的工作原理、設(shè)計(jì)計(jì)算及選用的方式c) 通過(guò)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握常用伺服電機(jī)的工作原理、計(jì)算控制方法與控制驅(qū)動(dòng)方式d) 培養(yǎng)獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，學(xué)習(xí)并樹(shù)立“系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的思想e) 鍛煉提高應(yīng)用手冊(cè)和標(biāo)準(zhǔn)、查閱文獻(xiàn)資料及撰寫(xiě)科技論文的能力1.4本章小結(jié)本章主要對(duì)二維伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了解，對(duì)課題進(jìn)行定位，弄清二維伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的

16、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的選題背景以及其研究意義。最后對(duì)本文的內(nèi)容進(jìn)行大致總結(jié)。302 總體方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)任務(wù)及原始參數(shù)（1）了解并熟悉伺服電機(jī)的工作原理，根據(jù)提供的設(shè)計(jì)參數(shù)，X軸：運(yùn)動(dòng)部件重量：20kg，摩擦系數(shù)：0.005，最大速度：160mm/s，加速度：0.5mm/s2，行程：100mm，定位精度：0.01mm。 Y軸：運(yùn)動(dòng)部件重量：30kg，摩擦系數(shù)：0.005，最大速度：160mm/s，加速度：0.3mm/s2，行程：120mm，定位精度：0.01mm， 計(jì)算并選擇合適的伺服電機(jī)，設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)圖； （2）根據(jù)定位精度要求，選擇絲杠、位置傳感器（直線(xiàn)光柵）、導(dǎo)軌及聯(lián)軸器等部件； （3）設(shè)計(jì)相

17、關(guān)部件的安裝附件及二維平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)； （4）根據(jù)系統(tǒng)方案，對(duì)其它相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終完成二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械裝配圖和三維實(shí)體裝配圖。 2.2設(shè)計(jì)方案分析根據(jù)設(shè)計(jì)的任務(wù)來(lái)看，本設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)了在XY平面上的運(yùn)動(dòng)，總體設(shè)計(jì)是在X軸上實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)程100的行程運(yùn)動(dòng)，速度達(dá)到160，精度達(dá)到0.01:；在Y軸上實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)程120的行程運(yùn)動(dòng)，速度達(dá)到了160，精度達(dá)到0.01，需要具備良好的伺服性能（即高精度、快速響應(yīng)性和穩(wěn)定性好）從而要求本次設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)滿(mǎn)足以下幾方面：（1）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小 在不影響機(jī)械系統(tǒng)剛度的前提下，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)盡量減小。否則，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成不良影響，機(jī)械負(fù)載增大

18、；系統(tǒng)響應(yīng)速度降低，靈敏度下降；系統(tǒng)固有頻率減小，容易產(chǎn)生諧振。所以在設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)應(yīng)盡量減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。（2）剛度大 剛度是使彈性體產(chǎn)生單位變形量所需的作用力。大剛度對(duì)機(jī)械系統(tǒng)而言是有利的：伺服系統(tǒng)動(dòng)力損失隨之減小。機(jī)構(gòu)固有頻率高，超出機(jī)構(gòu)的頻帶寬度，使之不易產(chǎn)生共振。增加閉環(huán)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選用大的剛度的機(jī)構(gòu)。（3）阻尼合適 機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生共振時(shí)，系統(tǒng)的阻尼增大，其最大振幅就越小且衰減也快，但大阻尼也會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差增大，精度降低，所以設(shè)計(jì)時(shí)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的阻尼要選著適當(dāng)。（4）此外還要求摩擦?。ㄌ岣邫C(jī)構(gòu)的靈敏度）、共振性好（提高機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性）、間隙?。ūＷC機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度），特別

19、是其動(dòng)態(tài)特性應(yīng)與伺服電動(dòng)機(jī)等其它環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性相匹配。 2.3最終方案確定1.驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)選用控制電機(jī)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)矩、位移速度、理論定位精度、工作行程和載荷大小來(lái)確定，常用的控制電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)（又分為同步交流和異步交流）。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在于其額定轉(zhuǎn)速以?xún)?nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。而且運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，具有較強(qiáng)的過(guò)載能力，因此可以初選交流伺服電機(jī)，以降低成本，提高性?xún)r(jià)比。由于電機(jī)的選擇要結(jié)合絲杠，所以具體的參數(shù)設(shè)計(jì)將在絲杠設(shè)計(jì)時(shí)一起進(jìn)行9。2聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)選用聯(lián)軸器的作用是連接兩軸并使其一起做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)傳遞轉(zhuǎn)矩。聯(lián)軸器有剛性和撓性?xún)煞N，

20、剛性聯(lián)軸器適用于兩軸嚴(yán)格對(duì)中不發(fā)生相對(duì)位移的地方。撓性聯(lián)軸器適用于兩軸有偏斜（可分為同軸線(xiàn)、相交軸線(xiàn)）或在工作中有相對(duì)位移（可分為軸向位移、徑向位移、角位移、綜合位移）的地方。撓性聯(lián)軸器又有無(wú)彈性元件的、金屬?gòu)椥栽暮头墙饘購(gòu)椥栽闹?。后兩種稱(chēng)為彈性聯(lián)軸器 10。本設(shè)計(jì)中的二維工作平臺(tái)是高精度機(jī)電系統(tǒng)，要求定位精度高，啟動(dòng)靈活、頻繁。這就要求聯(lián)軸器輸出的角位移、轉(zhuǎn)矩與電機(jī)輸出地角位移、轉(zhuǎn)矩同步性好，因此初選剛性聯(lián)軸器。3傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)選用絲杠副是傳動(dòng)部分最常用的一種方式，是將絲杠的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)槁菽傅闹本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)傳遞力或力矩的11。根據(jù)絲杠副的工作原理，一般可將其分為滑動(dòng)絲杠螺母副和滾動(dòng)

21、絲杠螺母副?；瑒?dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)精度高，螺紋導(dǎo)程小，降速比大，牽引力大等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是摩擦阻力大，傳動(dòng)效率低，螺紋中有側(cè)向間隙，故反向有空行程。由于動(dòng)靜摩擦差別大，低速時(shí)可能出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。滾珠絲杠的傳動(dòng)效率很高，當(dāng)雙螺母預(yù)緊后，軸向剛度好，傳動(dòng)副爬行小，具有較高的定位精度，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，傳動(dòng)靈敏，同步性好。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造較困難，價(jià)格昂貴，以及不能自鎖。本設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足mm的定位精度，滑動(dòng)絲杠副無(wú)能為力，只有初選滾珠絲桿副才能達(dá)到要求，滾珠絲桿副的傳動(dòng)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)、效率高、預(yù)緊后可消除反向間隙12。4.導(dǎo)軌副的設(shè)計(jì)選用在高精度工作臺(tái)的構(gòu)造系統(tǒng)中

22、，導(dǎo)軌有著舉足輕重的作用。導(dǎo)軌具有承載和導(dǎo)向的功能，其導(dǎo)軌的直線(xiàn)度、定位精度等技術(shù)指標(biāo)將直接決定著工作臺(tái)的定位精度。在精密和超精密的加工技術(shù)領(lǐng)域中，超精密加工設(shè)備選用的導(dǎo)軌應(yīng)具有剛度高、摩擦系數(shù)小、無(wú)爬行現(xiàn)象和直線(xiàn)度高等基本要求。目前常用的導(dǎo)軌一般有滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌三種形式13。滑動(dòng)導(dǎo)軌一般具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，適用性廣等特點(diǎn)，但滑動(dòng)導(dǎo)軌和其他形式的導(dǎo)軌相比，其摩擦系數(shù)大，在低速的時(shí)候“爬行”明顯，且磨損現(xiàn)象嚴(yán)重，不以修復(fù)，一般只使用于精度要求不高得場(chǎng)合。滾動(dòng)導(dǎo)軌是滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，即在滾道里放入滾珠、滾柱等滾動(dòng)體，使導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)處于滾動(dòng)摩擦狀態(tài)。滾動(dòng)導(dǎo)軌具有比滑動(dòng)導(dǎo)軌更低的摩擦

23、系數(shù)，可以有效的避免“爬行”現(xiàn)象，是目前常用的一種導(dǎo)軌形式。但滾動(dòng)導(dǎo)軌在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于滾動(dòng)體和導(dǎo)軌是點(diǎn)或者線(xiàn)接觸，因此抗震性不如滑動(dòng)軌道14。靜壓導(dǎo)軌屬于非接觸式導(dǎo)軌，導(dǎo)軌間充滿(mǎn)一層薄膜（油膜或氣膜），一般分為液體靜壓導(dǎo)軌和氣浮靜壓導(dǎo)軌。靜壓導(dǎo)軌具有運(yùn)動(dòng)精度高、摩擦系數(shù)小、無(wú)爬行現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)。但由于液體靜壓導(dǎo)軌使用過(guò)程中容易受環(huán)境溫度影響導(dǎo)致液體升溫等問(wèn)題，其使用條件苛刻，且調(diào)整困難等缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)二維運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)，需要承受的載荷不大，脈沖當(dāng)量小，定位精度高，考慮到成本以及綜合因素，最終選擇滾動(dòng)導(dǎo)軌。5.檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)選用在精度高的工作臺(tái)系統(tǒng)中，位置檢測(cè)裝置的分辨率也是決定工作臺(tái)的定位精度的關(guān)鍵因

24、素之一。因?yàn)闉榱双@取高精度的定位精度，必須使用高分辨率的檢測(cè)裝置來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量愛(ài)喝反饋位置信號(hào)。目前常用的檢測(cè)裝置有激光干涉儀和高分辨的光柵尺。激光干涉儀是以激光在真空中的波長(zhǎng)為長(zhǎng)度基準(zhǔn)來(lái)測(cè)量位移的，其測(cè)量范圍大、精度高。但是激光在空氣中的傳播時(shí)，其波長(zhǎng)容易受溫度、濕度等環(huán)境的影響，從而影響測(cè)量精度15。因此，激光干涉儀的使用條件苛刻，且系統(tǒng)復(fù)雜、成本高。光柵尺是利用光電轉(zhuǎn)換原理，通過(guò)記錄靜止光柵尺和運(yùn)動(dòng)光柵尺的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生摩爾干涉條紋數(shù)量來(lái)測(cè)量位移的，同樣具有高精度和高分辨率，且不易受環(huán)境因素的影響，是高精度工作臺(tái)中最理想的位置反饋元件。由于光柵編碼器的精度僅次于激光式測(cè)量?jī)x器，主要應(yīng)用于高精

25、度數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)中。本設(shè)計(jì)主要面向的是高精度的測(cè)量及加工工作，所以初選用光柵檢測(cè)裝置。圖2.1 總體的設(shè)計(jì)方案2.4本章小結(jié)本章主要是對(duì)課題的要求進(jìn)行細(xì)致的分析，詳細(xì)論述工作臺(tái)的整體布局和各個(gè)部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，探討了各個(gè)部件不同方案的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第三章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1機(jī)械傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì) 3.1.1滾珠絲杠的工作原理具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間元件的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)稱(chēng)為滾珠絲杠副。如圖3-1所示。當(dāng)絲杠或者螺母轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾珠沿著螺旋槽滾動(dòng)，滾珠在絲杠上滾過(guò)數(shù)圈后，通過(guò)回程引導(dǎo)裝置，逐個(gè)的回到絲杠和螺母之間，構(gòu)成一個(gè)閉合的循環(huán)回路。 圖3.1 滾珠絲杠3.1.2滾

26、珠絲杠副的特點(diǎn)1 傳動(dòng)效率高，摩擦損失小，其摩擦系數(shù)一般為0.00250.0035之間，傳動(dòng)效率可達(dá)到90%以上，是普通滑動(dòng)絲杠的34倍。2 傳動(dòng)具有可逆性，不僅可以將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，而且可以將直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。3 傳動(dòng)精度高 滾珠絲杠副本身屬于精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其進(jìn)給精度和定位精度都是比較高的。4 磨損小，使用壽命長(zhǎng) 絲杠和本身是經(jīng)過(guò)淬硬的，能夠長(zhǎng)期保持較高的精度16 。 3.1.3滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算初選絲杠導(dǎo)程為PB=10mm(1)計(jì)算軸向總載荷 其中：Fa為軸向工作載荷 Ff為導(dǎo)軌摩擦擦阻力 X軸（上）： Y軸（下）： (2)計(jì)算滾珠絲杠轉(zhuǎn)速 則 ：NX=160/10=16

27、r/s Ny=160/10=16r/s(3)計(jì)算平均載荷 其中：Fmax為絲杠承受最大切削力時(shí)的軸向載荷 Fmin為空載時(shí)作用在絲杠的軸向載荷X軸： Fmax=10.98N Fmin=10N Fm=(2×10.98+10)/3=10.32N Y軸： Fmax=10.47N Fmin=9N Fm=(2×10.47+9)/3=9.98N (4) 計(jì)算額定動(dòng)載荷Ca Ca=×Fm其中 ：N為轉(zhuǎn)速（r/min）T為壽命時(shí)間（h），取15000hFm為平均載荷X軸： N=32r/s=960r/min Ca=×10.32=9829.19NY軸： N=32r/s=19

28、20r/min Ca=×9.98=9505.35N由以上數(shù)據(jù)即可選出所用絲杠型號(hào)：X軸：HJG-S3210-2.5Y軸：HJG-S3210-2.5其額定動(dòng)載荷為11500N ， 導(dǎo)程為10 mm ，滾珠絲杠直徑為32m(5)滾珠絲杠的校核 a 滾珠絲杠副的安裝方法d2由于設(shè)計(jì)計(jì)算中需要X-Y的滾珠絲杠長(zhǎng)度為320mm,所以其安裝方式選用一端團(tuán)固定一端自由。這種安裝方式好處是 ：中速精度高.壓桿穩(wěn)定性好。b 絲杠剛度的校核 杠的拉壓變形量 滾珠絲杠應(yīng)計(jì)算滿(mǎn)載時(shí)的拉壓變形量其中： 為絲杠的工作載荷（N）E為材料的彈性模量，對(duì)剛E=20.6×104MpaA為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截

29、面積(mm2)X軸：L=100+187=287mmY軸： L=120+187=307mmA=R2=×162=804.25mm2 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量該變形量與滾珠的列.圈數(shù)有關(guān)，即與滾珠總數(shù)量有關(guān)，與滾珠絲杠的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。公式如下：無(wú)預(yù)緊時(shí) 有預(yù)緊時(shí) 其中：為滾珠直徑(所選絲杠需要的滾珠的直徑為6.350mm)為滾珠的總數(shù)量（=×圈數(shù)×列數(shù)，為一圈的滾珠數(shù) (內(nèi)循環(huán))，為滾珠絲杠的公稱(chēng)直徑，X軸：Z=39 2=0.0008mmY軸：Z=39 2=0.0008mm 滾珠絲杠的總變形量X軸： =1+2=0.00082mmY軸： =1+2=0.00082mm絲杠的

30、總變形量應(yīng)小于允許的變形量，一般不應(yīng)大于機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)規(guī)定的定位精度值的一半XY軸均小于設(shè)計(jì)要求定位精度0.01的一半。所以所選的絲杠符合設(shè)計(jì)要求3.1.4絲杠的調(diào)隙滾珠絲杠副的傳動(dòng)間隙主要是指軸向間隙，即絲杠和螺母無(wú)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，絲杠和螺母之間的最大軸向竄動(dòng)量。除了本身結(jié)構(gòu)間隙外，在施加軸向載荷之后，還包括彈性變形所造成的竄動(dòng)量。為了盡量的提高工作臺(tái)精度就必須盡可能的消除滾珠絲杠的傳動(dòng)間隙。絲杠的調(diào)隙方法主要有三種，包括雙螺母墊片式，雙螺母螺紋式，雙螺母齒差式17。 - 圖3.2雙螺母墊片調(diào)隙滾珠絲桿螺母副采用雙螺母結(jié)構(gòu)（類(lèi)似于齒輪副中的雙薄片齒輪結(jié)構(gòu)）。通過(guò)改變墊片的厚度使螺母產(chǎn)生軸向位移，從

31、而使兩個(gè)螺母分別與絲桿的兩側(cè)面貼合。當(dāng)工作臺(tái)反向時(shí)，由于消除了側(cè)隙，工作臺(tái)會(huì)跟隨CNC的運(yùn)動(dòng)指令反向而不會(huì)出現(xiàn)滯后。圖3.3雙螺母螺紋式調(diào)隙圖示為利用兩個(gè)鎖緊螺母調(diào)整預(yù)緊力的結(jié)構(gòu)。兩個(gè)工作螺母以平鍵與外套相聯(lián)，其中右邊的一個(gè)螺母外伸部分有螺紋。當(dāng)兩個(gè)鎖緊螺母轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，正是由于平鍵限制了工作螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)，才使得帶外螺紋的工作螺母能相對(duì)于鎖緊螺母軸向移動(dòng)。間隙調(diào)整好后，對(duì)擰兩鎖緊螺母即可。結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，應(yīng)用較廣。圖3.4雙螺母齒差式調(diào)隙在兩個(gè)工作螺母的凸緣上分別切出齒數(shù)為Z1、Z2的齒輪，且Z1、Z2相差一個(gè)齒，即： 兩個(gè)齒輪分別與兩端相應(yīng)的內(nèi)齒圈相嚙合，內(nèi)齒圈緊固在螺母座上。設(shè)其中的一個(gè)螺母Z

32、1轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒時(shí)，絲桿的軸向移動(dòng)量為為S1， 則有： 可得出：如果兩個(gè)齒輪同方向各轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒，則絲桿的軸向位移為： 則：3.2機(jī)械驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)3.2.1 伺服電機(jī)的工作原理及特點(diǎn)伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服主要靠脈沖來(lái)定位，基本上可以這樣理解，伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移。因?yàn)?，伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來(lái)，系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來(lái)，這樣，

33、就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到0.001mm18。直流伺服電機(jī)分為有刷和無(wú)刷電機(jī)。有刷電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)不方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)環(huán)境有要求。因此它可以用于對(duì)成本敏感的普通工業(yè)和民用場(chǎng)合。 1、無(wú)刷電機(jī)體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝?fù)雜，容易實(shí)現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機(jī)免維護(hù)，效率很高，運(yùn)行溫度低，電磁輻射很小，長(zhǎng)壽命，可用于各種環(huán)境。 2、交流伺服電機(jī)也是無(wú)刷電機(jī)，分為同步和異步電機(jī)，目前運(yùn)動(dòng)控制中一般都用同步電機(jī)，它的功率范圍

34、大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動(dòng)速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運(yùn)行的應(yīng)用。 3、伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線(xiàn)數(shù)）。 交流伺服電機(jī)和無(wú)刷直流伺服電機(jī)在功能上的區(qū)別：交流伺服要好一些，因?yàn)槭钦也刂?，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比較簡(jiǎn)單，便宜。3.2.2 伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算及選型確定電機(jī)軸總轉(zhuǎn)矩M其中：為折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩為折算到電機(jī)軸上的加速力矩 為電機(jī)軸

35、上的負(fù)載力矩為折算到電機(jī)軸的絲杠預(yù)緊產(chǎn)生的附加摩擦力矩a. 摩擦力矩的計(jì)算 (其中i=1) X軸：=0.98×10×(1/2)=1.56 N·mm Y軸：=1.47×10×(1/2)=2.34 N·mmb. 加速力矩的計(jì)算 其中： Jm為折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(Jm由聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和工作臺(tái)轉(zhuǎn)化到絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量組成。其中聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較小，可以忽略不計(jì)) 為電機(jī)軸的最大角速度（由線(xiàn)速度V=角速度×絲杠半徑r可知，線(xiàn)加速度a=角加速度×絲杠半徑r）對(duì)于X軸：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣

36、量計(jì)算可轉(zhuǎn)換為圓柱體的轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量的計(jì)算，即為： (其中：m為絲杠的質(zhì)量=，為密度，絲杠的材質(zhì)為剛，其所以工作臺(tái)折算到絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量其中：m為工作臺(tái)質(zhì)量S 為絲杠導(dǎo)程折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為其角加速度為X軸總的加速力矩Ma=307.66×0.03=9.614N·mm對(duì)于Y軸：與X軸計(jì)算相同滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 工作臺(tái)折算到絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為其角加速度為Y軸總的加速力矩Ma=332.99×0.019=6.327N·mmc. 負(fù)載力矩在設(shè)備空載啟動(dòng)時(shí)就為零，所以=0d附加摩擦力矩的計(jì)算 （其中i=1）P0為滾珠絲杠的預(yù)加載荷（

37、P0的值約為導(dǎo)軌摩擦力Ff的1/3倍）S為絲杠導(dǎo)程X軸：Y軸： 由以上計(jì)算得出電機(jī)上總的轉(zhuǎn)矩 X軸：M=1.56+9.614+0+0.520=11.694N·mm Y軸：M=2.34+6.327+0+0.780=9.447 N·mm 確定電機(jī)軸轉(zhuǎn)速N由于本設(shè)計(jì)中電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠使用聯(lián)軸器直連的，所以電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速等于滾珠絲杠轉(zhuǎn)速，即X軸：N=960r/minY軸：N=960r/min由此，可選擇出合適的伺服電動(dòng)機(jī)型號(hào)及其參數(shù) X軸：1FK7085-7AF71-1AA0 Y軸：1FK7085-7AF71-1AA0 其額定轉(zhuǎn)速為3000 r/s 額定轉(zhuǎn)矩為12 額定慣量 23 &

38、#215;10-4 kg/m23.3聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)選型3.3.1 彈性膜片聯(lián)軸器的特點(diǎn)彈性膜片聯(lián)軸器利用金屬膜片材料的高抗疲勞的特性；使整體聯(lián)軸器具備質(zhì)量輕，工作可靠，不需要潤(rùn)滑，維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)19。聯(lián)軸器主要有金屬膜片聯(lián)軸器，蛇形彈簧聯(lián)軸器、雙曲面齒式聯(lián)軸器、彈性體聯(lián)軸器等新型撓性材料聯(lián)軸器。例如：錐套利用錐度過(guò)盈配合被應(yīng)用于皮帶輪與軸連接、鏈輪與軸的連接、齒輪與軸的連接等，從很大程度上提高了生產(chǎn)和裝配效率。通過(guò)螺釘?shù)逆i緊，解決了軸向定位。 膜片聯(lián)軸器靠膜片的彈性變形來(lái)補(bǔ)償所聯(lián)兩軸的相對(duì)位移，是一種高性能的金屬?gòu)椥栽闲月?lián)軸器，不用潤(rùn)滑，結(jié)構(gòu)較緊湊，強(qiáng)度高，使用壽命長(zhǎng)，無(wú)旋轉(zhuǎn)間隙，不受溫度和

39、油污影響，具有耐酸、耐堿、防腐蝕的特點(diǎn)，適用于高溫、高速、有腐蝕介質(zhì)工況環(huán)境的軸系傳動(dòng)，廣泛用于各種機(jī)械裝置的軸系傳動(dòng)，如水泵（尤其是大功率、化工泵）、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、液壓機(jī)械、石油機(jī)械、印刷機(jī)械、紡織機(jī)械、化工機(jī)械、礦山機(jī)械、冶金機(jī)械、航空（直升飛機(jī)）、艦艇高速動(dòng)力傳動(dòng)系，經(jīng)動(dòng)平衡后應(yīng)用于高速傳動(dòng)軸系已比較普遍。彈性膜片聯(lián)軸器 在眾多的聯(lián)軸器類(lèi)型中，彈性膜片聯(lián)軸器以其扭轉(zhuǎn)剛度高、軸向剛度高、傳遞扭矩大、動(dòng)態(tài)性能好等突出特點(diǎn)，在機(jī)電一體化的伺服機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中得以廣泛地應(yīng)用。如圖3-2所示。 圖3.5 膜片聯(lián)軸器3.3.2彈性膜片聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)選型聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩：交變載荷時(shí)： 式中 聯(lián)軸器的公稱(chēng)轉(zhuǎn)

40、矩，Nm聯(lián)軸器的疲勞轉(zhuǎn)矩，Nm聯(lián)軸器的理論轉(zhuǎn)矩，Nm T=9550驅(qū)動(dòng)功率，kw聯(lián)軸器轉(zhuǎn)速，r/min聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)速修正系數(shù)，K 聯(lián)軸器的兩軸線(xiàn)折角修正系數(shù)載荷修正系數(shù)。載荷均勻，工作平穩(wěn)時(shí)，=1.0；載荷不均勻，中等沖擊時(shí)，=1.11.3；較大沖擊載荷和頻繁正反轉(zhuǎn)時(shí)，=1.31.5，特大沖擊載荷和頻繁正反轉(zhuǎn)時(shí)>1.5。 根據(jù)計(jì)算本設(shè)計(jì)所用聯(lián)軸器型號(hào)參數(shù)如下圖3-3所示圖3.6 聯(lián)軸器主要尺寸參數(shù)3.4滾動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)選型3.4.1 滾動(dòng)導(dǎo)軌的特點(diǎn) 直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌（如圖3-4）在數(shù)控機(jī)床中有廣泛的應(yīng)用。相對(duì)普通機(jī)床所用的滑動(dòng)導(dǎo)軌而言，它有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：1 定位精度高直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌可使摩擦系數(shù)

41、減小到滑動(dòng)導(dǎo)軌的1/50。由于動(dòng)摩擦與靜摩擦系數(shù)相差很小，運(yùn)動(dòng)靈活，可使驅(qū)動(dòng)扭矩減少90%，因此，可將機(jī)床定位精度設(shè)定到超微米級(jí)。2 降低機(jī)床造價(jià)并大幅度節(jié)約電力采用直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌的機(jī)床由于摩擦阻力小，特別適用于反復(fù)進(jìn)行起動(dòng)、停止的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可使所需的動(dòng)力源及動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)小型化，減輕了重量，使機(jī)床所需電力降低90%，具有大幅度節(jié)能的效果。3 可提高機(jī)床的運(yùn)動(dòng)速度直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌由于摩擦阻力小，因此發(fā)熱少，可實(shí)現(xiàn)機(jī)床的高速運(yùn)動(dòng)，提高機(jī)床的工作效率2030%。4 可長(zhǎng)期維持機(jī)床的高精度對(duì)于滑動(dòng)導(dǎo)軌面的流體潤(rùn)滑，由于油膜的浮動(dòng)，產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)精度的誤差是無(wú)法避免的。在絕大多數(shù)情況下，流體潤(rùn)滑只限于邊界區(qū)域，由

42、金屬接觸而產(chǎn)生的直接摩擦是無(wú)法避免的，在這種摩擦中，大量的能量以摩擦損耗被浪費(fèi)掉了。與之相反，滾動(dòng)接觸由于摩擦耗能小滾動(dòng)面的摩擦損耗也相應(yīng)減少，故能使直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌系統(tǒng)長(zhǎng)期處于高精度狀態(tài)。同時(shí)，由于使用潤(rùn)滑油也很少，大多數(shù)情況下只需脂潤(rùn)滑就足夠了，這使得在機(jī)床的潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)及使用維護(hù)方面都變的非常容易了。 圖3.7 滾動(dòng)導(dǎo)軌（單邊）3.4.2 滾動(dòng)導(dǎo)軌的計(jì)算選型在選用直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌時(shí)，應(yīng)對(duì)其本身的壽命進(jìn)行初步驗(yàn)算。當(dāng)直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌承受負(fù)荷并做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)軌面和滾動(dòng)部分(鋼珠或滾柱)就會(huì)不斷地受到循環(huán)應(yīng)力的作用，一旦達(dá)到臨界值，滾動(dòng)表面就會(huì)產(chǎn)生疲勞破損，在某些部位產(chǎn)生魚(yú)鱗狀剝離，這種現(xiàn)象稱(chēng)為表面剝落

43、。所謂直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌的壽命，就是指導(dǎo)軌表面或滾動(dòng)部分由于材料的滾動(dòng)疲勞而發(fā)生表面剝落時(shí)為止總行走距離。直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌的壽命具有很大的分散性。即使同批制造的產(chǎn)品，在同樣運(yùn)轉(zhuǎn)條件下使用，其壽命也會(huì)有很大的差距。因此，為了確定直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌的壽命，一般使用額定壽命這一參數(shù)。所謂額定壽命是指讓批同樣的直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌逐個(gè)地在相同的條件下運(yùn)動(dòng)，其中90%的總運(yùn)行距離能達(dá)到不發(fā)生表面剝落。對(duì)于使用鋼珠的直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌，額定壽命L為：對(duì)于使用滾柱的直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌，額定壽命為：式中L：額定壽命km；C：基本額定動(dòng)負(fù)荷，kN；PC：計(jì)算負(fù)荷，LN；fH：硬度系數(shù)；fT：溫度系數(shù)；fC：接觸系數(shù)，fW：負(fù)荷系數(shù)。根據(jù)計(jì)算本設(shè)計(jì)

44、選用的滾動(dòng)導(dǎo)軌參數(shù)圖3.8所示圖3.8 滾動(dòng)導(dǎo)軌參數(shù)3.5其他部件的設(shè)計(jì)選型3.5.1光柵尺的設(shè)計(jì)選型圖3.9 光柵尺直線(xiàn)光柵尺測(cè)量直線(xiàn)軸位置時(shí)不存在任何附加的機(jī)械傳動(dòng)元件。用直線(xiàn)光柵尺控制位置的控制環(huán)包括了全部進(jìn)給機(jī)構(gòu)。安裝在滑板上的直線(xiàn)光柵尺可以檢測(cè)出機(jī)械傳遞誤差并能在控制系統(tǒng)電路中給予修正。因此，它能消除以下潛在誤差源：a 由于滾珠絲杠溫度特性導(dǎo)致的位置誤差b 反向間隙c 滾珠絲杠螺距誤差導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)特性誤差因此，直線(xiàn)光柵尺已經(jīng)成為高精度定位和高速加工不可或缺的必備條件了。光柵位移檢測(cè)裝置20中的基準(zhǔn)元件光柵尺或光柵圓盤(pán)，實(shí)際上就是刻線(xiàn)間距小的線(xiàn)紋尺，其主要優(yōu)點(diǎn)是間距小，線(xiàn)紋長(zhǎng)。通常計(jì)量用

45、的光柵尺的線(xiàn)紋間距為0.040.004mm.其分類(lèi)主要有：按檢測(cè)位移量性質(zhì)分類(lèi)：直線(xiàn)式光柵為測(cè)量直線(xiàn)位移的光柵；回轉(zhuǎn)式光柵為測(cè)量角位移的光柵。按制造光柵的材料分類(lèi)：玻璃光柵；金屬光柵。按光源照射方法分類(lèi)：透射光柵；反射光柵。本設(shè)計(jì)中所選用的光柵尺是帶有加強(qiáng)板的SV-SX系列的光柵尺，由于XY軸的形成不一樣 ，在這里X軸的光柵尺是12omm,Y軸的是170mm.3.5.2 軸承的選擇滾動(dòng)軸承主要是為軸或其他回轉(zhuǎn)體提供徑向或軸向支撐，并且磨損小、機(jī)械效率高。軸承是外購(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)間，所以在設(shè)計(jì)中只需根據(jù)工作條件選用合適的滾動(dòng)軸承類(lèi)型和尺寸即可21。本設(shè)計(jì)中才用的支撐方式是一端固定一段簡(jiǎn)支的方式。其中固定

46、端使用一對(duì)角接觸球軸承PIU4428*2B-fs，簡(jiǎn)支端使用一個(gè)深溝球軸承60/28-Z，構(gòu)成如圖3-6所示的支撐方式。 圖3.10 固定端 圖3.11 簡(jiǎn)支端 軸承在工作中內(nèi)外圈會(huì)不停的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其磨損是不可避免的，所以軸承的使用壽命是其重要的性能指標(biāo)之一。角接觸軸承工作時(shí)需要同時(shí)承受徑向和軸向載荷，為了計(jì)算方便，需要將軸承的實(shí)際載荷轉(zhuǎn)化為當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷。當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷的計(jì)算公式是: 式中：Fr 徑向負(fù)荷，取Fr=3.4N； Fa 軸向負(fù)荷，取 Fa =0.3N； X，Y徑向系數(shù)和軸向系數(shù)。查表得:X=0.56；Y=1.63；由于實(shí)際工作中的振動(dòng)和沖擊等因素，軸承實(shí)際承受的載荷荷比計(jì)算值還要大，所以

47、有必要根據(jù)工作情況采用負(fù)荷系數(shù)方對(duì)計(jì)算值進(jìn)行修正。所以，修正后軸承的當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷為: 壽命的曲線(xiàn)方程為:=常數(shù)式中:P 當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷，N; 基本額定壽命,106 ; 壽命指數(shù)，深溝球軸承=3。則基本額定壽命為: （h）式中:軸承的工作轉(zhuǎn)速，取 n工作轉(zhuǎn)速=100r/min計(jì)算解得軸承在一般潤(rùn)滑條件下的基本額定壽命為(可靠度90% )13059h 所選軸承壽命能滿(mǎn)足要求要求。3.5.3軸承端蓋的設(shè)計(jì)軸承端蓋（如圖3-8）的作用一是軸向固定軸承，二是起密封保護(hù)作用，防止軸承進(jìn)入塵土等進(jìn)入軸承造成損壞。圖3.12 軸承端蓋設(shè)計(jì)該軸承端蓋時(shí)主要考慮的是對(duì)軸承的固定，通過(guò)已知軸承型號(hào)為:GB/T 276-9

48、4角接觸球軸承PIU4428*2B-FS尺寸:44*28*13，可以從右端開(kāi)始設(shè)計(jì)，它固定的是軸承的外圈，通過(guò)技術(shù)手冊(cè)可以查表的到：=0.3mm， 可以確定出右端 最外面的直徑為48mm 最里面的直徑為42mm由于軸承端蓋要固定在軸承支座，所以可以根據(jù)軸承支座的的尺寸設(shè)計(jì)出軸承端蓋的最大直徑，該軸承端蓋采用的是六個(gè)螺釘與軸承支座連接。按照?qǐng)D紙?jiān)谳S承端蓋的左端面上均勻的分布。 3.5.4 軸承支座的設(shè)計(jì)軸承支座主要起支撐軸承的作用。設(shè)計(jì)的軸承支座主要由軸承支座底座和承支座端蓋兩部分組成，雖然這么設(shè)計(jì)結(jié)果比較復(fù)雜，精度要求比較高，但是對(duì)于整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的裝配很方便。軸承支座主要由兩部分組成，軸承支座

49、蓋和軸承支座底座兩部分通過(guò)螺釘安裝。圖3.13 軸承支座底座 軸承支座底座共有兩組加工表面直徑28孔為中心的加工表面。這一組加工表面包括：一個(gè)直徑28mm的孔，軸承支座下的左右端面分別與直徑28mm孔的中心軸線(xiàn)有端面圓跳動(dòng)、和平行度的要求。底面為中心的加工表面。這一組加工表面包括：四個(gè)直徑6mm加工面的螺孔與兩個(gè)直徑6mm的銷(xiāo)孔的加工。圖3.14 軸承支座蓋軸承支座蓋共有兩組加工表面直徑28mm孔為中心的加工表面。這一組加工表面包括：一個(gè)直徑28mm的孔，軸承支座底座的左右端面分別與直徑28mm孔的中心軸線(xiàn)有端面圓跳動(dòng)、和平行度的要求。底面為中心的加工表面。這一組加工表面包括：四個(gè)直徑6mm加

50、工面的螺孔與兩個(gè)直徑6mm的銷(xiāo)孔的加工。3.5.5 XY軸底座的設(shè)計(jì) 基座的形狀和尺寸主要由與其聯(lián)接零件和總體布局來(lái)決定的，基座功用是通過(guò)導(dǎo)軌進(jìn)行軸向移動(dòng)，為避免發(fā)生托板側(cè)翻危險(xiǎn)狀況，導(dǎo)軌跨距不能太小，且需要支撐在主要受力點(diǎn)處?；惺軓澗?、扭矩以及復(fù)合載荷。圖3.15 3.5.6 工作臺(tái)的設(shè)計(jì)結(jié)論4 結(jié)論細(xì)致的對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的滾珠絲杠、伺服電機(jī)、滾動(dòng)導(dǎo)軌、聯(lián)軸器和軸承分析計(jì)算，并最終確定其型號(hào)尺。并且對(duì)二維伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)整體安裝中的軸承支座、軸承端蓋、電機(jī)支座、XY軸底座和工作臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1 謝衛(wèi)東，精密微位移工作臺(tái)系統(tǒng)綜述J.北京：自動(dòng)化與儀器儀表，1991:8-9.2 盛伯浩，唐華數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展淺析航空制造技術(shù)，20023 師鴻飛等.我國(guó)數(shù)控車(chē)床的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)N.現(xiàn)代制造,2002.4 袁哲俊，王先達(dá).精密和超精密加工技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007:1-95 林勝,林春庭.高速數(shù)控機(jī)床現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)J.精密制造與自動(dòng)化, 2004年第1期: 5-86 H.Ding，Z.H Xiong.Motion Stages for Electronic Packaging Design and Control.IEEE Robotics Auto mation Magazine.2006.13(4):517 王延風(fēng)，盧志山，宋文榮。磁懸