(完整word版)二維機(jī)械滑臺(tái)設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)草稿

1、高精度二維機(jī)械滑臺(tái)一、設(shè)計(jì)任務(wù)1、兩坐標(biāo)行程為 250mm；2、定位精度± 0.01mm；3、響應(yīng)速度 1.5m/s2 ；4、最高速度 12m/min，最低速度 1m/min。二、設(shè)計(jì)工作1、運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)（ 1）要實(shí)現(xiàn)一個(gè)二維平面運(yùn)動(dòng)，只需將其分解為兩個(gè)垂直方向的一維直線運(yùn)動(dòng)即可。如圖所示：由 X 方向的直線位移機(jī)構(gòu)帶動(dòng) Y 方向的直線位移機(jī)構(gòu)沿 X 向做直線運(yùn)動(dòng)，然后 X 向直線位移機(jī)構(gòu)不動(dòng)， Y 向直線位移機(jī)構(gòu)在 X 向直線位移機(jī)構(gòu)上沿 Y 向運(yùn)動(dòng)，這樣就實(shí)現(xiàn)了 XOY平面的二維運(yùn)動(dòng)。（ 2）實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的主要途徑有：（）絲桿和直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)（）直線電機(jī)（）齒輪齒條機(jī)構(gòu)（）曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

2、等方法等四種方法。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)（10 分制）012345678910不可差較差勉強(qiáng)可用中良較好好優(yōu)理想用可用各機(jī)構(gòu)的評(píng)價(jià)分值表性能指標(biāo)定位精度運(yùn)動(dòng)速度承載能力效率經(jīng)濟(jì)性行程總分絲桿和直998107952線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)直線電機(jī)88787947齒輪齒條56958639機(jī)構(gòu)曲柄滑塊79949644機(jī)構(gòu)從上圖可以看出，第一種方法絲桿與直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)較符合。（ 3）總體設(shè)計(jì)方案圖：Y 方向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)聯(lián)軸器滾動(dòng)絲桿聯(lián)步進(jìn)電機(jī)軸滾動(dòng)器絲桿X 方向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)前文進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)， 初步擬定用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿， 帶動(dòng)滾動(dòng)導(dǎo)軌上工作做直線運(yùn)動(dòng)， 采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)位控制， 由脈沖數(shù)控制位移、 脈沖頻率控制工作

3、臺(tái)速度的方案。2、傳動(dòng)設(shè)計(jì)機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)動(dòng)的。下圖是各種傳動(dòng)類(lèi)型的比較：圓周速度外廓尺相對(duì)成傳動(dòng)類(lèi)型傳動(dòng)效率傳動(dòng)比性能特點(diǎn)寸本0.94過(guò)載打滑，傳動(dòng)平0.96(平5 75 25(30)穩(wěn)，能緩沖吸振，帶傳動(dòng)帶)0.92 大低不能保證定傳動(dòng)0.97(V帶 )比，遠(yuǎn)距離傳動(dòng)0.95 1050(80)中傳動(dòng)平穩(wěn)，能保證0.98( 齒型帶 )低固定傳動(dòng)比0.90 平均傳動(dòng)比準(zhǔn)0.92(開(kāi)5(8)5 25確，可在高溫下傳鏈傳動(dòng)式)0.96 大中動(dòng)，遠(yuǎn)距離傳動(dòng)，0.97( 閉式 )高速有沖擊振動(dòng)0.920.96( 開(kāi) 3 5（開(kāi)傳動(dòng)比恒定，功率和速度適用范式)0.96 式） 7 5 200齒輪傳

4、動(dòng)中小中0.99( 閉式 )10（閉式）圍廣，效率高，壽命長(zhǎng)。0.40 傳動(dòng)比大，傳蝸輪傳動(dòng)0.45( 自8 8015 50小高動(dòng)平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊，鎖 )0.7 （1000）可實(shí)現(xiàn)自鎖，效率0.9( 不自鎖 )低0.3 0.6( 滑傳動(dòng)平穩(wěn)，能自鎖，螺旋傳動(dòng)動(dòng))0.9( 滾高中低小中增力效果好動(dòng) )結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易制造，連桿傳動(dòng)高1中小低能傳遞較大載荷，耐沖擊，可遠(yuǎn)距離傳動(dòng)從動(dòng)件可實(shí)現(xiàn)各種凸輪傳動(dòng)低中低小高運(yùn)動(dòng)規(guī)律，高副接觸磨損較大摩擦輪傳過(guò)載打滑，工作平0.85 0.95 57 15 25大低穩(wěn)，可在運(yùn)轉(zhuǎn)中調(diào)動(dòng)節(jié)傳動(dòng)比依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，初步選擇導(dǎo)程為5mm的絲桿。根據(jù)定位精度要求確定脈沖當(dāng)量為0.005m

5、m/Hz,步距角選取 0.36 度。結(jié)合式 (2.1),計(jì)算得傳動(dòng)比為 1。360iPB(2.1)式中：為步進(jìn)電機(jī)步距角；為脈沖當(dāng)量；i 為傳動(dòng)比；PB 為絲桿導(dǎo)程。由于計(jì)算得傳動(dòng)比為1，則不需要選用減速箱，直接采用聯(lián)軸器連接電動(dòng)機(jī)軸與絲桿。3、驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：為機(jī)械系統(tǒng)正常工作提供動(dòng)力源、 實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的原動(dòng)機(jī) （或動(dòng)力機(jī)）及其配套裝置。大多數(shù)原動(dòng)機(jī)采用電動(dòng)機(jī)。 按利用的能源分，有熱力發(fā)動(dòng)機(jī)、水力發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)等。3.1 常用原動(dòng)機(jī)的類(lèi)型：1）電動(dòng)機(jī)2）液壓馬達(dá)3）氣動(dòng)馬達(dá)4）內(nèi)燃機(jī)電動(dòng)機(jī)：技術(shù)較為成熟，驅(qū)動(dòng)效率高，與被驅(qū)動(dòng)的工作機(jī)械連接簡(jiǎn)便（可用標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)軸器）；有多品種和規(guī)格，

6、可滿足不同類(lèi)型機(jī)械的工作要求；具有良好的調(diào)速性能，啟動(dòng)、制動(dòng)、反向和調(diào)速的控制簡(jiǎn)單可靠，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的測(cè)量和控制，便于集中管理和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化。價(jià)格較低。液壓馬達(dá)：可以獲得很大的機(jī)械力或轉(zhuǎn)矩， 與電動(dòng)機(jī)相比在相同功率時(shí)其外形尺寸小、重量輕，因而運(yùn)動(dòng)件的慣性小，快速響應(yīng)的靈敏度高。但是使用液壓馬達(dá)必須具有高壓油的供給系統(tǒng)，且對(duì)液壓元件的制造和裝配精度要求較高，容易出現(xiàn)漏油現(xiàn)象而影響工作效率及工作機(jī)械的運(yùn)動(dòng)精度。價(jià)格高。氣壓馬達(dá)：使用空氣作為工作介質(zhì)， 容易獲得；用后可以直接排入大氣而無(wú)污染，壓縮空氣可以進(jìn)行集中供給和遠(yuǎn)距離輸送； 動(dòng)作迅速，反應(yīng)快，維護(hù)簡(jiǎn)單，成本低；對(duì)易燃、易爆、多塵和振

7、動(dòng)等惡劣工作環(huán)境的適應(yīng)性較好。但是因空氣具有可壓縮性， 氣動(dòng)馬達(dá)的工作穩(wěn)定性較差， 氣動(dòng)系統(tǒng)的噪聲大； 工作壓力受到一定的限制不能太高， 輸出的轉(zhuǎn)矩不能太大， 一般只適用于小型和輕型的工作機(jī)械。內(nèi)燃機(jī)：功率范圍寬，操作簡(jiǎn)單，啟動(dòng)迅速，便于移動(dòng)，用于野外，無(wú)法使用電力的時(shí)候使用。 污染環(huán)境，消耗自然資源。3.2 考慮到定位精度要求不高， 載荷不大，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，提高性價(jià)比，因此該設(shè)計(jì)中采用 步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng) 。經(jīng)計(jì)算， X、Y 方向步進(jìn)電機(jī)均可選選常州寶馬前楊電機(jī)電器有限公司的90BF006型反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。90BF006的主要技術(shù)參數(shù)型號(hào)相數(shù)步距角（Deg）電壓(V)電流（ A

8、）保持轉(zhuǎn)矩（ Nm）空轉(zhuǎn)起動(dòng)頻率（ HZ）表 3.1運(yùn)行頻質(zhì)量率（ Hz） （ Kg）90BF00650.36/0.722432.15624002.290BF006的矩頻特性曲線90BF006的接線圖步進(jìn)電機(jī)的接線方式有兩種：串聯(lián)和并聯(lián)。如下圖的四相八線接法：步進(jìn)電機(jī)外形：4、機(jī)床部件設(shè)計(jì)4.1 聯(lián)軸器、軸承聯(lián)軸器有剛性和撓性兩種， 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、相交軸線）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帧：髢煞N稱為彈性聯(lián)軸器

9、。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)軸器輸出地角位移、 轉(zhuǎn)矩與電機(jī)輸出地角位移、 轉(zhuǎn)矩同步性好， 因此選擇剛性聯(lián)軸器。軸承分滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承。由于工作臺(tái)載荷不大， 速度低，步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)頻繁， 這里設(shè)計(jì)選擇滾動(dòng)軸承。 4.2 導(dǎo)軌直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的作用是用來(lái)支承和引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件按給定的方向作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)軌部件由運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌 （動(dòng)導(dǎo)軌）和支承導(dǎo)軌（靜導(dǎo)軌）組成。按摩擦性質(zhì)，導(dǎo)軌可分為滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌、 滾動(dòng)摩擦導(dǎo)軌、彈性摩擦導(dǎo)軌、流體摩擦導(dǎo)軌等四類(lèi)。表 3.3 中給出了給出了各類(lèi)導(dǎo)軌的對(duì)比。各類(lèi)導(dǎo)軌的比對(duì)表 3.3導(dǎo)軌名稱導(dǎo)向精度運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性承載能力耐磨性使用環(huán)境成本滑

10、動(dòng)導(dǎo)軌較高較好大差要求不高低滾動(dòng)導(dǎo)軌高較好較低較好要求較高較高液壓靜壓導(dǎo)軌高好較大好要求高高空氣靜壓導(dǎo)軌高好較低好要求高高根據(jù)設(shè)計(jì)要求， 需要承受的載荷不大， 定位精度高， 因此在該設(shè)計(jì)中選用 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌 。直線滾動(dòng)導(dǎo)軌具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊，安裝預(yù)緊方便等特點(diǎn)。經(jīng)計(jì)算，結(jié)合上銀科技股份有限公司 MGN系列導(dǎo)軌的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度和軌長(zhǎng)公式，選用其 MGN12C型號(hào)產(chǎn)品。4.3 絲桿電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過(guò)絲桿螺旋傳動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)。3.3.1 絲杠與螺母的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有六種（機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)2，P424）：絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母移動(dòng)；螺母轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠移動(dòng)；螺母固定，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)；絲杠固定，螺母

11、轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)；(5) 絲桿、螺母同是轉(zhuǎn)動(dòng)螺母移動(dòng)；圖： 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) 2， P424(6) 絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)絲桿及螺母 2 移動(dòng)；圖： 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) 2， P424對(duì)于臥式工作臺(tái)我們選擇第一種方案，即絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母移動(dòng)。按摩擦性質(zhì)可分為滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)和滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)兩種。滑動(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。滾珠絲杠就具有螺旋滾道的絲杠和螺母間充滿滾珠。 這些滾珠作為中間傳動(dòng)件，在螺母閉合的回路中循環(huán)滾動(dòng)， 使絲杠螺母副的運(yùn)動(dòng)由滑動(dòng)變成滾動(dòng)， 以減

12、小摩擦。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。故選用滾珠絲桿副。常見(jiàn)的滾動(dòng)絲杠支承方式有四種：1、“固定固定”型： K2=4適用于高轉(zhuǎn)速、 高精度的場(chǎng)合。 該形式兩端分別分別由一對(duì)軸承約束軸向和徑向自由度，負(fù)荷由兩組軸承副共同承擔(dān)。也可以使兩端的軸承副承受反 向預(yù)拉伸力，從而提高傳動(dòng)剛度。 在定位要求很高的場(chǎng)合， 甚至可以根據(jù)受力情況和絲杠熱變形趨勢(shì)精確設(shè)定目標(biāo)行程補(bǔ)償量， 進(jìn)一步提高定位精度?！肮潭ü潭ā毙陀袝r(shí)也被 片面地叫做 “雙推雙推”，實(shí)際上由于徑向力的存在幾乎很少能用兩個(gè)推力軸承作為固定端。 由于此形式結(jié)

13、構(gòu)較復(fù)雜， 調(diào)整較難， 因此一般僅在定位要求很高時(shí)采用。2、“固定游動(dòng)”型： K2=2適用于中轉(zhuǎn)速、高精度的場(chǎng)合。該形式一端由一對(duì)軸承約束軸向和徑向自由度，另一端由單個(gè)軸承約束徑向自由度，負(fù)荷由一對(duì)軸承副承擔(dān)，游動(dòng)的 單個(gè)軸承能防止懸臂撓度，并消化由熱變形產(chǎn)生的應(yīng)力。 “固定游動(dòng)”型有時(shí)也被片面地叫做“雙推支承” 。此形式結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，效果良好，應(yīng)用廣泛。3、“支承支承”型： K2=1適用于中轉(zhuǎn)速， 中精度的場(chǎng)合。 該形式兩端分別設(shè)一個(gè)軸承，分別承受徑向力和單方向的軸向力，隨負(fù)荷方向的變化，分別由兩個(gè)軸承單獨(dú)承擔(dān)某一 方向的力。由于支承點(diǎn)隨受力方向變化，定位可控性較低。此形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受力情況較

14、差，應(yīng)用較少。4、“固定自由”型： K2=0.25適用于低轉(zhuǎn)速， 中精度，軸向長(zhǎng)度短的場(chǎng)合。 該形式一端由一對(duì)軸承約束軸向和徑向自由度，另一端懸空呈自由狀態(tài)，負(fù)荷均由同一對(duì)軸承副承擔(dān)， 并且需克服絲杠回轉(zhuǎn)離心力（及水平安裝時(shí)的重力）造成的彎矩。 “固定自由”型有時(shí)也被錯(cuò)誤地叫做“雙推自由” 。此形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受力情況差，但在行程小、轉(zhuǎn)速低時(shí) 也經(jīng)常用到。比較四種支承方式，這里選擇第二種。成對(duì)軸承安裝方式有三種：（精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)P249）（1）（2）（3）（1）面對(duì)面（2）背對(duì)背（3）串聯(lián)此種安裝方式適用于較高精度及中等載荷的絲桿， 一端采用深溝球軸承， 一端采用一對(duì)背對(duì)背角接觸球軸承， 這樣

15、能夠承受集中力偶， 且支承端的軸向自由度可以釋放因工作時(shí)溫度升高而產(chǎn)生的軸伸量。4.4 支承件支承件是設(shè)備的基礎(chǔ)構(gòu)件，包括床身、橫梁、搖臂、底座、刀架、工作臺(tái)、箱體和升降臺(tái)等。這些件一般都比較大，所以也稱大件。支承件的種類(lèi)按構(gòu)造方式可分為：A.機(jī)座類(lèi)B.箱殼類(lèi)C.機(jī)架類(lèi) D.平板類(lèi)按結(jié)構(gòu)可分為：A.整體式B.裝配式4.4.2 典型車(chē)床類(lèi)床身（金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)P147）a）典型車(chē)床類(lèi)床身b）鏜床、龍門(mén)刨床等機(jī)床的床身c）大型和重型機(jī)床的床身提高剛度合理配置加強(qiáng)筋是提高局部剛度的有效方法（金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)P136）。支承件的材料工作臺(tái)工作臺(tái)最常見(jiàn)的是T 形槽。但是也可在工作面上可加工V 形、 U

16、形槽、燕尾槽、圓孔、長(zhǎng)孔等。燕尾槽T 形槽（ 1）工作臺(tái)與螺母座的聯(lián)接。螺母座與工作臺(tái)有兩種連接方式。 一種是剛性連接， 是結(jié)構(gòu)體三個(gè)力方向都受到約束。如鋼結(jié)構(gòu)中的焊接。另一種是柔性連接，在結(jié)構(gòu)中叫做鉸接，是結(jié)構(gòu)體 12個(gè)力方向受到約束。剛性連接不允許出現(xiàn)相對(duì)位移和轉(zhuǎn)角，也就是說(shuō)節(jié)點(diǎn)不考慮變形問(wèn)題； 柔性連接就是允許相互連接的構(gòu)件發(fā)生位移或轉(zhuǎn)角， 不限制某一方面的變形， 也就是說(shuō)允許出現(xiàn)變形， 或者說(shuō)我們希望他能夠變形。 剛性連接是焊接、螺栓連接等機(jī)械連接；柔性連接是鉸接、有彈簧隔振這些的連接。本設(shè)設(shè)計(jì)采用剛性聯(lián)接結(jié)構(gòu)，如圖4.2 所示。這種聯(lián)接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是牢固可靠。（ 2）工作臺(tái)本身的設(shè)計(jì)工

17、作臺(tái)用以安裝工件。如果工作態(tài)是不動(dòng)的，如搖臂鉆床的工作臺(tái)，可設(shè)計(jì)成封閉的箱型。 如果工作臺(tái)是運(yùn)動(dòng) ( 移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng) ) 的，則有一組導(dǎo)軌。 這類(lèi)工作臺(tái)的形狀有三種（金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì) P149）：A、箱形升降式，如牛頭刨床的工作臺(tái)；B、矩形，如銑床、磨床等的工作臺(tái)；C、圓形，如立式車(chē)床（又稱花盤(pán)）和齒輪加工機(jī)床的工作臺(tái)。本設(shè)計(jì)的工作臺(tái)是運(yùn)動(dòng)的。（ 3）工作臺(tái)筋條的布置對(duì)抗彎剛度的影響。（機(jī)床零件設(shè)計(jì)2 下 P1290 表 5,15-74 ）（ 1）工作平臺(tái)功能。按用途分為：檢驗(yàn)平板：適用于各種檢驗(yàn)工作， 精密測(cè)量用的基準(zhǔn)平面； 用于機(jī)床機(jī)械檢驗(yàn)測(cè)量基準(zhǔn)； 檢查零件的尺寸精度或形為偏差， 并作緊密劃

18、線， 在機(jī)械制造中也是不呆缺少的基本工具。劃線平板：用于機(jī)械、發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力實(shí)驗(yàn)，設(shè)備調(diào)試，具有較好的平面穩(wěn)定性和韌性，表面帶有 T 型槽，可以用來(lái)固定實(shí)驗(yàn)設(shè)備。鏜銑床平板： 主要用于機(jī)床加工工作平面使用， 上面有孔和 T 型槽，用來(lái)固定工件，和清理加工時(shí)產(chǎn)生的鐵屑。焊接平板：用來(lái)進(jìn)行工件的焊接工藝，和鉚焊平板不同，上面沒(méi)有孔，工作面為平面或 T 型槽。鉚焊平臺(tái)：用于鉚焊工藝的基礎(chǔ)平板， 工作面上有孔和 T 型槽，孔主要用來(lái)清理鉚焊時(shí)的一些鐵渣和焊接廢棄物， T 型槽主要是用來(lái)固定焊接件。測(cè)量平板、裝配平板、基礎(chǔ)平板、工作平板、三坐標(biāo)平板等。是檢驗(yàn)機(jī)械零件平面、平行度、直線度等形位公差的測(cè)量基礎(chǔ)

19、， 亦要用于一般零件精密零件的劃線、研磨工藝和測(cè)量等。 在工作臺(tái)中設(shè)計(jì)的 T 形槽不僅可以節(jié)約材料， 而且還加強(qiáng)了工作臺(tái)的強(qiáng)度。精度等級(jí)規(guī)格（長(zhǎng) ×寬）0 級(jí)1 級(jí)2 級(jí)3 級(jí)平面度公差200×20051020.5200×3005.51122300×3005.51122300×40061224400×4006.512.525400×5006.5132666400×60071427.570500×5006.8142868500×600714.228.571500×800815.53178

20、600×8008163280600×9008.316.533831000×75091836901000×10002040971000×120020.5411031000×150022451121000×200026521301500×200028561401500×3000701742000×3000741842000×4000882195.控制系統(tǒng)5.1 控制系統(tǒng)的選擇伺服系統(tǒng)分為以下幾類(lèi)：開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)系統(tǒng)只是根據(jù)輸入量和干擾量進(jìn)行控制， 而輸出端和輸入端之間不存在反饋回路，輸出量取

21、決于精密機(jī)械系統(tǒng)，而與控制系統(tǒng)無(wú)關(guān)。閉環(huán)伺服系統(tǒng)系統(tǒng)的輸出端和輸入端之間存在反饋回路， 在被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中， 測(cè)量環(huán)節(jié)不斷測(cè)出實(shí)際的輸出量并與給定量進(jìn)行比較， 然后用其差值進(jìn)行控制， 以獲取高精度。閉環(huán)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、 制造和調(diào)整都較復(fù)雜， 通常適用于高精度的精密機(jī)械系統(tǒng)。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)介于閉環(huán)系統(tǒng)和開(kāi)環(huán)系統(tǒng)之間， 用于精度要求不太高的情況下。檢測(cè)裝置不是安放在工作臺(tái)上， 而是裝在絲桿或電機(jī)軸的端部。 由于半閉環(huán)伺服系統(tǒng)比閉環(huán)伺服系統(tǒng)的環(huán)路短，因此較易獲得穩(wěn)定控制。在本設(shè)計(jì)中，只涉及到通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，絲桿傳動(dòng)的直線運(yùn)動(dòng)?？紤]到該設(shè)計(jì)的二維坐標(biāo)機(jī)械滑臺(tái)的定位精度要求不高， 載

22、荷不大，因此，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，提高性價(jià)比，該設(shè)計(jì)中采用步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。圖 4.1 開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)4.2 行程控制行程控制，就是當(dāng)運(yùn)動(dòng)部件到達(dá)一定行程位置時(shí)采用行程開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行控制。行程開(kāi)關(guān)是由裝在運(yùn)動(dòng)部件上的擋塊來(lái)撞動(dòng)的。行程開(kāi)關(guān)作用有兩個(gè)：（ 1）防止工作臺(tái)超過(guò)最大行程，使電機(jī)損壞。 （2）可以用與定位。所以這 4 個(gè)行程開(kāi)關(guān)就充當(dāng)了傳感器。圖 4.2 行程開(kāi)關(guān)工作示意圖圖 4.2 是行程開(kāi)關(guān)工作的簡(jiǎn)單示意圖。 行程開(kāi)關(guān) S1 和 S2 分別裝在導(dǎo)軌的起點(diǎn)和終點(diǎn)，由裝在工作臺(tái)上的擋塊來(lái)撞動(dòng)。工作臺(tái)由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)。工作臺(tái)在起點(diǎn)時(shí)，其上擋塊將起點(diǎn)行程開(kāi)關(guān) S1 壓下，將串接在反轉(zhuǎn)控

23、制電路中的常閉觸頭壓開(kāi)。這時(shí)電動(dòng)機(jī)不能反轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)工作臺(tái)前進(jìn)。當(dāng)工作臺(tái)到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，擋塊壓下行程開(kāi)關(guān) S2，將串接在正轉(zhuǎn)控制電路中的常開(kāi)觸頭壓開(kāi)，電動(dòng)機(jī)即停止正轉(zhuǎn)。參考文獻(xiàn)：1 機(jī)械工程手冊(cè)·機(jī)械零部件設(shè)計(jì) ,機(jī)械工業(yè)出版社 ,M,1997年 .P1-12P1-18,P6-3P6-32,P7-6P7-9,P8-5P8-52,P9-21P9-52.2 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)· 2 上,機(jī)械工業(yè)出版社 ,M,1980 年 8月 .P424P425,P457P464.3 機(jī)械設(shè)計(jì) ,許國(guó)忠、周玉林主編 ,中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社 ,M,2009 年 8 月.P1P5.4 精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) ,

24、天津大學(xué) 裘祖榮主編 ,機(jī)械工業(yè)出版社 ,M,2008 年 3月5 金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì) ,大連工學(xué)院 戴曙主編 ,機(jī)械工業(yè)出版社 ,M,1989 年 11月四、計(jì)算：本設(shè)計(jì)中，下層X(jué) 方向的負(fù)荷為 10Kg，而上層 Y 方向負(fù)荷僅 6Kg。1. 伺服電機(jī)的計(jì)算和選型1.1 根據(jù)定位精度要求確定脈沖當(dāng)量選擇步距角根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，初步選擇導(dǎo)程為5mm的絲桿；本系統(tǒng)中X、Y 方向的定位精度均為± 0.01mm，因此 X、Y 方向的脈沖當(dāng)量均取0.005mm/Hz。為步進(jìn)電機(jī)步距角為0.36 °；為脈沖當(dāng)量為 0.005mm/hz； i 為傳動(dòng)比；360 ，i=1iPB1.2 根據(jù)快速進(jìn)給

25、速度，確定電機(jī)的最高運(yùn)行頻率60 f maxvmax1000，vmax 為工作臺(tái)運(yùn)行最高速度（m/min）；fmax 為步進(jìn)電機(jī)最高運(yùn)行頻率（Hz）。代入工作臺(tái)最快進(jìn)給速度12m/min、脈沖當(dāng)量 0.005mm/Hz,計(jì)算得 f max =40 000Hz。1.3 根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩或阻力，選擇步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩T TaTl ， T 為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩（ Nm）； Ta 為慣性加速轉(zhuǎn)矩（ Nm）；Tl 為摩擦負(fù)載轉(zhuǎn)矩（ Nm）。計(jì)算 Ta(1)Y 軸方向上步進(jìn)電機(jī)總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算）、工作臺(tái)與負(fù)載的慣量：PB2J AJ A 為工作臺(tái)與負(fù)載的慣量；M2，M 為工作臺(tái)與負(fù)載的總質(zhì)量（ Kg ），初取 6Kg 。）、

26、滾珠絲桿慣量：J BBLBDB4，式中： JB 為滾珠絲桿的慣量；32B 為滾珠絲桿的密度， 7.90g cm3 ；LB 為滾珠絲桿總長(zhǎng)， 368mm；DB 為滾珠絲桿外徑， 20mm。折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的總慣量為：Jy JA JB（ 2） X 軸方向上步進(jìn)電機(jī)總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算X 方向?qū)к壣弦苿?dòng)部件的重量估算，M =10Kg。得 X 方向折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的總慣量為： J xJAJBTaJ( f nf0 ) 式中： f0、 fn 為加速開(kāi)始及終止時(shí)的脈沖頻率（Hz），57.3t，t 為加速過(guò)程時(shí)間 (s) ， tvmax0.133s ( 其中 a 是加速度 1.5 m s2) 。a已知 fn

27、=40 000Hz，取 f0 =2 000Hz，XY方向慣性加速轉(zhuǎn)矩分別為：Ta xJx( f nf0 )Ta y Jy( fnf0 )57.3t，57.3t1.3.2 計(jì)算 TiTl36(mFz)10 22式中： m 為工作臺(tái)及負(fù)載質(zhì)量（ Kg）；為摩擦系數(shù)，取 0.2 ；Fz 為垂直方向的切削分力，此處為0N；為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率，取0.80 。由此可計(jì)算 XY 方向的 Tix 、 fmax 。T2.導(dǎo)軌兩個(gè)方向上均采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式。2.1 靜負(fù)荷考慮最差的情況， 即垂直于工作臺(tái)面的工作載荷全部由一個(gè)滑塊承擔(dān)，則單滑塊需承受的最大垂直方向載荷為：Pmaxmg109.898 NC0P

28、fSL式中： C0 為基本靜額定負(fù)荷(N);P 為工作負(fù)荷 (N);fSL 為靜安全系數(shù)，此處取2.0 。2.2 額定壽命假定工作臺(tái)的工作壽命為 5 年，一年工作 300 天，每天工作 6 小時(shí)。因此，得到滾珠直線導(dǎo)軌的小時(shí)工作壽命為：Lh =5×300× 6=9000 小時(shí)L103Lh2nl60滾珠直線導(dǎo)軌的距離壽命為L(zhǎng)1080km 。式中： n 為移動(dòng)件每分鐘往復(fù)次數(shù)，取4；l 為行程 (m) 。2.3 動(dòng)負(fù)荷C3L50km，C=273NP2.4 導(dǎo)軌總長(zhǎng)度軌長(zhǎng) =有效行程 +滑塊間距 +滑塊長(zhǎng)度×滑塊數(shù)量 +兩端安全行程=250mm+20mm+34.7mm

29、× 2+30.6mm=370mm3. 絲桿3.1 精度查機(jī)械手冊(cè)可知，其單一導(dǎo)程變動(dòng)為 0.004mm，在任意 300mm行程的導(dǎo)程變動(dòng)為0.005mm。其軸向背隙為 0.005mm。3.2 滾珠絲桿導(dǎo)程 PBPBvmax，式中 : PB是滾珠絲桿導(dǎo)程 (mm)；Nmaxvmax 是工作臺(tái)最高進(jìn)給速度 (200mm/s)；Nmax 是步進(jìn)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速2400r/s 。3.3 滾珠絲桿總長(zhǎng)度滾珠絲桿總長(zhǎng)度 =行程 +螺帽長(zhǎng)度 +安全長(zhǎng)度 +肩部長(zhǎng)度=270mm+螺帽長(zhǎng)度 +20mm+62mm=332mm+螺帽長(zhǎng)度螺母長(zhǎng)度根據(jù)最后確定的型號(hào)計(jì)算。3.4平均負(fù)荷 Fbm 的計(jì)算FbmFbf p，取運(yùn)作條件系數(shù)f p =1.5。式中：Fbm 為平均操作負(fù)荷；Fb 為