检测工作台精密定位机械系统设计毕业论.doc

编号： 毕业设计(论文)说明书 题 目： 检测工作台精密定位检测工作台精密定位 机械系统设计机械系统设计 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械电子工程 学生姓名： 学 号： 姓 名： 职 称： 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2013 年 5 月 26 日 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 摘 要 随着科学技术不断进步，现代化高科技产品向着细小化、智能化、集成化发展， 因而微小零件在工业上需求越来越大，和对微小零件的质量要求也不断提高，所以对 微小零件的检测方法的探究越来越引起人们的注意。对零件精密测量是现代科技领域 最为关键和共性的基础技术之一，在尖端工业生产和科学研究中占有极其重要的地位。 其中在微小零件中，螺钉在我们日常生活中应用非常广，几乎所有的机械都有螺 钉；螺钉广泛应用于连接、固定等，具有重要的作用，是我们生活、生产中不可缺少 的一部分。所以螺钉的质量直接关系到与它相关的产品质量，从而对螺钉的检测就显 得越来越重要。 光电测量以其非接触、高精度和快速性等特点广泛应用于各种测量。对微小零件 的外形尺寸进行光电自动检测，需要对微小零件进行精密定位，其定位精度直接决定 了检测精度、检测速度和自动化程度。 本文主要研究基于光电开关技术下对螺钉在工作台上的定位，从而实现对螺钉外 形尺寸光电自动检测。在本文中，首先，依据零件在工作台上的功能要求，分析情况， 选出符合要求的机构方案；接着对所选的方案进行机械系统设计，包括导轨、电机、 丝杆、轴承、机械手等选择；最后对系统的控制系统进行分析。 关键词：检测；机械设计；步进电机；控制 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 Abstract With the constant progress of science and technology, modern high-tech products turn towards small, intelligent, integrated development. Therefore, the small parts demand is bigger and bigger in industry, and the quality for small parts is also required to improve constantly. So people take more and more attention to the research of testing method on small parts. Precision measurement for the parts is one of the key and common foundation technologies in modern science, and it occupies an extremely important position in industrial production and scientific research. Among the small parts，the screw is widely used in our daily life. You can see the screws in almost all the machinery. The screw is widely used in connection, fixing and it likes. It is an indispensable part in our life and production. So the screw quality is directly related to the quality of the products associated with it，then the detection for the screw becomes more and more important. Photoelectric measurement is widely used in all kinds of measurements with its non- contact, high precision and rapidity characteristics. The photoelectric automatic detection for the dimension of small parts needs the precision positioning of tiny parts, and Its positioning accuracy directly determines the detecting precision, speed and the degree of automation. This paper mainly studies the location for the screw on the workbench, which is based on the photoelectric switch technology, so it can realize the photoelectric automatic detection for the screw dimension. In this article, firstly，the institutional programs that meets the requirements must be select out according to the functional requirements of parts on the table and the analyzing the situation. And then the mechanical system selected should be designed, including its selecting guide rail, motor, wire rod, bearings, manipulator, etc. Finally, the control system will be analyzed. Key words: Detection；Mechanical design；Stepper motor；Control 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 目 录 1 引言1 1.1 课题研究的背景1 1.2 课题研究目的和意义1 1.3 研究的任务2 2 总体方案选择2 2.1 机械部分总方案2 2.2 控制部分的总方案3 2.2.1PLC 特点.3 2.2.2 单片机特点4 2.2.3 方案选用.4 2.3 送料机构方案选择4 2.4 夹具机构选择5 2.4.1 方案选择.5 2.4.2 材料选择.9 3 机械系统设计10 3.1 工作台面外形设计11 3.2 导轨选择12 3.3 丝杠选择、计算16 3.3.1 丝杆选择.16 3.3.2 滚珠丝杠计算17 3.4 电机选择18 3.4.1 电机类型.18 3.4.2 工作台电机选择19 3.4.3 出料机构电机选择.22 3.4.5 夹具机构的电机选择.23 3.5 联轴器的选用24 3.6 轴承选择24 3.7 机械手设计25 4 控制系统分析27 4.1 单片机选择.28 4.2 控制过程30 5 结论31 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 谢辞32 参考文献33 附录34 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 35 页 1 引言 随着科学技术的高速发展,在航天技术、计量科学技术、微电子工程、精密工程、 生物工程、光学与光电子工程、纳米科学与技术等领域中,仪器和设备越来越细小化、 智能化,对微小零件的检测要求越来越高，因此要求在线检测平台对零件的精密定位要 求越来越高，以实现在线自动检测。 本章从现在国内外对零件的检测情况入手，分别主要介绍现在工业上对微小零件 的检测发展概况和本课题研究的内容和意义。 1.1 课题研究的背景 产品的质量检测是工业生产的一个重要的一个环节，检测的效率和质量直接影响 到公司的效益和产品的最终质量。当今世界，提高检测效率已成为制造业面临的一个 重大课题，检测技术也随之掀起了不断革新的浪潮。在这种注重自动高速精确检测的 创新前提下，对测量仪器行业也提出了更高的要求，即量仪产品必须实现高速、高精 度和系统化，而且必须与自动化产业的发展相对应，同时应进一步提高对产品的质量 检测。 比如在过去，一些零配件尺寸的检测，很多产品的质量检测都是靠人工来完成， 所以在过去工厂的生产流水线需要数以百计的检测工人，这样的检测方法给工厂增加 了工人的劳务成本和管理成本，但是仍然无法保证 100%地选择出次品率。 当前，制造业省人化、自动化趋势进展迅猛异常，生产的效率原来越高，对于用 传统的检测方法来检测零件，尤其是微小的零件，由于零件的外形和尺寸都很小，很 难用人工进行检测，再加上效率和效益底下，因此这已经远远不能达到生产的要求。 因此，越来越需要研究出一些快速而又准确的方法来对微小零件的质量进程检测。所 以，本课题是基于在精密工作台上对螺钉进行精确定位，以实现对小螺钉小零件的外 形进行检测。 1.2 课题研究目的和意义 目前,国内大多数螺钉生产企业还只能采用抽检方式对螺钉进行尺寸检测 , 即抽取 部分螺钉用卡尺或光学放大仪测量其尺寸。对于有全检要求的螺钉，企业不得不使用 大量人力进行手工筛选。对于大批量生产、尺寸较小的螺钉,人工检测相当困难和繁琐， 耗时费力,且存在许多技术漏洞,检测精度不高, 难以保证螺纹质量。 随着定位技术的飞速发展，目前国内外有很多精密的微动平台，如压电式的微动 平台、xyz 三自由度精密工作台、柔性铰链式二维微动平台。其中，在这些精密工作台 中，有相当一部分就是采用精密丝杆进行传动、用光栅或压电式进行精密定位。 针对螺钉尺寸检测现状，我们探讨在利用这些精密工作台能实现精密定位的基本 功能上，在利用光电开关、单片机系统等一些工具实现自动化光电非接触式螺钉在线 检测系统。该系统采样精密丝杆进行传动，利用光电开关进行对螺钉零件的定位；在 检测中该系统将才 CCD 和数字图像处理技术应用于螺钉的大批量检测,对螺钉的各个 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 35 页 尺寸参数进行自动在线测量,并根据预先设定的各参数检验合格标准,自动完成对螺钉的 在线筛选, 并统计出检测数量、不合格数、合格率等检测数据。该检测技术不仅可实现 螺钉的在线检测, 而且测量速度快，精度高，代表了螺纹检测的发展方向,具有广阔的 发展和应用空间。 1.3 研究的任务 对零件实现检测，那么工作台具有精密传动和准确定位是实现对零件精密定位的 关键部分，所以本设计旨在探求主要内容有： （1）课题的调研、资料的获取、有关知识的准备等，了解检测工作台精密定位的 基本知识； （2） 了解检测工作台精密定位系统基本构成，选取合适的运动机构和控制方案； （3）学习 Solidworks 或 PRO/E 三维软件，掌握三维建模技术，对检测工作台精 密定位系统进行建模； （4）了解和掌握检测工作台精密定位系统控制电路，并进行分析。 2 总体方案选择 本设计的工作台要能实现检测功能，要具备对零件实现精密定位的性质，所以该 系统中既要有工作台的基本部分，包括电机、丝杆、导轨、联轴器、轴承等；同时也 要有能实现定位功能的控制部分，它可以是基于 PLC 为核心的控制，也可以是基于单 片机下控制系统，由于系统要能实现定位，所以必须还要有光电开关和行程开关；考 虑到这是一个完整的系统，那么就必须有送料机构和出料机构以及在对螺钉检测中实 现对螺钉进行固定的机构以便实现精密的检测。 2.1 机械部分总方案 综合该检测工作台精密定位机械系统的总体要求，可以初步得到该系统机械部分 的基本构成为： 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 35 页 图 2-1 机械总方案 注释：工作台上是有夹紧螺钉的夹具机构 该系统的执行步序如下： （1）工作台向右运到行程开关处，由于行程开关的作用，工作台停止在此处； （2）由送料机构送料螺钉，螺钉在进入工作台上的夹紧机构，此时夹紧机构动作， 把螺钉固定住； （3）接下来就是步进电机运动，在丝杆的传动下，工作台面进行向左运动，当运 动到光电开关处，由于光电开关作用，工作台停止下来； （4）CCD 检测镜头对螺钉进行拍照和数据传输给后续计算机进行比较，比较完 之后，给出螺钉质量检测结果的信号，从而在此驱动步进电机，使得工作台向左运动； （5）工作台向左运动到行程开关处，就会停下来，那么此时出料机构开始工作， 把检测好的螺钉按照质量的好坏给拿走到具体的收集箱中； （6）在螺钉被拿走之步进电机再次得到向右的信号，使工作台向右运动到右边的 行程开关处，从而实现一次工作循环。 2.2 控制部分的总方案 该检测工作台精密定位系统的控制部分可以是 PLC 为核心下的控制，也可以是单 片机为核心下的控制。PLC 和单片机的控制各有其特点。 2.2.1 PLC 特点 PLC，又 Programmable Logic Controller 的简称，就是可编程逻辑控制器，PLC 是 一种数字运算操作的电子系统，广泛应用于现代化工业控制。它采用可编制程序的存 储器，用来存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等一系列操作的指 令，而且还可以以数字或模拟的方式输入和输出，控制各类机械运动或生产过程； PLC 具有： （1）可靠性高，抗干扰能力强：采用 LSI，开关是无触点的，并且硬继电器采用机 械触点开关，可靠程度无法比拟，具有软硬件抗干扰措施。 （2）编程软件，简单易学：从清晰直观的继电器控制线路演化过来的梯形图程序容 易学易懂易修改，深受电器工作人员的欢迎。 （3）适应性好，具有柔性：当生产工艺或设备改变时，不必要改变硬设备，只需改 变相应的软件或编程就可满足新的控制要求。产品现在已标准化、系列化和模块化， 可以适应不同的控制要求。PLC 是工业控制领域中的一种通用控制器。 （4）功能完善，接口多样：除基本单元外，还可选配各种特殊适配器，满足不同的 需要，如数字量/模拟量输入输出，定时计数， A / D 与 DA 转换，数据处理，通信 联网等功能。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 35 页 （5）易于操作，维护方便。 安装方便：具有 DIN 标准导轨安装用卡扣。 连接方便：具有输入/输出端子排，只要用螺丝刀就可以与不同的控制设备连接。 调试方便：输入信号可用开关来模拟，输出信号可观察面板发光二极管。 维护方便：完善的自诊断功能和运行故障指示装置 （6）体积小、重量轻、功耗低：产品结构紧凑、体积小、重量轻、功耗低。 如 FX1S20MT 型 PLC：外形尺寸：75mm90mm87mm，重量：400g，功耗： 20W 2.2.2 单片机特点 单片机是集成在一个芯片内的计算机系统，它具有计算机的全部功能。 单片机具有： （1）小巧灵活、成本低、易于产品化，它能方便地组装成各种智能式控制设备以 及各种智能仪表。 （2）具有面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，从而实现获 得最佳性价比。 （3）抗干扰能力强，适应温度范围宽，在各种恶劣条件下都能可靠地工作，这是 其它机型所无法比拟的。 （4）可以很方便地实现多机和分布式控制，使整个系统的效率和可靠性大为提高 2.2.3 方案选用 PLC 可编程逻辑控制器，语言简单，可图形编程，多用于大功率电器的工作，如 电梯，大型户外广告灯、工业上大型控制等。 单片机是小型中央处理器，可用汇编或 C 语言编程，可扩展性好，可以做各种微 型，智能控制，各种智能电器都有单片机的身影。 综合 PLC 和单片机各自的特点和使用范围，可以知道，在实现控制上，用这两个 都能实现。但在这里考虑到本设计的微小性、小功率性，同时为了节省成本，可以选 用单片机来控制。 2.3 送料机构方案选择 现在工业上送料机构多种多样，有转盘式、传送带式、机械手式等。它们各有各 的特点，一般来说传送带式多用于那些外形比较对称的方块状的零件，因为这些零件 在传送带上由于摩擦力的原因一直保持相对静止的状态、不会发生翻滚地向目标送料； 而机械手式送料机构一般用在零件的外形比较特别，不能用常规的方式来传输的零件。 这里的送料机构是要实现对外形不匀称、在传送带上会发生翻滚的螺钉的传送， 所以一般情况下可以考虑用机械手进行送料，但考虑到机构的复杂性和成本性，可以 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 35 页 对螺钉进行分析，找出其外形结构特点，设计一种特殊的机构来进行送料。 图 2-2 检测的螺钉 假设如图 2-2 所示的为要检测的螺钉，它的外形是可以发生滚动的，就可以利用 它在重力作用下会发生滚动，从而实现送料；同时考虑到螺钉的两头大小不一样和在 滚动中螺钉不会发生方向性的偏移，那么就要设计的机构就要对这些方面进行充分的 考虑。 图 2-3 送料机构模型 图 2-4 送料机构尺寸 该送料机构如图 2-3、图 2-4 中设计它与水平方向夹角为 20 ，那么螺钉就会由于 重力的作用向下滑落到指定的地方；考虑到螺钉的速度不能太大以至于难以控制它的 稳定性，所以在设计该斜板与水平方向夹角不能太大，一般在 10-25 度之间为宜，同 时与螺钉接触的板面应该有一定的摩擦，这样就能保证螺钉能准确到达预定的位置。 （其中 d 应该比螺钉的长度稍长，h 比螺钉头尺寸稍大，a 比螺钉头的厚度也要稍 大一点） 2.4 夹具机构选择 2.4.1 方案选择 在现代加工或者检测中，无论是在传统制造业还是现代柔性制造系统中或者是现 代化自动在线检测中，都需要夹具。夹具设计在检测系统中就显得非常重要,它直接影 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 35 页 响检测质量，检测效率和检测成本。在一个检测系统中,夹具设计制造的费用占到整个 系统费用的 10-15%夹具在单件、成批、大量生产中得到了广泛的应用，它是在检测过 程中根据设计说明书，在合理的位置定位和牢固装夹零件，从而完成所要求检测过程 的一种装置。 在现代夹具中，按照原理和结构都有创新的柔性夹具可分为：真相或伪相变式柔 性夹具、适应性夹具、模块化程控式夹具。 在传统夹具中又可分为可调整夹具(adjustable fixtures)和组合夹具(modular fixture)。 可调整夹具包括通用可调整夹具和专用的可调整夹具，在后者中主要是以成组技术(GT)为 技术工具。 在本设计中，由于零件时比较微小的,外形也比较特殊；所以针对螺钉可以自行设 计一个简单而又能实现装夹功能的夹具；考虑到螺钉的外形和送料机构的特点，很容 易就可以得到夹具的底部的部分为图 2-5 图 2-5 夹具底部 依据送料机构容易得到夹具底部的面 的夹角应该与送料机构的夹角相一致，所以 得到夹角 =20 ，槽 p 的尺寸与送料机构的板上的槽的尺寸相一致。 该夹具底部实现了把送来的螺钉进行初步的定位，要把螺钉固定不动，必须要继 续找一个机构来实现对螺钉进行压住。那么很容易可以知道，这个机构必须实现上下 运动就可以啦，这样结合机械原理里的知识，能实现上下运动的机构很多，但经常使 用的就是连杆机构和凸轮机构。 平面连杆机构具有以下传动特点： （）连杆机构中一般均为低副，低副两元素为面接触，在承受同样载荷的条件 下 压强较低，承载能力较大，润滑好，磨损小，因而可用来传递较大的动力；又由于低 副元素的几何形状比较简单（如平面、圆柱面） ，故容易制造加工。 （）构件运动形式具有多样性。连杆机构中既有绕定轴转动的曲柄，绕定轴往 复摆动的摇杆，又有作平面一般运动的连杆、作往复直线移动的滑块等，利用连杆机 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 7 页 共 35 页 构可以获得各种形式的运动，这在工程实际中具有重要价值。 （）在主动件运动规律不变的情况下，只要改变连杆机构各构件的相对长度， 从而从动件可以实现不同的运动规律和运动要求。 （）连杆曲线具有多样性。连杆机构中的连杆，可以看作是在所有方向上无限 扩展的一个平面，该平面称为连杆平面。在机构的运动过程中，固接在连杆平面上的 各点，将描绘出各种不同形状的曲线。 连杆机构存在的一些缺点为： （1）由于连杆机构的运动必须经过中间构件的传递，将会造成传递路线较长，容 易产生较大的误差积累，同时也会降低机械传递效率； （2）连杆机构中，连杆及滑块所产生的惯性力难以用一般的平衡方法加以消除， 所以连杆机构不宜用在高速运动中。 结合上面夹具底部的数据和特征，结合连杆机构中的知识我们可以得到通过改变 运动副的尺寸得到一个偏心轮机构，如图 2-6 图 2-6 夹板机构 在图 2-6 中，通过偏心轮的运动，可以实现外边的矩形框的上下运动，再在矩形 框的下面加上一个形如夹具底部形状的压板，那么矩形框的上下运动就可以实现对螺 钉的压紧和松开，从而实现对螺钉的固定以便检查和螺钉松开以便取走螺钉，从而进 行下一次循环检查螺钉。 通过对图 2-6 机构的分析以及结合图 2-5 夹具底部的分析，那么运用三维软件 solid works 进行建模可以得到夹具的三维模型为图 2-7。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 8 页 共 35 页 图 2-7 夹具机构模型 1 凸轮机构是由具有曲线轮廓或凹槽的构件，通过高副接触带动从动件从而实现预 期运动规律的一种机构，凸轮机构广泛地应用于各种机械，特别是自动机械、自动控 制装置和装配生产线中，是工程实际中用于实现机械化和自动化的一种常用机构。按 照凸轮的形状分为盘形凸轮、圆柱凸轮；按推杆的形状分为尖顶凸轮、滚子凸轮、平 底凸轮。凸轮机构具有的特点： 凸轮机构具有极少的活动构件，并且构件占据的空间也比较小，是一种结构十分 简单、紧凑的机构。凸轮机构实在的特征就是它具有多用性和灵活性，从动件的运动 规律取决于凸轮轮廓曲线的形状，只要适当地设计凸轮的轮廓曲线，就可以使从动件 获得各种预期的运动规律。几乎对于任意要求的从动件的运动规律，都可以毫无困难 地设计出凸轮廓线来实现，是这种机构的最大优点。 凸轮机构的缺点在于：凸轮廓线与从动件之间是点或线接触的高副，易于磨损， 所以多用在传动力不是很大的场合中。 综合上面夹具底部的数据和特征，我们在结合凸轮中的知识，可以容易得到对心 直动尖顶盘形凸轮就可以满足上下运动的要求。在这里选择尖顶推杆作为从动件，虽 然尖顶推杆在一定程度上存在磨损，但是由于这里的整个机构都是受力很小，那么在 小的受力下，这种凸轮机构是可以采用的。然后采用 solid works 进行三维建模，可以 得到图 2-8 的模型： 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 9 页 共 35 页 图 2-8 夹具机构模型 2 因此本设计中的夹具有两种方案，方案一为演化的连杆机构，方案二为凸轮机构。 方案一中的机构虽然可以实现上下运动，但它的外形尺寸相对比较大，还有它与 夹具底部的机构是在同一直线上，那么它就会很可能在检测中会发生于送料机构或 CCD 检测头发生相碰，从而造成仪器的损坏； 方案二中，凸轮机构机构简单，体积小并能实现把回转运动变成往复直线运动， 虽然存在一定的摩擦而造成的磨损，但在这里的机构中由于是低载荷，所以磨损小， 在这里机构中考虑的整个系统都是微型的，同时不会发生于送料机构和 CCD 检测头相 碰，所以在本设计中，可以采用凸轮机构。 综合分析可得应该选择方案二的凸轮机构，既能实现所要求的动作，又能减少机 构的体积。 2.4.2 材料选择 本系统是用来检测螺钉，那么再对零件螺钉的定位上采用了对射式光电开关，也 就是利用螺钉是否挡住光电开关发射出来的光线来判别螺钉是否到达预定的位置，从 而得到电路的通断的信号以来实现对电机工作的控制，那么又与系统具有这一特性， 那么在这里选择的夹具机构就必须是透明的，不能挡住光电开关的光线，所以可得到 该夹具机构的材料（夹具底部和运动部分的凸轮、压板）可选投光的材料。 按照材料的透光率大小，可以透光材料其分为： 透明材料：波长 400nm-800 nm 可见光的透光率在 80%以上； 半透明材料：400 nm -800 nm 可见光的透光率在 50%-80%之间； 不透明材料：400 nm -800 nm 可见光的折射率在 50%以下。 依据上述透光材料的分类，可以将树脂分为透明性树脂，主要包括 PMMA、PC、PS、PET、PES、J.D 系列、CR-39、SAN(又称 AS)、 TPX、HEMA、BS（又称 K 树脂）等；半透明树脂：PP、PA；不透明树脂： ABS、POM、PTFE、PF 等。 由于系统性能的需要，在这里夹具机构的材料明显要选透明树脂。而在我们日常 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 10 页 共 35 页 生活中比较常用的热塑树脂 PMMA 树脂、PC 树脂、PS 树脂、PET 树脂，它们的特性 为表 2-1： 表表 2-1 透光材料比较透光材料比较 名称特性用途 PMM 树脂 透光性好，可透过 9996 以上的太阳光，着色性佳。 有一定的强度，比普通玻璃高 78 倍。耐紫外线及大气 老化，耐腐蚀，电绝缘性好，可在-60100下使用。在 一定条件下尺寸稳定，容易成型。缺点：质较脆，易溶于 有机溶剂中，作为透光材料，表面硬度不够，易擦伤起毛 透明件，装饰件 PC 树脂 综合性能优良，突出的抗冲击强度和抗蠕变性， 在 这方面是热甥性塑料中最优异的；可在 -60120温度 内长期使用，吸水性低，尺寸稳定性好，成型收缩率低； 电绝缘性优良，无色透明，着色性佳。但自润滑性差， 耐磨性低于尼龙，不耐碱、酮、胺及芳香烃，有应力开裂 倾向 仪器仪表零件，耐 冲击件，透 明件， 绝缘件 PS 树脂 无色透明， 透光率仅次于有机玻璃，着色性好；有 一定的机械强度，耐水及耐化学腐蚀性能好， 能耐强酸 强碱； 电绝缘性优良，尤其是高频绝缘性。易于成型， 价格低廉。但质脆而硬，不耐冲击，耐热性低（ 80 ） ， 耐有机溶剂性较差 高频绝缘件、透明 件、装饰件、耐腐 蚀件 PET 树脂 具有突出的耐磨性，可与尼龙、聚甲醛比美，韧性与聚 甲醛相似，抗蠕变，刚性和尺寸稳定性也很高，电性能良 好， 线胀系数小，吸湿性低，耐老化，长期使用温度为- 40120；可耐稀酸、 漂白粉、有机溶剂及石油产品， 但不耐碱和热水。缺点是冲击韧度和热强度差。一般用玻 璃纤维增强后使用 减摩耐磨零件，绝 缘件，薄膜。用玻 纤增强的线型聚酯 可作高温（ H 级） 高强度绝缘材料 由表中可知，PC 树脂（聚碳酸酯）具有良好的机械性能和透光性，价格也比较低， 所以机构材料选用 PC 树脂。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 11 页 共 35 页 3 机械系统设计 为了保证所设计的系统能够安全可靠的工作，那么在零件设计过程中就要满足它 的一些要求： (1) 满足使用功能要求：零件的设计首先是能够按照预期的技术要求顺利地执行机 械的全部功能；其次是能在预定的寿命期限内可靠地工作但又不发生被破坏，不致因 过度的磨损或产生过度的变形而导致机械系统的失效，也不会因机械的运转不准确， 以及强烈的冲击振动等而从而影响机械的正常工作质量。 (2) 满足经济性要求：机械的经济性是指在设计、制造上要求上成本要低、制造周 期要短；在使用上要求生产率要高，效率好，适应使用范围要大；能源和辅助材料消 耗少，操作方便；以及维护费用低廉等。 (3) 满足工艺性要求：零件的工艺性要求是指在不影响机械工作性能的前提下，应 使机械的结构尽可能简化，选用最简单合理的机构组合方案，尽量采用标准的零部件， 并要求制造装配的劳动量最少，装拆维修方便。 (4) 满足劳动保护和环境的要求：劳动保护是指机械操作的安全性，要最大限度地 减少工人操作时的体力和脑力消耗，改善操作者的工作条件，降低噪声等，同时要把 环境保护提高到一个重要的位置，改善机械及操作者周围的环境条件，如防止有毒、 有害的介质渗漏及对废水、废气和废液进行有效的治理以满足环境保护法提出对环境 的要求。 (5) 满足其他专用特殊要求：有些机械各自还有本身的特殊要求，如航空航天产品 要求重量轻，经常搬动的机械要便于拆、装和运输等。 针对机械设计中的要求，在本章中对设计的零件，如工作台面、导轨、丝杆、电 机、联轴器、轴承等系统中关键的零件进行设计。 3.1 工作台面外形设计 图 3-1 检测螺钉 该系统是要求对微小零件进行定位以便进行光电自动检测，在此假设以 M530 的 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 12 页 共 35 页 圆头螺钉（图 3-1）为检测对象进行设计的系统。 由于要检测的零件时微小的，要求的测量为比较精密，因此整个工作台的机构也 是比较细小；再考虑到检测零件时是全自动的过程，所以在设计工作台的尺寸是要加 上进料和出料所要占据的空间，综合可以取工作台的尺寸为 150（长）150（宽） 5（厚） ，在整个工作流程中的有效行程为 100mm。 重量：按重量=体积材料比重估算 3 cm/g8 . 7 m=15015057.8=877.5g=0.8775kg 3 10 8.8N 工作台面上考虑到上面有夹具部分以及后面的导轨滑块和丝杆底座的一些零件相 连，所以面板上应该有相对应的螺钉孔或螺纹孔，因此得到工作台面的外形为： 图 3-2 工作台台面 3.2 导轨选择 工作台的直线导向是由导轨来实现的,导轨的主要作用是支撑和引导工作台面运动 部件沿着一定的轨迹运动,这是工作台实现直线轨迹运动的基础,因此导轨的质量直接影 响工作台的精度,是工作台实现精确定位的一个重要部分。在我们日常中常用的导轨副 有普通滑动导轨、滚动导轨、静压导轨、动压导轨等。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 13 页 共 35 页 表表 3-2 各种导轨的对比各种导轨的对比 特性 名称 导向 精度 运动平 稳性 承载 能力 耐磨 性 使用 环境 成 本 适用范围 滑动导 轨 较高 较 好 大差 要求 不高 低 普通机床、冶金设备 上应用普遍 滚动导 轨 高 较 好 较低较好 要求 较高 较 高 各类精密机床、数控 机床纺织机械 液体静压 导轨 高好较大好 要求 高 高 各种大型、重型机床、 精密机床 空气静压 导轨 高好较低好 要求 高 高 精密、轻载、高速机 械 由于滚动导轨具有如下特性： (1)导轨的定位精度高，可重现性好 直线导轨平滑的滚动运动方式，摩擦系数特别小，尤其静摩擦力与动摩擦力的差距很 小，即使在微量进给时也不会有空转打滑的现象，解析能力与重现性最佳，因此可以 实现 m 级的定位精度。 (2)低摩擦阻力，可长时间维持精度 直线导轨的滚动摩擦阻力可减小至滑动导轨摩擦阻力的 1/20-1/40，尤其润滑结构简单， 润滑容易，润滑效果优良，摩擦接触面的磨耗最低，因此可以长时间维持行走精度。 (3) 可承受四个方向的高负荷能力 几何力学结构的优化设计，可同时承受径向、反径向与横方向的负荷，并保持其行走 精度，同时可轻易地藉由施于预压与增加滑块数量，就可以提高其刚性与负荷能力。 由施于预压与增加滑块数量，就可以提高其刚性与负荷能力。 (4) 适合高速化之应用 摩擦阻力小的特性，对设备的驱动马力需求低，节省能源效果大，尤其运动磨耗小， 温升效应低，可同时实现机械小型化与高速化的需求。 (5) 组装容易并具互换之特性 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 14 页 共 35 页 滚动导轨的互换之特性，可以将滑块任意配装在同型号的导轨上，同时又保持相同的 顺畅度与精密度，机台组装最容易，维修保养最简便。 所以 滚动导轨广泛用于各类精密机床、数控机床纺织机械等。 再结合机械手册 可选择决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构 紧凑、安装预紧方便等优点。 图 3-3 导轨受力分析 导轨为水平安装、卧式导轨、滑块座移动、工作台质量均匀分布，重心在中间， 其受力情况如图 3-3 所示，G 工作台面和导轨滑块的总重量 ，初步设其为 20N，外力 F 的作用点和工作台重心重合，工作台为匀速运动或静止。 因为工作台在工作时受到外力 F 的冲击很小，因此 F20N，所以有 +F=5+20=25NGFFFF 4 1 4321 所以最大工作载荷为：Fmax=25N 取安全系数为：，则基本动载荷=254=100N4.0 sL f 0 C 可以初选微型直线滚动导轨副的型号：MSC 7M 其额定动载荷 Ca=0.94N，额定静载荷 C0a=1.28kN； 工作台面的尺寸为150mm150mm，行程为100mm，选导轨的长度要有一定的余量， 因此可选导轨的长度为300mm，查表有 MSC 7M 得一些参数为： 表表3-3 导轨参数导轨参数 导轨尺寸基本额定负荷容许静力矩重量 Mp N-m MY N-m 型号 宽度 W1 高 度 H1 节 距 P E Std. 动负荷 C kN 静载荷 C0 kN单单 MB N-m 滑块 g 导轨 Kg/m MSC 7M 70-0.054.71550.941.282.62.64.7130.22 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 15 页 共 35 页 MSC 系列微型导轨具有的特性为： 图 3-4 导轨特点 MSC 不锈钢系列直线导轨采用 2 列歌德圆弧接触式及 45 接触角的钢珠设计 （如图 3-4） ，提供径向、反径向及横方向四方向的相同额定负荷能力，无论 X、Y、Z 等轴的各种安装方式都可以使用。超小型化与低摩擦阻力的设计，适合小型化设备使 用。配合润滑油路设计，能够均匀的将润滑油脂注入每个循环回路，无论那种安装方 式都可以获得最佳的润滑效果，并且提升整体的行走顺畅度与使用寿命，实现高精度、 高可靠度及平滑稳定的直线运动需求。 （1）钢珠钢丝保持器设计：具有钢珠钢丝保持器设计，可有效防止钢珠不当脱落。 （2）导轨行走顺畅度佳：噪音低简单圆滑的钢珠回流路径设计，并采用耐冲击的 强化合成树脂之钢珠循环配件，运转顺畅度佳，噪音度低。 （3）导轨具很好的互换性：在严密的制造精度管控下，尺寸能够维持在稳定的公 差内，所以对于互换型直线导轨，组装时可将滑块任意配装在同型号的导轨上，并且 保持其相同的顺畅度、预压及精度，组装与维修最容易 选取的 MSC 7M 型导轨副的相关参数： 滚道硬度为 HRC60，工作温度不超过 100，每根导轨上配有两只滑块，精度为 3 级， 工作速度较低，载荷很小。 查表机械手册，分别取硬度系数=1.0，温度系数=1.00，接触系数=0.81，精度 H f T f C f 系数=0.9， 载荷系数=1.5，代入，得距离寿命 R f W f （3-1）50) ff ( 3 max F C f f L a W RCH 所以 L=294374km，远大于期望值 50km，故距离额定寿命满足要求。 导轨润滑 使用直线导轨时进行良好的润滑是非常必要的，如果导轨没有得到充分的润滑， 运作时滚动体与滚动面之间的摩擦会增加，并有可能成为寿命缩短的主要原因。 保证 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 16 页 共 35 页 导轨的良好的润滑，是减少导轨的摩擦和磨损的一个有效措施。 选择导轨润滑油的主要原则是载荷越大、速度越低，则油的粘度应越大；垂直导轨的 润滑油粘度，应比水平导轨的润滑油的粘度大些。在工作温度变化时，润滑油的粘度 变化要小。润滑油应具有良好的润滑性能和足够的油膜强度，不侵蚀机件，油中的杂 质应尽量少。对于精密机械中的导轨，应根据使用条件和性能特点来选择润滑油，常 用的润滑油有机油、矿物油、精密机床液压导轨油和变压器油等。还有少数精密导轨， 选用润滑脂进行润滑。 在这里由于系统的运动速度不是很快，同时考虑到润滑的经济性，所以在这里可 以选择用专用的导轨油进行润滑，润滑的方法为手工定时润滑，依据该厂家产品的特 性，润滑油的粘度选择在 30-150cst。 其中：cst 数值指的是 100 摄氏度时该油的运动粘度 3.3 丝杠选择、计算 3.3.1 丝杆选择 这里的传动为电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，从而实现 工作台的来回运动，因此有滑动螺旋和滚珠螺旋。 滑动螺旋的特点： 结构简单，加工方便；易于实现逆行程自锁，工作安全可靠；摩擦阻力大， 传动效率低；容易磨损，轴向刚度较差。 滚动螺旋的特点： 摩擦阻力小，传动效率高；磨损小、寿命长、工作可靠性好；具有运动的 可逆性，应设防逆动装置；轴向刚度较高，抗冲击性能较差；结构复杂，加工制 造较难；预紧后得到很高的定位精度（约达 5um/300）和重复定位精度（可达 12um） 。 本设计是细小精密机械，要求效率和精度相对来说较高，因此选用滚动螺旋较佳， 先考虑用滚珠丝杆副传动。 滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这 是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑 动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。 为保证工作台可靠稳定的运行和要求的精度，丝杠应满足以下条件 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 17 页 共 35 页 图 3-5 丝杆机构 1.具有足够的刚度，力变形要小。仪器和工件的重量及支撑的自重会引起 的变形，被测件的质量的改变会引起载荷力的变形。 2.稳定性好，内应力变形小。由于材料的内应力会造成丝杠的缓慢的变形。选择材 料时一定要进行时效处理，消除内应力，减小力变形，提高精度。 3.热变形要小，对于尺寸较大，精度要求较高的仪器，热变形是造成误差的一个重 要因素。如对于较长的丝杠来说，温度变形会引起凸凹的变形。 4.有良好的抗震性。在精密和超紧密的测量中，震动的测量不可忽略的，它不仅造 成整机的晃动还可能造成零件与部件之间相互位置变动或者产生弯曲与扭曲，从而对 仪器精度产生影响。在满足感性的要求情况下，尽量减轻重量，提高固有频率，防止 共振；合理的进行结构设计，如合理的选择截面形状和尺寸，提高固有频率，避免产 生共振；采用减震或隔振设计，如弹簧隔振、橡胶隔振、气垫隔振等。 3.3.2 滚珠丝杠计算 1.最大动载荷的计算 Q F （3-2）FffLQ WH 3 查机械手册有，取载荷系数.2，滚道硬度为 HRC60 时，取硬度系数，1f1 H f 寿命值：，其中丝杠转速(r/min) 6 10 60nT L 0 max l v n 设工作台在承受最大力时的最快进给速度: v =2000mm/min， 初选丝杠导程: Ph=4 mm， 则此时丝杠转速: n=v/Ph = 500 r/min。 取滚珠丝杠的使用寿命：T=15000 h， 代入 L=450 得丝杠寿命系数: L=450 最大工作载荷计算： （3- )G( max zx FfKFF 3） 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 18 页 共 35 页 其中：K=1.15，滚动导轨摩擦系数 f=0.003-005，Fx=(0.1-0.6)Fz， 可取 Fx=0.5Fz，f=0.005,=20N； z F =1.150.520+0.005(20+21.1)=11.71N max F 所以最大动载荷为： =111.53N Q F71.112 . 11500 3 根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝 杠的型号为: 14-04T4-FSIC 其基本参数为： 表表 3-4 丝杠参数丝杠参数 型号dI DaD ABLWH XYZQnCaC0a K SFK0 1004 10422646103436284.584.5M63468805 17 其中：d 为导程，Da 为珠径；K 为刚性，Ca 为动额定载荷，C0a 为静额定载荷。 其额定动载荷为 4586N足够用。 Q F 2.传动效率计算 公称直径：=10mm，导程：Ph=4mm，螺旋升角 = 0 d ， 393 将摩擦角 =，代入 =tan / tan(+) （3-4）10 得传动效率 ： =94.8% 3.稳定性验算 丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。 4.刚度验算 丝杠的两端各采用一对深沟球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离约为： a=300mm；钢的弹性模量：，丝杆底径为 d=8.3mm 62 20.6 10 (/)EN cm 滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：(cm) （3- ES Fl l 0 1 5） F=11.71，S=1.02 0 0.4()Lcm 2 cm =0.223cm ES Fl l 0 1 6 10 丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。导程变形总误差 为 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 19 页 共 35 页 =5.57cm 4 . 0 100 10223 . 0 l 100 L 6 0 1 6 10 E 级精度丝杠允许的螺距误差 =15m/m，所以刚度符合要求。 3.4 电机选择 3.4.1 电机类型 在日常生活中常用的电机有三相异步电机、直流电机和微特电机。其中微特电机 包括小功率异步电机、伺服电机、步进电机、自角电机等。三相异步电机具有效率水 平较高，起动性能较好，噪声低振动小，防护性能较好，运行可靠使用寿命长，外形 美观大方，所以三相异步电机常用于工业上控制。但在控制小功率的系统中，我们常 用直流电动机或步进电机，它们具有不同的特点。 直流电机直流电机加上适当减速比的减速器，那么直流电机具有良好的调速 性能，控制起来也比较简单，直流电机只需要通上直流电源就可连续不断的转动，调 节电源电压的大小就可以改变电机的速度。直流电机的驱动电路实际上就是一个功率 放大器。常用的驱动方式是 pwm 方式，即采用单片机产生具有一定脉宽的 pwm 信号 然后通过驱动