贴片机运料机构的设计.doc

i 山山 东东 科科 技技 大大 学学 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 题 目 贴片机运料机构的设计 学 院 名 称 机械电子工程学院 专 业 班级 机设 09-3 学 生 姓名 学 号 指 导 教 师 i 摘要摘要 作为电气互联技术的主要组成部分和主体技术的表面贴装技术即 smt，是现代电气互联技术的主流。本论文主要介绍贴片机运料机构的设 计计算以及各种零部件的选取和校核。其中，主要设计对象是伺服电机选 型，滚珠丝杠选型及校核，直线导轨选型及校核和横梁的设计计算。根究 贴片机的具体工作要求、初始条件，逐一确定零部件的选型，然后依据所 学理论力学，机械设计等相关的知识进行应力分析，强度校核，寿命验算 等。设计过程中，主要的方法是数学上的计算，小组讨论，合理性分析等。 还有使用三维软件建模辅助设计和 cad 制作工程图纸以全面表达贴片机 的整体设计结构。经过计算，我们的贴片机设计能够达到工作要求，符合 安全标准。 关键词关键词：贴片机，运料机构，选型设计，强度校核。 ii abstract as a subject of major components of the electrical interconnection technology and technology of surface mount technology, smt is the mainstream of modern electrical interconnection technology. this paper mainly introduces the chip running mechanism of selecting and checking of the design calculations of the various parts. the main selection of design objects is a servo motor, ball screw selection and verification, linear design and calculation of model selection and calibration and beam. according to smt-specific job requirements, initial conditions, determine the selection of components one by one, and then based on the theory of mechanics, mechanical design, stress analysis on related knowledge, strength, and checking computation of life expectancy. in the design process, the main method is mathematically calculated, group discussion, rationality analysis，using three-dimensional modeling cad software. after evaluation, the machine we designed meet the requirements of work, compliance with safety standard. keywords: smt，transportation agencies，design，strength check。 iii 目录目录 1 绪论绪论 1 1.1 贴片机简介1 1.2 国外 smt 设备的发展现状和趋势1 1.3 国内 smt 设备的现状与趋势4 2 设计任务设计任务 5 2.1 设计目的.5 2.2 设计内容.5 2.2.1 初始条件.5 2.2.2 具体设计内容.6 3 设计过程设计过程 .6 3.1 方案的确定.6 3.1.1 贴片机的整体结构设计概述.6 3.1.2 贴片机移动结构方案设计.7 3.2 主要零部件的设计.10 3.2.1 x 轴滚珠丝杠的选型及校核10 3.2.2 x 轴向伺服电动机的选型20 3.2.3 x 轴向弹性联轴器的选型26 3.2.4 x 轴向直线导轨选型及寿命校核26 3.2.5 横梁的设计及校核28 3.2.6 y 轴方向的丝杠的选型及校核30 3.2.7 y 向伺服电机的设计36 iv 3.2.8 y 轴向弹性联轴器的选型40 3.2.9 y 轴向直线导轨的选型及校核41 3.3 贴片机性能分析.42 3.3.1 贴片速度的分析计算.42 4 设计总结设计总结 .45 5 致谢致谢 .46 6 参考文献参考文献 .47 7 附录附录 .48 1 1 绪论绪论 1.1 贴片机简介贴片机简介 贴片机：又称“贴装机” 、 “表面贴装系统” （surface mount system） ，在生产线中，它配置在点胶机或丝网印刷机之后，是通过移动 贴装头把表面贴装元器件准确地放置 pcb 焊盘上的一种设备。分为手动和 全自动两种。全自动贴片机是用来实现高速、高精度地全自动地贴放元器 件的设备，是整个 smt 生产中最关键、最复杂的设备。贴片机是 smt 的生 产线中的主要设备，现在，贴片机已从早期的低速机械贴片机发展为高速 光学对中贴片机，并向多功能、柔性连接模块化发展.主要品牌：sony 索尼（日本） 、assembleon 安比昂、siemens 西门子(德国)、panasonic 松 下(日本)、fuji 富士(日本)、yamaha 雅马哈(日本)、juki(日本)、 mirae(韩国)、samsung 三星(韩国)、fullun 富莱恩（新加坡） 、 evest 元利盛（中国台湾） 、 环球 universal（美国） 、signking 煌牌(中 国) hct 汉城通(中国)等。 1.2 国外国外 smt 设备的发展现状和趋势设备的发展现状和趋势 过近20多年的飞速发展, 国外smt设备单机结构性框架已基本 趋于成熟, 并进一步向模块化、灵活、柔性组线方向发展, 以发挥设备的 最大使用效率, 满足快速增长的生产需要。但是, 近几年随着一些相关技术领域的发展,如元器件领域, 新的封装器件 不断涌现,元器件越来越小, 引线间距越来越密,以及人类环保意识的加强 等, 相应的对smt设备的发展提出 了新的挑战。 2 贴装设备的现状与趋势，作为smt设备的龙头, 贴装设备的发展历来 备受设备厂家的重视。从最初的以机械定位到图像识别位置补偿,从爪式 定心到飞行对中检测, 贴装设备的发展经历了质的飞跃。但是, 随着片式 元件尺寸的逐步缩小, 目前片式器件从0402（公制为1005） 已发展到 0201（公制为0603），正在研究0101（公制0303）, 以及 bga、ubg、fc、mcm等封装形式的元器件的大量涌现和推广应用, 客 观上对贴装设备提出了更高的要求。如0402规格的片式元件贴装时, 其贴 装精度为士100。0201规格的片式元件贴装时, 其贴装精度为士50, 即贴装精度为6 。此外, 对bga、csp这类封装器件, 精确贴装的最先决条 件就是检查焊料球的存在与否和间距, 检查焊料球变形状态。这就要求贴 装机的视觉系统能根据球的形状质量因数和建立焊料球畸变认可等级来实 现这一功能，当前，一种新的贴装技术正在悄然然出现, 即电场贴装技术。 该技采用电场控制微型元件的移动与贴装, 是一种实现微米级材料元件贴 装的新方法。一旦该技术进人实用化阶段, 必将对传统的贴装设备带来划 时代的变革。 总之, 随着科学技术的不断发展, 贴装设备也得不断改进和完善, 以 满足元器件不断发展变化的需要。因此, 可以说新一代的国外贴装设备在 高精度、高速度、多功能方向将进一步发展和完善。 印刷设备的现状与趋势，型元器件的发展和应用必然对焊膏印刷工艺 带来新的冲击。除印刷模板的制作工艺, 模板的精度、厚度、开口形状和 尺寸, 以及焊膏的选择等外部参量需进一步优化外, 印刷设备同样面临新 的考验。目前, 国外先进的印刷机主要有美国mpm公司的mpm3000 、 英国dek公司的dek268 等机型, 都采用了高精度的视觉系统, 借助图像 3 识别处理功能,实现决速准确的图像对准。同时, 通过设定印刷高度、刮 刀压力和角度、印刷速度等参数，确保高质量的印刷效果。此外，为保证 焊膏印刷工艺的一致性，两机型还加有对环境温度和相对湿度的控制，并 借助2d或3d激光检测系统，对印刷质量进行检测，一满足高品质印刷工艺 的要求。 焊接设备的现状有趋势。焊接技术是表面贴装技术中的核心技术。如 果说90年代的焊接技术是在热风再流焊、红外热风再流焊、免清洗焊接等 领域快速发展的话，那么，21世纪的焊接技术将更加多元化，穿孔再流焊、 无铅焊以及导电胶接技术将得到进一步的推广和应用，相关设备将得到进 一步的发展和普及。 以无铅焊接技术为例，传统的sn/pb再流焊时共晶温度为179-183， 目前较成熟的sn/ag成分焊膏的熔点为220，熔点的提高必然对再流焊设 备提出更高的要求：其一。热容量要满足产品焊接温度要求；其二，为避 免元器件的损坏，大小元器件之间的温度差不得超过10，即炉膛的横截 面温度均匀性要好。 倒装芯片是高密度组装的主流，倒装芯片的组装方法有两种，一是采 用再流焊方式，一是采用胶结的方式，即采用导电胶将芯片与基板或印制 电路板粘接形成电连接，该方式为cpc法和acfc法。cpc法事用导电胶将芯 片的凸点电极与基板或印制电路板上的电极粘接后，再进行填充树脂固化； acfc法采用方向各异的导电胶，通过脉冲热压，在热压方向上产生导电性， 而其他方向是绝缘性的，从而使芯片凸点电极与基板或印制电路板上的电 极形成连接。由于采用导电胶接技术焊接温度较低，不含铅，因此，导电 胶接技术在未来将得到更加广泛的应用，而这必将给导电胶接设备带来更 大的发展空间。 检测设备的现状与趋势。smt领域涉及的检测设备或仪器的种类很多， 4 如用于检测器件、电路板变形的表面轮廓仪；用于分析材料表面污染的俄 歇电子能谱仪；用于温度分布检测的红外热像仪、温度曲线记录仪；用于 器件、印制板可焊性测试的可焊性测试仪；用于分析胶等材料固化过程中 的挥发，助焊剂挥发的热天平；用于测试焊接力学性能的推力/拉力计； 用于焊膏、贴片胶粘度测试的粘度计；以及用于印制板组件测试的在线测 试设备、功能测试设备、自动光学检验设备、以及三维x射线检测设备等 等。应该说，检测设备的多元化，应该说, 检测设备的多元化, 有力的推 动了smt组装工艺的发展, 极大的提高了smt组装工艺质量, 而检测设备 的多元化正是其发展趋势之一。此外, 当前表面组装正在向零缺陷制造发 展, 追求“直通率” 已成为组装厂家的目标, 检测设备的作用将越发重 要。但是,目前的检测设备主要以寻求缺陷为目的, 不能指出造成缺陷的 原因。因此,检测设备与工艺分析的进一步结合同样也是其今后发展的趋 势之一。 1.3 国内国内 smt 设备的现状与趋势设备的现状与趋势 自20世纪80 年代中后期, 我国开始smt设备的研制开发以来,smt设 备在我国已取得长足的进步, 初步形成了一个以印刷机、再流焊机、波峰 焊机等中、低档设备为主的设备群体, 但是较之国外的发展水平, 我国 smt设备的发展道路还很漫长。贴装设备方面, 我国自1988 年研制出第 一台低速贴装机的样机以来, 十几年的发展仍没有开发出推向市场的商品 化机型, 在此方面与国外的差距巨大。目前, 肇庆风华公司、熊猫集团公 司、深圳日东公司等单位仍在继续努力,争取早日突破。 5 印刷设备方面, 我国以半自动丝印机、手动丝印机的生产为主, 全自 动丝印机只有日东公司开发成功, 并已推向市场。该机采用机械定位方式, 实现了全自动印刷过程, 但由于不带图像识别系统, 使其应用受到了很大 的局限性。目前, 日东公司正在开发带视觉系统的全自动丝印机。 再流焊设备是我国smt国产化设备中最具竞争力的产品, 其中以信息 产业部电子第二研究所、日东、劲拓等公司为代表的再流焊产品在技术性 能指标上已接近或达到国外同类机型的水平, 初步具备了同国外产品竞争 的实力,且价格只是国外的1/3-1/2 。今后主要在可靠性及指标的优化上 还需要下大力气, 以满足市场多样化的需求。检测设备国内主要以北京星 河公司为代表, 其生产的在线测试仪ict占据了国内很大的市场份额。但 是, 受高密度组装的挑战, ict的使用受到极大的制约。目前, 星河公司 已研制出aoi样机, 正在进行测试和改进。综观国内smt设备的发展, 应 该说局部有所突破, 但整体与国外差距很大。 2 设计任务设计任务 2.1 设计目的设计目的 通过设计计算，完成贴片机运料机构的设计，实现既定工作要求的贴 片机运料平台设计。 2.2 设计内容设计内容 2.2.1 初始条件初始条件 贴装头的贴装范围：400400 6 贴装头的质量：2 kg 贴装头尺寸：150200 贴装速度：1m/s 贴装时加速时间：0.15 s 电机转速：3000 r/min 2.2.2 具体设计内容具体设计内容 （1）整体设计方案的确定，通过小组讨论，通过整体的运料平台 结构为梁式台状x-y轴向直线运动结构。主要部件有伺服电动机，滚珠丝 杠，直线导轨，横梁，床身，其他零部件等。两台伺服电机分别联动控制 两个轴的滚珠丝杠，进而控制贴装头的x-y两个方向 的运动。 （2）伺服电机的选型 （3）滚珠丝杠及其附属机构的选型设计 （4）直线导轨的选项设计 （5）横梁的设计及校验 3 设计过程设计过程 3.1 方案的确定方案的确定 3.1.1 贴片机的整体结构设计概述贴片机的整体结构设计概述 贴片机的分类，目前，世界上有很多歌贴片机生产厂家，贴片机的种 类达几百种之多，贴片机 的分类虽然没有固定的格式，但习惯上有以下 几种。 （1）按速度分类 中速贴片机：3000 片/小时 7 高速贴片机：9000片/小时 超高速贴片机：大于3000片/小时 （2）按功能分类 射片机。射片机是一种专门用于片式元件贴装的机器，由于贴装速度 很快，通常称为高速贴片机。 多功能贴片机。多功能贴片机也叫做高精度贴片机或泛用机，可以贴 装高精度的大型、异型元器件，一般也能贴装小型片状元件，几乎可以涵 盖所有的元件范围。其有以下特点：精度高、灵活性好；机械结构少磨损、 反馈快、安静、易于保养等特点。多功能贴片机能够处理各种各样的复杂 的元器件，是复杂电子产品生产中必不可少的设备。 高速多功能贴片机。一般的贴片机功能较为单一，对于复杂的产品， 必须使用不同功能的贴片机进行组合配线完成整个产品的贴装。目前有的 复合式贴片机和平行式贴片机能安装多功能贴装头或者多功能模组，从而 实现既能同时高速贴装小型片状元件，又能贴装高精度、大型、异型元器 件；可以接受几乎所得的元件包装方式，包括可以加装盘装元件送料器。 3.1.2 贴片机移动结构方案设计贴片机移动结构方案设计 （1）贴片机的两种移动结构方案如图所示 8 （2）两种贴装方案的比较 9 表 3.1.2 3.1.3驱动方案的确定 交流伺服电机滚珠丝杠滚动导轨。 贴装头固定在滚珠螺母基座和对应的滚动导轨上方的基座上，伺服电 机工作是，带动螺母做 x 方向往复运动，由滚动导轨导向，保证运动方向 平行，x 轴在两平行滚珠丝杠的滚动导轨做 y 方向运动，实现贴装头 x-y 移动系统。 方案一方案二 方案名 称 x-y 联动龙门架式结构z 轴旋转摆动式结构 优点 1）移动灵活性大 2）高速运转时移动定位准确 3）传动效率高 4）易于实现自动化生产 1） 适用于一些但方向距离 较远的抓取 2） 设备占用体积小 缺点 1） 结构占地面积大 2） 生产成本高 1） 摆动速度受到一定制约 2） 工作不稳定 3） 高速运转易出现震动 10 3.2 主要零部件的设计主要零部件的设计 3.2.1 x 轴滚珠丝杠的选型及校核轴滚珠丝杠的选型及校核 滚珠丝杠的选型原则 种类的选择：目前滚珠丝杠副的性价比已经相当高，无特别大的载荷 要求时，都选择滚珠丝杠副，它具有价格相对便宜，效率高，精度可选范 围广、尺寸标准化安装方便等优点。在精度要求不是太高时，通常选择冷 轧滚珠丝杠副，以便降低成本；在精度要求高或载荷超过冷轧丝杠最大规 格额定载荷时需选择磨制或旋铣滚珠丝杠副。不管何类滚珠丝杠副，螺母 的尺寸尽量在系列规格中选择，以降低成本缩短货期。 精度级别的选择：滚珠丝杠副在用于纯传动时，通常选用“t”类 （即机械手册中提到的传动类），其精度级别一般可选“t5”级（周期偏 差在 1 丝以下），“t7”级或“t10”级，其总长范围内偏差一般无要求 （可不考虑加工时温差等对行程精度的影响，便于加工）。因而，价格较 低（建议选“t7”，且上述 3 种级别的价格差不大）；在用于精密定位传 动（有行程上的定位要求）时，则要选择“p”类（即机械手册中提到的 定位类），精度级别要在“p1”、“p2”、“p3”、“p4”、“p5”级 （精度依次降低），其中“p1”、“p2”级价格很贵，一般用于非常精密 的工作母机或要求很高的场合，多数情况下开环使用（非母机），而 “p3”、“p4”级在高精度机床中用得最多、最广，需要很高精度时一般 加装光栅，需要较高精度时开环使用也很好，“p5”则使用大多数数控机 床及其改造，如数控车，数控铣、镗，数控磨以及各种配合数控装置的传 动机构，需要时也可加装光栅（因“5”级的“任意 300mm 行程的偏差为 0.023”，且曲线平滑，在很多实 11 际案例中，配合光栅效果非常好）。 规格的选择：首先当然是要选有足够载荷（动载和静载）的规格。根 据使用状态，选择符合条件的规格。同时（重点），如果选用的是磨制或 旋铣滚珠丝杠副（冷轧的不需要考虑长径比），要估算长径比（丝杠总长 除以螺纹公称直径的比值），但因长度在设计时已确定，在规格的确定上 需要调整，原则上使其长径比小于 50，（理论上长径比越小越好，对 “p”类丝杠而言，长径比越小越利于加工和保证各项形位公差，故单位 价格越便宜）。所以“规格越小不等于越便宜”。 预紧方式的选择：对于纯传动的情况，一般要求传动灵活，允许有一 定返向间隙（不大，一般为几丝），多选用单螺母，它价格相对便宜、传 动更灵活；对于不允许有返向间隙的精密传动的情况，则需选择双螺母预 紧，它能调整预紧力的大小，保持性好，并能够重复调整；另外，在行程 空间受限制的情况下，也可选用变位导程预紧（俗称错距预紧），该方式 预紧力较小，且难以重复调整，一般不选。 导程的选择：选择导程跟所需要的运动速度、系统等有关，通常在： 4、5、6、8、10、12、20 中选择，规格较大，导程一般也可选择较大（主 要考虑承载牙厚）。在速度满足的情况下，一般选择较小导程（利于提高 控制精度）；对于要求高速度的场合，导程可以超过 20，对磨制丝杠而言 导程一般可做到约等于公称直径（受磨削螺旋升角限制），如 32（32*32）、40（40*40）等，当然也可以更大（非磨削，但极少考虑）。 导程越大，同条件下旋转分力越大，周期误差被放大，速度越快。故一般 速度很高的场合要求的是灵活，而放弃部分精度诉求，对间隙要求意义变 小（导程精度偏差增大），因此，大导程丝杠一般都是单螺母。 12 完整的滚珠丝杠副设计选型，除了要考虑传动行程（间接影响其他性 能参数）、导程（结合设计速度和马达转速选取）、使用状态（影响受力 情况），额定载荷（尤其是动载荷将影响寿命）、部件刚度（影响定位精 度和重复定位精度）、安装形式（力系组成和力学模型）、载荷脉动情况 （与静载荷一同考虑决定安全性），形状特性（影响工艺性和安装）等因 素外，还需要对所选的规格的重复定位精度、定位精度、压杆稳定性、极 限转速、峰值静载荷以及循环系统极限速率（dn 值）等进行校核，进行修 正选择后才能得到完全适用的规格，进而确定马达、轴承等关联件的特征 参数。 丝杠工作原理，螺杆和旋合螺母的螺纹滚道之间置有适量滚动体，当 螺杆或螺母传动时，滚动体在螺纹滚道内滚动，是螺杆和螺母间形成滚动 副，从而提高了螺旋副的传动效率和传动精度。多数滚动螺旋的螺母上有 滚动体的返回通道，在螺纹滚道形成闭合回路，使滚动体在螺纹滚道内循 环。 设计中应注意的问题： a：滚动螺旋副的轴承及其支承结构，对系统的刚度、运动精度有着 很重要的影响，是滚动螺旋副设计的重要组成部分。应根据轴向刚度、运 转精度、稳定性和摩擦力矩等因素，选择相应的轴承类型及其结构形式。 b：防止逆转，滚动螺旋传动效率高，因此不能自锁。为了使螺旋副 受力后不逆转，应考虑设置防逆转装置，如采用制动电动机、步进电动机， 在传动系统中设有能够自锁的机构。在螺杆、螺母或传动系统中装设单向 离合器、双向离合器、制动器等。选用离合器时，必须注意其可靠性。 c：防止螺母脱出，在滚动螺旋传动中，特别是垂直传动容易发生螺 母脱出造成事故，设计时，必须考虑防止螺母脱出的安全装置。 d：热变形和自重变形，螺旋 13 副的摩擦热引起的热伸长、螺杆系统部件的热影响产生的热变形，以及细 长螺杆自重产生的弯曲等都是影响定位精度、重复定位精度的重要因素。 故在设计定位滚动螺旋组合时，尚须综合考虑上述因素的影响。减小热变 形影响的方法应控制影响螺杆系统热源的各个环节。并采取中空的螺杆进 行强制冷却，或采取负行程偏差等方法减少或矫正热变形的影响。对于细 长螺杆，则需适当提高螺杆的刚度，并采用轴向预拉伸等措施，以减少其 自重产生的挠度。 e:防护与密封，尘埃和杂志等污物进入螺纹滚道会妨碍滚动体的运转 通畅，加速滚动体与滚道的磨损，使滚动螺旋副丧失精度。因此，防护与 密封是设计滚动螺旋副传动所必须考虑的一环。 f：润滑，润滑是减小驱动转矩、提高传动效率、延长螺旋副寿命的 主要因素。对缓冲、散热、防锈也有一定的作用。通常是根据传动的用途 和转速合理选择润滑脂或油。速度不高时，多采用润滑脂，较容易粘附在 螺纹滚岛内，保持良好的润滑状态。低速重载传动也可选用较高粘度的润 滑油。高转速并考虑减小其热变形时，宜选用低粘度的润滑油。采用油润 滑时，尚须合理选用其供油方式。 （1）滚珠丝杠的选型 14 图3.2.1滚珠丝杠轴端形式及尺寸 导程：mm = = 60000 3000 = 20 滚珠丝杠型号：dcdm2020-15 公称直径：=20 0 基本导程：ph=20 钢球直径：=3.969 丝杠外径：=19.5 1 螺纹低径：2 = 15.1 循环圈数：1.51 额定动载荷：ca=7072n 额定静载荷：coa=13631n 接触刚度：366 滚珠丝杠固定式轴端尺寸 螺纹：m141.5 1= 12 2= 14.5 1= 60 2= 18 = 111 15 图 3.2.2 滚珠丝杠副结构和尺寸 螺母安装连接尺寸： = 53 1= 36 3= 76 4= 63 = 13 5= 58 6= 10 = 6 = 138 1= 20 = 5 = 9 6 （2）滚珠丝杠的校核 滚珠丝杠副的载荷及转速计算，速度呈直线变化，等加速度运动，周 期性往复运动。 最高速度： = 1/ 加速时间：1 = 0.15 减速时间：3 = 0.15 16 a：达到最高速度所行走的距离 1=( + 0 2 ) =(0 + 1 2 ) 0.15 = 75 b:等速时所行走的距离 2= = 1 0.4 = 400 c:从最高速到停止所行走的距离 3=( + 0 2 ) =(0 + 1 2 ) 0.15 = 75 d：去时等加速阶段 1= = 1 0.15 = 6.67/2 1= 11= 1.95 6.67 = 13 平均转速 1= 2 = 1500/ 17 e:去时等速阶段 2= = n2=3000r/min f:去时等减速阶段 3 = = 1.95 （ 6.67）= 13 3= 2 = 1500/ 以上轴向负荷行走距离，时间，平均转速的关系如表3.2.1所示 动作轴向负荷行程时间平均转速 去程加速度 13750.151500 去程等速度 04000.43000 去程减速度 -13750.151500 回程加速度 -13750.151500 回程等速度 04000.43000 回程减速度 13750.151500 表 3.2.1 g：当量载荷 fm 8.43 n 3 1 2211 3 22 3 211 3 1 nn nnn m tntntn tnftnftnf f 当量转速 nm 2357 r/min t tntntn n nn m 2211 额定动载荷 cm =143.06 n cahmmwm fflnffc100/)60( 3 1 查表3.2.2-3.2.4 知 18 式中：精度系数（无冲击平稳时）取1.0 可靠系数（无冲击平稳时）取1.0 载荷性质系数（无冲击平稳时）取1.2 预期工作寿命（精密丝杠传动）取20000h 载荷系数 载荷性质无冲击平稳时一般运行有冲击和振动 fw1-1.21.2-1.51.5-2 表 3.2.2 可靠性系数 可靠性/% 909596 fe1.00.20.53 表 3.2.3 精度系数 精度系数1、2、34、5 7 fa1.00.90.8 表 3.2.3 各类机械预期工作时间 机械类型 lh 备注 普通机械 普通机床 数控机床 精密机床 测试机械 航空机械 500010000 1000015000 20000 20000 15000 1000 250（天） 16（h）10（年） 0.5（开机率）=20000 19 表 3.2.4 (3)丝杠轴径的校核 高速移动时，可以用许用转速来确定轴径。 7 2 0 2 2 10 2 60 l d f a eig l n 7 2 0 10 f ln d l=最大行程+螺帽长度/2+轴端预留量 =700+15+111=826 安装固定方式：固定+固定。查表：f=21.9 将数据带入得0 9.346 故所选丝杠的螺纹底径15.19.346 所以由需用转速可知，该选型是符合转速要求的。 （4）寿命校核 = 3 1 60 10 6 = 2.416 106 20000 实际寿命远大于设计寿命，故设计是符合寿命要求的。 （5）滚珠丝杠的应力计算 = = 2 2/4 = 6.9 104/2 = = 80.09/2 = 2+ 2= 6.9 104/ 查手册符合强度要求 20 3.2.2 x 轴向伺服电动机的选型轴向伺服电动机的选型 x 轴方向传动结构：伺服电机联轴器-滚珠丝杠-贴装头。按结构 的设计要求和尺寸的规划，伺服电机输出轴通过同步带传动到滚珠丝杆， 而不是用联轴器直接相连。 x 轴方向驱动的负载包括：丝杆、贴装头以及 联轴器（可忽略不计） 。 电动机类型的选择，根据负载性质，电动机类型选择应该考虑以下 几个方面。 a：恒转矩和通风机特性的机械，应选用机械特性为和硬特性的电动 机。 b：恒功率负载特性的机械，选用可调节励磁的直流电动机或带有机 械变速的异步电动机较为合适。 c：无调速要求的机械，包括用长期、短期、断续等运行状态的机械， 可选择用笼型异步电机，如容量较大，应尽可能选用同步电动机。 e：带周期性变动负载的机械，如带飞轮的活启动条件沉重的机械， 对于大中功率机械应选用绕线转子异步电动机。对于小功率机械，经过对 过载能力及启动条件的校验，可选用高转差率的电动机。而单纯启动条件 沉重的机械，经启动条件校验，可选用双笼型或深槽型异步电动机。 f：对于某些断续运行的机械，虽然无调速要求，但选用交流电动机 无论在发热、启动或制动方面特性不能满足要求，而技术经济指标又过低， 可选用直流电动机。 g：对于需要调速的机械，可根据调速范围及连续平滑程度选择电动 机。例如：只有几种转速的有级变速小功率机械，可选用变极笼型异步电 动机；负载起制动转矩较大，调速范围较大，宜选用绕线转子异步电动机； 调速范围大，且须连续稳定平滑调速机械宜选用直流电动机；对于要求启 动转矩较大的机械，如电车和牵引机车宜选用直流串励电动机；在某些特 21 殊的环境下，如要防爆、有要求平滑调速时可选用变频电源供电的防爆笼 型电动机；对于要求调速范围不大的大功率机械，如风机、水泵以及无频 繁启动要求或无冲击负载的机械，可选用带有串级调节的绕线转子异步电 动机。 电动机转速的选择。电动机的额定转速是根据工作机械的要求而选 定的。在确定电动机额定转速时，必须考虑减速装置的传动比，两者相互 配合，经过技术、经济全面比较才能确定。通常，电动机的转速越低，则 其尺寸越大，价格越贵，而且效率也较低。如选用高转速的电动机，势必 加大机械减速装置的传动比，致使机械传动部分复杂起来。 对于一些不需要调速的高、中速机械，如水泵、鼓风机、空气压缩 机等，可选用相应转速的电动机不经机械减速装置而直接传动。需要调速 的机械，电动机的最高转速应与生产机械的转速相适应。若采用改变激励 的直流变速电动机时，为充分利用电动机的容量，应选好调磁调速的基速。 又如某些轧钢机械、提升机械等，工作速度较低，经常处于频繁地正反转 运行运行状态，为缩短正反转过度时间，提高生产效率降低消耗，并减少 噪声，节省投资，选择适当的低速电动机，采用无减速机的直接传动更为 合理。要求快速频繁起制动的机械通常是点击飞轮转矩与额定转速的平方 之积为最小时，能获得起制动最快的效果。 （1）贴装头换算到电机轴上的转动惯量。贴装头的质量计算，按 1 j 贴装头形状，贴装头的质量 m1 为 2kg。 贴装头的理论速度为秒/片，在 x-y 直线运动的速度为 1 米/秒，丝杆 导程 20mm（导程选取详见丝杆设计） ，则电机理论转速 n=3000rad/min 取 电机的启动时间 t=0.15 秒，电机的角速度为，角加速度为： srad n /314 30 14 . 3 3000 30 22 = = 314 0。15 = 2093.3/2 贴装头换算到电机上的转动惯量为： 1 j （4-1） 2 0 2 1 m mv j 式中：m-贴片头质量，kg -贴装头的速度，m/s m v -电机的角加速度，rad/s 0 把各数值代入公式 4-1 得 = 2 12 3142 = 0.000022 (2) 丝杆换算到电机轴上转动惯量.所选丝杆的尺寸直径为 2 j 19.5mm，导程为 20mm，长度为 826mm，它的质量为 1.95kg。 2 m 丝杆换算到电机的转动惯量为： 2 j 2= 1 2 2 = 1 2 1.95 0.009752= 0.00009272 负载的总的转动惯量0.0001127 21 jjj 2 mkg 负载的惯性力矩为 t： (4-3) jt 式中：j-转动惯量， 2 mkg -角加速度， 2 srad 23 将各数值带入公式（4-3）得： t=0.00011272093.3= 0.074mn x 轴方向的负载的功率为 p： （4-4） 9550 nt p 式中：t-惯性力矩，mn n-电机转速， 1 minr 将数值带入（4-4）中计算得： = 0.236 3000 9550 = 0.074 电机的总功率为 = 1.2 = 0.089 根据以上计算结果，查表 3.2.2，选取电机的型号为 edsmt-2t60- r30a，其性能参数如下： 额定功率：100w 额定电压：ac 51.7v 额定转速：3000rpm 额定力矩：0.318nm 额定电流：2.58a 峰值力矩：0.954nm 外形尺寸：最大外径 70 直径 50 绕组电阻：1.09 力矩系数：0.127nm/a 绕组电感：3.3 24 表 3.2.2 (3)edsmt-2t60-r30a电动机的安装尺寸 表 3.2.3 25 图 3.2.3 电动机三视图 26 3.2.3 x 轴向弹性联轴器的选型轴向弹性联轴器的选型 型号轴径 ll1m 拧紧力矩 ct-lk2-1508/1238.138.14.15m53.8nm 表 3.2.3.1 3.2.4 x 轴向直线导轨选型及寿命校核轴向直线导轨选型及寿命校核 直线导轨副是由一根长导轨轴和滑块组成，滑块数根据需要而定。滑 块体内有四组滚珠。其中又有负载滚珠和回珠。随着滑块的移动，滚珠就 周而复始的进行滚动运动。滚珠承载的形式，与角接触球轴承相似。一个 滑块就像是4个直线运动的角接触球轴承，滑块的两端装有防尘密封圈， 导轨轴的安装形式可以水平也可以竖直或倾斜，可以两根或者多跟导轨轴 平行安装，也可以两根或多跟导轨轴接成长导轨轴，以适应各种行程和用 途的需要。 直线导轨副的特点是，首先，承载能力大、刚度高。因滚珠与圆环沟 槽相接触、接触面积大、需用载荷和接触刚度与滚动体不循环导轨有较大 的提高。其次，采用直线导轨副可简化设计、制造和装配工作。导轨副的 安装基面精度和质量要求不高，只要精铣或精刨。 设计和使用中的注意事项。正确合理的设计和使用直线导轨副，可以 提高耐用度和精度保持性，减少维修和保养时间，促进生产，提高经济效 益。为此，应注意如下事项： a：尽量避免力矩和偏心载荷的作用，直线导轨副样本中给出的额定 动静载荷，都是在各个滚珠受载均匀，理想的状态下算出的。因此，必须 十分注意避免力矩载荷和偏心载荷，否则，一部分滚珠承受的载荷，有可 能超过计算额定动载荷的确定时的需用应力和额定静载荷的需用应力，导 27 致过早的疲劳破坏或产生压痕并出现振动、噪声、降低移动精度等现象。 b：提高精度，减少振动。适当预紧可以高刚度，均化误差，从而提 高运行精度，均化滚动体的受力而提高寿命，并在一定程度上提高阻尼， 但是预紧力过大会增加导轨副的摩擦阻力，增加发热，降低使用寿命。因 此预紧有其最佳值。 c：降低加速度的影响，直线导轨副的移动速度可达到600m/min，启 动和停止时，将产生一个力矩，使部分滚动体受载过大，造成破坏。因此， 如果加速度较大，应采取一下措施：减少被移动物体的质量，降低物体的 重心，采取多级制动以降低加速度，在启动和制动时，增加阻尼装置等。 型号： ser-gd15wa （1）导轨副及滑块尺寸 hwk1l1w2l2m1tt1l 241619.338.83830m571157.8 表 3.2.4 图 3.2.4 （2）额定寿命计算 28 = 式中： l额定寿命（km） ca额定动载荷（kn） pd当量动载荷（kn） 指数，当滚动体为滚珠时， =3 k额定寿命单位 滚珠时，k=50km 硬度系数，取1 温度系数取1 接触系数取1 精度系数取1 载荷系数取2 将数据带入上式 = 1 1 1 1 8.51 2 20 10 3 3 50 = 4.8 108 按式 = 103 2 60 = 7.1 107 按年工作日为300天，二班工作制，每班8h，开机率为80% 则预计寿命年限为 = 7.1 107 300 16 0.8 = 18489.5（年） 所以，预计寿命远大于设计使用寿命，则该设计合乎寿命要求。 3.2.5 横梁的设计及校核横梁的设计及校核 横梁，主要承受贴装头的重量，丝杠重量，导轨重量，伺服电 动机重量，和横梁自身重量，除此之外，几乎不受外力，横梁的校核主要 是刚度校核，只有满足一定的刚度才能达到贴片机的工作精度。 铝合金型材是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、 航天、汽车、机械制造、船舶，建筑，装修。及化学工业中已大量应用。 随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需 求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。铝合金的广泛应用促进 29 了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领 域，因此铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一。该横梁选用铝合金材 料，主要原因是其密度小，强度符合设计要求，满足了运动部分质量轻盈 的原则，减少了横梁运动时的惯性力。同时还设计横梁为中空结构，把材 料均匀的分散到四周，在横截面积不变的情况下增大了结构的刚度。 （1） 横梁的截面 图3.2.5 (2)横梁的刚度校核 1= 3 12 = 100 603 12 = 1800000 2= 223 12 = 70 303 12 = 157500 总= 1 2= 1.643 10 6 外力作用下的挠度： 1= 3 48 = 0.0031 30 自身重力作用下的挠度： 2= 54 384 = 0.00973 其中， = = 37.22 10 1.3 = 286.3/ 综上： 总= 1+ 2= 0.0127 所以由需用转速可知，该选型是符合转速要求的。 （4）寿命校核 = 3 1 60 10 6 = 2.75 106 20000 实际寿命远大于设计寿命，故设计是符合寿命要求的。 （5）滚珠丝杠的应力计算 = = 2 2/4 = 6.9 105/2 = = 45.69/2 = 2+ 2= 6.9 105/ 查手册符合强度要求 3.2.7 y 向伺服电机的设计向伺服电机的设计 伺服电机与步进电机的性能比较 步进电机作为一种开环控制的系统，和现代数字控制技术有着本质的 联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全 数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制 系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电 机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似 （脉冲串和方向信号） ，但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。 现就二者的使用性能作一比较。 一、控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为 1.8、0.9，五相混合式步进 36 电机步距角一般为 0.72 、0.36。也有一些高性能的步进电机通过细 分后步距角更小。如三洋公司（sanyo denki）生产的二相混合式步进电 机其步距角可通过拨码开关设置为 1.8、0.9、0.72、0.36、 0.18、0.09、0.072、0.036，兼容了两相和五相混合式步进电机 的步距角。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以 三洋全数字式交流伺服电机为例，对于带标准 2000 线编码器的电机而言， 由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为 360/8000=0.045。 对于带 17 位编码器的电机而言，驱动器每接收 131072 个脉冲电机转一圈， 即其脉冲当量为 360/131072=0.0027466，是步距角为 1.8的步进电 机的脉冲当量的 1/655。 二、低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动 器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进 电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当 步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如 在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。 交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交 流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具 有频率解析机能（fft） ，可检测出机械的共振点，便于系统调整。 三、矩频特性不同 步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降， 所以其最高工作转速一般在 300600rpm。交流伺服电机为恒力矩输出， 即在其额定转速（一般为 2000rpm 或 3000rpm）以内，都能输出额定转矩， 在额定转速以上为恒功率输出。 四、过载能力不同 37 步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。 以三洋交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩 为额定转矩的二到三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步 进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需 要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩， 便出现了力矩浪费的现象。 五、运行性能不同 步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或 堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度， 应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对 电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现 步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。 六、速度响应性能不同 步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要 200400 毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以山洋 400w 交流伺服电 机为例，从静止加