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毕业设计毕业设计(论文论文)开题报告开题报告 题目:题目: 两维移动平台结构设计两维移动平台结构设计 院(系)院(系) 光电工程学院光电工程学院 专专 业业 测控技术与仪器测控技术与仪器 班班 级级 130101 姓姓 名名 郭郭 茜茜 学学 号号 130101124 导导 师师 纪小辉纪小辉 2016 年年 3 月月 20 日日 开题报告填写要求 1开题报告作为毕业设计(论文)答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。 此报告应在指导教师指导下,由学生在毕业设计(论文)工作前期内完成。 2 开题报告内容必须按教务处统一设计的电子文档标准格式 (可从教务处网页上下载) 填写并打印(禁止打印在其它纸上后剪贴) ,完成后应及时交给指导教师审阅。 3开题报告字数应在 1500 字以上,参考文献应不少于 15 篇(不包括辞典、手册,其 中外文文献至少 3 篇) ,文中引用参考文献处应标出文献序号,“参考文献”应按附件中 参考文献“注释格式”的要求书写。 4 年、月、日的日期一律用阿拉伯数字书写,例:“2005 年 11 月 26 日”。 1毕业设计(论文)综述 1.1 研究背景及意义 现代工业技术及社会经济高速提升,使得精密加工、检测及扫描等精密王程应用对 于加工精密程度、传动效率的要求越来越高。当前,精密加工、检测或扫描等工业应用 中对于微米级精度的直线运动模块具有很大的需求,此类应用主要对于运动系统的精度 稳定性、往复运动速度定位准确性与快速性等方面具有相当高的要求 螺旋传动作为一种常用的机械传动机构,目前广泛应用在机床、汽车、航空 航天、兵器等机械领域的传动系统中。按其功能用腿,螺旋传动可分为传力、传 导和调整螺旋,传力螺旋主要用来传递力,输入比较小的转矩,克服阻力的同时 输出比较大的轴向力,通常适用于工作转速不高的场合,且具有自锁能力,应用 于各种起重机或者加压装置,螺旋压力机、千斤顶等;传导螺旋主要用于传递运 动,可以承受一定的轴向载荷,工作速度通常比较高,对传动精度的要求也比较 高,主要应用于某些机床的进给机构中;调整螺旋是用于调整零部件间的相对围 着或者固定某些零部件,主要应用于机床、测量装置或精密仪器中的微调机构中。 按其接触副的性质,螺旋传动又可分为滑动螺旋传动、滚动螺旋传动和静压螺旋 传动这三种,在后面的方案比较中会详细列出。 而随着科技水平的进步以及行业需求的提升, 企业和工厂对移运载平台的要求 也在逐渐提高 ,不仅要满足基本的移动功能 ,对于一些作业空间有限 、承载量较 大 、 有较高 运载精度要求的工作场所 , 还要满足其运行精度和机动性的特殊要求 。 而传统的移动平 台受自身运动特性和结构的限制 ,在运行精度和机动性方面存在 不足 ,限制了其在对作 业空间以及运行精度有要求的工作场合的应用 ,特别是飞 机制造业中航空发动机的运输 装配作业等。发动机运输装配作为飞机制造业中的 重要环节 ,其运输平台除了要将发动机完好运 送至装配位置外 ,还要对发动机 进行调姿安装等工作 。因此要求该平台应具有较高的承 载能力和平稳性 ,以 保证发动机在运送过程中完整性和装配过程中的精度要求 。 机械传动动力系统的节能和环保既包括传动系统本身的节能环保作用,还包 括机械系统中原动机和工作机的节能和环保,在机械传动系统节能环保设计上, 使用无污染的润滑剂能有效避免环境污染,并对以行星传动为代表的分流传动进 行研究,使用功率流程设计方法实现机械传动系统的分流传动功率流的均载和协 调。机械传动系统设计中,充分考虑原动机和工作机的节能和环保作用,根据原 动机和工作机的功率和速度对传动系统进行合理设计,使原动机和工作机实现最 佳匹配效果,确保原动机拥有最高效率的同时排放的污染物最少。例如在汽车生 产中采用多档变速和无级变速实现汽车发动机工作的有效调节,将自动离合器和 变速器构成的动力装置结合起来,确保汽车在行驶中达到节能减排的目的。混合 动力汽车具有良好的节能环保功能,汽车的混合驱动系统使得汽车的使用性能更 佳。 目前, 我国飞机制造企业大多采用传统的人工安装模式 ,在装配过程中借 助普通轮式移动系统 作为发动机运输对接平台 ,依靠人力或者牵引力来驱动 。 这种普通轮式的装卸运输平台 不仅存在上述运行精度和机动性不足问题 ,而且 仅依靠人力或者牵引力作为运行动力 ,装配效率和安装精度较低 ,增加了制造 周期 ,造成生产成本的增加。为了更好的节约人力资源,提高安装效率,节省生产投 资,所以对移动平台的研究是必不可少的。 1.2 国内外相关研究情况 常见的精密运动平台主要是三自由度定位平台与二自由度定位平台,其中二 自由度定位平台是最常见的精密定位装备。机电设备、控制软件、机械结构是高 加速高精度定位平台研宄的主要内容。机电设备的核心是运动控制器,结合控制 机和位置发反馈元件构成连接结构和控制元件的桥梁;控制软件是为使精密运动 平台达到预期性能指标,对系统进行动力学建模,针对外界扰动和模型误差,在 运动控制过程中所采取干扰抑制和误差补偿算法等机械结构是指精密运动平台所 采取的结构形式和驱动连接方式。 XY 精密运动台精密运动台 传统精密运动平台多数采用旋转伺服电机驱动与精密滚珠丝杆传动的方案, 也有采用的是直线电机直接驱动的方式,大行程驱动和传动方式(音圈电机、直 线电机、精密丝杆传动) 。 XY 精密运动平台要两个自由度运动,就要求有两个轴机械结构的组成样式。 XY 两轴的结构主要有三种形式:单导轨形式、双导轨形式以及运动解稱。单导轨 形式则是每个轴只有一条导轨,一般是轴位于底层,轴则位于轴的台基上,轴的 台基就是平台的工作台.这种形式的精密传动中有着很大的缺点, 轴成了轴的负载, 即便是工件重量很轻,轴的负载也很大,严重影响轴的定位精度。这种样式的平 台需要在结构形式、驱动方式以及控制方案上釆用先进的技术,才能达到封装装 备定位高精度的要求。等人设计的平台,其用的是单导轨式结构,轴是轴的负载。 用直线电机取代原来的电机丝杆螺母结构,把直线电机的电枢配属在轴与轴的移 动的支撑台上,把移动元件配属在方向与方向的移动平台上,这样就提高了平台 的定位精度,实现高加速、高加速运动。 第二样式是双导轨形式,每个轴有两个导轨,称它们为主导轨与副导轨。主 导轨作为电机轴移动的导轨,副导轨作为工作平台移动的导轨。轴的主导轨与副 导轨相互平行、轴的主导轨与副导轨也相互平行。这种样式就解决了单导轨形式 位于底下轴负载过大的问题。但是这种釆用的导轨、丝杆过多,零件的精度或装 配的精度严重影响了平台总体的定位精度,例如双导轨(或者是丝杆和导杆)装 配的平行度、丝杆的直线度都可能会严重影响平台的定位精度。 以上两种形式驱动器件都要同步移动,增加了运动负载,另外一种样式是两 轴解稱运动,两轴的驱动器件都是固定在基座,巧妙的解稱机构设计是平台可以 达到精密定位的保证。这种形式加入了新的机械结构和运动,要对解親结构各项 机械性能进行分析设计,特别是零件磨损方面等。冯晓梅等研宄设计的平台就用 了该结构。这样的设计可以减轻运动部件的重量,从而降低了惯量.弹性机构可以 消除装配误差与消除高加速度运动产生的惯性动载荷。 因为受到这种行程的限制, 平台只适用于高速、高精度并且对行程要求不大的设备中。 传统的精密运动平台很多采用电机丝杆螺母的驱动方式,利用丝杆滑块机构 进行运动变换,把旋转运动转换成定位平台的直线运动,其极限加速度大概是 1g 中间存在传动环节,传动零件的间隙配合装配。传动环节的存在使得速度与加速 度只能在一定范围内,而运动间隙导致机械运动惯量大、稳定时间较长、重复定 位精度差等问题,这就影响着精密运动平台在速度、加速度与精度定位性能的进 一步提高。 所以机构是设计新型高速精密运动应该解决的首要因素并对其进行优化处 理。用高速精密直线电机,可以避免丝杆滑块在传动中的运动惯量、摩擦力、反 向间隙和刚度不足等缺点,实现直接驱动获得高精度、高速位移运动,而且在高 速位移运动达到定位精度与重复定位精度,并可以得到良好的稳定性。用直线电 机直接驱动可以达到以上这是当今封装装备中大多采用的方案。 Manabu Okada 等人设计的直线型电机来进行直接驱动精密运动平台机构。轴 方向直线电机来驱动运动平台和轴方向的滑块沿着导轨在轴上动,轴方向直线电 机来驱动运动平台和轴方向滑块沿着导轨在轴上运动。在轴和轴滑块导轨,滑块 和导轨通过气浮轴承链接配合。这样摩擦低,防止了灰尘。 Takou Kondo 等人设计的精密运动平台使用了直线电机作为平台的运动驱动, 平台外部两侧是相对运动部件,在相对元件中间配置了中间运动部件,两个部件 间的相对运动姓牙通过导向装置实现。运用这样的机构样式,充分利用直线电机 的结构与运动原理特点,在结构上对于丝杆机构来说减小了尺寸,结构更加紧凑, 避免了灰尘也就提高了操作速度和寿命。伺服电机、丝杆驱动和直线电机驱动, 都存在不同程度滞后、响应慢、有限加速度及速度等问题,这样就限制了定位精 度的进一步提高。 音圈电机是一种可以利用直接驱动并且不需要其他传动机构的驱动器件,运 用了安培力原理实现直线运动, 同直线电机一样克服了传动环节存在间隙等不足, 对于直线电机来说在理论上具有高速度、高加速、快响应、无滞后、无限分辨率、 控制方便、力特性好、体积小等优点。采用音圈电机驱动平台加速达到以上,定 位精度也达到相对理想的程度,上海交通大学吴建华等究的高加速、高精度定位平 台。这种平台用在引线键和、贴片工艺工程。平台具有四个自由度,其中轴实现 平台平面定位,由直线电机驱动;轴实现垂直运动,由音圈电机驱动。运用自适 应算法和滑膜控制算法。冯晓梅等研宄的两自由高精度、度高速精密运动平台。 采用了音圈电机驱动,将驱动部件置于底座上,减轻了运动部件的重量,降低了 惯量,同时也有传统、精密运动平台解稱的特点。而且还研宄了基于位置控制器 的定位平台机电親合系统闭环控制算法。作为大功率平面偉线机等封装设备的重 要组成部分,精密运动平台对该类装备的性能起着重要作用。 现在的傳线机精密运动平台中, 大部分采用的是串联式平台或者并联式平台, 其中串联式的精密运动平台的与方向的相关的组件是分层进行叠加的,这样连接 方法的不足是上层的工作平台所有的重量丝杆及导轨、机械加工零件、联轴器、 伺服马达等都由下层的工作平台来支持, 在精密运动平台快速运行或停止的时候, 负载很大可能会造成加速的时候变慢,冲击力过大等问题。集成电路封装业发展 对封装设备提出的高要求,即精密运动平台具有高速度、高加速度和高精度,进 一步提高辉线机的快速稳定性和定位精度,减少误差和滞后。 鉴于傳线机研发的高要求,精密运动平台的设计及性能指标的提高就显得非 常关键,以上介绍的各种平台的研宄还存在一些问题,如还不能解决高加速度运 动条件下的快速精密定位,尚不能满足电子封装装备的运动需求。 2.1 主要内容 1)要求学生独立完成。 2)方案要求:由螺旋传动组、伺服电机驱动组以及精密导轨等部分组成,在 x、 y 方向移动距离为 200mm,运动速度不超过 10mm/s,负载不大于 10kg 的移动平台。 3)完成内容:原理设计;结构图设计;完成三维建模和二维尺寸标注图不少于 20 张。 4)完成学术论文。 2.2 主要方案 针对设计任务,进行合理构思。本课题所设计的 xy 二维移动平台可用于实验室中对 器件的观察、移动。采用电气式伺服驱动装置作为动力提供,为保证一定传动精度 平稳性,采用了精度较高的滚珠丝杠作为传动装置和滑动直线导轨,同时选择质量较 轻的工作台作为负载台,如图 1-1。 图 1-1 xy 移动平台 以下是各个部分的方案比较,见表 2-2-1,2-2-2 和 2-2-3。 表 2-2-1 螺旋传动装置 种类 滑动螺旋传动(图 2-1) 静压螺旋传动(图 2-2) 滚动螺旋传动(图 2-3) 特点 通常采用梯形螺纹和 锯齿形螺纹,有时也 采用三角螺纹。 螺纹工作表面形成液体 体静压油膜润滑的螺旋 传动。 用滚动体在螺纹工 作面间实现滚动摩 擦的螺旋传动。 优点 结构简单,便于制造, 制造成本低。 摩擦阻力小,传动效率 高,无磨损和爬行现象, 无反向空程,轴向刚度 高,不自锁,具有可逆 性。 摩擦阻力小,磨损 较小,无爬行和反 向空程现象,轴向 刚度高,传动效率 高,不自锁,具有 可逆性。 缺点 易于自锁,摩擦阻力 大,传动效率低,磨 损快,传动精度低。 螺母结构复杂,需要稳 定的供油系统,成本较 高,多用于高精度、高 效率的传动。 结构复杂,制造精 度要求高,抗冲击 性差。 图 2-1 滑动螺旋传动 图 2-2 静压螺旋传动 图 2-3 滚动螺旋传动 根据任务书中的要求,xy 方向各移动的距离为 200mm,且负载重力不大于 100N, 据三种螺旋传动的特点对比以及经济性考虑,采用了第三种滚动螺旋传动中的滚 珠丝杠作为传动装置。 表 2-2-2 驱动装置 种类 电气式 气压式 液压式 特点 可用普通电源,信 号与动力传送方向 相同,分交流和直 流,受电 压影响。 空气压力源的压力为 (57)105Pa,要求操 作人员技术熟练。 液压源的压力为 (2080)105Pa,要求 操作人员技术熟练。 优点 易编程易操作,能 实现定位伺服;响 应快,易与 cpu 接 口,体积小动力较 大,无污染 气源方便,成本低, 无泄漏污染,速度 快,操作较为简单。 输出功率大,速度 快,动作平稳,可 实现定位伺服。 缺点 瞬时输出功率大, 过载能力差,会 受到噪声影响。 功率小,体积大, 动作不平稳,不易 小型化,噪声大, 难于伺服,不宜远 距离传输。 难于小型化,液压 源/液压油要求严 格,易泄露有污染。 根据任务书中的要求,xy 二维移动平台是一个较为精密的装置,移动范围 为 200mm*200mm,需要体积小,操作简易,反应敏捷的伺服电机驱动,由上表 分析,本课题选择采用电气式伺服电机驱动组。 表 2-2-3 导轨以及运动平台面的选择 种类 滚珠直线导轨(图 3-1) 滑动直线导轨(图 3-2) 特点 精度高,载重高,安装维护时需 专业人员。 传动速度快,噪音低,易安 装,耐粉尘。 图 3-1 滚珠直线导轨 图 3-2 滑动直线导轨 同样根据任务要求,选择易安装、传动速度快的滑动直线导轨。 运动平台面考虑选择尺寸大小为 100mm*100mm 的合金平面台,会以质量轻,耐 腐蚀抗冲击耐粉尘为优先选择属性。 2.3 研究方法 2.3.1 查阅资料:通过查阅相关的文献资料、课本中所涉及的相关知识,了解二维 动平台的工作原理、组成仪器、发展进程、历史背景以及在生活中的实际应用。 2.3.2 观察操作:观察实验室中与二维移动平台相似的仪器,通过实际使用与观察 对所要设计的仪器有更明确更具体的构思。 2.3.3 询问讨论:在课题进行过程中,通过与导师和同学的问题交流讨论,来查漏 缺,最后自己完善出最适合的方案。 3本课题研究的重点及难点,前期已开展工作 3.1 重点 1)机械传动装置的选择:在进行传动装置的选择时,要根据所设计仪器的特点, 比较常用的传动机构,进行筛选。 2)将传动部分、电机驱动部分和其他零件部分的装配组合。 3.2 难点 1)零件的选择、装配 2)三维建模的图纸绘制 3)后期的误差分析 3.3 前期已开展的工作 查阅大量的资料,了解了课题背景,知道了国内外发展状况。了解了不同传动装 置的原理及优缺点,学会熟练使用 Soliworks 和 CAD 制图软件,确定了适合的螺 旋传动装置和精密导轨以及伺服电机驱动组。并制定了后期工作安排,为后续工 作做好了准备。 4完成本课题的工作方案及进度计划 4.1 工作方案 4. 1. 2 查阅资料,弄清概念,理解原理 4.1.2 结构设计。先是总体设计,再是部件设计。部件设计包括螺旋传动部分、动 力提供部分、导轨三大部分。 4.1.3 完成论文 4.2 进度计划 第一周 根据所选的课题收集相关资料,初步对课题有一些感性认识,并了解学习 Soliworks 和 CAD 的画图知识; 第二周 分析收集到的资料,筛选有用的部分,并对课题设计出一些初步想法; 第三周 根据课题依据资料在老师指导下完成开题报告; 第四周 针对老师提出的问题做出思考并查阅资料进行分析; 第五周 完成总体结构设计; 第六周 复习 CAD 和 Soliworks 画图知识,为画图做好准备; 第七周 运用 Soliworks 软件及相关资料勾画传动部分; 第八周 运用 Soliworks 软件及相关资料勾画传动部分; 第九周 运用 Soliworks 软件及相关资料勾画装置动力提供部分; 第十周 运用 Soliworks 软件及相关资料勾画装置导轨部分; 第十一周 运用 Soliworks 软件及相关资料勾画装置零件细节部分; 第十二周 运用Soliworks和CAD软件及相关资料将三维立体绘图投影为二维绘图 并进行尺寸标注; 第十三周 运用Soliworks和CAD软件及相关资料将三维立体绘图投影为二维绘图 并进行尺寸标注; 第十四周 运用Soliworks和CAD软件及相关资料将三维立体绘图投影为二维绘图 并进行尺寸标注; 第十五周 针对老师给出意见作出修改; 第十六周 完成论文及准备最终答辩; 第十七周 修改并完善论文及准备最终答辩; 第十八周 最终答辩。 参考文献参考文献 1机械加工技术手册编写组.机械加工技术手册.北京:北京出版社,1993 2周开勤主编.机械零件手册.北京:高等教育出版社,1999 3冯辛安主编.机械制造装备设计.北京:机械工业出版社,1999 4吴振彪.机电综合设计指导.北京:机械工业出版社,1997 5李洪.机械加工工艺手册.北京:北京出版社,1990 6颜鸿森.机械装置的创造性设计M,北京:机械工业出版社,2002. 7朱孝录.中国机械设计大典第

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