大行程一维滑台设计.doc

题 目: 大行程一维移动滑台设计13目 录摘要及关键字11.绪论2 1.1课题来源2 1.2技术要求2 1.3任务要求22.方案设计3 2.1方案概述3 2.2部件分析4 2.2.1电机选择4 2.2.2丝杠选择4 2.2.3丝杠支承5 2.2.4联接器、限位装置及导轨63.零件设计计算和选型7 3.1丝杠副选型与校核7 3.1.1丝杠副的选择7 3.1.2丝杠的校核8 3.2电机选型与校核9 3.3其余零件选型9 3.3.1联轴器选型9 3.3.2丝杠螺帽支撑架组合选型10 3.3.3轴承及轴承座选型10 3.3.4电机架设计10 3.3.5限位开关选型104.精度分析115.结论13大行程一维移动滑台设计说明书摘 要在各种精密仪器及精密机械装置中常使用多维工作台进行多维调整，包括位置调整和姿态调整。调整装置可大体分为：水平移动部件、垂直移动部件、旋转运动部件等。通常，一个六维调整装置（六维包括：三维角度，即俯仰、方位、旋转；三维平移，即水平横向、水平纵向和竖直方向。）采用部件串联实现，即各部件对应一维调整，部件组装后使装置可以应对多维的使用要求。课题背景为设计调整装置实现激光打靶装置中靶的多维调整。课题要求完成其中大行程一维移动滑台的设计并编写说明书。说明书，首先，给出了课题来源及课题所涉及的技术指标。其次，概述了一维移动滑台的总体方案，总体方案为伺服电机与丝杠副组成的数控滑台，并给出了方案各部分选择的依据。然后，对于关键部件丝杠副，说明了详细的计算过程及数据，并根据所选丝杠副完成伺服电机及其他零部件的选择与设计。最后对系统进行精度分析，根据精度分析的结果验算系统的精度并给出提高系统精度的方案。关键词：丝杆传动、一维移动、滑台设计 1.绪论1.1课题来源在各种精密仪器及精密机械装置中常使用多维工作台进行多维调整，包括位置调整和姿态调整。调整装置可大体分为：水平移动部件、垂直移动部件、旋转运动部件等。通常，一个六维调整装置（六维包括：三维角度，即俯仰、方位、旋转；三维平移，即水平横向、水平纵向和竖直方向。）采用部件串联实现，即各部件对应一维调整，部件组装后使装置可以应对多维的使用要求。课题要求设计调整装置实现激光打靶装置中靶的多维调整。为完成整个六维调整装置，所需部件有：X向水平移动平台、Z向水平移动平台、垂直移动平台（y向）、水平轴旋转调整部件、大行程一维移动滑台、相向平移滑台设计（垂直向）。每一个部件由一个课题小组负责，其中我组负责大行程一维滑台设计。1.2技术要求(1) 一维移动滑台的移动范围：700mm(2) 分辨率：5m/step(3) 工作台载重：总载重10kg，其中载重4.5 kg与工作台工作面的距离为490mm(4) 载物台尺寸：100mm100mm(5) 工作台定位精度：20m1.3任务要求(1)一维移动滑台的总体方案(2)驱动电机的选择(3)完成一维移动滑台的总装图设计(4)完成全部零件的设计(5)精度分析(6)设计说明书2.方案设计2.1方案概述滑台按驱动不同，可分为液压滑台与电机滑台。相比于电机滑台，液压滑台由于是由液压驱动，零件磨损小，使用寿命长，用于精密仪器时免去了仪器因零件磨损而需要长期检修与校准的麻烦。但是，由于液压缸通常都很大，用于这次课题显然并不适合。而且液压系统的漏油问题一直无法彻底解决。所以这里运用电机作为驱动源。虽然电机只能有级调速，变速比较麻烦、一般没有可靠的过载保护，不过对于这次课题这些都不是问题。课题中并没有对于运行速度进行要求，而且载荷很小，显然，对于这次课题电机滑台是很好的选择。至于将电机的旋转运动转换为滑台直线运动所需的传动装置，我组选择丝杠副。这类装置有很多，除丝杠副外还有带（链）传动、齿轮齿条及曲柄滑块等。图1、带（链）传动、齿轮齿条、曲柄滑块及丝杠副机构简图图1（a）、（b）分别为带（链）传动与齿轮齿条简图。我们可以看出齿条或带（链）的前进距离与齿轮转过角度和齿轮分度圆直径有关。技术要求中要求分辨率小于等于5m/step。假设齿轮每次可转0.036，根据公式，则齿轮分度圆直径需小于2mm，这很难做到。而曲柄滑块机构，其滑块运动速度为正弦函数，很难精确控制其位移。只有丝杠副能满足使用要求。图2为滑台系统的整体框图，其中的每一部分将在下一节中分段叙述。图2、滑台系统整体方案框图2.2部件分析2.2.1电机选择因为课题要求中有对于系统分辨率的要求，且其单位为m/step，所以可以看出所选电机必须可以按“步”旋转，即可对电机进行数字控制。同时按实际情况分析电机应能根据需要进行正转或反转。故电机的选择范围被限制在了步进电机与伺服电机之间。在这里，我组选用交流伺服电机，其考虑因素如下：1.控制精度以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500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360/10000=0.036。而对于步进电机，一般两相混合式步进电机步距角为3.6、 1.8，五相混合式步进电机步距角为0.72 、0.36。相较于步进电机，交流伺服电机的精度更高。2.低频特性步进电机在低速时易出现低频振动现象。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。3.运行性能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。 4.速度响应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，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。 根据以上四点可以看出伺服电机各方面都比步进电机要优秀，嗯，从她的价格中我们同样也能看出她的“优秀”。但是考虑到能让仪器有更高的精度以及更高的可靠性，无疑伺服电机是更好的选择。2.2.2丝杠选择丝杠螺母机构又称螺旋传动机构。它主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。有以传递能量为主的；也有以传递运动为主的；还有调整零件之间相对位置的。而我组所需设计的大行程移动平台显然是第三组的成员。而其在系统中的作用则是将电机的旋转运动变换为滑台的直线运动。丝杠螺母机构有滑动摩擦机构和滚动摩擦机构之分。滑动丝杠螺母机构结构简单，加工方便，制造成本低，具有自锁功能，但其摩擦阻力矩大、传动效率低(3040)。滚珠丝杠螺母机构虽然结构复杂、制造成本高，不能自锁，但其最大优点是摩擦阻力矩小、传动效率高(9298)，精度高，系统刚度好，运动具有可逆性，使用寿命长。所以与滑动丝杠螺母机构相比，滚珠丝杠螺母机构更符合设计要求。故而，丝杠副选择采用滚珠丝杠螺母机构。2.2.3丝杠支承（a）（b）（c）（d）图3、滚珠丝杠的基本支承方式滚珠丝杠的基本支承方式有4种。由于不同的支承方式，使容许轴向载荷及容许回转速度也有所不同。图3（a）为固定固定型，适用于高转速、高精度丝杠。图3（b）为固定支承型，适用于中等转速、高精度丝杠。图3（c）为支承支承型，适用于中等转速，中精度丝杠。图3（d）为固定自由型，适用于低转速、中精度、短轴向丝杠。丝杠的转速在技术要求中并没有给定，这里我组准备采用中转速，而滑台又有高精度要求，是故我组选用固定支承型丝杠支承，如图3（b）所示。2.2.4联接器、限位装置及导轨1. 联接器电机与丝杠的结构决定了两者无法直接相连。是以两者之间需要联接器进行联接。常用的联接器件有减速箱与联轴器。由于滑台的移动速度并没有规定，所以丝杠的转速有很大的选择空间。故而这里可以直接采用联轴器作为电机与丝杠之间的联接器件。2. 限位装置滑台的行程为700mm，为了确保滑台在运行中不会超出规定范围，在极限位置设置限位开关。当工作台运动到限位开关处并触动开关，限位开关会给予系统一个反馈信号使电机停止工作。为防止因限位开关失效、电机不响应、操作者误操作等因素使滑台运动至极限位置却不停止造成系统损坏，在限位开关后增加机械挡块作为附加限位装置，形成系统的最后一道保障。3. 导轨导轨可分为滑动摩擦导轨、滚动摩擦导轨、弹性摩擦导轨及静压摩擦导轨等。弹性摩擦导轨只能用作小位移。静压摩擦导轨需要在导轨间注入压力油或压缩空气，装置过于复杂。所以以上两者不予考虑。在滑动摩擦导轨与滚动摩擦导轨中，考虑到工作台受载不大，我们便选用了滑动摩擦导轨。3.零件设计计算和选型3.1丝杠副选型与校核3.1.1丝杠副的选择假设丝杠进给速度：,电机（驱动马达）转速：,电机与丝杠用联轴器链接，所以电机至丝杠的传动比：,通过下式进行计算。此时需5mm以上的螺距。假设工作台载重为11Kg、,工作平台与导轨之间的摩擦系数。对丝杠的受力进行分析，如图4所示：FfS=490a=120图4、 工作台受力分析其中：、,根据力平衡关系可得以下式子：（1） （2）（3）根据（1）、（2）、（3）可以得到：；我们在此忽略丝杠启动与结束的加速与加速过程吗，认为丝杠从头到尾做匀速运动,则丝杠轴向平均负载,丝杠平均转速。假设丝杠预期寿命为、运行系数,则可确定滚珠保丝杠副使用寿命的基本动额定负载。查阅Misumi的FA工厂自动化用零件标准型螺帽滚珠丝杠如图12所示图5、Misumi标准型螺帽滚珠丝杠选择满足螺距5、基本动额定负载352N的滚珠丝杠BSS1505，精度为C5。因为工作台的最大行程为700mm,工作台宽为a=120mm,在给系统预留点空间，所以丝杠轴全长L=900mm。3.1.2丝杠的校核考虑到我们丝杠的工作转速与要求精度，丝杠的支撑方式用固定支撑方式。如图3（b）所示。1.容许轴向负载校核负载作用点间距离、m=10、丝杠轴螺纹内径d=12.5mm,容许轴向负载P为：最大轴向负载352N小于容许轴向负载3879.9N，因此满足使用条件。2.容许转速校核支撑间距为、g=15.1，容许转速Nc为：最高转速3000rpm等于容许转速3000rpm,因此满足使用条件。综上所述，选用的滚珠丝杠型式为Misumi BSS1505-900。3.2电机选型与校核根据方案可取联轴器传动效率、轴承传动效率、滚珠丝杠副传动效率，所以系统机械效率为：轴向外部负载P=F=36.015N、滚珠丝杠的螺距L=5mm,所以电机抵抗外部负载以进行匀速驱动所需的扭矩为：通过查阅资料，我们学用Panasonic的MINAS A4系列AC伺服电机，型号为：MSMD 5AZP1D,其额定转速为3000rpm、额定转矩为0.16N.m,适配驱动器型号为MADOT1205。该伺服电机的编码器可选用分辨率为2500p/r的编码器，与4倍频细分的驱动器相结合，其脉冲当量为360/10000=0.036。与前面所确定的滚珠丝杠螺距L=5mm配合，可确定整个系统的分辨率为综上所述，选用的电机型式为Panasonic MSMD 5AZP1D。3.3其余零件选型3.3.1联轴器选型根据已选的滚珠丝杠与电机型号，可得到联轴器两端的轴径分别为8mm和10mm，传递转矩为,查阅Misumi FA工厂自动化用零件可选用高精度定位型联轴器SCXW46-8-10。该联轴器容许扭矩为10N.m、容许偏角为1.5、最高转速为10000r/min。综上所述，选用电机型式为Misumi SCXW46-8-10。3.3.2丝杠螺帽支撑架组合选型根据所选滚珠丝杠型号，Misumi对于螺帽支架有以下推荐。如图6所示：图6、 Misumi BSS1505-900螺帽支架推荐我们选用的丝杠螺帽支架形式为Misumi SCXW46-8-10。3.3.3轴承及轴承座选型因为滚珠丝杠的支撑方式为固定-支撑。在这种情况下，固定端装一对轴承，支撑端装一个轴承。固定端与支持端的轴承主要是承受轴向力，所以固定端选用角接触轴承7001C、支撑端选用深沟球轴承6200。对于固定端轴承座，Misumi FA工厂自动化用零件对我们所选丝杠有推荐如图7所示。图7、 Misumi BSS1505-900丝杠支座推荐为了方便轴承座的安装，我们固定端轴承座选用BSW12。对于支撑端轴承座，通过查阅Misumi FA用机械标准零件，根据支撑端所用的深沟球轴承6200的型号和方便安装的要求，我们选用型为BGBFB623ZZ-15。综上所述，固定端：轴承为7001C、轴承座为Misumi BSW12 支撑端：轴承为6200、轴承座为Misumi BGBFB623ZZ-153.3.4电机架设计电机架的设计主要依靠的是所选电机的外部尺寸与螺孔的分布情况，具体结构请看电机架的零件图。3.3.5限位开关选型通过查阅资料，选用的限位开关型式为Omron D2JW-01K1A1。4.精度分析该系统的误差源主要丝杠回程误差，丝杠制造误差，导轨不平行度，丝杠变形误差，电机转动误差，联轴器弹性变形。它们所引起的工作台定位误差分别为。由所选丝杠型式可知，丝杠回程误差为。所选丝杠的精度为C5，对于丝杠制造误差，查阅Misumi FA用机械标准零件滚珠丝杠选择方法可得图8。图8、定位用（C系列）的代表移动量误差（ep）和变动的容许值（Vu）由图中数据可知，螺纹长度8001000mm的C5精度的丝杠的制造误差为，所以。因为导轨的作用主要是导向和支撑工作台，所以可以忽略导轨不平行度对工作台定位的影响及。LXY支承固定工作台图9、 丝杠变形分析因为丝杠主要受轴向力作用，所以丝杠的变形主要是拉压变形。如图9所示，其中轴向负载P=36.015N，杨氏模量，丝杠轴螺纹牙根直径，安装间距，当X=Y=L/2S时，丝杠有最大拉压变形为：因