电路板冲床进给系统设计

电路板冲床进给系统设计摘要：PCB（PrintedCircuitBoard）行业即印制电路板行业是电子产业的基础。随着电子产业的快速发展，作为电子产品的印制电路板的孔加工（定位孔、安装孔和过孔）及布线也越来越密集，精度要求也越来越高。作为加工印制电路板的导通孔的重要设备的数控钻床、冲孔机也需要向高速度、高精度和高稳定性的方向发展。而进给系统有事PCB加工设备的重要组成部分，这要求其进给系统具有很好的定位精度和较高速的适应能力。本文对电路板冲床进给系统进行了总体设计及总布局；对进给系统进行了详细的设计，主要包括：滚珠丝杠副的设计计算、导轨副的计算与选型、丝杠端部的支撑方式的选择、联轴器和轴承的选用和寿命校核、电机型号的选用以及底座的和工作台的设计等；建立进给系统的三维模型包括零件模型和装配体模型及运动仿真。关键词：进给系统，滚珠丝杠，印制电路板发展趋势，支撑结构IDesignofPCBpunchingmachinefeedingsystemAbstract:PrintedCircuitBoardindustryisthefoundationoftheelectronicsindustry.Withtherapiddevelopmentofelectronicindustry,Aselectronicproducts,PCBholeprocessing（Positioninghole,mountingholesandhole）andthewiringisbecomingmoreandmoreintensive,evenaccuracyisbecomingmoreandmorehigh.ThefeedsystemoccupyanimportantpartofPCBprocessingequipmentwhichrequiresthefeedsystemhasgoodlocalizationaccuracyandthehigh-speedabilitytoadapt.Basedonthedesignofcircuitboardpunchpressfeedsystem,Theoveralldesignandthelayoutofthecircuitboardpunchpressfeedsystemhascarriedout.Thedesignoffeedsystemmainlyincluding:thecalculationinthedesignofballscrewpair,thecalculationandselectionofscrewguide,thechoiceofthesupportstructure,theselectionofcouplingandbearing,theselectionofmotormodelandthedesignoftheworkbench,etc.Establishedathree-dimensionalmodelofthefeedsystemincludingpartmodelandassemblymodelandmovementsimulation.Keywords:feedsystem,ballscrew,printedcircuitboard,supportstructure目录1绪论.11.1课题目标及意义.11.2国内外发展应用状况.11.2.1PCB行业概况.11.2.2国内外PCB设备概况.31.2.3进给系统研究现状.51.3本论文的研究内容.62进给系统总体设计及总布局.72.1进给系统分类.72.2进给系统总布局.73进给传动部分设计.93.1初步确定尺寸及估算重量.103.2滚珠丝杠机构设计计算.103.2.1滚珠丝杠副工作原理与结构.103.2.2滚珠丝杠选型.143.3滚珠丝杠机构装配附件选型.263.3.1丝杠支撑单元选型及轴承确定.263.3.2锁紧螺母选用.273.3.3螺母支座选用.283.4伺服电机选择计算.293.4.1驱动扭矩计算.293.4.2联轴器选型.333.6本章小结.364电路板冲床进给系统三维模型建立.374.1各零件模型建立.374.2总装配体模型建立.394.2.1滚珠丝杠部件装配体.394.2.2进给系统总装配体模型.394.2.3进给系统运动学仿真.40I4.3本章小结.435结论.44参考文献.45附录.46致谢.5401绪论1.1课题目标及意义印制电路板行业是电子工业的组成部分和重要基础，随着电子产品近年来的快速发展，我国已成为印制电路板生产的第一大国。有专家预测，中国将会成为世界电子产品的制造中心。印制电路板的质量会直接影响整个电子产品的性能，而国内的PCB制造企业与国外有巨大的差距，我国虽为第一生产大国却非为第一生产强国。面对国外同行的竞争，我们只有紧跟国际新技术的发展和不断改进制造工艺，才能与国外同行相抗衡去的竞争优势。本论文设计的目的在于通过对进给系统的设计，了解印制电路板冲床设计的总体方法与思路，为以后的进一步工作打下基础。通过对进给系统的设计加深对基础知识的理解，并学会机械设计手册的运用，并将电路板冲床进给系统在传统的基础上有所改进。1.2国内外发展应用状况1.2.1PCB行业概况在印制电路板出现之前电子元器件之间的连接都是用电线直接连接的，直到20世纪三十年代奥地利人PaulEisler提出印制电路的概念并使用，再到20世纪50年代PCB的小规模生产，直到现在经过几十年的发展，印制电路板的应用市场已经包括计算机、消费电子、通讯、汽车、医疗、工业、航空军事及半导体封装等。据相关统计，受全球金融危机的影响，PCB行业总产值由2008年的482.30亿美元到2009年同比下降14.52%，2009年PCB行业的总产值为412.26亿美元1。2010年经济开始好转PCB行业的总产值同比上涨27.30%1。2011-2013年全球PCB产业进入调整期，全球PCB产业总产值分别为554.09亿美元、550.39亿美元和552.38亿美元。预计2014-2019年全球PCB产业产值的年复合增长率为3.0%1。图1.2.1为全球PCB产值及增长情况。1图1.2.1全球PCB产值及增长情况资料来源：中国产业信息网单位：亿美元目前，中国大陆地区已经逐渐形成了以珠江三角洲地区和长江三角洲地区为核心区域的PCB产业聚集带。中国PCB行业近些年来发展迅猛，已在2006年产值达到121美元，占全球总量的25%，成为第一生产大国。2008年的全球金融危机，中国也受到了一定的影响，全国PCB行业总产值从2008年的150.37亿美元下降到2009年的142.52亿美元1。2011-2013年中国PCB产业增长有所增缓，全国PCB行业总产值分别为220.29亿美元、220.34亿美元和228.32亿美元1。预计2014-2018年中国PCB行业总产值年复合增长率5.4%1。图1.2.2为中国PCB产值及增长情况。图1.2.2中国PCB产值及增长情况资料来源：中国产业信息网单位：亿美元2随着全球产业转移和产业结构调整的不断发展，PCB行业也由欧洲、美洲（主要是北美）、日本等国家和地区转移至中国和亚洲其他国家和地区。表1.2.1为全球PCB市场分布及变化。表1.2.1全球PCB市场分布及变化单位：亿美元20082013国家产值比例产值比例美洲4.834.596.2%欧洲3206.5%21039日本1.6217.81.7中国大陆573.834其他地区3.7519.43.1.2.2国内外PCB设备概况在PCB行业素有“三分技术七分设备”之说，在印制电路板的生产过程中加工设备的性能对其成本和质量及生产效率有重要影响。但在我国由于PCB产业未形成完整的产业链条（PCB、覆铜箔板、生产线专用设备、原材料、辅助材料及表面贴膜和电子制造及服务环节等）。所以中国虽为全球PCB产业大国，却非强国。中国PCB产值和产量均为全球第一，企业数量也是世界上最多的，但是生产所需要的关键设备、仪器、原材料及辅助材料等郭配套产业却发展不足，虽然我国在中低端设备上已经可以替代进口但是高端设备和检测仪器等，如机械钻孔、激光钻孔、光学检测设备和印制电路板所需的主要物料都来自国外，自给率较低。由此可知，大力发展PCB配套产业将成为我国PCB产业未来发展的重点。同时我国也在中国印制电路产业“十二五”规划、国家重点支持的高新技术领域及信息产业科技发展“十一五”规划和2020年中长期规划等相关政策法规中明确提出了对PCB配套设备及材料的支持和要求。在强有力的政策保障和下游需求下，会给PCB配套行业带来快速的发展，形成完整的产业链。作为PCB加工的关键设备数控钻床、冲孔机同时也遇到了发展的机遇和挑战。随着电子产品从“笨、重、厚、大”到“轻、薄、短、小”的发展及加工孔3的要求越来越高，对PCB加工设备的依赖性和精度要求越来越高。现代PCB数控钻床和冲孔机等的进本加工特点为：、运动行程短；、孔径小，孔数多；、孔间距小；、精度高且机床启停频繁。国外加工孔设备现大都采用高速空气主轴技术、高速和高加减速的进给技术与控制系统、高刚度和高精度的床身技术以及先进的测控技术和压力脚技术2。并且现在加工印制电路板的设备的发展趋势为：（1）通过如下途径减轻机床质量，提高机床的稳定想和刚性；1、采用蜂窝式结构的新材料做工作台；2、采用笨重的花岗石机身；3、X、Y工作台采用分离结构。（2）驱动方式从普通的伺服电机向直线电机发展且导向方式由滚动导轨向气浮导轨方向过度；（3）采用全闭环的控制系统，次测量及反馈系统向光栅尺发展，采用CCD摄像头获取孔的位置信息可以自动定位自动冲孔。具有高的分辨率；（4）每个主轴都有独立的驱动且株洲上采用空气轴承，转速高、刀具直径小能够加工微小孔；（5）刀具库管理系统具有自动执行钻孔操作、断刀检测及控制钻孔深度的能力。而我国由于起步晚，在设备方面与中国台湾地区、欧美地区、及日本等地有很大的差距，中国的PCB加工设备有如下缺点3：（1）大而不强；（2）快而不专；（3）多而不精。中国印制电路板设备产业虽然规模大、发展速度快，但在印制电路板的加工制造过程中的关键设备仍处于中低档次的价段，大多数的关键、高价、高技术设备的市场均被欧美、日本和我国台湾地区垄断。同时，由于发展速度过快且大多厂商都是外聘专业技术人员，导致我国PCB厂商虽有很好的效益，却没有足够的经验积累。这使得在生产的设备更新换代时，生产的设备因在国际同行面前没有足够的权威性和专业性，而无法在市场上取得竞争优势。中国印制电路板设备厂商众多，但大部4分均为小型设备厂，而高精度的钻孔机、冲孔机等设备，小型设备厂因为其价格昂贵而无法承担制造风险，因此无法与国外同行竞争。1.2.3进给系统研究现状数控钻床、冲孔机的进给系统的定位精度是衡量其工作性能的重要指标，为了提高进给系统的定位精度，国内外都下进行着对其的研究。当今国际上用于微加工技术、精密工程等领域的进给系统是国际上最先进的维纳定位和进给技术。现有以下分类：（1）基于蠕动原理的进给技术，其主轴和两紧夹盘与压电元件的组合体可以互为移动4。如图1.2.3；图1.2.3蠕动式进给原理（2）基于冲击驱动原理的进给技术，其移动主体通过电压元件与负载相连，通过电压波控制电压元件的收缩来间接移动负载和移动主体4。如图1.2.4。图1.2.4冲击驱动进给原理5（3）基于杠杆放大、柔性铰链原理的进给技术4。如图1.2.5。图1.2.5柔性铰链进给原理在数控设备中常见的进给系统有三种形式：（1）可实现单一方向上进给运动的单坐标式工作台进给系统5；（2）可实现极坐标范围内的进给运动的回转式工作台进给系统5；（3）即可实现极坐标范围内的进给运动又可实现进给运动的进给系统5。1.3本论文的研究内容本课题以印制电路板冲孔机的单坐标式的进给系统为研究对象，通过与PCB数控钻床的进给系统作比较，进而设计出适合于电路板冲床的进给系统。论文的主要内容如下：第一章：阐述了课题目标及意义，并介绍了PCB行业概况、国内外发展应用状况及进给机构的研究状况。第二章：首先拟定了进给系统的整体结构，然后尽可能的考虑现实中对结构的影响因素，最后确定进给系统的整体结构。第三章：根据进给系统的整体结构计算和设计进给系统的工作台、丝杠端部支撑方式的选择、滚珠丝杠副的设计计算、轴承联轴器的选用及伺服电机的选择计算。第四章：对滚珠丝杠进给系统进行各零件的建模和总装配体的模型，并将三维图转化为工程图。第五章：结论，对本论文的研究进行了总结，并对电路板冲床进给系统进行6了展望。2进给系统总体设计及总布局2.1进给系统分类PCB钻床进给系统的作用是将电机驱动装置的动力和运动传给执行部件，实现进给方向上的精确定位。其主要功能一为支撑被加工的PCB的平台作用，二为驱动工作台再进给方向运动。当今PCB数控钻床的种类众多，若按进给系统的运动方式进行分类可分为6：1、伺服电机+滚珠丝杠+滚动直线导轨；2、直线电机+滚动直线导轨；3、直线电机+滚动直线导轨+气浮导轨；4、丝杠+滚动直线导轨气浮导轨。由于气浮导轨对气压条件和工作台的结构要求较高且正在特性没有滚动导轨高，所以尽管其运动特性最好，却只有德国的数控钻床采用气浮导轨。一般国家大都选用第一种或第二种驱动方式。滚珠丝杠进给系统传动效率高、同步性好、精度高且使用寿命长。因此滚珠丝杠传动系统在PCB加工设备方面得到了广泛应用。图2.1.1为滚珠丝杠进给机构简图。同样，因为滚珠丝杠机构的应用范围逐步扩大出现了双螺纹结构的大导程滚珠丝杠、双电机驱动的滚珠丝杠、空心滚珠丝杠、用PVC涂层的滚珠丝杠等。但因为我国与国外技术水平有所差距，传统的滚珠丝杠进给系统仍在主导地位，故本论文采用传统的滚珠丝杠进给系统进行设计。图2.1.1进给机构简图72.2进给系统总布局在印制电路板上进行冲孔像钻孔一样，都属于机械操作。然而在孔的孔壁光滑度和直径精度及焊盘与底板分层上冲孔不如钻孔好。一般来说，大孔比小孔容易冲孔，对于强化纸制基板来说，小于0.9mm的孔，冲孔失败是常见的。所以，冲孔应用在大批量消费类的印制电路板上时，冲孔孔径应大于1.0mm，但冲孔也有许多优点:如许多孔可以同时被冲，操作成本要求低且具有非常高的生产速度；同时孔定位采用CCD摄像头捕捉，具有很高的定位精度和可重复性。当采用纸制基板进行冲孔时，应道考虑到材料的变形，即考虑到冲孔直径容差0.1mm。对于有1040t压力的冲孔，用1.6mm的板子做基板时，一般考虑所冲孔直径为1.6mm。在进行冲孔时为了防止铜箔边缘翘起和因为孔间距太小导致出现裂缝，通常不能再板子两面都进行设计且冲孔前不进行铜箔蚀刻。因为只有印制电路板的数量足够多时，至少超过2000个冲孔才会经济合算。所以大批量的无镀通孔强化纸制基板才适合冲孔，其他适合钻孔。因此，本论文采用强化纸制基板作为印制电路板的基板。传统的滚珠丝杠进给系统由框架底座、工作台、导轨、电机、滚珠丝杠副等部分组成，但为了提高进给系统的定位精度和传动精度。本课题对传统滚珠丝杠进给系统进行了小部分优化。（1）为了保证进给系统的进给运动精度，防止在工作中导轨产生振动或摆动，本课题计划在导轨支撑座与底座焊接在一起，同时在导轨支撑座上加工与标准导轨相配的安装孔，另外在导轨两侧加上两根夹紧条或在导轨支撑座上设有夹紧装置；（2）为了防止冲孔过程中刀具对工作台的破坏，可在工作台上加上一层可拆卸的铝制垫板，当垫板一侧用坏后，可拆卸下来使用另一面，节约成本；（3）虽然丝杠的支撑方式选择“固定固定”支撑方式可以提高进给系统的刚度，但电路板冲床进给系统属于较高精度的受力机械，采用：“一端固定、一端支撑”方式即可；（4）为了防止滚珠丝杠螺母副上受到倾覆力矩，需要保证滚珠螺母的法向定位与工作台的连接面相互垂直；（5）由于工作台的行程较长时，丝杠的刚性会变差。所以一般的工作台行程只有几百毫米，工作台的尺寸大小不能超过行程；（6）在底座与滚珠丝杠进给机构链接处加工一个矩形凹槽，使得滚珠丝杠机8构凹陷下去，以减少装配难度且不会对底座的工作稳定性和刚性造成影响，节省材料，节约成本。综上所述，进给系统的结构从下到上包括底座（底座下为地作支撑座）、导轨支撑座、导轨和夹条、导轨滑块、滚珠丝杠、电机、联轴器、丝杠螺母座、轴承、工作台、工作台垫板等构成。2.3本章小结本章首先对市场上常见的PCB数控钻床进给系统进行分类，结合我国实际发展状况，选定整体的传动方式。然后对电路板冲床进给系统进行了初步设计，通过考虑现实中可能出现的问题来把握进给系统的整体结构，对进给系统进行总布局和总设计。93进给传动部分设计3.1初步确定尺寸及估算重量只有先确定工作台的最大行程参数及重量后才能进行机械部分的设计，因此，下面从产品形状、产品尺寸、产品料厚及性能等方面确定出工作台的尺寸和行程参数。（1）产品形状印制电路板的最佳形状往往为矩形，长度比一般为3:2或4:3；（2）产品尺寸电路板如果尺寸过大，则会导致印制电路板的线路过长、抗噪声能力下降、阻抗增加、成本增加；而如果电路板尺寸过小，则会导致临近线易受干扰且散热不好。当电路板面积大于2015m时，一般应考虑电路板所承受的机械强度，因此一般的电路板的尺寸控制在0m左右；（3）产品的料厚及性能PCB制造商普遍采用以玻璃纤维、布织物料和树脂组成的绝缘部分，再用环氧树脂和铜箔压制成的“粘合片（prepreg）”使用。印制电路板用冲孔机加工时印版采用的基板为纸制苯酯类和环氧基类基板。印制电路板的板材厚度一般为0.53.2m。印制电路板板材材料如图3.1.1。当负载超过50kg时，会影响滚珠丝杠的中心高，而花岗石结构致密、吸水率低（0.13%）、表面硬度高（70HS）、耐久性强、化学稳定性好、抗压强度大（）、机械刚性高、密度介于之间，加工310gc22.793.0gcm25左右的电路板时宜采用花岗石作工作台。但从环境角度考虑，花岗石为不可再生资源。综上，初步确定工作台的尺寸长、宽、高为516，材料选用花岗石密度按计算质量约为39.6kg，最大行程为350mm。加上20mm厚的铝制垫板23.0gcm(),总质量约为48.5kg。273.2滚珠丝杠机构设计计算3.2.1滚珠丝杠副工作原理与结构1.滚珠丝杠副结构组成10如图3.2.1。将滚珠丝杠沿轴向剖开，可看到其内部结构主要由丝杠、滚珠、螺母、回流管、防尘片和油孔组成。图3.2.1滚珠丝杠原理图1-丝杠；2-螺母；3-滚珠；4-滚珠回流管它们的作用如下：（1）丝杠丝杠是一种表面加工有半圆形状螺旋槽螺纹的轴类零件，丝杠拥有很高的直线度、硬度、耐磨性。丝杠表面的螺旋槽配合螺母在其中放入适量的滚珠，是滚珠滚动的滚道。丝杠与电机直接相连或通过联轴器、其他传动环节（齿轮、同步带）间接相连。通过电机驱动带动丝杠转动。（2）螺母螺母通过螺母座与工作台等各种负载相连，从而固定需要移动的负载，作用与直销导轨副上的滑块相似。螺母是滚珠丝杠副的重要部件，在内部拥有回流管的结构是影响滚珠丝杠机构性能和质量的重要因素。（3）滚珠滚珠的作用与轴承中滚珠的作用相同，滚珠一方面作为承载体直接承受载荷，另一方面作为中间传动元件以滚动方式传递运动。滚动方式摩擦小，滚珠通过螺母上的回流管反复循环。（4）防尘片因为滚珠丝杠属于精密部件，当灰尘、金属屑等污染物进入滚珠丝杠内部后，会导致滚珠丝杠机构受到磨损，从而影响滚珠丝杠机构的精度和使用寿命，甚至发生损坏。因此需要添加防尘片防止污染后进入滚珠丝杠机构内部即螺母内部。（5）油孔因为滚珠丝杠机构是高精度部件，所以在其运行时需要进行润滑，因此应通过油孔定期添加润滑脂或润滑油。112.工作原理滚珠丝杠副属于螺旋传动，螺旋传动分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋。滚珠丝杠机构属于滚动螺旋，其工作原理和螺母与螺杆间的传动相似。滚珠丝杠副是在丝杠与螺母之间放入了量的滚珠，同时利用螺母内的回流管在螺旋滚道中形成循环回路，替代滑动摩擦为滚动摩擦。当丝杠能够转动且螺母不能转动时，因为螺母、工作台等与直线滚动导轨连接在一起，丝杠转动时，其只能进行沿导轨方向上的直线运动。滚珠丝杠机构将伺服电机的回转运动转换为工作台的直线运动。当伺服电机转向改变时，丝杠的转向也会发生改变，随之螺母及工作台等将按反向的直线运动。即电机的正反转可以使负载滑块进行往返直线运动。3.滚珠丝杠副分类（1）按滚珠的循环方式进行分类1.内循环结构：如图3.2.2（滚珠在循环过程中始终与丝杠保持接触），内循环结构中组成循环回路的为反向器，其中每个反相器组成一圈滚珠链，其特点为承载能力小，传动流畅性差，适用于中小型滚动螺旋传动。图3.2.2内循环结构螺母2.外循环结构：如图3.2.3（滚珠在返回过程中与丝杠脱离接触），外循环结构中组成循环回路的为插管。每个插管至少可装1.5圈滚珠，其特点为承载能力大，适用于小、中、大导程和重型滚珠丝杠副，但螺母外形尺寸会增大。图3.2.3外循环结构螺母12（2）按丝杠的制造方法进行分类1.磨制滚珠丝杠：磨制滚珠丝杠采用精密磨削的方法进行加工，精度高，但缺点是制造成本高，价格昂贵。2.轧制滚珠丝杠：轧制滚珠丝杠采用精密滚扎成形的方法进行加工，精度略低，但优点是制造成本较低，价格便宜。4.滚珠丝杠机构常用材料丝杠和螺母应根据用途、精度等级和热处理要求条件来选定材料。所选定的材料应具有良好的耐磨性和易加工性，为了减小磨损，丝杠和螺母应采用不同的材料。且选择的丝杠和螺母的材料的硬度应大致相同且均为高硬度。滚动螺旋传动机构的材料都采用合金工具钢或滚动轴承钢，丝杠常用的材料有42CrMoA、60Mn、2CrMoA、GCr15、9Mn2V等；螺母常用的材料有GCr15、CrWMn、18CrMnTi、12CrNiA等。但因为滚珠丝杠的设计已被制造商标准化，故只需要根据使用条件选用标准化部件即可。5.滚珠丝杠机构特点（1）优点：1.传动效率高，摩擦损失小一般可达的机械传动效传动效率的率，0.9.5是滑动螺旋的3倍；2.磨损小，使用寿命长采用滚动传动且丝杠及螺母的硬度均达到,滚珠的硬度达到，因此滚珠丝杠机构在几乎没有5862HRC62HRC磨损的状态下运行，故使用寿命长；3.传动精度和轴向刚刚度高经过调整预紧，使轴向间隙为零或成为负间隙而拥有高的刚性，滚珠丝杠机构在加工、组装、检测等方面有严格控制，且运行发热少，可实现很高的传动精度；4.具有传动的可逆性即可将丝杠的转动变为螺母的直线运动，也可将螺母的直线运动变为丝杠的转动；5.驱动扭矩小，能微量进给因为滚珠在螺旋滚道内进行滚动运动，阻力小，驱动扭矩是螺纹丝杠的，仅需很小的驱动功率，因为启动扭矩小不易出现低俗爬行13现象，所以可以实现微量进给；6.摩擦阻力小，运动平稳因为是滚动摩擦，动静摩擦系数相对较小，且静止摩擦力极小，因此灵敏度高，运动平稳。13（2）缺点：1.不能自锁因为是滚动传动，所以运动可逆，但不能自锁，因此在垂直方向的传动中需要加自锁装置；2.结构工艺复杂，成本高其中丝杠的价格一般按其长度有多少毫米计算，价格较贵。3.2.2滚珠丝杠选型1.选定丝杠精度每个国家和地区所使用的精度等级代号都不同，如我国国家滚珠丝杠机构标准代号为,而中国香港、台湾和日本使用的标准代号则为和1758.39GBT19JISB，德国则为，国际标准化组织为。不同的精度等级92JIS6051DIN3408ISO表示应长度的丝杠所对应的导程的允许误差即导程变动量和导程累计误差量，滚珠丝杠的精度应当根据具体场合的实际使用要求来确定，精度等级要求越高，则制造成本也越高，价格也昂贵，因此不能盲目选用过高的精度。附表8是日本THK公司典型设备使用滚珠丝杠机构的精度等级选择表。可知印制电路板钻孔机的推荐精度等级为C1、C2、C3、C5、C7，因为印制电路板冲孔机的精度要求不如钻孔机高，由此选定C7精度下的磨制滚珠丝杠，因为THK公司在C7精度下既有磨制滚珠丝杠又有轧制滚珠丝杠但因为轴径与导程组合中轧制滚珠丝杠不能满足要求条件，故选用磨制滚珠丝杠。电路板冲孔机要求定位精度为换算为300mm时允许误差为，重复定位精度为0.21m0.63m。所选C7的导程积累误差为。.52.导程计算与选定导程表示丝杠转动360时螺母沿轴线方向移动的距离。（单位：mm）丝杠的导向方向一般为右旋，部分为左旋，一般在选择时选用标准方向即右旋。滚珠丝杠的丝杠外径与导程组合已被制造商标准化，故只需根据使用条件即可选用。导程的计算与丝杠和电极之间是否有减速器有关，因为本论文是伺服电机通过联轴器与丝杠直接相连,而联轴器择可认为其减速比为。1i一般印制电路板冲孔机进给系统的电机的额定转速为为，进给速NR50minr度为由式（3-1）得：maxV15in14(3-1)33max106.25106BRVmNiP（3-1）式中，电机额定转速，；inr最大进给速度，；as滚珠丝杠的导程，；电机到丝杠的减速比。i(3-2)150223RBSNPnL根据计算结果可知必须选定10mm及以上的导程。同时由式（3-2）此可知，丝杠每分钟往返次数为：则实际每分钟往返次数可设为n=10次/min。3.丝杠支撑方式选定为了提高滚珠丝杠进给系统的工作精度，需要提高滚珠丝杠副本身的刚度和丝杠支撑结构的刚度。而影响支撑结构刚性的因素包括：轴承座的刚度轴承的刚度轴承座与底座的接触面积等。滚珠、螺母是滚珠丝杠副是滚珠丝杠副的核心部件，滚珠丝杠机构与导向部件（直线滚动导轨）同时使用，滚珠丝杠只通过滚珠螺母提供工作台及承载物的导向方向作直线运动的轴向力，滚珠丝杠机构在运行过程中滚珠螺母不能承受径向载荷和扭矩载荷，只能承受丝杠轴方向的载荷且工作台和导向部件刚性高，为了防止过载导致传动精度下降、不平衡，故常用来承受各种径向载荷和扭矩载荷。同时，需要注意到应使作用在滚珠丝杠副上的轴向载荷通过丝杠的轴心。丝杠承受的径向载荷主要是本身的重量。滚珠丝杠一般有以下三种支撑结构：（1）固定端固定端支撑结构将轴承座、轴承外端盖、轴承、锁紧螺母、调整环等部件全部集成在了一起，如图3.2.4。固定端支撑结构内的轴承为角接触球轴承，角接触球轴承使得丝杠在固定端既受轴向约束，又受径向约束。为了方便用户，制造商已将其设计标准化。15图3.2.4固定端结构（2）支撑端支撑端结构主要包括：轴承、轴承座及弹簧挡圈，如图3.2.5。支撑端轴向自由，当丝杠因为热变形而有长度变化时，可以做微量的浮动，保证丝杠处于直线状态，其内的轴承一般为只提供径向约束，而轴向为自由的普通向心球轴承。为了方便用户，制造商已将其只设计标准化，用户可以根据需要，直接选型，简化了设计制造。图3.2.5支撑端结构（3）自由端自由支撑端即丝杠端部没有支撑结构，处于悬空状态。支撑结构的选型方法：（1）根据滚珠丝杠安装结构确定支撑结构；（2）根据丝杠丝杠外径选择支撑单元型号。丝杠支撑结构有以下4种安装结构：固定固定固定支撑支撑支撑固定自由固定固定的方式适用于高精度、高转速且丝杠长度较大的场合；固定支撑的方式适用于精度和刚度要求较高且中等速度的场合或或丝杠较长的场合；支撑支撑的支撑方式适用于刚度和精度要求不高且为中等速度的场合；固定自由的支撑方式适用于转速较低、丝杠较短的场合，其最适用于垂直提升负载的场合。本论文的工作行程为，属于小行程，但对于精度的要求较高故用固定350m支撑的支撑方式。164.丝杠端部形状设计丝杠端部的形式应根据丝杠端部两端的支撑方式和传动方式来确定的。其中支撑单元的结构决定了丝杠轴承间的配合结构，而传动方式决定了丝杠与电机的链接形式。下列为根据传动方式和支撑方式确定的几种常用形状。（1）电机联轴器丝杠丝杠端部应设计为光轴的形式；（2）电机齿轮（同步带）丝杠丝杠端部应设计为键槽结构。（1）端部若采用支撑单元，则丝杠端部应设计为带弹性挡圈安装沟槽的结构；（2）端部若采用固定支撑，则丝杠端部应设计为带所锁紧的螺纹结构。图3.2.5为丝杠端部常用形状。由于滚珠丝杆的选配已标准化，其端部形状制造商以提供了详细的设计尺寸，因此本论文按制造商的详细尺寸设计丝杠端部形状，并选用相应的支撑单元。本论文采用电机联轴器丝杠的结构，丝杠端部应为光轴形式。5.丝杠外径选定丝杠外径的主要由以下条件选定：（1）按定位精度选定的滚珠丝杠系列表中选定；（2）滚珠丝杠外径的选择与游向间隙和精度等级有关；（3）在丝杠轴外径与导程的标准组合表中选定外径。由附表1可知选定的丝杠是等级精度为C7的磨制滚珠丝杠，从精密滚珠丝杠的轴向间隙（预压）附表1和丝杠轴外径与导程的标准组合附表2可知，350mm螺纹长度的丝杠若游向间隙为G2，若丝杠轴外径在间需要负间隙（予压状态）制810m造，则不需要，因此由附表2已知的外径与导程组合，可选丝杠外径适选26m择。如图3.2.6是负载的速度线图。1517图3.2.6负载速度线图由此可推算出加速时间，减速时间，等速时间；0.21st0.23st1.23st加速距离，.515maxmV等速距离，2t减速距离。102.023a式中，最大进给速度，。axVs轴向允许载荷计算及校核在一定的丝杆外径下，丝杠可能因为无法承受最大轴向载荷而发生能弯曲，因此需要对初选的丝杠外径进行轴向允许载荷的校核，同时轴向载荷是计算电机选型重要依据的扭矩载荷的基础。加速度：0.25max21.Vmst式中，负载运动的加速度，；as最大进给速度，；xV加速时间，。1ts18根据力学原理，以下为丝杠在各种工作情况下的轴向载荷：加速前进时：0.359.8150.281mgfaNF等速前进时：72减速前进时：.633f加速返回时：03598150284mgaNF等速返回时：.75f减速返回时：.636式中，为各种工作状况下的轴向载荷，；1FN负载的质量(含工作台和工件)，；mkg负载运动的加速度，；a2ms直线滚动导轨副的摩擦系数；导轨上无载荷时的运动阻力，。fN由此可知，最大轴向载荷为801F丝杠在不发生弯曲时所允许的最大轴向载荷计算查阅THK公司滚珠丝杠综合目录知，使用15mm的丝杠轴直径、10mm的导程（最小沟槽谷径为12.5mm）时，由表3.2.1的安装方式的相关系数知，有丝杠10.2的最大行程350mm初定丝杠的安装间距为。最大轴向允许载荷为50Lm(3-3)4412201.1976rPdNL式中，最大轴向允许载荷，；N丝杠安装间距，；Lm丝杠沟槽谷径，；dr和安装方式相关的系数。219表3.2.1和安装方式相关的系数和值12丝杠的安装方式固定固定固定支撑支撑支撑固定自由14210.25220.010.051.2丝杠实际最大轴向载荷小于,符合要求，安全。801NF9761NP丝杠在不发生屈服时所允许的最大轴向载荷计算丝杠在不发生屈服条件下所允许的最大轴向（拉伸或压缩）载荷为(3-4)22221.5684rrPd丝杠实际最大轴向载荷小于，符合要求，安全。801NFNP丝杠所允许转速的计算及校核丝杠所允许的转速必须满足以下两个条件：（1）丝杠的最高转速应小于其临界转速；（2）丝杠的最高转速应小于值。DN随着丝杠转速的提高会逐渐接近丝杠的固有频率，因而丝杠会发生共振而不能使用，故丝杠的转速不能超过其临界转速。考虑安全系数为0.8，丝杠的临界转速有公式（3-5）得：2377226011.50.80min1rdEJfrnLAL(3-5)式中，临界转速，；minr、和安装方式相关的系数，见表3.2.2；f丝杠安装间距，；L杨氏弹性模量（一般情况下丝杠材料的弹性模量）E522.061ENm；丝杠材料密度（约为）；637.810kgm20丝杠沟槽谷径剖面面积，；A24Admr丝杠与转动惯量相关的参数，;J46J表3.2.2和安装方式相关的系数、f丝杠的安装方式固定固定固定支撑支撑支撑固定自由f21.915.19.73.44.7303.9271.875DN值即丝杠滚珠中心直径D与丝杠转速ND的乘积，国际上,只有少数的日本和德国公司已将DN值提到150000。一般情况7010DN下磨制滚珠丝杠的DN值应满足：。70N查阅THK公司的滚珠丝杠产品综合目录，丝杠直径15mm，导程10mm时，滚珠中心直径（BCD）D=15.75mm，由DN值决定的临界转速值为：704min215.rnD根据电机所需转速与最大进给速度及导程和传动比的关系知实际MNaxVBPi最高转速为：(3-6)33max106.251065inBVrPi式中，电机所需的转速，；Nmi最大进给速度，；axVs滚珠丝杠的导程，；PB减速比。i由此可知，选定的丝杠符合丝杠所允许的转速。6.螺母类型选定滚珠螺母是滚珠丝杠机构的重要组成部分，其品质的优劣决定了整个进给系统的运动特性的优劣。螺母的类型主要由法兰型、圆筒型和不规则法兰型三种，若结构上有足够的空21间则选用法兰型，否则选用圆筒形或不规则法兰型。因为本论文所设计的电路板冲床进给系统结构空间较紧凑同时螺母要与工作台链接，为了降低安装高度故选用不规则法兰型。因为滚珠丝杠常需要通过预压的方式消除游向间隙，所以常采用双螺母结构。（1）外循环式螺母结构简单、成本低，适于批量生产，常用于导程和丝杠外径较大的场合；（2）内循环结构的螺母结构紧凑，占用空间少，常用在导程和丝杠外径较大场合；（3）端盖式，端盖式的结构适用于高载荷、高速进给的场合。因为电路板冲床不如钻孔机效率好、精度高，且电路板属于小类型加工件，由上述可知，宜采用内循环式、不规则法兰型的螺母类型。1.螺母预压等级的选定影响滚珠丝杠机构的主要误差包括：丝杠导程精度；游向间隙；进给系统的轴向刚性；热变形10。而减少或消除上述各种影响系统误差的方法有消除轴向间隙、提高进给系统的轴向刚性和防止丝杠的热变形等。其中消除游向间隙是最有效的方法，通过预压可使游向间隙减小到零并且可以提高滚珠丝杠的轴向刚性，同时防止在滚珠丝杆机构在运行过程中产生弹性变形而造成新的游向间隙。本论文的前述可知丝杠的导程精度等级为C7，丝杠与滚珠螺母之间的游向间隙为G2级予压。施加预压0.2m常用的方法有错位预压、双螺母定位预压、双螺母弹簧预压、超尺寸滚珠预压等7由于选用的是非规则的法兰型螺母，故采用双螺母定位预压中的伸张预压力，但是预压力过大时会缩短机构的寿命及增大发热量等恶劣影响，故一般最大预压载荷通常为最大轴向负荷的，以基本额定动负荷的10%作为最大预压负荷的基准。表133.2.3为滚珠丝杠适用于不同场合的预压量大小。表3.2.3不同用途设备的预压量不同用途的机器设备预压量大小1.半导体相关设备2.工业用机器人3.一般器械、专用机械0.1.4Ca.35.7222.螺母最大允许轴向载荷校核额定静载荷与直线导轨相似，是螺母的轴向允许载荷，因为螺母一旦承受过大载荷时，螺母内部会发生永久变形，致使进给系统不能正常运行。额定静载荷为滚珠与滚道的永久变形之和达到滚珠直径的0.00001倍时，大小和方向都不变的一个静载荷。7查阅THK公司的滚珠丝杠产品综合目录知，丝杠外径15mm，导程10mm的螺母为全钢球型精密滚珠丝杠BNK型，可选择的螺母型号和载荷分别为：，；150BNK14.3kNCa27.90kNCa考虑上一定的安全系数，因为冲孔机属于有较大冲击的机床，故安全系数应足够大，如表3.2.4。则实际上螺母所允许的最大