二维伺服运动平台的机械结构设计

1、密 级学 号080209115院、(系)机电工程学院题目：二维伺服运动平台的机械结构设计学位申请人：石超指导教师：高红红学科专业：机械设计制造及其自动化学位类别：工 学 2011年 06月本科毕业设计(论文)题目： 二维伺服运动平台的机械结构设计院 （系）： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 080209 学 生： 石超 学 号： 080209115 指导教师： 高红红 2011年 06月 二维伺服运动平台的机械结构设计摘 要机械制造工业是一个国家经济法发展的基础，随着高端技术的不断发展，精密与超精密加工技术已逐渐发展成机械制造工业领域的重要方面。二维运动平台是高精度测

2、量系统和高精度加工系统的核心部件。完整的二维运动平台主要包括机械运动系统、位移传感系统和运动控制系统三大部分。本文主要探究二维运动平台的机械运动系统。二维伺服运动平台的机械运动系统关键在于驱动部分，导向部分和检测部分等，本文就针对这几部分展开研究。基于现有的各种类型机械运动工作台的分析，在驱动部分本文直接采用伺服电机，达到任意调速的目的；在导向部分本文采用采用“滚珠丝杠+滚动导轨”的方式，以保证足够的精度；在检测部分我们选用SV-SX系列光栅尺进行位移检测回馈。最后，将搭建好的二维伺服运动平台运用Auto CAD ,pro/E,UG等二维三维制图软件画出二维伺服用平台的机械结构图。关键词: 精

3、密;超精密;伺服；二维运动平台；Auto CADAbstract目录三大件速度粉红色目录摘 要IAbstractII1 绪论11.1课题的选题背景及意义11.2二维运动平台的发展趋势22 总体方案设计52.1设计任务及原始参数52.2设计方案分析52.3最终方案确定62.4本章小结8第三章 机械结构设计93.1机械传动部分的设计93.1.1滚珠丝杠的工作原理93.1.2滚珠丝杠副的特点93.1.3滚珠丝杠的设计计算93.1.4丝杠的调隙113.2机械驱动部分设计133.2.1 伺服电机的工作原理及特点133.2.2 伺服电机的设计计算及选型143.3联轴器的设计选型163.3.1 弹性膜片联轴

4、器的特点163.3.2弹性膜片联轴器的设计选型173.4滚动导轨的设计选型183.4.1 滚动导轨的特点183.4.2 滚动导轨的计算选型193.5其他部件的设计选型203.5.1光栅尺的设计选型203.5.2 轴承的选择203.5.3轴承端盖的设计223.5.4 轴承支座的设计223.5.5 XY轴底座的设计243.5.6 工作台的设计244 结论25参考文献26致谢27毕业设计（论文）知识产权声明28毕业设计（论文）独创性声明29附录30附录1 外文翻译及原文30附录2 总装配图和零件图30西安工业大学毕业设计（论文）1 绪论1.1课题的选题背景及意义运动平台是检测设备和加工设备的运动执行

5、部件，是保证设备技术指标的核心部件，运动平台按运动件可实现运动的维数可分为一维运动平台二维运动平台。三维运动平台和多轴运动平台。一般来说，典型的运动平台的组成如图1-1所示，包括机械运动系统，位移传感系统和驱动控制系统三部分。机械运动系统是平台所采用的机械结构形式和驱动连接方法的总和，实现运动件和固定件间的相对运动；位移传感系统是检测、处理及传输运动件位移数据的部件的总和；反馈控制及驱动系统主要功能是接收传感系统的数据信息，根据反馈信号和外部输入信号及时控制、驱动运动件的运动的位移量、速度、加速度。运动平台的性能由各个部分综合决定。因而，运动平台是一个跨领域，多技术的综合1。传感检测系统 驱动

6、控制系统运动件机械位移系统 图1.1 运动平台组成示意图装备工业的技术水平和现代化程度决定整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备，又是当今先进制造技术和装备的最核心的技术。数控技术是利用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，其技术范围覆盖很多领域2。数控技术是用数字指令来实现一台或者多台机械设备动作控制的技术。它广泛的应用于机械制造和自动化领域，数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术

7、的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业的发展起着越来越重要的作用。随着科学技术的不断发展，数控机床的发展也正朝着高性能.高精度.高速度,模块化和网络化方向发展。在国内，比如郑州微纳科技有限公司生产的二维直线电机平台，由两台永磁同步直线伺服电机驱动的X-Y轴运动平台构成，可同时对两台直线伺服电机进行同步控制，是一个先进的有直线电机驱动的的实用化的实验平台。直线电机直接驱动的X-Y平台系统，以其快速的响应、准确的定位和高可靠性而广泛应用于高速自动化设备、精密测量系统、电子与半导体加工设备，激光加工设备等领域。目前代表数控机床最前沿的坐标机床在世界上某些国家已经发展到6-7轴联动，已

8、经实现了比较完善的闭环伺服控制3。工作台是机床上必不可少的部件，工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳动生产率。二维运动平台的设计在生产实践中还有很多现实意义和经济效益。二维数控运动平台可用于简易的数控机床(包括车床.铣床.磨床等)的改造等，是一种多用的机电一体化装备。其主要通过X-Y轴两个方向的联动，实现二维平面内任意点或轨迹的运动控制，从而在高精度加工与测量领域的得以广泛应用4。1.2二维运动平台的发展趋势我国数控技术起步于1958年，五十多年的发展历程大致可分为三个阶段：第一阶段从1958年到1979年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我过的基础条件的制约，数控技术的发

9、展史极为缓慢的。第二阶段是国家的“六五” 、“七五”期间以及“八五”的前期即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究开发以及产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是我国的“八五”后期至今。即实施产业化的研究进入市场竞争阶段。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面：1. 高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率。提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。从EMO2001展会的情况来看，高速加工中

10、心进给速度可达到80m/min,甚至更高，空运行速度可达到100m/min左右。在加工精度方面，近十年来，普通级数控机床的加工精度已经由10m提高到5m，精密级加工中心则从35m提高到11.5m，并且超精密加工精度已开始进入纳米级0.1m。2.智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统 ,智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化 ,如加工过程的自适应控制 ,工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化 ,如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等。数控系统开放化已经成为数

11、控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上 ,面向机床厂家和最终用户 ,通过改变、增加或剪裁结构对象 数控功能 ,形成系列化 ,并可方便地将用户的特殊应用和技诀窍集成到控制系统中 ,快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统 ,形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求 ,也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单

12、元 ,反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势5。工作台作为数控机床的重要组成部分，也是影响加工精度的重要组成环节。从一开始为了满足加工简单的零件而设计的直线运动的工作台，到现在为了实现多工位加工而制造的分度工作台和回转工作台等。我国在工作台的研究开发方面也取得了长足的进展。目前工作台的种类繁多，传统的工作台只能安装在某一指定机床上，伴随着科技的与时俱进，他们的功能也由传统单一性向现代的多功能方向发展，并且目前部分工作台还可以实现任意角度的孔、槽、平面类机械加工，以及曲线、凸轮等的加工，并达到较高的精度3。随着技术的进步和相关专业的发展，在机械结构方面运动平台经历了一系列变化6。最初采用的都是

13、是旋转电机加滚珠丝杠驱动的串联机构形式，单轴结构简图如图1-2.这种类型的运动平台其运动单元目前能达到微米级精度。自从1984年Anorad推出第一台无铁芯，无刷直线伺服电机以来，直线电机可以凭借其卓越性能代替旋转电机开始广泛地应用到精密运动平台上。直线电机可以直接驱动运动件，省去了将旋转运动转化为直线运动的传统机构，机构更简单，可靠性更高，大大提高了运动平台的精度。 图1.2旋转电机加滚珠丝杠驱动单轴结构在国内，长春光学精密机械与物理研究所的王延风等人针对芯片制造设备设计了一种新型磁悬浮超精密工作台，消除了导轨的摩擦和磨损，使工作台在X方向和Y方向能够满足0.02um的定位精度7。在国外，B

14、akker致力于新型的气悬浮平台替代传统接触式轴承制成的XY平台，在重量、体积和成本基本不变的情况下，获得更高的运动速度和定位精度8。1.3 本文主要研究的内容及研究目的1.3.1 主要的研究内容课题主要包括绪论、二维伺服运动平台的总体结构方案设计、二维伺服运动平台的机械结构的方案设计。如图1-3。图1.3 本文主要内容第一章绪论 这一章论述了二维伺服运动平台的一般结构以及国内外的发展概况，搞清楚课题的研究意义和目的。第二章总体的结构方案设计 这一章对二维伺服运动平台的总体结构进行分析以及确定最终的结构方案第三章机械结构设计 这一章对二维伺服运动平台的机械结构部分进行分析以及根据任务书参数进行

15、设计计算，包括伺服电机、联轴器、丝杠、导轨以及检测装置。1.3.2 主要的研究目的a) 通过设计，全面地、系统地了解和掌握二维工作台的基本组成及其想怪知识，学习总体的方案拟定、分析与比较的方法。b) 通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设计计算及选用的方式c) 通过对机械系统的设计，掌握常用伺服电机的工作原理、计算控制方法与控制驱动方式d) 培养独立分析问题和解决问题的能力，学习并树立“系统设计”的思想e) 锻炼提高应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科技论文的能力1.4本章小结本章主要对二维伺服运动平台国内外的发展趋势进行了解，对课题进行定位，弄清二维伺服运动平台的

16、机械结构设计的选题背景以及其研究意义。最后对本文的内容进行大致总结。302 总体方案设计2.1设计任务及原始参数（1）了解并熟悉伺服电机的工作原理，根据提供的设计参数，X轴：运动部件重量：20kg，摩擦系数：0.005，最大速度：160mm/s，加速度：0.5mm/s2，行程：100mm，定位精度：0.01mm。 Y轴：运动部件重量：30kg，摩擦系数：0.005，最大速度：160mm/s，加速度：0.3mm/s2，行程：120mm，定位精度：0.01mm， 计算并选择合适的伺服电机，设计总体结构图； （2）根据定位精度要求，选择丝杠、位置传感器（直线光栅）、导轨及联轴器等部件； （3）设计相

17、关部件的安装附件及二维平台的机械结构； （4）根据系统方案，对其它相关机械结构进行设计，最终完成二维运动平台的机械装配图和三维实体装配图。 2.2设计方案分析根据设计的任务来看，本设计主要是实现了在XY平面上的运动，总体设计是在X轴上实现了导程100的行程运动，速度达到160，精度达到0.01:；在Y轴上实现了导程120的行程运动，速度达到了160，精度达到0.01，需要具备良好的伺服性能（即高精度、快速响应性和稳定性好）从而要求本次设计传动机构满足以下几方面：（1）转动惯量小 在不影响机械系统刚度的前提下，传动机构的质量和转动惯量应尽量减小。否则，转动惯量大会对系统造成不良影响，机械负载增大

18、；系统响应速度降低，灵敏度下降；系统固有频率减小，容易产生谐振。所以在设计传动机构时应尽量减小转动惯量。（2）刚度大 刚度是使弹性体产生单位变形量所需的作用力。大刚度对机械系统而言是有利的：伺服系统动力损失随之减小。机构固有频率高，超出机构的频带宽度，使之不易产生共振。增加闭环伺服系统的稳定性。所以在设计时应选用大的刚度的机构。（3）阻尼合适 机械系统产生共振时，系统的阻尼增大，其最大振幅就越小且衰减也快，但大阻尼也会使系统的稳态误差增大，精度降低，所以设计时，传动机构的阻尼要选着适当。（4）此外还要求摩擦小（提高机构的灵敏度）、共振性好（提高机构的稳定性）、间隙小（保证机构的传动精度），特别

19、是其动态特性应与伺服电动机等其它环节的动态特性相匹配。 2.3最终方案确定1.驱动电机的设计选用控制电机应根据转矩、位移速度、理论定位精度、工作行程和载荷大小来确定，常用的控制电机有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机（又分为同步交流和异步交流）。交流伺服电机为恒力矩输出，即在于其额定转速以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。而且运转非常平稳，具有较强的过载能力，因此可以初选交流伺服电机，以降低成本，提高性价比。由于电机的选择要结合丝杠，所以具体的参数设计将在丝杠设计时一起进行9。2联轴器的设计选用联轴器的作用是连接两轴并使其一起做回转运动，同时传递转矩。联轴器有刚性和挠性两种，

20、刚性联轴器适用于两轴严格对中不发生相对位移的地方。挠性联轴器适用于两轴有偏斜（可分为同轴线、相交轴线）或在工作中有相对位移（可分为轴向位移、径向位移、角位移、综合位移）的地方。挠性联轴器又有无弹性元件的、金属弹性元件的和非金属弹性元件的之分。后两种称为弹性联轴器 10。本设计中的二维工作平台是高精度机电系统，要求定位精度高，启动灵活、频繁。这就要求联轴器输出的角位移、转矩与电机输出地角位移、转矩同步性好，因此初选刚性联轴器。3传动部分的设计选用丝杠副是传动部分最常用的一种方式，是将丝杠的回转运动变为螺母的直线运动，同时传递力或力矩的11。根据丝杠副的工作原理，一般可将其分为滑动丝杠螺母副和滚动

21、丝杠螺母副。滑动丝杠螺母机构具有结构简单，运动平稳，传动精度高，螺纹导程小，降速比大，牵引力大等优点。其缺点是摩擦阻力大，传动效率低，螺纹中有侧向间隙，故反向有空行程。由于动静摩擦差别大，低速时可能出现爬行现象。滚珠丝杠的传动效率很高，当双螺母预紧后，轴向刚度好，传动副爬行小，具有较高的定位精度，启动转矩小，传动灵敏，同步性好。其缺点是结构复杂，制造较困难，价格昂贵，以及不能自锁。本设计需要满足mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有初选滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙12。4.导轨副的设计选用在高精度工作台的构造系统中

22、，导轨有着举足轻重的作用。导轨具有承载和导向的功能，其导轨的直线度、定位精度等技术指标将直接决定着工作台的定位精度。在精密和超精密的加工技术领域中，超精密加工设备选用的导轨应具有刚度高、摩擦系数小、无爬行现象和直线度高等基本要求。目前常用的导轨一般有滑动导轨、滚动导轨和静压导轨三种形式13。滑动导轨一般具有结构简单，成本低，适用性广等特点，但滑动导轨和其他形式的导轨相比，其摩擦系数大，在低速的时候“爬行”明显，且磨损现象严重，不以修复，一般只使用于精度要求不高得场合。滚动导轨是滚动摩擦代替滑动摩擦，即在滚道里放入滚珠、滚柱等滚动体，使导轨的运动处于滚动摩擦状态。滚动导轨具有比滑动导轨更低的摩擦

23、系数，可以有效的避免“爬行”现象，是目前常用的一种导轨形式。但滚动导轨在运动过程中，由于滚动体和导轨是点或者线接触，因此抗震性不如滑动轨道14。静压导轨属于非接触式导轨，导轨间充满一层薄膜（油膜或气膜），一般分为液体静压导轨和气浮静压导轨。静压导轨具有运动精度高、摩擦系数小、无爬行现象等优点。但由于液体静压导轨使用过程中容易受环境温度影响导致液体升温等问题，其使用条件苛刻，且调整困难等缺点。本设计二维运动工作台，需要承受的载荷不大，脉冲当量小，定位精度高，考虑到成本以及综合因素，最终选择滚动导轨。5.检测装置的设计选用在精度高的工作台系统中，位置检测装置的分辨率也是决定工作台的定位精度的关键因

24、素之一。因为为了获取高精度的定位精度，必须使用高分辨率的检测装置来实时测量爱喝反馈位置信号。目前常用的检测装置有激光干涉仪和高分辨的光栅尺。激光干涉仪是以激光在真空中的波长为长度基准来测量位移的，其测量范围大、精度高。但是激光在空气中的传播时，其波长容易受温度、湿度等环境的影响，从而影响测量精度15。因此，激光干涉仪的使用条件苛刻，且系统复杂、成本高。光栅尺是利用光电转换原理，通过记录静止光栅尺和运动光栅尺的相对运动而产生摩尔干涉条纹数量来测量位移的，同样具有高精度和高分辨率，且不易受环境因素的影响，是高精度工作台中最理想的位置反馈元件。由于光栅编码器的精度仅次于激光式测量仪器，主要应用于高精

25、度数控机床的伺服系统中。本设计主要面向的是高精度的测量及加工工作，所以初选用光栅检测装置。图2.1 总体的设计方案2.4本章小结本章主要是对课题的要求进行细致的分析，详细论述工作台的整体布局和各个部件的结构设计，探讨了各个部件不同方案的优点和缺点。西安工业大学毕业设计（论文）第三章 机械结构设计3.1机械传动部分的设计 3.1.1滚珠丝杠的工作原理具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间元件的传动机构称为滚珠丝杠副。如图3-1所示。当丝杠或者螺母转动时，滚珠沿着螺旋槽滚动，滚珠在丝杠上滚过数圈后，通过回程引导装置，逐个的回到丝杠和螺母之间，构成一个闭合的循环回路。 图3.1 滚珠丝杠3.1.2滚

26、珠丝杠副的特点1 传动效率高，摩擦损失小，其摩擦系数一般为0.00250.0035之间，传动效率可达到90%以上，是普通滑动丝杠的34倍。2 传动具有可逆性，不仅可以将回转运动转化成直线运动，而且可以将直线运动转化成回转运动。3 传动精度高 滚珠丝杠副本身属于精密机械传动机构，其进给精度和定位精度都是比较高的。4 磨损小，使用寿命长 丝杠和本身是经过淬硬的，能够长期保持较高的精度16 。 3.1.3滚珠丝杠的设计计算初选丝杠导程为PB=10mm(1)计算轴向总载荷 其中：Fa为轴向工作载荷 Ff为导轨摩擦擦阻力 X轴（上）： Y轴（下）： (2)计算滚珠丝杠转速 则 ：NX=160/10=16

27、r/s Ny=160/10=16r/s(3)计算平均载荷 其中：Fmax为丝杠承受最大切削力时的轴向载荷 Fmin为空载时作用在丝杠的轴向载荷X轴： Fmax=10.98N Fmin=10N Fm=(2×10.98+10)/3=10.32N Y轴： Fmax=10.47N Fmin=9N Fm=(2×10.47+9)/3=9.98N (4) 计算额定动载荷Ca Ca=×Fm其中 ：N为转速（r/min）T为寿命时间（h），取15000hFm为平均载荷X轴： N=32r/s=960r/min Ca=×10.32=9829.19NY轴： N=32r/s=19

28、20r/min Ca=×9.98=9505.35N由以上数据即可选出所用丝杠型号：X轴：HJG-S3210-2.5Y轴：HJG-S3210-2.5其额定动载荷为11500N ， 导程为10 mm ，滚珠丝杠直径为32m(5)滚珠丝杠的校核 a 滚珠丝杠副的安装方法d2由于设计计算中需要X-Y的滚珠丝杠长度为320mm,所以其安装方式选用一端团固定一端自由。这种安装方式好处是 ：中速精度高.压杆稳定性好。b 丝杠刚度的校核 杠的拉压变形量 滚珠丝杠应计算满载时的拉压变形量其中： 为丝杠的工作载荷（N）E为材料的弹性模量，对刚E=20.6×104MpaA为滚珠丝杠按内径确定的截

29、面积(mm2)X轴：L=100+187=287mmY轴： L=120+187=307mmA=R2=×162=804.25mm2 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量该变形量与滚珠的列.圈数有关，即与滚珠总数量有关，与滚珠丝杠的长度无关。公式如下：无预紧时 有预紧时 其中：为滚珠直径(所选丝杠需要的滚珠的直径为6.350mm)为滚珠的总数量（=×圈数×列数，为一圈的滚珠数 (内循环)，为滚珠丝杠的公称直径，X轴：Z=39 2=0.0008mmY轴：Z=39 2=0.0008mm 滚珠丝杠的总变形量X轴： =1+2=0.00082mmY轴： =1+2=0.00082mm丝杠的

30、总变形量应小于允许的变形量，一般不应大于机床进给系统规定的定位精度值的一半XY轴均小于设计要求定位精度0.01的一半。所以所选的丝杠符合设计要求3.1.4丝杠的调隙滚珠丝杠副的传动间隙主要是指轴向间隙，即丝杠和螺母无相对转动时，丝杠和螺母之间的最大轴向窜动量。除了本身结构间隙外，在施加轴向载荷之后，还包括弹性变形所造成的窜动量。为了尽量的提高工作台精度就必须尽可能的消除滚珠丝杠的传动间隙。丝杠的调隙方法主要有三种，包括双螺母垫片式，双螺母螺纹式，双螺母齿差式17。 - 图3.2双螺母垫片调隙滚珠丝杆螺母副采用双螺母结构（类似于齿轮副中的双薄片齿轮结构）。通过改变垫片的厚度使螺母产生轴向位移，从

31、而使两个螺母分别与丝杆的两侧面贴合。当工作台反向时，由于消除了侧隙，工作台会跟随CNC的运动指令反向而不会出现滞后。图3.3双螺母螺纹式调隙图示为利用两个锁紧螺母调整预紧力的结构。两个工作螺母以平键与外套相联，其中右边的一个螺母外伸部分有螺纹。当两个锁紧螺母转动时，正是由于平键限制了工作螺母的转动，才使得带外螺纹的工作螺母能相对于锁紧螺母轴向移动。间隙调整好后，对拧两锁紧螺母即可。结构紧凑，工作可靠，应用较广。图3.4双螺母齿差式调隙在两个工作螺母的凸缘上分别切出齿数为Z1、Z2的齿轮，且Z1、Z2相差一个齿，即： 两个齿轮分别与两端相应的内齿圈相啮合，内齿圈紧固在螺母座上。设其中的一个螺母Z

32、1转过一个齿时，丝杆的轴向移动量为为S1， 则有： 可得出：如果两个齿轮同方向各转过一个齿，则丝杆的轴向位移为： 则：3.2机械驱动部分设计3.2.1 伺服电机的工作原理及特点伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移。因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，

33、就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm18。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。 1、无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。 2、交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围

34、大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。 3、伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。 交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上的区别：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。3.2.2 伺服电机的设计计算及选型确定电机轴总转矩M其中：为折算到电机轴上的摩擦力矩为折算到电机轴上的加速力矩 为电机轴

35、上的负载力矩为折算到电机轴的丝杠预紧产生的附加摩擦力矩a. 摩擦力矩的计算 (其中i=1) X轴：=0.98×10×(1/2)=1.56 N·mm Y轴：=1.47×10×(1/2)=2.34 N·mmb. 加速力矩的计算 其中： Jm为折算到电机轴上的总转动惯量(Jm由联轴器转动惯量，滚珠丝杠转动惯量和工作台转化到丝杆的转动惯量组成。其中联轴器转动惯量比较小，可以忽略不计) 为电机轴的最大角速度（由线速度V=角速度×丝杠半径r可知，线加速度a=角加速度×丝杠半径r）对于X轴：滚珠丝杠的转动惯量计算滚珠丝杠的转动惯

36、量计算可转换为圆柱体的转 动惯量的计算，即为： (其中：m为丝杠的质量=，为密度，丝杠的材质为刚，其所以工作台折算到丝杠的转动惯量其中：m为工作台质量S 为丝杠导程折算到电机轴上的总转动惯量为其角加速度为X轴总的加速力矩Ma=307.66×0.03=9.614N·mm对于Y轴：与X轴计算相同滚珠丝杠的转动惯量计算 工作台折算到丝杠的转动惯量 折算到电机轴上的总转动惯量为其角加速度为Y轴总的加速力矩Ma=332.99×0.019=6.327N·mmc. 负载力矩在设备空载启动时就为零，所以=0d附加摩擦力矩的计算 （其中i=1）P0为滚珠丝杠的预加载荷（

37、P0的值约为导轨摩擦力Ff的1/3倍）S为丝杠导程X轴：Y轴： 由以上计算得出电机上总的转矩 X轴：M=1.56+9.614+0+0.520=11.694N·mm Y轴：M=2.34+6.327+0+0.780=9.447 N·mm 确定电机轴转速N由于本设计中电动机与滚珠丝杠使用联轴器直连的，所以电机轴的转速等于滚珠丝杠转速，即X轴：N=960r/minY轴：N=960r/min由此，可选择出合适的伺服电动机型号及其参数 X轴：1FK7085-7AF71-1AA0 Y轴：1FK7085-7AF71-1AA0 其额定转速为3000 r/s 额定转矩为12 额定惯量 23 &

38、#215;10-4 kg/m23.3联轴器的设计选型3.3.1 弹性膜片联轴器的特点弹性膜片联轴器利用金属膜片材料的高抗疲劳的特性；使整体联轴器具备质量轻，工作可靠，不需要润滑，维护方便等优势19。联轴器主要有金属膜片联轴器，蛇形弹簧联轴器、双曲面齿式联轴器、弹性体联轴器等新型挠性材料联轴器。例如：锥套利用锥度过盈配合被应用于皮带轮与轴连接、链轮与轴的连接、齿轮与轴的连接等，从很大程度上提高了生产和装配效率。通过螺钉的锁紧，解决了轴向定位。 膜片联轴器靠膜片的弹性变形来补偿所联两轴的相对位移，是一种高性能的金属弹性元件挠性联轴器，不用润滑，结构较紧凑，强度高，使用寿命长，无旋转间隙，不受温度和

39、油污影响，具有耐酸、耐碱、防腐蚀的特点，适用于高温、高速、有腐蚀介质工况环境的轴系传动，广泛用于各种机械装置的轴系传动，如水泵（尤其是大功率、化工泵）、风机、压缩机、液压机械、石油机械、印刷机械、纺织机械、化工机械、矿山机械、冶金机械、航空（直升飞机）、舰艇高速动力传动系，经动平衡后应用于高速传动轴系已比较普遍。弹性膜片联轴器 在众多的联轴器类型中，弹性膜片联轴器以其扭转刚度高、轴向刚度高、传递扭矩大、动态性能好等突出特点，在机电一体化的伺服机械传动系统中得以广泛地应用。如图3-2所示。 图3.5 膜片联轴器3.3.2弹性膜片联轴器的设计选型联轴器的计算转矩：交变载荷时： 式中 联轴器的公称转

40、矩，Nm联轴器的疲劳转矩，Nm联轴器的理论转矩，Nm T=9550驱动功率，kw联轴器转速，r/min联轴器的转速修正系数，K 联轴器的两轴线折角修正系数载荷修正系数。载荷均匀，工作平稳时，=1.0；载荷不均匀，中等冲击时，=1.11.3；较大冲击载荷和频繁正反转时，=1.31.5，特大冲击载荷和频繁正反转时>1.5。 根据计算本设计所用联轴器型号参数如下图3-3所示图3.6 联轴器主要尺寸参数3.4滚动导轨的设计选型3.4.1 滚动导轨的特点 直线滚动导轨（如图3-4）在数控机床中有广泛的应用。相对普通机床所用的滑动导轨而言，它有以下几方面的优点：1 定位精度高直线滚动导轨可使摩擦系数

41、减小到滑动导轨的1/50。由于动摩擦与静摩擦系数相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少90%，因此，可将机床定位精度设定到超微米级。2 降低机床造价并大幅度节约电力采用直线滚动导轨的机床由于摩擦阻力小，特别适用于反复进行起动、停止的往复运动，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，减轻了重量，使机床所需电力降低90%，具有大幅度节能的效果。3 可提高机床的运动速度直线滚动导轨由于摩擦阻力小，因此发热少，可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率2030%。4 可长期维持机床的高精度对于滑动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动，产生的运动精度的误差是无法避免的。在绝大多数情况下，流体润滑只限于边界区域，由

42、金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的，在这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗被浪费掉了。与之相反，滚动接触由于摩擦耗能小滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使直线滚动导轨系统长期处于高精度状态。同时，由于使用润滑油也很少，大多数情况下只需脂润滑就足够了，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易了。 图3.7 滚动导轨（单边）3.4.2 滚动导轨的计算选型在选用直线滚动导轨时，应对其本身的寿命进行初步验算。当直线滚动导轨承受负荷并做滚动运动时，导轨面和滚动部分(钢珠或滚柱)就会不断地受到循环应力的作用，一旦达到临界值，滚动表面就会产生疲劳破损，在某些部位产生鱼鳞状剥离，这种现象称为表面剥落

43、。所谓直线滚动导轨的寿命，就是指导轨表面或滚动部分由于材料的滚动疲劳而发生表面剥落时为止总行走距离。直线滚动导轨的寿命具有很大的分散性。即使同批制造的产品，在同样运转条件下使用，其寿命也会有很大的差距。因此，为了确定直线滚动导轨的寿命，一般使用额定寿命这一参数。所谓额定寿命是指让批同样的直线滚动导轨逐个地在相同的条件下运动，其中90%的总运行距离能达到不发生表面剥落。对于使用钢珠的直线滚动导轨，额定寿命L为：对于使用滚柱的直线滚动导轨，额定寿命为：式中L：额定寿命km；C：基本额定动负荷，kN；PC：计算负荷，LN；fH：硬度系数；fT：温度系数；fC：接触系数，fW：负荷系数。根据计算本设计

44、选用的滚动导轨参数图3.8所示图3.8 滚动导轨参数3.5其他部件的设计选型3.5.1光栅尺的设计选型图3.9 光栅尺直线光栅尺测量直线轴位置时不存在任何附加的机械传动元件。用直线光栅尺控制位置的控制环包括了全部进给机构。安装在滑板上的直线光栅尺可以检测出机械传递误差并能在控制系统电路中给予修正。因此，它能消除以下潜在误差源：a 由于滚珠丝杠温度特性导致的位置误差b 反向间隙c 滚珠丝杠螺距误差导致的运动特性误差因此，直线光栅尺已经成为高精度定位和高速加工不可或缺的必备条件了。光栅位移检测装置20中的基准元件光栅尺或光栅圆盘，实际上就是刻线间距小的线纹尺，其主要优点是间距小，线纹长。通常计量用

45、的光栅尺的线纹间距为0.040.004mm.其分类主要有：按检测位移量性质分类：直线式光栅为测量直线位移的光栅；回转式光栅为测量角位移的光栅。按制造光栅的材料分类：玻璃光栅；金属光栅。按光源照射方法分类：透射光栅；反射光栅。本设计中所选用的光栅尺是带有加强板的SV-SX系列的光栅尺，由于XY轴的形成不一样 ，在这里X轴的光栅尺是12omm,Y轴的是170mm.3.5.2 轴承的选择滚动轴承主要是为轴或其他回转体提供径向或轴向支撑，并且磨损小、机械效率高。轴承是外购的标准间，所以在设计中只需根据工作条件选用合适的滚动轴承类型和尺寸即可21。本设计中才用的支撑方式是一端固定一段简支的方式。其中固定

46、端使用一对角接触球轴承PIU4428*2B-fs，简支端使用一个深沟球轴承60/28-Z，构成如图3-6所示的支撑方式。 图3.10 固定端 图3.11 简支端 轴承在工作中内外圈会不停的相对运动，其磨损是不可避免的，所以轴承的使用寿命是其重要的性能指标之一。角接触轴承工作时需要同时承受径向和轴向载荷，为了计算方便，需要将轴承的实际载荷转化为当量动负荷。当量动负荷的计算公式是: 式中：Fr 径向负荷，取Fr=3.4N； Fa 轴向负荷，取 Fa =0.3N； X，Y径向系数和轴向系数。查表得:X=0.56；Y=1.63；由于实际工作中的振动和冲击等因素，轴承实际承受的载荷荷比计算值还要大，所以

47、有必要根据工作情况采用负荷系数方对计算值进行修正。所以，修正后轴承的当量动负荷为: 寿命的曲线方程为:=常数式中:P 当量动负荷，N; 基本额定寿命,106 ; 寿命指数，深沟球轴承=3。则基本额定寿命为: （h）式中:轴承的工作转速，取 n工作转速=100r/min计算解得轴承在一般润滑条件下的基本额定寿命为(可靠度90% )13059h 所选轴承寿命能满足要求要求。3.5.3轴承端盖的设计轴承端盖（如图3-8）的作用一是轴向固定轴承，二是起密封保护作用，防止轴承进入尘土等进入轴承造成损坏。图3.12 轴承端盖设计该轴承端盖时主要考虑的是对轴承的固定，通过已知轴承型号为:GB/T 276-9

48、4角接触球轴承PIU4428*2B-FS尺寸:44*28*13，可以从右端开始设计，它固定的是轴承的外圈，通过技术手册可以查表的到：=0.3mm， 可以确定出右端 最外面的直径为48mm 最里面的直径为42mm由于轴承端盖要固定在轴承支座，所以可以根据轴承支座的的尺寸设计出轴承端盖的最大直径，该轴承端盖采用的是六个螺钉与轴承支座连接。按照图纸在轴承端盖的左端面上均匀的分布。 3.5.4 轴承支座的设计轴承支座主要起支撑轴承的作用。设计的轴承支座主要由轴承支座底座和承支座端盖两部分组成，虽然这么设计结果比较复杂，精度要求比较高，但是对于整个实验装置的装配很方便。轴承支座主要由两部分组成，轴承支座

49、盖和轴承支座底座两部分通过螺钉安装。图3.13 轴承支座底座 轴承支座底座共有两组加工表面直径28孔为中心的加工表面。这一组加工表面包括：一个直径28mm的孔，轴承支座下的左右端面分别与直径28mm孔的中心轴线有端面圆跳动、和平行度的要求。底面为中心的加工表面。这一组加工表面包括：四个直径6mm加工面的螺孔与两个直径6mm的销孔的加工。图3.14 轴承支座盖轴承支座盖共有两组加工表面直径28mm孔为中心的加工表面。这一组加工表面包括：一个直径28mm的孔，轴承支座底座的左右端面分别与直径28mm孔的中心轴线有端面圆跳动、和平行度的要求。底面为中心的加工表面。这一组加工表面包括：四个直径6mm加

50、工面的螺孔与两个直径6mm的销孔的加工。3.5.5 XY轴底座的设计 基座的形状和尺寸主要由与其联接零件和总体布局来决定的，基座功用是通过导轨进行轴向移动，为避免发生托板侧翻危险状况，导轨跨距不能太小，且需要支撑在主要受力点处。基座承受弯矩、扭矩以及复合载荷。图3.15 3.5.6 工作台的设计结论4 结论细致的对机械结构部分的滚珠丝杠、伺服电机、滚动导轨、联轴器和轴承分析计算，并最终确定其型号尺。并且对二维伺服运动平台整体安装中的轴承支座、轴承端盖、电机支座、XY轴底座和工作台进行设计。参考文献参考文献1 谢卫东，精密微位移工作台系统综述J.北京：自动化与仪器仪表，1991:8-9.2 盛伯浩，唐华数控机床技术发展浅析航空制造技术，20023 师鸿飞等.我国数控车床的现状和发展趋势N.现代制造,2002.4 袁哲俊，王先达.精密和超精密加工技术M.北京：机械工业出版社，2007:1-95 林胜,林春庭.高速数控机床现状与发展趋势J.精密制造与自动化, 2004年第1期: 5-86 H.Ding，Z.H Xiong.Motion Stages for Electronic Packaging Design and Control.IEEE Robotics Auto mation Magazine.2006.13(4):517 王延风，卢志山，宋文荣。磁悬