大行程一维滑台设计.docx
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大行程一维滑台设计
大行程一维滑台设计
题目
1
目录
摘要及关键字1.绪论
1.1课题来源1.2技术要求1.3任务要求
2.方案设计
2.1方案概述2.2部件分析
2.2.1电机选择2.2.2丝杠选择2.2.3丝杠支承
2.2.4联接器、限位装置及导轨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3.1.2丝杠的校核
3.2电机选型与校核3.3其余零件选型
3.3.1联轴器选型
3.3.2丝杠螺帽支撑架组合选型3.3.3轴承及轴承座选型3.3.4电机架设计3.3.5限位开关选型
4.精度分析5.结论
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1
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
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。
1.2技术要求
（1）一维移动滑台的移动范围：
700mm
（2）分辨率：
≤5μm/step
（3）工作台载重：
总载重≥10kg，其中载重4.5kg与工作台工作面的距离为490mm
（4）载物台尺寸：
>100mm×100mm
（5）工作台定位精度：
20μm
1.3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
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5μm/step。
假设齿轮每次可转0.036°，根据公式?
d?
5?
1000，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
3
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μm/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200～400毫秒。
交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA400W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（30％～40％）。
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（92％～98％），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。
4
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5
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。
6
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：
（驱动马达）转速：
Vmax?
250mm/s,电机Nmax?
3000rpm,电机与丝杠用联轴器链接，所以电机至丝杠的传动比：
i?
1,通过下式进行计算。
L?
Vmax?
60250?
60
?
?
5
Nmax3000
此时需5mm以上的螺距。
假设工作台载重为11Kg、g?
9.8m/s2,工作平台与导轨之间的摩擦系数
?
?
0.1。
对丝杠的受力进行分析，如图4所示：
图4、工作台受力分析
其中：
W1?
m1g?
6.5?
9.8N?
63.7N、W2?
m2g?
4.5?
9.8N?
44.1N,根据力平衡关系可得以下式子：
W1?
W2?
N1?
N2W2S?
N2aN1a
?
22
（1）
（2）（3）
F?
f?
?
N1?
?
N2
7
根据
（1）、
（2）、（3）可以得到：
N1?
233.975N；N2?
?
126.175N；F?
36.015N
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Pm?
F?
36.015N,丝杠平均转速Nmax?
3000rpm。
假设丝杠预期寿命为Lh?
30000h、运行系数fw?
1.2,则可确定滚珠保丝杠副使用寿命的基本动额定负载。
60LhNm360?
3000?
30003C?
（）?
P?
f?
（）?
36.015?
1.2?
352NmW10610611
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Ln?
793.25mm、m=10、丝杠轴螺纹内径d=12.5mm,容许轴向负载P为：
d4
412.54
4P?
m210?
10?
?
10?
3879.9N2Lk793.25
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。
8
2.容许转速校核
支撑间距为Lk?
793.25mm、g=15.1，容许转速Nc为：
NC?
gd712.5710?
15.1?
?
10?
3000rpm2Lk793.25
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MisumiBSS1505-900。
3.2电机选型与校核
根据方案可取联轴器传动效率?
1?
0.99、轴承传动效率?
2?
0.99、滚珠丝杠副传动效率?
3?
0.95，所以系统机械效率为：
?
?
?
1?
2?
3?
0.99?
0.99?
0.95?
0.93
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：
PL36.015?
5?
10?
3
Tp?
?
N?
m2?
?
2?
3.14?
0.93
通过查阅资料，我们学用Panasonic的MINASA4系列AC伺服电机，型号为：
MSMD5AZP1D,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
0.036?
5?
0.5?
m/step?
5?
m/step3600
综上所述，选用的电机型式为PanasonicMSMD5AZP1D。
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TP?
30.8?
10?
3N?
m,查阅MisumiFA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MisumiSCXW46-8-10。
9
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、MisumiBSS1505-900螺帽支架推荐
我们选用的丝杠螺帽支架形式为MisumiSCXW46-8-10。
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，MisumiFA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、MisumiBSS1505-900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MisumiFA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MisumiBSW12
支撑端：
轴承为6200、轴承座为MisumiBGBFB623ZZ-15
3.3.4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OmronD2JW-01K1A1。
10
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错误！
未找到引用源。
?
1~?
6。
由所选丝杠型式可知，丝杠回程误差为错误！
未找到引用源。
?
1?
5?
m。
所选丝杠的精度为C5，对于丝杠制造误差，查阅MisumiFA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800～1000mm的C5精度的丝杠的制造误差为错误！
未找到引用源。
?
40?
m，所以错误！
未找到引用源。
?
2?
80?
m。
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错误！
未找到引用源。
?
3?
0。
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，
11
其中轴向负载P=36.015N，杨氏模量错误！
未找到引用源。
E?
2.06?
105N/mm2，丝杠轴螺纹牙根直径错误！
未找到引用源。
d?
12.5mm，安装间距L?
856.5mm错误！
未找到引用源。
，当X=Y=L/2S时，丝杠有最大拉压变形为：
4PXYPL36.015?
856.533?
4?
?
10?
m?
?
10?
?
103?
0.305mm2252E?
dLE?
d2.06?
10?
12.5
因为电机选用的是伺服电机，精度很高，所以电机转动引起的误差可以忽略及错误！
未找到引用源。
?
5?
0。
对于所选的联轴器可以分为3个部分如图10所示，其中1，3部分为铝合金且L1=L2=12.6mm，2为不锈钢。
查阅资料可得，铝合金的切变模量G?
26~30GPa错误！
未找到引用源。
不锈钢的切变模量G?
75~80GPa错误！
未找到引用源。
。
而联轴器传递的转矩为错误！
未找到引用源。
T?
0.16N?
m。
因为不锈钢的切变模量比铝合金的切变模量大很多，而却所传递的力矩不大，所以忽略中间铝合金部分的变形。
设1部分连接丝杠，则中间孔径为8mm；3部分连接电机，则中间孔径为10mm。
图10联轴器示意图
?
?
Ip?
TLGIp（4）1?
（D4?
d4）错误！
未找到引用源。
（5）32
由公式（4）（5）可得1，3部分的扭转角：
?
1?
0.16?
12.6?
10?
3
30?
109?
?
3.14?
[（46?
10?
3）?
（8?
10?
3）4]32?
1.53?
10?
7rad
12
?
3?
0.16?
12.6?
10?
3
30?
109?
1?
3.14?
[（46?
10?
3）?
（10?
10?
3）4]32?
1.53?
10?
7rad
所以联轴器的扭转角为：
?
?
?
1?
?
3?
1.53?
10?
7?
2rad?
1.75?
10?
5o
错误！
未找到引用源。
?
?
1.75?
10?
5?
1.5o（允许转角），考虑到丝杠所转动的圈数，所以有联轴器弹性变形引起的工作台定位误差为：
7001.75?
10?
5
?
6?
?
?
5?
0.068mm5180
由误差独立原则可的工作台的总体定位精度为：
?
?
?
1?
?
2?
?
3?
?
4?
?
5?
?
6?
5?
80?
0?
0.305?
0?
0.068?
85.373?
m
明显，错误！
未找到引用源。
?
?
85.373?
m?
20?
m，所以需要进行误差补偿。
对于以上误差，丝杠制造误差可以通过试运行补偿修正，而系统的分辨率为0.5μm/step，所以修正值为：
?
?
?
?
2?
?
80?
m
所以修正后的工作台定位精度为：
?
0?
?
?
?
?
85.373?
80?
5.373?
m?
20?
m
此时满足设计要求。
5.结论
经过三周的时间，我组顺利的完成了大行程移动滑台的设计任务。
设计之初我组准备通过选择并购买现有的各种产品如导轨、丝杠副、丝杠螺母座等来对系统进行组装以完成预期任务。
在设计进行到一半时，我组发现如此做法似乎无法很好的达到提高自己的目的。
因此，最终我组对除电机及各标准件外的其余机械零部件进行了设计，并绘制出相关图纸。
这次课程设计个人感觉是成功的。
唯一留下的遗憾是我组没有能够看到所有参加课程设计的小组将六个部件拼装后的成品。
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