高精度二維機(jī)械滑臺(tái) 一 設(shè)計(jì)任務(wù) 1 兩坐標(biāo)行程為 250mm 2 定位精度 0 01mm 3 響應(yīng)速度 1 5m s 2 4 最高速度 12m min 最低速度 1m min 二 設(shè)計(jì)工作 1 運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì) 1 要實(shí)現(xiàn)一個(gè)二維平面運(yùn)動(dòng) 只需將其分解為兩個(gè)垂直方向的一維直線運(yùn)動(dòng) 即可 如圖所示 由 X 方向的直線位移機(jī)構(gòu)帶動(dòng) Y 方向的直線位移機(jī)構(gòu)沿 X 向做直線運(yùn)動(dòng) 然后 X 向直線位移機(jī)構(gòu)不動(dòng) Y 向直線位移機(jī)構(gòu)在 X 向直線位移機(jī)構(gòu)上沿 Y 向 運(yùn)動(dòng) 這樣就實(shí)現(xiàn)了 XOY 平面的二維運(yùn)動(dòng) 2 實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的主要途徑有 絲桿和直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu) 直線電機(jī) 齒輪齒條機(jī)構(gòu) 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)等方法等四種方法 評(píng)分標(biāo)準(zhǔn) 10 分制 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 不可 用 差 較差 勉強(qiáng) 可用 可用 中 良 較好 好 優(yōu) 理想 各機(jī)構(gòu)的評(píng)價(jià)分值表 性能指標(biāo) 定位精度 運(yùn)動(dòng)速度 承載能力 效率 經(jīng)濟(jì)性 行程 總分 絲桿和直 線導(dǎo)軌機(jī) 構(gòu) 9 9 8 10 7 9 52 直線電機(jī) 8 8 7 8 7 9 47 齒輪齒條 機(jī)構(gòu) 5 6 9 5 8 6 39 曲柄滑塊 機(jī)構(gòu) 7 9 9 4 9 6 44 從上圖可以看出 第一種方法 絲桿與直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)較符合 3 總體設(shè)計(jì)方案圖 滾動(dòng)絲桿 步進(jìn)電機(jī) 聯(lián)軸器 步進(jìn)電機(jī) 聯(lián) 軸 器 Y 方向傳動(dòng)機(jī)構(gòu) X 方向傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 滾動(dòng)絲桿 工作臺(tái) 根據(jù)前文進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì) 初步擬定用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿 帶動(dòng)滾動(dòng) 導(dǎo)軌上工作做直線運(yùn)動(dòng) 采用開環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)位控制 由脈沖數(shù)控制位移 脈沖頻率控制工作臺(tái)速度的方案 2 傳動(dòng)設(shè)計(jì) 機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)動(dòng)的 下圖是各種傳動(dòng)類型的比較 傳動(dòng)類型 傳動(dòng)效率 傳動(dòng)比 圓周速度 外廓尺 寸 相對(duì)成 本 性能特點(diǎn) 帶傳動(dòng) 0 94 0 96 平帶 0 92 0 97 V 帶 5 7 5 25 30 大 低 過載打滑 傳動(dòng) 平穩(wěn) 能緩沖吸振 不能保證定傳動(dòng)比 遠(yuǎn)距離傳動(dòng) 0 95 0 98 齒型帶 10 50 80 中 低 傳動(dòng)平穩(wěn) 能保證 固定傳動(dòng)比 鏈傳動(dòng) 0 90 0 92 開式 0 96 0 97 閉式 5 8 5 25 大 中 平均傳動(dòng)比準(zhǔn)確 可在高溫下傳動(dòng) 遠(yuǎn)距離傳動(dòng) 高速 有沖擊振動(dòng) 齒輪傳動(dòng) 0 920 96 開 式 0 96 0 99 閉式 3 5 開式 7 10 閉式 5 200 中小 中 傳動(dòng)比恒定 功率和速度適用范 圍廣 效率高 壽 命長(zhǎng) 蝸輪傳動(dòng) 0 40 0 45 自鎖 0 7 0 9 不 自鎖 8 80 10 00 15 50 小 高 傳動(dòng)比大 傳 動(dòng)平穩(wěn) 結(jié)構(gòu)緊湊 可實(shí)現(xiàn)自鎖 效率 低 螺旋傳動(dòng) 0 3 0 6 滑 動(dòng) 0 9 滾 動(dòng) 高中低 小 中 傳動(dòng)平穩(wěn) 能自鎖 增力效果好 連桿傳動(dòng) 高 1 中 小 低 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 易制造 能傳遞較大載荷 耐沖擊 可遠(yuǎn)距離 傳動(dòng) 凸輪傳動(dòng) 低 中低 小 高 從動(dòng)件可實(shí)現(xiàn)各種 運(yùn)動(dòng)規(guī)律 高副接 觸磨損較大 摩擦輪傳 動(dòng) 0 85 0 95 5 7 15 25 大 低 過載打滑 工作平 穩(wěn) 可在運(yùn)轉(zhuǎn)中調(diào) 節(jié)傳動(dòng)比 依據(jù)經(jīng)驗(yàn) 初步選擇導(dǎo)程為 5mm 的絲桿 根據(jù)定位精度要求確定脈沖當(dāng)量為 0 005mm Hz 步距角選取 0 36 度 結(jié)合式 2 1 計(jì)算得傳動(dòng)比為 1 2 1 360BiP 式中 為步進(jìn)電機(jī)步距角 為脈沖當(dāng)量 為傳動(dòng)比 i 為絲桿導(dǎo)程 BP 由于計(jì)算得傳動(dòng)比為 1 則不需要選用減速箱 直接采用聯(lián)軸器連接電動(dòng)機(jī)軸 與絲桿 3 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 為機(jī)械系統(tǒng)正常工作提供動(dòng)力源 實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的原動(dòng)機(jī) 或 動(dòng)力機(jī) 及其配套裝置 大多數(shù)原動(dòng)機(jī)采用電動(dòng)機(jī) 按利用的能源分 有熱力發(fā)動(dòng) 機(jī) 水力發(fā)動(dòng)機(jī) 風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)等 3 1 常用原動(dòng)機(jī)的類型 1 電動(dòng)機(jī) 2 液壓馬達(dá) 3 氣動(dòng)馬達(dá) 4 內(nèi)燃機(jī) 電動(dòng)機(jī) 技術(shù)較為成熟 驅(qū)動(dòng)效率高 與被驅(qū)動(dòng)的工作機(jī)械連接簡(jiǎn)便 可 用標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)軸器 有多品種和規(guī)格 可滿足不同類型機(jī)械的工作要求 具有良好 的調(diào)速性能 啟動(dòng) 制動(dòng) 反向和調(diào)速的控制簡(jiǎn)單可靠 可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的測(cè) 量和控制 便于集中管理和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化 價(jià)格較低 液壓馬達(dá) 可以獲得很大的機(jī)械力或轉(zhuǎn)矩 與電動(dòng)機(jī)相比在相同功率時(shí)其 外形尺寸小 重量輕 因而運(yùn)動(dòng)件的慣性小 快速響應(yīng)的靈敏度高 但是使用 液壓馬達(dá)必須具有高壓油的供給系統(tǒng) 且對(duì)液壓元件的制造和裝配精度要求較 高 容易出現(xiàn)漏油現(xiàn)象而影響工作效率及工作機(jī)械的運(yùn)動(dòng)精度 價(jià)格高 氣壓馬達(dá) 使用空氣作為工作介質(zhì) 容易獲得 用后可以直接排入大氣而 無污染 壓縮空氣可以進(jìn)行集中供給和遠(yuǎn)距離輸送 動(dòng)作迅速 反應(yīng)快 維護(hù) 簡(jiǎn)單 成本低 對(duì)易燃 易爆 多塵和振動(dòng)等惡劣工作環(huán)境的適應(yīng)性較好 但 是因空氣具有可壓縮性 氣動(dòng)馬達(dá)的工作穩(wěn)定性較差 氣動(dòng)系統(tǒng)的噪聲大 工 作壓力受到一定的限制不能太高 輸出的轉(zhuǎn)矩不能太大 一般只適用于小型和 輕型的工作機(jī)械 內(nèi)燃機(jī) 功率范圍寬 操作簡(jiǎn)單 啟動(dòng)迅速 便于移動(dòng) 用于野外 無法 使用電力的時(shí)候使用 污染環(huán)境 消耗自然資源 3 2 考慮到定位精度要求不高 載荷不大 為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu) 降低成本 提高性價(jià) 比 因此該設(shè)計(jì)中采用步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng) 經(jīng)計(jì)算 X Y 方向步進(jìn)電機(jī)均可選選常州寶馬前楊電機(jī)電器有限公司的 90BF006 型反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 90BF006 的主要技術(shù)參數(shù) 表 3 1 型號(hào) 相數(shù) 步距角 Deg 電壓 V 電流 A 保持轉(zhuǎn) 矩 Nm 空轉(zhuǎn)起 動(dòng)頻率 HZ 運(yùn)行頻 率 Hz 質(zhì)量 Kg 90BF006 5 0 36 0 72 24 3 2 156 2400 2 2 90BF006 的矩頻特性曲線 90BF006 的接線圖 步進(jìn)電機(jī)的接線方式有兩種 串聯(lián)和并聯(lián) 如下圖的四相八線接法 步進(jìn)電機(jī)外形 4 機(jī)床部件設(shè)計(jì) 4 1 聯(lián)軸器 軸承 聯(lián)軸器有剛性和撓性兩種 剛性聯(lián)軸器適用于兩軸嚴(yán)格對(duì)中不發(fā)生相對(duì)位 移的地方 撓性聯(lián)軸器適用于兩軸有偏斜 可分為同軸線 相交軸線 或在工 作中有相對(duì)位移 可分為軸向位移 徑向位移 角位移 綜合位移 的地方 撓性聯(lián)軸器又有無彈性元件的 金屬彈性元件的和非金屬彈性元件的之分 后 兩種稱為彈性聯(lián)軸器 二維工作平臺(tái)是高精度機(jī)電系統(tǒng) 要求定位精度高 啟動(dòng)靈活 頻繁 這 就要求聯(lián)軸器輸出地角位移 轉(zhuǎn)矩與電機(jī)輸出地角位移 轉(zhuǎn)矩同步性好 因此 選擇剛性聯(lián)軸器 軸承分滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承 由于工作臺(tái)載荷不大 速度低 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)頻繁 這里設(shè)計(jì)選擇滾動(dòng)軸 承 4 2 導(dǎo)軌 直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的作用是用來支承和引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件按給定的方向作往復(fù)直線 運(yùn)動(dòng) 導(dǎo)軌部件由運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌 動(dòng)導(dǎo)軌 和支承導(dǎo)軌 靜導(dǎo)軌 組成 按摩擦性 質(zhì) 導(dǎo)軌可分為滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌 滾動(dòng)摩擦導(dǎo)軌 彈性摩擦導(dǎo)軌 流體摩擦導(dǎo)軌 等四類 表 3 3 中給出了給出了各類導(dǎo)軌的對(duì)比 各類導(dǎo)軌的比對(duì) 表 3 3 導(dǎo)軌名稱 導(dǎo)向精度 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性 承載能力 耐磨性 使用環(huán)境 成本 滑動(dòng)導(dǎo)軌 滾動(dòng)導(dǎo)軌 液壓靜壓導(dǎo)軌 空氣靜壓導(dǎo)軌 較高 高 高 高 較好 較好 好 好 大 較低 較大 較低 差 較好 好 好 要求不高 要求較高 要求高 要求高 低 較高 高 高 根據(jù)設(shè)計(jì)要求 需要承受的載荷不大 定位精度高 因此在該設(shè)計(jì)中選用 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌具有摩擦系數(shù)小 不易爬行 傳動(dòng)效率高 結(jié)構(gòu) 緊 安裝預(yù)緊方便等特點(diǎn) 經(jīng)計(jì)算 結(jié)合上銀科技股份有限公司 MGN 系列導(dǎo)軌的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度和軌長(zhǎng)公式 選用其 MGN12C 型號(hào)產(chǎn)品 4 3 絲桿 電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過絲桿螺旋傳動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng) 3 3 1 絲杠與螺母的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有六種 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) 2 P424 絲杠轉(zhuǎn)動(dòng) 螺母移動(dòng) 螺母轉(zhuǎn)動(dòng) 絲杠移動(dòng) 螺母固定 絲杠轉(zhuǎn)動(dòng) 移動(dòng) 絲杠固定 螺母轉(zhuǎn)動(dòng) 移動(dòng) 5 絲桿 螺母同是轉(zhuǎn)動(dòng) 螺母移動(dòng) 圖 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) 2 P424 6 絲桿轉(zhuǎn)動(dòng) 絲桿及螺母 2 移動(dòng) 圖 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) 2 P424 對(duì)于臥式工作臺(tái)我們選擇第一種方案 即絲杠轉(zhuǎn)動(dòng) 螺母移動(dòng) 4 3 2 按摩擦性質(zhì) 可分為滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)和滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)兩種 滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn) 傳動(dòng)精度高 螺紋導(dǎo)程小 降速比大 牽引力大等優(yōu)點(diǎn) 其缺點(diǎn)是摩擦阻力大 傳動(dòng)效率低 螺紋中有側(cè) 向間隙 故反向有空行程 由于動(dòng)靜摩擦差別大 低速時(shí)可能出現(xiàn)爬行現(xiàn)象 滾珠絲杠就具有螺旋滾道的絲杠和螺母間充滿滾珠 這些滾珠作為中間傳 動(dòng)件 在螺母閉合的回路中循環(huán)滾動(dòng) 使絲杠螺母副的運(yùn)動(dòng)由滑動(dòng)變成滾動(dòng) 以減小摩擦 滾珠絲杠的傳動(dòng)效率很高 當(dāng)雙螺母預(yù)緊后 軸向剛度好 傳動(dòng) 副爬行小 具有較高的定位精度 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小 傳動(dòng)靈敏 同步性好 故選用滾珠絲桿副 4 3 3 常見的滾動(dòng)絲杠支承方式有四種 1 固定 固定 型 K2 4 適用于高轉(zhuǎn)速 高精度的場(chǎng)合 該形式兩端分別分別由一對(duì)軸承約束軸向 和徑向自由度 負(fù)荷由兩組軸承副共同承擔(dān) 也可以使兩端的軸承副承受反 向 預(yù)拉伸力 從而提高傳動(dòng)剛度 在定位要求很高的場(chǎng)合 甚至可以根據(jù)受力情 況和絲杠熱變形趨勢(shì)精確設(shè)定目標(biāo)行程補(bǔ)償量 進(jìn)一步提高定位精度 固定 固定 型有時(shí)也被 片面地叫做 雙推 雙推 實(shí)際上由于徑向力的存在幾乎 很少能用兩個(gè)推力軸承作為固定端 由于此形式結(jié)構(gòu)較復(fù)雜 調(diào)整較難 因此 一般僅在定位要求很高時(shí)采用 2 固定 游動(dòng) 型 K2 2 適用于中轉(zhuǎn)速 高精度的場(chǎng)合 該形式一端由一對(duì)軸承約束軸向和徑向自由 度 另一端由單個(gè)軸承約束徑向自由度 負(fù)荷由一對(duì)軸承副承擔(dān) 游動(dòng)的 單個(gè) 軸承能防止懸臂撓度 并消化由熱變形產(chǎn)生的應(yīng)力 固定 游動(dòng) 型有時(shí)也被 片面地叫做 雙推 支承 此形式結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單 效果良好 應(yīng)用廣泛 3 支承 支承 型 K2 1 適用于中轉(zhuǎn)速 中精度的場(chǎng)合 該形式兩端分別設(shè)一個(gè)軸承 分別承受徑 向力和單方向的軸向力 隨負(fù)荷方向的變化 分別由兩個(gè)軸承單獨(dú)承擔(dān)某一 方 向的力 由于支承點(diǎn)隨受力方向變化 定位可控性較低 此形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 受 力情況較差 應(yīng)用較少 4 固定 自由 型 K2 0 25 適用于低轉(zhuǎn)速 中精度 軸向長(zhǎng)度短的場(chǎng)合 該形式一端由一對(duì)軸承約束 軸向和徑向自由度 另一端懸空呈自由狀態(tài) 負(fù)荷均由同一對(duì)軸承副承擔(dān) 并 且需克服絲杠回轉(zhuǎn)離心力 及水平安裝時(shí)的重力 造成的彎矩 固定 自由 型有時(shí)也被錯(cuò)誤地叫做 雙推 自由 此形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 受力情況差 但在行 程小 轉(zhuǎn)速低時(shí) 也經(jīng)常用到 比較四種支承方式 這里選擇第二種 成對(duì)軸承安裝方式有三種 精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) P249 1 2 3 1 面對(duì)面 2 背對(duì)背 3 串聯(lián) 此種安裝方式適用于較高精度及中等載荷的絲桿 一端采用深溝球軸承 一端采用一對(duì)背對(duì)背角接觸球軸承 這樣能夠承受集中力偶 且支承端的軸向 自由度可以釋放因工作時(shí)溫度升高而產(chǎn)生的軸伸量 4 4 支承件 支承件是設(shè)備的基礎(chǔ)構(gòu)件 包括床身 橫梁 搖臂 底座 刀架 工作臺(tái) 箱體和升降臺(tái)等 這些件一般都比較大 所以也稱大件 4 4 1 支承件的種類 按構(gòu)造方式可分為 A 機(jī)座類 B 箱殼類 C 機(jī)架類 D 平板類 按結(jié)構(gòu)可分為 A 整體式 B 裝配式 4 4 2 典型車床類床身 金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì) P147 a 典型車床類床身 b 鏜床 龍門刨床等機(jī)床的床身 c 大型和重型機(jī)床的床身 4 4 3 提高剛度 合理配置加強(qiáng)筋是提高局部剛度的有效方法 金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì) P136 4 4 4 支承件的材料 4 4 5 工作臺(tái) 工作臺(tái)最常見的是 T 形槽 但是也可在工作面上可加工 V 形 U 形槽 燕 尾槽 圓孔 長(zhǎng)孔等 燕尾槽 T 形槽 1 工作臺(tái)與螺母座的聯(lián)接 螺母座與工作臺(tái)有兩種連接方式 一種是剛性連接 是結(jié)構(gòu)體三個(gè)力方向 都受到約束 如鋼結(jié)構(gòu)中的焊接 另一種是柔性連接 在結(jié)構(gòu)中叫做鉸接 是 結(jié)構(gòu)體1 2個(gè)力方向受到約束 剛性連接不允許出現(xiàn)相對(duì)位移和轉(zhuǎn)角 也就是說 節(jié)點(diǎn)不考慮變形問題 柔性連接就是允許相互連接的構(gòu)件發(fā)生位移或轉(zhuǎn)角 不 限制某一方面的變形 也就是說允許出現(xiàn)變形 或者說我們希望他能夠變形 剛性連接是焊接 螺栓連接等機(jī)械連接 柔性連接是鉸接 有彈簧隔振這些的 連接 本設(shè)設(shè)計(jì)采用剛性聯(lián)接結(jié)構(gòu) 如圖4 2所示 這種聯(lián)接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是牢固可 靠 2 工作臺(tái)本身的設(shè)計(jì) 工作臺(tái)用以安裝工件 如果工作態(tài)是不動(dòng)的 如搖臂鉆床的工作臺(tái) 可設(shè)計(jì)成 封閉的箱型 如果工作臺(tái)是運(yùn)動(dòng) 移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng) 的 則有一組導(dǎo)軌 這類工作臺(tái) 的形狀有三種 金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì) P149 A 箱形升降式 如牛頭刨床的工作臺(tái) B 矩形 如銑床 磨床等的工作臺(tái) C 圓形 如立式車床 又稱花盤 和齒輪加工機(jī)床的工作臺(tái) 本設(shè)計(jì)的工作臺(tái)是運(yùn)動(dòng)的 3 工作臺(tái)筋條的布置對(duì)抗彎剛度的影響 機(jī)床零件設(shè)計(jì) 2 下 P1290 表 5 15 74 1 工作平臺(tái)功能 按用途分為 檢驗(yàn)平板 適用于各種檢驗(yàn)工作 精密測(cè)量用的基準(zhǔn)平面 用于機(jī)床機(jī)械 檢驗(yàn)測(cè)量基準(zhǔn) 檢查零件的尺寸精度或形為偏差 并作緊密劃線 在機(jī)械制造 中也是不呆缺少的基本工具 劃線平板 用于機(jī)械 發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力實(shí)驗(yàn) 設(shè)備調(diào)試 具有較好的平面穩(wěn) 定性和韌性 表面帶有 T 型槽 可以用來固定實(shí)驗(yàn)設(shè)備 鏜銑床平板 主要用于機(jī)床加工工作平面使用 上面有孔和 T 型槽 用來 固定工件 和清理加工時(shí)產(chǎn)生的鐵屑 焊接平板 用來進(jìn)行工件的焊接工藝 和鉚焊平板不同 上面沒有孔 工 作面為平面或 T 型槽 鉚焊平臺(tái) 用于鉚焊工藝的基礎(chǔ)平板 工作面上有孔和 T 型槽 孔主要用 來清理鉚焊時(shí)的一些鐵渣和焊接廢棄物 T 型槽主要是用來固定焊接件 測(cè)量平板 裝配平板 基礎(chǔ)平板 工作平板 三坐標(biāo)平板等 是檢驗(yàn)機(jī)械 零件平面 平行度 直線度等形位公差的測(cè)量基礎(chǔ) 亦要用于一般零件精密零 件的劃線 研磨工藝和測(cè)量等 在工作臺(tái)中設(shè)計(jì)的 T 形槽不僅可以節(jié)約材料 而且還加強(qiáng)了工作臺(tái)的強(qiáng)度 精度等級(jí) 0級(jí) 1級(jí) 2級(jí) 3級(jí) 規(guī)格 長(zhǎng) 寬 平面度公差 200 200 5 10 20 5 200 300 5 5 11 22 300 300 5 5 11 22 300 400 6 12 24 400 400 6 5 12 5 25 400 500 6 5 13 26 66 400 600 7 14 27 5 70 500 500 6 8 14 28 68 500 600 7 14 2 28 5 71 500 800 8 15 5 31 78 600 800 8 16 32 80 600 900 8 3 16 5 33 83 1000 750 9 18 36 90 1000 1000 20 40 97 1000 1200 20 5 41 103 1000 1500 22 45 112 1000 2000 26 52 130 1500 2000 28 56 140 1500 3000 70 174 2000 3000 74 184 2000 4000 88 219 5 控制系統(tǒng) 5 1 控制系統(tǒng)的選擇 伺服系統(tǒng)分為以下幾類 開環(huán)伺服系統(tǒng) 系統(tǒng)只是根據(jù)輸入量和干擾量進(jìn)行控制 而輸出端和輸入端之間不存在反 饋回路 輸出量取決于精密機(jī)械系統(tǒng) 而與控制系統(tǒng)無關(guān) 閉環(huán)伺服系統(tǒng) 系統(tǒng)的輸出端和輸入端之間存在反饋回路 在被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)過程中 測(cè) 量環(huán)節(jié)不斷測(cè)出實(shí)際的輸出量并與給定量進(jìn)行比較 然后用其差值進(jìn)行控制 以獲取高精度 閉環(huán)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 制造和調(diào)整都較復(fù)雜 通常適用于高精 度的精密機(jī)械系統(tǒng) 半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)介于閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)之間 用于精度要求不太高的情 況下 檢測(cè)裝置不是安放在工作臺(tái)上 而是裝在絲桿或電機(jī)軸的端部 由于半 閉環(huán)伺服系統(tǒng)比閉環(huán)伺服系統(tǒng)的環(huán)路短 因此較易獲得穩(wěn)定控制 在本設(shè)計(jì)中 只涉及到通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 絲桿傳動(dòng)的直線運(yùn)動(dòng) 考慮到 該設(shè)計(jì)的二維坐標(biāo)機(jī)械滑臺(tái)的定位精度要求不高 載荷不大 因此 為簡(jiǎn)化結(jié) 構(gòu) 降低成本 提高性價(jià)比 該設(shè)計(jì)中采用步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng) 圖 4 1 開環(huán)伺服系統(tǒng) 4 2 行程控制 行程控制 就是當(dāng)運(yùn)動(dòng)部件到達(dá)一定行程位置時(shí)采用行程開關(guān)來進(jìn)行控制 行程 開關(guān)是由裝在運(yùn)動(dòng)部件上的擋塊來撞動(dòng)的 行程開關(guān)作用有兩個(gè) 1 防止工 作臺(tái)超過最大行程 使電機(jī)損壞 2 可以用與定位 所以這 4 個(gè)行程開關(guān)就充 當(dāng)了傳感器 圖 4 2 行程開關(guān)工作示意圖 圖 4 2 是行程開關(guān)工作的簡(jiǎn)單示意圖 行程開關(guān) S1 和 S2 分別裝在導(dǎo)軌的 起點(diǎn)和終點(diǎn) 由裝在工作臺(tái)上的擋塊來撞動(dòng) 工作臺(tái)由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng) 工作臺(tái)在起點(diǎn)時(shí) 其上擋塊將起點(diǎn)行程開關(guān) S1 壓下 將串接在反轉(zhuǎn)控制電 路中的常閉觸頭壓開 這時(shí)電動(dòng)機(jī)不能反轉(zhuǎn) 電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn) 帶動(dòng)工作臺(tái)前進(jìn) 當(dāng)工作臺(tái)到達(dá)終點(diǎn)時(shí) 擋塊壓下行程開關(guān) S2 將串接在正轉(zhuǎn)控制電路中的常開 觸頭壓開 電動(dòng)機(jī)即停止正轉(zhuǎn) 參考文獻(xiàn) 1 機(jī)械工程手冊(cè) 機(jī)械零部件設(shè)計(jì) 機(jī)械工業(yè)出版社 M 1997 年 P1 12 P1 18 P6 3 P6 32 P7 6 P7 9 P8 5 P8 52 P9 21 P9 52 2 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) 2 上 機(jī)械工業(yè)出版社 M 1980 年 8 月 P424 P425 P457 P464 3 機(jī)械設(shè)計(jì) 許國忠 周玉林主編 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社 M 2009 年 8 月 P1 P5 4 精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 天津大學(xué) 裘祖榮主編 機(jī)械工業(yè)出版社 M 2008 年 3 月 5 金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì) 大連工學(xué)院 戴曙主編 機(jī)械工業(yè)出版社 M 1989 年 11 月 四 計(jì)算 本設(shè)計(jì)中 下層 X 方向的負(fù)荷為 10Kg 而上層 Y 方向負(fù)荷僅 6Kg 1 伺服電機(jī)的計(jì)算和選型 1 1 根據(jù)定位精度要求確定脈沖當(dāng)量選擇步距角 根據(jù)經(jīng)驗(yàn) 初步選擇導(dǎo)程為 5mm 的絲桿 本系統(tǒng)中 X Y 方向的定位精度均 為 0 01mm 因此 X Y 方向的脈沖當(dāng)量均取 mm Hz 0 5 為步進(jìn)電機(jī)步距角為 0 36 為脈沖當(dāng)量為 0 005mm hz 為傳動(dòng)比 i i 1360BiP 1 2 根據(jù)快速進(jìn)給速度 確定電機(jī)的最高運(yùn)行頻率 maxax10fv 為工作臺(tái)運(yùn)行最高速度 m min 為步進(jìn)電機(jī)最高運(yùn)行頻率 Hz axf 代入工作臺(tái)最快進(jìn)給速度 12m min 脈沖當(dāng)量 0 005mm Hz 計(jì)算得 40 maxf 000Hz 1 3 根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩或阻力 選擇步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩 為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩 Nm alT 為慣性加速轉(zhuǎn)矩 Nm 為摩擦負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Nm l 1 3 1 計(jì)算 Ta 1 Y 軸方向上步進(jìn)電機(jī)總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 工作臺(tái)與負(fù)載的慣量 為工作臺(tái)與負(fù)載的慣量 2BAPJM AJ M 為工作臺(tái)與負(fù)載的總質(zhì)量 Kg 初取 6Kg 滾珠絲桿慣量 式中 為滾珠絲桿的慣量 432BBJLD BJ 為滾珠絲桿的密度 7 90 3gcm 為滾珠絲桿總長(zhǎng) 368mm B 為滾珠絲桿外徑 20mm 折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的總慣量為 yABJ 2 X 軸方向上步進(jìn)電機(jī)總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 X 方向?qū)к壣弦苿?dòng)部件的重量估算 10Kg 得 X 方向折算到步進(jìn)電機(jī)軸M 上的總慣量為 xABJJ 式中 為加速開始及終止時(shí)的脈沖頻率 Hz 0 57 3nafTJt 0fn 為加速過程時(shí)間 s 其中 是加速度 1 5 t max 13vts a2ms 已知 40 000Hz 取 2 000Hz XY 方向慣性加速轉(zhuǎn)矩分別為 nf0f 57 3naxfTJt 0 57 3nayfTJt 1 3 2 計(jì)算 Ti 26 102zlmF 式中 為工作臺(tái)及負(fù)載質(zhì)量 Kg 為摩擦系數(shù) 取 0 2 為垂直方向的切削分力 此處為 0N zF 為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率 取 0 80 由此可計(jì)算 XY 方向的 ixTmaf 2 導(dǎo)軌 兩個(gè)方向上均采用雙導(dǎo)軌 四滑塊的支承形式 2 1 靜負(fù)荷 考慮最差的情況 即垂直于工作臺(tái)面的工作載荷全部由一個(gè)滑塊承擔(dān) 則 單滑塊需承受的最大垂直方向載荷為 Nmax109 8Pg 0SLCPf 式中 為基本靜額定負(fù)荷 N 為工作負(fù)荷 N 為靜安全系數(shù) 此處取 2 0 SLf 2 2 額定壽命 假定工作臺(tái)的工作壽命為 5 年 一年工作 300 天 每天工作 6 小時(shí) 因此 得到滾珠直線導(dǎo)軌的小時(shí)工作壽命為 5 300 6 9000 小時(shí)hL31026hLnl 滾珠直線導(dǎo)軌的距離壽命為 108km 式中 為移動(dòng)件每分鐘往復(fù)次數(shù) 取 4 n 為行程 m l 2 3 動(dòng)負(fù)荷 C 273N 350CLkmP 2 4 導(dǎo)軌總長(zhǎng)度 軌長(zhǎng) 有效行程 滑塊間距 滑塊長(zhǎng)度 滑塊數(shù)量 兩端安全行程 250mm 20mm 34 7mm 2 30 6mm 370mm 3 絲桿 3 1 精度 查機(jī)械手冊(cè)可知 其單一導(dǎo)程變動(dòng)為 0 004mm 在任意 300mm 行程的導(dǎo)程變動(dòng) 為 0 005mm 其軸向背隙為 0 005mm 3 2 滾珠絲桿導(dǎo)程 PB 式中 是滾珠絲桿導(dǎo)程 mm maxBvPN BP 是工作臺(tái)最高進(jìn)給速度 200mm s ax 是步進(jìn)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速 2400r s m 3 3 滾珠絲桿總長(zhǎng)度 滾珠絲桿總長(zhǎng)度 行程 螺帽長(zhǎng)度 安全長(zhǎng)度 肩部長(zhǎng)度 270mm 螺帽長(zhǎng)度 20mm 62mm 332mm 螺帽長(zhǎng)度 螺母長(zhǎng)度根據(jù)最后確定的型號(hào)計(jì)算 3 4 平均負(fù)荷 Fbm 的計(jì)算 取運(yùn)作條件系數(shù) 1 5 式中 bmpFf pf 為平均操作負(fù)荷 為軸向負(fù)荷 b 為運(yùn)作條件系數(shù) pf 摩擦系數(shù) 0 2 質(zhì)量 10kg bFg 3 5 預(yù)壓力的計(jì)算 式中 為預(yù)壓力 P 為平均負(fù)荷 bmF 3 6 最大動(dòng)載荷的計(jì)算 滾珠絲桿的小時(shí)壽命為 2 8 5 300 6 9000 小時(shí)hL 假定滾珠絲桿工作壽命為 5 年 一年工作 300 天 每天工作 6 個(gè)小時(shí) 轉(zhuǎn)速壽命 9000 2400 60 rev1290 最大動(dòng)載荷 當(dāng)滾珠絲桿采用無預(yù)壓的單螺帽時(shí) abmF 當(dāng)滾珠絲桿采用含預(yù)壓力 P 的單螺帽時(shí) 39 9N P 3 7 滾珠絲桿剛度的驗(yàn)算 a 滾珠絲桿滾道間的接觸變形 的計(jì)算1 w DZd 式中 Z 為單圈滾珠數(shù) D 為滾珠絲桿公稱直徑 為鋼珠直徑 wd 1330 FPZ 式中 為滾珠與螺紋滾道間的接觸變形 1 為滾珠絲桿的工作載荷 Fbm 為預(yù)壓力 為滾珠總數(shù)量為 20 Z Z b 滾珠絲桿在工作載荷 作用下的抗拉壓變形 的計(jì)算F2 214dS 式中 S 為滾珠絲桿的截面積 絲桿在軸向載荷作用下 一個(gè)螺距產(chǎn)生的變化量為 3 25 PFE 式中 為滾珠絲桿在工作載荷下的抗拉壓變形 為滾珠絲桿的工作載荷 Fbm 為絲桿的螺距 E 為材料的彈性模量 210Gpa 為滾珠絲桿底徑 1d 360aCLF 300mm 行程內(nèi)的導(dǎo)程變形量為 0 30 60 0 18 2305P 51 um 總形變 0 18 0 1 0 28 12 um 3 8 滾珠絲桿穩(wěn)定性的驗(yàn)算 滾珠絲桿失穩(wěn)時(shí)的臨界軸向載荷為 2 aacEIFL 式中 為絲桿最大工作長(zhǎng)度 一般取為絲桿支承間的距離 為絲桿截面的截面慣性矩 為滾珠絲桿底徑 aI 416adI E 為絲桿材料的彈性模量 為長(zhǎng)度系數(shù) 與絲桿的支承情況有關(guān) 3 9 滾珠絲桿臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)算 1822 70fcMdNa 3 28 式中 為臨界轉(zhuǎn)速 r min c 為滾珠絲桿底徑 mm 1d 為軸承支承間距 316mm a 為滾珠絲桿支承方式系數(shù)fM 流程圖 傳動(dòng)比 i 精度 PB 總長(zhǎng) 度 絲桿 靜負(fù) 荷 總長(zhǎng) 度 步進(jìn)電 機(jī)參數(shù) 最高運(yùn)行 頻率 maxf 轉(zhuǎn)矩 T 導(dǎo)軌 額定 壽命 動(dòng)負(fù) 荷