1、密 級學 號080209115院、(系)機電工程學院題目：二維伺服運動平臺的機械結構設計學位申請人：石超指導教師：高紅紅學科專業：機械設計制造及其自動化學位類別：工 學 2011年 06月本科畢業設計(論文)題目： 二維伺服運動平臺的機械結構設計院 （系）： 機電工程學院 專 業： 機械設計制造及其自動化 班 級： 080209 學 生： 石超 學 號： 080209115 指導教師： 高紅紅 2011年 06月 二維伺服運動平臺的機械結構設計摘 要機械制造工業是一個國家經濟法發展的基礎，隨著高端技術的不斷發展，精密與超精密加工技術已逐漸發展成機械制造工業領域的重要方面。二維運動平臺是高精度測

2、量系統和高精度加工系統的核心部件。完整的二維運動平臺主要包括機械運動系統、位移傳感系統和運動控制系統三大部分。本文主要探究二維運動平臺的機械運動系統。二維伺服運動平臺的機械運動系統關鍵在于驅動部分，導向部分和檢測部分等，本文就針對這幾部分展開研究。基于現有的各種類型機械運動工作臺的分析，在驅動部分本文直接采用伺服電機，達到任意調速的目的；在導向部分本文采用采用“滾珠絲杠+滾動導軌”的方式，以保證足夠的精度；在檢測部分我們選用SV-SX系列光柵尺進行位移檢測回饋。最后，將搭建好的二維伺服運動平臺運用Auto CAD ,pro/E,UG等二維三維制圖軟件畫出二維伺服用平臺的機械結構圖。關鍵詞: 精

3、密;超精密;伺服；二維運動平臺；Auto CADAbstract目錄三大件速度粉紅色目錄摘 要IAbstractII1 緒論11.1課題的選題背景及意義11.2二維運動平臺的發展趨勢22 總體方案設計52.1設計任務及原始參數52.2設計方案分析52.3最終方案確定62.4本章小結8第三章 機械結構設計93.1機械傳動部分的設計93.1.1滾珠絲杠的工作原理93.1.2滾珠絲杠副的特點93.1.3滾珠絲杠的設計計算93.1.4絲杠的調隙113.2機械驅動部分設計133.2.1 伺服電機的工作原理及特點133.2.2 伺服電機的設計計算及選型143.3聯軸器的設計選型163.3.1 彈性膜片聯軸

4、器的特點163.3.2彈性膜片聯軸器的設計選型173.4滾動導軌的設計選型183.4.1 滾動導軌的特點183.4.2 滾動導軌的計算選型193.5其他部件的設計選型203.5.1光柵尺的設計選型203.5.2 軸承的選擇203.5.3軸承端蓋的設計223.5.4 軸承支座的設計223.5.5 XY軸底座的設計243.5.6 工作臺的設計244 結論25參考文獻26致謝27畢業設計（論文）知識產權聲明28畢業設計（論文）獨創性聲明29附錄30附錄1 外文翻譯及原文30附錄2 總裝配圖和零件圖30西安工業大學畢業設計（論文）1 緒論1.1課題的選題背景及意義運動平臺是檢測設備和加工設備的運動執行

5、部件，是保證設備技術指標的核心部件，運動平臺按運動件可實現運動的維數可分為一維運動平臺二維運動平臺。三維運動平臺和多軸運動平臺。一般來說，典型的運動平臺的組成如圖1-1所示，包括機械運動系統，位移傳感系統和驅動控制系統三部分。機械運動系統是平臺所采用的機械結構形式和驅動連接方法的總和，實現運動件和固定件間的相對運動；位移傳感系統是檢測、處理及傳輸運動件位移數據的部件的總和；反饋控制及驅動系統主要功能是接收傳感系統的數據信息，根據反饋信號和外部輸入信號及時控制、驅動運動件的運動的位移量、速度、加速度。運動平臺的性能由各個部分綜合決定。因而，運動平臺是一個跨領域，多技術的綜合1。傳感檢測系統 驅動

6、控制系統運動件機械位移系統 圖1.1 運動平臺組成示意圖裝備工業的技術水平和現代化程度決定整個國民經濟的水平和現代化程度，數控技術及裝備是發展新興高新技術產業和尖端工業的使能技術和最基本的裝備，又是當今先進制造技術和裝備的最核心的技術。數控技術是利用數字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，而數控裝備是以數控技術為代表的新技術對傳統制造產業和新興制造業的滲透形成的機電一體化產品，其技術范圍覆蓋很多領域2。數控技術是用數字指令來實現一臺或者多臺機械設備動作控制的技術。它廣泛的應用于機械制造和自動化領域，數控技術的應用不但給傳統制造業帶來了革命性的變化，使制造業成為工業化的象征，而且隨著數控技術

7、的不斷發展和應用領域的擴大，它對國計民生的一些重要行業的發展起著越來越重要的作用。隨著科學技術的不斷發展，數控機床的發展也正朝著高性能.高精度.高速度,模塊化和網絡化方向發展。在國內，比如鄭州微納科技有限公司生產的二維直線電機平臺，由兩臺永磁同步直線伺服電機驅動的X-Y軸運動平臺構成，可同時對兩臺直線伺服電機進行同步控制，是一個先進的有直線電機驅動的的實用化的實驗平臺。直線電機直接驅動的X-Y平臺系統，以其快速的響應、準確的定位和高可靠性而廣泛應用于高速自動化設備、精密測量系統、電子與半導體加工設備，激光加工設備等領域。目前代表數控機床最前沿的坐標機床在世界上某些國家已經發展到6-7軸聯動，已

8、經實現了比較完善的閉環伺服控制3。工作臺是機床上必不可少的部件，工作臺的自動化能大大減輕勞動強度，提高勞動生產率。二維運動平臺的設計在生產實踐中還有很多現實意義和經濟效益。二維數控運動平臺可用于簡易的數控機床(包括車床.銑床.磨床等)的改造等，是一種多用的機電一體化裝備。其主要通過X-Y軸兩個方向的聯動，實現二維平面內任意點或軌跡的運動控制，從而在高精度加工與測量領域的得以廣泛應用4。1.2二維運動平臺的發展趨勢我國數控技術起步于1958年，五十多年的發展歷程大致可分為三個階段：第一階段從1958年到1979年，即封閉式發展階段。在此階段，由于國外的技術封鎖和我過的基礎條件的制約，數控技術的發

9、展史極為緩慢的。第二階段是國家的“六五” 、“七五”期間以及“八五”的前期即引進技術，消化吸收，初步建立起國產化體系階段。在此階段，由于改革開放和國家的重視，以及研究開發環境和國際環境的改善，我國數控技術的研究開發以及產品的國產化方面都取得了長足的進步。第三階段是我國的“八五”后期至今。即實施產業化的研究進入市場競爭階段。從目前世界上數控技術及其裝備發展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面：1. 高速、高精加工技術及裝備的新趨勢效率、質量是先進制造技術的主體。高速、高精加工技術可極大地提高效率。提高產品的質量和檔次，縮短生產周期和提高市場競爭能力。從EMO2001展會的情況來看，高速加工中

10、心進給速度可達到80m/min,甚至更高，空運行速度可達到100m/min左右。在加工精度方面，近十年來，普通級數控機床的加工精度已經由10m提高到5m，精密級加工中心則從35m提高到11.5m，并且超精密加工精度已開始進入納米級0.1m。2.智能化、開放式、網絡化成為當代數控系統發展的主要趨勢21世紀的數控裝備將是具有一定智能化的系統 ,智能化的內容包括在數控系統中的各個方面:為追求加工效率和加工質量方面的智能化 ,如加工過程的自適應控制 ,工藝參數自動生成;為提高驅動性能及使用連接方便的智能化 ,如前饋控制、電機參數的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等。數控系統開放化已經成為數

11、控系統的未來之路。所謂開放式數控系統就是數控系統的開發可以在統一的運行平臺上 ,面向機床廠家和最終用戶 ,通過改變、增加或剪裁結構對象 數控功能 ,形成系列化 ,并可方便地將用戶的特殊應用和技訣竅集成到控制系統中 ,快速實現不同品種、不同檔次的開放式數控系統 ,形成具有鮮明個性的名牌產品。目前開放數控系統的體系結構規范、通信規范、配置規范、運行平臺、數控系統功能庫以及數控系統功能軟件開發工具等是當前研究的核心。網絡化數控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數控裝備的網絡化將極大地滿足生產線、制造系統、制造企業對信息集成的需求 ,也是實現新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業、全球制造的基礎單

12、元 ,反映了數控機床加工向網絡化方向發展的趨勢5。工作臺作為數控機床的重要組成部分，也是影響加工精度的重要組成環節。從一開始為了滿足加工簡單的零件而設計的直線運動的工作臺，到現在為了實現多工位加工而制造的分度工作臺和回轉工作臺等。我國在工作臺的研究開發方面也取得了長足的進展。目前工作臺的種類繁多，傳統的工作臺只能安裝在某一指定機床上，伴隨著科技的與時俱進，他們的功能也由傳統單一性向現代的多功能方向發展，并且目前部分工作臺還可以實現任意角度的孔、槽、平面類機械加工，以及曲線、凸輪等的加工，并達到較高的精度3。隨著技術的進步和相關專業的發展，在機械結構方面運動平臺經歷了一系列變化6。最初采用的都是

13、是旋轉電機加滾珠絲杠驅動的串聯機構形式，單軸結構簡圖如圖1-2.這種類型的運動平臺其運動單元目前能達到微米級精度。自從1984年Anorad推出第一臺無鐵芯，無刷直線伺服電機以來，直線電機可以憑借其卓越性能代替旋轉電機開始廣泛地應用到精密運動平臺上。直線電機可以直接驅動運動件，省去了將旋轉運動轉化為直線運動的傳統機構，機構更簡單，可靠性更高，大大提高了運動平臺的精度。 圖1.2旋轉電機加滾珠絲杠驅動單軸結構在國內，長春光學精密機械與物理研究所的王延風等人針對芯片制造設備設計了一種新型磁懸浮超精密工作臺，消除了導軌的摩擦和磨損，使工作臺在X方向和Y方向能夠滿足0.02um的定位精度7。在國外，B

14、akker致力于新型的氣懸浮平臺替代傳統接觸式軸承制成的XY平臺，在重量、體積和成本基本不變的情況下，獲得更高的運動速度和定位精度8。1.3 本文主要研究的內容及研究目的1.3.1 主要的研究內容課題主要包括緒論、二維伺服運動平臺的總體結構方案設計、二維伺服運動平臺的機械結構的方案設計。如圖1-3。圖1.3 本文主要內容第一章緒論 這一章論述了二維伺服運動平臺的一般結構以及國內外的發展概況，搞清楚課題的研究意義和目的。第二章總體的結構方案設計 這一章對二維伺服運動平臺的總體結構進行分析以及確定最終的結構方案第三章機械結構設計 這一章對二維伺服運動平臺的機械結構部分進行分析以及根據任務書參數進行

15、設計計算，包括伺服電機、聯軸器、絲杠、導軌以及檢測裝置。1.3.2 主要的研究目的a) 通過設計，全面地、系統地了解和掌握二維工作臺的基本組成及其想怪知識，學習總體的方案擬定、分析與比較的方法。b) 通過對機械系統的設計，掌握幾種典型傳動元件與導向元件的工作原理、設計計算及選用的方式c) 通過對機械系統的設計，掌握常用伺服電機的工作原理、計算控制方法與控制驅動方式d) 培養獨立分析問題和解決問題的能力，學習并樹立“系統設計”的思想e) 鍛煉提高應用手冊和標準、查閱文獻資料及撰寫科技論文的能力1.4本章小結本章主要對二維伺服運動平臺國內外的發展趨勢進行了解，對課題進行定位，弄清二維伺服運動平臺的

16、機械結構設計的選題背景以及其研究意義。最后對本文的內容進行大致總結。302 總體方案設計2.1設計任務及原始參數（1）了解并熟悉伺服電機的工作原理，根據提供的設計參數，X軸：運動部件重量：20kg，摩擦系數：0.005，最大速度：160mm/s，加速度：0.5mm/s2，行程：100mm，定位精度：0.01mm。 Y軸：運動部件重量：30kg，摩擦系數：0.005，最大速度：160mm/s，加速度：0.3mm/s2，行程：120mm，定位精度：0.01mm， 計算并選擇合適的伺服電機，設計總體結構圖； （2）根據定位精度要求，選擇絲杠、位置傳感器（直線光柵）、導軌及聯軸器等部件； （3）設計相

17、關部件的安裝附件及二維平臺的機械結構； （4）根據系統方案，對其它相關機械結構進行設計，最終完成二維運動平臺的機械裝配圖和三維實體裝配圖。 2.2設計方案分析根據設計的任務來看，本設計主要是實現了在XY平面上的運動，總體設計是在X軸上實現了導程100的行程運動，速度達到160，精度達到0.01:；在Y軸上實現了導程120的行程運動，速度達到了160，精度達到0.01，需要具備良好的伺服性能（即高精度、快速響應性和穩定性好）從而要求本次設計傳動機構滿足以下幾方面：（1）轉動慣量小 在不影響機械系統剛度的前提下，傳動機構的質量和轉動慣量應盡量減小。否則，轉動慣量大會對系統造成不良影響，機械負載增大

18、；系統響應速度降低，靈敏度下降；系統固有頻率減小，容易產生諧振。所以在設計傳動機構時應盡量減小轉動慣量。（2）剛度大 剛度是使彈性體產生單位變形量所需的作用力。大剛度對機械系統而言是有利的：伺服系統動力損失隨之減小。機構固有頻率高，超出機構的頻帶寬度，使之不易產生共振。增加閉環伺服系統的穩定性。所以在設計時應選用大的剛度的機構。（3）阻尼合適 機械系統產生共振時，系統的阻尼增大，其最大振幅就越小且衰減也快，但大阻尼也會使系統的穩態誤差增大，精度降低，所以設計時，傳動機構的阻尼要選著適當。（4）此外還要求摩擦?。ㄌ岣邫C構的靈敏度）、共振性好（提高機構的穩定性）、間隙?。ūＷC機構的傳動精度），特別

19、是其動態特性應與伺服電動機等其它環節的動態特性相匹配。 2.3最終方案確定1.驅動電機的設計選用控制電機應根據轉矩、位移速度、理論定位精度、工作行程和載荷大小來確定，常用的控制電機有步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機（又分為同步交流和異步交流）。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在于其額定轉速以內，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。而且運轉非常平穩，具有較強的過載能力，因此可以初選交流伺服電機，以降低成本，提高性價比。由于電機的選擇要結合絲杠，所以具體的參數設計將在絲杠設計時一起進行9。2聯軸器的設計選用聯軸器的作用是連接兩軸并使其一起做回轉運動，同時傳遞轉矩。聯軸器有剛性和撓性兩種，

20、剛性聯軸器適用于兩軸嚴格對中不發生相對位移的地方。撓性聯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。后兩種稱為彈性聯軸器 10。本設計中的二維工作平臺是高精度機電系統，要求定位精度高，啟動靈活、頻繁。這就要求聯軸器輸出的角位移、轉矩與電機輸出地角位移、轉矩同步性好，因此初選剛性聯軸器。3傳動部分的設計選用絲杠副是傳動部分最常用的一種方式，是將絲杠的回轉運動變為螺母的直線運動，同時傳遞力或力矩的11。根據絲杠副的工作原理，一般可將其分為滑動絲杠螺母副和滾動

21、絲杠螺母副。滑動絲杠螺母機構具有結構簡單，運動平穩，傳動精度高，螺紋導程小，降速比大，牽引力大等優點。其缺點是摩擦阻力大，傳動效率低，螺紋中有側向間隙，故反向有空行程。由于動靜摩擦差別大，低速時可能出現爬行現象。滾珠絲杠的傳動效率很高，當雙螺母預緊后，軸向剛度好，傳動副爬行小，具有較高的定位精度，啟動轉矩小，傳動靈敏，同步性好。其缺點是結構復雜，制造較困難，價格昂貴，以及不能自鎖。本設計需要滿足mm的定位精度，滑動絲杠副無能為力，只有初選滾珠絲桿副才能達到要求，滾珠絲桿副的傳動精度高、動態響應快、運轉平穩、壽命長、效率高、預緊后可消除反向間隙12。4.導軌副的設計選用在高精度工作臺的構造系統中

22、，導軌有著舉足輕重的作用。導軌具有承載和導向的功能，其導軌的直線度、定位精度等技術指標將直接決定著工作臺的定位精度。在精密和超精密的加工技術領域中，超精密加工設備選用的導軌應具有剛度高、摩擦系數小、無爬行現象和直線度高等基本要求。目前常用的導軌一般有滑動導軌、滾動導軌和靜壓導軌三種形式13。滑動導軌一般具有結構簡單，成本低，適用性廣等特點，但滑動導軌和其他形式的導軌相比，其摩擦系數大，在低速的時候“爬行”明顯，且磨損現象嚴重，不以修復，一般只使用于精度要求不高得場合。滾動導軌是滾動摩擦代替滑動摩擦，即在滾道里放入滾珠、滾柱等滾動體，使導軌的運動處于滾動摩擦狀態。滾動導軌具有比滑動導軌更低的摩擦

23、系數，可以有效的避免“爬行”現象，是目前常用的一種導軌形式。但滾動導軌在運動過程中，由于滾動體和導軌是點或者線接觸，因此抗震性不如滑動軌道14。靜壓導軌屬于非接觸式導軌，導軌間充滿一層薄膜（油膜或氣膜），一般分為液體靜壓導軌和氣浮靜壓導軌。靜壓導軌具有運動精度高、摩擦系數小、無爬行現象等優點。但由于液體靜壓導軌使用過程中容易受環境溫度影響導致液體升溫等問題，其使用條件苛刻，且調整困難等缺點。本設計二維運動工作臺，需要承受的載荷不大，脈沖當量小，定位精度高，考慮到成本以及綜合因素，最終選擇滾動導軌。5.檢測裝置的設計選用在精度高的工作臺系統中，位置檢測裝置的分辨率也是決定工作臺的定位精度的關鍵因

24、素之一。因為為了獲取高精度的定位精度，必須使用高分辨率的檢測裝置來實時測量愛喝反饋位置信號。目前常用的檢測裝置有激光干涉儀和高分辨的光柵尺。激光干涉儀是以激光在真空中的波長為長度基準來測量位移的，其測量范圍大、精度高。但是激光在空氣中的傳播時，其波長容易受溫度、濕度等環境的影響，從而影響測量精度15。因此，激光干涉儀的使用條件苛刻，且系統復雜、成本高。光柵尺是利用光電轉換原理，通過記錄靜止光柵尺和運動光柵尺的相對運動而產生摩爾干涉條紋數量來測量位移的，同樣具有高精度和高分辨率，且不易受環境因素的影響，是高精度工作臺中最理想的位置反饋元件。由于光柵編碼器的精度僅次于激光式測量儀器，主要應用于高精

25、度數控機床的伺服系統中。本設計主要面向的是高精度的測量及加工工作，所以初選用光柵檢測裝置。圖2.1 總體的設計方案2.4本章小結本章主要是對課題的要求進行細致的分析，詳細論述工作臺的整體布局和各個部件的結構設計，探討了各個部件不同方案的優點和缺點。西安工業大學畢業設計（論文）第三章 機械結構設計3.1機械傳動部分的設計 3.1.1滾珠絲杠的工作原理具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間元件的傳動機構稱為滾珠絲杠副。如圖3-1所示。當絲杠或者螺母轉動時，滾珠沿著螺旋槽滾動，滾珠在絲杠上滾過數圈后，通過回程引導裝置，逐個的回到絲杠和螺母之間，構成一個閉合的循環回路。 圖3.1 滾珠絲杠3.1.2滾

26、珠絲杠副的特點1 傳動效率高，摩擦損失小，其摩擦系數一般為0.00250.0035之間，傳動效率可達到90%以上，是普通滑動絲杠的34倍。2 傳動具有可逆性，不僅可以將回轉運動轉化成直線運動，而且可以將直線運動轉化成回轉運動。3 傳動精度高 滾珠絲杠副本身屬于精密機械傳動機構，其進給精度和定位精度都是比較高的。4 磨損小，使用壽命長 絲杠和本身是經過淬硬的，能夠長期保持較高的精度16 。 3.1.3滾珠絲杠的設計計算初選絲杠導程為PB=10mm(1)計算軸向總載荷 其中：Fa為軸向工作載荷 Ff為導軌摩擦擦阻力 X軸（上）： Y軸（下）： (2)計算滾珠絲杠轉速 則 ：NX=160/10=16

27、r/s Ny=160/10=16r/s(3)計算平均載荷 其中：Fmax為絲杠承受最大切削力時的軸向載荷 Fmin為空載時作用在絲杠的軸向載荷X軸： Fmax=10.98N Fmin=10N Fm=(2×10.98+10)/3=10.32N Y軸： Fmax=10.47N Fmin=9N Fm=(2×10.47+9)/3=9.98N (4) 計算額定動載荷Ca Ca=×Fm其中 ：N為轉速（r/min）T為壽命時間（h），取15000hFm為平均載荷X軸： N=32r/s=960r/min Ca=×10.32=9829.19NY軸： N=32r/s=19

28、20r/min Ca=×9.98=9505.35N由以上數據即可選出所用絲杠型號：X軸：HJG-S3210-2.5Y軸：HJG-S3210-2.5其額定動載荷為11500N ， 導程為10 mm ，滾珠絲杠直徑為32m(5)滾珠絲杠的校核 a 滾珠絲杠副的安裝方法d2由于設計計算中需要X-Y的滾珠絲杠長度為320mm,所以其安裝方式選用一端團固定一端自由。這種安裝方式好處是 ：中速精度高.壓桿穩定性好。b 絲杠剛度的校核 杠的拉壓變形量 滾珠絲杠應計算滿載時的拉壓變形量其中： 為絲杠的工作載荷（N）E為材料的彈性模量，對剛E=20.6×104MpaA為滾珠絲杠按內徑確定的截

29、面積(mm2)X軸：L=100+187=287mmY軸： L=120+187=307mmA=R2=×162=804.25mm2 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量該變形量與滾珠的列.圈數有關，即與滾珠總數量有關，與滾珠絲杠的長度無關。公式如下：無預緊時 有預緊時 其中：為滾珠直徑(所選絲杠需要的滾珠的直徑為6.350mm)為滾珠的總數量（=×圈數×列數，為一圈的滾珠數 (內循環)，為滾珠絲杠的公稱直徑，X軸：Z=39 2=0.0008mmY軸：Z=39 2=0.0008mm 滾珠絲杠的總變形量X軸： =1+2=0.00082mmY軸： =1+2=0.00082mm絲杠的

30、總變形量應小于允許的變形量，一般不應大于機床進給系統規定的定位精度值的一半XY軸均小于設計要求定位精度0.01的一半。所以所選的絲杠符合設計要求3.1.4絲杠的調隙滾珠絲杠副的傳動間隙主要是指軸向間隙，即絲杠和螺母無相對轉動時，絲杠和螺母之間的最大軸向竄動量。除了本身結構間隙外，在施加軸向載荷之后，還包括彈性變形所造成的竄動量。為了盡量的提高工作臺精度就必須盡可能的消除滾珠絲杠的傳動間隙。絲杠的調隙方法主要有三種，包括雙螺母墊片式，雙螺母螺紋式，雙螺母齒差式17。 - 圖3.2雙螺母墊片調隙滾珠絲桿螺母副采用雙螺母結構（類似于齒輪副中的雙薄片齒輪結構）。通過改變墊片的厚度使螺母產生軸向位移，從

31、而使兩個螺母分別與絲桿的兩側面貼合。當工作臺反向時，由于消除了側隙，工作臺會跟隨CNC的運動指令反向而不會出現滯后。圖3.3雙螺母螺紋式調隙圖示為利用兩個鎖緊螺母調整預緊力的結構。兩個工作螺母以平鍵與外套相聯，其中右邊的一個螺母外伸部分有螺紋。當兩個鎖緊螺母轉動時，正是由于平鍵限制了工作螺母的轉動，才使得帶外螺紋的工作螺母能相對于鎖緊螺母軸向移動。間隙調整好后，對擰兩鎖緊螺母即可。結構緊湊，工作可靠，應用較廣。圖3.4雙螺母齒差式調隙在兩個工作螺母的凸緣上分別切出齒數為Z1、Z2的齒輪，且Z1、Z2相差一個齒，即： 兩個齒輪分別與兩端相應的內齒圈相嚙合，內齒圈緊固在螺母座上。設其中的一個螺母Z

32、1轉過一個齒時，絲桿的軸向移動量為為S1， 則有： 可得出：如果兩個齒輪同方向各轉過一個齒，則絲桿的軸向位移為： 則：3.2機械驅動部分設計3.2.1 伺服電機的工作原理及特點伺服系統是使物體的位置、方位、狀態等輸出被控量能夠跟隨輸入目標（或給定值）的任意變化的自動控制系統。伺服主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉1個脈沖對應的角度，從而實現位移。因為，伺服電機本身具備發出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉一個角度，都會發出對應數量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應，或者叫閉環，如此一來，系統就會知道發了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，這樣，

33、就能夠很精確的控制電機的轉動，從而實現精確的定位，可以達到0.001mm18。直流伺服電機分為有刷和無刷電機。有刷電機成本低，結構簡單，啟動轉矩大，調速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護不方便（換碳刷），產生電磁干擾，對環境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業和民用場合。 1、無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉動平滑，力矩穩定。控制復雜，容易實現智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環境。 2、交流伺服電機也是無刷電機，分為同步和異步電機，目前運動控制中一般都用同步電機，它的功率范圍

34、大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉動速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩運行的應用。 3、伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器根據反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數）。 交流伺服電機和無刷直流伺服電機在功能上的區別：交流伺服要好一些，因為是正弦波控制，轉矩脈動小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比較簡單，便宜。3.2.2 伺服電機的設計計算及選型確定電機軸總轉矩M其中：為折算到電機軸上的摩擦力矩為折算到電機軸上的加速力矩 為電機軸

35、上的負載力矩為折算到電機軸的絲杠預緊產生的附加摩擦力矩a. 摩擦力矩的計算 (其中i=1) X軸：=0.98×10×(1/2)=1.56 N·mm Y軸：=1.47×10×(1/2)=2.34 N·mmb. 加速力矩的計算 其中： Jm為折算到電機軸上的總轉動慣量(Jm由聯軸器轉動慣量，滾珠絲杠轉動慣量和工作臺轉化到絲桿的轉動慣量組成。其中聯軸器轉動慣量比較小，可以忽略不計) 為電機軸的最大角速度（由線速度V=角速度×絲杠半徑r可知，線加速度a=角加速度×絲杠半徑r）對于X軸：滾珠絲杠的轉動慣量計算滾珠絲杠的轉動慣

36、量計算可轉換為圓柱體的轉 動慣量的計算，即為： (其中：m為絲杠的質量=，為密度，絲杠的材質為剛，其所以工作臺折算到絲杠的轉動慣量其中：m為工作臺質量S 為絲杠導程折算到電機軸上的總轉動慣量為其角加速度為X軸總的加速力矩Ma=307.66×0.03=9.614N·mm對于Y軸：與X軸計算相同滾珠絲杠的轉動慣量計算 工作臺折算到絲杠的轉動慣量 折算到電機軸上的總轉動慣量為其角加速度為Y軸總的加速力矩Ma=332.99×0.019=6.327N·mmc. 負載力矩在設備空載啟動時就為零，所以=0d附加摩擦力矩的計算 （其中i=1）P0為滾珠絲杠的預加載荷（

37、P0的值約為導軌摩擦力Ff的1/3倍）S為絲杠導程X軸：Y軸： 由以上計算得出電機上總的轉矩 X軸：M=1.56+9.614+0+0.520=11.694N·mm Y軸：M=2.34+6.327+0+0.780=9.447 N·mm 確定電機軸轉速N由于本設計中電動機與滾珠絲杠使用聯軸器直連的，所以電機軸的轉速等于滾珠絲杠轉速，即X軸：N=960r/minY軸：N=960r/min由此，可選擇出合適的伺服電動機型號及其參數 X軸：1FK7085-7AF71-1AA0 Y軸：1FK7085-7AF71-1AA0 其額定轉速為3000 r/s 額定轉矩為12 額定慣量 23 &

38、#215;10-4 kg/m23.3聯軸器的設計選型3.3.1 彈性膜片聯軸器的特點彈性膜片聯軸器利用金屬膜片材料的高抗疲勞的特性；使整體聯軸器具備質量輕，工作可靠，不需要潤滑，維護方便等優勢19。聯軸器主要有金屬膜片聯軸器，蛇形彈簧聯軸器、雙曲面齒式聯軸器、彈性體聯軸器等新型撓性材料聯軸器。例如：錐套利用錐度過盈配合被應用于皮帶輪與軸連接、鏈輪與軸的連接、齒輪與軸的連接等，從很大程度上提高了生產和裝配效率。通過螺釘的鎖緊，解決了軸向定位。 膜片聯軸器靠膜片的彈性變形來補償所聯兩軸的相對位移，是一種高性能的金屬彈性元件撓性聯軸器，不用潤滑，結構較緊湊，強度高，使用壽命長，無旋轉間隙，不受溫度和

39、油污影響，具有耐酸、耐堿、防腐蝕的特點，適用于高溫、高速、有腐蝕介質工況環境的軸系傳動，廣泛用于各種機械裝置的軸系傳動，如水泵（尤其是大功率、化工泵）、風機、壓縮機、液壓機械、石油機械、印刷機械、紡織機械、化工機械、礦山機械、冶金機械、航空（直升飛機）、艦艇高速動力傳動系，經動平衡后應用于高速傳動軸系已比較普遍。彈性膜片聯軸器 在眾多的聯軸器類型中，彈性膜片聯軸器以其扭轉剛度高、軸向剛度高、傳遞扭矩大、動態性能好等突出特點，在機電一體化的伺服機械傳動系統中得以廣泛地應用。如圖3-2所示。 圖3.5 膜片聯軸器3.3.2彈性膜片聯軸器的設計選型聯軸器的計算轉矩：交變載荷時： 式中 聯軸器的公稱轉

40、矩，Nm聯軸器的疲勞轉矩，Nm聯軸器的理論轉矩，Nm T=9550驅動功率，kw聯軸器轉速，r/min聯軸器的轉速修正系數，K 聯軸器的兩軸線折角修正系數載荷修正系數。載荷均勻，工作平穩時，=1.0；載荷不均勻，中等沖擊時，=1.11.3；較大沖擊載荷和頻繁正反轉時，=1.31.5，特大沖擊載荷和頻繁正反轉時>1.5。 根據計算本設計所用聯軸器型號參數如下圖3-3所示圖3.6 聯軸器主要尺寸參數3.4滾動導軌的設計選型3.4.1 滾動導軌的特點 直線滾動導軌（如圖3-4）在數控機床中有廣泛的應用。相對普通機床所用的滑動導軌而言，它有以下幾方面的優點：1 定位精度高直線滾動導軌可使摩擦系數

41、減小到滑動導軌的1/50。由于動摩擦與靜摩擦系數相差很小，運動靈活，可使驅動扭矩減少90%，因此，可將機床定位精度設定到超微米級。2 降低機床造價并大幅度節約電力采用直線滾動導軌的機床由于摩擦阻力小，特別適用于反復進行起動、停止的往復運動，可使所需的動力源及動力傳遞機構小型化，減輕了重量，使機床所需電力降低90%，具有大幅度節能的效果。3 可提高機床的運動速度直線滾動導軌由于摩擦阻力小，因此發熱少，可實現機床的高速運動，提高機床的工作效率2030%。4 可長期維持機床的高精度對于滑動導軌面的流體潤滑，由于油膜的浮動，產生的運動精度的誤差是無法避免的。在絕大多數情況下，流體潤滑只限于邊界區域，由

42、金屬接觸而產生的直接摩擦是無法避免的，在這種摩擦中，大量的能量以摩擦損耗被浪費掉了。與之相反，滾動接觸由于摩擦耗能小滾動面的摩擦損耗也相應減少，故能使直線滾動導軌系統長期處于高精度狀態。同時，由于使用潤滑油也很少，大多數情況下只需脂潤滑就足夠了，這使得在機床的潤滑系統設計及使用維護方面都變的非常容易了。 圖3.7 滾動導軌（單邊）3.4.2 滾動導軌的計算選型在選用直線滾動導軌時，應對其本身的壽命進行初步驗算。當直線滾動導軌承受負荷并做滾動運動時，導軌面和滾動部分(鋼珠或滾柱)就會不斷地受到循環應力的作用，一旦達到臨界值，滾動表面就會產生疲勞破損，在某些部位產生魚鱗狀剝離，這種現象稱為表面剝落

43、。所謂直線滾動導軌的壽命，就是指導軌表面或滾動部分由于材料的滾動疲勞而發生表面剝落時為止總行走距離。直線滾動導軌的壽命具有很大的分散性。即使同批制造的產品，在同樣運轉條件下使用，其壽命也會有很大的差距。因此，為了確定直線滾動導軌的壽命，一般使用額定壽命這一參數。所謂額定壽命是指讓批同樣的直線滾動導軌逐個地在相同的條件下運動，其中90%的總運行距離能達到不發生表面剝落。對于使用鋼珠的直線滾動導軌，額定壽命L為：對于使用滾柱的直線滾動導軌，額定壽命為：式中L：額定壽命km；C：基本額定動負荷，kN；PC：計算負荷，LN；fH：硬度系數；fT：溫度系數；fC：接觸系數，fW：負荷系數。根據計算本設計

44、選用的滾動導軌參數圖3.8所示圖3.8 滾動導軌參數3.5其他部件的設計選型3.5.1光柵尺的設計選型圖3.9 光柵尺直線光柵尺測量直線軸位置時不存在任何附加的機械傳動元件。用直線光柵尺控制位置的控制環包括了全部進給機構。安裝在滑板上的直線光柵尺可以檢測出機械傳遞誤差并能在控制系統電路中給予修正。因此，它能消除以下潛在誤差源：a 由于滾珠絲杠溫度特性導致的位置誤差b 反向間隙c 滾珠絲杠螺距誤差導致的運動特性誤差因此，直線光柵尺已經成為高精度定位和高速加工不可或缺的必備條件了。光柵位移檢測裝置20中的基準元件光柵尺或光柵圓盤，實際上就是刻線間距小的線紋尺，其主要優點是間距小，線紋長。通常計量用

45、的光柵尺的線紋間距為0.040.004mm.其分類主要有：按檢測位移量性質分類：直線式光柵為測量直線位移的光柵；回轉式光柵為測量角位移的光柵。按制造光柵的材料分類：玻璃光柵；金屬光柵。按光源照射方法分類：透射光柵；反射光柵。本設計中所選用的光柵尺是帶有加強板的SV-SX系列的光柵尺，由于XY軸的形成不一樣 ，在這里X軸的光柵尺是12omm,Y軸的是170mm.3.5.2 軸承的選擇滾動軸承主要是為軸或其他回轉體提供徑向或軸向支撐，并且磨損小、機械效率高。軸承是外購的標準間，所以在設計中只需根據工作條件選用合適的滾動軸承類型和尺寸即可21。本設計中才用的支撐方式是一端固定一段簡支的方式。其中固定

46、端使用一對角接觸球軸承PIU4428*2B-fs，簡支端使用一個深溝球軸承60/28-Z，構成如圖3-6所示的支撐方式。 圖3.10 固定端 圖3.11 簡支端 軸承在工作中內外圈會不停的相對運動，其磨損是不可避免的，所以軸承的使用壽命是其重要的性能指標之一。角接觸軸承工作時需要同時承受徑向和軸向載荷，為了計算方便，需要將軸承的實際載荷轉化為當量動負荷。當量動負荷的計算公式是: 式中：Fr 徑向負荷，取Fr=3.4N； Fa 軸向負荷，取 Fa =0.3N； X，Y徑向系數和軸向系數。查表得:X=0.56；Y=1.63；由于實際工作中的振動和沖擊等因素，軸承實際承受的載荷荷比計算值還要大，所以

47、有必要根據工作情況采用負荷系數方對計算值進行修正。所以，修正后軸承的當量動負荷為: 壽命的曲線方程為:=常數式中:P 當量動負荷，N; 基本額定壽命,106 ; 壽命指數，深溝球軸承=3。則基本額定壽命為: （h）式中:軸承的工作轉速，取 n工作轉速=100r/min計算解得軸承在一般潤滑條件下的基本額定壽命為(可靠度90% )13059h 所選軸承壽命能滿足要求要求。3.5.3軸承端蓋的設計軸承端蓋（如圖3-8）的作用一是軸向固定軸承，二是起密封保護作用，防止軸承進入塵土等進入軸承造成損壞。圖3.12 軸承端蓋設計該軸承端蓋時主要考慮的是對軸承的固定，通過已知軸承型號為:GB/T 276-9

48、4角接觸球軸承PIU4428*2B-FS尺寸:44*28*13，可以從右端開始設計，它固定的是軸承的外圈，通過技術手冊可以查表的到：=0.3mm， 可以確定出右端 最外面的直徑為48mm 最里面的直徑為42mm由于軸承端蓋要固定在軸承支座，所以可以根據軸承支座的的尺寸設計出軸承端蓋的最大直徑，該軸承端蓋采用的是六個螺釘與軸承支座連接。按照圖紙在軸承端蓋的左端面上均勻的分布。 3.5.4 軸承支座的設計軸承支座主要起支撐軸承的作用。設計的軸承支座主要由軸承支座底座和承支座端蓋兩部分組成，雖然這么設計結果比較復雜，精度要求比較高，但是對于整個實驗裝置的裝配很方便。軸承支座主要由兩部分組成，軸承支座

49、蓋和軸承支座底座兩部分通過螺釘安裝。圖3.13 軸承支座底座 軸承支座底座共有兩組加工表面直徑28孔為中心的加工表面。這一組加工表面包括：一個直徑28mm的孔，軸承支座下的左右端面分別與直徑28mm孔的中心軸線有端面圓跳動、和平行度的要求。底面為中心的加工表面。這一組加工表面包括：四個直徑6mm加工面的螺孔與兩個直徑6mm的銷孔的加工。圖3.14 軸承支座蓋軸承支座蓋共有兩組加工表面直徑28mm孔為中心的加工表面。這一組加工表面包括：一個直徑28mm的孔，軸承支座底座的左右端面分別與直徑28mm孔的中心軸線有端面圓跳動、和平行度的要求。底面為中心的加工表面。這一組加工表面包括：四個直徑6mm加

50、工面的螺孔與兩個直徑6mm的銷孔的加工。3.5.5 XY軸底座的設計 基座的形狀和尺寸主要由與其聯接零件和總體布局來決定的，基座功用是通過導軌進行軸向移動，為避免發生托板側翻危險狀況，導軌跨距不能太小，且需要支撐在主要受力點處?；惺軓澗亍⑴ぞ匾约皬秃陷d荷。圖3.15 3.5.6 工作臺的設計結論4 結論細致的對機械結構部分的滾珠絲杠、伺服電機、滾動導軌、聯軸器和軸承分析計算，并最終確定其型號尺。并且對二維伺服運動平臺整體安裝中的軸承支座、軸承端蓋、電機支座、XY軸底座和工作臺進行設計。參考文獻參考文獻1 謝衛東，精密微位移工作臺系統綜述J.北京：自動化與儀器儀表，1991:8-9.2 盛伯浩，唐華數控機床技術發展淺析航空制造技術，20023 師鴻飛等.我國數控車床的現狀和發展趨勢N.現代制造,2002.4 袁哲俊，王先達.精密和超精密加工技術M.北京：機械工業出版社，2007:1-95 林勝,林春庭.高速數控機床現狀與發展趨勢J.精密制造與自動化, 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 王延風，盧志山，宋文榮。磁懸