1、高精度二維機械滑臺一、設計任務1、兩坐標行程為250mm；2、定位精度±0.01mm；3、響應速度1.5m/s2；4、最高速度12m/min，最低速度1m/min。二、設計工作1、運動設計（1）要實現(xiàn)一個二維平面運動，只需將其分解為兩個垂直方向的一維直線運動即可。如圖所示：由X方向的直線位移機構帶動Y方向的直線位移機構沿X向做直線運動，然后X向直線位移機構不動，Y向直線位移機構在X向直線位移機構上沿Y向運動，這樣就實現(xiàn)了XOY平面的二維運動。（2）實現(xiàn)直線運動的主要途徑有：（）絲桿和直線導軌機構（）直線電機（）齒輪齒條機構（）曲柄滑塊機構等方法等四種方法。評分標準（10分制）0123

2、45678910不可用差較差勉強可用可用中良較好好優(yōu)理想各機構的評價分值表性能指標定位精度運動速度承載能力效率經濟性行程總分絲桿和直線導軌機構998107952直線電機88787947齒輪齒條機構56958639曲柄滑塊機構79949644從上圖可以看出，第一種方法絲桿與直線導軌機構較符合。（3）總體設計方案圖：滾動絲桿步進電機聯(lián)軸器步進電機聯(lián)軸器Y方向傳動機構X方向傳動機構滾動絲桿工作臺根據(jù)前文進行的運動設計，初步擬定用步進電機驅動滾珠絲桿，帶動滾動導軌上工作做直線運動，采用開環(huán)控制系統(tǒng)進行點位控制，由脈沖數(shù)控制位移、脈沖頻率控制工作臺速度的方案。2、 傳動設計機床傳動系統(tǒng)是實現(xiàn)機床運動的。

3、下圖是各種傳動類型的比較：傳動類型傳動效率傳動比圓周速度外廓尺寸相對成本性能特點帶傳動0.940.96(平帶)0.920.97(V帶)57525(30)大低 過載打滑，傳動平穩(wěn)，能緩沖吸振，不能保證定傳動比，遠距離傳動0.950.98(齒型帶)1050(80)中低傳動平穩(wěn)，能保證固定傳動比鏈傳動0.900.92(開式)0.960.97(閉式)5(8)525大中 平均傳動比準確，可在高溫下傳動，遠距離傳動，高速有沖擊振動齒輪傳動0.920.96(開式)0.960.99(閉式)35（開式）710（閉式）5200中小中 傳動比恒定，功率和速度適用范圍廣，效率高，壽命長。蝸輪傳動0.400.45(自鎖

4、)0.70.9(不自鎖)880（1000）1550小高 傳動比大，傳動平穩(wěn)，結構緊湊，可實現(xiàn)自鎖，效率低螺旋傳動0.30.6(滑動)0.9(滾動)高中低小中傳動平穩(wěn)，能自鎖，增力效果好連桿傳動高1中小低結構簡單，易制造，能傳遞較大載荷，耐沖擊，可遠距離傳動凸輪傳動低中低小高從動件可實現(xiàn)各種運動規(guī)律，高副接觸磨損較大摩擦輪傳動0.850.95571525大低過載打滑，工作平穩(wěn)，可在運轉中調節(jié)傳動比 依據(jù)經驗，初步選擇導程為5mm的絲桿。根據(jù)定位精度要求確定脈沖當量為0.005mm/Hz,步距角選取0.36度。結合式(2.1),計算得傳動比為1。 (2.1)式中：為步進電機步距角； 為脈沖當量；

5、為傳動比； 為絲桿導程。由于計算得傳動比為1，則不需要選用減速箱，直接采用聯(lián)軸器連接電動機軸與絲桿。3、驅動設計驅動系統(tǒng)：為機械系統(tǒng)正常工作提供動力源、實現(xiàn)能量轉換的原動機（或動力機）及其配套裝置。大多數(shù)原動機采用電動機。按利用的能源分，有熱力發(fā)動機、水力發(fā)動機、風力發(fā)動機和電動機等。 3.1常用原動機的類型 ：1） 電動機 2）液壓馬達 3）氣動馬達 4）內燃機 電動機：技術較為成熟，驅動效率高，與被驅動的工作機械連接簡便（可用標準聯(lián)軸器）；有多品種和規(guī)格，可滿足不同類型機械的工作要求；具有良好的調速性能，啟動、制動、反向和調速的控制簡單可靠，可以實現(xiàn)遠距離的測量和控制，便于集中管理和實現(xiàn)生

6、產過程的自動化。價格較低。 液壓馬達：可以獲得很大的機械力或轉矩，與電動機相比在相同功率時其外形尺寸小、重量輕，因而運動件的慣性小，快速響應的靈敏度高。但是使用液壓馬達必須具有高壓油的供給系統(tǒng)，且對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械的運動精度。價格高。 氣壓馬達：使用空氣作為工作介質，容易獲得；用后可以直接排入大氣而無污染，壓縮空氣可以進行集中供給和遠距離輸送；動作迅速，反應快，維護簡單，成本低；對易燃、易爆、多塵和振動等惡劣工作環(huán)境的適應性較好。但是因空氣具有可壓縮性，氣動馬達的工作穩(wěn)定性較差，氣動系統(tǒng)的噪聲大；工作壓力受到一定的限制不能太高，輸出的轉

7、矩不能太大，一般只適用于小型和輕型的工作機械。 內燃機：功率范圍寬，操作簡單，啟動迅速，便于移動，用于野外，無法使用電力的時候使用。 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，為簡化結構，降低成本，提高性價比，因此該設計中采用步進電機的開環(huán)系統(tǒng)驅動。 經計算，X、Y方向步進電機均可選選常州寶馬前楊電機電器有限公司的90BF006型反應式步進電機。90BF006的主要技術參數(shù)表3.1型號相數(shù)步距角（Deg）電壓(V)電流（A）保持轉矩（Nm）空轉起動頻率（HZ）運行頻率（Hz）質量（Kg）90BF00650.36/0.722432.15624002.290BF006的矩頻

8、特性曲線90BF006的接線圖步進電機的接線方式有兩種：串聯(lián)和并聯(lián)。如下圖的四相八線接法：步進電機外形：4、機床部件設計 4.1聯(lián)軸器、軸承聯(lián)軸器有剛性和撓性兩種，剛性聯(lián)軸器適用于兩軸嚴格對中不發(fā)生相對位移的地方。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。二維工作平臺是高精度機電系統(tǒng)，要求定位精度高，啟動靈活、頻繁。這就要求聯(lián)軸器輸出地角位移、轉矩與電機輸出地角位移、轉矩同步性好，因此選擇剛性聯(lián)軸器。軸承分滑動軸承和滾動軸承

9、。由于工作臺載荷不大，速度低，步進電機啟動頻繁，這里設計選擇滾動軸承。4.2 導軌直線運動導軌的作用是用來支承和引導運動部件按給定的方向作往復直線運動。導軌部件由運動導軌（動導軌）和支承導軌（靜導軌）組成。按摩擦性質，導軌可分為滑動摩擦導軌、滾動摩擦導軌、彈性摩擦導軌、流體摩擦導軌等四類。表3.3中給出了給出了各類導軌的對比。各類導軌的比對表3.3導軌名稱導向精度運動平穩(wěn)性承載能力耐磨性使用環(huán)境成本滑動導軌滾動導軌液壓靜壓導軌空氣靜壓導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)設計要求，需要承受的載荷不大，定位精度高，因此在該設計中選用直線滾動導

10、軌。直線滾動導軌具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動效率高，結構緊，安裝預緊方便等特點。經計算，結合上銀科技股份有限公司MGN系列導軌的標準長度和軌長公式，選用其MGN12C型號產品。4.3 絲桿電動機的旋轉運動需要通過絲桿螺旋傳動轉換成直線運動。3.3.1 絲杠與螺母的相對運動有六種（機床設計手冊2，P424）：絲杠轉動，螺母移動； 螺母轉動，絲杠移動；螺母固定，絲杠轉動、移動；絲杠固定，螺母轉動、移動；(5) 絲桿、螺母同是轉動螺母移動；圖：機床設計手冊2，P424(6) 絲桿轉動絲桿及螺母2移動；圖：機床設計手冊2，P424對于臥式工作臺我們選擇第一種方案，即絲杠轉動，螺母移動。4.3.2 按

11、摩擦性質可分為滑動螺旋傳動和滾動螺旋傳動兩種。滑動絲杠螺母機構具有結構簡單，運動平穩(wěn)，傳動精度高，螺紋導程小，降速比大，牽引力大等優(yōu)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(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件，在螺母閉合的回路中循環(huán)滾動，使絲杠螺母副的運動由滑動變成滾動，以減小摩擦。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。故選用滾珠絲桿副。4.3.3常見的滾動絲杠支承方式有四種：1、“固定固定”型：K2=4 適用

12、于高轉速、高精度的場合。該形式兩端分別分別由一對軸承約束軸向和徑向自由度，負荷由兩組軸承副共同承擔。也可以使兩端的軸承副承受反 向預拉伸力，從而提高傳動剛度。在定位要求很高的場合，甚至可以根據(jù)受力情況和絲杠熱變形趨勢精確設定目標行程補償量，進一步提高定位精度。“固定固定”型有時也被 片面地叫做“雙推雙推”，實際上由于徑向力的存在幾乎很少能用兩個推力軸承作為固定端。由于此形式結構較復雜，調整較難，因此一般僅在定位要求很高時采用。  2、“固定游動”型：K2=2 適用于中轉速、高精度的場合。該形式一端由一對軸承約束軸向和徑向自由度，另一端由單個軸承約束徑向自由度，負荷由一對軸承副承擔，游

13、動的 單個軸承能防止懸臂撓度，并消化由熱變形產生的應力。“固定游動”型有時也被片面地叫做“雙推支承”。此形式結構較簡單，效果良好，應用廣泛。  3、“支承支承”型：K2=1適用于中轉速，中精度的場合。該形式兩端分別設一個軸承，分別承受徑向力和單方向的軸向力，隨負荷方向的變化，分別由兩個軸承單獨承擔某一 方向的力。由于支承點隨受力方向變化，定位可控性較低。此形式結構簡單，受力情況較差，應用較少。  4、“固定自由”型：K2=0.25適用于低轉速，中精度，軸向長度短的場合。該形式一端由一對軸承約束軸向和徑向自由度，另一端懸空呈自由狀態(tài)，負荷均由同一對軸承副承擔， 并且需克服絲杠

14、回轉離心力（及水平安裝時的重力）造成的彎矩。“固定自由”型有時也被錯誤地叫做“雙推自由”。此形式結構簡單，受力情況差，但在行程小、轉速低時 也經常用到。  比較四種支承方式，這里選擇第二種。成對軸承安裝方式有三種：（精密機械設計基礎P249） （1） （2） （3）（1） 面對面（2） 背對背（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，一端采用一對背對背角接觸球軸承，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溫度升高而產生的軸伸量。4.4 支承件 支承件是設備的基礎構件，包括床身、橫梁、搖臂、底座、刀架、工作臺、箱體和升降臺等。這些件一

15、般都比較大，所以也稱大件。4.4.1 支承件的種類 按構造方式可分為 ：A. 機座類 B.箱殼類 C.機架類 D.平板類 按結構可分為 ：A.整體式 B.裝配式4.4.2 典型車床類床身（金屬切削機床設計P147）a） 典型車床類床身b） 鏜床、龍門刨床等機床的床身c） 大型和重型機床的床身4.4.3提高剛度合理配置加強筋是提高局部剛度的有效方法（金屬切削機床設計P136）。4.4.4支承件的材料 4.4.5 工作臺 工作臺最常見的是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、長孔等。 燕尾槽 T形槽 （1）工作臺與螺母座的聯(lián)接。 螺母座與工作臺有兩種連接方式。一種是剛性連接，

16、是結構體三個力方向都受到約束。如鋼結構中的焊接。另一種是柔性連接，在結構中叫做鉸接，是結構體12個力方向受到約束。剛性連接不允許出現(xiàn)相對位移和轉角，也就是說節(jié)點不考慮變形問題；柔性連接就是允許相互連接的構件發(fā)生位移或轉角，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、螺栓連接等機械連接；柔性連接是鉸接、有彈簧隔振這些的連接。本設設計采用剛性聯(lián)接結構，如圖4.2所示。這種聯(lián)接結構的特點是牢固可靠。（2） 工作臺本身的設計工作臺用以安裝工件。如果工作態(tài)是不動的，如搖臂鉆床的工作臺，可設計成封閉的箱型。如果工作臺是運動(移動或轉動)的，則有一組導軌。這類工作臺

17、的形狀有三種（金屬切削機床設計P149）：A、箱形升降式，如牛頭刨床的工作臺；B、矩形，如銑床、磨床等的工作臺；C、圓形，如立式車床（又稱花盤）和齒輪加工機床的工作臺。 本設計的工作臺是運動的。（3）工作臺筋條的布置對抗彎剛度的影響。（機床零件設計2下P1290表5,15-74）（1） 工作平臺功能。按用途分為：檢驗平板：適用于各種檢驗工作，精密測量用的基準平面；用于機床機械檢驗測量基準；檢查零件的尺寸精度或形為偏差，并作緊密劃線，在機械制造中也是不呆缺少的基本工具。 劃線平板：用于機械、發(fā)動機的動力實驗，設備調試，具有較好的平面穩(wěn)定性和韌性，表面帶有T型槽，可以用來固定實驗設備。 鏜銑床平板

18、：主要用于機床加工工作平面使用，上面有孔和T型槽，用來固定工件，和清理加工時產生的鐵屑。 焊接平板：用來進行工件的焊接工藝，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：用于鉚焊工藝的基礎平板，工作面上有孔和T型槽，孔主要用來清理鉚焊時的一些鐵渣和焊接廢棄物，T型槽主要是用來固定焊接件。 測量平板、裝配平板、基礎平板、工作平板、三坐標平板等。是檢驗機械零件平面、平行度、直線度等形位公差的測量基礎，亦要用于一般零件精密零件的劃線、研磨工藝和測量等。在工作臺中設計的T形槽不僅可以節(jié)約材料，而且還加強了工作臺的強度。 規(guī)格（長×寬）精度等級0級1級2級3級平面度公差200&

19、#215;20051020.5 200×3005.51122 300×3005.51122 300×40061224 400×4006.512.525 400×5006.5132666400×60071427.570500×5006.8142868500×600714.228.571500×800815.53178600×8008163280600×9008.316.533831000×75091836901000×1000 2040971000×1200

20、 20.5411031000×1500 22451121000×2000 26521301500×2000 28561401500×3000 701742000×3000 741842000×4000 882195.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械系統(tǒng)，而與控制系統(tǒng)無關。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，在被控對象的運動過程中，測量環(huán)節(jié)不斷測出實際的輸出量并與給定量進行比較，然后用其差值進行控制，以

21、獲取高精度。閉環(huán)伺服系統(tǒng)的設計、制造和調整都較復雜，通常適用于高精度的精密機械系統(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。檢測裝置不是安放在工作臺上，而是裝在絲桿或電機軸的端部。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。 在本設計中，只涉及到通過步進電機驅動，絲桿傳動的直線運動。考慮到該設計的二維坐標機械滑臺的定位精度要求不高，載荷不大，因此，為簡化結構，降低成本，提高性價比，該設計中采用步進電機的開環(huán)伺服系統(tǒng)驅動。圖4.1 開環(huán)伺服系統(tǒng)4.2行程控制行程控制，就是當運動部件到達一定行程位置時采用行程開關來進行控制。行程開關是

22、由裝在運動部件上的擋塊來撞動的。行程開關作用有兩個：（1）防止工作臺超過最大行程，使電機損壞。（2）可以用與定位。所以這4個行程開關就充當了傳感器。圖4.2 行程開關工作示意圖圖4.2是行程開關工作的簡單示意圖。行程開關S1和S2分別裝在導軌的起點和終點，由裝在工作臺上的擋塊來撞動。工作臺由步進電機帶動。工作臺在起點時，其上擋塊將起點行程開關S1壓下，將串接在反轉控制電路中的常閉觸頭壓開。這時電動機不能反轉。電動機正轉，帶動工作臺前進。當工作臺到達終點時，擋塊壓下行程開關S2，將串接在正轉控制電路中的常開觸頭壓開，電動機即停止正轉。參考文獻：1 機械工程手冊·機械零部件設計,機械工業(yè)

23、出版社,M,1997年.P1-12P1-18,P6-3P6-32,P7-6P7-9,P8-5P8-52,P9-21P9-52.2 機床設計手冊·2上,機械工業(yè)出版社,M,1980年8月.P424P425,P457P464.3機械設計,許國忠、周玉林主編,中國標準出版社,M,2009年8月.P1P5.4精密機械設計基礎,天津大學 裘祖榮主編,機械工業(yè)出版社,M,2008年3月5金屬切削機床設計,大連工學院 戴曙主編,機械工業(yè)出版社,M,1989年11月四、計算：本設計中，下層X方向的負荷為10Kg，而上層Y方向負荷僅6Kg。1. 伺服電機的計算和選型1.1根據(jù)定位精度要求確定脈沖當量選

24、擇步距角根據(jù)經驗，初步選擇導程為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方向的脈沖當量均取mm/Hz。為步進電機步距角為0.36°；為脈沖當量為0.005mm/hz；為傳動比；，i=11.2根據(jù)快速進給速度，確定電機的最高運行頻率，為工作臺運行最高速度（m/min）；為步進電機最高運行頻率（Hz）。代入工作臺最快進給速度12m/min、脈沖當量0.005mm/Hz,計算得=40 000Hz。1.3根據(jù)負載轉矩或阻力，選擇步進電機轉矩，為電動機轉矩（Nm）；為慣性加速轉矩（Nm）；為摩擦負載轉矩（Nm）。1.3.1計算Ta(1)Y軸方向上步進電

25、機總轉動慣量的計算）、工作臺與負載的慣量：，為工作臺與負載的慣量；M為工作臺與負載的總質量（Kg），初取6Kg。）、滾珠絲桿慣量： ，式中：為滾珠絲桿的慣量； 為滾珠絲桿的密度，7.90； 為滾珠絲桿總長，368mm； 為滾珠絲桿外徑，20mm。折算到步進電機軸上的總慣量為： （2）X軸方向上步進電機總轉動慣量的計算 X方向導軌上移動部件的重量估算，=10Kg。得X方向折算到步進電機軸上的總慣量為： ，式中：、為加速開始及終止時的脈沖頻率（Hz），為加速過程時間(s)，(其中是加速度1.5)。已知=40 000Hz，取=2 000Hz，XY方向慣性加速轉矩分別為：，1.3.2計算Ti 式中：為

26、工作臺及負載質量（Kg）；為摩擦系數(shù)，取0.2；為垂直方向的切削分力，此處為0N； 為驅動系統(tǒng)的效率，取0.80。 由此可計算XY方向的、。2.導軌兩個方向上均采用雙導軌、四滑塊的支承形式。2.1 靜負荷考慮最差的情況，即垂直于工作臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊需承受的最大垂直方向載荷為：N 式中：為基本靜額定負荷(N);為工作負荷(N);為靜安全系數(shù)，此處取2.0。2.2額定壽命假定工作臺的工作壽命為5年，一年工作300天，每天工作6小時。因此，得到滾珠直線導軌的小時工作壽命為：=5×300×6=9000小時滾珠直線導軌的距離壽命為。式中：為移動件每分鐘往復次數(shù)，取4；為行程(m)。2.3動負荷，C=273N2.4導軌總長度軌長=有效行程+滑塊間距+滑塊長度×滑塊數(shù)量+兩端安全行程 =250mm+20mm+34.7mm×2+30.6mm=370mm3. 絲桿3.1 精度查機械手冊可知，其單一導程變動為0.004mm，在任意300mm行程的導程變動為0.005mm。其軸向背隙為0.005mm。3.2滾珠絲桿導程PB ，式中:是滾珠絲桿導程(mm)；是工作臺最高進給速度(200mm/s)