大行程一维滑台设计

题目: 大行程一维移动滑台设计

目录

摘要及关键字 (1)

1.绪论 (2)

1.1课题来源 (2)

1.2技术要求 (2)

1.3任务要求 (2)

2.方案设计 (3)

2.1方案概述 (3)

2.2部件分析 (4)

2.2.1电机选择 (4)

2.2.2丝杠选择 (4)

2.2.3丝杠支承 (5)

2.2.4联接器、限位装置及导轨 (6)

3.零件设计计算和选型 (7)

3.1丝杠副选型与校核 (7)

3.1.1丝杠副的选择 (7)

3.1.2丝杠的校核 (8)

3.2电机选型与校核 (9)

3.3其余零件选型 (9)

3.3.1联轴器选型 (9)

3.3.2丝杠螺帽支撑架组合选型 (10)

3.3.3轴承及轴承座选型 (10)

3.3.4电机架设计 (10)

3.3.5限位开关选型 (10)

4.精度分析 (11)

5.结论 (13)

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.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。

课题要求设计调整装置实现激光打靶装置中靶的多维调整。为完成整个六维调整装置，所需部件有：X向水平移动平台、Z向水平移动平台、垂直移动平台（y向）、水平轴旋转调整部件、大行程一维移动滑台、相向平移滑台设计（垂直向）。每一个部件由一个课题小组负责，其中我组负责大行程一维滑台设计。

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4.5 kg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.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

π，辨率小于等于5μm/step。假设齿轮每次可转0.036°，根据公式1000

d

≤

5⨯

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

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MSMA 400W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。