垂直移動(dòng)平臺(tái)

1、上海大學(xué)SHANGHAIUNIVERSITY精選課程設(shè)計(jì)說明書題目：垂直移動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)學(xué)院機(jī)自學(xué)院專業(yè)測(cè)控技術(shù)與儀器學(xué)號(hào)朱杰學(xué)生姓名07121984指導(dǎo)教師章亞男起訖日期2011.3.92011.3.18摘要3一緒論41.1 課程設(shè)計(jì)的目的41.2 本課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容與要求41.3 具體任務(wù)及基本要求56.2.1 方案的比較6.2.2 方案的選擇8.三關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)和計(jì)算.錯(cuò)誤!未定義書簽。四精度分析與誤差計(jì)算1.8五結(jié)論2.4六參考文獻(xiàn)2.4垂直移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)說明書摘要在各種精密儀器及精密機(jī)械裝置中經(jīng)常需要精密多維工作平臺(tái)進(jìn)行多維調(diào)整，包括位置和姿態(tài)的調(diào)整。這些調(diào)整裝置可歸納為：水平移動(dòng)部件

2、、垂直移動(dòng)部件、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件等。在本課程設(shè)計(jì)中我主要負(fù)責(zé)上述調(diào)整裝置中垂直移動(dòng)部件的設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)的具體任務(wù)和基本要求，我從移動(dòng)工作平臺(tái)總體方案的確定到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇，關(guān)鍵零件的設(shè)計(jì)都力求在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中充分靈活地運(yùn)用精密儀器設(shè)計(jì)中的主要原則與原理，如阿貝原則、變形最小原則、基面統(tǒng)一原則、精度匹配原則、測(cè)量鏈最短原則、運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)原理等。精度分析時(shí)，采用精度設(shè)計(jì)的基本概念和方法一一找出影響定位精度的誤差源并計(jì)算出誤差數(shù)據(jù)從而進(jìn)行分析，有助于合理地精度分配。本設(shè)計(jì)說明書包含緒論、方案設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)和計(jì)算、精度分析、結(jié)論以及參考文獻(xiàn)共六章。最終提交成果包括（1）設(shè)計(jì)說明書一份（2）垂直移動(dòng)工作

3、平臺(tái)總裝圖A3圖紙一張（3）絲杠、套筒及橫梁零件圖A3圖紙各一張關(guān)鍵詞：移動(dòng)平臺(tái)、滑動(dòng)絲杠、滾動(dòng)導(dǎo)軌1.1 課程設(shè)計(jì)的目的本課程設(shè)計(jì)是“精密儀器設(shè)計(jì)”課程的后續(xù)教學(xué)環(huán)節(jié)，其目的是讓學(xué)生綜合運(yùn)用“精密儀器設(shè)計(jì)”課程及其有關(guān)光、機(jī)、電的先修相關(guān)課程的理論和實(shí)踐知識(shí)，進(jìn)行多維精密工作平臺(tái)的設(shè)計(jì)，通過設(shè)計(jì)使學(xué)生了解設(shè)計(jì)的一般方法和步驟，培養(yǎng)學(xué)生課程項(xiàng)目的分析和設(shè)計(jì)能力、并能熟練運(yùn)用設(shè)計(jì)手冊(cè)。同時(shí)鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立工作、調(diào)查研究、觀察問題、分析問題、解決問題的工作能力。精密儀器均有較高的精度要求，屬精密設(shè)備。其基本特點(diǎn)是精度、效率和自動(dòng)化程度要求高，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但其共同的基礎(chǔ)是精密機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)。與一

4、般的機(jī)械設(shè)計(jì)比較，其主要區(qū)別在于精度、分辨率和靈敏度等性能指標(biāo)上，這就要充分靈活地運(yùn)用精密儀器設(shè)計(jì)中的主要原則與原理，如阿貝原則、變形最小原則、基面統(tǒng)一原則、精度匹配原則、測(cè)量鏈最短原則、運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)原理、平均讀數(shù)原理等，同時(shí)要掌握精度分析和設(shè)計(jì)的基本概念和方法。1.2 本課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容與要求（1）總體方案設(shè)計(jì)，包括結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)、基本參數(shù)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；2）總體精度分析和精度分配3)測(cè)試方案原理總圖設(shè)計(jì)4)編寫設(shè)計(jì)說明書1.3具體任務(wù)及基本要求在各種精密儀器及精密機(jī)械裝置中經(jīng)常需要精密多維工作平臺(tái)進(jìn)行多維調(diào)整，包括位置和姿態(tài)的調(diào)整。如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的工作平臺(tái)需要三維的位置調(diào)整

5、，高功率激光打靶實(shí)驗(yàn)裝置中靶的姿態(tài)調(diào)整等。這些調(diào)整裝置可歸納為：水平移動(dòng)部件、垂直移動(dòng)部件、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件等。如某精密實(shí)驗(yàn)裝置需要六維調(diào)整：三維角度，即俯仰、方位、旋轉(zhuǎn)；三維平移，即水平橫向、水平縱向和豎直方向。該六維調(diào)整裝置采用運(yùn)動(dòng)部件串聯(lián)實(shí)現(xiàn)。我在本課程設(shè)計(jì)中主要負(fù)責(zé)垂直移動(dòng)部件的設(shè)計(jì)，其具體任務(wù)和要求如下：垂直移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)：技術(shù)要求：(1)垂直工作平臺(tái)的移動(dòng)范圍：+10mm(2)分辨率：211m/step(3)工作臺(tái)載重：6kg(4)垂直工作面尺寸：100X100mm(5)工作臺(tái)定位精度：5m任務(wù)要求：(1) 移動(dòng)工作平臺(tái)的總體方案(2) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇(3) 完成移動(dòng)工作平臺(tái)的總裝圖設(shè)計(jì)

6、(4) 完成關(guān)鍵零件的設(shè)計(jì)(5) 精度分析(6) 設(shè)計(jì)說明書二方案設(shè)計(jì)2.1 方案的比較微分頭直接作用，如圖2.1所示圖2.1主要特征:精密線性軸承副，升降平臺(tái)，精度高微分頭驅(qū)動(dòng)，定量直觀驅(qū)動(dòng)電機(jī)位于工作臺(tái)旁側(cè)，如圖2.2所示圖2.2絲杠將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)后直接由測(cè)頭推動(dòng)連接在工作臺(tái)上的擋塊Z向移動(dòng)移動(dòng)，從而帶動(dòng)工作臺(tái)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)位于工作臺(tái)面中線方位，如圖3.3所示圖2.3絲杠將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成螺母的直線運(yùn)動(dòng)后，通過橫梁帶動(dòng)工作臺(tái)Z向移動(dòng)，調(diào)整位置。回復(fù)時(shí)依靠彈簧力的作用，彈簧同時(shí)起卸荷和消隙作用。F彈=mg,其中n為動(dòng)靜導(dǎo)軌間摩擦系數(shù)，m為工作臺(tái)和載荷總重。2.2 方案

7、的選擇經(jīng)選擇，我最終采用方案的設(shè)計(jì)，即采用螺旋絲杠導(dǎo)向螺母完成物體的提升、下降功能。螺旋傳動(dòng)的特點(diǎn)為：降速傳動(dòng)比大螺距一般很小，在轉(zhuǎn)角很大的情況下，能獲得很小的直線位移量，可大大縮短機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)鏈；螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母移動(dòng)型式下結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、傳動(dòng)精度高，工作平穩(wěn)。具有增力作用只要給主動(dòng)件一個(gè)較小的轉(zhuǎn)矩，從動(dòng)件即獲得較大的軸向力能自鎖螺旋線升角小于摩擦角時(shí)，螺旋傳動(dòng)具有自鎖作用。一般用于傳遞的30度梯形絲杠都具有自鎖功能，即使沒有制動(dòng)裝置也可保持載重。效率低、磨損快螺旋工作面為滑動(dòng)摩擦，傳動(dòng)效率低（3040%）,磨損快，不適于高速和大功率傳動(dòng)。所需設(shè)計(jì)的垂直移動(dòng)平臺(tái)屬低速，小功率傳動(dòng)，故對(duì)此要求不高。

8、總體結(jié)構(gòu)布局如圖2.4所示，詳圖請(qǐng)見裝配圖。2.4三.關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)和計(jì)算3.1絲杠及步進(jìn)電機(jī)的選擇已知分辨力需滿足02/step,00竺，則 r=0.001 圈 r15初選螺距P=1.5mm,13601=0.36°即步進(jìn)電機(jī)步距角為0.36°,為五相電機(jī)。取工作臺(tái)尺寸100mmX104mmX10mm,材料為鋁，密度2.7X103kg/m3則質(zhì)量m=.v=2.7X103X100X100X10X1O9=0.27kg,取0.3kg已知工作臺(tái)載重6kg,綜合考慮，取螺母和工作臺(tái)連接件以及緊固件總重量為1.0kg,配重取為5kg,故軸向承受重量為0.3+6+1.0+5=12.3kg

9、,放寬余量取15kg,則絲杠所受軸向載荷為Fa=mg=15X9.8=15X9.8=147N螺母材料為青銅，絲杠材料為鋼，查機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)，潤(rùn)滑情況下取綜合摩擦系數(shù)以=0.15,則螺旋副的驅(qū)動(dòng)力矩為M=drFatg（）其中，d2為螺紋中徑，F(xiàn)a為絲杠所受軸向力，為螺紋開角，為摩.一015擦角且二arctg=arctg=1037cos30cos30查Misumi,FA工廠自動(dòng)化用零件30度梯形絲杠（一端臺(tái)階型），螺距P=1.5mm,選型號(hào)MTSRA8,其主要參數(shù)如圖3.1中箭頭標(biāo)出所示:圖3.1大彳全D=8mm;總長(zhǎng)L=50500;臺(tái)階長(zhǎng)20S&QX5,Q=6;有效直徑d2=7.25mm

10、；=3°46'可見，由于螺紋開角0當(dāng)量摩擦角，所以該螺旋副滿足自鎖條件?，F(xiàn)將上述參數(shù)代入式得，M=dFatg()=725147tg(3461037)22=122.496N.mm=0.122N.m故所選電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于0.122N.m查M系列步進(jìn)電機(jī)選型表，取5相步進(jìn)電機(jī)M54142%主要參數(shù)如下：最大靜轉(zhuǎn)矩0.14N.m；整步步距角0.36°伸出軸直徑5mm;其外形如下圖3.2所示:圖3.23.2絲杠的校核強(qiáng)度校核受力較大的絲杠需進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。絲杠工作時(shí)承受軸向壓力F和扭矩T的作用。絲杠危險(xiǎn)截面上既有壓縮應(yīng)力，又有切應(yīng)力。因此，校核絲杠強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)根據(jù)第四強(qiáng)度理論

11、求出危險(xiǎn)截面的計(jì)算應(yīng)力ca ,其強(qiáng)度條件為car1 2需2 嘖)27 或ca = - .,'F 2 3()2 < A . di L 式中:F絲杠所受白軸向壓力，N ;A絲杠螺紋段的危險(xiǎn)截面面積； A=-d2 , mm2;WT 絲杠螺紋段的抗扭截面系數(shù),WtJ16A-d1 , mm3;4d1絲杠螺紋小徑，mm；絲杠所受的扭矩，N.mm絲杠材料白許用應(yīng)力，MPa其中d1=6.5mm,貝UA=d2=6.52=33.18mm244F=Fa=147N;T=122.496N.mm代入式得ca = -147233.18 .c 4 122.496、23 () =4.45 MPa6.5查機(jī)械設(shè)計(jì)書

12、，取材料的屈服極限為s為480 MPa,安全系數(shù)取 4,則=(="0=120 MPa,滿足 ca< 44,即絲杠強(qiáng)度符合要求。彎曲應(yīng)力校核:57mm24.5mmMFS100571031057/21035024.5103324.5/21030.4723250.47NmIzD4/646.51034/648.761011maxMy/Iz0.4750103/8.761011268.3106Pa268.3Mpa絲杠采用碳素鋼，查材料力學(xué)附錄B得許用應(yīng)力產(chǎn)450Mpa,因此絲杠的最大彎曲正應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，符合強(qiáng)度要求。剛度校核:9碳素鋼的彈性模量：E200Gpa20010Pa0.0

13、24mm1.1 339115LFL/48EIz1635010/48200108.76102.42310m絲杠采用碳素鋼，查材料力學(xué)附錄B得許用撓度為0.26mm,絲杠的最大撓度在許用撓度范圍之內(nèi)，因此絲杠符合剛度要求。3.3 聯(lián)軸器的選擇步進(jìn)電機(jī)M54142s(0.14N.m)和30度梯形絲杠連接，進(jìn)行伴隨有正反轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，最高轉(zhuǎn)速2500rpm軸孔：電機(jī)側(cè)5絲杠側(cè)6選用比電機(jī)規(guī)格(邊長(zhǎng)39.5)小的聯(lián)軸器計(jì)算聯(lián)軸器的容許扭矩為保證步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)，將安全率預(yù)計(jì)為7倍。0.14N.mX7=0.98N.m故需選擇“容許常用扭矩”0.98N.m以上的聯(lián)軸器。確認(rèn)軸孔裝配、聯(lián)軸器外徑尺寸。選擇外

14、徑在39.5以下，有軸孔裝配的（5和6）的聯(lián)軸器確認(rèn)最高轉(zhuǎn)速選擇容許最高轉(zhuǎn)速為2500rpm以上的聯(lián)軸器。確認(rèn)安裝精度查Misumi,FA工廠自動(dòng)化用零件聯(lián)軸器，鑒于以上考慮，選型SCXW21-5-G其主要參數(shù)如圖3.3中箭頭標(biāo)出所示：圖3.3d1=5mm；d2=8mm；D=21mm；L=24.5mm；7mm；容許扭矩1.2N.m；容許偏角1O容許偏心0.10mm最高轉(zhuǎn)速10000rpm3.4 軸承的選擇查Misumi,FA工廠自動(dòng)化用零件帶座軸承，根據(jù)絲杠光桿部分軸徑6mm,L<25mm,選型SBAFRZ606b其主要參數(shù)如圖3.4中箭頭標(biāo)出所示。3.5導(dǎo)軌的選擇圖3.4查Misumi

15、,FA工廠自動(dòng)化用零件直線導(dǎo)軌，為防止導(dǎo)軌傾覆，采用線性滑道SVS3100其結(jié)構(gòu)如下圖3.5所示，動(dòng)靜導(dǎo)軌間采用交叉滾子連接。圖3.5其主要參數(shù)如圖3.6中箭頭標(biāo)出所示四精度分析與誤差計(jì)算儀器精度設(shè)計(jì)是儀器精度綜合的反問題，其根本任務(wù)是將給定的儀器總誤差合理地分配到儀器的各個(gè)組成部件上，為正確設(shè)計(jì)儀器的各個(gè)組成部件結(jié)構(gòu)以及制定零部件的公差和技術(shù)要求提供依據(jù)。合理的精度設(shè)計(jì)離不開對(duì)儀器各組成部分源誤差對(duì)儀器總精度影響程度的正確估計(jì)。對(duì)于一些對(duì)儀器精度影響較大的環(huán)節(jié)給予較嚴(yán)的精度指標(biāo)；對(duì)于那些對(duì)儀器精度影響較小的環(huán)節(jié)給予較寬松的精度指標(biāo)，在滿足儀器總精度要求的前提下使制造成本降至最小。彎曲變形引起

16、的誤差由于垂直移動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)導(dǎo)軌在運(yùn)行過程中的移動(dòng)，使儀器結(jié)構(gòu)件（基座和支架等）的受力大小和受力點(diǎn)的位置發(fā)生變化，從而引起儀器結(jié)構(gòu)件的變形，這種變形通常對(duì)儀器精度有較大的影響。重力變形的大小主要與儀器的結(jié)構(gòu)剛度和結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，對(duì)儀器精度的影響程度則根據(jù)結(jié)構(gòu)布局的不同有所不同，現(xiàn)就此垂直移動(dòng)平臺(tái)分析之。工作臺(tái)在橫臂最外端的集中負(fù)荷使橫臂產(chǎn)生相應(yīng)的撓曲變形和截面轉(zhuǎn)角，從而引起儀器誤差。設(shè)l為工作臺(tái)至絲杠的垂直距離，取l=57mm,工作臺(tái)、導(dǎo)軌和載荷總重W（圖a）取為80N。嚴(yán)格來說，橫臂上最外端的撓曲變形及截面轉(zhuǎn)角分別由總重W、橫梁自重q（圖b）和由它們共同作用引起的彎曲力矩Ma=W0.5l2q（見

17、圖c）的共同作用所引起，但鑒于彎曲力矩主要由端部總重W引起，相較而言橫梁上均勻分布的載荷q所引起的彎矩則可忽略不計(jì)。經(jīng)計(jì)算（a）圖和（c）圖產(chǎn)生的撓曲變形分別為yAyayc=0.02mm該項(xiàng)誤差為系統(tǒng)誤差，可通過標(biāo)定補(bǔ)償。只要在每次重新開始測(cè)量前將撓曲變形量通過脈沖信號(hào)由步進(jìn)電機(jī)端補(bǔ)償，即可消除。軸向拉壓變形引起的誤差3,Fal147N20103ml962=0.44即EA20010Pa33.1810m式中，F(xiàn)a為絲杠所受軸力；l為行程范圍；E為材料的彈性模量，查材料力學(xué)手冊(cè)可知鋼材的彈性模量為200GPa；A為絲杠截面積。該項(xiàng)誤差同樣為系統(tǒng)誤差。阿貝誤差阿貝原則的擴(kuò)展包含三重意思，即：標(biāo)尺與被

18、測(cè)量一條線若做不到，則應(yīng)使導(dǎo)軌沒有角運(yùn)動(dòng)；或應(yīng)跟蹤測(cè)量，計(jì)算出導(dǎo)軌的偏移加以補(bǔ)償。遵守了這三條中的一條，即遵守了阿貝原則。在本垂直移動(dòng)平臺(tái)中，工作臺(tái)和絲杠螺母移動(dòng)方向顯然不在同一直線上，不符合原始阿貝原則，但若滿足或者的條件即符合擴(kuò)展意義上的阿貝誤差。為使導(dǎo)軌無角運(yùn)動(dòng)，可采用過盈配合，并在安裝時(shí)就及時(shí)減小導(dǎo)軌間隙。 導(dǎo)軌間隙引起的誤差由于在本垂直移動(dòng)平臺(tái)中，絲杠軸和動(dòng)工作臺(tái)間有一定距離，若導(dǎo)軌間隙過大必將產(chǎn)生較大的阿貝誤差。為減小導(dǎo)軌間隙引起的誤差，在安裝時(shí)利用工作臺(tái)上的調(diào)整螺釘進(jìn)行擰緊。 梯形絲杠的螺距累計(jì)誤差依據(jù)螺絲螺母-JB2886-1992機(jī)床梯形螺紋絲杠、螺母技術(shù)條件查得3、4、5、

19、6級(jí)絲杠螺紋的螺旋線軸向公差（見圖4.1）及7、8、9級(jí)絲杠的螺距公差和螺距累積公差（見圖4.2）：絲杠螺紋的螺旋線軸向公差m圖4.2由于要求定位精度為5叩，查表得5級(jí)精度下20mm長(zhǎng)度內(nèi)螺旋線軸向公差為3.5四?？梢?，絲杠螺紋的螺旋線軸向公差是影響定位精度的主要誤差來源。絲杠和導(dǎo)軌不平行引起的誤差此誤差和螺旋測(cè)微機(jī)構(gòu)誤差分析原理相同圖4.3精選見圖4.3,螺旋測(cè)微機(jī)構(gòu)的軸線與滑塊運(yùn)動(dòng)方向成一夾角，由此將引起滑塊位置誤差L。同理，聯(lián)軸器的容許偏角誤差將引起絲杠螺母的位移誤差L。機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方程為式中，L為滑塊移動(dòng)距離；為螺旋升角；P為螺距。由于源誤差為夾角誤差，滑塊的實(shí)際移動(dòng)距離L'為L(zhǎng)

20、- LcosP cos 2精選故位置誤差為L(zhǎng) =L- LPP cos 22P（1-cos）2即由絲杠和導(dǎo)軌不平行度引起的誤差為L(zhǎng)=4P2查國(guó)標(biāo)手冊(cè)可知，行程20mm長(zhǎng)度內(nèi),級(jí)精度下不平行度為20叩，換算成角度偏差為0.02,-=0.001radL20將=3°46',P=1.5,=0.001rad代入上式得,L30-001r2=1.8螺桿軸向竄動(dòng)誤差?周期性變化，螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)為一個(gè)循環(huán)。?最大軸向竄動(dòng)誤差其原理如圖4.4所示maxanminD-螺桿軸肩直徑;1和2較小者。.一 min圖4.4螺桿軸向竄動(dòng)誤差溫度引起的誤差由于溫度的改變，使儀器的零部件尺寸、形狀、相互位置關(guān)系以及一些重要的特性參數(shù)發(fā)生變化，從而影響儀器精度。在垂直移動(dòng)平臺(tái)中，作為傳動(dòng)部件的絲杠熱變形對(duì)儀器精度有較大的影響。當(dāng)螺桿傳動(dòng)的工作