步进电机驱动的X-Y数控工作台三维建模设计

1、目 录 1 1 数控工作台文献综述.2 1.1数控工作台当前发展现状.2 1.2数控工作台组成.2 1.3高精密数控工作台.2 2 总体设计.5 3 详细设计计算.7 31 机械传方案的确定 .7 32 机械传动系统刚度和固有频率的计算 .11 33 传动系统的动力学计算及电机选择 .14 4 机械系统的结构设计.17 41 非标件的三维造型设计过程 .17 42 XY 二维工作台的装配过程.26 43 运动仿真及零部件分析 .28 5 控制系统电气原理图的设计.32 6 结束语.34 7 参考文献.35 1 1 数控工作台文献综述数控工作台文献综述 1.11.1 数控工作台当前发展现状数控工

2、作台当前发展现状 数控工作台的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化,使制造业成为工业化的象征， 而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，对国计民生的一些重要行业 IT、汽车、 轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。 1 从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要有以下几个方面:(1)高速、高 精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大 地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。在加工精度方面， 近 10 年来，普通级数控机床的加工精度已由 10m 提高到 5m ,精密级加工中心则从 35m，提高到 11.5m 并且超

3、精密加工精度已开始进入纳米级 0.1m。为了实现高速、 高精加工，与这配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩 大。(2) 5 轴联动加工和复合加工机床快速发展采用 5 轴联动对三维曲面零件的加工，可用 刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。(3) 智能化、开放式、 网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 21 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统。 2 1.21.2 数控工作台组成数控工作台组成 数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵-横向进刀机构、数控 铣床和数控钻床的 X-Y 工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴

4、装设备等。模块化 的 X-Y 数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等 部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平 台在导轨，上运动，完成工作台在 X、Y 方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服 电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据 需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专 用的微机控制系统。 1.31.3 高精密数控工作台高精密数控工作台 2 1.3.1 精密数控双驱二维工作台 随着制造业的多样化发展，被加工件的曲线形状也越来越多样化，机床的工作台必须能 够实现

5、轴向径向联动的二维运动才能达到加工要求。一般的 机床传动工作台由单电机单丝杠驱动， 而精密数控双驱二维 工作台通过双伺服电机双丝杠驱动，其两套电机滚珠丝杠副被堆成的安装在工作台两侧，如 图 1-1 所示使工作台的驱动合力尽可能与作台的重心相重合，这样既可有效地消除工作台自 身扭矩，并有效地减少机床的振动，同时提高了机床的负载容量及传动刚性，由于丝杠由一 根变为两根通过减小丝杠直径减小了其重量，使得精密数控双驱二维工作台具有更好的响应 性。 3 1.3.2 全自动金丝球焊机 XY 工作台 图 1-2 金丝球焊机 XY 工作台 近年来,我国半导体封装行业迅速发展,对半导体封装设备的需求逐年增加。微

6、电子封装 作为一项市场需求量大、发展迅速的高技术产业,具有广阔的发展前景，很多种封装设备中 都要用到 XY 二维工作台结构。 全自动金丝球焊机通过极细的金线实现从芯片表面焊点到引脚框架的联接, 实现如此精 图 1-1 双电机双丝杠驱动结构 3 密的焊接,必须保证各焊点的精确位置,而焊头及图像识别系统(PRS)被安装在 XY 工作台上, 只有 XY 工作台实现高精度的定位要求,才能保证全自动金丝球焊机的图像识别系统以及焊接 系统的准确定位。XY 工作台的结构形式如图 1-2 所示, 主要 X 轴导轨、X 轴丝杠、Y 轴导轨、 Y 轴丝杠及 X 轴解耦导轨、Y 轴解耦导轨等组成。经过误差分析与计算

7、可得 X 轴定位精度为 3m。Y 轴定位精度同理测得为 2.5m， XY 工作台的综合误差为 3.9m。 4 1.3.3 手机外壳检测设备中的二维工作台 二维工作台是手机外壳检测设备中不可或 缺的自动化检测仪器。近年来，随着我国手机 行业迅速发展和手机性能多元化需求的不断提 高，对二维工作台的检测精度 和效率提出了更 高的要求。 在图 1-3 中可以看到，工作台的机械部分 主要由工作台基座上的 X、Y 向传动系统组成， 其工作方式主要是通过 X、 Y 向伺服电机带动 滚珠丝杆副，控制丝杆副上安装板的运动，以 推动产品模具连接块的运动。工作台的机械 部分是自动检测机的重要组成部分，由于要满 足设

8、备小型化、无间隙、高精度和低摩擦的要求，所以 X、Y 向传动系统采用了滚珠丝杆副、 直线滚动导轨副的传动方式，这样的配合方式摩擦系数小，传动效率高，比常规的丝杆螺母 副提高了 34 倍。 5 图 1-3 手机外壳检测工作台 4 2 总体设计总体设计 二维工作台主要由静机座和动机座组成。静机座包括 X 方向的 X 底座、导轨及丝杠与轴 承座；动机座包括 Y 方向的 Y 底座、导轨、丝杠与轴承座以及工作台组成。Y 底座与工作台 均随丝杠螺母和导轨滑块一起运动。 图 2-1 XY 工作台总体设计 丝杠支承是丝杠结构中重要的组成部分。它的结构形式和安排布置对传动精度影响很大。 因此，支撑结构必需保证丝

9、杠在其旋转时不会产生过大的轴向和径向跳动，否则，即使丝杠 的精度再高，工作台仍不能得到准确的位移。在丝杠的支承中，丝杠的转速较低，可装在两 个轴承或径向滚珠轴承或滚针轴承中，为了使丝杠承受轴向力并防止丝杠轴向移动，需采取 高精度的滚珠止推轴承或滑动止推轴承。 滚珠丝杠副常用的支承方式的有四种，单推-单推式、双推-双推式、双推-简支式、双 推-自由式，初步选用第三种支撑形式，双推-简支式。双推-简支式一端安装推力轴承与深 沟球轴承的组合，另一端仅安装深沟球轴承，其轴向刚度较低，使用时应注意减少丝杠热变 形的影响。双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速、传动精度较高的 长丝杠传动系

10、统。 5 图 2-2 XY 工作台传动原理图 6 3 详细设计计算详细设计计算 3 31 1 机械传方案的确定机械传方案的确定 3.1.1 滚珠丝杠副的设计计算 (1) 计算动载荷 FQ： 求 L 值： 6 m 6 60n T L ( 10 r) 10 式中：nm-丝杠恒速段平均转速(r/min)； T-使用寿命(h)。 工作台运动速度 v= 50 mm/s = 3000 mm/min 初选导程 Ph = 6 mm 丝杠恒速段平均转速 min/500 6 3000 h v m r P n 已知 T = 8000 h 故 L = 250 r106 计算动载荷： 3 QH Wm Lf f F (N

11、)F 式中：fw-载荷系数，受中等冲击，取 fw = 1.2 fH -硬度系数，根据硬度 HRC 5860 58 故取 fH = 1 Fm -平均轴向载荷(N)，已知 Fm = 2500N 故 = 18.64 KN25002 . 11240 3 Q F (2) 滚珠螺旋副选择计算： 初选滚珠丝杠副规格型号，使其额定动载荷 CaFQ，当滚珠丝杠副在静态或低速状态下 （n10r/min）长时间承受工作载荷时，还应使其额定静载荷 C0a(23)Fm。 查询 机械设计手册-机械传动 表 11-1-30 内循环滚珠丝杠副系列性能参数初选 规格代号 3206-5 的滚珠丝杠副。系列性能参数如下： 公称直径

12、 d0 =32 mm 丝杠底径 d2 = 27.9 mm 基本导程 Ph = 6 mm 额定动载荷 Ca = 22.5 KN 额定静载荷 C0a = 56.2 KN 7 压杆稳定性验算： 4 4 K2 K 2 f d F3.4 10 (N) l 式中：FK-临界载荷（N） ； fK -稳定性系数，对于第三种支承（双推简支）：fK =2； d2 -丝杠内径(mm)； l-丝杠支承距离(mm)。 x 方向： l = 500 + 100 = 600 mm FK = 114451.9575 N y 方向： l = 400 + 100 = 500 mm FK = 164810.8188 N 临界转速计算

13、： 6 c2 K 2 f d N96.8 10 (r/min) ls 式中：NK-临界转速(r/min) ； fc-临界转速系数，对于第三种支承：fc=1； d2-丝杠内径(mm)； ls-丝杠工作长度(mm)，可近似取为支承距离。 x 方向： l = 500 + 100 = 600 mm NK = 7502 r/min y 方向： l = 400 + 100 = 500 mm NK = 10803 r/min (3) 选择丝杠螺母副轴向间隙的调整方式 图 3-1 双螺母螺纹预紧方式示意图 图 3-2 双螺母垫片预紧方式示意图 8 图 3-3 内循环固定反向器垫片预紧） 图 3-4 外循环插管

14、式垫片预紧 选择双螺母垫片预紧调整式。 3.1.2 减速器的设计计算 (1) 由已知条件计算传动比： p i= 360 h 式中：-步距角(/p) Ph-丝杠导程(mm) -脉冲当量(mm/p)，脉冲当量应小于或等于重复 定位精度。 计算可知传动比 5 . 2 mm01 . 0 360 mm65 . 1 i (2) 由整体结构要求初定大小齿轮分度圆直径及齿数，初选模数 m = 2，小齿轮齿数= 1 z 18 小齿轮分度圆直径 = m = 2 18 = 36 1 d 1 z 大齿轮齿数为，根据传动比 ，可知= 45 2 z5 . 2 z z 1 2 2 z 大齿轮分度圆直径= m = 2 45

15、= 90 2 d 2 z (3) 从结构上采取措施以提高传动精度 使用偏心套，采用偏心套(轴)调整法 将相互啮合的 1 对齿轮中的 1 个齿轮装在电机输出轴上，并将电动机安装在偏心套 (或 偏心轴)上，通过转动偏心套(偏心轴)的转角，就可调节 2 个啮合齿轮的中心距，从而消除 圆柱齿轮正、反转时的齿侧间隙。这种调整方法的特点是结构简单，但侧隙不能自动补偿。 轴向垫片调整法 齿轮 1 和 2 相啮合，其分度圆弧齿厚沿轴线方向略有锥度，这样就可以用轴向垫片使齿 轮沿轴向移动，从而消除 2 个齿轮的齿侧间隙。装配时轴向垫片的厚度应既能使得齿轮 1 和 2 之间齿侧间隙小，又能保证运转灵活。这种调整方

16、法的特点是结构简单，但侧隙不能自 动补偿。 9 3.1.3 直线滚动导轨副的计算与选型 (1) 根据设计寿命计算导轨副的距离寿命 L 式中 Lh-寿命时间，单位为 h； L-距离额定寿命，单位为 km; v-移动件平均移动速度，单位为 m/s； km1440 10 103600508000 3 3 L （2）根据动载荷和距离寿命的关系式计算动载荷 滚动体为球时： 50 3H ）（ F C f ffff L a W RCT 式中：L-距离额定寿命，单位为 km，由上式可知 L= 1440 km Ca-额定动载荷，单位为 KN F-单个滑块上的工作载荷，单位为 KN，F = 2.5 KN/4 =

17、0.625 KN fH-硬度系数，如表 3-1 所示，fH = 1 fT-温度系数，如表 3-2 所示，fT = 1 fC-接触系数，如表 3-3 所示，fC = 0.81 fR-精度系数，如表 3-4 所示，fR = 0.9 fW-载荷系数，如表 3-5 所示，fW = 1 表表 3-13-1 硬度系数硬度系数 滚道硬度（HRC） 50555864 fH0.530.81.0 表表 3-23-2 温度系数温度系数 工作温度/ 100100150150200200250 fT1.000.90.730.6 表表 3-33-3 接触系数接触系数 h 3 Lv 3600 L 10 10 每根导轨上的滑

18、块数 12345 fC1.000.810.720.660.61 表表 3-43-4 精度系数精度系数 精度等级 2345 fR1.01.00.90.9 表表 3-53-5 载荷系数载荷系数 工况低速场合，速度小于 15m/min中速场合，速度为 1560m/min高速场合，速度大于 60m/min fW11.51.5223.5 计算可得 = 2.6279 KN a C （3）根据动载荷选取合适的型号 查阅相关手册（如机械设计手册 单行本轴承第 3 章 直线运动滚动功能部件） 或产品样本，根据计算的动载荷选取滚动导轨型号。网上查阅资料选用 TBR30 导轨。 （4）确定导轨副与工作台和底座的连接

19、结构 导轨副与工作台：将工作台轻轻放置在直线导轨滑块上,不完全锁紧安装螺栓。通过止 动螺丝将直线导轨滑块的基准侧与工作台侧面基准面接触，使工作台定位。 导轨副与底座：将 TBR 导轨用螺栓螺母固定在底座上。 丝杠与工作台：丝杠螺母插装在方形带孔的螺母座里，用螺丝固定，螺母座和工作台用 螺丝固定并用两个圆锥销定位，从而带动工作台。 3 32 2 机械传动系统刚度和固有频率的计算机械传动系统刚度和固有频率的计算 机械传动系统刚度和固有频率的计算的目的是避免产品在工作中的机械谐振，为避免谐 振，机械传动的固有频率必须比系统位置控制环的固有频率高 23 倍。对滚珠丝杠传动系统 主要考虑扭振和纵向拉压振

20、动问题，其扭转振动频率和纵向振动频率均应远大于丝杠的运转 速度。 3.2.1 计算运动部件反映在丝杠轴上的转动惯量 (1) 滚珠丝杠本身的转动惯量 Js； 11 4 2 0 s d l J (kg.m ) 32 s g 式中：d0-丝杠名义直径（m） ； ls-丝杠工作长度（m） ； -比重，钢材 =7.8g/cm3=76,520N/ m3； g-重力加速度，9.8m/ s2。 X 方向： 24 4 s mkg108 . 4 8 . 932 765206 . 0032 . 0 J Y 方向： 24 4 s mkg1002 . 4 8 . 932 765205 . 0032 . 0 J （2）工

21、作台重量换算到丝杠轴上的转动惯量 JW: 2 2 W pW J (m ) 2 h kg g 式中：W-工作台（含工件）重量（N） ； Ph-丝杠导程(m)。 242 3 mkg1033 . 2 2 106 8 . 9 2500 W J （3）大齿轮转动惯量 J2： 4 2 2 (D-d) B J (kg m ) 32g 式中：D-大齿轮分度圆直径（m） ； d-大齿轮内孔直径（m） ； 查阅机械设计手册-机械传动11-23 根据丝杠公称直径 d0 = 32 mm，可知大齿轮内 孔直径与丝杠两端轴径相同，故大齿轮内孔直径 d = 0.016 m。 B 为齿轮宽度，查阅机械设计手册13-87 选取

22、齿宽系数=0.55 d B =d=0.55 90 =49.5 mm d 23 4 2 mkg101378 . 1 8 . 932 765200495 . 0 016 . 0 09 . 0 ）（ J （4）换算到丝杠轴上的等效转动惯量（按第三种支承方式）： W2s 1 J=JJJ 3 X 方向：J = 15.308 4 10 2 mkg 12 Y 方向：J = 15.048 4 10 2 mkg 3.2.2 丝杠固有频率计算 （1）丝杠扭转刚度 KT： 式中：d2 -丝杠底径（m） ，可近似取公称直径 d0； ls-丝杠工作长度（m） x 方向：radNKT/m87.13718 y 方向：rad

23、NKT/m64.16462 (2) 丝杠扭振固有频率： T T K (rad/s) J X 方向：srad T /64.2993 Y 方向：srad T /58.3307 (3) 计算工作台质量在丝杠轴上引起的纵向振动固有频率（第三种支承，双推-简支）： 计算 Ke：； ebsntn 11111 K2KKKK Ke-丝杠进给运动的总刚度（N/m） mNKb/2325)2032( 20100 15007000 1500 X 方向：mNK/ 6 . 281 10600 1032 1065 . 1 3 23 11 s ）（ Y 方向：mNK/92.337 10500 1032 1065 . 1 3

24、23 11 s ）（ mNK/6802032 2040 350900 350 n ）（ mNK/1000 tm 可得 X 方向：mNK/1060 . 1 8 e Y 方向：mNK/1077 . 1 8 e 44 9 22 T ss Gdd K7.85 10N m/ rad 32ll 13 纵向振动固有频率： ee 0mcch KK g (rad/s) mW 式中：m-工作台加工件的质量（kg） W-工作台加工件的重量（N） 由上式求得可计算纵向振动固有频率 e K X 方向： s/rad96.791 omech Y 方向：s/rad97.823 omech 3) 判断振动频率是否远大于丝杠运转

25、速度 工作台快进速度3000mm/mins/mm50vR s/rad36.52 606 23000 n 由以上数据可知，无论扭振频率还是振动频率均远大于丝杠运转速度，不会引起共振。 3 33 3 传动系统的动力学计算及电机选择传动系统的动力学计算及电机选择 3.3.1 计算各传动件的 GD2 对于一级圆柱齿轮副减速器，则需分别计算小齿轮、大齿轮、丝杠、工作台的 GD2；然 后折算到电机轴上算出等效值 GD2。 圆柱齿轮 GD2的计算公式为： 242 GDd B (Nm ) 8 式中：d-齿轮分度圆直径（m） B-齿轮宽（m） -比重，钢材 =7.8g/cm3=76,520N/ m3 小齿轮：m

26、m 8 . 193655 . 0 d d 小 B 244 2 1 m1099 . 9 765200198 . 0 036 . 0 8 NGD 大齿轮：mm 5 . 499055 . 0 d d 大 B 224 2 2 m1076 . 9 765200495 . 0 09. 0 8 NGD 丝杠的计算公式为：GD2s 42 0 s d l (Nm ) 8 14 X 方向： 224 2 s m1089.91765206 . 0032 . 0 8 NGD Y 方向： 224 2 s m1058 . 1 765205 . 0032 . 0 8 NGD 工作台的计算公式为：GD2T 2 2 p =W (

27、Nm ) h 232 3 2 T m1012 . 9 106 2500NGD 折算到电机轴上的等效惯量为：GD2= GD21+( GD22+ GD2s+ GD2T) 2 1 i X 方向： 22 2 3224 2 m1010 . 2 5 . 2 1 1012 . 9 1089 . 1 1076 . 9 1099 . 9 NGD ）（ Y 方向： 22 2 3224 2 m1006 . 2 5 . 2 1 1012 . 9 1058 . 1 1076 . 9 1099 . 9 NGD ）（ 3.3.2 计算恒速段丝杠转速 ns 和电机转速 nm 丝杠转速：min/ r500 r /mm6 min

28、/mm3000 h v ns P 电机转速：1250r/min2.5500inn sm 3.3.3 计算 Y 向电机轴上总扭矩 计算加速力矩及加速过程中电机轴上的总扭矩；其中 T 加速力矩： 2 a T (Nm) 375t m a GDn 式中：nm-电机转速（r/min） ； ta-加速时间（s） 可得m137 . 0 5 . 0 1250 375 1006 . 2 2 a NT 等效摩擦转矩： mh f 1 FW p 3 T (Nm) 2i k 式中：Fm-最大轴向载荷（N)） ；为螺母预紧力，即预紧力一般为轴 m 1 F 3 向载荷的 1/3 15 k-丝杠螺母副内部摩擦系数，取 0.3

29、; -导轨与工作台之间的摩擦系数； W-工作台（含工件）重量（N） ； Ph-丝杠导程（m） ； -效率，取 0.88； i-齿轮传动比。 计算得 NmTf156 . 0 5 . 288 . 0 2 006 . 0 )2500024 . 0 3 . 03000 3 1 ( 等效外负载力矩 TL ： mh L F p T (Nm) 2i NmTL302 . 1 5 . 288 . 0 2 006 . 0 3000 总扭矩=max 二者取其大值 T fLfa TT,TT NmT458 . 1 1.458max0.293, 3.3.4 初选 Y 向电机 按最高运行频率 fmax和总扭矩 T选择电机，

30、应使电机最大静转矩 TjmanKT，K 为安 全系数，一般取 24，步进电机选型样本可参考附录 3。 查表附录 3，根据附表 3-1 中最大静转矩数值初选型号为 110BF003 电机， 。458 . 1 484 . 7 3.3.5 Y 向步进电机的最终确定 计算可得电机空载运行频率 Hzf5000 60 1250 360 max 查附表 3-5 110BF003 型号步进电机矩频特性，根据差值计算在 5000 Hz 输出转矩为 2.82 Nm，由此可知最大工作频率下的电机输出转矩能够满足要求。458 . 1 82 . 2 3.3.6 X 向步进电机的计算 选型步骤与 Y 轴相同，但由于 X

31、轴位于 Y 轴底部，带动 Y 轴运动，所以上述公式中的工 作台（含工件）重量 W 应包含 Y 轴的各部件重量（估算约为 1000N） 。 16 m14 . 0 5 . 0 1250 375 1010 . 2 2 a NT NmTf167 . 0 5 . 288 . 0 2 006 . 0 )3500024 . 0 3 . 03000 3 1 ( NmTL302 . 1 5 . 288 . 0 2 006 . 0 3000 NmT468 . 1 同 Y 向电机相同，X 向电机也选用 110BF003 型号步进电机。 步进电机驱动器型号为 BD36Nc 17 4 机械系统的结构设计机械系统的结构设

32、计 XY 二维工作台主要是由工作台、TBR 导轨、滑块、丝杠、丝杠螺母、步进电机、底座等 零部件组成。XY 二维工作台中除标准件以及外购件外，部分零部件需要根据自己的设计方 案进行设计。此外，非标件设计需要考虑材料、结构等是否合理。非标件设计结束，将外购 件、所涉及的非标件进行 XY 二维工作台的整体装配。装配结束后，对装配体进行运动仿真， 并对零部件进行分析。 4 41 1 非标件的三维造型设计过程非标件的三维造型设计过程 4.1.1 底座的三维造型过程 图 4-1 底座三维造型图 底座的三维造型如上图，使用 UG 进行了 X 底座的三维造型，造型过程如下图。 18 图 4-2 底座三维造型

33、过程图 图 4-3 X 底座三维造型过程图 底座的三维造型需要考虑到对导轨的支撑，与两个轴承座地面的接触部分、与电机座地 面的接触部分，对于 Y 底座还要考虑 Y 做下底面与滑块和丝杠螺母的接触。由于底座是铸件， 对与接触部分需要精加工，所以需要精加工的部分拉伸一个凸台，精加工只需要加工这些凸 台，节约加工成本。 4.1.2 偏心套的三维造型过程 图 4-4 偏心套三维造型图 偏心套的三维造型如上图，使用 UG 进行了偏心套的三维造型。根据电机座尺寸与电机 19 凸缘尺寸来初步设定偏心套内孔尺寸与外圆尺寸，经过三次拉伸，一次布尔运算中的求差， 完成了偏心套的大概外观。由于偏心套的最大外圆与电机

34、座有干涉，故将偏心套上下各切除 一部分。偏心套内孔的圆心与外圆圆心错开 2mm，从而实现偏心的效果。在偏心套最大外圆 的拉伸体上，左右各开一个弧形通孔，用来将偏心套与电机座固定的同时，能够实现偏心套 的转动，从而调整齿轮间隙。 造型过程如下图。 图 4-5 偏心套三维造型过程图 4.1.3 电机座的三维造型过程 图 4-6 电机座三维造型图 电机座的三维造型如上图，电机座外观呈 “L”形，其作用是将电机、偏心套固定在 XY 底座上。电机座的三维造型比较简单，经过两次 图 4-7 电机座三维造型过程图 20 简单拉伸实现了电机座的初步造型。根据 XY 底座位置在电机座是打孔。电机座的三维造型 过

35、程如右图。 4.1.4 丝杠螺母座的三维造型过程 图 4-8 丝杠螺母座三维造型图 丝杠螺母座的三维造型如上图，丝杠螺母座的作用是连接丝杠螺母与工作台或 Y 底座 的中间媒介，最初的设计将丝杠螺母座设计成一个正方体，但是会浪费很多材料，然后考虑 到材料成本和铸造的拔模斜度，将丝杠螺母座设计成一个类似三角形的外观。丝杠螺母座的 三维造型国产如下。 图 4-9 丝杠螺母座三维造型过程图 21 4.1.5 双推端轴承座的三维造型过程 由于丝杠的支撑形式采用了双推-简支式，双推端轴承座是双推端的支撑座。双推端轴承 座用来安装双向推力球轴承与深沟球轴承，其三维造型过程比较简单，考虑到材料问题与拔 模斜度

36、，双推端轴承座的外观与丝杠螺母座相似。一个大体外观的草图拉伸，还有根据选择 的轴承的大径尺寸进行两次拉伸，就完成了该轴承座的三维造型，之后是根据连接关系而进 行的打孔与钻孔等步骤。 双推端轴承座的三维造型如图。 图 4-10 双推端轴承座三维造型图 4.1.6 简支端轴承座的三维造型过程 图 4-11 简支端轴承座三维造型图 22 简支端轴承座是丝杠简支端的支撑座，其造型过程与双推端轴承座的造型过程很相似， 不同之处在于双推端轴承座的轴承孔由于双向推力球轴承与深沟球轴承的外径不同，加上推 力需要传递到轴承座、底座上，所以不是通孔，且孔径前后不同。而简支端轴承座只需要安 装深沟球轴承，只需要拉伸

37、一个通孔。 4.1.7 丝杠的三维造型过程 图 4-12 丝杠三维造型图 丝杠是机械传动中的一个重要部件，根据第 3 部分的选型计算，选用公称直径为 32， 导程为 6 的丝杠。丝杠的三维造型设计的重点是丝杠滚珠螺纹的形成，首先根据工作台的行 程，经过简单计算，留有余量，拉伸出一个圆柱体，在拉伸好的圆柱体上插入螺旋线，然后 在螺旋线上建立一个基准面，在基准面上画一个圆，让该圆沿插入的螺旋线进行扫略，将扫 略形成的螺旋柱体与圆柱进行求差，就完成了丝杠滚珠螺纹的三维造型。之后根据轴承的宽 度，齿轮宽度在圆柱丝杠两端进行拉伸，形成多段圆柱。然后在拉伸的圆柱上根据安装键的 需要，在圆柱面上建立基准面，

38、开出键槽。 丝杠的三维造型过程如下图。 图 4-13 丝杠三维造型过程图 23 4.1.8 工作台的三维造型过程 工作台的作用是 XY 工作台用来承载加工件的平台，工作台要与导轨上的四个滑块和丝 杠螺母连接，所以要工作台上平面需要向下打沉头孔。此外，工作台是铸件，为了为了保证 在水平方向的精度，需要对铸造好的工作台进行精加工，为了节约成本，在工作台需要和滑 块、螺母座连接的地方加一个凸台，在精加工时只需要精加工凸台和上平面就好，这样就节 约了成本。 工作台的三维造型及造型过程如下。 图 4-14 工作台三维造型图 图 4-15 工作台三维造型过程图 4.1.9 端盖的三维造型过程 24 端盖是

39、安装在轴承座上，用来防尘的。在 XY 二维工作台中一共用到了简支端轴承座两 个，双推端轴承座两个，共四个端盖。四个端盖三种类型，完全密封型的，和需要带中心孔 的。端盖的三维造型过程很简单，在二维草图中绘制一个圆，然后进行拉伸。端盖与轴承座 的连接是通过圆柱头内六角螺钉，所以需要在端盖上打通孔。 图 4-16 端盖 1 三维造型图 图 4-17 端盖 2 三维造型图 25 图 4-18 端盖 3 三维造型图 端盖的三维造型过程图如下。 图 4-19 端盖三维造型过程图 4.1.10 大小齿轮的三维造型过程 由于使用的是 UG6.0，版本较低，所以无法进行齿轮的三维造型。所以使用了另一个三 维软件

40、 SolidWorks，在该软件的零件库中调出了齿轮，通过设定有第 3 部分的计算得到的 齿数模数、以及选用的键的宽度等参数，生成了齿轮从而完成大小齿轮的三维造型。 26 图 4-20 大齿轮三维造型图 图 4-21 小齿轮三维造型图 4 42 2 XYXY 二维工作台的装配过程二维工作台的装配过程 27 图 4-22 XY 工作台三维造型图 在非标准件设计结束后，就开始了 XY 工作台的整体装配过程。打开 UG 软件，新建装配， 添加组件。首先添加的组件是 X 方向底座，在放置里面选择绝对原点。之后的其他零部件均 选择通过约束，即其他零部件都是建立在这个绝 对约束上面的。 在 UG 的装配中

41、，约束关系主要用到的只有接 触对齐下的接触、对齐、自动判断中心轴以及距 离等几个类型的约束，一般三个约束就可以完成 一个零部件的装配。 第一个零部件安装的是 TBR30 导轨，添加组 件中选择 TBR 导轨，在装配约束中选择接触对齐 下的自动判断中心轴。将导轨上的孔与底座上的孔 进行同心约束，进行两次自动判断中心轴约束，从 而约束两个孔，使导轨在底座的导轨支撑座正上方，在添加约束中选择接触约束，选择导轨 底面与底座中导轨支撑面，从而使导轨装配到底座上。 将导轨装配到 X 底座上后，进行的是两个轴承座以及电机座的装配约束，这三个零部件 的装配同导轨的装配相同，每个件都是先通过两次自动判断中心孔命

42、令将该零部件上的孔与 X 底座上的孔中心对齐，然后一个接触约束，使该零部件与底座接触，完成装配。 在完成以上三个零部件的装配后，在添加组件中选择 X 轴丝杠，对丝杠进行装配。丝杠 的两端为了满足双推简支的支承方式，两端轴段不同，将丝杠添加进装配界面后，先将丝杠 通过移动组件命令摆放正确。在装配约束中选择自动判断中心轴，选择丝杠的中心线与轴承 座上孔的中心线。之后通过多次应用自动判断中心轴、接触的约束关系将双向推力球轴承、 图 4-23 装配约束关系图 28 深沟球轴承、套筒、垫片、丝杠螺母、锁紧螺母、键、卡簧等丝杠上应该安装的零部件进行 装配。 完成以上操作后，将四个滑块通过自动判断中心轴安装

43、到 TBR 导轨上，然后通过平行约 束关系，使滑块上平面与 X 底座平面平行，最后使用对齐和距离约束，使四个滑块对齐保持 相同距离。丝杠螺母座的安装则是通过自动判断中心轴与接触约束，分别选择丝杠螺母的中 心轴线和螺母座孔的中心轴线与丝杠螺母的面与螺母座的一个面完成装配，最后通过平行约 束，选择螺母座平面与 X 底座平面，是螺母座上平面平行于 X 底座下平面。 偏心套和电机的装配，先使用自动判断中心轴与接触命令将偏心套安装在电机座上，再 使用相同的命令将电机安装在电机座上。然后是大小齿轮与轴承座端盖的装配，同样使用自 动判断中心轴与接触的约束命令，完成装配。此外，齿轮需要在轴向上进行固定，可以选

44、用 顶丝、使用挡片或者在齿轮的两齿间打孔然后使用螺钉。在本次设计中由于电机轴较短，故 在电机轴端面上开了一个螺纹孔，然后使用螺钉将一个 U 型挡片安装在电机轴上挡住小齿轮， 大齿轮的轴向固定则使用了顶丝，在齿轮安装的轴段上钻一个螺纹孔，通过自动判断中心轴 与接触的命令安装了顶丝。 最后通过滑块上的孔和螺母座上的孔，用自动判断中心轴与接触命令完成 Y 底座在 X 底 座上的安装。Y 底座生零部件的安装同 X 底座上零部件的安装相同。完成 Y 底座上零部件的 安装与工作台的安装后，根据孔的大小和所选用的螺钉、螺栓，通过装配约束自动判断中心 轴和接触命令完成螺栓、螺钉的装配。XY 工作台装配完成。

45、4 43 3 运动仿真及零部件分析运动仿真及零部件分析 4.3.1 XY 工作台的运动仿真过程 完成 XY 工作台的装配后，接下来进行的是 XY 工作台的运动仿真。打开装配好的 XY 二 维工作台的装配体，在 UG 6.0 的开始菜单栏中选择运动仿真，进入了运动仿真界面，在运 动导航器中选择 model1 右击选择新建仿真，在弹出的环境框中选择动态、基于组件的仿真。 29 图 4-24 运动仿真环境界面 然后单击 “连杆” ，将在接下来的运动仿真过程中不动的部分和转动部分、移动部分分 写设置为连杆。其中 X 底座与轴承座电机、电机座、导轨等部件在运动仿真中不运动，设为 固定连杆。共计设置 7

46、个连杆。 图 4-25 连杆设置界面 连杆设置完成后，接下来对设置的 7 个连杆添加运动副，齿轮连杆、丝杠及丝杠上的部 件连杆设置为转动副，Y 底座上的部件连杆以及工作台连杆设置为移动副。共计设置 7 个运 动副。由于 Y 底座在进行水平移动的同时，Y 底座上的丝杠齿轮还有转动，工作台也存在转 动，所以对 Y 底座上所有连杆之前设置的运动副分别进行与 Y 底座的咬合连杆。要注意的是， 咬合连杆的指定原点、指定方位与运动副的指定原点、指定方位应设置为相同的。 30 图 4-26 运动副及咬合连杆设置界面 图 4-27 运动副驾驶员设置界面 设置完运动副及咬合连杆后需要为这些运动副添加动力，才能使

47、这些运动副运动起来。 在运动导航器里双击刚刚设置的运动副，选择驾驶员，在驾驶员界面下为运动副添加动力。 为了使 XY 工作台的运动仿真的运动形式复杂一点，添加动力选择函数。 打开函数管理器，新建函数。如图 4-28。新建函数后进入 XY 函数编辑界面。 在 XY 函数编辑界面的插入栏选择运动函数，函数选择函数框里最下面的 STEP 函数。函 数编辑器界面如图 4-29。 31 图 4-28 函数管理器界面 32 图 4-29 XY 函数编辑器界面 33 STEP( x, x0, h0, x1, h1)函数中 x 记作代号， x0 代表着初始时间， h0 代表初始位 置，x1 代表着这一运动的结

48、束时间，h1 代表着这一运动的结束位置。STEP 函数在设置一个 动作后如果想要继续运动可以继续添加，在 STEP 函数后添加一个“+”号，再写一个 STEP 函数。 例如：STEP( x, 0, 0, 4, -340)+STEP( x, 4, 0, 8, 340) 初始时间为 0，初始位置为 0，第一个运动的结束时间为 4，第一个运动的结束位置为- 340，在第二个 STEP 函数中，初始时间为上一个 STEP 函数的结束时间，但是上一个函数的 结束位置在下一个函数中默认设置为初始位置，可以理解为是相对位移。在移动副中设置的 是位移，在旋转副中设置的是角度。根据自己的需要对没个运动副设置函数

49、运动，完成运动 副的动力设置后单机菜单栏下的结算方案，在运动导航器中出现 solution 结果，右击选择 求解。完成了 XY 工作台的运动仿真，选择动画，点击播放就可以看到 XY 工作台的运动仿真。 4.3.2 滑块的有限元析 对于零部件滑块的有限元分析，单机“开始”下拉菜单“高级仿真” ，进入高级仿真界 面。单击屏幕左侧“仿真导航器” ，进入仿真导航界面并选中模型，单击右键，在弹出的下 拉菜单中选择“新建 FEM 和仿真” ，弹出“新建 FEM 和仿真”对话框，单击“确定” 。 单击屏幕左侧“仿真导航器” ，进入仿真导航界面并选中 huakuai-fem1 结点，单击右键， 选择“设为显示

50、部件” ，进入编辑有限元模型界面。 工具栏中选择“指派材料” ，根据零部件材料选择材料并确定。在工具栏选择“3D 四面 体网格”单击“确定” ，对滑块进行划分网格，生成有限元模型。 在屏幕左侧“仿真导航器”中选择 huakuai-sim1，单击右键设置为显示部件，激活屏 幕中“高级仿真”工具栏进入仿真模型界面。 单击“约束类型”对滑块施加约束，在载荷类型中选择压力，设置压力。完成载荷设置。 之后进入求解阶段，单击“求解” ，弹出求解对话框，单击确定，弹出“分析作业监视 器”对话框，单击“取消” ，完成求解。 在后处理导航器界面， 右键单击“导入结果”选项， 选择结果文件确定。之后再 后处理导航

51、器中“results” 34 选项中选择“应力-基本的-vomises”云图显示有限元 模型的应力情况。 5 控制系统电气原理图的设计控制系统电气原理图的设计 对于 XY 工作台的控制系统设计，考虑到所学过得关于控制系统设计内容学过微机原理 单片机控制，结合设计实践能力训练指导书给出的夹钳式机械手的电气原理图实例，所以 XY 工作台的控制系统选择设计专用的微机控制系统。 对于单片机系统，首先选择微处理器，选择了 8031，然后用 8155 来扩展回路。电路的 设计与夹钳式机械手的电气原理图相同，包括扩展 RAM、ROM，外部时钟电路，复位电路， 晶振回路等等，如图 5-1。 接步进 电机放 大电路 状态 指示 压力传感器 4 11 4 4 B B 行 程 开 关 & 图5-1 夹钳式机械手电气原理图 G2B G2A F 3 3 外部通 讯口 接 8031 图 4-30 滑块的有限元分析图 35 XY 工作台电气原理图与夹钳式机械手电气原理图不同的是缺少 AD574 数模转换器，因 为机械手的动作需要判断机械手是否夹持到物体，而 XY 工作台不需要判断。对于 XY 工作台， 需要考虑工作台在两个方向上的行程以及回零