毕业设计（论文）自动丝印机设计

1、 重庆大学本科学生毕业设计（论文）自动丝印机设计学 生： 学 号：20082926指导教师： 专 业：机械设计制造及其自动化重庆大学机械工程学院二o一二年六月graduation design (thesis) of chongqing universitydesign of automatic screen printing machine undergraduate: hu yang supervisor: prof. wang qiuxiao major: mechanical design manufacturing and automation college of mechanic

2、al engineeringchongqing universityjune 2012 摘 要自动丝印机在smt生产线中是一个重要组成部分，对整个生产线起着重要的作用，本次设计中的自动丝印机包含自动丝印机构和自动贴片结构两个部分。本文以现有的手动丝印机进行改进和优化，通过改善机械结构，提高生产效率。本文对自动丝印机的机械结构进行了整体设计，经过分析，设计了齿轮齿条传动的丝印系统和具有x-y联动定位系统的贴片系统。由于本设计面向的是小规模生产，所以并没有采用高速贴片头，而是采用简单的气缸驱动式单头贴片系统。本设计采用了先进的视觉识别系统来提高贴片精度。本文还对其关键部件齿轮齿条和丝杆转动进行了设

3、计和分析。本次设计用ug三维软件对整体机器进行了三维建模，对整体机器进行模型建立、性能分析，利用caxa、auto cad等二维绘图软件绘制了整机装配图和重要部件的零件图，对各个伺服电机进行了计算和选型，对自动丝印机的大部分零件进行了设计以及安全校核，尤其是在结构和传动部分。关键词：丝印，贴片，装配图 abstractautomatic screen printing machine is an important part of the smt production lines, plays an important role in the entire production line, a

4、utomatic screen printing machine in the design contains two parts of the agency automatic screen printing and automatic placement structure. improve and optimize the existing manual screen printing machine, improve production efficiency by improving the mechanical structure.the mechanical structure

5、of the automatic screen printing machine, the overall design, analysis, design, rack and pinion drive, screen printing system and patch system with linkage x-y positioning system. this design for small-scale production, and there is no high-speed paste titles, instead of using a simple cylinder-driv

6、en single-head patch. this design uses advanced visual recognition system to improve the placement accuracy. the article also design and analysis of its key components of rack and pinion, and screw rotation.the overall machine design with ug three-dimensional software 3d modeling, to establish the m

7、odel of the placement machine, performance analysis, caxa, auto cad 2d drawing software to draw the diagram of a machine assembly drawing and an important component parts, calculation and selection of each servo motor, automatic screen printing machine parts designer, and security check, especially

8、in the structure and transmission parts.key words: screen printing, patch, assembly drawing 目 录中文摘要abstract1 绪论1 1.1行业的背景12 设计任务4 2.1设计题目4 2.2设计要求4 2.3设计内容4 2.3设计工作43 自动丝印机的整体结构方案设计53.1自动丝印机的整体结构设计概述5 3.1.1丝印机的结构概述5 3.1.2贴片机的结构概述53.2丝印部分的结构设计63.3贴片部分的结构设计63.3.1贴片部分的移动结构方案设计63.3.2贴装头的方案设计83.4确定方案114

9、贴装头x-y-z移动定位系统的设计124.1x-y-z运动框架结构形式的确定124.2视觉系统134.3驱动方案的确定144.4电机的选择计算144.4.1 x轴方向的驱动电机计算144.4.2 y轴方向的驱动电机计算165 机械结构零部件设计185.1丝杆的设计185.1.1 工作设计规格185.1.2 x方向丝杆设计185.1.3 y方向丝杆设计215.1.4 丝杆轴径的选定245.2滚珠丝杆刚性系统计算245.3联轴器的设计265.3.1 类型选择265.3.2 弹性波纹管联轴器简介265.3.3 载荷计算275.4齿轮的设计275.4.1 齿轮材料，热处理及精度275.4.2 初步设计

10、齿轮传动的主要尺寸275.4.3 设计计算285.4.4 齿根弯曲疲劳强度设计295.5气缸设计305.5.1 气缸种类305.5.2 气缸结构316 总结32参考文献33 1 绪论电子信息产业是国民经济和国防建设的重要产业,高水平的电子制造装备是衡量国家科技实力的重要标志,为了能够在现如今激烈的市场竞争中赢得一定份额，电子产品制造厂商必须不断寻找一条能够降低产品成本的道路和改善产品导入市场的时间，与此同时还能够不断提升新产品的质量。此外还应该改善生产制造工艺和规程，电子产品制造厂商也要促使半导体器件制造厂商将更多的功能溶入微型化尺寸的可编程集成电路（programmable integrat

11、ed circuits 简称pic）中去。于是，在高端电子产品的设计和制造中尺寸更小、功能更强和价格更低的要求就被提了出来。在这些背景下，现在的可编程集成电路拥有很多的引脚、具有很强的功能，而且采用了具有创新意义的组装形式。但是想要采用最新pic器件的电子产品制造厂商必须克服在进行编程过程中所遇到的一系列问题。简单说来就是为了能够顺利地进行pci器件编程，还有一些新的方法需要学习。1.1行业的背景 以pic器件为例，以往普遍采用dip、soic或者plcc的封装形式。但是，随着人们对紧凑型、高性能产品的需求亮的增加，人们要求引入更先进的pic器件。现如今的闪存器件可以采用sop、tsop、vs

12、op、bga和微小型bga封装形式。高性能的微型控制器、cpld器件和fpga器件一直到可以采用qfp、bga和微型bga封装形式，其所拥有的引脚数量从44条一直可以达到超过800条。 因为很多引脚数和小外形，大部分组件，这些组件只能使用细间距封装。引脚细间距元件都非常脆弱的间距0.508毫米（20密耳）或几乎没有。因此，人们将目光投向对pic器件的使用，以应对这一挑战。高密度和高性能的pic器件是非常昂贵的，需要高品质的编程设备，需要有良好的过程控制，到最低限度，以减少废物的组成部分。在采用手工编制程序的操作过程中，微细间距元器件实际上肯定会遭遇到来自共面性和其它形式的引脚损伤因素的威胁。如

13、果说引脚受到了损伤的话，那么将可能导致焊接点可靠性出现问题，会提升生产制造过程中的缺陷率。同样，高密度的元器件实际上将化费较长的编程时间，这样就会降低生产的效率。ate编程会降低生产效率，这是因为为了能够满足编程的需要，要增加额外的时间。比如说，如果为了检查制造过程中所出现的缺陷现象，需要花费15秒的时间进行测试，这时可能需要再增加5秒用来对该元器件进行编程。ate所起到的作用就像是一台非常昂贵的单口编程器。同样，对于需要化费较长时间编程的高密度闪存器件和逻辑器件来说，所需要的总的测试时间将会更长，这令人头痛。因此，当编程时间与电路板总的测试时间相比较所占时间非常小的时候，编程方式是性价比最好

14、的一种方式。为了提高生产率，以求将较长的编程时间降低到最低的限度，ate编程技术可以与板上技术相结合使用，例如：边界扫描或者说具有专利的众多方法中的一种。 还有一种解决方案是在电路板进行测试的时候，仅对目标器件boot码进行编程处理。器件余下的编程工作在处于不影响生产率的时候才进行，一般来说是在设备进行功能测试的时候。然而，除非超过了ate的能力，功能测试的能力是足够的，对于高密度器件来说性能价格比最好的编程方法是一种自动化的编程设备。举例来说：pro master 970设备配置有12个接口，每小时能够对600个闪存进行编程和激光标识。与此形成对照的是，ate或者说功能测试仪将化费60至12

15、0小时来完成这些编程工作。 近年来，对先进pic的编程和测试需求有了令人瞩目的增长。这是因为芯片供应商使用新的硅技术来创建具有最高速度和性能的元器件。认真仔细的程序设计必须考虑到传输线的有效性问题、信号线的阻抗情况、引针的插入，以及元器件的特性。如果不是这样的话，问题可能会接二连三的发生，其中包括：接地反射（ground bounce）、交扰和在编程期间发生信号反射现象。 自动化高质量的编程设备通过良好的设计，可以将这些问题降低到最小的程度。为了能够进行编程，pcb设计师必须对付周边的电路、电容、电阻、电感、信号交扰、和反射、以及针盘夹具。所有这一切将极大的影响到进行编程时的产量和质量。因为增

16、加了对电路板的空间需求，以及分立元器件（接线片、fet、电容器）和增加对电源供电能力的需求，从而最终增加了pcb的成本。尽管每一块电路板是不同的，pcb的价格一般会增加2%到10%。通过选择正确的设备以及挑选最有效的编程方式来满足特殊的应用需求，制造厂商能够实现高质量、低成本和缩短产品进入市场的时间，以适应现如今激烈的市场竞争局面。然而，让我们看一下所有不同的编程方式，每一种编程方法都拥有优点和缺点，所以对我们来说选择编程方法可能是一件令人十分头痛的事情。 越来越多的制造厂商将需要评估不同的编程解决方案对生产效率、生产线的计划调度、pcb的价格、工艺过程控制、客户管理和主要设备的价格等所带来的

17、冲击。最全面的解决方案可能是一种综合了自动化编程、ate和ieee边界扫描编程方法的组合体。16电子制造的终端是千姿百态、形形色色的电子产品。所有电子产品都是由各种电子元器件按照电路原理图的规则连接而成的，从简单的几个元件构成的电源整流器到复杂的成千上万元器件组成的巨型计算机无不如此。用各种电子材料制成大小悬殊，形状多变、功能各异、性能优异的形形色色元器件，并借助基板和其他零部件使元器件各就其位、可靠连接，实现电子产品的功能，这就是电子制造技术的本质。2 设计任务2.1设计题目自动丝印机设计。2.2设计要求（1）. x、y方向最大进给行程300mm，进给当量0.01mm;（2）. z方向最大进

18、给行程100mm，进给当量0.01mm;（3）.真空吸附；（4）.电动刮胶。2.3设计内容（1）自动丝印机整体结构的分析和设计。自动丝印机的整体组成，主要包括机架、pcb传送机构及支撑台、xy与z/伺服定位系统、光学识别系统、贴装头、供料机、传感器和计算机操作系统。本课题主要设计机架、贴装头，并对其结构进行具体的说明分析。（2）关键部分的设计分析和其他零部件的选取。（3）自动丝印机中交流伺服电机的计算和选取。（4）机械零部件的计算与校核。2.4设计工作 （1）装配图一张（a0）。 （2）零件图两张（a3）。 （3）设计计算说明书一份。3 自动丝印机的整体结构方案设计3.1自动丝印机的整体结构设

19、计概述本课题所设计的自动丝印机可以看成是简单丝印机与自动贴片机的组合体，所以该机构的整体结构设计可以分为丝印机的结构概述与贴片机的结构概述3.1.1丝印机的结构概述丝印机的分类:丝印机目前分为垂直丝印机、斜臂丝印机、转盘丝印机、四柱式丝印机及全自动丝印机。 垂直丝印机的特点：针对高精密的印刷，如高科技电子行业、套印多色、网点印刷等。与斜臂丝印机相比较效率低，但精准度高。 斜臂丝印机的特点：针对包装行业，或局部uv等印刷，效率高，但精准度低 转盘丝印机的特点：针对服装行业，或光盘行业，不好定位的行业可采取转盘式。 四柱丝印机的特点：针对面积大的行业，如果装潢，大型玻璃等行业。 全自动丝印机的特点

20、：是卷对卷的针对pet、pp、pc、pe等软质材料的印刷，是由进料，印刷及干燥集于一体工艺全部完成，是大批量量产的最佳选择. 全自动椭圆丝印机的特点：主要适用与服装裁片的印花，可印胶浆、水浆、油墨等浆料。 3.1.2贴片机的结构概述贴片机的分类:目前在世界上已经有许多个贴片机生产厂商，贴片机的种类达几百种之多，贴片机的分类虽没有固定格式，但习惯上有以下几种：(1)按速度分类 中速贴片机：3000片/小时 贴片速度 9000片 /小时； 高速贴片机：9000片/小时 贴片速度 40000片 /小时； 超高速贴片机：大于3000片/小时。 高速贴片机通常采用固定多头或双组贴片头安装在x-y导轨上，

21、x-y伺服系统为闭环控制，因此能够实现较高的定位精度，贴片器件的种类很广泛。这类贴片机种类最多，制造商也多，可以在多种场合下使用，并具有多功能组合技术，可根据不同的生产需要和环境的制约，组合拼装使用。而超高速贴片机则大多采用旋转式多头系统，根据多头旋转的方向又分水平旋转式与垂直旋转式。 （2）按功能分类 a.射片机 射片机是一种专门用与片式元件贴装的机器，由于贴装速度非常快，通常称为高速贴片机。 b.多功能贴片机 多功能贴片机也被叫做高精度贴片机或者泛用机，可以贴装高精度的大型、异型元器件，也能贴装小型片状元件，几乎可以涵盖所有的元件范围。它具有以下特点：精度高、灵活性好；机械结构少磨损、反馈

22、快、安静、易于保养等特点。多功能贴片机能够处理各种各样的复杂的元器件，是复杂电子产品生产中必不可少的设备。 3.高速多功能贴片机一般的贴片机功能较为单一，对于复杂的产品，必须使用不同功能的贴片机进行组合配线完成整个产品的贴装。目前有的平行式贴片机和复合式贴片机能安装多功能模组或多功能贴装头，从而实现既能高速贴装小型片状元件，又能贴装高精度、异型、大型元器件；可以接受几乎所得的元件包装方式，包括可以加装盘装元件送料器。3.2丝印部分的结构设计刮刀要实现往复运动，并且受力不大，有两种可供选择的实现方式：曲柄连杆机构，齿轮齿条机构，如图3.1和图3.2所示： 图3.1 齿轮齿条简图 图3.2曲柄连杆

23、简图因为曲柄连杆机构所占的空间较大，而齿轮齿条机构能够安装在机器的内部，比较节省空间，故本装置选择了齿轮齿条机构。3.3贴片部分的结构设计3.3.1贴片部分的移动结构方案设计贴片的两种移动结构方案如图3.3和图3.4所示:图3.3龙门架式简图 图3.4悬臂式简图设计方案对比如表3.1 表3.1方案一方案二方案名称x,y联动龙门架式结构z轴旋转摆动式结构优点1）移动灵活性大2）高速运转时移动定位准确3） 传动效率搞4）易于实现自动化生产1） 适用于一些但方向距离较远的抓取2） 设备占用体积小缺点1） 结构占地面积大2） 生产成本高1） 摆动速度受到一定制约2） 工作不稳定3） 高速运转易出现震动

24、根据以上条件综合对比，本机构采用方案一。3.3.2贴装头的方案设计贴装头的的种类形式有多种，分类如下：单头固定式贴装头转塔式多头转盘式旋转式 按照贴装头系统与pcb板运载系统以及送料系统的运动情况，贴装头大致还可分为4种类型：转塔式、复合式、拱架式、大型平行系统。不同种类的贴装头对应的贴片机各有优势，这些通常取决于工艺和应用对系统的要求，而且在其精度和速度之间也存在一定部分的平衡。拱架式结构又被称为动臂式结构，也可以叫做平台式结构。拱架式结构具有较好的灵活性和精度，搞精度的机器一般都是这种类型，适用于大部分元件，但启动速度方面不是很快，不能和复合式、转盘式和大型平行系统相比。如图3.5所示。

25、图3.5 拱架式运动图 复合式机构是由拱架式结构发展起来的，严格的说，复合式结构也是拱架式的一种，它集合了和拱架式和转塔式的特点，它在动臂上安装转盘，比如simens的siplace80s系列贴片机，它有两个带有12个吸嘴的转盘，如图3.6所示。复合式结构通过增加动臂数量来提高速度，具有很大的灵活行，贴装速度可以达到每小时5万片。 3.6复合式机构 转塔式结构是以前高速贴片机最常用的结构，如图3.7所示。这种结构自从20世纪80年代问世以来，很长一段时间都是告诉贴片机的主力机型。这种结构通常都有一个固定的转塔在旋转的同时进行元件的吸取、照相、贴装和吸嘴更换等。其优点速度高，性能非常稳定，如松下

26、公司的msh3机器贴装速度可达0.075秒/片。但是由于真空吸嘴上径向加速度的最大允许值受到限制和机械结构限制而使贴装速度已达到一个极限值，不可能再有大幅度的提高。 图3.7转塔式结构 大型平行系统是有一系列的小型独立组装机组成。模块化结构，有着丝杆定位系统等。而且速度上也比较高，如phlips公司的fcm机器有16个安装头，实现了0.0375秒/片的贴装速度，但就每个安装头而言，贴装速度在0.6秒/片左右，仍可以大幅度提高。但其缺点是成本较高，仅适用于大型企业。3.4确定方案 按照毕业设计题目要求设计方案最终选择： 丝印部分移动结构：齿轮齿条结构贴片机移动结构：x,y型龙门式结构 贴装头：单

27、头结构，使用气缸驱动 方案选择分析原因如下：由于任务书中并没有规定该机构的贴片速度，并且由该机器的设计方案上可以看出该机器并不使用与大型快速生产的工厂中，该机器适用于小型的工厂或者个人生产，所以并不要求贴片速度很快，为了设置机构的简便，所以采用了气缸带动贴片头的方式实现z方向的运动这种方案。4 贴装头x-y移动定位系统的设计 本设计中，贴片机贴装头是由x-y两轴联动实现的定位，x-y运动机构的功能是驱动贴装头在x轴方向和y轴方向做往复运动，故可实现贴装头准确、快速、平稳地到达指定的位置。4.1 x-y-z运动框架结构形式的的确定框架结构（即龙门架）一般分为4种，x-y联动，z单动，x-z联动，

28、y单动；x-y-z联动（上面：x-y驱动平面在z轴上方）；x-y-z联动（下面：x-y驱动平面在z轴下方）。详见表4.1。 表4.1序号名称简图特点1x-y联动，z单动横梁固定不动，刚度容易保证；x-y平台联动，是经典结构，但不易提速。2x-z联动，y单动横梁、平台都容易保证精度，但平台行程要比其它机构多1倍3x-y-z联动（驱动上面）结构简单，但z轴不能高于x-y运动平面，x-y运功平面中的一个方向刚度不容易保证4x-y-z联动（驱动下面）横梁结构刚度是设计难点，各项性能优于其它结构 当横梁跨距值较小时，可以才用单侧驱动方式，当横梁跨距值较大时，最好采用双侧驱动，单驱动横梁的扭矩摆动值会比较

29、大。在精度值要求不高的情况下，可以采用悬臂式结构代替框架式结构，这样做不仅会使结构变得简单，并且可以降低成本。x-y运动机构的功能是驱动贴片机的贴装头在x轴和y轴量个方向做往复运动，使贴装头能够快速、准确、平稳地到达指定位置。选择第三种结构，作为本次设计的结构，可以满足对高精度和高速的要求。4.2视觉系统视觉对中系统是以现代光学为基础，运用数字图像处理、计算机通信和机器视觉系统为一体的现代视觉系统的综合运用。视觉对中系统可以检查元器件引脚一级测量引脚宽度、间距和数量，从而检测被贴元器件。这对贴装之前检测引脚元器件，特别是小于0.015 in（0.381mm）的细间距元器件是很重要的。为达到高品

30、质、低缺陷的生产输出，视觉检查是必要的。一般而言，视觉检查要求通过固定照相机来抓拍元器件图像，然后传送到图像处理系统，对所获得图像进行处理分析，计算出图像的特征信息和位置信息，再把这些信息和原先存放在贴片机数据库中信息进行比较，从而对元器件进行判定，输出比较后的偏差为伺服系统的补偿调节提供依据。速度和精度是衡量贴片机性能的关键参数，而视觉对中系统是贴片机在进行贴片时处理贴片元件特征和位置反馈的关键部位，它直接决定了贴片机的速度和精度。因而高速和高精度的视觉对中系统是评价贴片机总体性能的参考指标之一。视觉对中系统具有视觉和对中两个功能，其中，视觉功能主要是运用相机对要处理的元件进行图像提取，然后

31、对其提取的图像进行图像处理，分析出几何特征信息和空间位置特征信息，并将这些信息与数据库里相应的资料进行比较，从而判定该元件是否为正确的元件以及此元件是否存在问题。而对中功能主要是把元件的吸取位置和存储在贴片机标准元件数据库的 元件数据进行比较运算，进而判定吸嘴吸取元件的中心位置是否和吸嘴的中心轴一致，如果不一致，则计算出位移偏差和角度偏差值，从而提供给贴片头作为其偏差的补偿值。贴片机视觉系统工作原理 高性能贴片机普遍采用视觉对中系统。视觉对中系统运用数字图像处理技术，当贴片头上的吸嘴吸取元件后，在移到贴片位置的过程中，由固定在贴片头上的或固定在机身某个位置上的照相机获取图像，并且通过影像探测元

32、件的光密度分布，这些光密度以数字形式再经过照相机上许多细小精密的光敏元件组成的ccd光耦阵列，输出0255级的灰度值。灰度值与光密度成正比，灰度值越大，则数字化图像越清晰。数字化信息经存储、编码、放大、整理和分析，将结果反馈到控制单元，并把处理结果输出到伺服系统中去调整补偿元件吸取的位置偏差，最后完成贴片操作。那么，机器通过对pcb上的基准点和元器件照相后，如何实现贴装位置自动矫正并实现精确贴装的呢。这一过程是机器通过一系列的坐标系之间的转换来定位元件的贴装目标的。我们通过贴装过程来阐述系统的工作原理。首先pcb通过传送装置被传输到固定位置并被夹板机构固定，贴片头移至pcb基准点上方，头上相机

33、对pcb上基准点照相。这时候存在4个坐标系：基板坐标系（xp，yp）、头上相机坐标系（xca1，ycal）、图像坐标系（xi，yi）和机器坐标系（xm，ym）。对基准点照相完成后，机器将基板坐标系通过与相机和图像坐标系的关联转换到机器坐标系中，这样目标贴装位置确定。然后贴片头拾取元件后移动到固定相机的位置，固定相机对元件进行照相。这时同样存在4个坐标系：贴片头坐标系也是吸嘴坐标系（xn，yn）、固定相机坐标系（xca2，yca2）、图像坐标系（xi，yi）和机器坐标系（xm，ym）。对元件照相完成后，机器在图像坐标系中计算出元件特征的中心位置坐标，通过与相机和图像坐标系的关联转换到机器坐标系中

34、，此时在同一坐标系中比较元件中心坐标和吸嘴中心坐标。两个坐标的差异就是需要的位置偏差补偿值。然后根据同一坐标系中确定的目标贴装位置，机器控制单元和伺服系统就可以控制机器进行精确贴装了。154.3驱动方案的确定 采用两组交流伺服电机分别驱动x方向运动和y方向运动，其传动机构是相同的。 方案一：交流伺服电机同步齿形带直线轴承 同步带由伺服电机驱动小齿轮，使同步带在一定范围内做直线往复运动。这样带动轴基座在直线轴承上往复运动，两个方向的传动组合在一起组成x-y传动系统。 方案二：交流伺服电机滚珠丝杠滚动导轨 贴装头固定在滚珠螺母基座和对应的滚动导轨上方的基座上，伺服电机工作是，带动螺母做x方向往复运

35、动，由滚动导轨导向，保证运动方向平行，x轴在两平行滚珠丝杠的滚动导轨做y方向运动，实现贴装头x-y移动系统。分析两种方案的优缺点：滚珠丝杆传动技术成熟，输出精度搞，但其噪声交大：同步带传动机构噪声小，传动效率高，但其有弹性，驱动能力受到限制。经过分析比较，选择第二种方案，且使用的双电机驱动。4.4电机的选择计算4.4.1 x轴方向的驱动电机计算x轴方向传动结构：伺服电机-联轴器-滚珠丝杆-贴装头。按结构的设计要求和尺寸的规划，伺服电机输出轴通过联轴器传动到滚珠丝杆。x轴方向驱动的负载包括：丝杆、贴装头以及联轴器。 （1）贴装头换算到电机轴上的转动惯量。贴装头的质量计算，按贴装头形状，贴装头的质

36、量为10kg。在x-y直线运动的速度为0.4米/秒，丝杆导程4mm（导程选取详见丝杆设计），则电机理论转速n=3000rad/min取电机的启动时间t=0.1秒，电机的角速度为，角加速度为：贴装头换算到电机上的转动惯量为： （4-1）式中：m-贴片头质量，kg -贴装头的速度，m/s -电机的角加速度，rad/s把各数值代入公式（4-1）得 （2） 丝杆换算到电机轴上转动惯量.所选丝杆的尺寸直径为 11mm，导程为2mm，长度为750mm，它的质量为0.6kg。 丝杆换算到电机的转动惯量为： （4-2）式中：m-丝杆的质量，kg t-丝杆的螺距，m i-电机与丝杆直接的转动比 将各数值带入公式

37、（4-2）得 负载的总的转动惯量0.000016 负载的惯性力矩为t： (4-3)式中：j-转动惯量， -角加速度， 将各数值带入公式（4-3）得： t=0.0000163140= 0.05 x轴方向的负载的功率为p： （4-4）式中：t-惯性力矩， n-电机转速， 将数值带入（4-4）中计算得：电机的总功率为根据以上计算结果，选取电机的型号为70sl002，其性能参数如下：频率：400hz额定输出功率：20w空载转速：9000 rpm额定转矩：0.064 n.m控制电压：ac 115v外形尺寸：最大外径70mm4.4.2 y轴方向的驱动电机计算y轴方向传动结构：伺服电机联轴器-滚珠丝杆。其传

38、动结构和x轴方向一样。伺服电机驱动y轴方向的负载包括：贴装头、丝杆、横梁架、x轴的驱动电机，贴装头和丝杆的尺寸x轴方向的相同，故惯性力矩数值也相同。y轴方向承受横梁和安装在其上面的滚动导轨总的质量一半为1kg。横梁换算到电机的转动惯量为: y轴方向负载的总的转动惯量为j： 负载的惯性力矩为t： y轴方向负载的功率为p y轴伺服电机的总功率为： 根据以上计算结果，选取电机的型号为90sl001，其性能参数如下：频率：400hz额定输出功率：25w空载转速：9000rpm额定转矩：0.078 nm控制电压：ac 115v外形尺寸：最大外径90mm5 机械结构零部件设计5.1 丝杆的设计滑动螺旋的特

39、点：结构简单，加工方便；易于实现逆行程自锁，工作安全可靠；摩擦阻力大，传动效率低；容易磨损，轴向刚度较差。 滚珠螺旋的特点：摩擦阻力小，传动效率高；磨损小、寿命长、工作可靠性好；具有运动的可逆性，应设防逆动装置；轴向刚度较高，抗冲击性能较差；结构复杂，加工制造较难；预紧后得到很高的定位精度（约达5um/300）和重复定位精度（可达12um）。根据设计要求，拟选定滚动螺旋传动方式5.1.1 工作设计规格 工作重量：w1=w/2=10kg 最大行程：=600mm 最大速度：=0.4m/s 要求寿命：=25000h 导轨滑动系数： 伺服电机： =9000rpm 定位精度： /最大行程5.1.2 x方

40、向丝杆设计（1）导程(): 由伺服电机最高转速，可得 取整数得 （1）滚珠丝杆副的载荷及转速计算 速度呈直线变化，等加速度运动。 周期性的往复运动。 最高速度：=0.4m/s 加速时间：=0.1s 减速时间：=0.1sa、达到最高速度所行走的距离b、等速时所行走的距离：c、从最高速度到停止所行走的距离d、去时等加速度-阶段1 =0.01109.8+104=40.98(n) =9000/2=4500(rad/min)e、去时等速度-阶段2 =0.01109.8=0.98(n) n2= 9000(rad/min)f、去时等减速-阶段3 =0.01109.8+5(-10)=-40.02(n) 900

41、0/2=4500(rad/min)以上轴向负荷行走距离、时间、平均转速的关系如表5.1所示。 表5.1动作轴向负荷行程时间平均转速去程加速度40.98500.14500去程等速度0.984000.49000去程减速度-40.02500.14500回程加速度-40.98500.14500回程等速度-0.984000.49000回程减速度40.02500.14500g、当量载荷、当量转速计算 292.3n 1154(rad/min)额定动载荷cm计算 （5-1）式中：精度系数可靠系数载荷性质系数预期工作寿命查表把数据带入公式（5-1）得 3911.3n工作寿命查表5.2表5.2各类机械预期工作时间

42、机械类型备注普通机械普通机床数控机床精密机床测试机械航空机械50001000010000150002000020000150001000250（天）16（h）10（年）0.5（开机率）=20000由于是精密丝杆传动，选 =20000h；又查表得：载荷系数载荷性质无冲击平稳时一般运行有冲击和振动1-1.2 1.2-1.51.5-2可靠性系数可靠性/%9095961.00.20.53精度系数精度系数1、2、34、571.00.90.8由上表知： 载荷系数=1.2；可靠性系数=1.0; 精度系数=1.0；根据以上计算数据，可得选用：内循环式滚珠丝杆 丝杆导程： 4 mm5.1.3 y方向丝杆设计（1

43、）导程(): 由伺服电机最高转速，可得 取整数得 （2）滚珠丝杆副的载荷及转速计算 速度呈直线变化，等加速度运动。 周期的往复运动。 最高速度：=0.4m/s 加速时间：=0.1s 减速时间：=0.1sa、达到最高速度所行走的距离b、等速时所行走的距离：c、从最高速度到停止所行走的距离d、去时等加速度-阶段1 =0.01159.8+154=61.47(n) =9000/2=4500(rad/min)e、去时等速度-阶段2 =0.01159.8=1.47(n) n2= 9000(rad/min)f、去时等减速-阶段3 =0.01159.8+5(-15)=-73.53(n) 9000/2=4500

44、(rad/min)以上轴向负荷行走距离、时间、平均转速的关系如表5.3所示。表5.3动作轴向负荷行程时间平均转速去程加速度61.47500.14500去程等速度1.474000.49000去程减速度-73.53500.14500回程加速度-61.47500.14500回程等速度-1.474000.49000回程减速度73.53500.14500g、当量载荷、当量转速计算 429.3n) 1154(rad/min)额定动载荷cm计算 （5-2）式中：精度系数可靠系数载荷性质系数预期工作寿命查表把数据带入公式（6-1）得 4863.5n工作寿命查下表：各类机械预期工作时间机械类型备注普通机械普通机

45、床数控机床精密机床测试机械航空机械50001000010000150002000020000150001000250（天）16（h）10（年）0.5（开机率）=20000由于是精密丝杆传动，选 =20000h；又查表得：载荷系数载荷性质无冲击平稳时一般运行有冲击和振动1-1.2 1.2-1.51.5-2可靠性系数可靠性/%9095961.00.20.53精度系数精度系数1、2、34、571.00.90.8由上表知： 载荷系数=1.2；可靠性系数=1.0; 精度系数=1.0；根据以上计算数据，可得选用：内循环式滚珠丝杆 丝杆导程: 4 mm5.1.4 丝杆轴径的选定 高速移动时，可由许用转速来决

46、定轴径。 用危险速度来计算所需丝杆公称直径： (5-3)在此l=最大行程+螺帽的长度/2+轴端预留量 =600+50+100=750（mm）安装方式固定+固定 查表：21.9把数据带入公式(5-3)得 （mm）同理可得y方向轴的直径 在此l=最大行程+螺帽的长度/2+轴端预留量 =600+50+100=750（mm）安装方式固定+固定 查表：21.9把数据带入公式（5-3）得： （mm）52 滚珠丝杆刚性系统计算由初始设计条件：失位为0.02mm（无负荷）在此设定滚珠丝杆系统的构成元件（丝杆轴，螺帽及支撑轴承）的总变形量为0.006mm。此时滚珠丝杆系统组成的弹性变形量为（1）丝杆轴的刚性：、

47、弹性位移量： 丝杆会产生最大轴向变形处在位置为丝杆中央 （5-4） 由图可在将x=l/2代入公式（5-4）图5.1 得： 其中fa为滑动阻力，值为9.8n；计算结果如表所示（2）螺帽的刚性：、弹性位移量： 以最大轴向负荷的1/3为预紧力 =/3=549/3=183n ，代入 在的条件下，加上没有考虑的轴承刚性和考虑经济性和安全性做 出以下选择：滚动丝杆轴径：12mm 导程：4mm（3）寿命的校核 =22808（h）大于设计要求的寿命20000h许用回转速度校核13646(rad/min)危险转速为13646（rad/min）大于最大转速9000（rad/min）,故安全。（4）滚珠丝杆应力计算

48、 1.58106n/m2经查手册符合强度要求。5.3 联轴器设计5.3.1 类型选择 为了隔离振动和冲击，选用弹性波纹管联轴器5.3.2弹性波纹管联轴器简介 波纹管联轴器是用外形呈波纹状的薄壁管（波纹管）直接与两半联轴器焊接或粘接来传递运动的。这种联轴器的结构简单，外形尺寸小，加工安装方便，传动精度高，主要用于要求结构紧凑，传动精度较高的小功率精密机械和控制机构中。波纹管的材料为铜合金（如锡磷青铜qsn6.5-0.5 ）和不锈钢（cr18ni9ti）。 纹管联轴器由两个毂和一个薄壁金属管组成，它们用或焊接或粘结的方式连接在一起。尽管很多其它的材料可用，但不锈钢和镍还是最常用的金属管材料。镍管是用电沉积法完成的。这种方法首先要机加工固体的芯棒，使其成波纹形，利用电镀镍在芯棒上，然后芯棒被化学溶解，从而得到镍的波纹管。这种方法能控制波纹管壁厚的精度，并能得到比其他方法制作的波纹管更薄的壁厚。这种薄壁波纹管使联轴器具有高敏感性和反应迅速，使它成为理想的用于极小且精密的仪器应用中。所以波纹管联轴器有以下几个特性： （1）高扭矩刚性和卓越灵敏度 （2）免维护、超强抗油和耐腐蚀性 （3）零回转间隙 （4）顺时针与逆时针回转特性完全相同 （5）不锈钢波纹管结构补偿角向轴向偏差 （6）常用与伺服电机、步进