垂直移动平台

1、上海大学SHANGHAIUNIVERSITY精选课程设计说明书题目：垂直移动平台的设计学院机自学院专业测控技术与仪器学号朱杰学生姓名07121984指导教师章亚男起讫日期2011.3.92011.3.18摘要3一绪论41.1 课程设计的目的41.2 本课程设计的主要内容与要求41.3 具体任务及基本要求56.2.1 方案的比较6.2.2 方案的选择8.三关键技术的设计和计算.错误!未定义书签。四精度分析与误差计算1.8五结论2.4六参考文献2.4垂直移动平台设计说明书摘要在各种精密仪器及精密机械装置中经常需要精密多维工作平台进行多维调整，包括位置和姿态的调整。这些调整装置可归纳为：水平移动部件

2、、垂直移动部件、旋转运动部件等。在本课程设计中我主要负责上述调整装置中垂直移动部件的设计。根据设计的具体任务和基本要求，我从移动工作平台总体方案的确定到驱动电机的选择，关键零件的设计都力求在整个设计过程中充分灵活地运用精密仪器设计中的主要原则与原理，如阿贝原则、变形最小原则、基面统一原则、精度匹配原则、测量链最短原则、运动学设计原理等。精度分析时，采用精度设计的基本概念和方法一一找出影响定位精度的误差源并计算出误差数据从而进行分析，有助于合理地精度分配。本设计说明书包含绪论、方案设计、关键技术的设计和计算、精度分析、结论以及参考文献共六章。最终提交成果包括（1）设计说明书一份（2）垂直移动工作

3、平台总装图A3图纸一张（3）丝杠、套筒及横梁零件图A3图纸各一张关键词：移动平台、滑动丝杠、滚动导轨1.1 课程设计的目的本课程设计是“精密仪器设计”课程的后续教学环节，其目的是让学生综合运用“精密仪器设计”课程及其有关光、机、电的先修相关课程的理论和实践知识，进行多维精密工作平台的设计，通过设计使学生了解设计的一般方法和步骤，培养学生课程项目的分析和设计能力、并能熟练运用设计手册。同时锻炼和培养学生的独立工作、调查研究、观察问题、分析问题、解决问题的工作能力。精密仪器均有较高的精度要求，属精密设备。其基本特点是精度、效率和自动化程度要求高，结构比较复杂，但其共同的基础是精密机械设计技术。与一

4、般的机械设计比较，其主要区别在于精度、分辨率和灵敏度等性能指标上，这就要充分灵活地运用精密仪器设计中的主要原则与原理，如阿贝原则、变形最小原则、基面统一原则、精度匹配原则、测量链最短原则、运动学设计原理、平均读数原理等，同时要掌握精度分析和设计的基本概念和方法。1.2 本课程设计的主要内容与要求（1）总体方案设计，包括结构布局设计、运动功能设计、基本参数设计、传动系统设计；2）总体精度分析和精度分配3)测试方案原理总图设计4)编写设计说明书1.3具体任务及基本要求在各种精密仪器及精密机械装置中经常需要精密多维工作平台进行多维调整，包括位置和姿态的调整。如三坐标测量机的工作平台需要三维的位置调整

5、，高功率激光打靶实验装置中靶的姿态调整等。这些调整装置可归纳为：水平移动部件、垂直移动部件、旋转运动部件等。如某精密实验装置需要六维调整：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。该六维调整装置采用运动部件串联实现。我在本课程设计中主要负责垂直移动部件的设计，其具体任务和要求如下：垂直移动平台设计：技术要求：(1)垂直工作平台的移动范围：+10mm(2)分辨率：211m/step(3)工作台载重：6kg(4)垂直工作面尺寸：100X100mm(5)工作台定位精度：5m任务要求：(1) 移动工作平台的总体方案(2) 驱动电机的选择(3) 完成移动工作平台的总装图设计

6、(4) 完成关键零件的设计(5) 精度分析(6) 设计说明书二方案设计2.1 方案的比较微分头直接作用，如图2.1所示图2.1主要特征:精密线性轴承副，升降平台，精度高微分头驱动，定量直观驱动电机位于工作台旁侧，如图2.2所示图2.2丝杠将步进电机的旋转运动转换成直线运动后直接由测头推动连接在工作台上的挡块Z向移动移动，从而带动工作台。驱动电机位于工作台面中线方位，如图3.3所示图2.3丝杠将步进电机的旋转运动转换成螺母的直线运动后，通过横梁带动工作台Z向移动，调整位置。回复时依靠弹簧力的作用，弹簧同时起卸荷和消隙作用。F弹=mg,其中n为动静导轨间摩擦系数，m为工作台和载荷总重。2.2 方案

7、的选择经选择，我最终采用方案的设计，即采用螺旋丝杠导向螺母完成物体的提升、下降功能。螺旋传动的特点为：降速传动比大螺距一般很小，在转角很大的情况下，能获得很小的直线位移量，可大大缩短机构的传动链；螺杆转动，螺母移动型式下结构简单、紧凑、传动精度高，工作平稳。具有增力作用只要给主动件一个较小的转矩，从动件即获得较大的轴向力能自锁螺旋线升角小于摩擦角时，螺旋传动具有自锁作用。一般用于传递的30度梯形丝杠都具有自锁功能，即使没有制动装置也可保持载重。效率低、磨损快螺旋工作面为滑动摩擦，传动效率低（3040%）,磨损快，不适于高速和大功率传动。所需设计的垂直移动平台属低速，小功率传动，故对此要求不高。

8、总体结构布局如图2.4所示，详图请见装配图。2.4三.关键技术的设计和计算3.1丝杠及步进电机的选择已知分辨力需满足02/step,00竺，则 r=0.001 圈 r15初选螺距P=1.5mm,13601=0.36°即步进电机步距角为0.36°,为五相电机。取工作台尺寸100mmX104mmX10mm,材料为铝，密度2.7X103kg/m3则质量m=.v=2.7X103X100X100X10X1O9=0.27kg,取0.3kg已知工作台载重6kg,综合考虑，取螺母和工作台连接件以及紧固件总重量为1.0kg,配重取为5kg,故轴向承受重量为0.3+6+1.0+5=12.3kg

9、,放宽余量取15kg,则丝杠所受轴向载荷为Fa=mg=15X9.8=15X9.8=147N螺母材料为青铜，丝杠材料为钢，查机械零件设计手册，润滑情况下取综合摩擦系数以=0.15,则螺旋副的驱动力矩为M=drFatg（）其中，d2为螺纹中径，Fa为丝杠所受轴向力，为螺纹开角，为摩.一015擦角且二arctg=arctg=1037cos30cos30查Misumi,FA工厂自动化用零件30度梯形丝杠（一端台阶型），螺距P=1.5mm,选型号MTSRA8,其主要参数如图3.1中箭头标出所示:图3.1大彳全D=8mm;总长L=50500;台阶长20S&QX5,Q=6;有效直径d2=7.25mm

10、；=3°46'可见，由于螺纹开角0当量摩擦角，所以该螺旋副满足自锁条件。现将上述参数代入式得，M=dFatg()=725147tg(3461037)22=122.496N.mm=0.122N.m故所选电机最大静转矩应大于0.122N.m查M系列步进电机选型表，取5相步进电机M54142%主要参数如下：最大静转矩0.14N.m；整步步距角0.36°伸出轴直径5mm;其外形如下图3.2所示:图3.23.2丝杠的校核强度校核受力较大的丝杠需进行强度计算。丝杠工作时承受轴向压力F和扭矩T的作用。丝杠危险截面上既有压缩应力，又有切应力。因此，校核丝杠强度时，应根据第四强度理论

11、求出危险截面的计算应力ca ,其强度条件为car1 2需2 啧)27 或ca = - .,'F 2 3()2 < A . di L 式中:F丝杠所受白轴向压力，N ;A丝杠螺纹段的危险截面面积； A=-d2 , mm2;WT 丝杠螺纹段的抗扭截面系数,WtJ16A-d1 , mm3;4d1丝杠螺纹小径，mm；丝杠所受的扭矩，N.mm丝杠材料白许用应力，MPa其中d1=6.5mm,贝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查机械设计书

12、，取材料的屈服极限为s为480 MPa,安全系数取 4,则=(="0=120 MPa,满足 ca< 44,即丝杠强度符合要求。弯曲应力校核:57mm24.5mmMFS100571031057/21035024.5103324.5/21030.4723250.47NmIzD4/646.51034/648.761011maxMy/Iz0.4750103/8.761011268.3106Pa268.3Mpa丝杠采用碳素钢，查材料力学附录B得许用应力产450Mpa,因此丝杠的最大弯曲正应力在许用应力范围之内，符合强度要求。刚度校核:9碳素钢的弹性模量：E200Gpa20010Pa0.0

13、24mm1.1 339115LFL/48EIz1635010/48200108.76102.42310m丝杠采用碳素钢，查材料力学附录B得许用挠度为0.26mm,丝杠的最大挠度在许用挠度范围之内，因此丝杠符合刚度要求。3.3 联轴器的选择步进电机M54142s(0.14N.m)和30度梯形丝杠连接，进行伴随有正反转运转时，最高转速2500rpm轴孔：电机侧5丝杠侧6选用比电机规格(边长39.5)小的联轴器计算联轴器的容许扭矩为保证步进电机进行正反转运转，将安全率预计为7倍。0.14N.mX7=0.98N.m故需选择“容许常用扭矩”0.98N.m以上的联轴器。确认轴孔装配、联轴器外径尺寸。选择外

14、径在39.5以下，有轴孔装配的（5和6）的联轴器确认最高转速选择容许最高转速为2500rpm以上的联轴器。确认安装精度查Misumi,FA工厂自动化用零件联轴器，鉴于以上考虑，选型SCXW21-5-G其主要参数如图3.3中箭头标出所示：图3.3d1=5mm；d2=8mm；D=21mm；L=24.5mm；7mm；容许扭矩1.2N.m；容许偏角1O容许偏心0.10mm最高转速10000rpm3.4 轴承的选择查Misumi,FA工厂自动化用零件带座轴承，根据丝杠光杆部分轴径6mm,L<25mm,选型SBAFRZ606b其主要参数如图3.4中箭头标出所示。3.5导轨的选择图3.4查Misumi

15、,FA工厂自动化用零件直线导轨，为防止导轨倾覆，采用线性滑道SVS3100其结构如下图3.5所示，动静导轨间采用交叉滚子连接。图3.5其主要参数如图3.6中箭头标出所示四精度分析与误差计算仪器精度设计是仪器精度综合的反问题，其根本任务是将给定的仪器总误差合理地分配到仪器的各个组成部件上，为正确设计仪器的各个组成部件结构以及制定零部件的公差和技术要求提供依据。合理的精度设计离不开对仪器各组成部分源误差对仪器总精度影响程度的正确估计。对于一些对仪器精度影响较大的环节给予较严的精度指标；对于那些对仪器精度影响较小的环节给予较宽松的精度指标，在满足仪器总精度要求的前提下使制造成本降至最小。弯曲变形引起

16、的误差由于垂直移动平台的动导轨在运行过程中的移动，使仪器结构件（基座和支架等）的受力大小和受力点的位置发生变化，从而引起仪器结构件的变形，这种变形通常对仪器精度有较大的影响。重力变形的大小主要与仪器的结构刚度和结构形式有关，对仪器精度的影响程度则根据结构布局的不同有所不同，现就此垂直移动平台分析之。工作台在横臂最外端的集中负荷使横臂产生相应的挠曲变形和截面转角，从而引起仪器误差。设l为工作台至丝杠的垂直距离，取l=57mm,工作台、导轨和载荷总重W（图a）取为80N。严格来说，横臂上最外端的挠曲变形及截面转角分别由总重W、横梁自重q（图b）和由它们共同作用引起的弯曲力矩Ma=W0.5l2q（见

17、图c）的共同作用所引起，但鉴于弯曲力矩主要由端部总重W引起，相较而言横梁上均匀分布的载荷q所引起的弯矩则可忽略不计。经计算（a）图和（c）图产生的挠曲变形分别为yAyayc=0.02mm该项误差为系统误差，可通过标定补偿。只要在每次重新开始测量前将挠曲变形量通过脉冲信号由步进电机端补偿，即可消除。轴向拉压变形引起的误差3,Fal147N20103ml962=0.44即EA20010Pa33.1810m式中，Fa为丝杠所受轴力；l为行程范围；E为材料的弹性模量，查材料力学手册可知钢材的弹性模量为200GPa；A为丝杠截面积。该项误差同样为系统误差。阿贝误差阿贝原则的扩展包含三重意思，即：标尺与被

18、测量一条线若做不到，则应使导轨没有角运动；或应跟踪测量，计算出导轨的偏移加以补偿。遵守了这三条中的一条，即遵守了阿贝原则。在本垂直移动平台中，工作台和丝杠螺母移动方向显然不在同一直线上，不符合原始阿贝原则，但若满足或者的条件即符合扩展意义上的阿贝误差。为使导轨无角运动，可采用过盈配合，并在安装时就及时减小导轨间隙。 导轨间隙引起的误差由于在本垂直移动平台中，丝杠轴和动工作台间有一定距离，若导轨间隙过大必将产生较大的阿贝误差。为减小导轨间隙引起的误差，在安装时利用工作台上的调整螺钉进行拧紧。 梯形丝杠的螺距累计误差依据螺丝螺母-JB2886-1992机床梯形螺纹丝杠、螺母技术条件查得3、4、5、

19、6级丝杠螺纹的螺旋线轴向公差（见图4.1）及7、8、9级丝杠的螺距公差和螺距累积公差（见图4.2）：丝杠螺纹的螺旋线轴向公差m图4.2由于要求定位精度为5叩，查表得5级精度下20mm长度内螺旋线轴向公差为3.5四。可见，丝杠螺纹的螺旋线轴向公差是影响定位精度的主要误差来源。丝杠和导轨不平行引起的误差此误差和螺旋测微机构误差分析原理相同图4.3精选见图4.3,螺旋测微机构的轴线与滑块运动方向成一夹角，由此将引起滑块位置误差L。同理，联轴器的容许偏角误差将引起丝杠螺母的位移误差L。机构传动方程为式中，L为滑块移动距离；为螺旋升角；P为螺距。由于源误差为夹角误差，滑块的实际移动距离L'为L

20、- LcosP cos 2精选故位置误差为L =L- LPP cos 22P（1-cos）2即由丝杠和导轨不平行度引起的误差为L=4P2查国标手册可知，行程20mm长度内,级精度下不平行度为20叩，换算成角度偏差为0.02,-=0.001radL20将=3°46',P=1.5,=0.001rad代入上式得,L30-001r2=1.8螺杆轴向窜动误差?周期性变化，螺杆转动一转为一个循环。?最大轴向窜动误差其原理如图4.4所示maxanminD-螺杆轴肩直径;1和2较小者。.一 min图4.4螺杆轴向窜动误差温度引起的误差由于温度的改变，使仪器的零部件尺寸、形状、相互位置关系以及一些重要的特性参数发生变化，从而影响仪器精度。在垂直移动平台中，作为传动部件的丝杠热变形对仪器精度有较大的影响。当螺杆传动的工作