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1、电子科技大学机械电子工程学院综合课程设计1 / 31电子科技大学机械电子工程学院综合课程设计2 / 31第一章 总 体 设 计总体设计非常重要，是对一部机器的总体布局和全局的安排。总体设计是否合理将对后面几步的设计产生重大影响，也将影响机器的尺寸大小、性能、功能和设计质量。所以，在总体设计时应多花时间、考虑清楚，以减少返工现象。1.1 CNC 工作台的组成、结构、特点1.1.1 CNC 工作平台的主要组成CNC 二维工作台主要是由工作台滑板（滑块）、直线移动导轨、螺旋传动（丝杠）机构、驱动电机、控制装置、位移检测器、和机体（机座）组成。1.1.2 CNC 工作平台的结构CNC 工作平台的结构有
2、两种分类方法（一）按电机与机座、工作台滑板的相对位置分为三种：1.驱动电机与 X 方向（或 Y 方向）工作台滑板连成一体。这种形式简单，但造成低层驱动重量大，电机振动会影响工作台的精度，它适用于低速传动。2.下层电机不与工作台连成一体，而是装在机座上，上层电动机则与工作台滑板连在一起。这种形式结构复杂，但是减少了下层电机的驱动重量，适用于中、高速传动，应用较广。3.将全部电机放在机座上，电机通过一套较长的传动装置驱动工作台移动，这样的结构虽然减轻了下层工作台的承载重量和电机振动的影响，但却影响了传动系统的刚度和运动速度的提高。（二）按执行器（工作台）在空间的位移方向分为两种：卧式工作台和立式工
3、作台卧式工作台：执行器在 XOY 平面内运动，即，方向的丝杠均平面内。这种结构能承受大的载荷，而且结构紧凑、工作可靠、稳定，定位精度高。立式工作台：执行器在 XOZ 平面内运动，即一个方向的丝杠布置在水平面内，而另一个丝杠布置在铅垂面内。这种结构的缺点是 Z 方向的丝杠及导轨的支承德刚度低，所以承载能力小。本指导书只要是以卧式工作台为例来介绍CNC 工作台的设计原理和方法。1.1.3 CNC 工作台的特性、静态性能电子科技大学机械电子工程学院综合课程设计3 / 311) 工作台的几何精度：它包括 X-Y 工作台导轨在水平面的直线性、垂直平面直线性、X 方向与 Y（Z）方向的垂直度、-（）方向的
4、反向间隙和反向精度以及工作台与运动平面间的不平行性。2) 系统的静刚度：工作台传动系统受重力、摩擦力和其他外力的作用而产生的相应变形，其比值成为静刚度。3) 工作台的定位精度和重复定位精度：指步进电机每走一步（发一个脉冲）工作台沿丝杠轴向方向所能产生的位移大小，一般为几微米至几十微米。2、动态性能包括工作台系统的振动特性和固有频率，速度和加速度特性，负载特性，系统的稳定性等。1.2 合理拟定并选择传动方案CNC 二维工作平台传动方案的选择很重要，其传动方案有两大类分类方法。1.2.1 按丝杠与螺母的相对运动分类按丝杠与螺母的相对运动来分，传动方案可分为四种。丝杠转动，螺母移动； 螺母转动，丝杠
5、移动；螺母固定，丝杠转动、移动；丝杠固定，螺母转动、移动；我们一般选择第一种方案，即丝杠转动，螺母移动。1.2.2 按摩擦性质不同分类按摩擦性质不同，传动方案可分为滑动螺旋传动和滚动螺旋传动两种。滑动丝杠螺母机构（滑动螺旋传动）滑动丝杠螺母机构具有结构简单，运动平稳，传动精度高，螺纹导程小，降速比大，牵引力大等优点。其缺点是摩擦阻力大，传动效率低，螺纹中有侧向间隙，故反向有空行程。由于动静摩擦差别大，低速时可能出现爬行现象。滚珠丝杠就具有螺旋滚道的丝杠和螺母间充满滚珠。这些滚珠作为中间传动件，在螺母闭合的回路中循环滚动，使丝杠螺母副的运动由滑动变成滚动，以减小摩擦。滚珠丝杠的传动效率很高，当双
6、螺母预紧后，轴向刚度好，传动副爬行小，具有较高的定位精度，启动转矩小，传动灵敏，同步性好。其缺点是结构复杂，制造较困难，价格昂贵，以及不能自锁。电子科技大学机械电子工程学院综合课程设计4 / 31根据 CNC 二维工作平台的要求，参看两种传动的特点，对卧式 CNC 我们设计选择滚珠丝杠螺母传动。由于滚珠丝杠螺母机构不具有自锁性，故应增加电磁制动装置，以达到精确定位的目的。1.3 确定 CNC 工作台的结构和零部件的类型1.3.1 确定 CNC 二维工作平台的结构类型根据前面拟定的几个传动方案，选择一个最佳方案。1) 电机与滑动工作台连成一体；2) 下层电机固定在机座上，上层电机固定在工作台滑板
7、上；3) 全部电机放在机座上；根据前面 CNC 的工作结构三种形式的介绍，对于立式工作台我们初步选择下层电机固定在机座上，上层电机固定在工作台滑板上的结构（即选择第二种类型）。此结构适合低速运动。当速度较高时，也可以选择下层电机固定在机座上，上层电机固定在工作台滑板上。第三种一般用于特殊场合。1.4 确定导轨类型常用导轨按其接触面的摩擦性质，可分为滑动导轨、滚动导轨、静压导轨三大类。若按其结构特点分为力封式和自封式。力封式又称为开式，必须借助外力（如重力或弹力）才能保证运动件和承导面间的接触，从而保证运动件按给定的方向作直线运动；自封式又称闭式，无需借助外力，而靠导轨本身的结构形状便能保证运动
8、件和承导面间的接触。由于滚动摩擦导轨接触应力大、对精度要求高，结构较为复杂，所以，我们选择滑动摩擦导轨。1.4.1 普通滑动导轨普通滑动导轨是指动、静两导轨面直接接触的导轨，它具有结构简单、制造容易、承载能力大、接触刚度高、抗振性好，对几何的形状误差不敏感等优点。缺点是摩擦阻力大，磨损快，动静摩擦系数差别大，重载或低速时容易产生爬行现象。1.4.1.1 滑动摩擦导轨的类型1三角形截面：导向精度高，导轨磨损后会自动下降补偿，不会产生间隙，但是该导轨在水平、垂直两方向上的误差相互影响，故给制造、检验和维修带来一定的困难，一般顶角取 90 度，也可根据载荷和导向精度来定。电子科技大学机械电子工程学院
9、综合课程设计5 / 312.矩形截面：结构简单、制造和检修方便、精度高、承载能力大优点，但是，该导轨不可避免的 存在侧向间隙，因而，导向精度差，磨损后用镶条来补偿间隙。3.燕尾形截面：具有尺寸紧凑、能承受颠覆力矩的优点，但是刚度差，制造维修不方面，摩擦力也较大，适用于精度要求不高及移动速度较慢的场合。4.圆形截面：制造简单，可以做到精密配合，但是，它是封闭结构，对温度变化比较敏感，磨损后很难进行调整和补偿，故这种导轨多用于承受垂直载荷很小的场合。根据本结构和设计的要求，我们选用圆形截面导轨。1.4.1.2 滑块导轨间隙调整为保证导轨正常工作，导轨滑动表面之间应保持适当的间隙。间隙过小，会增加摩
10、擦阻力；间隙过大，会降低导向精度。导轨的间隙如依靠刮研来保证，要费很大的劳动量，而且导轨经长期使用后，会因磨损而增大间隙，需要及时调整，故导轨应有间隙调整装置。矩形导轨需要在垂直和水平两个方向上调整间隙。1.在垂直方向上，一般采用下压板调整它的底面间隙，其方法有：1） 刮研或配磨下压板的结合面 1 或 2.。这种方法调整比较麻烦，适用于不常调整、导轨耐磨性能好或间隙对加工精度影响不大的场合；2）用螺钉调节镶条位置，这种方法调整方便，但刚度稍差；3）改变垫片 3 的片数或厚度。这种方法省去修刮工序，但增加了结合面的层数，刚度较差。. 2.在水平方向上，常用平镶条或斜镶条调整它的侧面间隙。1）采用
11、平镶条调整导轨侧面间隙。平镶条横截面积为矩形或平行四边形（用于燕尾导轨），以镶条的横向位移来调整间隙。平镶条一般放在受力小的一侧，用螺钉拧紧，螺母锁紧。因各螺钉单独拧紧，收紧力不易一致，使镶条在螺钉的着力点有挠度，是接触不均匀、刚性差、易变性、调整较麻烦，故用于受力较小、或短的导轨。2）采用斜镶条调整导轨侧面间隙。调整时拧动螺钉，是斜镶条纵向（平行运动方向）移动来调整间隙。为了缩短斜镶条的长度，一般将斜镶条放在移动件上。斜镶条是在全长上支承，其斜度为 1:401:100，镶条长度 L 越长，斜度应越小，以免两端厚度相差过大。一般 时（ H 为导轨高度），取L101:40； 时，取 1:100.
12、L10H1.5 选择轴承类型及支撑方式电子科技大学机械电子工程学院综合课程设计6 / 311.5.1 轴承类型选择滑动轴承和滚动轴承各有其优缺点。滑动轴承具有承载能力高、工作平稳可靠、抗震性好、噪音低、寿命长、具有剖分式、安装方便、运转精度较高等优点；缺点是摩擦力大、起动力矩大、成本高。滚动轴承是标件，具有以下几个优点：1) 滚动轴承起动转矩比滑动轴承小得多（80%90%），有利于负载起动。2) 径向游隙小，向心角接触轴承可用预紧的方法消除游隙，运转精度高。3) 对于同尺寸的轴颈，滚动轴承的宽度比滑动轴承小，可使机器的轴向结构紧凑。4) 大多数滚动轴承可同时承受径向和轴向载荷。故轴承组合结构简
13、单。5) 互换性好，标准化程度高，成批生产，成本较低。滚动轴承的缺点是接触应力高、抗冲击能力差，高速重载时寿命低、噪音大，减震能力低。由于 CNC 工作台载荷不大，速度低，步进电机启动频繁，根据上述各自的优缺点，这里设计选择滚动轴承。1.5.2 支承方式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
14、推轴承。常见的丝杠支承方式有三种：1) 将止推轴承装于丝杠两端支撑外侧，属于两端固定。当丝杠受热伸长时，能作轴向移动，故对稳定性无影响。但由于止推轴承的间隙较大，会使丝杠轴向跳动，影响传动精度和正常工作。2) 它是将止推轴承装于丝杠两端支撑内侧，以属于两端固定。当丝杠受热时将产生弯曲，并使轴承负载加重，它只适用于恒温或很短的丝杠。3) 采用一端双向固定，而另一端为游动的支承方式。它是将两个止推轴承装在丝杠一端的支承中，作为固定的支承，而另一端为游动的支承，电子科技大学机械电子工程学院综合课程设计7 / 31当丝杠受热膨胀时，可以自由伸长，不会引起丝杠的挠曲。这种支承方式较好。比较三种支承方式，
15、这里选择第三种，这样滚动轴承的类型也能方便的确定下来。固定端的轴承可以是角接触或是圆锥滚子轴承，具体的选择将在后面进行。第三种丝杆支承方式是将两个角接触球轴承装在丝杠一端的支承中，作为固定支承，而另一端用深沟球轴承作为游动支承。它属于一端双向固定，一端游动的支撑结构。1.6 初选联轴器联轴器有刚性和挠性两种，刚性联轴器适用于两轴严格对中不发生相对位移的地方。挠性联轴器适用于两轴有偏斜（可分为同轴线、相交轴线）或在工作中有相对位移（可分为轴向位移、径向位移、角位移、综合位移）的地方。挠性联轴器又有无弹性元件的、金属弹性元件的和非金属弹性元件的之分。后两种称为弹性联轴器。CNC 二维工作平台是高精
16、度机电系统，要求定位精度高，启动灵活、频繁。这就要求联轴器输出地角位移、转矩与电机输出地角位移、转矩同步性好，因此选择刚性联轴器。1.7 初步确定机体结构CNC 二维工作平台的机体主要由静机座和动机座组成。静机座包括 X 方向的方形底座、导轨及丝杠的支承座；动机座包括 Y（或 Z）方向的移动方形底座、导轨及丝杠支承座（随丝杠螺母及工作台滑板一起运动，结构与静机座相同）。1.8 伺服系统 1.8.1 开环伺服系统这种系统主要是采用步进电机作为驱动元件，步进电机每接受一个脉冲指令，电机轴就转相应的角度，驱动工作台移动。精度完全取决于电机、齿轮副、丝杠螺母副和工作台导轨等部件的精度，因此适用于精度要求不高的场合。1.8.2 闭环伺服系统这种系统的主要特点是工作台上装有位置检测装置，如旋转编码器、光栅传感器，可以随时测量工作台的实际位移，进而将测定值反馈到数字控制装置中的比较器中与指令信息进行比较，并且根据比较后的差值进行控制。因此，有可能校正传动链内由于电器、刚度、间隙、惯性、摩擦及制
