面向LED封裝的XY二自由度的工作臺(tái)的設(shè)計(jì),面向LED封裝的XY二自由度的工作臺(tái)的設(shè)計(jì),面向,led,封裝,xy,自由度,工作臺(tái),設(shè)計(jì) 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 面向LED封裝的XY二自由度的工作臺(tái)的設(shè)計(jì) 1. 前 言 封裝是指安裝半導(dǎo)體電路外殼，不僅起著安放、固定、密封、保護(hù)芯片使之不受外界環(huán)境干擾和腐蝕破壞的作用，而且是溝通內(nèi)部電路與外部電路的橋梁。所謂LED封裝加工是將晶片上的連接點(diǎn)用導(dǎo)線封裝外殼的引腳上，這些引腳又通過(guò)導(dǎo)線與其他電路連接，因此，封裝對(duì)LED芯片起著重要的作用。而陰險(xiǎn)鍵合(Wire blonding)技術(shù)仍然是LED封裝連接技術(shù)中廣泛使用的靈活形式，焊線機(jī)是用鋁線（或其他材料）把電路板上的壓焊點(diǎn)與外殼或引線框架上的外引線引出端通過(guò)鍵合連接起來(lái)。 近年來(lái)，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種形式的封裝樣式越來(lái)越多，LED封裝高速、高精度的需求日益緊迫。為進(jìn)一步提高質(zhì)量和生產(chǎn)率，對(duì)該類(lèi)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)精度和運(yùn)動(dòng)速度、加速度等性能提出了更高的要求，也體現(xiàn)了該類(lèi)作業(yè)裝備向高速、高精度方向發(fā)展的趨勢(shì)。這就要求LED的封裝技術(shù)不斷的發(fā)展和改良。 目前，大多數(shù)封裝裝備中采用的是電機(jī)——滾珠絲杠式的驅(qū)動(dòng)方式，伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過(guò)絲杠轉(zhuǎn)為定位平臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)，其極限加速度可以達(dá)到1g。 日本發(fā)明了一種采用直線電磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)的XY定位平臺(tái)，可以有效地提高定位系統(tǒng)的速度和可靠性。省去了旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的傳動(dòng)環(huán)節(jié)，從而都不痛的提高了 XY定位平臺(tái)的性能。但目前存在的問(wèn)題是，無(wú)論用哪種直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，動(dòng)補(bǔ)痛程度的存在滯后、有限響應(yīng)、有限加速度及速度等問(wèn)題，且不同程度的限制了定位精度的進(jìn)一步提高。音圈電機(jī)(Yoica Coil Aotuator)是另一種可用于直接驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)元件它是基于安培力原理制造的，除了和直線電機(jī)一樣避免了傳動(dòng)環(huán)節(jié)存在間隙等不足外，在理論上具有無(wú)限分辨率，還有無(wú)滯后、高響應(yīng)、高加速度、高速度、體積小、力特性好、控制方便等優(yōu)點(diǎn)使音圈電機(jī)更適用于要求高加速度，高頻激勵(lì)，快速和高精度定位的控制系統(tǒng)中[ss.}s]將其用于高頻啟動(dòng)和轉(zhuǎn)向的引線鍵合設(shè)備定位機(jī)構(gòu)中，無(wú)疑是理想的選擇。 如下圖所示即為音圈電機(jī)應(yīng)用在半導(dǎo)體加工設(shè)備中的XY定位平臺(tái)上的實(shí)例，在該X7定位平臺(tái)單方向，即X向采用了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)，Y向 則用平面直線電機(jī)驅(qū)動(dòng).新加坡發(fā)明的雙向都采用音圈電書(shū)1來(lái)驅(qū)動(dòng)的XY精密定位平臺(tái)，即在該安裝有焊頭的XY定位平臺(tái)中，其X向和Y向均采用音圈電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)焊頭在水平面的兩自由度運(yùn)動(dòng)。又比如美國(guó)BEITedmologies公司的音圈電機(jī)也有用在XY定位平臺(tái)上的成功范例。 近年來(lái)，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種形式的封裝樣式越來(lái)越多，LED封裝高速、高精度的需求日益緊迫。為進(jìn)一步提高質(zhì)量和生產(chǎn)率，對(duì)該類(lèi)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)精度和運(yùn)動(dòng)速度、加速度等性能提出了更高的要求，也體現(xiàn)了該類(lèi)作業(yè)裝備向高速、高精度方向發(fā)展的趨勢(shì)。這就要求LED的封裝技術(shù)不斷的發(fā)展和改良。 本文面向LED封裝的XY二自由度的工作臺(tái)的設(shè)計(jì)為課題，設(shè)計(jì)一部高速、高精度、可靠的LED封裝設(shè)備工作臺(tái)。 2 X—Y工作臺(tái)的傳動(dòng)方式 本次設(shè)計(jì)的工作臺(tái)為十字工作臺(tái)，為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用螺旋絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。電機(jī)與螺旋絲杠副采取直接連接的方式，即螺旋絲杠轉(zhuǎn)速/電機(jī)轉(zhuǎn)速=1。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。采用直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺(tái)的摩擦系數(shù)，提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。系統(tǒng)總體框圖如下 主要完成的工作有：螺旋絲杠副的選取、電機(jī)的選取、軸承的選取、導(dǎo)軌副的選取及工作臺(tái)底座尺寸的設(shè)計(jì)。 3 螺旋絲杠副的選取 3.1導(dǎo)程的選取 根據(jù)任務(wù)書(shū)選擇行程=400mm，最大速度為0.3m/s作為設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。 因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求分辨率范圍是0.1mm-0.01mm。粗選導(dǎo)程為5mm，計(jì)算分辨率： S=Ph*A/B S 最小進(jìn)給量，mm A 減速比，即滾珠絲杠副轉(zhuǎn)速/電機(jī)轉(zhuǎn)速 Ph 滾珠絲杠副的導(dǎo)程，mm B 角度測(cè)試儀和驅(qū)動(dòng)的分辨率，即每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，p/rev 電機(jī)與絲杠采取直接連接的方式，所以A=1，伺服馬達(dá)每轉(zhuǎn)一周的最小分辨率通常隨著伺服馬達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)角度測(cè)試儀的分辨率（1000p/rev,1500p/rev）而成為 1000p/rev (無(wú)倍增) 1500p/rev (無(wú)倍增) 2000p/rev (2倍增) 3000p/rev (2倍增) 4000p/rev (4倍增) 6000p/rev (4倍增) 由于分辨率要求達(dá)到0.1~0.01mm，先選取1000 p/rev的分辨率和導(dǎo)程5mm代入上式計(jì)算得S=0.005mm,所以滿(mǎn)足要求，所以選定導(dǎo)程為5mm。 3.2 螺旋傳動(dòng)型式的選取 螺旋傳動(dòng)分為滑動(dòng)螺旋、滾動(dòng)螺旋、靜壓螺旋。其中滾動(dòng)螺旋廣泛用于各種精度的數(shù)控機(jī)床、加工中心、FMS柔性制造系統(tǒng)、輕功等機(jī)構(gòu)中，且滾動(dòng)螺旋有如下許多優(yōu)點(diǎn)： 1. 傳動(dòng)效率高達(dá)0.9~0.98，平均為滑動(dòng)螺旋的2-3倍，可節(jié)省動(dòng)力1/2~3/4，有利于主機(jī)的小型化及減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。 2. 摩擦力矩小，接觸剛度高，使溫升及熱變形減小，有利于改善主機(jī)的動(dòng)態(tài)特性和提高工作精度。 3. 工作壽命長(zhǎng)，平均可達(dá)滑動(dòng)螺旋的10倍左右 4. 傳動(dòng)無(wú)間隙，無(wú)爬行，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，傳動(dòng)精度高 5. 具有良好的高速性能，其臨界轉(zhuǎn)速之dn值（d為軸徑，mm；n為轉(zhuǎn)速，r/min）可達(dá)40000以上，可實(shí)現(xiàn)線速度120m/min的高速驅(qū)動(dòng) 6. 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)系列尺寸標(biāo)準(zhǔn)化，并出現(xiàn)了冷軋滾珠絲杠，提供了多用途的廉價(jià)產(chǎn)品 所以本次設(shè)計(jì)絲杠選用滾珠絲杠 3.3 計(jì)算最大速度和各時(shí)段的時(shí)間 因?yàn)樾谐虨?00mm，在運(yùn)行過(guò)程中，加速時(shí)間與減速時(shí)間一般各約為整個(gè)運(yùn)行時(shí)間的1/4，設(shè)加速度為a a*t1=Vmax 0.5*a*t1+Vmax*t3 -0.5a*t32 +Vmax*t2=400 計(jì)算得t1=t3=1.125 秒t2=2.25秒 a=0.27m/s2 滾珠絲桿的最大轉(zhuǎn)速為 Nmax= Vmax/ph=300/5=60 （轉(zhuǎn)/秒）=3600（轉(zhuǎn)/分） 3.4 滾珠絲杠副尺寸選擇計(jì)算 3.4.1 計(jì)算當(dāng)量載荷 加速時(shí)滾珠絲杠承受最大軸向負(fù)荷，減速時(shí)承受最小軸向負(fù)荷; Fmax=μ*m*g+m*（Vmax/t） Fmin=μ*m*g-m*（Vmax/t） Fmax: 滾珠絲杠副承受最大軸向負(fù)荷，N Fmin： 滾珠絲杠副承受最小軸向負(fù)荷，N μ： 滾動(dòng)導(dǎo)軌選取0.005， m： 工作臺(tái)質(zhì)量及最大工件（和夾具）質(zhì)量，Kg g： 重力加速度，9.8m/s2 Vmax：最大移動(dòng)速度，m/s t： 工作臺(tái)從靜止加速到Vmax的時(shí)間，S 其中工作臺(tái)質(zhì)量及最大工件（和夾具）質(zhì)量約為20Kg 代入個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算得 Fmax=6.4 N Fmin=-4.4N 工作時(shí)，載荷在Fmax與Fmin之間周期性變化，所以當(dāng)量載荷 Fm=1/3（2Fmax+Fmin） Fm=5.7 N 3.4.2 計(jì)算當(dāng)量轉(zhuǎn)速 r/min 工作臺(tái)工作時(shí)Nmin=0,Nmax=3600（r/min） Nm=[0.5*(Nmax+Nmin)*1.125*2+Nmax*2.25]/4.5= 2700（r/min） 3.4.3計(jì)算額定動(dòng)載荷 C/am=fwFm(60NmLh)1/3/100fa*fc C/am=fwFm(Ls/Ph)1/3/fa*fc 選取其中較大者為預(yù)期值C/am fa——精度系數(shù) fc——可靠性系數(shù) fw——載荷性質(zhì)系數(shù) Lh—預(yù)期工作壽命 h Ls—預(yù)期工作距離 Km 根據(jù)資料，自動(dòng)控制設(shè)備的滾珠絲杠的工作壽命推薦為L(zhǎng)h=15000小時(shí)，Ls=（（15000*3600）/4.5）*0.4/1000=480 km 查表 精度等級(jí) 1，2，3 4，5 7 10 fa 1.0 0.9 0.8 0.7 可靠性/% 90 95 96 97 98 99 Fc 1 0.62 0.53 0.44 0.33 0.21 載荷性質(zhì) 無(wú)沖擊 輕微沖擊 伴有沖擊或振動(dòng) Fw 1~1.2 1.2~1.5 1.5~2 得fa=1 Fc =1 Fw=1.2 代入公式計(jì)算得 Cam=74.6N 3.4.4估算滾珠絲杠允許最大軸向變形m（μm） m=（1/3~1/4）重復(fù)定位精度，任務(wù)書(shū)重復(fù)定位精度為0.003~0.015mm 取重復(fù)定位精度為0.015mm=15μm m=*15μm=5μm 3.4.5滾珠絲杠副的支撐方式選擇 滾珠絲杠副的支撐方式有4種情況 1） 固定—自由 2） 支承—游動(dòng) 3） 固定—游動(dòng) 4） 固定—固定 安裝方式對(duì)滾珠絲杠副的承載能力，剛性，最高轉(zhuǎn)速，使用壽命有至關(guān)重要的影響在條件允許的情況下，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免一端自由的方式。本次設(shè)計(jì)選用兩端固定的支撐方式，應(yīng)為其有以下優(yōu)點(diǎn)： 1）絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性最高，適用于高速回轉(zhuǎn) 2）兩端軸承均調(diào)整預(yù)緊，絲杠的溫度變形可轉(zhuǎn)化為軸承的預(yù)緊力 3）適用于對(duì)剛度和位移精度要求高的滾珠絲杠安裝 4）軸向剛度大 3.4.6 估算滾珠絲杠底徑d2m d2m=a F0=μ0W a——支撐方式系數(shù)，兩端固定時(shí)取0.039 F0——導(dǎo)軌靜摩擦力，N μ0——導(dǎo)軌靜摩擦因數(shù) L——滾珠絲杠兩軸承支點(diǎn)間距離，常取1.1行程+（10~14）Ph，mm 其中滾動(dòng)導(dǎo)軌的靜摩擦因數(shù)為0.005，W=20Kg*9.8Kg/s2，行程為400mm， 計(jì)算得L=510mm，F(xiàn)0=0.98 代入公式計(jì)算得 d2m=12.3mm 3.4.7 滾珠絲杠副的預(yù)緊方式 預(yù)緊方式 預(yù)緊方式代號(hào) 預(yù)緊力Fp 適用范圍 備注 雙螺母墊片預(yù)緊 D ≤12%Co 一般取≤10%Co 不限 Co值參見(jiàn)滾珠絲杠副的詳細(xì)參數(shù) 單螺母變位導(dǎo)程預(yù)緊 B ≤%10Co 一般取≤7.5%Co 中小直徑滾珠絲杠副 單螺母增大滾珠直徑預(yù)緊 Z ≤5%Co 中小直徑滾珠絲杠 結(jié)合查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表1-1-13和表11-1-14選取滾珠絲杠副的預(yù)緊方式為單螺母變?yōu)閷?dǎo)程預(yù)緊 確定滾珠絲杠的規(guī)格代號(hào) 產(chǎn)品編號(hào) 標(biāo)準(zhǔn)行程mm 總長(zhǎng)L mm 公稱(chēng)直徑 mm 公稱(chēng)導(dǎo)程mm 滾珠直徑mm 滾珠圈數(shù) 絲杠底徑mm 旋向 行程余量mm 軸向間隙 任意300mm行程變動(dòng)量V300mm 額定動(dòng)負(fù)荷KN 額定靜負(fù)荷KN 剛性 N/μm （30%Co） BSG126 400 540 16 5 3.175 3 12.5 右 19 G0~ G1 0.016 4.9 7.6 140 滾珠絲桿副上螺母 3.4.8 計(jì)算預(yù)緊力Fp （N） Fp=Fmax，其中Fmax為最大軸向載荷，F(xiàn)max=6.4N，所以Fp=2.1N 3.4.9 DN值的驗(yàn)算 D為滾珠絲杠副滾珠中心處直徑（mm），N為滾珠絲杠副極限轉(zhuǎn)速（rpm） D*N≤70000、 D=16mm，N=3600r/min 16X3600=57600＜70000，所以合格 3.4.10 安裝部精度及其設(shè)計(jì) 查閱表機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表11-1-25 選取精度等級(jí)為P4 查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表11-1-29 E5= 28μm E8=5μm E6= 20μm E9=16 μm E7= 8μm E10=16μm 3.5 螺旋升角與傳動(dòng)效率 3.5.1 螺旋升角的計(jì)算 tan=Ph/（π*d） ——螺旋升角 π——圓周率，3.14 d——滾珠絲杠副的公稱(chēng)直徑，mm 由前面數(shù)據(jù)可知，Ph=5mm，d=16mm，代入公式計(jì)算得=5.7° 3.5.2 傳動(dòng)效率的計(jì)算 查上圖可得滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率約為0.9 3.6 計(jì)算行程補(bǔ)償值C （μm） C=11.8lu10-3 lu=行程+（8~14）Ph t——溫度變化值，2~3°C Lu——滾珠絲杠副有效行程，mm 計(jì)算得C=166.3μm 3.7 計(jì)算預(yù)拉伸力Ft（N） Ft=1.95td22 d2——絲杠螺紋底徑，mm t——溫度變化值，2~3°C 螺紋底徑為12.5mm， 計(jì)算得預(yù)拉伸力為914（N） 4. 滾動(dòng)軸承型號(hào)選擇計(jì)算 4.1 初步選擇軸承的類(lèi)型 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表6-2-2選擇深溝球軸承 額定動(dòng)載荷比 摩擦比 轉(zhuǎn)速比 旋轉(zhuǎn)精度 剛度 1 1.0 1.0 A C 因?yàn)檩S承主要承受徑向載荷，也可以承受少量的雙向軸向載荷，在轉(zhuǎn)速較高、不宜使用推理軸承時(shí)，可承受較輕純軸向載荷，且深溝球軸承能限制軸的雙向軸向移動(dòng)在軸承的游隙范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便以及使用壽命長(zhǎng)，價(jià)格低廉。 4.2 計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷 軸承的基本額定動(dòng)載荷是在嘉定的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下確定的。其中載荷條件是：向心軸承只承受純徑向載荷實(shí)際上，軸承再大多數(shù)場(chǎng)合，常常同時(shí)承受徑向載荷和軸向載荷，因此，再進(jìn)行軸承計(jì)算時(shí)，必須把實(shí)際載荷轉(zhuǎn)換為與確定動(dòng)載荷條件相一致的當(dāng)量動(dòng)載荷。當(dāng)量動(dòng)載荷的一般計(jì)算公式為： P=XFr+YFn 式中 P——當(dāng)量動(dòng)載荷，N Fr——徑向載荷，N Fa——軸向載荷，N X——徑向動(dòng)載荷系數(shù) Y——軸向動(dòng)載荷系數(shù) 其中軸向載荷為5.7N，而徑向載荷約為6Kg*9.8Kg/s2約等于60N， 軸承類(lèi)型 相對(duì)軸向載荷 單列軸承 雙列軸承 e ≤e ＞e ≤e ＞e X Y X Y X Y X Y 深溝球軸承 0.172 0.172 1 0 0.56 2.3 1 0 0.56 2.3 0.19 0.345 0.345 1.99 1.99 0.22 0.689 0.689 1.71 1.71 0.26 1.03 1.03 1.55 1.55 0.28 1.38 1.38 1.45 1.45 0.3 2.07 2.07 1.31 1.31 0.34 3.45 3.45 1.15 1.15 0.38 5.17 5.17 1.04 1.04 0.42 明顯=5.7/60≤e，所以X=1，Y=0 P=XFr+YFa=60*1+5.7*0=60 （N） 4.3 按額定載荷選擇軸承 4.3.1 計(jì)算額定動(dòng)載荷 C=P＜C（或C） C——基本額定動(dòng)載荷計(jì)算值，N； P——當(dāng)量動(dòng)載荷，N； f——壽命因數(shù)； f——速度因數(shù)； Fh——壽命因數(shù) Fm——力矩載荷因數(shù)，力矩較小時(shí)取fm=1.5 Fd——沖擊載荷因數(shù) Ft——溫度因數(shù) Cr——軸承尺寸及性能表中所列徑向基本額定動(dòng)載荷，N Ca——軸承尺寸及性能表中所列軸向基本額定動(dòng)載荷，N 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表6-2-8~6-2-11得 fm=1.5 fd=1.2 fr=1.0 查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表6-2-12，推薦使用壽命為25000h，根據(jù)推薦使用壽命查閱表6-2-8得壽命因數(shù) L10h/h fh 25000 3.68 滾珠絲杠副的最大轉(zhuǎn)速達(dá)到3600r/min，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表6-2-9得速度因數(shù) n/r*min fn 3600 0.21 將壽命因數(shù)fh=3.68和速度因數(shù)fn=0.21代入上式可以算得 基本額定動(dòng)載荷C=1892.6（N）。 4.3.2額定靜載荷的計(jì)算 計(jì)算軸承時(shí)，應(yīng)分別計(jì)算額定動(dòng)載荷和額定靜載荷，取其中較大者選擇軸承。額定靜載荷的計(jì)算公式： C0=S0P0＜C0r或C0a 式中C0——基本額定靜載荷計(jì)算值，N； P0——當(dāng)量靜載荷，N， S0——安全因數(shù)，靜止軸承和緩慢擺動(dòng) C0r——軸承尺寸及性能表中所列的徑向基本額定靜載荷，N C0a——軸承尺寸及性能表中所列的軸向基本額定靜載荷，N 因?yàn)樗x為深溝球軸承，所以P0r=X0Fr+Y0Fa=60（N） 查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表6-2-16 使用要求和載荷性質(zhì) S0 球軸承 對(duì)旋轉(zhuǎn)精度及平穩(wěn)性質(zhì)高，或承受強(qiáng)大的沖擊載荷 1.5~2 把上列數(shù)據(jù)代入基本靜載荷計(jì)算公式可以計(jì)算得： C0=S0P0=1.5*60=90 （N） 明顯，基本額定靜載荷C0＜基本額定動(dòng)載荷C 4.3.3 按基本額定動(dòng)載荷選取軸承 由于基本額定靜載荷C0＜基本額定動(dòng)載荷C，選取軸承時(shí)按照基本額定動(dòng)載荷來(lái)選取，并且考慮與其他零件的配合，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表6-2-52選?。? 基本尺寸/mm 基本額定載荷/KN 極限轉(zhuǎn)速/r/min-1 重量/kg 軸承代號(hào) 其他尺寸/mm 安裝尺寸/mm 球徑/mm 球數(shù) d D B Cr C0r 脂 油 W 60000型 d2 D2 r da Da ra Dw Z 12 21 5 1.9 1 24000 32000 0.005 61801 14.6 18.4 0.3 14 19 0.3 2.381 12 （ 深溝球軸承60000型） 5 系統(tǒng)剛度的計(jì)算 （N/μm） 5.1滾珠絲杠軸本身的軸向剛性，N/μm 采取兩端固定的形式， Ks=（A*E*L/X*(L-X)）*10-3， A——滾珠絲杠副的截面積，mm2（以滾珠絲杠副螺紋底徑計(jì)算） E——滾珠絲杠副軸材料的彈性系數(shù)，2.1*105 N/μm X——負(fù)荷作用點(diǎn)到固定或支撐端的距離，mm L——滾珠絲杠副支撐距離，mm 計(jì)算得出Ks=808N/μm 5.2滾珠螺母本身的軸向剛度 Kn=0.8*Kc（Fp/（*Co））1/3 （預(yù)緊的滾珠絲杠=0.1） Kc——樣本軸向接觸剛度，N/μm Fp——預(yù)緊力，N Co——樣本所列額定動(dòng)載荷，N 查閱前面滾珠絲杠副參數(shù)，代入公式計(jì)算得 Kn=137.9 N/μm 5.3計(jì)算系統(tǒng)剛度 K——整個(gè)滾珠絲杠副傳動(dòng)系統(tǒng)的軸向剛性 Ks——滾珠絲杠軸本身的軸向剛性，N/μm Kb——軸承剛度 N/μm Kn——滾珠螺母本身的軸向剛度 Kb=Kb1+Kb2 N/μm Kb1，Kb2分別問(wèn)兩端軸承組的剛度，約為147.8N/μm Kb=2*147.8=295.6，N/μm 將Ks，Kb，Kn數(shù)據(jù)代入計(jì)算得 K=2550.7N/μm =Fa/K=（6.4+2.1）/2550.70.003m《5μm，所以剛度驗(yàn)算合格。 6 電機(jī)的選擇 6.1 滾珠絲桿副推力與扭矩的關(guān)系公式 Tp=Fa*Ph*A/（2*π*），N*mm Tp——驅(qū)動(dòng)扭矩，N*mm Fa——工作臺(tái)的軸向負(fù)荷 M——工作臺(tái)的總質(zhì)量，kg μ——工作臺(tái)的摩擦系數(shù)，滾動(dòng)導(dǎo)軌取0.005 9.8——重力加速度,m/s2 Ph——絲杠導(dǎo)程，mm A——減速比，直聯(lián)時(shí)為1 π——3.14 ——滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率 查閱前面已經(jīng)計(jì)算的數(shù)據(jù)可知Fa=（9.8*20*0.005）+5.7=6.62N，M=20kg，Ph=5mm，=0.9代入上式計(jì)算得Tp5.9N*mm 6.2 工作臺(tái)加速扭矩的計(jì)算 Tg=J**103，，N*mm J——馬達(dá)軸上及前方所有運(yùn)動(dòng)部件的慣性矩，kg*m2 ——角加速度，rad/ s2 其中J=M*（Ph*2π）2*A2/106+m*D2/（8*106） M——工作臺(tái)總質(zhì)量，Kg Ph——絲杠導(dǎo)程，mm A——減速比，直聯(lián)為1 m——絲杠本身，電機(jī)齒輪，絲杠上此輪等圓形物體的質(zhì)量，有幾項(xiàng)m則計(jì)算相應(yīng)的慣性矩并加總到慣性矩計(jì)算公式中，Kg D——相應(yīng)的直徑，mm 由于滾珠絲杠和電機(jī)為直聯(lián)，所以，計(jì)算m*D2/（8*106）總和約等于192/106 J=12.67/106+192/106=0.00021kg*m2 =2π*N/（60t） N——馬達(dá)轉(zhuǎn)速，rpm t——加速時(shí)間，s N=3600r/min，t=1.125s =335rad/s2 所以Tg=J**103 Tg=0.00021*335*103=70.35 N*mm 6.3 計(jì)算滾珠絲杠預(yù)壓扭矩Td Td=0.05*Fp*Ph/(2*π（tan）)*A Fp——滾珠絲杠副的預(yù)緊力，N Ph——滾珠絲杠副導(dǎo)程，mm ——滾珠絲杠副螺旋升角，即導(dǎo)程角 A——減速比，直聯(lián)時(shí)為1 前面已經(jīng)計(jì)算得Fp=2.1N，=5.7°，Ph=5mm，計(jì)算得Td=0.27N*mm 6.4 滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)扭矩的計(jì)算 計(jì)算滾珠絲杠副的驅(qū)動(dòng)扭矩按下列公式： Ts= Tg+Tp+Td Ts——傳動(dòng)軸的驅(qū)動(dòng)扭矩，N*mm Tg——加速扭矩，N*mm Tp——預(yù)壓扭矩，N*mm 將Tp，Td, Tg的值代入Ts= Tg+Tp+Td，計(jì)算得Ts76.5N*mm 6.5馬達(dá)的選定 一般而言，馬達(dá)的額定扭矩應(yīng)為滾珠絲杠副軸計(jì)算扭矩的2倍或以上。馬達(dá)的慣性矩由馬達(dá)和其驅(qū)動(dòng)器共同決定，一般情況，馬達(dá)慣性矩應(yīng)為滾珠絲杠副傳動(dòng)軸總慣性矩的1/3~1/10。 根據(jù)所計(jì)算的結(jié)果查閱相關(guān)生產(chǎn)廠家產(chǎn)品，選用伺服電機(jī)：ASM/T02L250 AK 7.聯(lián)軸器的選擇 聯(lián)軸器是機(jī)械傳動(dòng)中常用的部件，它主要用來(lái)連接軸與軸（或連接軸與其他回轉(zhuǎn)零件），以傳遞運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)矩;聯(lián)軸器主要分為剛性聯(lián)軸器（無(wú)補(bǔ)償能力）和撓性聯(lián)軸器（有補(bǔ)償能力）。撓性聯(lián)軸器分為有彈性元件的撓性聯(lián)軸器和無(wú)彈性元件的撓性聯(lián)軸器，其中有彈性元件的撓性聯(lián)軸器因裝有彈性元件，不僅可以補(bǔ)償兩軸間的相對(duì)位移，而且具有緩沖減振能力。我們選用彈性套柱銷(xiāo)聯(lián)軸器，這種聯(lián)軸器制造容易，裝拆方便，成本低，它適用于連接載荷平穩(wěn)、需正反轉(zhuǎn)或啟動(dòng)頻繁的傳遞中小轉(zhuǎn)矩的軸。 聯(lián)軸器力矩的計(jì)算 T≥T1*K1*K2*K3 T——計(jì)算力矩， N*mm T1——電機(jī)轉(zhuǎn)矩 ，76.5N*mm K1——負(fù)載系數(shù) ，由于本工作臺(tái)負(fù)載變化小，所以查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得K1=1.2 K2——運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間系數(shù) ，每天運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間小于16小時(shí)，所以取K2=1.18 K3——起、停頻繁度系數(shù)，起、停頻繁，所以取K3=2.0 計(jì)算得T216.6N*m，查閱《課程設(shè)計(jì)》選取聯(lián)軸器型號(hào)為GB4323-84-TL2 8 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的選擇 8.1直線導(dǎo)軌種類(lèi)選擇 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副主要的類(lèi)型包括 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，滾動(dòng)直線導(dǎo)軌套副，滾動(dòng)花鍵副和滾動(dòng)導(dǎo)軌塊。 常用的三種直線導(dǎo)軌基本性能比較見(jiàn)下表，滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的運(yùn)行速度已達(dá)200m/min。在歐美各國(guó)2/3以上的高速數(shù)控機(jī)床都采用了滾動(dòng)直線導(dǎo)軌。它已再各種現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用 運(yùn)動(dòng)形式 滑動(dòng)導(dǎo)軌 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌 靜壓導(dǎo)軌 摩擦因數(shù) μ=0.04~0.06 μ=0.003~0.005 μ=0.0005~0.001 運(yùn)行速度 低速 低速~高速 中速~高速 剛度 高 較高 較低 壽命 三者相近 可靠性 高 較高 較差 滾動(dòng)體與圓弧溝槽相接觸，與點(diǎn)接觸相比承載能力大，剛性好 摩擦因數(shù)小，一般小于0.005，僅為滑動(dòng)導(dǎo)軌副的1/20~1/50，節(jié)省動(dòng)力，可以承受上下左右四個(gè)方向的載荷。 磨損小，壽命長(zhǎng)，安裝、維修、潤(rùn)滑簡(jiǎn)便。運(yùn)動(dòng)靈活、無(wú)沖擊，在微量進(jìn)給時(shí)，能很好的控制位置尺寸。 所以選擇滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副 直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)所承受的載荷受工件重力及重心位置的變化、驅(qū)動(dòng)力F及工作阻力R作用位置的變化、啟動(dòng)及停止時(shí)加速或減速引起的速度變化等因素的影響而發(fā)生變化。 8.2 滾動(dòng)導(dǎo)軌的計(jì)算 8.2.1 計(jì)算導(dǎo)軌的載荷 由于本設(shè)計(jì)是以滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的水平工作臺(tái)所以查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表6-33得 加速時(shí) P1=P4= P2=P3= P1T~P4T= 承受慣性力的水平式導(dǎo)軌 以滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)居多 勻速時(shí) P1~P4= 減速時(shí) P1=P4= P2=P3= P1T~P4T= P1=P4==（20*9.8/4）-（20*9.8/2）*（1/9.8）*（300/1.125）*（71/80） 46.6 N P2=P3==（20*9.8/4）-（20*9.8/2）*（1/9.8）*（300/1.125）*（71/80）=51.4N P1T~P4T==（20*9.8/2）*（1/9.8）*（300/1.125）*（93.5/80）3.1 N 勻速時(shí)： P1~P4==49 N 減速時(shí)： P1=P4==（20*9.8/4）-（20*9.8/2）*（1/9.8）*（300/1.125）*（71/80）=51.4N P1=P4==（20*9.8/4）-（20*9.8/2）*（1/9.8）*（300/1.125）*（71/80） 46.6 N 所以最大的載荷為51.4N 8.2.2 平均載荷的計(jì)算 查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表6-3-4得平均載荷Pm0.65Pmax0.65*51.433.4 N。 8.2.3 導(dǎo)軌型號(hào)的選取 根據(jù)導(dǎo)程及一根導(dǎo)軌上兩滑塊安裝距離查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表6-3-17選?。? 尺寸參數(shù) 規(guī)格 結(jié)構(gòu)尺寸 B1 B2 B3 B4 W M1 (AA) H 20 AA 63 5 53 20 21.5 M6 30 結(jié)構(gòu)尺寸 K T T1 H1 d*D*h L1 L2 L3 L4 F 25 10 10 18 6X9.5X8.5 70 50 40 11 60 結(jié)構(gòu)尺寸 載荷特性 Lmax G （油杯） C/KN C0/KN MA/N*m MBN*m MCN*m 1200 M6 11.5 14.5 92.4 92.4 154 8.3 防塵措施 1.當(dāng)滑塊運(yùn)動(dòng)時(shí)，再滑塊運(yùn)動(dòng)方向的后方形成負(fù)壓區(qū)域，這樣將吸入灰塵。吸入的塵埃積聚在導(dǎo)軌的固定螺釘內(nèi)及導(dǎo)軌表面上，使?jié)L動(dòng)直線導(dǎo)軌副的壽命急劇下降。為了保證其使用壽命，必須采取適當(dāng)?shù)姆缐m措施。 2.本設(shè)計(jì)在工作臺(tái)上加折疊式防塵罩，可以適當(dāng)?shù)姆乐够覊m雜物進(jìn)入滑塊內(nèi)部。 3.為防止雜物聚集在導(dǎo)軌固定螺絲釘孔穴而混入滑塊中，可以使用螺孔帽將其封閉。螺孔帽選用耐油及耐磨損的優(yōu)質(zhì)合成橡膠，以保證充分的使用壽命。 9.工作臺(tái)支撐底座外形的設(shè)計(jì) 參考滾珠絲杠副、聯(lián)軸器以及電機(jī)尺寸設(shè)計(jì)了工作臺(tái)底座的外形尺寸 （上工作臺(tái)） （下工作臺(tái)） 結(jié) 論 在設(shè)計(jì)之初我根據(jù)任務(wù)查閱了很多關(guān)于工作臺(tái)的知識(shí)，對(duì)其工作原理，總體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有了一定的了解，同時(shí)也通過(guò)網(wǎng)絡(luò)了解了一些國(guó)外在這方面的研究情況，之后就完成了開(kāi)題報(bào)告，隨后我進(jìn)行的是：總體方案確定、傳動(dòng)系統(tǒng)確立及尺寸綜合。內(nèi)容有：滾珠絲杠副，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，滾動(dòng)導(dǎo)軌副，軸承及聯(lián)軸器選型的設(shè)計(jì)。并對(duì)工作臺(tái)的尺寸進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。 我系統(tǒng)地的對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)主要的零部件滾珠絲杠副，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，滾動(dòng)導(dǎo)軌副型號(hào)進(jìn)行了系統(tǒng)地設(shè)計(jì)。并進(jìn)行了必要的驗(yàn)算校核。在此過(guò)程中我查閱了相當(dāng)多相關(guān)資料，經(jīng)常在圖書(shū)館，有時(shí)候?yàn)榱苏业较嚓P(guān)的參考數(shù)據(jù)在圖書(shū)館經(jīng)常呆上兩三個(gè)小時(shí)，有時(shí)我還經(jīng)常到省圖書(shū)館和省新華書(shū)店查閱資料。現(xiàn)在回想起來(lái)這些設(shè)計(jì)過(guò)程，我才覺(jué)得機(jī)械設(shè)計(jì)的辛苦，同時(shí)也很讓自己振奮。緊接著工作轉(zhuǎn)入到圖紙的繪制，圖是工程技術(shù)人員之間交流語(yǔ)言。制圖中我以一個(gè)真正的工程師的角度去畫(huà)好每一根線條、每一個(gè)標(biāo)注，這都是需要細(xì)心的揣摩、推敲、計(jì)算。 經(jīng)過(guò)近這段時(shí)間的努力，畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)束了。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我知道作為一名工程人員設(shè)計(jì)過(guò)程的艱辛是難以想象的，數(shù)據(jù)資料更可以說(shuō)成是工程人員的生命。同時(shí)畢業(yè)設(shè)計(jì)的經(jīng)歷對(duì)我的大學(xué)四年的學(xué)習(xí)畫(huà)上了圓滿(mǎn)的句號(hào)，在這里，我將以前的所學(xué)用于實(shí)際；在這里，我用自己設(shè)計(jì)思路付諸實(shí)踐；在這里，我用雙手把想象變成實(shí)際。 畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成讓我明白我自己還有很長(zhǎng)的路要走，這才是一個(gè)起點(diǎn)，期待著未來(lái)。 　　　　　 參考文獻(xiàn) [1] 璞良貴，紀(jì)名剛主編.機(jī)械設(shè)計(jì).第七版.北京：高等教育出版社，2001 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在這里首先要感謝我的導(dǎo)師張緒坤老師。張老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，從查閱資料，到設(shè)計(jì)草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細(xì)設(shè)計(jì)，裝配草圖等整個(gè)過(guò)程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。我的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜煩瑣，但是張老師仍然細(xì)心地糾正圖紙中的錯(cuò)誤。我非常敬佩張老師的專(zhuān)業(yè)水平外，他的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。 然后還要感謝大學(xué)四年來(lái)所有的老師，為我們打下機(jī)械專(zhuān)業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)還要感謝所有的同學(xué)們，正是因?yàn)橛辛四銈兊闹С趾凸膭?lì)。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)才會(huì)順利完成。 最后感謝航空工程系和母校南昌航空大學(xué)科技學(xué)院四年來(lái)對(duì)我的培養(yǎng)。 簽名： 賈辰光 31