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立体光固化造型机机电系统设计

摘要

自20 世纪 80 年代中期以来，光固化快速成型技术的发展与应用越来越广泛和深入，光固化成型机的需求也越来越大。由此，本论文针对 cps250 型激光固化成型机的机械结构进行了设计，包括：1、X-Y 扫描机构；2、Z 轴升降机构； 3、刮刀机构，并且对其中的部分结构进行了改进。X-Y 方向的平面扫描运动和刮刀的水平运动由原来的精密同步带传动改成精密滚珠丝杠传动，使其在行程较长时不出现抖动，有利于保证扫描精度，运动稳定。采用直线步进电机直接连接滚珠丝杠，响应更加快速准确，同时因无中间部件，使机械结构简单化，精度较高。

通过对立体激光固化造型机机械结构的设计，使得其运动和传动更加合理和平稳，进而使其在生产过程中能够更好的进行生产。

关键词：立体激光固化；扫描机构；快速成型；传动；结构设计

ABSTRACT

This article specifically for three-dimensional modeling of light-cured structural design of mechanical systems. X-Y scanning normally used to screw drive. Through the motor rotation, with another even reached the screw shaft, through to the X and Y to the two motors of rotation to achieve XY to scan? Z to the table, also by the screw and a rail. Z to the table by the extension units, columns, screw composition, its transmission is through the same motor rotation axis is to pass even reached the screw by screw to achieve the rotation of the table move up or down.

Through the three-dimensional modeling of light-cured in the design and mechanical systems, making their campaigns and drive more reasonable and stable, then in the production process so that it can better carry out production.

Key word: SLA；Scanning agencies；Rapid Prototyping；Transmission；Structure design

摘要 (1)

ABSTRACT (2)

第 1 章绪论 (5)

1.1快速原型技术简介 (5)

1.1.1 RPM 的基本构思 (5)

1.1.2 几种典型的快速成型技术 (6)

1.1.3各种成型方法简介及对比 (7)

1.2快速成型精度概述 (7)

1.3立体光固造型SLA技术原理 (9)

1.4 立体光固造型SLA国内外现有技术水平 (10)

1.5立体光固造型SLA应用领域 (10)

1.6 本次设计的主要工作 (11)

1.6.1 主要设计工作 (11)

1.6.2 设计参数 (11)

1.6.3 设计思路及主要问题 (11)

第 2 章 XY 方向设计计算 (12)

2.1设计任务 (12)

2.1.1 设计参数 (13)

2.1.2 方案的分析、比较、论证 (13)

2.2 脉冲当量和传动比的确定 (14)

2.2.1 脉冲当量的确定 (14)

2.2.2 传动比的确定 (14)

2.2.3 确定步进电机步距角 (14)

2.3 丝杠的选型及计算 (14)

2.3.1 计算丝杠受力 (14)

2.3.2 滚珠丝杠螺母副的选型和校核 (15)

2.4 导轨的选型及计算 (19)

2.4.1 初选导轨型号 (19)

2.4.2 计算滚动导轨副的距离额定寿命L (19)

2.5 步进电机的选择 (20)

2.5.1 传动系统等效转动惯量计算 (21)

2.5.2 所需转动力矩计算 (22)

2.6 本章小结 (25)

第 3 章 Z 方向设计计算 (25)

3.1Z方向工作台设计 (25)

3.1.1设计任务 (26)

3.1.2 设计参数 (26)

3.1.3 方案的分析、比较、论证 (26)

3.2 脉冲当量和传动比的确定 (27)

3.2.1 脉冲当量的确定 (27)

3.2.2 传动比的确定 (27)

3.2.3 确定步进电机步距角 (27)

3.3 丝杠的选型及计算 (27)

3.3.1 计算丝杠受力 (27)

3.3.2 滚珠丝杠螺母副的选型和校核 (28)

3.4 步进电机的选择 (32)

3.4.1 传动系统等效转动惯量计算 (32)

3.4.2 所需转动力矩计算 (32)

3.5本章小结 (35)

第 4 章刮刀系统设计 (35)

4.1 刮板的选择 (35)

4.2 刮板的材料和移动速度对涂层质量的影响 (36)

4.3 本章小结 (37)

第 5 章 PLC 控制系统 (37)

5.1步进电机的简介 (37)

5.2步进电机的工作原理及特性 (38)

5.3PLC简单介绍 (38)

5.3.1为大量实际应用而开发的特殊功能 (38)

5.3.2网络和数据通信 (38)

5.3.3其它功能 (38)

5.4 控制原则 (39)

5.5控制方法 (39)

5.5.1 行程控制 (39)

5.5.2 进给速度控制 (39)

5.5.3 进给方向控制 (40)

5.6 本章小结 (40)

结论 (40)

参考文献 (42)

致谢 (44)

第 1章绪论

本文主要针对立体激光固化造型机机械结构设计。按照国家和行业相关标准，机械传动部分参照了《机电一体化系统设计手册》。在设计过程中，力求使立体激光固化造型机的传动及零部件结构简单、运动稳定、而且成本低廉、质量可靠、可批量生产，并且促进立体激光固化造型机的普及与发展，

同时为国内同类机器的设计提供一定的参考。

1.1 快速原型技术简介

快速原型制造技术(Rapid Prototype Manufacturing) ,简称 RPM ,是先进制造技术的重要分支.它是80年代后期起源于美国 ,后很快发展到欧洲和日本 ,可以说是近 20 年来制造技术最重大进展之一.它建立在CAD/ CAM 技术、计算机控制技术、数控技术、检测技术和材料科学的基础之上 ,将计算机辅助设计 CAD与各种自由造型(Free

Form Manufacturing)技术直接结合起来 ,能以最快的速度将设计思想物化为具有一定结构功能的产品原型或直接制造零件 ,从而使产品设计开发可能进行快速评价、测试、改进 ,以完成设计制造过程 ,适应市场需求.

1.1.1 RPM 的基本构思

任何三维零件都可看成是许多二维平面沿某一坐标方向迭加而成 ,因此可利用分层切片软件 ,将计算机产生的 CAD 三维实体模型处理成一系列薄截面层 ,并根据各截面层形成的二维数据 ,用粘贴、熔结、聚合作用或化学反应等手段 ,逐层有选择地固化液体(或粘结固体)材料 ,从而快速堆积制作出所要求形状的零部件(或模型).传统的制造方法是基于材料去除(material remove)概念 ,先利用 CAD 技术作出零件的三维图形 ,然后对其进行数值分析(有限元分析、模态分析、热分析等) ,再经动态仿真之后 , 通过 CAM 的一个后处理(Post Process)模块仿真加工过程 ,所有的要求均满足之后 , 形成 NC 文件在数控机床上加工成形.快速原型制造技术 RPM 突破了传统加工中的金属成型(如锻、冲、拉伸、铸、注塑加工)和切削成形的工艺方法 ,是一种“使材料生长而不是去掉材料的制造过程 ” , 其制造过程的主要特点是 :

1、新的加工概念. RPM 是采用材料累加的概念 ,即所谓“让材料生长而非去除”, 因此 ,加工过程无需刀具、模具和工装夹具 ,且材料利用率极高?

2、突破了零件几何形状复杂程度的限制 ,成形迅速 ,制造出的零件或模型是具有一定功能的三维实体?

3、越过了 CAPP(Computer Aided Process Planning)过程 ,实现了 CAD/ CAM 的

无缝连接?

4、RPM 系统是办公室运作环境 ,真正变成图形工作站的外设。由于 RPM 可以快速、自动、精确地将 CAD 模型转化成为具有一定功能的产品原型或直接制造零件 , 因此它对于缩短产品的研发周期、控制风险、提高企业参与市场竞争的能力 ,都具有重要的现实意义.

1.1.2 几种典型的快速成型技术

1、立体光固造型 SLA

Stero Lightgraphy Apparatus又称激光立体造型、激光立体光刻或立体印刷装置.

2、叠层实体制造LOM

叠层实体制造Laminated Object Manufacturing 的成形材料是热敏感类箔材(如纸等) ,激光器的作用变是切割.成形开始时 ,激光器先按最底层的 CAD 三维实体模型的切片平面几何信息数据 ,对于铺在工作台上的箔材作轮廓切割 ,之后 ,工作台下降一层高度 ,重新送入一层(铺在底层之上)材料 ,并用加热辊滚压 ,与底层粘牢 ,激光器按对应数据作轮廓切割 ,如此反复直至整个三维零件制作完成.LOM 制作的零件不收缩、不变形 ,精度可达 ±0.1mm ,切片厚度 0.05～0.50mm。

3、选择性激光烧结 SLS

选择性激光烧结 Selected Laser Sintering的生产过程与 SLA 类似 ,用 CO2 红外激光对金属粉末或塑料粉末一层层地扫描加热使其达到烧结温度 ,最后烧结出由金属或塑料制成的立体结构.

4、融积成型技术 FDM

融积成型技术(Fused Deposition Modeling)的制造过程是 ,首先通过系统随机的 Quick slice 和 SupportWorks软件将 CAD 模型分为一层层极薄的截面 ,生成控制 FDM 喷嘴移动轨迹的几何信息.运作时 ,FDM 加热头把热塑材料(如聚脂塑料、ABS 塑料、蜡等)加工到临界状态 ,在微型机控制下 ,喷嘴沿着 CAD 确定的平面几何信息数据运动并同时挤出半流动的材料 ,沉积固化成精确的实际零件薄层 ,通过垂直升降系统降下新形成层并同样固化之 ,且与已固化层牢固地连接在一起.如此反复 ,由下而上形成一个三维实体.FDM 的制作精度目前可达 ±0.127mm ,连续堆积范围 0.0254～ 0.508mm ,它允许材料以不同的颜色出现.

5、其它快速原型制造技术

直接制模铸造DSPC (Direct Shell Production Casting)来源于三维印刷(3D Printing) 快速成型技术.其加工过程是先把 CAD 设计好的零件模型装入模壳设计装置 ,利用微型机绘制浇注模壳 ,产生一个达到规定厚度 ,需要配有模芯的模壳组件的电子模型 ,

然后将其输至模壳制造装置 ,由电子模型制成固体的三维陶瓷模壳.取走模壳处疏松的陶瓷粉 ,露出完成的模壳 ,采用熔模铸造的一般方法对模壳最后加工 ,完成整个加工过程.此系统能检测自己的印刷缺陷 ,不需要图纸 ,就可完成全部加工.

光屏蔽(即 SGC—Solid - Ground Curing)由以色列 Cubital 公司开发,该工艺可以在同一时间固化整个一层的液体光聚合物. SGC工艺使用丙烯酸盐类光聚合物材料 , 其制作精度可达整体尺寸的 0.1 %,切片厚度约为 0.1～0.15mm ,Cubital 公司开发的 Solider5600 型产品制作的最大工作尺寸为 508 ×508 ×356mm ,所用紫外光灯功率为 2kW ,每一层循环约化 90s.

MRM(Mitsubishi Chemical Rapid Moulding) 日本三菱化学最近推出的三菱化学快速制模系统,可将原型直接转换成模具 ,采用称作“金属补强树脂制模(Metal Resin Moulding)复合料”,制模成本降低为传统制模的 1/2 ,制模时间缩短了 1/2～1/3. 奥斯丁的德克萨斯大学正在研究的高温选择激光烧结(HTSLS) ,在取消聚合物粘结剂方面进行了尝试.结果表明 ,可利用 Cu- Sn 或青铜 —镍粉两相粉末 ,采用激光局部熔化低熔点粉末来制造模具

1.1.3各种成型方法简介及对比

表1.1 几种典型成型工艺的比较

成型工艺原型

精度

表面

质量

复杂

程度

零件

大小

材料

价格

利用

率

常用

材料

制造

成本

生产

效率

设备

费用

SLA 较高优中等中小件较贵很高树脂较高高较贵

LOM 较高较差简单中小件便宜较差塑料低高便宜

SLS 较低中等复杂中小件较贵很高石蜡较低中等较贵

HDM 较低较差中等中小件较贵很高金属较低较低便宜

1.2 快速成型精度概述

研究成型机的成型精度，提高成型精度，对于RP技术的推广和应用有很重要的影响。制件误差的产生原因见图1-1所示：

光固化成型由三个环节组成:前处理、快速成型加工和后处理。

这三个部分彼此相连，共同完成光固化快速成型过程。每一环节中存在的误差都会影响到最终成型零件的精度。快速成型的精度为机械精度和制件精度。

目前影响快速成型最终精度的主要原因由于下几个方面:

1、CAD模型的前处理造成的误差

目前，对于绝大多数快速成型系统而言，必须对工件的三维CAD模型进行 STL 格式化和切片等处理，以便得到一系列的截面轮廓。在对三维CAD模型分层切片前，

需作实体模型的近似处理，即用三角面片近似逼近处理表面，其输出的数据为STL 文件格式，这种格式非常简单，便于后续的分层处理。STL 格式中每个三角面片只用四个数据项表示，即三个顶点坐标和一个法向矢量，而整个CAD 模型就是这样一组矢量的集合，STL 公式化用许多小三角面去逼近模型的表面，由于以下原因，它会导致误差:

A: 从本质上看，三角面的组合，不可能完全表达实际表面，所以，误差无法避免? B: STL 公式化时，数据的沉余量太大，致使所需计算机的存储量过大，从而难于选取更小、更多的小三角面，造近似结果与实际表面有更大的误差?

C: 另外，在进行ST L 格式转换时，有时会产生一些局部缺陷，例如，在表面曲率变化较大的分界处，可能出现据齿状小凹坑，从而造成误差。

图 1.1 制件误差产生原因

2、成型系统的工作误差

CPS250成型机成型系统的工作误差按照组成可分为托板升降误差、X-Y 扫描误差和树脂涂层误差。托板升降误差指的是托板的运动精度，它直接影响层厚的精

制件误

差

数据处理误差

成型过程误差

后处理误差

分成切片产生误差

光斑变化误差

固化成型误差

机器误差

方向运动误差 Z

XY 扫描误差

图层误差

液位波动引起误差

多光谱造成误差

参数补偿误差

树脂收缩引起工件变型

残留液态树脂不均匀收缩引起工件变型

CAD 模型面误差

度?X-Y扫描误差指的是X-Y平面扫描系统沿 X, Y方向的运动精度，它影响成型零件的尺寸精度和表面光洁度。

3、成型过程中材料状态引起的翘曲变形

在光固化过程中，树脂由液态变为固态，此时单体分子发生聚合反应，分子之间距离改变，相应地造成体积收缩。在这个过程中，伴有加热作用，这些因素会引起制件每层截面的尺寸变化，再加上相邻层间不规则约束，以由收缩而产生的应力会造成零件在加工过程中的变形。如加工一悬臂零件 (在悬臂部分不加支撑)，可以很明显地看到由于树脂收缩而造成的变形。

4、成型之后环境度化引起的误差

从成型系统上取下已成型的工件之后，由于温度、湿度等环境状况的变化，工件会继续蠕变并导致误差。成型过程中残留在工件内的残余应力也可能由于时效的作用而部分消失而导致误差。

5、工件后处理造成误差

通常，成型后的工件需进行打磨、抛光和表面涂镀等后处理。如果后处理不当，对形状尺寸控制不严格，也可能导致误差。后处理过程产生的误差可分为三种:一是支撑去除时对表面质量的影响。要求支撑的设计必须合理，不多不少。另外一种是残留

因此在扫描成型时尽可能使残留树脂为零;成型过程液态树脂的固化引起工件的变形。

中工件内部的残余应力引起的蠕变也是影响精度的因素之一。设法减小成型过程中的残余应力有利于提高零件的成型精度。

1.3 立体光固造型 SLA 技术原理

Stero Lightgraphy Apparatus又称激光立体造型、激光立体光刻或立体印刷装置。它是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长（λ=325nm）和功率（P=30mW）的紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应，相对分子质量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。SLA 的原理是由 CAD 系统对准备制造的零件进行三维实体造型设计 ,再由专门的计算机切片软件CAD系统的三维造型切割成若干薄层平面数据模型 ,但对表面形状变化大和精度要求高的部分应切得薄些 ,其他一般部位切得厚些.随后 CAM软件再根据各薄层平面的X -Y运动指令 ,在结合提升机构沿 Z坐标方向的间歇下降运动 ,形成整个零件的数控加工指令.指令输入SLA系统中 ,首先是工作台下降至液体容器的液面之下 ,对应于 CAD 模型最下一层切片的厚度处 , 根据该切片的 X-Y平面几何数据 ,紫外光照射可固化的液态树脂(如环氧树脂 ,乙烯酸树脂或丙烯酸树脂) ,在紫外光的作用下 ,因光聚合作用 ,第一层被固化在工作台上. 然后 ,升降工作台下降至第二层切片厚度 ,激光器按照该层切片的平面几何数据扫描

液面 ,使新一层液态树脂固化并紧紧粘长在前一层已固化的树脂上。如此反复 “生长” , 直至形成整个三维实体零件.如图所示：

图 1.2 立体光固造型SLA 技术原理图

1.4 立体光固造型 SLA 国内外现有技术水平

立体光固造型 SLA方法是目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种快速成型方法。

目前 ,研究SLA方法的有 3D System 公司、EOS 公司、F&S 公司、CMET 公司、D - MEC 公司、Teijin Seiki 公司、Mitsui Zosen公司、西安交通大学等.美国 3D System公司的 SLA 技术在国际市场上占的比例最大 ,其设备自 1988 年推出 SLA- 250 机型以后 ,又于1997 年推出 SLA- 250HR,SLA- 3500 ,SLA- 5000三种机型 ,在技术上有了长足进步. 其中 ,SLA-3500和 SLA- 5000 使用半导体激励的固体激光

器 ,扫描速度分别达到2.54 m/ s 和5m/ s,成型层厚最小可达 0. 05 mm. 此外 ,还采用了一种称之为Zephyer recoating system的新技术 ,该技术是在每一成型层上 ,用一种真空吸附式刮板在该层上涂一层0.05～0. 1 mm 的待固化树脂 ,使成型时间平均缩短了20 %.该公司于1999年推出的SLA- 7000机型与SLA- 5000 机型相比成型体积虽然大致相同,但其扫描速度却达9. 52m/ s,平均成型速度提高了4倍, 成型层厚最小可达 0.025 mm,精度提高了1倍。

国内对 SLA 技术的研究始于 90 年代初 ,一些高校在其成型理论、控制技术、成型材料等多方面都进行了大量的研究工作 ,取得了显著成果.目前西安交通大学开发的LPS- 600A 型快速成型系统 ,已有商品化产品. 国内外研究者在SLA技术的成形机理、控制制件变形、提高制件精度等方面进行了大量研究。

1.5 立体光固造型 SLA 应用领域

美国克莱斯勒公司(Chrysler)就用 SLA 工艺制成了车体模型 ,将其放在高速风洞中进行空气动力学试验分析?此外美国 Dayton 大学还利用 SLA 工艺研制了一种桌面成型系统专门用于人体软组织器官模型的建造。

1.6 本次设计的主要工作

1.6.1 主要设计工作

1、固化用激光扫描装置设计；

2、浸于树脂液体中的升降托盘设计；

3、刮刀机构设计；

4、整机总装配图设计；

5、部分硬件控制电路的设计。

1.6.2 设计参数

1、成型空间：400*400*300mm

2、激光头最大运行速度：80mm/s?

3、激光头定位精度：0.005mm

4、上拖板、激光聚焦系统以及直线导轨轴等的总重量：约10kg

5、最大成型件重量：约为10kg

6、固化深度/托盘的层间下降距离：0.1mm

7、Z向定位精度：0.01mm

1.6.3 设计思路及主要问题

采用分块设计的思路，机械结构主要分X——Y扫描系统， Z方向工作台升降系统，刮刀机构等三部分。

1、X-Y扫描系统的机械结构

成型机的扫描系统采用高精度的X-Y 动工作台，它带动光纤和聚焦镜完成零件的二维扫描成型。其结构为步进电机带动滚珠丝杠驱动扫描头作X-Y平面运动，扫描范围为400x400mn，重复定位精度0. 005mn。为减轻质量，提高响应速度，选用铝材进行设计，并选取大扭矩输出的高频响应电机。

扫描系统结构由计算机、X-Y扫描头、聚焦镜头、直线圆柱滚动导轨、滚珠丝杠、步进电机等组成。由于混合式步进电机具有体积小、力矩大、低频特性好、运行噪音小、失电自锁等优点，X, Y方向都采用了这种电机。为减少X方向负载的质量，连接板及电机座采用铝材。

2、Z轴升降系统

Z轴升降系统完成零件支撑及在 Z轴方向运动的功能，它带动托板上下移动。每固化一层，托板要下降1个层厚。它是实现零件堆积的主要过程，必须保证其定位精度。定位精度的好坏直接影响成型零件的尺寸精度、表面光洁度以及层与层之间的粘接性能。采用步进电机驱动，精密滚珠丝杠传动及精密导轨导向结构。驱动电机采用

混合式步进电机，配合细分驱动电路，与滚珠丝杠直接联接实现高分辨率驱动，省去了中间齿轮级传动，既减小了尺寸又减小了传动误差。

成形零件时，托板经常做下降、提升运动，为了减少运动时与托板对液面的搅动，并且便于成型后的零件从托板上取下，需将托板加工成筛网状，网孔大小、孔距设计要合理，既能使零件的基础与其能牢固粘结，又要使托板升降运动时最小限度地阻碍液体流动。此外，考虑到树脂有一定的酸性作用，所以浸泡在树脂内的材料全部选用铝合金或不锈钢材料，一方面防腐?另一方面防止普通钢和铸铁对树脂的致凝作用。由于在正常工作在状态下，吊梁悬臂较长，为避免托板 Z方向上下运动时造成吊梁扭曲变形，吊梁采用 2m 不锈钢板做成中空行管结构的形状。

3、刮平系统

由于树脂的粘性及固化树脂的表面张力作用，如仅仅依赖树脂的流动而达到液面平整的话，就会需要很长的时间，特别是在固化面积较大的零件时。刮平运动可以使液面尽快流平，提高涂层效率。

刮平过程包括两个步骤:第一步托板下降较大的深度并稍作停顿，这一过程是为了克服液态树脂与固化层面的表面张力，使树脂充分覆盖已固化的一层，然后上升至比上一层低一个层厚的位置。第二步刮板按设定次数作刮平运动，其作用是把涂敷在零件表面的多余树脂刮掉。刮平后，树脂液面并不是完全平整，仍存在着一些波动，尚需等待一定的时间才能平整。等待时间的长短要根据树脂的流动性、零件尺寸的大小而定。

第 2章 XY方向设计计算

成型机的扫描系统采用高精度的X-Y 工作台，它带动光纤和聚焦镜完成零件的二维扫描成型。其结构为步进电机带动滚珠丝杠驱动扫描头作X-Y平面运动，扫描范围为400x400mn，重复定位精度0. 005mn。为减轻质量，提高响应速度，选用铝材进行设计，并选取大扭矩输出的高频响应电机。

扫描系统结构由计算机、X-Y扫描头、聚焦镜头、直线滚动导轨、滚珠丝杠、步进电机等组成。由于混合式步进电机具有体积小、力矩大、低频特性好、运行噪音小、失电自锁等优点，X, Y方向都采用了这种电机。

2.1 设计任务

机械结构装配图，A1图纸一张。要求重要剖面表达完整，向视表达完整，视

图适合标准。 2.1.1 设计参数

统分辨率

110 mm

- ′ 由静止到最大快进速度过度时间 P t 17ms ～19ms 工作台行程 x 向 400mm y 向 400mm 最大快进速度

x 向和 y 向

80mm/s

定位精度

005 . 0 ± 2.1.2 方案的分析、比较、论证

西安交通大学开发的cps250成型机XY 扫描系统，其扫描范围为250mmx250mm，运动方式采用步进电机驱动高精密同步带的方式，其传动较为平稳，传动件质量比较小，运动特性好。但工作行程较短，本设计扫描范围400mmX400mm,行程较长，若采用步进电机驱动高精密同步带的传动方式，会出现抖动现象，对扫描的精度不利。故本次设计采用步进电机驱动滚珠丝杠的传动方式，中间没有其他部件降低传动精度损失，使运动较为平稳。

1、XY 方向扫描进给系统的总体方案设计考虑以下几点：

A ．工作台应具有沿纵向和横向往复运动、暂停等功能，因此数控控制系统采用连续控制系统。

B ．在保证一定加工性能的前提下，结构应简单，以求降低成本。因此进给伺服统采用步进电机开环控制系统。

C ．纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们各自由各的步进电动机、波纹管、丝杠螺母副组成。

D ．为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧装置，以提高传动刚度和消除间隙。

E ．为减少导轨的摩擦阻力，选用滚动直线导轨。 2、进给伺服系统总体方案方框图如下页图2.1所示：

微

机

驱动器

驱

功率放大

功

步进电机

X 向

Y 向

波纹管

2.2 脉冲当量和传动比的确定

2.2.1 脉冲当量的确定

脉冲当量 p d 即系统分辨率。本设计中， p d ＝ 3

110 mm

- ′ 2.2.2 传动比的确定

当i ＝1时，可使步进电机直接与丝杠联接，有利于简化结构，提高精度。因此本设计中取i ＝1。

2.2.3 确定步进电机步距角

根据公式

b L i d q 360 0 =

(2.1)

其中

i 为传动比，

b q 为电机步距角，

0 L 为滚珠丝杠导程，

p d 为脉冲当量。

因为i ＝1， p d ＝0.001mm ，现取 0 L ＝4mm ，可得

b q ＝0.09 o

。由于其步距角很小，所以将采用有细分电路的驱动结构。

2.3 丝杠的选型及计算

2.3.1 计算丝杠受力

由于工作台质量较小，且只承担传动作用，不承受任何切削力，故本设计中只考虑导轨摩擦力和系统加减速时的惯性力。

1、导轨摩擦力的计算根据摩擦力计算公式：

f=mgμ

(2.2)

X 向：工作拖板质量 x m =10kg

采用滚动导轨，μ=0.005

m g

m f x x = =10×9.8×0.005=0.49N Y 向：取激光头及移动部件质量为 y m =3kg

μ=0.005

m g m f y y = =3×9.8×0.005=0.147N

2、工作台惯性力的计算

取平均加速时间t=18ms,由于系统最大移动速度 max V =80 s mm ，经计算得，系统加速度a= 2

4.4 m s

1 F = a m x =10×4.4=44N

2 F = a m y =3×4.4=13.2N

2.3.2 滚珠丝杠螺母副的选型和校核

由于转速较大，滚珠丝杠螺母副初步选型的主要依据其使用寿命选择丝杠的基本尺寸并较核其承载能力是否超过额定动载荷。

1、最大工作载荷的计算

本设计中，工作台最大载荷应该是导轨摩擦力与加减速惯性力的总和所以，

X 向： x 1 F 440.4944.49 x F f N =+=+= Y 向： y 2 F 13.20.14713.347 y F f N =+=+= 2、最大动载荷C 的计算和主要尺寸的初选滚珠丝杠最大动载荷C 可用下式计算：

C h

n K F

K f =

· ?

(2.3)

式中：F —滚珠丝杠副的轴向负荷（N ） ?

f --影响滚珠丝杠副寿命的综合系数；

285 . 0 1

. 1 33

. 0 0 . 1 0 . 1 95 . 0 = ′ ′ ′ = = ? w f k f a f h f t f f t f 为温度系数工作温度小于125， t f =0.95 h f 为硬度系数硬度大于58HRC ， h f =1.0 a f 为精度系数精度等级取三级， a f =1.0 w f 为负荷性质系数无冲击平稳运转， w f =1.1 k f 为可靠性系数

可靠度98%， k f =0.33

a C --滚珠丝杠副的额定动负荷（N ）

C --滚珠丝杠副的计算动负荷（N ）

h L --各类机械所用的滚珠丝杠的推荐寿命, h L 取15000h h K --寿命系数, 1

. 3 ) 500 ( 3 1

= = h h L

K n K --转速系数， 3

. 0 ) 3 . 33 ( 3

1 = = n K n 经计算得：

X 向 C=1613N Y 向C=483.9N

查《机电一体化系统设计手册》P770, 本设计选内循环浮动返回器双螺母垫片预紧滚珠丝杠副FFZ1604,其参数如下：

W 16mm 4mm D 2 339 C 000 C 12000 a oa mm l = = ￠ =° N =N m 公称直径d 基本导程滚珠直径＝，丝杠螺旋升角，额定动载荷＝6 额定静载荷选取丝杠精度等级为1级。 3、传动效率计算

滚珠丝杠螺母副的传动效率h 为

)

( j l l

h + tg tg ＝

(2.4)

式中：l 为丝杠螺旋升角，

j 为摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数 f ＝0.003～0.005,

其摩擦角约等于 0

1 ￠。所以， 96 . 0 ) 0 1 9 3 3 ( 9

3 3 ) ( = ￠ + ￠ ° ￠ ° + tg tg tg tg ＝＝ j l l h

4、定位精度验算

滚珠丝杠副的轴向刚度会影响进给系统的定位精度和运动平稳性。由于轴向刚度不足引起的轴向变形量一般不应大于机床定位精度的一半。滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形、丝杠与螺母之间滚道的接触变形、丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。滚珠丝杠的扭转变形较小，对纵向变形的影响更小，可忽略不计。螺母座只要设计合理，其变形量也可忽略不计，只要滚珠丝杠支承的刚度设计得好，轴承的轴向接触变形在此也可以不予考虑。

A ．丝杠的拉压变形量 1

d 滚珠丝杠应计算满载时拉压变形量，其计算公式为

F m ± ＝

1 d (2.5)

式中： 1 d 为在工作载荷作用下丝杠总长度上拉伸或压缩变形量（mm ）； m F 为丝杠的工作载荷(N)；

L 为滚珠丝杠在支承间的受力长度(mm)；

E 为材料弹性模量，对钢E ＝20.6×10 4 MPa ；

A 为滚珠丝杠按内径确定的截面积（mm 2 ）； “＋”号用于拉伸， “—”号用于压缩。

根据滚珠直径D W ＝2mm ，

螺纹滚道曲率半径 0.520.522 1.04 W R D mm ==′= 滚珠直径 2 w D mm

= 0.707(/2)0.707(1.042/2)0.028 w e R D mm =-=′-= 偏心距 1 d 221620.0282 1.0413.98 m d e R mm

=+-=+′-′= 螺杆小径

222

1 3.14 A d 13.98153.4

2 44

p =′= 滚珠丝杆按内径确定的截面积＝其中， m d 为丝杠公称直径。 1 d 为丝杠底径。取X 向进给的丝杠长度L＝550mm，Y 向进给的丝杠长度L＝550mm。

所以，X 向： 1 4 44.49550 20.610153.42

d m ′ ′′ ＝＝0.75 Y 向： 1 4

13.347550

0.22 20.610153.42

m d m ′ = ′′ ＝ B．丝杠与螺母间的接触变形量 2

d 该变形量与滚珠列、圈数有关，即与滚珠总数量有关，与滚珠丝杠长度无关。其计算公式：

m c F

K d ＝

(2.6)

式中： m F 为滚珠丝杠的工作载荷（N）

； C K 为丝杠副的接触刚度 ,查表取 C K =580N/ m m

。所以，X 向： CX 44.49

0.08m

580

d m ＝＝ Y 向： CY 13.347

0.02m

580

d m ＝＝丝杠的总的变形量 2 1 d d d ＋＝应小于允许的变形量。一般d 不应大于机床进给系统规定的定位精度值的一半。

因为，X 向： 12 0.080.83 m d d d m += ＝＋＝0.75 Y 向： 12 0.220.020.24 m

d d d m =+= ＝＋取丝杠精度等级为1级，其有效工作行程内的误差为6 m m ，加上丝杠副的总变形量0.83 m m 、0.24 m m ，可以满足机床的定位精度0.01/400的要求。

5、压杆稳定性验算

滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作载荷过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向弯曲，即失稳。失稳时的临界载荷为 K

F 2 1 1 2

K f EJ

F K L p = (2.7)

式中： J 为丝杠轴最小截面惯性矩 4

() m ，对丝杠圆截面 4

2 64

d J p = ，（d 2 为丝杠底

径， 20 1.2 w d d D ?- ）；

L 为丝杠最大工作长度（m）；

E 为材料的拉、压弹性模量，对钢E＝2.1×10 11

Pa；

1 f 为丝杠支承方式系数。本设计中，丝杠为长丝杠，故支承方式选用一端轴向固

定一端游动，即 1 f ＝2；

1 K 为安全系数，取 1 K =1/3

2 3.140.0136 1.710() 6464

d J m p - ′ ===′ 。

所以： 2119 2 2 3.14 2.110 1.7101 14666.2 0.43

K F - ′′′′′ =′=N

临界载荷 K F 远大于丝杠工作载荷 m F （ mx F =44.49N, my F =13.347N），因此滚珠丝杠不会失稳。

2.4 导轨的选型及计算

2.4.1 初选导轨型号

导轨为直线滚动导轨，根据纵向最大动载荷C=1613N,横向最大动载荷C ＝ 483.9N ，通过查《机电一体化系统设计手册》表2.9-38 P893，初选3条导轨的型号都为GTB16。其参数如下：

16650 mm l mm

f =￡， 2.4.2 计算滚动导轨副的距离额定寿命L

滚动导轨副的距离额定寿命可用下列公式计算：滚动体为球时

50 a T C W C f f L F f

= ?÷

è? (2.8)

式中：L 为滚动导轨副的距离额定寿命（km ）；

a C 为额定载荷（N ），从《机电一体化设计手册》表2-10查得 a C ＝8820N ；

T f 为温度系数，当工作温度不超过100 0

C 时， T f ＝1；

C f 为接触系数，每根导轨条上装二个滑块时 C f ＝0.81；

W f 为载荷/速度系数，无外部冲击或振动的低速运转场合 min 15 m v ￡时， W

f ＝1.2。 F 为每个滑块的工作载荷（N ）。

X 向： /444.49/411.12 m F F ===N Y 向： 13.347 m F F ==N 所以，X 向：

8820 1.010.81 507.710km 11.12 1.2 L ′′ ?? =′′′ ?÷

è?

＝ Y 向：

9 8820 1.010.81 507.6

10km 13.347 1.2 L ′′ ??

=′′′ ?÷ è?

＝ L 均大于滚动导轨的期望寿命，满足设计要求，初选的滚动导轨副可采用。

2.5 步进电机的选择

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR ）、永磁式步进电机（PM ）、混合式步进电机（HB ）和单相式步进电机等。

永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。

步进电机的一些特点：

1、一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。