机电工程学院两坐标运动平台的设计及其滚珠丝杠副的CAD.docx
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机电工程学院两坐标运动平台的设计及其滚珠丝杠副的CAD
北京信息科技大学
毕业设计（论文）
题目：
两坐标运动平台的设计及其滚珠丝杠副的CAD
学院：
机电工程学院
专业：
机械设计制造及其自动化
学生姓名：
纪梦宇班级/学号：
机械0903班2009010074
指导教师/督导老师：
王科社教授
起止日期：
2013年2月25日至2013年6月21日
摘要
随着制造业信息化的深入，AutoCAD的二次开发越来越多的受到人们越来越广泛的青睐。
本课题在设计滚珠丝杠两坐标运动平台的基础上，以AutoCAD为工具，利用AutoLISP语言对机械加工设备进行参数化绘图，实现人机对话，AutoLISP语言最典型的应用之一是实现参数化绘图程序设计，本课题主要选用滚珠丝杠螺母副的零件图作为研究对象，通过AutoLISP语言编程，生成独立的菜单，弹出对话框，使结构优化。
滚珠丝杠零件图参数可以根据用户自行设定，调用AutoCAD本身具有的工具命令，同时在定位零件图的点线中加入参数，自动绘图，使计算机完成自动计算数据，生成有带参数化的完整零件图，实现制图的自动化、参数化及智能化，分析计算与绘图一体化，提高绘图效率，加强了人性化的交互方式设计。
关键词：
两坐标移动平台；滚珠丝杠；二次开发；AutoLISP；参数化绘图
Abstract
Withtheinformatizationofmanufacturingindustryin-depth,twotimesthedevelopmentofmoreandmoreAutoCADpeoplearemoreandmorepopular.Basedonthedesignofballscrewtwocoordinatemotionplatform,usingAutoCADasatool,parameterizeddrawingofmechanicalprocessingequipment,theuseofAutoLISPlanguage,therealizationofhuman-computerdialogue,oneofthemosttypicalAutoLISPapplicationoflanguageistorealizethedesignofparametricdrawingprogram,themaintopicselectionofballscrewpairpartsastheresearchobject,throughtheAutoLISPprogramminglanguage,togenerateindependentmenu,pop-updialogbox,makethestructureoptimization.Cantheballscrewpartsdiagramparametersaccordingtotheuserset,calltheAutoCADitselfhasthetoolcommand,atthesametimepointinthepositioninglinedrawingintotheparameters,automaticdrawing,thecomputerautomaticallygenerateddata,withparametersofthecompletepartsdiagram,automation,andintelligenttorealizeparametricdrawing,integrationcalculationandmappinganalysis,improvedrawingefficiency,strengtheninteractiondesignhumane.
Keyword：
Twocoordinatesofthemobileplatform；ballscrew；seconddevelopment；AutoLISP；Parameterizeddrawing
摘要（英文）
第一章前言
随着计算机技术的迅猛发展，CAD技术应用领域的不断扩大以及应用水平的日益提高，CAD系统和用户需求之间的矛盾日益增加，许多CAD软件已不能完全满足用户的需求，由此要对CAD进行更好层次的二次开发。
CAD的二次开发，就是用户使用AutoCAD提供的相关编程软件，按照自己的需要，通过编程的方式，去组合一些相对基本或者简单的命令，使其成为一个相对复杂的由简单命令构成的“命令集合”；与此同时，“命令集合”的正确应用极大的推动了作图的快速自动化，减少设计者进行不必要操作所耗费的精力，全面提高工作效率和作图质量。
CAD的二次开发以完善和提高软件功能为目标，使其满足自身的技术需要为目的，而进行的新功能的开发或软件环境设定的过程。
其在于提高设计质量和效率，充分体现CAD软件的价值。
从根本意义上讲，二次开发也是一个实现软件创新的过程。
而滚珠丝杠副作为数控机床类数控装备进给系统的典型关键功能部件，中高档数控机床中每台需配套滚珠丝杠副3-6套，预计在未来三年国内市场需求量将达到每年50万套以上，市场容量在20亿元/年。
由此看来，为了提升企业生产能力以及满足国内市场需求，滚珠丝杠副的设计必须改变传统的设计方法，而我国滚珠丝杠副的计算机辅助设计的实现势在必行。
本课题研究主要分两部分：
一是根据尺寸要求和动力参数设计两坐标运动平台，应用AutoCAD完成其二维装配图；二是CAD的二次开发，主要包括滚珠丝杠螺母副的主视图、左视图，丝杠的主视图，图框的自动绘制，并且在AutoCAD中添加一个滚珠丝杠的菜单，使其按照北京精密天工滚珠丝杠厂CBT系列滚珠丝杠的规格完成整个系列的参数化自动绘图。
第二章两坐标运动平台的功能分析
滚珠丝杠的主要用途是实现回转运动与直线运动的相互转换，主要用于机床、医疗设备、航空航天、电子设备等，实现传动和（或）精确定位。
滚珠丝杠运动平台已逐渐广泛应用于硅片和IC半导体组件的运送装置。
运动平台由工作滑台、直线导轨、滚珠丝杠副、驱动器、控制器和位置检测器等组件所构成。
这些组件必须符合洁净、高速、定位精确、结构轻和刚性强等使用要求。
试验前，高速精密滚珠丝杠副应满足或高于GB/T17587.3——1998中P3级的各项要求，其预加载何为额定动载荷的8%。
滚珠丝杠副支承采用两端固定的方式安装在运动平台上，采用单螺母钢球过盈预紧以及脂润滑。
试验台应该在20℃±1℃的温度环境下放置，放置时间一般不少于2小时，以确保在试验前各零部件达到热平衡。
图2.1参观北京精密天工滚珠丝杠厂工作
第三章两坐标运动平台的方案设计
两坐标运动平台的尺寸以及动力参数按照表3.1设计：
运动平台基本要求
X方向行程
300mm
Y方向行程
200mm
工作台面的参考尺寸
500X300mm
平均切削力
1500N
平均切削进给速度
600mm/min
最高运动速度
40m/min
定位精度
±0.02mm
工作寿命
每天8小时，工作8年，250天/年
表3.1运动平台基本要求
两坐标运动平台的传动示意图：
图3.1两坐标运动平台的传动示意图
采用直线滚动导轨可以减小导轨负荷，提高丝杠制造精度、丝杠两端加预拉伸和丝杠中心通恒温油冷却等措施，在半闭环系统中也得到了较稳定的定位精度。
滚珠螺母主传动装置要求滚珠螺母必须是内循环，并严格进行动平衡调试。
当采用双电机驱动时，既可实现高速驱动，又可微量进给。
滚珠丝杠副的循环方式有内循环和外循环两种，但具体的结构却很多，自问世至今，其出现的结构大概有十几种之多l5J，通过不断的实践和改进，现在普遍使用的主要有三种。
如图1一2所示，分别为内循环结构、外循环插管式结构和外循环端盖式结构。
图3.2滚珠丝杠副的滚珠循环结构
滚珠丝杠副的轴向间隙会影响其传动精度和定位精度，因此，使用时必须采取预紧措施，有单螺母预紧和双螺母预紧两种。
其中，单螺母预紧又分为变位导程预紧和钢球过盈预紧两种方法;双螺母预紧分为垫片调隙式、螺纹调隙式和齿差调隙式三种。
（1）垫片调隙式
通常用螺钉来连接滚珠丝杠副两个螺母的凸缘，并在凸缘间加垫片，通过调整垫片的厚度，来使螺母产生轴向位移，以达到消除间隙与产生预紧力的目的。
这种结构的特点是结构简单，可靠性好，刚度好及装卸方便，但调整费事，并且在工作中不能随意调整。
除非更换厚度不同的垫片。
（2）螺纹调隙式
双螺母中的一个螺母的外端有凸缘而另一个没有凸缘而制有螺纹，它伸出套筒外，并用两个圆螺母固定着。
旋转圆螺母时，即可消除间隙，并可产生预拉紧力。
调整好后，再用另一个圆螺母把它锁紧。
双螺母调整的特点是，结构紧凑，调整方便，故应用广泛，但双螺母调整间隙不很精确。
（3）齿差调隙式
在两个螺母的凸缘上分别有圆柱齿轮，两者相差一个齿，并装入内齿圈中，内齿圈钉或定位销固定在套筒上。
调整时，先取下两端的内齿圈，当两个滚珠螺母相对于套筒同方向转动相同齿数时，一个滚珠螺母相对于另一个滚珠螺母产生相对角位移，从而使滚珠螺母相对于滚珠丝杠副的螺旋滚道产生相对位移，达到消除间隙并施加预紧力的目的。
（4）单螺母钢球过盈预紧
拆下滚珠螺母，精确测量原装钢珠直径，然后根据预紧力需要，重新更换装入大若干微米的钢球。
这种方式结构简单，尺寸紧凑，不需任何附加预紧机构。
预紧力大时，装配困难，使用中不能随时调整。
本课题中选用的就是这种预紧方式。
第四章两坐标运动平台的零部件计算
4.1Y方向导轨
按照设计要求的工作寿命,该导轨的额定工作时间为
由
得
因滑座数M=4,所以每根导轨上使用2个滑座,由表2-15----2-18确定
则由式上式,
得
4.2X方向导轨
同样有设计所得,该导轨的额定工作时间为
由
得
因滑座数M=4,所以每根导轨上使用2个滑座,由表2-15----2-18确定
则由式2-9,
得
选用汉江机床厂的HJG-D系列滚动直线导轨,查表2-13,其中HJG-D26型号的导轨的Ca值为17600,能满足八年的使用要求.
4.3电机类型选择
在开环控制的中小型伺服系统中,可以采用步进电机。
减速器传动比计算
选各传动齿轮齿数分别为
=20,
=40,模数m=2mm,齿宽b=20mm.。
大齿轮采用双圆柱薄片齿轮错齿调整。
强度强度检验略。
4.4电动机轴上总当量负载转动惯量计算
初选步进电机75BF001,
=
将各传动惯量及工作台质量折算到电动机轴上，得总当量负载转动惯量。
惯量匹配验算
，满足要求。
4.5步进电机负载能力校验
步进电动机轴上得总惯量：
空载启动时，电动机轴上得惯性转矩：
电动机轴上得当量摩擦转矩：
设滚动丝杠螺母副得预紧力为最大轴向载荷得
则因预紧力而引起的、折算到电动机轴上的附加摩擦转矩为
工作台上的最大轴向载荷折算到电动机轴上的负载转矩为
于是空载启动时电动机轴上的总负载转矩为
在最大外载荷下工作时，电动机轴上的总负载转矩为
按表5-5查得空载启动时所需电动机最大静转矩为
可求得在最大外载荷下工作时所需电动机最大静转矩为
第五章CAD二次开发的分析
5.1国内发展现状
我国作为发展中国家，CAD技术的开发应用仍旧落后于其他发达国家。
因为开发的时间比较晚，投入不足，软件稳定性和可靠性差，技术上缺乏原创性创新，使得国产二维CAD软件在市场上缺少竞争力。
使得如此之大的市场上却鲜有国产软件的身影。
国产二维CAD软件，无论是在二维CAD应用系统的产业化方面，还是在二维CAD核心支撑平台方面，与国际水平仍然存在着很大的差距。
然而经过10多年的发展，目前我国的机械、航空航天、电子、轻工、船舶、建筑和纺织乃至冶金、水电、煤炭等诸多领域，CAD技术的应用都己经非常普及，并目已达到相当高的水平，国内CAD联盟正是为打造健康，安全，和谐的CAD生态圈而存在。
当中，以中望CAD等为代表的国产二维CAD支撑平台软件占据了较大的市场份额。
自2010年5月成立以来，联盟成员通力合作，终于取得了重大突破，基于国产中望CAD平台研发的斯威尔建筑，鸿业暖通，鸿业给排水，博超电器，探索者结构等系列专业应用软件己经正式面向市场。
作为现代信息技术领域中设计及相关部门使用最广泛的技术之一CAD技术几乎推动着一切领域的设计革命。
这就意味着国产CAD迎来了质的飞跃，国内用户终于可以逐步摆脱对国外CAD平台软件的技术束缚与羁绊，彻底解决底层平台的软件正版化问题。
5.2国际发展现状
CAD技术历经了千万次革命，从曲面造型和实体造型，迈进了高速前进的参数化造型阶段和变量化设计阶段。
生产中最常用的系列化标准件就是属于参数化设计类型。
参数化设计通常是指设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约定尺寸关系，它的参数的求解较简单，参数与设计对象的控制尺寸有显式对应关系，设计结果的修改受尺寸所驱动。
积数年对参数化技术的研究经验以及对工程设计过程的深刻理解，SDRC的开发人员发现了参数化技术尚有许多不足之外。
参数化技术的成功应用，使它在90年代前后几乎成为CAD业界的标准。
但是技术理论上的认可并非意味着实践上的可行性。
约束方程可以是几何关系，也可以是工程计算条件，设计结果的修改受到约束方程驱动。
从1990到1993年，历经三年时间，投资一亿多美元，将软件全部重新改写，SDRC攻克了一系列难题，并就此形成了一整套独特的变量化造型理论及软件开发方法，即变量化设计。
变量化设计可以用于运动机构协调、初步方案设计选型、公差分析、设计优化、等，尤其在做概念设计时更显得得心应手。
变量化设计是指更大的自由度需要提供给修改的设计对象，通过求解一组约束方程来确定产品的尺寸和形状。
变量化设计允许尺寸欠约束的存在，这样设计者便可以采用先形状后尺寸的设计方式，将满足设计要求的几何形状放在第一位而暂不用考虑尺寸细节，设计过程相对宽松。
变量化技术既保持了参数化技术的原有优点，同时又克服了它的不足之处。
它的成功应用为CAD技术的发展提供了更大的空间和机遇。
无疑，变量化技术成就了SDRC，也驱动了CAD发展的第四次技术革命。
5.3滚珠丝杠的CAD发展现状
按照中央对“调结构、转方式”的战略规划和部署和机床工具行业“十二五”发展规划，中高档机床的发展是我国机床工具行业近年来的工作中心。
因此，国内对高性能滚珠丝杠副的需求量将日益增大。
而滚珠丝杠副的结构形式已基本定型，螺母安装连接尺寸已形成专业标准（ZBJ51005--89），这为工艺编制以及计算机辅助设计提供了良好的条件。
目前针对丝杠的CAD二次开发正处于发展阶段，为了提升企业生产能力以及满足国内市场需求，滚珠丝杠副的设计必须改变传统的设计方法，而我国滚珠丝杠副的计算机辅助设计的实现势在必行。
根据北京精密天工滚珠丝杠厂几十年来生产的丝杠图纸进行分析，可以将丝杠轴颈的结构形式归纳为如下几种，虽不能全部反映丝杠轴颈的变化形式，但能反映98％以上。
图5.1丝杠轴颈结构模块分类
对于不符合上述分类的轴颈，可按上述相近的类型进行参数输入，然后在AutoCAD环境中进行图形编辑。
通过以上分类，再寻找其共同特点，在编程时进行系列化、模块化，充分利用模块特点，以便减少编程长度，使程序结构紧凑。
5.4研究目标和意义
2000年，中国的制造业己达35000亿元的总产值，从1980年到1998年，我国GDP年均增长率为9.94%，而同期制造业的年均增长率达12.65%。
制造业增加值在国内生产总值（GDP）中所占的比重多年来一直保持在40%左右;制造业已然成为中国经济增长的”发动机”，而设计是制造业中重要的一环。
近年来，伴随着我国制造产业的迅速升级，设计在制造业中的地位日益凸显。
根据有关数据统计，制造业中有80%的企业在使用CAD软件。
中国CAD软件市场规模将非常庞大，目前还在继续增长。
所以也就不难理解国际数字设计软件领导厂商AutoDesk将在华的销售预期从现在的2亿元/年调整到2006年的8亿元/年。
另一巨头MicroStation也宣布大举进入中国市场。
现在，随着“信息处理的智能化”、“网络通讯的普及化”、“多媒体技术的实用化”，随着计算机性能成数量级的提升，其价格成倍地下跌；随着CAD技术的普及应用越来越深入，越来越广泛；CAD技术正向着集成、开放、智能和标准化的方向延伸。
如今世界各大汽车航空、航天等制造业巨头不仅广泛采用CAD技术进行产品开发，而且投入了大量的人力及资金进行CAD软件的开发，以保持技术上的领先地位和国际市场上的优势。
从根本意义上讲，二次开发更是一个实现软件创新的过程。
二次开发是使用者在CAD软件开发环境与编程接口的基础上，以使其满足自身的技术需要为目的，完善和提高软件的功能为目标，而进行的新功能的开发以及软件环境设定的过程。
它在提高设计质量和效率，充分体现CAD软件的价值。
CAD二次开发的意义不仅在于提高设计效率，而且还是提高产品设计质量的重要渠道，是提升CAD应用水平的重要手段。
第六章AutoLISP语言介绍
6.1AutoLISP语言的特点
AutoLISP是一种程序开发语言，是为二次开发AutoCAD而专门设计的编程语言，它起源于LISP语言，嵌入在AutoCAD的内部，是LISP语言和AutoCAD有机结合的产物。
AutoLISP不需要任何特定的硬件设备，只要一个系统能运行AutoCAD，就能运行AutoLISP。
并且可以用任意的文本编辑器来编辑AutoLISP源程序。
VisualLISP是为加速AutoLISP程序开发而设计的软件开发工具，是一个完整的集成开发环境，在VisualLISP环境下可以便捷高效地开发AutoLISP程序，利用AutoLISP可以进行各种工作的分析计算，自动绘制复杂的图形，驱动对话框，控制菜单，定义新的命令，为AutoCAD扩充智能化、参数化的功能。
VisualLISP这种开发工具针对AutoCAD来说，与其它开发工具相比，具有与AutoCAD接口好，程序执行效率高等显著特点，具有比较明显的优势。
但也存在着一定的缺陷，比如它不能在脱离AutoCAD的环境下运行。
AutoLISP语言最经典的应用之一在于实现参数化绘图程序设计，其中包括尺寸驱动程序、鼠标拖动程序等。
尺寸驱动是指通过改变实体标注的尺寸值来实现图形的自动修改；鼠标拖动是指利用AutoLISP语言提供的（GRREAD[
打开AutoCAD软件，可以在命令提示下输入vlisp或在AutoCAD菜单中选择“工具”→“AutoLISP”→“VisualLISP编辑器”。
由于AutoLISP综合了人工智能语言LISP的特性和AutoCAD强大的图形编辑功能的特点，所以它也称得上是人工智能CAD语言。
6.2AutoLISP语言的数据类型
AutoLISP不需要对变量进行数据类型说明，直接对变量赋值，值的数据类型即为变量的数据类型。
AutoLISP有以下数据类型：
6.3.1INT（整型）
由0、1、2、……、9、+、-等字符组成，正数的加号是可以任选的。
整数的大小与所使用的计算机系统有关。
6.3.2REAL（实型）
用双精度浮点数表示，有效精度至少有14位。
0.12×109可表示为0.12E9
（setqa1）整型
（setqb1.5）实型
程序运行时，可随意改变变量的函数类型
（setqa1）a为整型
……
（setqa1.5）a为实型
……
6.3.3STR（字符串）
字符串又被称字符常数，用双引号扩起，最大长度为100，最小长度为本0，即空串。
控制字符需用“\”为前导，例如“\n”为换行，若字符串含“\”，需再加一个“\”。
例如“B：
\USER”，应表示为“B：
\\USER”。
6.3.4SYM（符号）
符号可作为函数名、变量名等标识。
不能以数字开头，其长度不限，由下列字符以外的可打印字符组成：
（、）、.、‘、“、;、，、空格
符号中的大写和小写是等效的。
6.3.5LIST（表）
LISP的含义即表处理。
表以“（”开始，以“）”结束，内含若干元素。
元素可以是字符串、数值、符号或其它的表，也可以为空。
例如：
（+（SIN（*0.5PI））（COS（*0.25PI）））。
从此例看出，表中的元素可以是不同类型的。
用表可方便地构造复杂的数据结构，例如：
（12）可作为二维点，
（1.52.63.7）可作为三维点。
6.3AutoLISP函数介绍
6.3.1函数处理函数：
DEFUN函数
函数格式：
（defun<函数名>（[变量表/局部变量]）
（表达式1）
（表达式2）
）
Defun函数为AutoCAD新开发的命令，就是在本次设计中主要用到的语句，方法是：
采用defun函数定义一个新函数时，函数名必须采用C:
XXX的形式，其中XXX是要增加的新命令的名称，在AutoCAD主界面命令栏输入XXX，按回车键即可调用相应的程序，新名称不与AutoCAD原有的命令同名才可以。
所定义的函数必须不带变量表，但可以带局部变量。
例如定义输入矩形的对角点绘制矩形的命令，源代码如下：
（defunc:
rect1（/p1p2p3p4）；p1、p2、p3、p4是局部变元
（setqp1（getpoint"\n输入矩形的一个角点"））
（setqp3（getcornerp1"\n输入矩形的另一个角点：
"））
（setqp2（list（carp3）（cadrp1）））
（setqp4（list（carp1）（cadrp3）））
（command"pline"p1p2p3p4"c"）
）
如图所示，结果画出以p1p2p3P4为定点的矩形。
图6.1自动绘出的矩形
说明：
（1）函数名和形参表必须是符号原子
（2）DEFUN函数的回送值是<函数名>，而不是一个值。
所建立的函数在以后的调用时才回送实际函数值；
（3）函数调用步骤：
a.用文本编辑器编辑*.lsp文件；
b.用函数调用，格式：
（load“盘符：
/路径/…/文件名”）；
c.执行定义函数：
（addxy34）；
（4）函数调用时，形参被实参代替，<形参表>必须有，但可以是空表（）；
（5）其后的表达式个数不限，在函数调用时对它们进行计算；
（6）利用DEFUN可以增加AutoCAD命令，定义规则如下：
a.函数名必须是C：
ADDXY（/XYZ）；
b.形参表必须是局部变量、空表，不能为全局变量，即无形参；
c.执行定义函数：
ADDXY.
6.3.2赋值函数：
SETQ函数
函数格式：
（setq<符号><值或表达式>[<
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