XY轴直线滑台设计毕业论.docx
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XY轴直线滑台设计毕业论
编号：
毕业设计说明书
题目：
X、Y轴直线滑台设计
学院：
机电工程学院
专业：
机械电子工程
学生姓名：
学号：
指导教师：
职称：
题目类型：
☐理论研究☐实验研究☑工程设计☐工程技术研究☐软件开发
2013年5月23日
摘要
本设计主要是X、Y两个方向移动的滑台的设计，在生产和实践中具有很强的实用性。
X、Y直线滑台当前已普遍运用于测量、激光焊接、激光切割、涂胶机、打孔机、点胶机、小型数控机床、雕铣机及适用教育等场所。
本设计X、Y工作台用于高能电子束焊机。
X、Y数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统，其结构简单。
实现方便而且能够保证一定的精度。
降低成本，是微机控制技术的最简单的应用。
它充分的利用了微机的软件硬件功能以实现对机床的控制;使机床的加工范围扩大，精度和可靠性进一步得到提高。
由于具有很小的摩擦阻力，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动,滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。
本设计主要包括四个部分内容：
第一部分为设计方案的提出与确定;第二部分为结构设计和零部件的选择；第三部分为检验校核；第四部分为绘图。
全部设计过程都是参照国家相关标准和具体要求设计。
本次设计先对工作台进行结构设计，提出不同方案并进行比较选择，然后对零部件进行选择和检验校核，最后利用Solidworks软件对XY工作台进行三维建模、装配，利用CAD绘制零件图和装配图。
关键词：
工作台；X-方向；Y-方向；选择；校核；电机
Abstract
Themajorworkofthisdesignistodesigntwoworkbenchs,whichcanmovealongtwodirectionsXandY,andthisdesignisverypracticalityinproductionandpractice.XYtablehasbeenwidelyusedinthecurrentmeasurement,laserwelding,lasercutting,gluingmachine,drillingmachine,dispenser,smallCNCmachinetools,engravingandmillingmachineandapplicableeducationandotherplaces.ThedesignofXYtableisusedforthehigh-energyelectronbeamwelding.ElectricalsystemXYCNCtableisanopenloopcontrolsystem,itsstructureissimple.Easytoachievebutalsotoguaranteetheaccuracy.Costreductionistheeasiestapplicationsmicrocomputercontroltechnology.Ittakesfulladvantageofthecomputer'ssoftwareandhardwarefeaturestoachievethemachine'scontrol;makethemachiningexpandthescope,accuracy,andreliabilityisfurtherimproved.Withlittlefrictionathighloadconditionstoachievehighprecisionlinearmotion,ballscrewsarewidelyusedinvariousindustrialequipmentandprecisioninstruments.
Therearefourmajorpartofthisdesign:
first,putforwardandconformthedesign;second,chosetheframeandhardware;third,checkupandtest;forth,blueprint.Duringthedesign,alldesignscompliedwiththecountrystandardandtherequirementindetail.
Thedesignofthefirstonthebenchforstructuraldesign,proposetocomparedifferentoptionsandchoose,thenselectandtestcheckedparts,finally,SolidworkssoftwareforXYtableforthree-dimensionalmodeling,assembly,useCADdrawingpartsandassemblydrawings.
Keywords:
workbench;X–direction;Y-direction;chose;checkup;motor
引言
本次毕业设计的目的是综合应用所学知识来解决具体的实际问题。
与以前的课程设计不同的是，本次设计不是单纯的从某一方面进行设计，而是对整个系统的各个环节进行综合设计。
以培养较强的独立工作能力和创新意识，为今后的工作打下坚实的基础。
本次毕业设计题目是《X、Y轴直线滑台的设计》，它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。
由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。
可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。
本设计的X、Y工作台用于高能电子束焊机。
本次毕业设计的要求：
X、Y方向运动行程分别为：
2000mm，700mm，直线度0.2/1000；要求工作台上下层能拆卸单独使用；工作台载重量150kg；画出部分设计图。
本设计主要包括四个部分内容：
第一部分为设计方案的提出与确定;第二部分为结构设计和零部件的选择；第三部分为检验校核；第四部分为绘图。
全部设计过程都是参照国家相关标准和具体要求设计。
1绪论
随着我国国民经济的快速发展，数控机床的制造和使用越来越广泛，因而，与之配套的数控机床功能部件的性能、品种及规格也发展迅猛。
X、Y直线滑台作为数控功能部件之一，我们队其提出了更高的要求。
同时设计者和使用者也应该对其部件有更深刻的了解，以便在设计时方便选用。
其中，X、Y工作台上的滚动部件——滚珠丝杠和滚动直线导轨，是确保工作台精度的关键。
1.1滚动直线导轨
1.1.2国内外产品的现状
世界上生产滚动直线导轨的著名厂商有日本的THK公司、NSK、IKO轴承公司及德国的REXROTH公司、INA公司、瑞士的Schneerberger等公司。
这些公司的产品代表了世界最高水平。
国外的产品做工精细，结构灵巧，运动速度高，设计严谨，精度高，重载并有互换性。
国内滚动直线导轨的发展已经走过26个年头，主要厂家有陕西汉江机床有限公司、南京工艺装备制造有限公司、济宁博特精工股份有限公司、广东高新凯特精密机械有限公司、大连高金数控集团有限公司等。
国内产品具有以下特点和不足：
（1）以钢球为滚动体的产品基本成熟，日、德产品逐步淡出。
（2）应用于大型数控机床的滚柱导轨发展迅速,各主要厂家投入大量资源进行研发,并陆续进入批量化生产阶段。
（3）绿色、环保产品受到了重视。
大连高金数控集团推出了自润滑导轨,减少了润滑液带来的污染。
（4）高速静音导轨不断推出。
大连高金数控集团、南京工艺装备制造有限公司等厂家推出了带隔离链及减振结构的滚柱导轨,降低了运动噪声,提高了润滑效果,运动速度达到100m/min。
大连高金数控集团的产品在重型卧式加工中心及龙门加工中心机床中得到了应用。
（5）与国外相比,产品研发能力比较单薄,实验装置几近空白,院校结合的研究机制起步较晚。
产品验证机制的薄弱直接影响了中高端产品的发展进程及推广速度。
（6）与国外产品相比,在运动精度方面,尤其是关键精度,国内产品与国外产品不相上下,甚至高于国外。
但受到原材料限制及系统的试验手段的不足,导致了产品性能指标难以提升,使得产品在噪声、稳定性等方面略显不足。
（7）产品外观、倒角、粗加工面的处理水平较低,影响了国内产品的推广力度乃至经济效益,尤其是在出口方面。
1.1.3滚动直线导轨的发展趋势
（1）规格不断延伸；
（2）承载能力不断加大；
（3）运动速度不断提高；
（4）静音导轨；
（5）环保产品层出不穷。
1.2滚珠丝杠
1.2.1国内外产品的现状
随着数控机床高速、精密、环保的发展需求，滚珠丝杠副得到了前所未有的发展，国内企业不断加大对滚珠丝杠副的研究力度，并取得了显著的成果。
主要表现在以下方面：
（1）高速丝杠从近几年机床展上可以看到，很多企业研制的高速丝杠的速度是十几年前的2~3倍，如日本NSK的BSS系列的DN值达到22万，HMD系列的DN值达到16万；而加速度已经能达到1.5~2g的水平。
（2）重载丝杠NSK、THK、SHUTON、REXROTH采用新的工艺方法，将基本额定动载荷在原来的基础上提高了25%。
（3）大型丝杠大型及超大型滚珠丝杠副近两年可谓屡见不鲜，西班牙KORTA公司生产的直径225mm的滚珠丝杠副长度达20m。
（4）绿色环保丝杠滚珠丝杠副的低噪声、长期免维护一直是业内人士追求的目标。
在这方面有很多厂家推出了球保持器和自润滑装置。
在使用了球保持器后，噪声可在原来基础上降低8~10dB。
自润滑装置可保证10000km直线行程的润滑。
（5）双驱动丝杠为了满足机床高刚性、高效率需求，NSK采用特殊的工艺方法，制造出了双驱动滚珠丝杠副，螺纹长度为1200mm的两根丝杠，相互累计导程偏差不超过0.005mm。
（6）个性化产品针对各行各业不同的需求，特别是针对一些特殊行业，如化工机械、木工机械、航空航天、包装机械、机器人、铁路等，滚珠丝杠生产厂有针对性地开发了许多新产品。
国内大陆地区的制造企业生产滚珠丝杠副经过50多年的发展，也取得了较大的成就，尤其最近5~10年，设计和制造工艺都有了突飞猛进的发展。
国产高速滚珠丝杠副不断崭露头角。
北京机床研究所开发的高速丝杠副DN值可达12万，加速度为1g。
南京工艺装备制造有限公司开发的DK系列滚珠丝杠副DN值达到16万。
大连高金数控集团生产的三维管系列和端面返向系列的DN值达到16万，高速重载滚珠丝杠副（型号：
CW8016-10.5）DN值达到16万，额定动载荷Ca可达460kN，静载荷C0a可达1868kN。
中国台湾地区的制造企业如HIWIN公司、ABBA公司等具有相当先进的制造水平，其中HIWIN公司的重载丝杠的承载能力是普通丝杠的2~3倍。
1.2.2滚珠丝杠的发展趋势
纵观各国滚珠丝杠副现状，可以判断出今后滚珠丝杠发展趋势如下：
（1）高速、重载、低噪声、低温升、自润滑和可靠性是滚珠丝杠副发展的主要方向。
（2）特殊行业用滚珠丝杠副，如在木工机械、医疗机械、食品机械、真空环境、核电、铁路、机器人等行业的应用是滚珠丝杠副发展的重要方面。
（3）新工艺、新材料是滚珠丝杠副进一步发展的保障，如丝杠的冷轧技术、材料的稳定性及材料热处理等。
1.3设计软件简介
SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，至此，SolidWorks所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。
由于使用了WindowsOLE技术、直观式设计技术、先进的parasolid内核（由剑桥提供）以及良好的与第三方软件的集成技术，SolidWorks成为全球装机量最大、最好用的软件。
资料显示，目前全球发放的SolidWorks软件使用许可约28万，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等分布于全球100多个国家的约3万1千家企业。
在教育市场上，每年来自全球4，300所教育机构的近145，000名学生通过SolidWorks的培训课程。
Solidworks软件功能强大，组件繁多。
Solidworks功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks的三大特点，使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。
SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。
SolidWorks不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。
对于熟悉微软的Windows系统的用户，基本上就可以用SolidWorks来搞设计了。
SolidWorks独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。
SolidWorks资源管理器是同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。
使用SolidWorks，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。
在强大的设计功能和易学易用的操作（包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用SolidWorks，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。
本次设计我采用SolidWorks对零件进行三维建模并装配，最后转化为工程图。
2方案提出及论证
XY工作台的运动由两个电机分别带动工作台在X和Y方向上做直线运动，这就需要把电机的旋转运动变为直线运动。
在整体设计中各种运动部件的选择很重要，设计任务中要求各个构件的运动具有精度高，运动平稳等特点。
如图2-1所示，部件的选择包括动力源、传动机构、执行构件等。
由此经过考虑列出一下方案。
图2-1X、Y工作台的工作系统框图
2.1方案一
如图2-2所示，动力源选择电机，传动机构选择同步带和齿轮齿条传动。
电机通过同步带带动齿轮齿条传动，齿轮齿条带动工作台做直线运动。
图2-2方案一工作原理
2.2方案二
如图2-3所示，动力源选择步进电机，传动机构选择滚珠丝杠副。
步进电机与滚珠丝杠直联，带动在滚动直线导轨上的工作台做直线运动。
图2-3方案二工作原理
2.3方案三
动力源选择限压式变量叶片泵，传动机构选择换向阀和液压缸。
2.4方案论证
方案一中同步带，承载力较大，负载再大就要加宽皮带，传动精度较高，传动长度不可太大，否则需要考虑较大的弹性变形和振动，传动距离大尤其不适合精确定位、连续性运动控制。
优点：
短距离传动速度可以很高，噪音低。
典型用途:
小型数控设备、某些打印机。
齿轮齿条，承载力大，传动精度较高，可达0.1mm，可无限长度对接延续，传动速度可以很高，>2m/s，缺点：
若加工安装精度差，传动噪音大，磨损大。
典型用途：
大版面钢板、玻璃数控切割机，建筑施工升降机可达30层楼高。
所以，方案一可能会造成噪声污染，并且使用寿命短，精度也达不到微米级。
与方案一相比较，方案二具有方案一中所有优点，并且滚珠丝杠副传动精度比齿轮齿条高很多，结构紧凑，传动效率高，定位精度高。
缺点是制造工艺复杂，成本较高，但是使用寿命长，维护简单。
直线滚动导轨在数控机床中有广泛的应用。
相对普通机床所用的滑动导轨而言，它有以下几方面的优点：
1）定位精度高直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的1/50。
由于动摩擦与静摩擦系数相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少90%，因此，可将机床定位精度设定到超微米级。
2）降低机床造价并大幅度节约电力采用直线滚动导轨的机床由于摩擦阻力小，特别适用于反复进行起动、停止的往复运动，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，减轻了重量，使机床所需电力降低90%，具有大幅度节能的效果。
3）可提高机床的运动速度直线滚动导轨由于摩擦阻力小，因此发热少，可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率20～30%
4）可长期维持机床的高精度对于滑动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动，产生的运动精度的误差是无法避免的。
在绝大多数情况下，流体润滑只限于边界区域，由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的，在这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗被浪费掉了。
与之相反，滚动接触由于摩擦耗能小．滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使直线滚动导轨系统长期处于高精度状态。
同时，由于使用润滑油也很少，大多数情况下只需脂润滑就足够了，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易了。
方案三中使用了液压系统。
与机械传动和电力拖动系统相比，液压传动具有以下优点：
（1）液压元件的布置不受严格的空间位置限制，系统中各部分用管道连接，布局安装有很大的灵活性。
（2）可以在运行过程中实现大范围的无极调速，调速范围可达2000:
1.
（3）液压传动传递运动均匀平稳，易于实现快速启动、制动和频繁的换向。
（4）操作控制方便、省力，易于实现自动控制、中远程距离控制、过载保护。
与电气控制、电子控制相结合，易于实现自动工作循环和自动过载保护。
（5）液压元件属机械工业基础件，标准化、系列化和通用化程度高，有利于缩短机器的设计、制造周期和降低制造成本。
液压传动的缺点：
（1）在传动过程中，能量需经两次转换，传动效率偏低。
（2）由于传动介质的可压缩性和泄漏等因素的影响，不能严格保证定比传动。
（3）液压传动性能对温度比较敏感，不能在高温下工作，采用石油基液压油作传动介质时还需注意防火问题。
（4）液压元件制造精度高，系统工作过程中发生故障不易诊断。
以上三个方案，从原理上来说，都能完成任务书提出的要求，但考虑使用条件，由于随着科技的发展，现代机床要求的精度越来越高，因为此机构以传递运动为主,要求有较高的传动精度,又要求结构紧凑。
方案一中能会造成噪声污染，并且使用寿命短，精度也达不到微米级，所以不采用。
方案三传动效率偏低，精度得不到保证，维护困难，所以不采用。
方案二虽然成本比较高，但是传动精度和定位精度达到了要求，结构紧凑，使用寿命长，符合科技发展的要求。
所以根据以上三种方案的论证，采用方案二比较合适。
图2-4方案二结构原理
方案二如图2-4所示，步进电机作为动力源与滚珠丝杠直联，滚珠丝杠将步进电机的旋转运动转化为工作台的直线运动，工作台在滚动导轨上做直线运动，X、Y方向分别用一个步进电机驱动。
3结构设计和零件选择
3.1工作台及导轨座的设计
3.1.1工作台的设计
在工作台上设计T型槽，主要用来固定工件，是钳工用来调试、装配、维修设备的基础工作平台，T型槽平台（T型槽平板）也可用于动力机械设备的装配及调试；T型槽平台（T型槽平板）的工作面采用刮研工艺，对于3级以下的平板工作面也可以采用刨铣工艺；T型槽平（T型槽平板台）的材质为HT200-300，硬度为HB170-240；规格为200*200mm-3000*6000mm,大于此规格或特殊规格可以定做，也可以按图纸制造。
T形槽的尺寸标准如表3-1和表3-2所示。
表3-1T形槽尺寸标准
T形槽
A
B
C
H
E
F
G
基本
尺寸
最小
尺寸
最大
尺寸
最小
尺寸
最大
尺寸
最小
尺寸
最大
尺寸
最大
尺寸
最大
尺寸
最大
尺寸
12
19
21
8
9
20
25
1
0.6
1
表3-2T型槽的尺寸标准
T形槽宽度A
T形槽间距p
12
（40）
50
63
80
按照上述标准，我们选择A=12，B=19，C=8，H=20，E=1，F=0.6，G=1，间距p=80。
工作台的外型如图3-1所示：
图3-1工作台
其中长宽高分别为1000mm，500mm，50mm。
3.1.2导轨座的设计
由于X、Y工作台沿X、Y两个方向做往复直线运动，所以有两个导轨座，用来支撑两个方向的导轨。
设计Y向导轨座在上层，Y方向的行程为700mm，所以设计Y向导轨座参数为1000×1500×20mm，其外型如图3-2所示：
图3-2X向导轨座
X向导轨座设置在下层，工作台在X方向的行程为2000mm，所以设计X导轨座的参数为3000×800×20。
3.2导轨上移动部件的重量估算
导轨上的移动部件包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等。
为了计算滚动导轨和滚珠丝杠副的负载，必须把这些移动部件的重量一一计算出来。
工作台材料为灰铸铁HT350密度7.4g/cm3，工作台尺寸：
1000×500×50mm，
则G1=1000×500×50×10-3×7.4×10-2=1850N，由于工作台并不是实心体，而是设有T型槽的，所以取G1=1500N。
Y向导轨座尺寸：
1000×1500×20。
则G2=1000×1500×20×10-3×7.4×10-2=2220N。
工作台载重量：
150KG，则G3=1500N。
按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算，包括工件、夹具、工作台、上层电动机、滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨副、上层导轨座等，估计重量约为G=6000N。
3.3导轨的设计计算
3.3.1导轨简介
导轨由承导件和运动件组成，其功用是导向和承载，即保证运动件按给定的方向获得精确的直线位移或角位移。
在导轨副中，运动的零（部）件叫动导轨，不动的叫支承导轨。
常用的导轨，按其接触面的摩擦性质，分为滑动导轨、滚动导轨、静压导轨三大类；按其结构特点，分为力封式和自封式两类。
力封式又称开式，必须借助外力（例如重力或弹簧力）才能保证运动件相承导面间的接触，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朗保证运动件部承导面间的接触。
本设计中采用的便是直线运动导轨，导轨的作用是支承工作台并且引导工作台做直线运动，导轨要保证工作台运动的直线度。
导轨副应满足的基本要求：
（1）导向精度高
（2）刚性好
（3）精度的保持性
（4）运动的灵活性和低速运动的平稳性
（5）对温度的敏感性和结构工艺性
表3-3是对不同种类性能的比较：
表3-3导轨性能的比较
XY工作台要求运动平稳，导向精度高，不能出现爬行现象。
为防止爬行现象的出现，可同时采取以下几项措施：
（1）采用滚动导轨、静压导轨、卸荷导轨、贴塑导轨等；
（2）在普通导轨上使用含有极性添加剂的导轨油；
（3）用减小结合面、增大结构尺寸、缩短传动链、减少传动副等方法来提高传动系统的刚度。
3.3.2导轨的选择
由于静压导轨成本比较高，滑动导轨精度不高而且容易出现爬行现象，而滚动导轨也能满足本设计的要求，所以决定选用直线滚动导轨副，滚动摩擦导轨式在运动件和承导件之间放置滚动体（滚珠、滚柱、滚动轴承等），使导轨运动时处于滚动摩擦状态，与滑动导轨比较，它具有的特点是：
（1）摩擦系数小，并且静、动摩擦系数之差很小，故运动方便，不易出现爬行现象，直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的1/50，由于动摩擦与静摩擦系数相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少90%，直线滚动导轨由于摩擦阻力小，因此发热少，可实现机床的高速运动，提
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