毕业设计（论文）ICT机床的扫描机械运动部分设计.doc

摘要工业 CT ，即工业计算机断层扫描成像（Industrial Computerized Tomography，简称ICT） 是计算机技术与放射学相结合产生的一门新的成像技术，在无损检测（NDT ）与无损评价）NDE )领域得到了广泛应用.在工业X射线CT检测系统中，工业CT机对其运动控制系统和微调机构提出了很高的精度要求,其运动精度将直接影响到工业CT机成像质量和检测精度。当对某一物体进行检测的时候，系统中的载物台机架会进行不断的运动，在运动过程中，机架将会伴随有机械径跳，径跳会影响到探测器接收到的光子数，最后对投影数据有一定的影响，进而影响重建出的物体图像。本文广泛深入地进行了理论分析和实际调研,就扫描机械运动系统进行了设计，以实现比较精密的扫描，运用传统的动力学模型方法建立了适合平移运动控制系统的模型,进而得到更好的扫描图像。关键词：工业CT； 无损检测； 扫描机械运动； 图像ABSTRACTIndustrial Computerized Tomography (ICT) is a new technology integrating computer technology with radiology. It is wide applied in NDT and NDE areas,which shows the internal structure features, material density and flaw status of the detected object without damage. In industry X-ray CT detection system,industrial CT mechanism requires high precision in the motion control system and inching organ, the imaging quality and testing precision of industrial CT machine are affected directly by the level motion precision. when the object is tested, the rack which is carrying the object would continue to move. The mechanical radical rubout would follow it during the moving process. The photons number would be influenced by the radical rubout, and then the projection data would be changed. In the end, the reconstructed images would be affected. This paper has mainly design the movement of workbench ，in order to gain the best projection data.Keyword：ICT；NDT；scanningmechanicalmovement；Reconstructed images 目 录摘 要ABSTRACT第一部分 ICT机的简介-1.1工业CT的工作原理-1.2 工业CT的基本结构-第二部分 方案的选择- 2.1 功能要求-2.2 结构方案设计-2.3 使用元件-第三部分 ICT机床的扫描机械运动部分设计-3.1总体方案的确定-3.2 机械传动部件的选择-3.2.1导轨副的选用-3.2.2丝杠螺母副的选用-3.2.3 步进电机的选用- 3.3 控制系统的设计 -3.4 机械传动部件的设计与选型-3.4.1 导轨上移动部件的重量估算 -3.4.2 滑动导轨副的计算与选型 -3.4.3滚珠丝杠螺母副的计算与选型 - 3.4.4 丝杠轴承支承座选择-3.4.5 步进电动机的计算与选型-3.4.5 根据工作台不出现爬行的条件来确定传动系统的刚度-3.4.6 联轴器的选用及安装-3.5数控工作台的安装-3.5.1 数控工作台的使用注意事项-3.5.2 数控工作台的精度检测方法-第四部分 结论- 谢 辞- 参考文献-第一部分 ICT机的简介工业CT， 即工业计算机断层扫描成像技术（Industrial Computerized Tomography ，简称ICT）在无损检测与无损质量评价领域得到了广泛应用。它的基本原理是：发射射线束对被测工件的某一选定断层层面进行扫描，探测器阵列测定透过工件的射线束强度，并转换成电信号，数据采集系统对电信号经过一系列处理后，获取与扫描透射射线强度成比例的数字化像素阵列数据，最后经过图像重建系统以二维灰度图像形式再现工件扫描断层层面内部结构状况。工业CT 是在医用CT 的基础上发展起来的，用于工业产品进行无损检测和探伤的先进技术，能紧密、准确地再现物体内部的三维立体结构，定量地提供物体内部的物理、力学等特性，如缺陷的位置及尺寸、密度的变化及水平，最重要的是能对产品内腔进行无损检测，进而得到产品的二维或是三维模型，这一点是其他检测技术所无法比拟的,被认为是20 世纪后期最伟大的科技成果之一2。工业CT 检测的产品包括几毫米的电子元器件、火工品以及数米直径的大型火箭固体发动机等，产品千差万别，要求检测的范围、精度、扫描方式等各不相同3,，因此工业CT 属单件定制产品，其控制系统也必须定制开发，实际上工业CT 扫描过程在很大程度上都是相同的，譬如CT 扫描都是由分层运动、分度运动、插值运动三种运动合成，这样每次开发新产品的控制软件都做很多重复劳动，而且代码重用性差，生成效率低，更新修改维护及移植都比教困难，制约了企业的竞争力。现在随着软件技术的发展，面向对象技术，软件复用4等软件工程概念纷纷出现，为解决这个问题提供了良机。1.1工业CT的原理工业CT 是利用射线在被测工件无损状态下,从多个方向以扫描方式透射被检测物体某断层,用专门的探测器把经过被检物射线衰减后的信息采集下来,通过计算机采用专门的图像重建算法,把被扫描断面以二维灰度图像形式展现出来,其检测直观结果就是被检断层的断面图像。通过这种CT图像就可以清晰地看清被检物该断层内的结构层次、零件的材质情况、有无缺陷、装配的正确与否,帮助质检人员作出正确的结论。因此工业CT 被国际无损检测界誉为最佳无损检测手段。1.2 工业CT 系统结构如图1 所示,工业CT 系统通常由射线源、机械扫描系统、探测器系统、数据采集系统、计算机系统、屏蔽设施等组成。其中,射线源、机械扫描系统、探测器系统的组合对一台工业CT 的性能起决定作用。它决定了CT 系统的可能获得的信息质量。计算机数据采集系统探测器射线源射线源自动控制系统机械扫描装置显示打印图1Fig.1 .the structure of ICT各部分的基本作用：射线源系统射线源系统产生扫描检测用的射线束。按射线能量分，射线源有产生高能X射线的加速器源、产生中能X射线的放射性同位素源及产生低能射线的X 射线管源三类。射线能量决定了射线的穿透能力，也就决定了被测物质密度及尺寸范围。医学CT使用产生较低能谱段的X射线管源，而工业CT根据用途不同以上三类射线源均在使用，某些场合工业CT还使用射线源。探测器系统探测器是一种换能器，它将包含被测体检测断层物理信息的辐射转换为电信号，提供给后面的数据采集系统作再处理。常用的有“闪烁体+光电器件”和气体电离室两种类型，一般是由多个探测器组成探测器阵列，探测器数越多其阵列就越大，扫描检测断层的速度就越快。探测器按信号转换方式有电流积分和光子计数两类。机械扫描运动系统机械扫描运动系统提供CT的基础结构，提供射线源探测系统及被测体的安装载体及空间位置，并为CT 机提供所需扫描检测的多自由度高精度的运动功能。 工业CT多采用第三代扫描检测或第三代扫描检测的运动力式，前者的运动方式为旋转加平移，而后者仅有旋转。数据采集系统数据采集系统用以获取和收集信号，它将探测器获得的信号转换、收集、处理和存贮，供图像重建用，是CT设备关键部分之一。其主要性能包括信噪比、稳定性、动态范围、采集速度及一致性等。控制系统控制系统决定了工业CT系统的控制功能，它实现对扫描检测过程中机械运动的精确定位控制，系统的逻辑控制，时序控制及检测工作流程的顺序控制和系统各部分协调，并担负系统的安全联锁控制。计算机系统计算机系统是工业CT设备的核心，必须具有优质和丰富的系统资源，以满足以下几个方面的需要：高速有效的数学运算能力，以满足系统管理、数据校正、图像重建等的大量运算操作；大容量的图像存贮和归档要求；包括随机存贮器、在线存贮器和离线归档存贮器；专用的高质量、高分辨率、高灰度级的图像显示系统；丰富的图像处理、分析及测量软件，提供操作人员强大的分析、评估的辅助支撑技术；友好的用户界面，操作灵活，使用方便、工业CT 的计算机系统，可以是单机系统或多机系统，采用的机型可以是小型机，工作站或微机，这些均视用途及要求确定。图像的硬拷贝输出设备工业CT 的图像一般可选用高质量的胶片输出设备、视频拷贝输出设备或高质量的激光打印输出设备。第二部分 方案的选择结构方案设计又称草图设计，它的核心问题有两个：一是确定各元件的形态；二是确定构成系统的元件（组件）的数目及相互位置的安排。结构设计的目的不仅是将原理方案结构化，而且要实现结构优化。针对本课题，即通用型纳米焦点X射线工业CT机整机结构设计，首先明确该产品所要实现的功能，确定出原理结构方案；第二明确实现该功能所要使用的元件；第三设计出最优的机构来满足功能要求。2.1 功能要求该产品的总体功能是利用X射线对工件实行旋转扫描，以此实现对工件的无损检测。其系统如下图所示： 射线源 探测器板 工件 图2 系统原理图Fig.2 principle sketch of the system根据系统原理图，可知射线源发射X射线，X射线穿透工件，之后探测器板接收X射线，根据削弱的X射线来检测工件内部结构。2.2 结构方案设计由上面的要求可知，被检测工件的运动形式有平移运动、升降运动、回转运动、旋转运动，探测器和射线源的运动形式有升降运动、回转运动。这样该产品就有以下布局：1) 传统布局其布局形式是：探测器和放射源作回转运动，被检测工件作平移运动、升降运动。这种布局形式简单，但精度不高，占用空间大，由于被检测工作不作回转运动，所以这种布局形式常用于医用CT机。2) 卧式布局其布局形式是：探测器和放射源均不运动，被检测工件作平移运动、升降运动、回转运动。 图3 该布局形式简单，占用空间小，符合机械设计原则，但从扫描运动和CT三维图像重建精度来看，对被检测工件的运动精度要求很高。3) 立式布局其布局形式：探测器和放射源作升降运动，被检测工件作平移运动和回转运动。这种布局形式在一定程度上减小对被检测工件的运动精度要求，但其结构形式复杂，占用空间较大。工业CT机的发展趋势是向便携式方向发展，这就要求该机器不能占用太大的空间，以便于运输和安装。而且随着工艺水平和装配技术的发展，现在已经设计并制造出具有很高精度的零部件，且能达到很高的装配精度，因此该工业CT机采用卧式布局。2.3 使用元件 不同用途的工业CT 系统所用的射线源、射线探测器和系统结构很不相同，甚至工业CT 系统之间的外形也大不相同。此设计是通用型工业CT机的设计，检测产品在10Kg左右。 射线源常用X 射线机和直线加速器，统称电子辐射发生器。电子回旋加速器从原则上说可以作CT 的射线源，但是因为强度低，几乎没有得到实际的应用。X 射线机的峰值射线能量和强度都是可调的，实际应用的峰值射线能量范围从几KeV 到450KeV；直线加速器的峰值射线能量一般不可调，实际应用的峰值射线能量范围从1 16MeV，更高的能量虽可以达到，主要仅用于实验。所以选用X射线机。工业CT 所用的探测器有两个主要的类型分立探测器和面探测。分立探测器对于辐射损伤也是最不敏感的。分立探测器的主要缺点是像素尺寸不可能做得太小，其相邻间隔(节距)一般大于0.1mm；另外价格也要贵一些。 面探测器的基本优点是不言而喻的它有着比线探测器高得多的射线利用率，特别是适合于DR 成像，可以达到实时或准实时的动态照相。面探测器也比较适合用于三维直接成像。所有面探测器由于结构上的原因都有共同的缺点，即射线探测效率低；无法限制散射和窜扰；动态范围小等。高能范围应用效果较差。平板探测器通常用表面覆盖数百微米的闪烁晶体（如CsI）的非晶态硅或非晶态硒做成。像素尺寸127 或200m，平板尺寸最大约45cm（18in ）。读出速度大约37.5 帧/s。优点是使用比较简单，没有图像扭曲。图像质量接近于胶片照相，基本上可以作为图像增强器的升级换代产品。所以选用平板探测器。 样品扫描系统形式上像一台没有刀具的数控机床，从本质上说应当说是一个位置数据采集系统，从重要性来看，位置数据与射线探测器测得的射线强度数据并无什么不同。仅仅将它看成一个载物台是不够全面的，尽管设计扫描系统时首先需要考虑的是检测样品的外形尺寸和重量，要有足够的机械强度和驱动力来保证以一定的机械精度和运动速度来完成扫描运动。同样还要考虑，选择最适合的扫描方式和几何布置；确定对机械精度的要求并对各部分的精度要求进行平衡；根据扫描和调试的要求选择合适的传感器以及在计算机软件中对扫描的位置参数作必要的插值或修正等等。工业CT 常用的扫描方式是平移旋转(TR)方式和只旋转(RO)方式两种。医学领域内后者。前者更为先进。然而在工业应用领域应当说是各有特点。只旋转扫描方式无疑具有更高的线利用效率，可以得到更快的成像速度；然而，平移旋转的扫描方式的伪像水平远低于旋转扫描方式；可以根据样品大小方便地改变扫描参数（采样数据密度和扫描范围），特点是是检测大尺寸样品时其优越性更加明显；源探测器距离可以较小，提高信号幅度；以及测器通道少可以降低系统造价便于维护等。所以采用平移旋转(TR)方式。第三部分 ICT机床的扫描机械运动部分设计扫描机械运动主要是有数控工作台的运动完成的，数控工作台采用滚动直线导轨副位导向支架，滚珠丝杠副位运动执行元件的结构。具有精度高、效率 高、寿命长、磨损小、节能低耗、摩擦系数小、结构紧凑、通用性强等特点。3.1总体方案的确定数控工作台，通常由导轨座、滚动直线导轨副、滚珠丝杠螺母副，以及电动机等部件构成。其中步进电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和步进电机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。作为系统重要的组成部分之一，在进行该系统设计时，必须考虑系统的布局和常用的支撑件形状，在满足装备的工作性能的前提下，综合考虑其工艺性，环境属性及工业美学等方面的问题，其次根据支承件的使用要求，受力情况及其他要求进行结构设计，在保证支承件具有良好性能的同时，又能减轻重量，节约材料和能源。本工作台要求实现3个方向的运动，即X、Y、Z方向的平动，为了减小累积误差，实行整体式安装，X向运动平台和Z向运动平台相连，Z向运动平台和Y向运动平台相连，回转工作台安装在Y向运动平台上。三维模型如图： 图4Fig. three-dimensional model3.2 机械传动部件的选择3.2.1导轨副的选用根据工作台所承受的载荷及对精度的要求，可选用滚动直线导轨副，大承载，高精度，高速度，低磨损，可靠性及标准化等特点，3.2.2 丝杠螺母副的选用 电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，精度要求较高，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动优点如下：· 高效性滚珠丝杠的机械传动效率高达98%，且比梯形丝杠节省更少的驱动动力。· 速度在理想的运行状态下允许最高转速为3000rpm；其高速性相应缩短了工作周期。· 安装方式可随意选择安装滚珠丝杠副的位置，但应考虑由外部导轨承受所有径向力。注意：滚珠丝杠副不能承受任何径向力。· 低摩擦性由于滚珠丝杠螺母与滚珠之间均为点接触，且均经过硬化热处理，所以其摩擦系数极小，因而大大提高使用寿命。· 精度通常现货提供的滚珠丝杠副精度为50µm/300mm和23µm/300mm；精度较高。· 工作周期滚珠丝杠副允许的工作周期能达到100%，但在超负载的情况下会大大降低使用寿命。· 温度滚珠丝杠副的运行温度为-30°C -80°C，而温度在80°C - 110°C 之间只允许短期运行，特殊情况下也允许在0°C下运行。· 重复定位精度重复定位精度指的是在同样的运行条件下回到起始位置的差值。· 安全建议滚珠丝杠副由于摩擦力很小，所以通常不自锁；如果需要滚珠丝杠副垂直使用，可使用带制动装置的电机或其他外加制动机构。3.2.3 步进电机的选用 X，Y向导轨不必采用高档次的电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。Z向导轨选用带刹车的步进电机：主要适合垂直运动的传动，刹车器只需外接1224VDC即可，当步进电机断电时，刹车瞬间启动，起到固定电机轴的作用，解决步进电机断电时电机仍可以维持锁死状态，3.3 控制系统的设计 1）设计的工作台准备用于数控机床，其控制系统应该具有单坐标定位，两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统设计成连续控制型。2）对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52作为控制系统的CPU，能够满足相关指标。3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还要扩展程序存储器，键盘与显示电路，I/O接口电路，D/A转换电路，串行接口电路等。4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。3.4 机械传动部件的设计与选型 3.4.1 导轨上移动部件的重量估算 按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括底板，电动机、滚珠丝杠副、导轨副等,丝杠支座，轴承，工作板，电机支座等，X向拖板（上拖板）尺寸：长宽高 600×200×24重量：按重量=体积×材料比重估算0.6*0.2*0.024*7.8*10000=224.7NZ向拖板重量： 200NY向滑轨及三爪卡盘夹具重量：248N电机及导轨副，丝杠副重量，电机支座，轴承，轴承支座：（3*1.1+3.52*2+4.2*2+2.3+1.6+3.4+3.1）=291.4N工作台运动部分的总重量：约964N。 3.4.2 滑动导轨副的计算与选型 X向导轨所受的作用力如下：则选如下所示的导轨副：图5Fig.5（1） 最大工作载荷计算工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本例中的工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为：=+F其中，移动部件重量964N,外加载荷F=100N，代入式（6-12），得最大工作载荷=341N。查表根据工作载荷=341N，初选南京工艺装备有限公司生产的直线滚动导轨副，型号为SL系列的SBS 20 SL型，其额定动载荷C=14.225KN，额定静载荷25.6KN（2） 距离额定寿命L的计算上述所取的SL系列SBS 20 SL系列导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过C，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，导轨的长度为600mm，工作速度较低，载荷不大。分别取硬度系数f=1.0，温度系数f=1.00，接触系数f=0.81，精度系数f=0.9，载荷系数f=1.5，代入式（3-33），得距离寿命：L=式中：接触系数，查表可知为0.81； 温度系数，查表可知为0.97； 载荷系数，查表可知为1.4； L额定寿命，单位为Km； C基本额定动载， 计算负荷，单位为N。时间额定寿命：行程Ls=0.4m，每分钟往复n=8，每天开机8小时，每年按300个工作日计算，则每年工作时间为8X300=2400小时。In=故满足要求。 因X向导轨所承受的载荷较大，而Y，Z所承受的载荷略小，所以Y ,Z向选取相同的导轨副一定满足要求。3.4.3滚珠丝杠螺母副的计算与选型 图6Fig.6轴向负荷计算公式： 式中F 切削力，F=0W工件重量加工作台重量 W=1064NU滚动导轨上的滚动摩擦系数（约为0.003-0.004），取U=0.004则根据式（3.1）： = 0.004×1064=4.256NCT上滚珠丝杠是在低速条件下工作的。本处的 C。=14KN ，所以选用此丝杠螺母KGF-D2005 RH-EE满足要求，（1） 滚珠丝杠副的传动效率滚珠丝杠副的传动效率为: 式中滚珠丝杠的螺纹升角当量摩擦角 根据当量摩擦系数和当量摩擦角关系（见表3-1），前面已经定v=1m/s，所以：=4°00，tg=0.0025 ；因为=arctg（Ph/d） 式中:Ph导程，5mmd丝杠公称直径，20mm2.91°则根据式（3.2）得：0.953。（2）滚珠丝杠副的安装 数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母本身的刚度之外，滚珠丝杠正确的安装及其支承的结构刚度也是不可忽视的因素。螺母座及支承座都应具有足够的刚度和精度。通常都适当加大和机床结合部件的接触面积，以提高螺母座的局部刚度和接触强度，新设计的机床在工艺条件允许时常常把螺母座或支承座与机床本体做成整体来增大刚度。 采用两种组合方式。一种是把向心轴承和圆锥轴承组合使用，其结构虽简单，但轴向刚度不足。另一种是把推力轴承或向心推力轴承和向心轴承组合使用，其轴向刚度有了提高，但增大了轴承的摩擦阻力和发热而且增加了轴承支架的结构尺寸。近年来国内外的轴承生产厂家已生产出一种滚珠丝杠专用轴承，这是一种能够承受很大轴向力的特殊向心推力球轴承，与一般的向心推力球轴承相比，接触角增大到60º，增加了滚珠的数目并相应减小滚珠的直径。这种新结构的轴承比一般轴承的轴向刚度提高了两倍以上，而且使用极为方便，产品成对出售，而且在出厂时已经选配好内外环的厚度，装配时只要用螺母和端盖将内环和外环压紧，就能获得出厂时已经调整好的预紧力。滚珠丝杠副安装方式通常有以下几种：(1)双推一双推方式 如图7a所示，丝杠两端均固定。固定端轴承都可以同时承受轴向力和径向力，这种支承方式，可以对丝杠施加适当的预拉力，提高丝杠支承刚度，可以部分补偿丝杠的热变形。(2)双推一支承方式 如图7b所示，丝杠一端固定，另一端支承。固定端轴承同时承受轴向力和径向力；支承端轴承只承受径向力，而且能作微量的轴向浮动，可以避免或减少丝杠因自重而出现的弯曲。同时丝杠热变形可以自由地向一端伸长。(3)采用丝杠固定、螺母旋转的传动方式 如图7c所示，此时，螺母一边转动、一边沿固定的丝杠作轴向移动： 由于丝杠不动，可避免受临界转速的限制，避免了细长滚珠丝杠高速运转时出现的种种问题。螺母惯性小、运动灵活，可实现的转速高。此种方式可以对丝杠施加较大的预拉力，提高丝杠支承刚度，补偿丝杠的热变形。(4)双推一自由方式 如图7d所示，丝杠一端固定，端自由。固定端轴承同时承受轴向力和径向力。这种支承方式用于行程小的短丝杠。图7Fig.7（3）滚珠丝杠副的防护 滚珠丝杠副和其他滚动摩擦的传动器件一样，应避免硬质灰尘或切屑污物进入，因此必须装有防护装置。如果滚珠丝杠副在机床上外露，则应采用封闭的防护罩，如采用螺旋弹簧钢带套管、伸缩套管以及折叠式套管等。安装时将防护罩的一端连接在滚珠螺母的侧面，另一端固定在滚珠丝杠的支承座上。如果滚珠丝杆副处于隐蔽的位置，则可采用密封圈防护，密封圈装在螺母的两端。接触式的弹性密封圈采用耐油橡胶或尼龙制成，其内孔做成与丝杠螺纹滚道相配的形状；接触式密封圈的防尘效果好，但由于存在接触压力，使摩擦力矩略有增加。非接触式密封圈又称迷宫式密封圈，它采用硬质塑料制成，其内孔与丝杠螺纹滚道的形状相反，并稍有间隙，这样可避免摩擦力矩，但防尘效果差。工作中应避免碰击防护装置，防护装置一有损坏应及时更换。（4） 滚珠丝杠副的润滑 润滑剂可提高耐磨性及传动效率。润滑剂可分为润滑油和润滑脂两大类。润滑油一般为全损耗系统用油：润滑脂可采用锂基润滑脂。润滑脂一般加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内，而润滑油则经过壳体上的油孔注入螺母的空间内。每半年对滚珠丝杠上的润滑脂更换一次，清洗丝杠上的旧润滑脂，涂上新的润滑脂。用润滑油润滑的滚珠丝杠副，可在每次机床工作前加油一次。3.4.4 丝杠轴承支承座选择选用型号如下图所示：（1）图8Fig.8（2）图9Fig.9由图中零部件的参数可知，均满足要求。3.4.5 步进电动机的计算与选型为了达到系统所要求的位置精度，系统驱动装置采用永磁同步交流步进电动机驱动。X向电机的选择：90BYG4501步进电机Z向电机选择：带刹车的步进电机Y向电机选择：90BYG4501步进电机(1) X向运动平台步进电机的计算与选择 工作条件及要求负载质量：错误！未找到引用源。运动行程：错误！未找到引用源。最大运动速度：错误！未找到引用源。最高运动加速度：错误！未找到引用源。运动定位精度：错误！未找到引用源。 角速度、加速度的计算1) 角速度的计算:错误！未找到引用源。2) 角加速度的计算：错误！未找到引用源。式中：l为滚珠丝杠导程，为错误！未找到引用源。电机功率的选择对于转动传动，常见受力负载一般为干摩擦力矩、惯性力矩、粘性摩擦力矩、重力例句、弹性力矩和风阻力矩。就本系统而言，只受其中四种力矩，即干摩擦力矩、惯性力矩、粘性摩擦力矩和弹性力矩。在选择电机时可作简化计算，只考虑其中三种力矩，即干摩擦力矩、惯性力矩和粘性摩擦力矩，但从实际情况出发，干摩擦力矩并不能实际计算出来，故只考虑两种力矩，惯性力矩和粘性摩擦力矩，以电机电动负载所需最大功率为选择电动机准则，经过计算可知电机所受轴向负载力和惯性力矩分别为：F=所以电机功率为式中：错误！未找到引用源。电机工况安全系数，初取为10； 错误！未找到引用源。传动效率，联轴器的传动效率为0.95，滚珠丝杠的传动效率为0.85； 错误！未找到引用源。负载质量； 错误！未找到引用源。负载转动惯量，由丝杠传动转动惯量的相关计算公式可知，负载折算到点传动机轴上的等效转动惯量为所选电机参数和经计算所得参数如下：90BYG4501步进电机，额定功率：错误！未找到引用源。；额定扭矩：错误！未找到引用源。；最大扭矩：错误！未找到引用源。；额定转速：错误！未找到引用源。；电机惯量：错误！未找到引用源。(2) Z向电机选择：Z向工作台是竖直运动的，选用此电机主要适合垂直运动的传动，刹车器只需外接1224VDC即可，当步进电机断电时，刹车瞬间启动，起到固定电机轴的作用，解决步进电机断电时电机仍可以维持锁死状态。图9Fig.9步进电机，额定功率：错误！未找到引用源。.3Kw；额定扭矩：4.5N·M；最大扭矩：错误！未找到引用源。；额定转速：错误！未找到引用源。；断电后自锁力矩2.2N·M。有以上X轴所用电机的选择可知，在满足要求的情况下，此向所受的载荷较少，所以选用此电机符合要求。3.4.5 根据工作台不出现爬行的条件来确定传动系统的刚度传动系统中的当量刚度K或当扭转刚度C主要由最后传动件的刚度K0或C0决定的，在估算时，取K=K0，C=C0对滚珠丝杠传动,其变形主要包括：错误！未找到引用源。丝杠拉压变形错误！未找到引用源。扭转变形错误！未找到引用源。丝杠和螺母的螺纹接触变形及螺母座的变形。错误！未找到引用源。轴承和轴承座的变形。在工程设计和近似计算时，一般将丝杠的拉压变形刚度的三分之一作为滚珠丝杠副的传动刚度K0，根据支承形式可得： 式中：E=2.06×10 -4(Kgf/ mm 2)F=754.8mm 2 L=Ls250 mm则根据式得：K0=203.2N/mm传动系统刚度较大，可以满足要求。3.4.6 联轴器的选用及安装 (1) 选用梅花形弹性联轴器其，主要适用于起动频繁、正反转、中高速、中等扭矩和要求高可靠性的工作场合。（1）工作稳定可靠，具有良好的减振、缓冲和电绝缘性能。（2）结构简单，径向尺寸小，重量轻，转动惯量小，适用于中高速场合。（3）具有较大的轴向、径向和角向补偿能力。（4）高强度聚氨酯弹性元件耐磨耐油，承载能力大，使用寿命长，安全可靠。（5）联轴器无需润滑，维护工作量少，可连续长期运行。(2) 联轴器的安装方法冷装法对于联轴器与轴有相应间隙的配合可在清理干净配合表面后,涂抹润滑油脂直接安装。对于过渡配合和过盈量不是很大的配合,或者有特殊要求的配合(如保护已装精密另部件)可采用压入法,但需要压入设备。联轴节的热装配工作常用于大型电机、压缩机和轧钢机等重型设备的安装中，因为这类设备中的联轴节与轴通常是采用过盈配合联接在一起的。过盈联接件的装配方法有：压入装配、低温冷装配和热套装配等数种。冷缩装配法一般用液氮等作为冷源，且需有一定的绝热容器，故也只能在有条件时才采用。热装法热套装配的本质原理是加热包容件(孔)，使其直径膨胀一个配合过盈值，然后装入被包容件(轴)，待冷却后，机件便达到所需结合强度。实际上，加热膨胀值必须比配合过盈值大，才能保证顺利安装而不致于在安装过程中因包容件的冷却收缩，出现轴与孔卡住的严重事故。同时，为了保证具有较大的啮合力结合强度，热套装配的结合面要经过加工，但不要过分光洁，因为一定的表面粗糙度(一般为Ra3.2)，不受轴向移动而被压平，冷却以后，将使内外机件的结合强度较大，所能传递的扭距也较大。3.5数控工作台的安装数控精密工作台必需安装在刚性良好的基座上，基座安装面粗糙度最低Ra1.60，平面度7级精度，必要时进行刮研加工。按照数控工作台底座上的安装孔位置配加工基座安装孔，用圆柱头内六角螺钉紧固。 3.5.1 数控工作台的使用注意事项· 数控工作台设定行走程序必须在有效行程内，不得经常冲击机械极限行程挡块，更不能直接用于限位。在频繁更换程序条件下，要自行设定电气限位开关，进行保护。 · 工作台各滚动元件必须保持清洁不得有切削或颗粒灰尘进入滚通内部，滚道严防硬物件撞击，通免出现损伤而造成精度丧失，甚至无法运行的损失。 · 开机前要清楚工作台行程区内所有物品，避免出现误碰撞或发生事故。 · 频繁连续工作场合，要定期检查紧固件的锁紧状态，如有松动，要及时紧固。尤其是联轴节与电机的螺钉，一定要紧固。 · 步进电机控制的工作台，要尽且避免使用电机的高、低速区域(参考电机矩频特性曲线)，否则易产生低速振动或高速失步的现象。 · 全套配置的数控工作台，通电前须检查各接线的正确性、牢固性、安全性。一切复合要求后，再接通电源，联机运行。 · 数控工作台滚动元件必须定期进行润滑，保证精度持久性。连续、高速使用时，建议采取集中润滑系统 · 标准型工作台没有防尘装置，故有切屑及粉尘水雾的工作环境避免使用。如有特殊要求订货时请注明。 · 工作台一般用于水平安装使用，在垂直安装使用时，工作台承重很小，滚珠丝杠副步自锁，要充分考虑自锁机构，通常用机械重锤平衡或抱闸电机。 · 工作台的承载一般在工作台面范围内，如果承载偏置超出台面，会产生较大偏矩，一定要注意重载荷的力点。 · 工作台面上预留的四个安装螺孔，安装物件时，螺钉宁入深度不得大于台面厚度，防止螺钉顶在导轨滑座上而使台面变形