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贴片机机械设计课程设计 pang


编号:

机械设计课程设计说明书
题 目: 贴片机机构研究与设计 机电工程学院

院 (系) : 专

业: 机械设计制造及其自动化

1 设计任务.......................................................................

........................... 1
1.1 设计题目................................................................................................................. 1 1.2 设计要求................................................................................................................. 1 1.3 设计内容................................................................................................................. 1 1.4 设计工作................................................................................................................. 1

2 贴片机的整体结构方案设计 ................................................................. 1
2.1 贴片机的整体结构设计概述................................................................................. 1 2.2 贴片机的整体结构设计......................................................................................... 2 2.3 确定方案................................................................................................................. 4

3 贴装头 X-Y 移动定位系统的设计 ......................................................... 4
3.1 X-Y-Z 运动框架结构形式的的确定 ...................................................................... 4 3.2 驱动方案的确定..................................................................................................... 5

4 电机的选择计算 ..................................................................................... 6
4.1 X 轴方向的驱动电机计算 ..................................................................................... 6 4.2 Y 轴方向的驱动电机计算...................................................................................... 8 4.3 Z 轴方向电机计算.................................................................................................. 8

5 动力设计............................................................................................... 10 6 机械结构零部件设计 .......................................................................... 13
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 丝杆的设计 .......................................................................................................... 13 滚动导轨设计 ...................................................................................................... 19 齿轮的设计 .......................................................................................................... 19 同步带的设计 ...................................................................................................... 22 联轴器设计 .......................................................................................................... 25 键连接强度计算 .................................................................................................. 26

7 贴片机性能分析 .................................................................................. 26 8 总结....................................................................................................... 27

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1 设计任务
1.1 设计题目 贴片机机构研究与设计 1.2 设计要求 水平移动距离:300-600mm,上线移动距离:10-30mm; 生产率:3-5 次/秒。 1.3 设计内容 (1)贴片机整体结构的分析和设计。贴片机的整体组成,主要包括机架、 PCB 传送机构及支撑台、xy 与 z/ ? 伺服定位系统、光学识别系统、贴装头、供料 机、传感器和计算机操作系统。本课设主要设计机架、贴装头,并对其结构进行 具体的说明分析。 (2)关键部分的设计分析和其他零部件的选取 (3)贴片机中交流伺服电机的计算和选取 (3)机械零部件的计算与校核 1.4 设计工作 1、装配图两张(A3) 。 2、零件图两张(A3) 。 3、设计说明书一份。

2 贴片机的整体结构方案设计
2.1 贴片机的整体结构设计概述 贴片机的分类 目前世界上已经有很多个贴片机生产厂家,贴片机的种类达几百种之多,贴 片机的分类虽没有固定格式,但习惯上有一下几种。 1)按速度分类 中速贴片机:3000 片/小时<贴片速度<9000 片 /小时 高速贴片机:9000 片/小时<贴片速度<40000 片 /小时 超高速贴片机:大于 3000 片/小时 通常高速贴片机采用固定多头或双组贴片机头安装在 x-y 导轨上,x-y 伺服 系统为闭环控制,故有较高的定位精度,贴片器件的种类较广泛。这类贴片机种 类最多,制造商也多,可以在多种场合下使用,并具有多功能组合技术,可根据 不同的生产需要和环境的制约, 组合拼装使用。而超高速贴片机则多采用旋转式 多头系统,根据多头旋转的方向又分水平旋转式与垂直旋转式。 2)按功能分类 1.射片机 射片机是一种专门用与片式元件贴装的机器,由于贴装速度非常快,通常称 为高速贴片机。 2.多功能贴片机 多功能贴片机也叫高精度贴片机或泛用机,可以贴装高精度的大型、异型元 器件,一般也能贴装小型片状元件,几乎可以涵盖所有的元件范围。其有以下特 点:精度高、灵活性好;机械结构少磨损、反馈快、安静、易于保养等特点。多 功能贴片机能够处理各种各样的复杂的元器件, 是复杂电子产品生产中必不可少 的设备。

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3.高速多功能贴片机 一般的贴片机功能较为单一,对于复杂的产品,必须使用不同功能的贴片机 进行组合配线完成整个产品的贴装。 目前有的复合式贴片机和平行式贴片机能安 装多功能贴装头或者多功能模组,从而实现既能同时高速贴装小型片状元件,又 能贴装高精度、大型、异型元器件;可以接受几乎所得的元件包装方式,包括可 以加装盘装元件送料器。

2.2 贴片机的整体结构设计
2.2.1 贴片机的移动结构方案设计 贴片机两种移动结构方案如图 2.2.1 所示。

图 2.2.1

2.2.2 贴片机的移动结构方案比较 设计方案对比如表 2.2.2 表 2.2.2 方案一 X,Y 联动龙门架式结构 1)移动灵活性大 2)高速运转时移动定位准确 3)传动效率高 4)易于实现自动化生产 1) 结构占地面积大 2) 生产成本高 方案二 Z 轴旋转摆动式结构 1) 适用于一些但方向距离 较远的抓取 2) 设备占用体积小

方案名 称

优点

缺点

1) 摆动速度受到一定制约 2) 工作不稳定 3) 高速运转易出现震动

2.2.3 贴装头的方案设计 贴装头的的种类形式有多种,分类如下:

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单头 贴装头 多头 旋转式 转盘式 按照贴装头系统与 PCB 板运载系统以及送料系统的运动情况, 贴装头大致还 可分为 4 种类型:拱架式、复合式、转塔式、大型平行系统。不同种类饿贴装头 对应的贴片机各有优势, 通常取决于应用或工艺对系统的要求,并在其速度和精 度之间也存在一定的平衡。 拱架式结构又称动臂式结构,也可以叫做平台式结构。拱架式结构具有较好 的灵活性和精度,适用于大部分元件,搞精度的激情一般都是这种类型,但起速 度方面不是很快, 无法和复合式。 转盘式和大型平行系统相比。 如图 2.2.3 所示。 固定式 转塔式

图 2.2.3 拱架式运动图 复合式机构是由拱架式结构发展起来的,严格的说,复合式结构也是拱架式 的一种,它集合了转塔式和拱架式的特点,在动臂上安装有转盘,像 Simens 的 Siplace80S 系列贴片机,有两个带有 12 个吸嘴的转盘,如图 2.2.3 所示。复合 式结构通过增加动臂数量来提高速度,具有很大的灵活行,贴装速度可以每小时 5 万片。

图 2.2.3 复合式机构

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转塔式结构是以前高速贴片机最常用的结构,如图 2.2.4 所示。这种结构自 从 20 世纪 80 年代问世以来, 很长一段时间都是告诉贴片机的主力机型。这种结 构通常都有一个固定的转塔在旋转的同时进行元件的吸取、照相、贴装和吸嘴更 换等。 其优点速度高, 性能非常稳定, 如松下公司的 MSH3 机器贴装速度可达 0.075 秒/片。但是由于真空吸嘴上径向加速度的最大允许值受到限制和机械结构限制 而使贴装速度已达到一个极限值,不可能再有大幅度的提高。

图 2.2.4 转塔式结构 大型平行系统是有一系列的小型独立组装机组成。模块化结构,有着丝杆 定位系统等。而且速度上也比较高,如 PHLIPS 公司的 FCM 机器有 16 个安装头, 实现了 0.0375 秒/片的贴装速度,但就没个安装头而言,贴装速度在 0.6 秒/片 左右,仍可以大幅度提高。但其缺点成本较高,仅适用于大型企业。 2.3 确定方案 按照课设题目要求设计方案最终选择, 贴片机移动结构:X,Y 型龙门式结构 贴装头:拱架式结构 方案选择分析原因如下: 芯片拾取运动过程中,速度要求平稳,且高。贴装精度要求高。本次课题目 的是进一步提高贴片的精度,理论贴装精度为 1um,且贴装速度满足高速贴片机 的要求。

3 贴装头 X-Y 移动定位系统的设计
本设计中,贴装头的运动是由 X-Y 两轴联动实现的定位,X-Y 运动机构的功 能是驱动贴装头在 x 轴方向和 y 轴方向做往复运动,可实现贴装头快速、准确、 平稳地到达指定位置。 3.1 x-y-z 运动框架结构形式的的确定

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框架结构(即龙门架)一般分为 4 种,x-y 联动,z 单动,x-z 联动,y 单动; x-y-z 联动(上面:x-y 驱动平面在 Z 轴上方) ;x-y-z 联动(下面:x-y 驱动平 面在 z 轴下方) 。详见表 3.1。 表 3.1 序号 名称 简图 特点 1 x-y 联动,z 单动 横梁固定不动,刚 度容易保证;x-y 平台联动,是经典 结构,但不易提 速。 2 x-z 联动,y 单动 横梁、平台都容易 保证精度,但平台 行程要比其它机 构多 1 倍 3 x-y-z 联动(驱动上面) 结构简单,但 z 轴 不能高于 x-y 运动 平面,x-y 运功平 面中的一个方向 刚度不容易保证 4 x-y-z 联动(驱动下面) 横梁结构刚度是 设计难点,各项性 能优于其它结构 当横梁跨距值较小时,可以才用单侧驱动方式,当横梁跨距值较大时,最好 选用双侧驱动,单驱动横梁的扭矩摆值会较大。 在精度值要求不搞的场合下,可以采用悬臂结构代替框架结构,这样做会使 结构简单,成本降低。 X-y 运动机构的功能是驱动贴装头在 x 轴和 y 轴量个方向做往复运动,使贴 装头能够快速、准确、平稳地到达指定位置。选择第四种结构,作为本次设计的 结构,可以较好地满足高速、高精度的要求。三维实体建模图 3.1 如所示。

图 3.1

3.2 驱动方案的确定 采用两组交流伺服电机分别驱动 X 方向运动和 Y 方向运动,其传动机构是相

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同的。 方案一:交流伺服电机——同步齿形带——直线轴承 同步带由伺服电机驱动小齿轮,使同步带在一定范围内做直线往复运动。这 样带动轴基座在直线轴承上往复运动, 两个方向的传动组合在一起组成 X-Y 传动 系统。 方案二:交流伺服电机——滚珠丝杠——滚动导轨 贴装头固定在滚珠螺母基座和对应的滚动导轨上方的基座上, 伺服电机工作 是,带动螺母做 X 方向往复运动,由滚动导轨导向,保证运动方向平行,X 轴在 两平行滚珠丝杠的滚动导轨做 Y 方向运动,实现贴装头 X-Y 移动系统。 分析两种方案的优缺点:滚珠丝杆传动技术成熟,输出精度搞,但其噪声交 大:同步带传动机构噪声小,传动效率高,但其有弹性,驱动能力受到限制。经 过分析比较,选择第二种方案,且使用的双电机驱动。

4 电机的选择计算
4.1 X 轴方向的驱动电机计算 X 轴方向传动结构:伺服电机--同步带--滚珠丝杆--贴装头。按结构的设计 要求和尺寸的规划, 伺服电机输出轴通过同步带传动到滚珠丝杆,而不是用联轴 器直接相连。 X 轴方向驱动的负载包括:丝杆、贴装头以及同步带。 (1)贴装头换算到电机轴上的转动惯量 J1 。贴装头的质量计算,按贴装头形 状,贴装头的质量 m1 为 60kg。 贴装头的理论速度为秒/片,在 x-y 直线运动的速度为 1 米/秒,丝杆导程 20mm(导程选取详见丝杆设计) ,则电机理论转速 n=3000rad/min 取电机的启动 时间 t=0.1 秒,电机的角速度为 ? ,角加速度为 ? :

??
??

n? 3000 ? 3.14 ? ? 314 rad / s 30 30

?
t

?

314 ? 3140 rad / s 2 0.1

贴装头换算到电机上的转动惯量为 J1 :

J1 ?

2 mvm

?02

(4-1)

式中:m--贴片头质量,kg

vm --贴装头的速度,m/s

?0 --电机的角加速度,rad/s
把各数值代入公式 4-1 得
60 ?12 ? 0.0006 kg ? m 2 2 314

J1 ?

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(2)丝杆换算到电机轴上转动惯量 J 2 .所选丝杆的尺寸直径为 40mm,导程 为 20mm,长度为 750mm,它的质量 m2 为 34.09kg。 丝杆换算到电机的转动惯量为 J 2 :
J2 ? mt 2 4? 2i 2

(4-2)

式中:m--丝杆的质量,kg t--丝杆的螺距,m i--电机与丝杆直接的转动比 将各数值带入公式(4-2)得
J2 ? 34.09 ? 0.02 2 ? 0.0003 kg ? m 2 2 4 ? 3.14 ?1

负载的总的转动惯量 J ? J1 ? J 2 ? 0.0009 k g ? m 2 负载的惯性力矩为 T:
T ? J ??

(4-3)

式中:J--转动惯量, k g ? m 2

? --角加速度, rad ? s ?2
将各数值带入公式(4-3)得: T=0.0009×3140= 2.83 N ? m X 轴方向的负载的功率为 P:
P? T ?n 9550

(4-4)

式中:T--惯性力矩, N ? m N--电机转速, r ? min ?1 将数值带入(4-4)中计算得: 2.83 ? 3000 P? ? 0.89 kw 9550 电机的总功率为 P总 ? 1.2 P ? 1.2 ? 0.89 ? 1.1kw 根据以上计算结果,选取电机的型号为 SM 110-040-30LFB,其性能参数如下: ① 频率:200HZ ② 额定输出功率:1.2KW ③ 额定转速:3000rpm ④ 额定转矩:4Nm ⑤ 控制电压:AC 220V

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⑥ 外形尺寸:最大外径 110mm ⑦ 质量:1KG 4.2 y 轴方向的驱动电机计算 Y 轴方向传动结构:伺服电机--同步带--滚珠丝杆。其传动结构和 X 轴方向 一样。伺服电机驱动 Y 轴方向的负载包括:贴装头、丝杆、横梁架、x 轴的驱动 电机,贴装头和丝杆的尺寸 x 轴方向的相同,故惯性力矩数值也相同, Y 轴方向承受横梁和安装在其上面的滚动导轨总的质量一半 m3 为 100kg。 横梁换算到电机的转动惯量为 J 3 :
J3 ? mv 2 ? 100 ?12 ? 0.001kg ? m 2 2 314

?2

Y 轴方向负载的总的转动惯量为 J:
J ? J1 ? J 2 ? J 3 ? 0.0006 ? 0.0003 ? 0.001 ? 0.0019 kg ? m 2

负载的惯性力矩为 T: T ? J ? ? ? 0.0019 ? 3140 ? 5.97 N ? m y 轴方向负载的功率为 P T ? n 5.97 ? 3000 P? ? ? 1.9kw 9550 9550 y 轴伺服电机的总功率为 P : 总
P总 ? 1.2 P ? 1.2 ?1.9 ? 2.28kw

根据以上计算结果,选取电机的型号为 SM 130-0770-30LFB,其性能参数如下: ① 频率:200HZ ② 额定输出功率:2.4KW ③ 额定转速:3000rpm ④ 额定转矩:7.7N·m ⑤ 控制电压:AC 220V ⑥ 外形尺寸:最大外径 130mm ⑦ 质量:2.2kg 4.3 z 轴方向电机计算 (1)z 轴上下运动电机计算 Z 轴的上下运动的传动过程: 伺服电机--联轴器--齿轮箱--6 个工位的丝杆。 齿轮箱内部含有电磁离合器, 通过离合器和齿轮传动结构可实现一轴输入多轴输 出,且独立控制每一跟输出轴,达到 6 个工位的 Z 轴上下独立运动,以此节省电 机使用,使贴装头的重量大大减轻。其结构图如图 4.3 所示。

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图 4.3

根据所设计的传动方式,伺服电机驱动负载包括:联轴器、齿轮、丝杆贴装 头轴、吸嘴、元器件和 Z 轴旋转用的电机。由于吸嘴和元器件的质量远小于其它 见,可将其忽略。 贴装头轴和连接板的质量 m3 为 5kg,贴装头贴片时的 Z 轴方向理论速度为 150mm/s,丝杆导程取 2.5mm,则电机理论转速 n=3600rad/min 取电机的启动时 间 t=0.01 秒,电机的角速度为 ? ,角加速度为 ? : n? 3600 ? 3.14 ?? ? ? 376 .8rad / s 30 30 ? 376 .8 ?? ? ? 37680 rad / s 2 t 0.01 贴装头换算到电机上的转动惯量为 J1 :

J1 ?

2 mvm

?02

把各数值代入公式 3-1 得
5 ? 0.15 2 ? 7.92 ?10 ?7 kg ? m 2 2 376 .8

J1 ?

(2)丝杆换算到电机轴上转动惯量 J 2 .所选丝杆的尺寸直径为 6mm,导程 为 2.5mm,长度为 110mm,它的质量 m2 为 5kg。 丝杆换算到电机的转动惯量为 J 2 :
J2 ? mt 2 4? 2i 2

(4-5)

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将各数值带入公式(4-5)得
J2 ? 5 ? 0.0025 2 ? 7.91 ?10 ?7 kg ? m 2 2 4 ? 3.14 ?1

负载的总的转动惯量 J ? J1 ? J 2 ? 1.58 ?10 ?6 kg ? m 2 负载的惯性力矩为 T: T=1.58×10-6×37680= 0.06 N ? m X 轴方向的负载的功率为 P: T ? n 0.06 ? 3600 P? ? ? 23w 9550 9550 由于是一个电机带动 6 个工位动作则 电机的总功率 P : 总
P总 ? 1.2 P ? 6 ? 1.2 ? 5.6 ? 6 ? 0.17 kw

根据以上计算结果,选取电机的型号为 A110-30,其性能参数如下: ① 频率:200HZ ② 额定输出功率:0.4KW ③ 额定转速:3600rpm ④ 额定转矩:0.1N·m ⑤ 控制电压:AC 220V ⑥ 外形尺寸:最大外径 30mm

⑦ 质量:0.2kg 5 动力设计
齿轮箱的动力设计 齿轮箱结构如图 5.1 所示。

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图 5.1

0 轴:0 轴即电动机轴 Ⅰ轴: P ? 1
n1 ?

P0 ? Pr ? 0.17 kw

P0 ??01 0.17 ? 0.9925 ? ? 84 w 2 2
n0 ?1 8 0r / m i n 0 i01

T1 ? 9.55

P 84 1 ? 9.55 ? ? 0.45 N ? m n1 1800

Ⅱ轴: P2 ?
n2 ?

P0 ??01 0.17 ? 0.9925 ? ? 84 w 2 2

n0 ?1 8 0r / m i n 0 i02

T2 ? 9.55

P2 84 ? 9.55 ? ? 0.45 N ? m n2 1800

Ⅲ轴: P3 ? P ??13 ? 84×0.99=83.16w 1
n3 ? n1 ? 3 6 0r / m i n 0 i13

T3 ? 9.55

P3 83.16 ? 9.55 ? ? 0.22 N ? m n3 3600

Ⅳ轴: P4 ? P2 ?? 24 ? 84×0.99=83.16w
n4 ? n2 ? 3 6 0r / m i n 0 i24

T4 ? 9.55

P4 83.16 ? 9.55 ? ? 0.22 N ? m n4 3600

Ⅴ轴: P5 ? P3 ??35 ? 82.3w
n5 ? n3 ?1 8 0r / m i n 0 i35

T5 ? 9.55

P5 82.3 ? 9.55 ? ? 0.44 N ? m n5 1800

Ⅵ轴: P6 ? P4 ?? 46 ? 82.3w

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n6 ?

n4 ?1 8 0r / m i n 0 i46

T6 ? 9.55

P6 82.3 ? 9.55 ? ? 0.44 N ? m n6 1800

Ⅶ轴: P7 ? P5 ??57 ? 81.5w
n7 ? n5 ? 3 6 0r / m i n 0 i57

T7 ? 9.55

P7 81.5 ? 9.55 ? ? 0.21N ? m n7 3600

Ⅷ轴: P8 ? P6 ?? 68 ? 81.5w
n8 ? n6 ? 3 6 0r / m i n 0 i68

T3 ? 9.55

P3 81.5 ? 9.55 ? ? 0.21N ? m n3 3600

Ⅸ轴: P9 ? P7 ?? 79 ? 80.7w
n9 ? n7 ?1 8 0r / m i n 0 i79

T9 ? 9.55

P9 80.7 ? 9.55 ? ? 0.42 N ? m n9 1800

X 轴: P ? P8 ??810 ? 80.7w 10
n10 ? n8 ? 1 8 0r / m i n 0 i8 1 0

T10 ? 9.55

P 80.7 10 ? 9.55 ? ? 0.42 N ? m n10 1800

表 5.1
轴序号 0 Ⅰ Ⅱ

各轴运动及动力参数
转速 n /(r/min) 3600 1800 1800 转矩 T /N.m 0.5 0.45 0.45

功率 P /w 170 84 84

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Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ Ⅶ Ⅷ Ⅸ X

83.16 83.16 82.3 82.3 81.5 81.5 80.7 80.7

3600 3600 1800 1800 3600 3600 1800 1800

0.22 0.22 0.44 0.44 0.21 0.21 0.42 0.42

6 机械结构零部件设计
6.1 丝杆的设计 滑动螺旋的特点:①结构简单,加工方便;②易于实现逆行程自锁,工作安 全可靠;③摩擦阻力大,传动效率低;④容易磨损,轴向刚度较差。 滚珠螺旋的特点:①摩擦阻力小,传动效率高;②磨损小、寿命长、工作 可靠性好;③具有运动的可逆性,应设防逆动装置;④轴向刚度较高,抗冲击性 能较差;⑤结构复杂,加工制造较难;⑥预紧后得到很高的定位精度(约达 5um/300 ㎜)和重复定位精度(可达 1~2um) 。 根据贴片机的设计要求,拟选定滚动螺旋传动方式,结构图如图 6.1 所示。

图 6.1

6.1.1 工作设计规格 工作重量:W1=W/2=100kg 最大行程:Smax=600mm 最大速度:Vmax=1m/s 要求寿命:Lt=25000h 导轨滑动系数: ? ? 0.01 伺服电机: Nmax=3000rpm 定位精度: ? 1um /最大行程 6.1.2 运转条件 贴装头的运转各个时间段如图 6.1.2 所示。

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图 6.1.2

6.1.3 丝杆轴径、导程、螺帽之选定 (1)导程( Ph ): 由伺服电机最高转速,可得
Ph ? Vmax 60000 ? ? 20(mm) nmax 3000

(1)滚珠丝杆副的载荷及转速计算 首先分析图 速度呈直线变化,等加速度运动。 周期行的往复运动。 最高速度:Vmax=1m/s 加速时间:t1=0.1s 减速时间:t3=0.1s A.达到最高速度所行走的距离
?V ?V ? ? 0 ?1? x1 ? ? 0 ??t ? ? ? ? 0.1 ? 50(mm) ? 2 ? ? 2 ?

B.等速时所行走的距离:
x2 ? V ? t ? 1? 0.4 ? 400 (mm)

C.从最高速度到停止所行走的距离
?V ?V ? ?1? 0 ? x3 ? ? 0 ??t ? ? ? ? 0.1 ? 50(mm) ? 2 ? ? 2 ?

D.去时等加速度--阶段 1

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a1 ?

Vmax 1 ? ? 10(m / s 2 ) t1 0.1

F1 ? ?W1 g ? W1a1 =0.01×100×9.8+100×10=1009.8(N)
N1 ? nmax / 2 =3000/2=1500(rad/min)

E.去时等速度--阶段 2
F2 ? f ? ?W1 g =0.01×100×9.8=9.8(N)

N2= 3000(rad/min) F.去时等减速--阶段 3

F3 ? ?W1 ? g ? ma3 =0.01×100×9.8+100×(-10)=-990.2(N)
N 3 ? nmax / 2 ? 3000/2=1500(rad/min)

以上轴向负荷行走距离、时间、平均转速的关系如表 6.1.3 所示。 表 6.1.3-1 动作 轴向负荷 行程 时间 平均转速 去程加速度 1009.8 50 0.1 1500 去程等速度 9.8 400 0.4 3000 去程减速度 -990.2 50 0.1 1500 回程加速度 -1009.8 50 0.1 1500 回程等速度 -9.8 400 0.4 3000 回程减速度 990.2 50 0.1 1500 G.当量载荷 Fm、当量转速 Nm 计算
? F 3 ? n ? t ? F23 ? n2 ? t2 ? ...... ? Fn3 ? nn ? tn ? 3 ? ? 292.3N) Fm ? ? 1 1 1 ? ? n1 ? t1 ? n2 ? t2 ? ...... ? nn ? tn ? ? n ? t ? n ? t ? ...... ? nn ? tn Nm ? 1 1 2 2 ? 1154(rad/min) t 额定动载荷 Cm 计算
1
1

Cm ? f w ? Fm (60nm Lh ) 3 / 100 f a ? f c
式中: f a ? ?精度系数
f ? ?可靠系数
f w ? ?载荷性质系数

(6-1)

Lh ? ?预期工作寿命,h

查表把数据带入公式(6-1)得

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Cm ? f w ? Fm (60nm Lh ) 3 / 100 f a ? f c ? 1.2 ? 292 .3?60 ?1154 ? 20000 ?3 / 100 ? 3911.3N
1

1

工作寿命 Lh 查下表: 各类机械预期工作时间 机械类型 Lh 备注 普通机械 5000~10000 普通机床 10000~15000 250(天)×16(h)×10 数控机床 20000 (年)×0.5(开机率) 精密机床 20000 =20000 测试机械 15000 航空机械 1000 由于是精密丝杆传动,选 Lh =20000h; 又查表得: 载荷系数 载荷性质 无冲击平稳时 一般运行 有冲击和振动 fw 可靠性系数 可靠性/% fe 精度系数 精度系数 fa 1-1.2 90 1.0 1、2、3 1.0 1.2-1.5 95 0.2 4、5 0.9 1.5-2 96 0.53 7 0.8

由上表知: 载荷系数 fw=1.2;可靠性系数 fc=1.0; 精度系数 fa=1.0; 螺帽的选择 根据以上计算数据,可得选用: ① 外循环式高导程滚珠丝杆 ② 形式:FSWE ③ 循环圈数列:3.5×或 5×1 Ca 查表得 外径(mm) 导程 10(mm) 3.5×1 32 36 40 4130 50 6180 6.1.4 丝杆轴径之选定 高速移动时,可由许用转速来决定轴径。 用危险速度来计算所需丝杆公称直径:

5×1 4490 4750 5050 7550

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n ?? ?

60?2 2?L2

d0 EIg ? f 2 ?10 7 ?A L

d0 ?

n ? L2 ? 10 ?7 f

(6-2)

在此 L=最大行程+螺帽的长度/2+轴端预留量 =600+50+100=750(mm) 安装方式固定+固定 查表: f ? 21.9 把数据带入公式 6-2 得
d2 ? 3000 ? 750 2 ?10 ?7 ? 7.7(mm) 21 .9

6.1.5 滚珠丝杆刚性系统计算 由初始设计条件: 失位为 0.02mm(无负荷) 在此设定滚珠丝杆系统的构成元件(丝杆轴,螺帽及支撑轴承)的总变形量 为 0.006mm。此时滚珠丝杆系统组成的弹性变形量为 ?L ? 0.25(um) (1)丝杆轴的刚性:ks、弹性位移量: ? Ls 丝杆会产生最大轴向变形处在位置为丝杆中央
Ks ? A? E ? L ? 10 ?3 x ?L ? x ?

(6-3)

由图可在将 x=L/2 代入公式(6-3)

图 6.1.5

得: K s ?
?Ls ?

? ? d 22 ? E
Ls

? 10 ?3

Fa Fa ? Ls ? ?10 3 2 Ks ? ? d2 ? E

其中 Fa 为滑动阻力,值为 9.8N;计算结果如表所示 (2)螺帽的刚性:Km、弹性位移量: ? Ln

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以最大轴向负荷的 1/3 为预紧力 Fa0=Fmax/3=549/3=183N
? F ? K n ? 0.8 ? K ? a 0 ? ? ? ?C ? a ? ?
1/ 3

? ? 0.1 ,代入
?Ln ? Fa Kn

计算结果如 6.1.5 表所示. 表 6.1.5 丝杆轴 螺帽型号 32-FSWE20B1 36-FSWE20B1 40-FSWE20B1 50-FSWE20B1 螺帽 合计

d2
27.05 31.05 35.05 42.05

Ca

K

Ks
64.3 84.8 108.1 155.5

? Ls
0.15 0.11 0.09 0.063

Kn
61.8 66.3 75.5 85.3

? Ln
0.15 0.14 0.12 0.11

?L
0.3 0.25 0.21 0.17

4490 4750 4130 5300

85 93 101 99

在 ?L ? 0.25(um) 的条件下,加上没有考虑的轴承刚性和考虑经济性和安全性做 出以下选择 滚动丝杆型号:40-FSWE-20B1 轴径:40mm 导程:20mm (3)寿命的校核
? Ca ? 1 4130 1 ? ? 6 6 Lt ? ? ? F ? f ? ? 60 N ? 10 ? ? 295 .54 ? 1.2 ? ? 60 ? 1154 ? 10 =22808(h) ? ? ? m ? m w?
3 3

大于设计要求的寿命 20000h 许用回转速度校核 d2 n ? f ? 2 ?10 7 ? 13646(rad/min) L 危险转速为 13646(rad/min)远大于最大转速 3000(rad/min),故安全。 (4)滚珠丝杆应力计算

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??

F F 1009 .8 ? max ? ? 1.04 ?10 6 N / m 2 2 2 A ?d 2 / 4 ? ? 35.05 / 4

??

T ? r 597 ? 20 ? ? 1.2 ?10 6 N / m 2 J 1000

? max ? ? 2 ? ? 2 ? 1.58×106N/m2
经查手册符合强度要求。 6.2 滚动导轨设计 滚动导轨型号的选择 导轨类型的选择有滚动和滑动,本设计中选择滚动导轨。x-y 两个方向的导 轨选择型号为 GGB20AA 四方向等载荷型滚动直线导轨副。参数如下: 导轨长度:735 额定动载荷:11.6KN 额定静载荷:14.5kn 额定力矩:NA=92.4 N ? m NB=92.4 N ? m NC=154 N ? m 其结构简图和受力图如下:

图 6.2.1

图 6.2.2

6.3 齿轮的设计 高速级齿轮传动的设计计算 6.3.1 齿轮材料,热处理及精度 考虑此减速器的功率及现场安装的限制,故大小齿轮都选用硬齿面渐开线 斜齿轮 (1) 齿轮材料及热处理 ① 材料:高速级小齿轮选用 45 ? 钢调质,齿面硬度为小齿轮 小齿齿数 Z1 =24 280HBS 取

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高速级大齿轮选用 45 ? 钢正火,齿面硬度为大齿轮 ×12=48 ② 齿轮精度

240HBS

Z 2 =i×Z 1 =2

按 GB/T10095-1998,选择 7 级,齿根喷丸强化。 6.3.2 初步设计齿轮传动的主要尺寸 按齿面接触强度设计
3

d1t ?

KT1

?d

?

u ?1 Z ? ( E )2 u [? H ]

确定各参数的值: ①试选 K t =1.3 ②由课本 P202 公式 10-13 计算应力值环数 N 1 =60n 1 j Lh =60×3600×1×(2×8×300×5) =5.184×1 9 0h N 2 = =2.59×10 8 h ③查课本 P203 10-19 图得:K ? ?1 =0.93 ④齿轮的疲劳强度极限 取失效概率为 1%,安全系数 S=1,应用 P202 公式 10-12 得: [? H ] 1 =
K HN 1? H lim 1 =0.93×550=511.5 MPa S K HN 2? H lim 2 =0.94×450=423 MPa S

K ? ?2 =0.94

[? H ] 2 =

许用接触应力
[? H ] ? ([? H ]1 ? [? H ]2 ) / 2 ? (511 .5 ? 423) / 2 ? 467 .25MPa

⑤查课本由 P198 表 10-6 得: Z E =189.8MP a 由 P201 表 10-7 得: ?d =1 T=9.55× P1 / n1 =9.55×81.5/3600 =0.21N.m 6.3.3 设计计算 ①小齿轮的分度圆直径 d 1t
3

d1t ?

2 K tT1

?d

?

u ?1 Z ? ( E )2 u [? H ]

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3

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=

1.3 ? 0.21 4.2 189 .8 2 ? ?( ) ? 72 .139 mm 1 3.2 423

②计算圆周速度 ?

??

?d1t n1 3.14 ? 72.139 ? 3600 ? ? 13.59 m / s 60 ? 1000   60 ?1000

③计算齿宽 b 和模数 mnt 计算齿宽 b b= ? d ? d 1t =72.139mm ④计算齿宽与高之比 b
h

模数 mt=d1t/z1=72.139/24=3.005mm 齿高 h=2.25 mt =2.25×3.005=6.761 mm = 72.139 =10.68 h 6.761 ⑥计算载荷系数 K 根据 v ? 13.59m / s ,7 级精度, 查手册得 动载系数 Kv=1.07, K H? ? K F? ? K A =1, K H? ? 1.432
b ? 10 .68 , K H? ? 1.432 ,查课本由 P195 表 10-13 得: K F? =1.35 h 故载荷系数:

b



K ? K A KV K H? H F? ? 1?1.12 ?1?1.423 ? 1.594

⑦按实际载荷系数校正所算得的分度圆直径
3

3
K / Kt

d 1 =d 1t ⑧计算模数 m n

=72.139×

1.594 =77.21 mm 1 .3

mn =

d1 77.21 ? ? 3.2mm Z1 24

6.3.4 齿根弯曲疲劳强度设计 由弯曲强度的设计公式;
3

mn ≥

2 KT1 YF?YS? ( ) ?d Z 21 [? F ]

⑴ 确定公式内各计算数值 ① ② ③ 查手册得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 ? FE 1 ? 500 MPa ;大齿轮轮的弯曲 寿命系数 K FN 1 ? 0.85 , K FN 2 ? 0.88 计算弯曲疲劳许用应力。 强度极限 ? FE 1 ? 380 MPa

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取弯曲疲劳安全系数 S=1.4
S 1.4 ?? F ?2 ? K FN 2 ?? FE 2 ? 0.88 ? 380 ? 238 .86 MPa S 1.4 计算载荷系数 K。
K ? K A KV K F? H F? ? 1?1.12 ?1?1.35 ? 1.512

?? F ?1 ? K FN 1 ?? FE 1 ? 0.85 ? 500 ? 303 .57 MPa

④ ⑤ ⑥

查取齿形系数。
YFa 1 ? 2.65 ; YFa 2 ? 2.226

查取应力校正系数。
YSa1 ? 1.58 ; YSa 2 ? 1.764
YFa 1YSa1



计算大小齿轮的
YFa 1YSa1

?? F ?1

并加以比较。

?? F ?1 ?? F ?1

? ?

2.65 ?1.58 ? 0.01379 303 .57 2.65 ?1.58 ? 0.01379 303 .57

YFa 1YSa1

(2)设计计算
m?3 2 ?1.512 ? 0.21 ? 0.01644 ? 0.026 mm 1? 24 2

查课本由 P197 表 10-18 得弯曲疲劳寿命系数: K FN1 =0.86 K FN 2 =0.93 取弯曲疲劳安全系数 S=1.4
K FN 1? FF 1 0.86 ? 500 ? ? 307 .14 S 1.4 K ? 0.93 ? 380 [ ? F ] 2 = FN 2 FF 2 ? ? 252 .43 S 1.4 YF? 1 FS? 1 2.592 ? 1.596 ? ? 0.01347 [? F ]1 307 .14

[? F ] 1 =

YF? 2 FS? 2 [? F ] 2

?

2.211 ? 1.774 ? 0.01554 252 .43

大齿轮的数值大.选用. 6.4 同步带的设计 6.4.1 初始条件 (1)传递功率:P=2.28KW (2)小带轮转速 n1 ? 3000 rad / min ,大带轮的转速 n1 ? 3000 rad / min

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6.4.2 设计过程 (1)设计功率 Pd
Pd ? K A P

(6-4)

其中, K A --工况系数
P --传递功率,kw

根据设计条件,查手册可得 K A =1.8 代入数据到公式(6-4)得
Pd ? K A P ? 1.8 ? 2.28 ? 4.104 kw

(2)带型选择 根据 n1 和设计功率,查手册可得选用 5M 型号 (3)确定带轮齿数 Z1 和 Z 2 小带轮齿数按 Z1 ? Z min 原则确定, Z min 见下表 小带轮转速
n1 / r ? min ?1

型号(圆弧齿)(JB/T 7512.3-1994) 3M 5M 8M 10 14 16 20 22 14 20 24 28 30 22 28 32 36 -

14M 28 28 32 -

? 900 ? 900 ~ 1200 ? 1200 ~ 1800 ? 1800 ~ 3600 ? 3600 ~ 4800

则选小带轮齿数 Z1 ? 28 大带轮齿数 Z 2 ? iZ1 ? 1? 28 ? 28 (4)确定带轮直径 根据型号 5M 和齿数 28 查手册可得 大小带轮直径参数如下 带轮节圆直径:d=44.56mm,外径 d 0 ? 43.42 mm (5)选择带的节线长度 LP 和确定实际中心距 a a.计算带的初定节线长度 L0
L0 ? 2a0 ? 1.57 (d 2 ? d1 ) ? (d 2 ? d1 ) 2 4 a0

(6-5)

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式中, a0 --初定中心距, 初定取 a0 ? 144mm,把数据代入公式(6-5)得

L0 ? 2 ?144 ? 1.57 ? (44.56 ? 44.56) ?

(44.56 ? 44.56) 2 ? 441 .7mm 4 ?144

b.选择带的标准节线长度 LP 查手册可得 LP =450mm c.确定实际中心距 a 中心距近似计算公式为:

a ? M ? M 2 ? 32?d 2 ? d1 ? / 16

?

?

mm mm

M ? 4 LP ? 6.28?d 2 ? d1 ?

把数据代入以上公式的:
M ? 4 ? 450 ? 6.28 ? ?44.56 ? 44.56 ? ? 1240 .33mm
a ? 1240 .33 ? 1240 .33 2 ? 32?44.56 ? 44.56 ? / 16 ? 155 .04 mm

?

?

(6)确定中心距调整下限 I 和调整上限 S 根 据 节 线 长 度 , 查 表 可 选 得 中 心 距 安 装 量 I=1.27mm; 调 整 量 S=0.76mm。 中心距范围为: ?a ? I ? ~ ?a ? S ? 即: 153 .77 ~ 155 .8 mm (7)确定带长系数 K L 查手册可得 K L =0.9 (8)确定带啮合齿形系数 K z 啮合齿数: Z m? ent(0.5 ?
d 2 ? d1 ) Z1 ? 14 6a

mm

由 Z m ? 6 ,则啮合齿数系数取 K z ? 1 (9)确定带的基本额定功率 P0 根据以上数据结果查表得 P0=0.822kw (10)带速计算 ?d1n1 ? ? 44.56 ? 3000 v? ? ? 6.9m/s 60 ?1000 60 ?1000

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(11)确定带和带轮的宽度
bs ? bs 0 1.14 Pd ? 40mm K L K Z P0

查表取标准值 bs=40mm (12)计算压力轴 Q 压轴力 Q 示意图如图 6.4 所示

图 6.4

带的紧边张力 F1 计算:
F1 ? 1250 Pd / v ? 1250×4.104/6.9=743.48N

带的松边张力 F2 计算:
F1 ? 250 Pd / v ? 250×4.104/6.9=148.70N

小带轮的包角 ? 1 :

?1 ? 180 0 ?

d 2 ? d1 ? 57.30 ? 180° a

由包角可查手册得修正系数 K F =1 则压力轴 Q:
Q ? 0.77 K F ?F1 ? F2 ? ? 0.77×1×(743.48+148.70)=686.98N

6.5 联轴器设计 6.5.1 类型选择. 为了隔离振动和冲击,选用弹性波纹管联轴器 6.5.2 载荷计算 公称转矩:T=9550
p 0.17 ? 9550 ? 0.45 N ? m n 3600

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查课本 P343表14 ? 1 ,选取 K a ? 1.5 所以转矩

3

Tca ? K aT3 ? 1.3 ? 0.45 ? 0.585 N ? m

因为计算转矩小于联轴器公称转矩,所以查 《机械设计手册》 选取 BL-10-02 型弹性波纹管联轴器其公称转矩为 1N·m

6.6 键连接强度计算 6.6.1 类型选择 根据丝杆端部直径,选取 8×50GB/T 1096-2003 6.6.2 校核键连接的强度 键和轴,同步带的材料都是钢,查表可得许用挤压应力 [? P ] =110MPa。键 的工作长度 l ? L ? b ? 50-8=42mm,键与带轮的接触高度 k=0.5h=0.5×7=3.5mm。
[? p ] ? 2T ?10 3 2 ? 5.97 ?10 3 ? 2.9MPa<110MPa kld 3.5 ? 42 ? 28

故该键满足强度要求。

7 贴片机性能分析
贴片速度的分析计算 贴片机的速度所受到的影响因素很多,如:元器件的进料器的数量和位、元 器件定心和贴装头以及 PCB 装卸效率、PCB 的尺寸等,这些因素都是贴片机本身 无法控制的,但在设计的的过程中,只需考虑与贴片机相关的因素,即贴装头的 运动速度是决定了整体贴片机的贴装速度,于此对其进行理论分析,计算出在理 想条件下贴片速度,实际贴片速度通常为理论贴片速度的 65% ~ 70% 。 1.贴装周期 贴装周期:贴片主轴吸取元件、元器件定心、检测、贴放和返回到拾取元器 件的位置, 根据设计的贴片机的外形尺寸,贴装头的运功行程及贴片头的理论速 度可知,这所用的时间总和约为 1~2s 2.贴装率 贴装率是指在理想条件下,在一小时内完成的贴装周期数。测算时,采用 6 个连续的进料器。 贴片机在 50mm×200mm 的 PCB 上贴装均匀分布的只片式元件的 时间,计算出贴装一只元件的平均时间,最后计算出一小时贴装的元件数,速度 测算时不计 PCB 装载和卸载时间,其时间图如图 8.1 所示

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图7 路程计算: (1)起始位置----PCB 摄像 S1=300mm (2)PBC 摄像----拾取元件 S2=400mm (3)拾取元件----贴装 S3=400mm 时间计算: (1)电机启动时间 t1=0.1s (2)起始位置----PCB 摄像 t2=0.3s (3)PBC 摄像----拾取元件 t3=0.4s (4)拾取元件----贴装 t4=0.4s (5)拾取元件的时间 t5=0.2s (6)贴装元件的时间 t6=0.2s 经上述分析,计算可知,一个贴装循环的时间为 1.6s,贴装 300 元件需要 50 次循环,总时间为 80s,故贴装一只元件的平均时间为 0.2667s,所以一个小 时的贴装的元件数为 13500 只。 总上所述,所设计的贴片机在速度方面符合高速贴片机的性能要求。

8 总结
本次课程设计对贴片机进行了研究和结构设计, 完成了拱架式贴片机整体结 构设计,对其关键部件贴装头和丝杆转动进行了设计和分析,用 SolidWorks 三 维软件对整体机器进行了三维建模,对贴片机的模型建立、性能分析。主要研究 内容和取得的成果有如下几个方面: (1)利用 SolidWorks 软件设计出了贴片机的整体结构,制定合理装配顺 序,建立三维实体模型。 (2)对贴装头进行了设计和研究,设计了 6 个工位的贴装系统,采用由交 流伺服电机进行双驱动的 x-y 联动定位,有利于提高精度和速度。对各个伺服电 机进行了计算和选型。 (3)对贴片机的大部分零件进行了设计计以及安全校核,尤其是在是贴装 头的结构和传动部分, 通过对贴片机的设计, 我对机械设计的步骤和方法有了较深的了解。熟悉了 滚珠丝杆、滚动导轨、轴、轴承等零件的设计、校核的方法;培养了通过查阅和

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使用机械设计手册及通过外文资料选择零件的结构、材料、常用尺寸、加工精度 和误差的等的能力。 使我具备了设计机械的思维和方法,整个课程设计独立自主 完成,融汇了三年所学的机械以及电子各方面的理论知识。 能够完成本次课程设计, 我要感谢我们的指导老师匡兵老师,谢谢他对我的 悉心指导和严格督促。 由于我掌握的知识有限, 而机械设计又是一门复杂和深奥的学科,我的设计 中肯定存在很多的不足和需要改进的地方,希望老师指正。

参考文献
[1] [2] [3] [4] [5] 王坤、何小柏等主编 杨可帧、李仲生等主编 张黎骅、 郑严主编 孙恒 陈作模 主编 杨昂岳 主编 《机械设计课程设计》---北京:高等教育出版社,2007. 《机械设计基础》---北京:高等教育出版社,2006. 《新编机械设计手册》---北京: 人民邮电出版社,2008.5. 《机械原理》 ---北京:高等教育出版社,2006. 《机械原理 典型题解析与实战模拟》 ---长沙:国防科 技大学出版社,2003. [6] 王天曦 王豫明等编著 [7] 周明衡 主编 [6] 常德功、 孟兆明 主编 《贴片工艺与设备》---北京:电子工业出版社,2008. 《离合器、制动器选用手册》--北京:化工工业出版社, 2003. 《带传动和链传动设计手册》 ---北京:化学工业出版 ,2010


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