高速led检测设备的结构设计-学位论文.doc

华中科技大学文华学院毕业设计（论文）文华学院毕业设计（论文）高速LED检测设备的结构设计学 生 姓 名： 宋宪振 学号： 070302021119 学 部 （系）： 机械与电气工程学部 专 业 年 级： 07机械设计制造及其自动化2班 指 导 教 师： 李文慧 职称或学位： 硕士 2011 年 5 月 15日I华中科技大学文华学院毕业设计（论文）目 录摘 要I关键字IAbstractIIKey wordsII1绪论11.1LED的发展现状和市场前景11.2国内外研究概况21.3本文主要研究内容42LED芯片检测原理和设备方案的选择62.1LED芯片检测的原理62.2LED检测设备的功能需求62.3LED检测设备的组成72.4检测设备工作过程73DH-LP320型LED检测机的机械结构设计83.1XY运动平台的设计83.1.1方案论证103.1.2丝杠螺母的设计和选型103.1.3导轨设计与选型173.1.4电机计算与选型213.1.5XY平移台的整体结构设计253.1.6XY移动平台丝杠导轨安装板的设计273.1.7马达托架的设计293.1.8导轨夹具313.2旋转工作台的设计333.3Z向工作台的设计343.4上部平台设计353.5探针台结构364DH-LP320型LED检测设备的Pro/E建模385设计总结40参考文献41致 谢4342高速LED检测设备的结构设计摘 要 LED的应用越来越广，用户对于LED产品的光色性能的要求不断提高，LED芯片的检测与分拣已成为LED芯片制造生产线中不可缺少的环节。此外，近年来我国LED芯片行业的发展促使LED检测分拣设备的需求量也越来越大。LED检测机是成套设备中的重要组成部分，而我国LED芯片的检测和分拣主要依赖国外设备，制约着我国LED芯片产业的发展。LED检测设备是对LED芯片光电参数进行检测，为分拣提供数据。本文通过研究国内外同类设备，分析其工艺原理和总体需求，提出设计方案，对DH-LP320型LED检测机的机械结构进行设计，包括对XY运动平台、旋转工作台、Z向工作台、上部结构、探针台的设计，主要对关键部位高速高精度XY运动平台的设计，分析比较选用丝杠导轨机构实现XY二维运动，根据使用要求对丝杆螺母、导轨、电机等进行计算与选型。用Auto CAD绘制各零部件工程图，采用Pro/E进行整机三维建模装配，所得到的三维实体模型直观、逼真的显现主要零部件的详细结构和形状，便于进行干涉检查，有效节约了产品设计时间，提高了设计效率，具有一定的实用价值。开发高速LED检测设备，对于打破产品垄断，降低国内设备应用的成本，增强企业竞争力，突破产能瓶颈，有非常重要的意义。关键字：LED；芯片检测；高速微动平台High-speed LED Test Equipment DesignAbstractAs more and more wide application of LED, the user of products for the LED light color performance is ever increasing, LED chip detection and sorting LED chip manufacturing has become an indispensable part of line, in addition, our LED chip industry in recent years prompted the LED chip sorting device testing demand is also growing. LED chip testing equipment in the machine is an important part, and our LED chip testing and sorting of the main dependent on foreign equipment, which restricts the development of LED chip industry. LED is the LED chip testing equipment for testing optical parameters, to provide data for the sorting. Through the study of similar equipment at home and abroad, to analyze the process principle and the overall demand, proposed design, based on the DH-LP320 LED detector mechanical structure design, including the XY motion platform, rotary table, Z to the table, the upper structure, probe station design, the main part of the key platform for high-speed high-precision XY motion design, analysis and comparison of selected screw rail agencies to achieve the XY two-dimensional movement, according to the requirement of the screw nut, rail, motor, etc. are calculated and selection. Drawing with Auto CAD drawings of the components, the use of Pro / E three-dimensional modeling of the whole assembly, the resulting three-dimensional solid model of intuitive, realistic show the detailed structure of the main components and shape, easy to intervene so as to effectively save product design time and improve the efficiency of design, has some practical value. Development of high-speed LED testing equipment, for breaking the monopoly product, reduce the cost of the application of domestic equipment, and enhance the competitiveness of enterprises to break through capacity bottlenecks, have very important significance.Key words：LED；Chip Testing；High-speed Micro-platform1 绪论1.1 LED的发展现状和市场前景20世纪50年代末， Monsanto及Hewlett Packard公司研制出首只GaAsP红色发光二极管，称之为LED(Light Emitting Diodes)。LED是一种半导体材料制成的固体光源，物理层面上类似于P-N结二极管。当阳极与阴级间通正向电压时，电子和空穴向截面运动，复合后释放出能量，发出可见光或红外光是近几年来迅速崛起的光电器件。它具有亮度高、重量轻、电流小、电压低、体积小、发光响应速度快和节能等优点，容易与晶体管和集成电路配套使用，因而在光通信光源调制、照明和指示灯、等领域有广泛应用。早在1964年就研发出红光LED，之后出现黄光LED。直到1994年，蓝色、绿色LED才研制成功。1996年由日本Nichia即日亚公司成功开发出白光LED。白光LED是LED家族中最后一个问世的，白光是复合光，以人类眼睛所能见的白光形式至少需要两种以上的光混合。一般有下列两种混合方式：（1）三波长光, 即蓝色光、绿色光与红色光混合；（2）二波长光, 即黄色光与蓝色光混合。目前已商品化的产品很多是二波长蓝色光单晶片加上黄色荧光粉, 三波长光以无机紫外光单晶片加B、G、R三色荧光粉。由此可见，要想让LED真正应用在日常生活中，蓝色光LED芯片是不可缺少的。LED灯箱对白炽灯来说有很多优点，主要体现在：1、寿命长、抗振性好；2、单色性好，色彩鲜艳丰富；3、高效率、低能耗；4、响应时间短；5、绿色照明光源；6、体积小、重量轻；7、平面发光，方向性强；8、单个LED 的光通量小等。正是由于LED的这些优点，所以越来越受到人们的重视。LED低压闪光灯电路省电、高效、简单、成本低、占PCB板面积非常小，特别适用于手机、数码相机等手持设备，因此将赢得整个手持设备和手持影像产品市场的青睐以及大屏幕彩色显示、路灯、多媒体显像、医疗设备、交通信号灯、打印机、汽车前照灯等方面，因此各国也加强了相关的研究工作。LED产业规模发展非常迅猛，市场潜力非常大，但是它的发展离不开LED装备业的发展作为支撑。而LED行业又有它的特殊性，由于生产过程的原因，每个LED芯片都是独一无二的，在光电特性上都有稍许不同，这就要求所有LED芯片都要进行测试并根据其光电特性进行分拣，LED检测设备的作用就在于此。而对于研发和生产成本相对较高的蓝色LED芯片，特别是高亮蓝色LED，更是有很大必要对其实施检测和分拣，LED芯片检测和分拣是LED芯片生产流程中不可缺少的部分。随着LED照明产业的发展，国内芯片产能目前呈爆发式增长，检测和分拣的速度是整个生产流程的瓶颈，而高速LED检测设备和分拣设备基本完全依赖进口。因此，开发具有自主知识产权的高速LED检测设备和分拣设备，对于打破产品垄断，降低国内设备应用的成本，增强企业竞争力，突破产能瓶颈，都有非常重要的意义。由此可以看出，对LED芯片的高速检测设备进行设计是非常必要的，所以高速LED检测机是不缺少市场的。随着国家照明工程的起步，国内LED芯片设备的巨大需求再次引起了国外LED设备生产商的积极响应，他们日益重视中国国内这个巨大的市场。但是，在这里面也存在着一个隐忧，国外芯片设备的价格昂贵，相对制约了国内企业的产业化、规模化发展，也消耗了国家宝贵的外汇资金，同样减小了国内设备生产商的发展空间。同时， LED行业属于高精尖技术行业，与LED芯片相关的设备都有很高的性能要求和加工要求，这也阻碍了国内LED芯片设备的研发。中国的LED产业需要包括设备制造企业、LED生产企业以及国家等多方面的努力，才可以迅速地成长起来，并在国际大环境中占有自己的一席之地。1.2 国内外研究概况日本是LED产业的大国和起源国，其LED产业发展较早且拥有较多的相关知识产权。日本、东芝、夏普、索尼、日亚昭和等企业最早进入LED研究领域，至今上游芯片及白光、蓝光LED制造技术专利仍然大多为日本掌握。对于欧洲来说，虽没有较多资料显示其研究情况，但像Osram，Philips等大公司也投入到LED产业研究中，美国的LED研究也较早起步，主要有HP，CREE，GE等公司，我国台湾地区也有如光宝、晶元光电和亿光等公司紧随这些国际大公司之后。LED产业被认为即将引发第三次照明革命，并能解决环境污染和全球性的能源短缺问题。LED的优势是不言而喻的，在当前全球能源紧张的情况下，发展LED是节能的一个很有效的途径。世界多个国家和地区都提出了自己的LED推广工程计划，见下表1-1。仅LED景观灯一项就可以在我国带来3000-5000亿人民币的产值。有鉴于此，各国都针对自己的LED产业提出了相应的振兴计划和扶持政策，以期望在这一新兴领域占据一席之地。在我国，在2003年6月17日，国家科技部联合信息产业部、教育部等部门以及北京、上海等地区联合成立了国家半导体照明工程协调领导小组，正式启动“国家半导体照明工程”。各地政府也纷纷出台了相应的扶持政策和措施。如东莞市决定，采用国产LED测试和分拣设备的厂家，在采购时政府给予60%的资金补贴，由此可见，政府的支持力度是相当大的。随着LED产业的发展，相关检测设备的需求大幅度提升。通过近几年的发展，我国LED检测设备的国产化已有了很大的提高，部分设备的技术甚至达到了国际领先水平。我国半导体照明LED技术标准、检测设备的发展，将有力推动LED应用产品的技术提升和产业发展。同时，也为中国在LED应用产品的自主创新和走向国际市场提供重要的支撑。表1-1 世界各国的半导体照明计划国家时间项目名称项目预期目标预计效益日本1998年21世纪光计划到2006年50%的传统照明被白光LED取代可减少12座核电厂的发电量，每年节省10亿吨L以上的原油消耗。美国2000年国家半导体照明计划到2010年55%的白炽灯和荧光灯被白光LED取代每年节约350亿美元电费，每年减少7.55亿吨CO2，形成500亿美元的大产业。韩国2004年固态照明计划20042008年国家投入1亿美元，企业只提供30%的配套资金，预期2008年达到80lm/W欧洲2000年彩虹计划通过欧州共体的补助金推广LED的应用通过应用半导体照明实现节能、高效、不使用有害环境的材料、来模拟自然光的目标中国台湾2001年次世纪照明光源开发计划以白光LED取代100%的荧光灯和25%的白炽灯每年节省110亿kwh，相当于一座核电站的发电量中国大陆2003年国家半导体照明工程20062020年，投资50100亿元发展半导体照明， LED达到150200lm/W，15元/klm。技术形成自主知识产权。建立半导体照明产业，全面进入通入照明市场占有3050%的市场份额，实现节电30%以上，年照明节电1000亿kwh以上我国大陆LED芯片研究起步较晚，国内的主要研究机构有厦门大学物理系、中科院长春物理所、中国电子科技集团公司第13 所以及华中科技大学等几个高校、研究所开展研究工作。规模较大，实力力较强的LED芯片生产企业主要有：厦门三安、西安中为、香港曾明利、杭州士兰明芯、湖南华磊等。在技术上，我国LED产业主要在红黄光、蓝光、紫外光方面有研究成果，2001年4月南昌大学成功研制出紫外发光二极管，该发光二极管光输出功率大于等于500W。这一项目属于国际前沿的研究项目。现阶段中国LED产业，从事该产业的人数达5 万多人，研究机构20 多家，企业4000 多家，其中上游企业50 余家，封装企业1000 余家，下游应用企业3000 余家。国家科技部也将“国家半导体照明工程”列入“十一五”科技发展计划。在LED 上游外延片生产上，日本、美国、欧盟仍拥有巨大的技术优势，而中国台湾则已经成为全球重要的LED 生产基地。国内只有研究机构或少数院校等在外延片方面进行研究，但是国内庞大的应用需求，给LED 下游厂商带来巨大的发展机会，国内生产的如景观照明灯具、显示屏等LED 应用产品已经出口到美国、欧盟等国家和地区。国际上由于LED产业起步较早，有关LED芯片检测分拣的设备的研究也较早。佐竹与1996年就发明了一种多色的分拣机光学检测仪，包括至少两种不同光谱范围的LED材料检测，并可以通过检测信号并放大后予以选择，可以算是早期的LED分拣检测设备。当前市面上主流的LED芯片检测分拣设备厂商主要有日本OPTO System公司、香港ASM公司及台湾长洛精仪公司。日本Opto System公司推出其系列化产品较早，但其产品较少。在红火的LED产业中，国内只有针对LED成品进行分类分拣的设备，而没有针对LED芯片的分拣设备。目前国外经过分拣的LED每只利润增加1分人民币，国内年生产LED管200亿只，如果有一半LED经过分拣，增加利润近一亿元。在国内高校，华中科技大学、浙江大学等一些国家重点院校，利用学科优势，积极开展针对LED产业的研究工作。其中，浙江大学现代光学仪器国家重点实验室在LED光学参数测试上拥有比较丰富的经验，并逐步涉足研究LED 单管的分拣设备，便携式LED单管分谱检测仪就是其中一个较为成熟的产品。它主要由可调恒流源、光学系统、探测系统、采样系统和PC机主控系统构成。该仪器能够快速测量LED单管的波长，并根据波长进行筛选分类。但是，这种LED单管的分拣没有实现自动化，分拣速度不高，不能够适应LED产业化的要求。1.3 本文主要研究内容本次毕业设计主要以高速LED检测设备为对象，对LED芯片光电参数进行检测，且实现高速检测，达到或超过国内外设备的检测速度而设计。LED检测设备包括光学、机械、电控和计算机四部分，本文对其机械结构部分进行设计，包括机架、四维运动平台、上部结构、探针台四部分组成。检测机上主要完成是设计高速高精确二维移动平台，高精确旋转台，高精确升降平台，探针装置，机体结构等工作。研究其原理进行设备方案的选择，提出设计方案，选用丝杠导轨机构对DH-LP320型LED检测机的机械结构进行设计，使用Pro/E对设计的零件进行整机三维建模进行干涉检查。实现以上内容要求我们熟练掌握和运用所学过的知识，对我们进一步巩固和加强专业知识和培养专业技能有很重要的实践意义。具体内容如下： 分析LED的发展现状和市场前景，国内外高速LED检测设备的研究概况； 研究LED芯片检测的原理、检测设备的功能需求、基本组成以及工作过程； 对DH-LP320型LED检测机的机械结构进行设计，包括对XY运动平台、旋转工作台、Z向工作台、上部平台、探针台的设计，主要对关键部位高速高精度XY运动平台的设计，分析比较选用丝杠导轨机构实现XY二维运动，根据使用要求对丝杆螺母、导轨、电机等进行计算与选型； 使用Pro/E对设计的零件进行整机三维建模进行干涉检查，检验设计结构的合理性。2 LED芯片检测原理和设备方案的选择2.1 LED芯片检测的原理在LED芯片的实际应用中，对其光电的一致性要求很高，尤其是用于阵列显示的场合，必须保证各个象素的配色正确，而且还要保证各像素颜色的一致性，才能保证最终色彩还原。不同的峰值波长反应到人眼中的色差感觉也不同，由于半导体芯片制造工艺的限制，当前生产出来的LED芯片存在着光电参数不一致现象，其色差通过肉眼即可分辨，即使是同一品牌同一批次的LED亮度差值可达一倍以上，因此对LED芯片光电参数进行检测，为分拣提供数据就是LED芯片检测设备的主要功能需求。芯片检测的目标是对芯片进行表面检测和光电检测，按照用户需求实现晶圆片的完整mapping图输出。其原理是通过视觉系统对芯片盘上的芯片进行扫描，记录其正常芯片数量、排列状态、分布和位置等；再使用探针对LED芯片电极进行接触并加正向电压点亮，通过光参探头和亮度探头探测其光电参数并计入计算机。芯片盘上全部芯片检测完后输出完整的检测图像和分级数据，为芯片的分拣做准备。2.2 LED检测设备的功能需求检测的基本要求：在扫描区内对芯片盘进行视觉扫描。在测试区内对LED芯片夹紧并触发发光。利用LED测试装置测试光强和波长。检测的具体要求：LED检测是通过对LED芯片通电致发光，对LED芯片的光电参数进行检测，获得芯片等级划分所需的信息。LED芯片上有正负两个电极，给LED芯片加正向电压LED芯片点亮，LED芯片的伏安特性可以通过测量LED正向导通电压获知。芯片的电压和电流是通过探针和芯片的正负电极接触而获得的，需要两根探针分别接触芯片的正负两极，探针固定在探针座上并通过电路板与电源连接。检测设备的成功关键在于探针接触电极的定位精度和速度上。LED芯片的检测需要探针和电极精确的定位，在视觉图像检测的基础上实现对LED芯片的精确定位，从而保证探针和LED芯片电极的紧密接触，完成检测要求。另外，本设备还有一个检测速度要求，即实现高速检测，目前国内外使用的设备大部分为46颗，本设备也是为达到或超过这个速度而设计。所以本设备的速度设定为20K，即每小时20,000颗每秒钟68颗。2.3 LED检测设备的组成LED检测机包括光、机、电和计算机四部分：光学部分：包括LED芯片发光的光学参数的快速采集，光强测量，波长的测量，图像采集所需要的照明光源等。机械部分：检测机上主要完成是设计高速高精确二维移动平台，高精确转台，高精确升降平台，探针装置，机体结构等工作；在分拣机上主要完成是加工两套高精确二维平移平台，高精确转台，摆臂分拣装置，顶针装置等工作。电控部分：包括用恒流源与恒压源驱动芯片的智能程控电路，步进与伺服电机驱动，探针运动，系统的各种继电器、光电门、气阎等的控制，与计算机的接口等，测量和控制探针、精密移动台的运动。计算机部分：在LED检测设备上主要完成是对芯片进行图像获取及识别、芯片外观检测与精确定位，参考芯片确定，控制系统移动台与探针的运动，芯片的光电特性分析处理，对检测结果进行分类处理、保存等工作。2.4 检测设备工作过程根据上述的检测要求和设备组成，检测设备工作过程为：首先把芯片盘使用真空吸附，真空吸附的目的在于防止在高速工作时芯片盘抖动和在探针点亮LED芯片时把芯片盘损坏；第二步，对正，芯片在芯片盘上大部分是同向整齐排列的，对正是通过旋转机构带动真空吸盘旋转，使绝大部分芯片的XY方向和设备XY行走方向对正，便于扫描和高速检测；第三步，扫描，设备XY两个方向的行走，通过视觉系统对芯片盘进行扫描工作；第四步，调探针，在视觉系统下将两个探针和基准芯片的两极接触，使电路导通；第五步，检测，对外观正常的芯片进行检测，并把数据记录到计算机，为LED芯片的分拣准备数据。3 DH-LP320型LED检测机的机械结构设计DH-LP320型LED检测机是本次设计LED检测设备具体的型号。DH代表公司，L-LED，P-检测，3-三层晶元，20-速度20K/h。LED检测机结构部分包括机架、四轴平台、上部结构、探针台四部分组成。机架：机架是LED检测设备各部分的安装平台，也是最基本的结构。其包括骨架，由方钢管焊接组成，骨架是机架的主体结构，其作用主要作为整部机器的支撑；下层安装板，是地面和机器内部结构的一个分离；中层安装板，主要作为高精度XY平台的安装；上层安装板，主要作为上部结构和探针台的安装板；电气安装板，安装电气设备；工控机固定板，安装工控机光源等；气动设备固定板，固定气压表等。四轴平台：所谓四轴平台是X、Y、Z、四轴，包括高精度XY移动平台、高精度旋转平台、升降平台。高精度XY微动平台，其主要功能是提供X方向和Y方向的高速高精度的移动，其包括X向和Y向的移动平台，在上层装有旋转平台的安装板；旋转平台，提供正负15的旋转以便将芯片方向和XY平台方向对正；升降平台，提供05mm的快速升降运动。上部结构：包括扫描镜头的固定结构、调探针镜头的固定结构、光纤探头和亮度探头的固定。另外需要实现光纤探头和亮度探头的U向的移动。探针台：探针台的主要作用是接触LED芯片两极，导通电路，点亮LED芯片，其需要三向调整结构，为了不损坏LED芯片，其应该有缓冲弹簧，避免压力过大损毁芯片。3.1 XY运动平台的设计运动平台是机械结构中的关键部位，因为芯片非常小0.2mm0.2mm，如图3-1、3-2。主要是用来承载芯片并通过精确定位实现对芯片光电参数的检测。运动平台包括四个方向的运动，分别是：X，Y，Z，(旋转)方向。由于芯片盘安装误差，肯定会造成芯片排列线与XY方向不平行导致扫描和检测时的困难。此时，就要依靠中间的工作台进行微小调整，以达到平行的要求，这样才能够准确地使探针和电极的接触提供一个最基本的前提。Z方向的运动是给芯片盘提供向上的运动，以使芯片电极和固定的探针接触导通电路。XY运动平台的二维运动则是提供给测试工作台进行平移，将下一颗芯片送到工位，实现测试工作的顺序进行。图3-1 视觉系统下的芯片图3-2 直径为150mm的芯片盘（大约有4万颗芯片）3.1.1 方案论证方案描述：实现高精确XY二维运动的方案有多种，目前提出三种可行方案:直线电机方案、外购XY平移台方案、丝杠导轨方案。方案一、直线电机方案：通过直线电机实现水平移动，将两个单向的直线电机垂直组合实现XY二维运动。方案二、外购XY平移台方案：现在有很多商家提供组装好的二维运动平台，例如日本的THK公司等。方案三、丝杠导轨方案：通过电机带动丝杠的旋转，由丝杠螺母通过平台连接导轨上的滑块，使平台沿导轨方向直线运动，通过控制电机的转速和转向，控制直线运动的速度和方向。由两套丝杠导轨垂直安装实现二维运动。表3-1 方案比较方案直线电机外购平台丝杠导轨结构需设计辅助结构无需辅助设计需要辅助设计安装，稳定性，维护安装要求高，稳定性高，维护复杂容易安装，稳定性高，维护方便安装要求高，稳定性高，不易移动位置成本成本高成本高成本低方案确定：根据表3-1方案的比较，XY二维移动平台安装在机架中层板上。这个工作台只是在机器调整的时候会有微小的调整，一旦设备调整到最佳状态，这个工作台就不会再有动作，因此，它不是频繁移动的部件，所以在考虑经济性后采用第三种方案丝杠导轨机构。3.1.2 丝杠螺母的设计和选型丝杠螺母的设计主要是通过计算从THK的产品中选择适合的丝杠螺母，丝杠螺母的设计选型主要涉及的内容有：丝杠轴直径、导程、螺母型号、精度、轴向间隙(予压)、丝杠轴支撑方式。确定这些选型内容后也可以参考其他公司的样本资料进行对比，在不同公司的产品中选出符合要求的丝杠螺母。根据技术上的要求提出使用条件见表3-2。表3-2 使用条件序号名称单位数值1运送方向水平2运送质量(m)Kg253工作台导向方法滑动4导向面上的摩擦系数()0.15导向面的阻力(f)N256轴向外部负荷(F)N2.57希望寿命时间（Lh）H262808行程长度lsmm1709操作速度Vmaxm/s0.2510加速时间t1S0.0611等速时间t2S0.0612减速时间t3S0.0613加速度a=Vmax/t1m/s20.4214每分钟往返次数nmin-1515定位精度mm0.0116反复定位精度mm0.00217无效行程mm018减速比1表3-3 THK丝杠的精度等级导程精度与轴向间隙（予压）：为了得出定位精度0.01mm/170mm，所以滚珠丝杠的精度等级按表3-3选择如下。从表中可得知C3级，运行距离误差0.01mm/200mm。故选择THK精度等级为C3级的丝杠轴。为了满足0mm无效行程的要求,必须选择轴向间隙在0以下的滚珠丝杠。因此,从满足轴向间隙0以下的精密滚珠丝杠里，参照表3-4选择预压标记为G0的滚珠丝杠。从上所述,选择THK丝杠予压为G0、精度等级C3的精密滚珠丝杠。表3-4 THK丝杠予压型号丝杠轴的设计与支撑方法选择：假定螺母全长为100mm,丝杠轴末端长度为100mm。所以根据行程长度170mm决定的全长。170+200370mm，所以丝杠轴长度假定为370mm。驱动马达的额定转速3000min-1、最高速1m/s时，滚珠丝杠的导程如（3-1）式： （3-1）因此必须选择5mm或5mm以上的导程。符合导程精度和轴向间隙（予压）所要求的滚珠丝杠为精密滚珠丝杠，导程为5mm，参照表3-5 ，丝杠周的外径有12、14、16、20、25、（28）、32、（40）、（50）。外径为12、14的丝杠轴过细，32以上的丝杠轴过粗，所以丝杠轴外径暂定为20。因为最高速是0.25m/s 属于高速使用，故丝杠轴的支撑方法可选择固定-支撑或固定-固定的方式，但是固定-固定的方式结构比较复杂，且部件精度和组装精度要求高。因此此设备滚珠丝杠的支撑方法选择固定-支撑的方式。螺母的型号选定为THK循环器式，包括DK、DKN、JPF和DIR型如图3-3，这些型号是最小型的螺母，通过循环去改变钢球行进的方向，越过丝杠轴外径回到原位，做无限循环运动由于尺寸大小等原因，为DIK型。图3-3 DIK结构表3-5 THK精密滚珠丝杠轴外径与导程的标准组合（单位：mm）容许轴向负荷的探讨：最大轴向负荷的计算：初始条件如表3-6。 表3-6 初始条件导向面的阻力2.5N工作台质量+工件质量（m1+m2）25Kg导向面上的摩擦力2.5N最大速度0.25m/s重力加速度10m/s2加速时间0.06s由此可知，所需数据如下 （3-2） （3-3） （3-4） （3-5） （3-6） （3-7） （3-8）其中：a加速度； Fa1去路加速时； Fa2去路等速时； Fa3去路减速时； Fa4来路加速时； Fa5来路等速时； Fa6来路减速时；作用在滚珠丝杠上的最大轴向负荷为Famax=Fa1=255N；表3-7 安装方法相关系数安装方法12固定-自由0.251.3固定-支撑210固定-固定420丝杠轴的挫曲载荷：与安装方法相关的系数参照表3-7，螺母和轴承之间的安装方法按固定-支撑方式，安装间距（推算），丝杠轴沟槽谷径丝杠轴的容许拉伸压缩负荷：31.2KN由此可见，丝杠轴的挫曲载荷和容许拉伸压缩负荷大于等于最大轴向负荷，如图3-4。因此，满足这些条件的滚珠丝杠在使用上没有问题。容许转速的探讨：电机转速：式中：Vmax=0.25m/s最大速度；Ph=5导程。图3-4 容许轴向负荷线图由丝杠轴的危险速度所决定的容许转速：与安装方法相关的系数（参照表），为考虑危险速度，螺母轴承间的安装方法按固定-支撑，安装间距（推算），丝杠轴直径20mm,导程5mm，丝杠轴沟槽谷径。由DN值所决定的容许转速：钢球中心直径D=20.75mm。由上述可见，当丝杠轴直径为20mm，到功成为5mm时，能满足危险速度和DN值。螺母选择：使用精密滚珠丝杠，丝杠轴直径20mm、导程5mm的螺母为小导程丝杠DIK型，因此可选择：DIK2005-6（Ca=8.5KN，C0a=17.3KN）。容许轴向负荷的探讨：对基本静额定负荷（C0a）最小的DIK2005-6型(C0a17.3 kN)进行容许轴向负荷的探讨。假定此型号用于高速搬送装置以及加速、减速时作用冲击负荷,故静态安全系数(fS)为2.5，参照表3-8。，与最大轴向负荷255N相比，得出容许轴向负荷大，因而此型号没有问题。表3-8 静态安全系数(fS)使用机械负荷条件fS的下限一般工业机械无振动或冲击时11.3有振动或冲击时23工具机无振动或冲击使11.5有振动或冲击时2.57所谓基本静额定负荷(C0a),就是在承受最大应力的接触部分,是滚动体的永久变形量与滚动面的永久变形量之和达到滚动体直径的0.0001倍时,大小和方向都一定的静止负荷。对于滚珠丝杠,基本静额定负荷是以轴向负荷来定义的。表3-9 轴向负荷与运行距离的关系动作轴向负荷（N）运行距离（lm）Fa1去路加速时(s=0.5vt)25542.5mmFa2去路等速时(s=vt)585mmFa3去路减速时(s=0.5vt)-24542.5mmFa4返程加速时(s=0.5vt)-25542.5mmFa5返程等速时(s=vt)-585mmFa6返程减速时(s=0.5vt)24542.5mm轴向平均负荷：因为负荷方向不同，按Fa1、2、6为正方向的轴向平均负荷，Fa3、4、5 为负方向的轴向平均负荷，其中轴向负荷与运行距离的关系如表3-9。 （3-9） （3-10）由式（3-9、3-10） 得Fm1=Fm2 ,所以轴向平均负荷Fm=Fm1=Fm2=158N。额定寿命： rev，其中，负荷系数fw=1.5，参照表3-10。表3-10 负荷系数振动、冲击速度Fw微小微速时V=0.25m/s11.2小低速时0.25V=1m/s1.21.5中中速时1V2m/s23.5平均每分钟转数：每分钟往返次数n=8min-1 ,行程ls=170mm，导程Ph=5mm，。图3-5 THK丝杠公称型号构成例根据额定寿命计算工作寿命时间：额定寿命L= rev，每分钟平均转数Nm=400min-1 ,；根据额定寿命计算运行距离寿命：导程Ph=5mm。由上可知，能满足希望寿命时间30000小时。型号确定：根据上述计算和论证，根据THK丝杠公称型号的构成，如图3-5，选定丝杠型号为：DIK2005-6RRG0+370LC3Y。 3.1.3 导轨设计与选型图3-6 径向方向需要高刚性时使用的2轴场合 图3-7 外加负荷计算方法使用条件：根据本机器的要求设定导轨滑块的使用条件：轨道截面中的空间尺寸（跨距、LM滑块个数2个/根、LM轨道根数2根和推力25N）（轴数标记：）；安装方式：水平使用（H），如图3-6；作用负荷的大小250N、方向向下；操作频率：8Hz；速度：0.25m/s; 1.25m/s2；行程长度：240mm；导轨总长460mm,要求寿命： 26280h（3年24小时）；运动精度：10m；使用环境：无尘；在特殊环境中（真空、无尘室、高温、受污染环境等），有必要考虑材质、表面处理、润滑和防尘等。表3-11 径向予压的种类