3492 四維微調(diào)工作臺機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3492 四維微調(diào)工作臺機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),微調(diào),工作臺,機(jī)械,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名 楊磊 院系 機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)、班級 機(jī)械 08-3 班指導(dǎo)教師姓名 陳佳瑩 職稱 講師 從事專業(yè) 機(jī)械電子工程 是否外聘 □是□否題目名稱 四維微調(diào)工作臺機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)目的、意義1.設(shè)計(jì)意義由于四維微調(diào)工作臺的運(yùn)用非常的廣泛，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案也多種多樣，所以對四維微調(diào)工作臺的研究設(shè)計(jì)將會(huì)高精密定位技術(shù)的發(fā)展，促使我們的技術(shù)能早日的趕上國外的發(fā)展水平。本課題是四維微調(diào)工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對四維微調(diào)工作臺的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及各個(gè)零部件的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，達(dá)到滿意的設(shè)計(jì)技術(shù)要求。當(dāng)前由于四維微調(diào)工作臺體積小、操作靈活方便、適應(yīng)性強(qiáng)而被廣泛的運(yùn)用在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，所以四維微調(diào)工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以極大的促進(jìn)高精度精密定位技術(shù)的發(fā)展，使高精度精密定位技術(shù)更有效在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域得以運(yùn)用，促進(jìn)社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步。2. 設(shè)計(jì)目的1）理解四維微調(diào)工作臺的工作原理，組成結(jié)構(gòu)以及工作流程2）完成一組四維微調(diào)工作臺機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過本次設(shè)計(jì)，使學(xué)生理解并掌握一般航天機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)過程掌握對航天機(jī)械關(guān)鍵零部件的尺寸計(jì)算和強(qiáng)度校核方法二、設(shè)計(jì)內(nèi)容、技術(shù)要求（研究方法）1.設(shè)計(jì)內(nèi)容闡述課題背景，對國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)和分析；根據(jù)主要技術(shù)指標(biāo)，在分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上制定總體設(shè)計(jì)方案，并闡明方案制定依據(jù)；完成四維微調(diào)工作臺運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)、零部件的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；對所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行精度和剛度校核。得出設(shè)計(jì)結(jié)論2.技術(shù)要求四維微調(diào)工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理完整，計(jì)算準(zhǔn)確，按時(shí)完成全部設(shè)計(jì)內(nèi)容，相關(guān)校驗(yàn)結(jié)果達(dá)到滿意的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)。三、設(shè)計(jì)完成后應(yīng)提交的成果（一）計(jì)算說明部分1.設(shè)計(jì)說明書字?jǐn)?shù)要求在 1.5 萬字以上（設(shè)計(jì)說明書一式一份） 。（二）圖紙部分1.零號裝配圖圖紙 1 張；2.零件圖圖紙合計(jì) 2 張；四、設(shè)計(jì)進(jìn)度安排1、2012.2.27-2012.3.20 查閱資料，做好記錄完成開題報(bào)告2、2012.3.21-2012.4.17 確定整體設(shè)計(jì)方案3、2012.4.18-2012.5.14 完善總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成裝配圖4、2012.5.15-2012.6.5 由裝配圖拆畫零件圖5、2012.6.6-2012.6.17 撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書，準(zhǔn)備答辯五、主要參考資料[1] 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊Ⅰ[S].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1991.9.[2] 蔣秀珍.機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)綜合訓(xùn)練圖冊[M].科學(xué)出版社，2002.1.[3] 薛實(shí)福，李慶祥.精密儀器設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1991.5.[4] 董申，劉海龍.微動(dòng)工作臺的研制及特性研究[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，18（6）：1－4.[5] 鞏娟，李玉和.新型三維微動(dòng)臺的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分析[J].現(xiàn)代制造工程，2005(2):115－117.[6] 張曉峰，林彬.大行程精密工作臺的發(fā)展方向[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),1998,20(3):99-102.[7] 王三民，諸文俊.機(jī)械原理與設(shè)計(jì)：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.12. 六、備注指導(dǎo)教師簽字：年 月 日系主任簽字： 年 月 日本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)四維微調(diào)工作臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系部名稱： 機(jī)電工程學(xué)院專業(yè)班級： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 08-3 班學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師：職 稱： 講師XXXX 學(xué) 院二○一二年六月The Graduation Design for Bachelor's DegreeStructure Design of 4D Micro Motion Stage Candidate： Specialty：Mechanical Design and Manufacture&AutomationClass：08-3Supervisor：Prof. of Technology2012-06· 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)I摘 要在當(dāng)前的工程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，激光發(fā)射器和各種光學(xué)器件的調(diào)節(jié)定位，都需要一種高精度的定位測量儀器。正是在這種需求下，產(chǎn)生了一系列精密定位測量儀器，本文設(shè)計(jì)了精密定位測量儀器四維微調(diào)工作臺。本設(shè)計(jì)對四維微調(diào)工作臺的精密定位原理及結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行了研究。為了實(shí)現(xiàn)高精度的快速定位，在系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用粗動(dòng)臺和微動(dòng)臺的組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，達(dá)到了滿意的定位精度。四維微調(diào)工作臺是一種高精密定位工作臺，通過齒輪、齒條和螺旋的傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn) X、Y、Z 軸方向的調(diào)節(jié)，同時(shí)還可進(jìn)行水平轉(zhuǎn)角以及垂直仰角的調(diào)節(jié)。實(shí)現(xiàn) X 軸粗調(diào)范圍：0~25mm 分辨率：0.001mm Y 軸調(diào)節(jié)范圍： ±25mm 分辨率：0.1mm Z 軸調(diào)節(jié)范圍：0~22mm 轉(zhuǎn)角粗調(diào)范圍：0~360 ° 角度精細(xì)調(diào)節(jié)范圍：±5°的主要技術(shù)指標(biāo)。關(guān)鍵詞：四維微調(diào)；調(diào)節(jié)定位；微調(diào)工作臺；測量儀器；定位工作臺。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)IIABSTRACTThis design studies the precision positioning principle and structure composition of 4D Micro motion stage. Which is a highly precision positioning instrument. It can realize three directions’ regulation, including X, Y and Z. by the motor driving of wheel gear, gear rack and threads. And it can also realize level angle and angle of elevation’s driving .It is mainly used in engineering experiment. As the poisoning control stent it is used to poisoning control of various optical instrument. This devise can be installed on a long guide way to measure a long distance. To realize highly precision poisoning’s fast location, in this design I adopt the way of coarse adjustment trimming combine together. After finish the design I know more about the device’s system constitution and work principle and most important what I designed can satisfy the require precision. Realize the task target requirement that the coarse adjustment coverage of X is 0~25mm, resolution rate is 0.001 mm , the coverage of Y is ±25mm, resolution rate is 0.1mm, the coverage of Z is 0~22mm , the coarse adjustment coverage of deflection angle is 0~360°, the trimming coverage is±5° Key words: 4D Micro motion; poisoning control; Micro motion stage; Measuring instrument; location stage.黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)1目 錄摘要 ....................................................................IAbstract.................................................................................................................................II第 1 章 緒論 ........................................................................................................................11.1 課題背景及研究意義 .................................................................................................11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .........................................................................................................11.2.1 微調(diào)工作臺的驅(qū)動(dòng)方式 ...................................................................................11.2.2 國外研究現(xiàn)狀 ...................................................................................................21.2.3 我國的研究現(xiàn)狀 ..............................................................................................31.3 微調(diào)精密定位工作臺的發(fā)展前景 .............................................................................31.4 系統(tǒng)組成及工作原理 .................................................................................................51.5 本文的主要工作 .........................................................................................................6第 2 章 四維微調(diào)工作臺的總體方案設(shè)計(jì) ................................................................72.1 微調(diào)工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及特點(diǎn) .................................................................................72.1.1 機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下列要求 .......................................................................72.1.2 四維微調(diào)工作臺的設(shè)計(jì)特點(diǎn) ...........................................................................72.2 微調(diào)工作臺機(jī)體主要材料的選擇 .............................................................................72.3 微調(diào)工作臺導(dǎo)軌設(shè)計(jì)形式的選擇 .............................................................................82.4 四維微調(diào)工作臺的組成及工作原理 .........................................................................92.4.1 X 方向粗調(diào)機(jī)構(gòu) ...............................................................................................92.4.2X 方向微調(diào)機(jī)構(gòu) ..............................................................................................102.4.3 Y 方向粗調(diào)機(jī)構(gòu) ..............................................................................................102.4.4 Z 方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) ..............................................................................................112.4.5 水平轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) .........................................................................................122.4.6 垂直仰角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) .........................................................................................122.5 本章小結(jié) ..................................................................................................................14第 3 章 四維微調(diào)工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)........................................................................153.1 微調(diào)工作臺的傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 ..................................................................................15黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)23.1.1X 軸方向粗調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ..................................................................................153.1.2Y 軸方向的粗調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) ..............................................................................243.1.3Z 軸方向的粗調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) ..............................................................................243.1.4X 軸方向微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) ..................................................................................263.1.5 仰角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) .........................................................................................313.2 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) ...............................................................................................................323.2.1 作用力方向和作用點(diǎn)位置對導(dǎo)軌工作的影響分析 .....................................323.2.2 導(dǎo)軌主要尺寸的確定 .....................................................................................343.2.3 導(dǎo)軌的誤差分析 .............................................................................................353.3 彈簧的設(shè)計(jì) ...............................................................................................................353.3.1X 軸方向微調(diào)機(jī)構(gòu)的彈簧設(shè)計(jì) ......................................................................353.3.2 繞 Z 軸旋轉(zhuǎn)微調(diào)機(jī)構(gòu)的彈簧設(shè)計(jì) ................................................................383.3.3 仰角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的彈簧設(shè)計(jì) .............................................................................393.4 微調(diào)工作臺的支撐和基座設(shè)計(jì) ...............................................................................393.4.1 支承的設(shè)計(jì) .....................................................................................................393.4.2 基座的設(shè)計(jì) .....................................................................................................403.5 本章小結(jié) ...................................................................................................................41第 4 章 示數(shù)裝置的設(shè)計(jì) ...............................................................................................424.1 示數(shù)裝置設(shè)計(jì)要求 ...................................................................................................424.2 示數(shù)裝置的分類 .......................................................................................................424.3X－Y 軸方向粗調(diào)示數(shù)裝置的設(shè)計(jì) .........................................................................424.3.1 類型的選擇 .....................................................................................................424.3.2 標(biāo)尺與指針的選擇 .........................................................................................424.3.3 分度尺寸的選擇 .............................................................................................434.4X 軸微調(diào)示數(shù)裝置的設(shè)計(jì) ........................................................................................434.4.1 設(shè)計(jì)原理 .........................................................................................................434.4.2 設(shè)計(jì)計(jì)算 .........................................................................................................434.5 本章小結(jié) ...................................................................................................................44結(jié)論.......................................................................................................................................45參考文獻(xiàn) .............................................................................................................................46致謝.......................................................................................................................................48黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)3黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)1第 1 章 緒 論1.1 課題背景及研究意義隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在電子、光學(xué)、機(jī)械制造等眾多技術(shù)領(lǐng)域中迫切需要高精度、高分辨率、能夠靈活控制的微動(dòng)系統(tǒng)用以直接進(jìn)行工作或配合其它儀器設(shè)備完成高精度的定位和測量。正是這種需要極大地促進(jìn)了高精密定位和測量技術(shù)發(fā)展。高精度和高分辨率的超精密工作臺系統(tǒng)在近代尖端工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)占有極為重要的地位。它直接影響精密、超精密切削加工水平、精密測量水平及超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)水平。同時(shí),它的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是各國高技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀大行程超精密工作臺主要的類型有直線電機(jī)式驅(qū)動(dòng)、摩擦式驅(qū)動(dòng)，也有采用兩級進(jìn)給的方式，即采用粗動(dòng)與精動(dòng)兩套系統(tǒng)，以同時(shí)兼顧大行程、高響應(yīng)速度和高定位精度。高精度和高分辨率的超精密工作臺系統(tǒng)在近代尖端工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)占有極為重要的地位。它直接影響精密、超精密切削加工水平、精密測量水平及超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)水平。同時(shí)，它的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是各國高技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。超精密工作臺系統(tǒng)的定位精度和行程范圍直接影響生產(chǎn)加工的精度。同時(shí)，工作臺的速度、加速度及啟停過程的穩(wěn)定時(shí)間則影響設(shè)備的效率，成為系統(tǒng)的重要指標(biāo)。這些一次定位的精密工作臺系統(tǒng)可以按精度高低和行程大小分為兩類:小行程、極高精度的工作臺系統(tǒng)和大行程、高精度的工作臺系統(tǒng)。小行程極高精度工作臺大多采用壓電元件或電磁元件作為驅(qū)動(dòng)裝置。行程多在數(shù)十微米的范圍內(nèi)，但位移分辨率可高達(dá) 1nm。大行程高精度工作臺是指行程達(dá)毫米級以上，但定位精度略低于小行程系統(tǒng)的工作臺系統(tǒng)。它大多采用直線電機(jī)或摩擦式驅(qū)動(dòng)方式，運(yùn)動(dòng)分辨率大多在 10nm 左右。1.2.1 微調(diào)工作臺的驅(qū)動(dòng)方式摩擦傳動(dòng)具有正反空程小、傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，適合精密定位。其不足之處是負(fù)載能力小，不能夠產(chǎn)生太大的驅(qū)動(dòng)力，否則傳動(dòng)過程容易產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，因此限制了摩擦驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用范圍。與傳統(tǒng)機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)相比，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：省略了中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，減少了機(jī)械磨損，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可以保持高增益，實(shí)現(xiàn)精確的進(jìn)給前饋，對給定的加工黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)2路徑可以用高速進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤，從而保證了機(jī)床的高精度和使用壽命。運(yùn)行時(shí)，直線電機(jī)不像旋轉(zhuǎn)電機(jī)那樣會(huì)受到離心力作用，因此其直線速度不受限制。直線驅(qū)動(dòng)的慣性主要存在于滑臺，因此加工時(shí)可以有很高的加速度。直線電機(jī)靠電磁推力驅(qū)動(dòng)，故系統(tǒng)噪聲很小，改善了工作環(huán)境。過去應(yīng)用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)主要集中在高速進(jìn)給領(lǐng)域，利用了它可以有很高的加速度和運(yùn)行速度的優(yōu)點(diǎn)，但隨著電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)開始向精密定位發(fā)展，如日本研制的幾款超精密工作臺都應(yīng)用了直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。與傳統(tǒng)的進(jìn)給方式相比，在精密定位領(lǐng)域，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)擁有更廣闊的應(yīng)用前景。1.2.2 國外研究現(xiàn)狀目前，國外在精密定位技術(shù)方而的研究成果較多，世界上各發(fā)達(dá)國家對高精密技術(shù)的發(fā)展都給予了足夠的重視。日本東京工大研究的精密工作臺的定位精度達(dá)到±2 nm，韓國漢城大學(xué)研制的宏微結(jié)合的 200mm 行程精密工作臺，以激光干涉儀作為位置反饋元件，定位精度達(dá)到 10nm。這一類疊加式宏微組合的精密工作臺，更具有實(shí)用性，現(xiàn)已成為研制大行程精密定位技術(shù)的熱點(diǎn)。英國的國家物理研究所所研制的微形貌納米測量儀器的測量范圍是 0.001nm-3nm。美國一些大學(xué)在電子行業(yè)和計(jì)算機(jī)行業(yè)的一些大公司支持下,開展了納米精度的位移測量和定位工作的研究,也取得了令人矚目的成就。1.直線電機(jī)式超精密工作臺東京工業(yè)大學(xué)研制了具有納米級分辨率的一維直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)超精密工作臺。它采用氣浮導(dǎo)軌導(dǎo)向，行程 300mm,導(dǎo)軌的垂直剛度 600N/um，水平剛度 220N/um。工作臺重 19.6kg，全部采用氧化鋁陶瓷材料。直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)力 160N ,最大加速度 6.4 m/s,最大速度 320mm/s。反饋測量系統(tǒng)采用激光干涉儀，激光干涉儀的分辨率為 0.63nm?？刂葡到y(tǒng)采用帶前饋補(bǔ)償?shù)?P1D 控制器。它最大的特點(diǎn)是配置了一部電流變阻尼器，可以主動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn) 2nm 的步進(jìn)定位。直線電機(jī)式工作臺也可以設(shè)計(jì)成一維運(yùn)動(dòng)一體化的工作臺。住友重工公司開發(fā)的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的 X-Y工作臺具有快速運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。2.54mm 的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)只需 37ms 就可使定位誤差在±10um以內(nèi)?？焖夙憫?yīng)對于激光加工和半導(dǎo)體生產(chǎn)是非常關(guān)鍵的。為了實(shí)現(xiàn)平而內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)而研制了三自由度的一維直線電機(jī)式工作臺。定位工作臺由 3 個(gè)空氣軸承墊在底板上導(dǎo)向，通過合成 3 個(gè)直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力而產(chǎn)生 3 自山度(x,y, z)的運(yùn)動(dòng)。工作臺重 5.9kg，它在 x 和 y 方向上均具有 30mm 的行程。激光干涉儀用作工作臺的定位反饋。實(shí)驗(yàn)測得工作臺在 x，y 和 z 方向上的定位分辨率分別為15.7nm, 9.5nm 和 0.104urad,最大速度為 150mm/s，頻響寬度為 105Hz。2.摩擦式驅(qū)動(dòng)超精密工作臺黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)3法國 Mekid 研制的摩擦驅(qū)動(dòng)工作臺重 100kg,通過液體靜壓導(dǎo)軌支撐，工作臺的行程為 220mm.直線工作臺的定位精度可達(dá) 16nm,最大速度為 10mm/s。臺灣淡江大學(xué) Chao 等人設(shè)計(jì)了利用氣體支撐的摩擦輪驅(qū)動(dòng)工作臺。反饋測量裝置是一臺量程為 632.99nm 的 Hewlett Packard 激光干涉儀，整個(gè)裝置被放置在溫度20±1℃ 和濕度 60±5%的環(huán)境中。在 50500 nm 和 10mm 步進(jìn)運(yùn)動(dòng)情況下，定位精度均優(yōu) 15nm。國防科技大學(xué)的羅兵、李圣怡等對摩擦扭輪式精密工作臺進(jìn)行了研究。此系統(tǒng)由高分辨率電機(jī)、摩擦扭輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、空氣靜壓導(dǎo)軌和控制計(jì)算機(jī)等組成。摩擦扭輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)導(dǎo)程 0 .26mm，光杠長度 650mm,螺母剛度 3 kg/mm;氣體靜壓導(dǎo)軌行程300mm，設(shè)計(jì)直線度 0.5um/200mm；交流伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)分辨率 1r/655360；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在 300mm 的行程上運(yùn)動(dòng)分辨率達(dá)到 10nm。1.2.3 我國的研究現(xiàn)狀國內(nèi)對高精度精密定位研究也很重視。很多家國內(nèi)重點(diǎn)大學(xué)和知名企業(yè)開展了高精密定位儀器的研究開發(fā)，微調(diào)定位工作臺的定位精度大致在 1um 左右，分辨率在0.1um 左右，但這些數(shù)據(jù)大多是樣機(jī)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室條件下達(dá)到的。由于我國在高精度傳感器，微進(jìn)給技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)上的限制，在研發(fā)高精度定位平臺及其產(chǎn)業(yè)化上尚需努力。清華大學(xué)與上海微電子裝備有限公司合作開展研究，搭建了國內(nèi)第一套以 10nm運(yùn)動(dòng)精度為目標(biāo)的氣浮運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)臺，并進(jìn)行超精密測量和運(yùn)動(dòng)控制的研究，己經(jīng)取得了良好的研究進(jìn)展。整個(gè)超精密工件臺試驗(yàn)系統(tǒng)由質(zhì)量達(dá) 5t 的花崗石底座、基臺、(主動(dòng))隔振元件、兩套超精密直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成。每套直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由桑層的粗動(dòng)與精動(dòng)系統(tǒng)組成，并由雙頻激光干涉儀提供位置檢測和閉環(huán)運(yùn)動(dòng)反饋，檢測精度可達(dá)到2nm。長行程超精密導(dǎo)軌、氣浮滑塊、直線電機(jī)(Linear motor)、直線光柵組成大行程粗動(dòng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn) 300mm 以上的行程，2g 以上的加速度和 1000m/s 以上的速度。但其動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)精度僅能達(dá)到幾微米，定位精度可以達(dá)到數(shù)百納米。為了實(shí)現(xiàn) 10nm 乃至更高的運(yùn)動(dòng)精度，在上述大行程運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的氣浮滑塊上桑加安裝了超精密氣浮微動(dòng)臺，以對粗動(dòng)精度進(jìn)行微動(dòng)補(bǔ)償。微動(dòng)臺采用音圈電機(jī)(Voice coil motor)驅(qū)動(dòng)，電容傳感器進(jìn)行微動(dòng)位置檢測。雙頻激光干涉儀的測量鏡安裝在微動(dòng)臺的動(dòng)臺上，實(shí)現(xiàn)對粗、精動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)最終的位置監(jiān)測和運(yùn)動(dòng)反饋。到 2003 年 12 月，運(yùn)動(dòng)定位精度己經(jīng)達(dá)到12nm。1.3 微調(diào)精密定位工作臺的發(fā)展前景超精密工作臺系統(tǒng)的定位精度和行程范圍直接影響生產(chǎn)加工的精度。同時(shí),工作黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)4臺的速度、加速度及啟停過程的穩(wěn)定時(shí)間則影響設(shè)備的效率,成為系統(tǒng)的重要指標(biāo)。這些一次定位的精密工作臺系統(tǒng)可以按精度高低和行程大小分為兩類:小行程、極高精度的工作臺系統(tǒng)和大行程、高精度的工作臺系統(tǒng)。小行程極高精度工作臺大多采用壓電元件或電磁元件作為驅(qū)動(dòng)裝置。行程多在數(shù)十微米的范圍內(nèi),但位移分辨率可高達(dá) 1nm。大行程高精度工作臺是指行程達(dá)毫米級以上 ,但定位精度略低于小行程系統(tǒng)的工作臺系統(tǒng)。它大多采用直線電機(jī)或摩擦式驅(qū)動(dòng)方式,運(yùn)動(dòng)分辨率大多在 10nm 左右。大行程超精密工作臺主要的類型有直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)、摩擦驅(qū)動(dòng)式,也有采用兩級進(jìn)給的方式,即采用粗動(dòng)與精動(dòng)兩套系統(tǒng),以同時(shí)兼顧大行程、高響應(yīng)速度和高定位精度。如今，高精密的測量定位儀器在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域都有了廣泛的應(yīng)用，特別是一些需要精密儀器的航空、航天等產(chǎn)業(yè)。隨著科技的發(fā)展，社會(huì)的進(jìn)步，對高精密的測量定位儀器的精度要求越來越高。大范圍、高精度是對微動(dòng)工作臺提出的新要求，然而大行程和高精度是微動(dòng)技術(shù)中的一對矛盾。因此微動(dòng)工作臺的未來研究方向應(yīng)圍繞如何解決這一對矛盾展開。1.多種微運(yùn)動(dòng)相結(jié)合技術(shù)：結(jié)合多種微動(dòng)方法以彌補(bǔ)各自的不足仍然是解決以上問題的主要辦法。比如在現(xiàn)有研究已經(jīng)成熟的各種微動(dòng)工作臺基礎(chǔ)上，妥善解決好其中兩種或者多種微動(dòng)工作臺間的兼容性，解決好機(jī)械結(jié)構(gòu)間的裝配誤差、多種平臺間的定位誤差，采用粗動(dòng)和微動(dòng)相結(jié)合的方法，粗動(dòng)臺用以完成快速大范圍，微動(dòng)工作臺實(shí)現(xiàn)高精度，也就是說通過微動(dòng)工作臺對粗動(dòng)工作臺由于運(yùn)動(dòng)所帶來的誤差進(jìn)行精度補(bǔ)償，以此實(shí)現(xiàn)大范圍、高精度的要求。2.新型納米級微動(dòng)工作臺的研究：運(yùn)動(dòng)方向間的交叉藕合嚴(yán)重影響納米微動(dòng)工作臺的定位精度，因此需進(jìn)一步研究運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，從運(yùn)動(dòng)原理上有效地消除運(yùn)動(dòng)方向間的交叉藕合產(chǎn)生的定位誤差，提高納米級微動(dòng)工作臺的定位精度。3.改進(jìn)控制策略：如采用建立遲滯和蠕變數(shù)學(xué)模型進(jìn)行開環(huán)控制來避免因反饋而可能引起的不穩(wěn)定問題，采用自適應(yīng)控制消除建模的誤差和參數(shù)的不確定性及系統(tǒng)環(huán)境的變化等因素對系統(tǒng)精度的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制等方法改善系統(tǒng)的非線性和不確定性。4.磁懸浮微動(dòng)工作臺性能的進(jìn)一步提高：在現(xiàn)有磁懸浮微動(dòng)工作臺基礎(chǔ)上，充分考慮磁滯非線性、磁飽和以及高次諧波對系統(tǒng)精度的影響，解決運(yùn)動(dòng)控制和定位技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)納米級精度的大范圍運(yùn)動(dòng)。未來的大范圍高精度納米測量要求在數(shù)十毫米以上的范圍內(nèi)達(dá)到至少亞納米級的測量精度，這不僅使只采用其中之一的測量方法難以實(shí)現(xiàn)，就連現(xiàn)在許多結(jié)合了多種黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)5測量的方法也是很難辦到的。對納米測量而言，能否取得高精度和大范圍，這在很大程度上取決于信號處理的精度。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，加快信號處理的速度、加大處理量、更好的濾除噪聲對達(dá)到未來的測量需求是一個(gè)很好的解決方案;提高測量系統(tǒng)中機(jī)械系統(tǒng)的裝配和運(yùn)動(dòng)精度、改善光源的穩(wěn)定性和相干性、降低外界環(huán)境的干擾或是設(shè)計(jì)對環(huán)境不敏感的測量系統(tǒng)都是大范圍高精度納米測量進(jìn)一步發(fā)展所必須要解決的問題。當(dāng)前儀器設(shè)備的發(fā)展趨勢:主要是向大型化、自動(dòng)化、精密化、高效化發(fā)展。1.4 系統(tǒng)組成及工作原理四維微調(diào)工作臺在系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，采用粗動(dòng)臺和微動(dòng)臺的組合結(jié)構(gòu)，即由粗動(dòng)臺來完成高速運(yùn)行，解決整個(gè)系統(tǒng)的速度問題，進(jìn)行粗定位，然后由微動(dòng)臺完成精定位，這樣可使定位系統(tǒng)達(dá)到極高的定位精度和靈敏度，控制簡單可靠。該機(jī)構(gòu)采用了齒輪、齒條和螺旋傳動(dòng)原理，因此能夠?qū)崿F(xiàn) X、Y 、Z 軸方向的調(diào)節(jié)，同時(shí)還可進(jìn)行水平轉(zhuǎn)角以及垂直仰角的調(diào)節(jié)。作為理想的微動(dòng)工作臺,應(yīng)具有較高的位移分辨率,以保證高的定位精度;還應(yīng)具有較高的幾何精度和良好的動(dòng)態(tài)特性;同時(shí)還應(yīng)滿足工作行程的要求。以此為前提,我們設(shè)計(jì)了由齒輪、齒條和螺旋傳動(dòng)原理構(gòu)成的機(jī)構(gòu)。四維微調(diào)工作臺在系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，采用粗動(dòng)臺和微動(dòng)臺的組合結(jié)構(gòu)，即由粗動(dòng)臺來完成高速運(yùn)行，解決整個(gè)系統(tǒng)的速度問題，進(jìn)行粗定位，然后由微動(dòng)臺完成精定位，這樣可使定位系統(tǒng)達(dá)到極高的定位精度和靈敏度，控制簡單可靠。該機(jī)構(gòu)采用齒輪、齒條和螺旋傳動(dòng)原理，能夠?qū)崿F(xiàn) X、Y、Z 軸方向的調(diào)節(jié)，同時(shí)還可進(jìn)水平轉(zhuǎn)角以及垂直仰角的調(diào)節(jié)。1.X 軸方向調(diào)節(jié)可分為粗調(diào)、微調(diào)。粗調(diào)通過轉(zhuǎn)動(dòng)橫向調(diào)節(jié)螺桿，利用齒輪和齒條嚙合使轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)槠絼?dòng)，實(shí)現(xiàn) X 軸方向上的粗調(diào)。精度依靠所設(shè)計(jì)的齒輪與齒條的精度，其調(diào)節(jié)范圍依靠齒條的長度，根據(jù)需要可設(shè)計(jì)不同的調(diào)節(jié)范圍以滿足實(shí)驗(yàn)要求。X 軸方向的微調(diào)是利用了螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)、螺母移動(dòng)原理。裝置中運(yùn)動(dòng)桿尺和頂桿可看作是螺桿，保持軸套和滑動(dòng)臺整體看作是螺母，鎖緊螺母主要是為了減小螺紋間隙。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)桿尺來實(shí)現(xiàn)微調(diào)，最小移動(dòng)距離可達(dá)到 0.001mm。2.Y 軸方向的粗調(diào)也可看作是垂直方向上的粗調(diào)，其調(diào)節(jié)原理與 X 軸方向上的粗調(diào)原理相同。3.Z 軸方向的調(diào)節(jié)是利用了螺母轉(zhuǎn)動(dòng)、螺桿移動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)的。直槽螺套相當(dāng)于螺母，立柱和螺桿組成相當(dāng)于螺桿，軸套是為了防止螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)立柱在 Z軸方向上平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，軸蓋是為了防止直槽螺套的竄動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)直槽螺套時(shí)，螺桿會(huì)沿黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)6著旋轉(zhuǎn)螺套內(nèi)的螺旋槽螺旋上升，但由于軸套的限制而消除了螺旋上升中的轉(zhuǎn)動(dòng)，只剩在 Z 軸上的平動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了在 Z 軸方向上的調(diào)節(jié)。當(dāng)調(diào)好高度時(shí)，可用鎖緊螺釘固定。4．水平轉(zhuǎn)角和垂直仰角的調(diào)節(jié)原理基本相似，水平轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)由水平止推桿、水平調(diào)節(jié)桿、水平轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)架、防轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)桿，以及連接螺桿、水平轉(zhuǎn)動(dòng)套、轉(zhuǎn)軸套組成。當(dāng)進(jìn)行大角度粗調(diào)時(shí)，放松轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)桿，裝置以軸水平轉(zhuǎn)動(dòng)套可進(jìn)行 360°度的調(diào)節(jié)。當(dāng)角度選定時(shí)鎖緊防轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)桿，然后調(diào)節(jié)水平調(diào)節(jié)桿進(jìn)行水平方向小角度的調(diào)節(jié)。該角度調(diào)節(jié)的精度主要依靠水平調(diào)節(jié)桿螺紋的精度。1.5 本文的主要工作本文是對四維微調(diào)工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。首先，本文將對四維微調(diào)工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從 X 方向粗調(diào)機(jī)構(gòu)、 X 方向微調(diào)機(jī)構(gòu)、Y 方向粗調(diào)機(jī)構(gòu)、Z 方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、水平轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和垂直仰角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)六大方面著手對四維微調(diào)工作臺的結(jié)構(gòu)組成及工作原理進(jìn)行詳細(xì)的闡述。其次，將對四維微調(diào)工作臺的傳動(dòng)方案、機(jī)體主要材料及四維微調(diào)工作臺導(dǎo)軌設(shè)計(jì)形式進(jìn)行選擇。最后，本文將對彈簧、示數(shù)裝置、支承和基座進(jìn)行設(shè)計(jì)。還有，將對四維微調(diào)工作臺的主要機(jī)構(gòu)及零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并對受載荷較大的零件進(jìn)行合理性分析。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)7第 2 章 四維微調(diào)工作臺的總體方案設(shè)計(jì)2.1 微調(diào)工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及特點(diǎn)2.1.1 機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下列要求1.機(jī)身在滿足強(qiáng)度、剛度的條件下，力求質(zhì)量輕、節(jié)約金屬。2.結(jié)構(gòu)力求簡單，并使裝于其上的所有部件、零件容易安裝、調(diào)整、修理和更換。3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)便于鑄造或焊接和機(jī)加工。4.必須有足夠的底面積，保證微調(diào)工作臺的穩(wěn)定性。5.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)力求減少振動(dòng)和噪聲。6.機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)力求外形美觀。機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分為鑄造結(jié)構(gòu)和焊接結(jié)構(gòu)兩種。鑄造結(jié)構(gòu)的材料比較容易供應(yīng)，消震性能較好，但質(zhì)量較重，剛度較差。焊接結(jié)構(gòu)與之相反，質(zhì)量較輕，剛度較好，外形比較美觀，但消震性能較差。鑄造結(jié)構(gòu)盡量使壁厚不要有突然的變化，適當(dāng)加大過渡圓角，減少應(yīng)力集中。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需使鑄造和加工方便。焊接結(jié)構(gòu)盡量設(shè)計(jì)成具有對稱性的截面和對稱性的焊縫位置，以減少焊接變形。要合理布置筋板，數(shù)量不宜過多。焊縫應(yīng)盡量遠(yuǎn)離應(yīng)力集中區(qū)域，盡量避免用焊縫直接承受主要工作載荷。焊縫避免交叉與聚集，并考慮焊接施工方便。2.1.2 四維微調(diào)工作臺的設(shè)計(jì)特點(diǎn)目前大行程超精密工作臺設(shè)計(jì)的方案主要有兩種設(shè)計(jì)思路：(l)一級進(jìn)給方式，采用直線電機(jī)非接觸進(jìn)給或利用靜摩擦驅(qū)動(dòng)進(jìn)給；(2)兩級進(jìn)給方式，即采用粗動(dòng)與精動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合，以達(dá)到高的定位精度和分辨率。四維微調(diào)工作臺的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是采用兩級進(jìn)給方式,即粗動(dòng)與精動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合, 粗黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)8動(dòng)工作臺完成高速度大行程，微動(dòng)工作臺實(shí)現(xiàn)其精度要求，也就是說通過微動(dòng)工作臺對粗動(dòng)工作臺由于運(yùn)動(dòng)所帶來的誤差進(jìn)行精度補(bǔ)償，以達(dá)到高的定位精度和分辨率。兩級進(jìn)給的方案與單級進(jìn)給相比,優(yōu)點(diǎn)是可以結(jié)合目前成熟的大行程工作臺技術(shù),降低技術(shù)難度和研制風(fēng)險(xiǎn),但是不可避免地使工作臺的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化并增加了控制系統(tǒng)的控制難度。2.2 微調(diào)工作臺機(jī)體主要材料的選擇超精密工作臺要求工作臺具有小質(zhì)量、高剛度和低熱變形。因此工作臺的材料選擇應(yīng)遵循如下原則:密度小、低熱傳導(dǎo)率、低熱膨脹、彈性模量大、技術(shù)要求、經(jīng)濟(jì)成本。目前傳統(tǒng)工作臺的材料仍然為鋼材，但是其密度大、熱導(dǎo)率與熱膨脹系數(shù)大，使得工作臺的性能受到影響。有些機(jī)床為了降低熱變形的影響，在結(jié)構(gòu)上采用了低熱膨脹的殷鋼，但綜合性能仍然不夠理想。工程結(jié)構(gòu)陶瓷山于其高強(qiáng)度、高硬度和耐高溫、耐輻射、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)己逐漸成為工程技術(shù)特別是尖端技術(shù)的關(guān)鍵材料，將工程結(jié)構(gòu)陶瓷應(yīng)用在精密平臺上是一種發(fā)展趨勢。氧化鋁陶瓷的密度為鋼的一半，熱導(dǎo)率與熱膨脹系數(shù)也均約為鋼的一半，彈性模量比鋼高一倍，綜合性能比鋼要好，因此如日木東京工業(yè)大學(xué)與住友重工研制的超精密工作臺都采用了氧化鋁陶瓷作為結(jié)構(gòu)材料。石英陶瓷作為結(jié)構(gòu)陶瓷多應(yīng)用在玻璃、冶金、電工、航空航人等行業(yè)。主要利用其熱導(dǎo)率低、熱膨脹系數(shù)小、電性能好等優(yōu)點(diǎn)，但其應(yīng)用于精密平臺還未見報(bào)道。石英陶瓷密度小(僅為鋼的四分之一，氧化鋁陶瓷的一半)，熱導(dǎo)率與熱膨脹系數(shù)都比鋼與氧化鋁陶瓷小一個(gè)數(shù)量級，缺點(diǎn)是彈性模量較小。石英陶瓷材料更適用于輕載的超精密工作臺。由于目前傳統(tǒng)工作臺的材料仍然為鋼材,雖然其密度偏大、熱導(dǎo)率與熱膨脹系數(shù)大,使得工作臺的性能受到影響。但從本工作臺的技術(shù)要求可知其精度為毫米、微米級的。在精密工作臺的研究領(lǐng)域精度是相對偏低的。因此由工作臺的技術(shù)要求及經(jīng)濟(jì)成本考慮本設(shè)計(jì)的工作臺材料仍以鋼材為主，即以 45 號鋼和 Q235 為主要材料。在一些特殊零件上根據(jù)需要選用一些適宜的材料。2.3 微調(diào)工作臺導(dǎo)軌設(shè)計(jì)形式的選擇導(dǎo)軌的功用是導(dǎo)向和承載。即保證運(yùn)動(dòng)部件在外力作用下，能準(zhǔn)確地沿著一定的方向運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)軌的質(zhì)量在一定程度上決定了微調(diào)工作臺的加工精度、工作能力和使用壽命。因此，導(dǎo)軌必須滿足下列設(shè)計(jì)基本要求：1.導(dǎo)向精度黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)9導(dǎo)向精度是指動(dòng)導(dǎo)軌沿支承導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)時(shí)，直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的直線性和導(dǎo)軌同其他運(yùn)動(dòng)之間相互位置的準(zhǔn)確性。2．精度保持性為了能長期保持導(dǎo)向精度，對導(dǎo)軌提出了剛度和耐磨性的要求。若剛度不足，則直接影響部件之間的相對位置精度和導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度，使導(dǎo)軌面上的比壓分布不均勻，加劇導(dǎo)軌面的磨損。3．結(jié)構(gòu)工藝性在可能的情況下，應(yīng)盡量使導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單，便于制造和維護(hù)。導(dǎo)軌的一般形式有滑動(dòng)、滾動(dòng)和靜壓 3 種形式。其中滑動(dòng)導(dǎo)軌中導(dǎo)軌副之間是滑動(dòng)摩擦，山于導(dǎo)軌副材料之間存在動(dòng)、靜摩擦因數(shù)的差異，會(huì)產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，同時(shí)存在磨損，使用壽命不長，在高精密工作臺中較少采用滑動(dòng)導(dǎo)軌。滾動(dòng)導(dǎo)軌中采用鋼球或滾柱作為滾動(dòng)體，具有較小的摩擦因數(shù)，動(dòng)靜摩擦因數(shù)的差異極小，可以有效避免爬行現(xiàn)象的產(chǎn)生。但滾動(dòng)導(dǎo)軌中由于滾動(dòng)體與導(dǎo)軌之間的接觸為點(diǎn)接觸或線接觸，其抗振性與滑動(dòng)導(dǎo)軌相比較差。磁懸浮導(dǎo)軌是近幾年來興起的一門新技術(shù)。它利用磁懸浮原理，與氣墊技術(shù)相比，磁浮具有無聲、易控和高效等優(yōu)點(diǎn)。目前實(shí)現(xiàn)磁浮的方式主要有:利用永磁體之間的排斥力;利用超導(dǎo)技術(shù)產(chǎn)生磁浮;利用感應(yīng)渦流產(chǎn)生懸浮;利用可控直流電磁鐵實(shí)現(xiàn)懸浮。其中磁懸浮導(dǎo)軌主要利用感應(yīng)渦流原理和可控直流電磁鐵技術(shù)。但是磁懸浮導(dǎo)軌存在發(fā)熱大、控制復(fù)雜等缺點(diǎn)，限制了其在超精密加工領(lǐng)域的應(yīng)用。在大行程精密工作臺中多采用靜壓導(dǎo)軌，而且以氣體靜壓導(dǎo)軌居多，這是因?yàn)闅怏w靜壓導(dǎo)軌具有以下優(yōu)點(diǎn)：摩擦因數(shù)和摩擦力都很小，氣體支承可在最清潔的狀態(tài)下工作，具有冷態(tài)工作的特點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)精度高，壽命長，可以在很寬的溫度范圍和惡劣環(huán)境中工作，能夠保持很小的間隙。但是也有缺點(diǎn):承載能力低、剛度小、潤滑而需要高的加工精度、氣體的可壓縮性容易引起不穩(wěn)定性、氣體無自潤滑性及潤滑而易生銹等。 本設(shè)計(jì)中由于設(shè)計(jì)精度的要求，沒有使用磁懸浮導(dǎo)軌的必要。其中滾動(dòng)導(dǎo)軌中采用鋼球或滾柱作為滾動(dòng)體,具有較小的摩擦因數(shù),但滾動(dòng)導(dǎo)軌中由于滾動(dòng)體與導(dǎo)軌之間的接觸為點(diǎn)接觸或線接觸,其抗振性與滑動(dòng)導(dǎo)軌相比較差?；瑒?dòng)導(dǎo)軌中導(dǎo)軌副之間是滑動(dòng)摩擦,由于工作臺整體機(jī)構(gòu)比較小，導(dǎo)軌上承載的載荷不大，導(dǎo)軌中導(dǎo)軌副之間的摩擦很小，再由經(jīng)濟(jì)成本及設(shè)備維護(hù)上的考慮，本工作臺選擇滑動(dòng)導(dǎo)軌的形式。本次設(shè)計(jì)的微調(diào)工作臺導(dǎo)軌采用燕尾槽型，左右對稱布置。導(dǎo)軌與滑軌應(yīng)有適當(dāng)?shù)拈g隙，間隙小，導(dǎo)向準(zhǔn)確平穩(wěn)。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)102.4 四維微調(diào)工作臺的組成及工作原理2.4.1 X 方向粗調(diào)機(jī)構(gòu)X 軸方向調(diào)節(jié)的粗調(diào)通過轉(zhuǎn)動(dòng)橫向調(diào)節(jié)螺桿 44，利用齒輪和齒條嚙合使轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)槠絼?dòng)，實(shí)現(xiàn) X 軸方向上的粗調(diào)。精度依靠所設(shè)計(jì)的齒輪與齒條的精度，其調(diào)節(jié)范圍依靠齒條的長度，根據(jù)需要可設(shè)計(jì)不同的調(diào)節(jié)范圍以滿足實(shí)驗(yàn)要求。本設(shè)計(jì)為保證達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，要求 X 向調(diào)節(jié)范圍不超出 25mm。12 橫向支架 13 螺釘 24 橫向?qū)к?25 連接螺釘 26 齒條 43 調(diào)節(jié)套 44 橫向調(diào)節(jié)桿 51 螺釘圖 2.1 X 方向粗調(diào)機(jī)構(gòu)2.4.2X 方向微調(diào)機(jī)構(gòu)X 軸方向的微調(diào)是利用了螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)、螺母移動(dòng)原理。裝置中運(yùn)動(dòng)桿尺 28 和頂桿30 可看作是螺桿，保持軸套 31 和滑動(dòng)臺 2 整體看作是螺母，鎖緊螺母 32 主要是為了減小螺紋間隙。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)桿尺 28 來實(shí)現(xiàn)微調(diào)，最小移動(dòng)距離可達(dá)到 0.001mm。為保證達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求滑動(dòng)臺與導(dǎo)軌的接觸面光滑整潔、運(yùn)行平穩(wěn)，并且保證頂桿30 上的螺紋精度。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)11圖 2.2 X 方向微調(diào)機(jī)構(gòu)2.4.3 Y 方向粗調(diào)機(jī)構(gòu)圖 2.3 Y 方向粗調(diào)機(jī)構(gòu)Y 軸方向的粗調(diào)也可看作是垂直方向上的粗調(diào)，其調(diào)節(jié)原理與 X 軸方向上的粗調(diào)原理相同。Y 軸方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的主要部分由縱向支架 42、滑動(dòng)軸承 14、縱向調(diào)節(jié)螺桿 15、齒條 47、縱向?qū)к壍冉M成。通過轉(zhuǎn)動(dòng)縱向調(diào)節(jié)螺桿 15，利用齒輪和齒條嚙合使轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)槠絼?dòng)，實(shí)現(xiàn) Y 軸方向上的粗調(diào)。精度依靠所設(shè)計(jì)的齒輪與齒條的精度，其調(diào)節(jié)范圍依靠齒條的長度，根據(jù)需要可設(shè)計(jì)不同的調(diào)節(jié)范圍以滿足實(shí)驗(yàn)要求。本設(shè)計(jì)為保證達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，要求 Y 向調(diào)節(jié)范圍不超出 25mm。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)122.4.4 Z 方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)Z 軸方向的調(diào)節(jié)是利用了螺母轉(zhuǎn)動(dòng)、螺桿移動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)的。 Z 軸方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的主要部分由軸蓋 37、鎖緊螺釘 57、直槽螺套 56、立柱 60、螺桿 61、軸套 62 組成。直槽螺套 56 相當(dāng)于螺母，立柱 60 和螺桿 61 的組成相當(dāng)于螺桿，軸套 59 是為了防止螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)立柱在 Z 軸方向上的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，軸蓋 37 是為了防止直槽螺套59 的上下竄動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)直槽螺套 59 時(shí)，螺桿 61 會(huì)沿著旋轉(zhuǎn)螺套內(nèi)的螺旋槽螺旋上升，但由于軸套 59 的限制而消除了立柱 60 和螺桿 61 螺旋上升中的轉(zhuǎn)動(dòng)，只剩下在Z 軸方向上的平動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了在 Z 軸方向上的上下調(diào)節(jié)。當(dāng)調(diào)好高度時(shí)，可用鎖緊螺釘 57 加以固定。為保證達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求直槽螺套 59 內(nèi)螺旋上升的螺旋槽的高度不小于 22mm，并且保證螺旋槽內(nèi)壁的光滑整潔。圖 2.4 Z 方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)2.4.5 水平轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖 2.5，水平轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的主要部分由水平支架 12、水平止推桿 10、水平調(diào)節(jié)桿 27、水平轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)架 40、防轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)桿 42，以及連接螺桿 52、水平轉(zhuǎn)動(dòng)套 54、黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)13轉(zhuǎn)軸套 55 組成。當(dāng)進(jìn)行大角度粗調(diào)時(shí)，放松防轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)桿 42，裝置以水平支架 12 可進(jìn)行 360 度的大范圍調(diào)節(jié)。當(dāng)角度選定時(shí)鎖緊防轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)桿 42，然后調(diào)節(jié)水平調(diào)節(jié)桿27 進(jìn)行水平方向小角度的調(diào)節(jié)。該角度調(diào)節(jié)的精度主要依靠水平調(diào)節(jié)桿螺紋的精度，即螺紋每旋轉(zhuǎn)一周的導(dǎo)程。2.4.6 垂直仰角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖 2.6，垂直仰角和水平轉(zhuǎn)角的調(diào)節(jié)原理基本相似，垂直仰角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的主要部分由立式支架 47、垂直調(diào)節(jié)片 19、垂直壓緊簧套 18、器件保持架 20、垂直止推桿16、垂直調(diào)節(jié)桿 22 組成。當(dāng)需要對垂直仰角進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)垂直調(diào)節(jié)桿進(jìn)行垂直方向上的小角度的調(diào)節(jié)。該垂直角度調(diào)節(jié)的精度主要依靠垂直調(diào)節(jié)桿上螺紋的精度，即螺紋每旋轉(zhuǎn)一周的導(dǎo)程。圖 2.5 水平轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)14圖 2.6 垂直仰角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)2.5 本章小結(jié)本章主要對微調(diào)工作臺的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步設(shè)想，確定了工作臺的基本尺寸和主要參數(shù)，敘述了工作臺的用途、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、機(jī)體主要材料的選取及工作臺的導(dǎo)軌形式的選擇。還從四維微調(diào)工作臺的 X 方向粗調(diào)、X 方向微調(diào)、Y 方向粗調(diào)、Z 方向調(diào)節(jié)、水平轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)、垂直仰角調(diào)節(jié)六大調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對四維微調(diào)工作臺的組成及工作原理進(jìn)行了詳細(xì)而系統(tǒng)的闡述。使四維微調(diào)工作臺的整體設(shè)計(jì)、具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定下來。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)15第 3 章 四維微調(diào)工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 微調(diào)工作臺的傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算3.1.1X 軸方向粗調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.參數(shù)的選擇和計(jì)算(1)精度的選擇微調(diào)工作臺屬于精密機(jī)械，齒輪－齒條傳動(dòng)速度低，精度高，選定精度為 6 級。（GB10095-88）(2)材料的選擇查《機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊》 ，根據(jù)使用要求，選用齒輪的材料為 45 號鋼（滲碳后淬火） ，齒條的材料選用 45 號鋼（調(diào)質(zhì)后表面淬火） 。前者硬度為 300HBS,后者硬度260HBS。(3)初選齒輪、齒條基本參數(shù)黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)16根據(jù)設(shè)計(jì)要求—傳動(dòng)精度高，尺寸空間小，使用類比法，初選齒輪的模數(shù)，齒數(shù) ，壓力角 。0.5m?28z?20???則分度圓直徑。.5814mdz?又根據(jù)《機(jī)械原理》 ，為滿足齒輪、齒條能正確的嚙合且能連續(xù)傳動(dòng)，齒條的模數(shù) ，壓力角 。依據(jù) X 軸方向運(yùn)動(dòng)的范圍 ，并考慮整個(gè)機(jī)0.5?20??? 25s?構(gòu)的對稱性，齒條的理論長度應(yīng)為 。5l而齒距， (3.1)3.14.7mpm???則齒條的齒數(shù)， (3.2)50.8.lz取。32z?為了滿足行程條件及齒輪－齒條的完整嚙合，應(yīng)齒數(shù)上留有余量，初定此條的齒數(shù) 。所以齒條實(shí)際嚙合的長度52z?。521.78.64mlzp?圓整取 l?2 強(qiáng)度的校核(1)接觸強(qiáng)度校核接觸強(qiáng)度校核的基點(diǎn)是：齒輪節(jié)點(diǎn)處的計(jì)算接觸應(yīng)力 應(yīng)不小于其許用的接觸H?應(yīng)力 。即： HP?(3.3) HP??或接觸強(qiáng)度計(jì)算安全系數(shù) 應(yīng)小于接觸強(qiáng)度的最小安全系數(shù) 。S minHS即：(3.4) minHS?此設(shè)計(jì)的齒輪采用第一種方法校核。根據(jù)赫茨公式，可以導(dǎo)出接觸應(yīng)力基本值的計(jì)算式0H?(3.5)0min1tHEFubdZ??????式中， —節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)；HZ黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)17—彈性系數(shù)；EZ—重合度系數(shù)；?－螺旋角系數(shù)；?－分度圓上的名義切向載荷；tF－最小工作齒寬（ ） ；minbm－齒輪的分度圓直徑；1d－齒數(shù)比。u根據(jù)接觸應(yīng)力的基本值，再乘以四個(gè)與負(fù)載有關(guān)的修正系數(shù)，即可獲得計(jì)算接觸應(yīng)力 。即H?(3.6) 0HAVHK????式中， －使用系數(shù)；AK－動(dòng)載系數(shù)；V－接觸強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)；H?－接觸強(qiáng)度計(jì)算的齒間載荷分布系數(shù)。?而許用接觸應(yīng)力 可依據(jù)試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限 、接觸強(qiáng)度計(jì)算的最P?limH?小安全系數(shù) 及六個(gè)修正系數(shù)確定。即：minHS(3.7)limnHPNVRWZX?式中， －接觸強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù)；NZ－速度系數(shù)；V－粗糙度系數(shù)；R－工作硬化系數(shù)；W－潤滑劑系數(shù)；Z－接觸強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù)。X綜上所述，查《現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊》 ，對于標(biāo)準(zhǔn)直齒輪，?。?.5HZ?查表知； (3.8) 189.EMPa對于直齒輪(3.9)??43aZ???黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)18式中， -端面重合度。a?根據(jù)齒數(shù)和模數(shù)查表知(3.10)120.75.61.52aa