買文檔就送全套 紙 詢 414951605 最新最全的優(yōu)秀畢設(shè) 資料完整 答辯通過 本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計 現(xiàn)代工業(yè)超精密結(jié)構(gòu)設(shè)計 系部名稱： 機電工程學(xué)院 專業(yè)班級 ： 機械設(shè)計制造及其自動化 08 學(xué)生姓名 ： 指導(dǎo)教師 ： 職 稱 ： 哈 爾 濱 工 程 大 學(xué) 二一二年六月 買文檔就送全套 紙 詢 414951605 最新最全的優(yōu)秀畢設(shè) 資料完整 答辯通過 s D 08ia 012文檔就送全套 紙 詢 414951605 最新最全的優(yōu)秀畢設(shè) 資料完整 答辯通過 I 摘 要 在當(dāng)前的 工程設(shè)計實驗中，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)計了 精密定位測量儀器 四維微調(diào)工作臺。 本設(shè)計對四維微調(diào)工作臺的精密定位原理及結(jié)構(gòu)組成進行了研究。 為了實現(xiàn)高精度的快速定位， 在系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用粗動臺和微動臺的組合結(jié)構(gòu)進行控制，達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，實現(xiàn) X、 Y、 Z 軸方向的調(diào)節(jié)，同時還可進行水平轉(zhuǎn)角以及垂直仰角的調(diào)節(jié)。 實現(xiàn) X 軸粗調(diào)范圍： 025辨率： 軸調(diào)節(jié)范圍： 25 軸調(diào)節(jié)范圍： 022角粗調(diào)范圍： 0360 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。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 D is a It , Y . by of it of s It is in As it is to of be on a to a To s in of s 25 25 22 of 360, 4D 1 目 錄 摘要 . I . 1 章 緒論 . 1 題背景及研究意義 . 1 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 1 調(diào)工作臺的驅(qū)動方式 . 1 外研究現(xiàn)狀 . 2 . 3 調(diào)精密定位工作臺的發(fā)展前景 . 3 統(tǒng)組成及工作原理 . 5 文的主要工作 . 6 第 2 章 現(xiàn)代工業(yè)超精密結(jié)構(gòu)設(shè)計 的總體方案設(shè)計 7 密結(jié)構(gòu)設(shè)計及特點 . 7 身結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足下列要求 . 7 密結(jié)構(gòu)設(shè)計特點 . 7 密結(jié)構(gòu)主要材料的選擇 . 7 密結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌設(shè)計形式的選擇 . 8 密結(jié)構(gòu)的組成及工作原理 . 9 方向粗調(diào)機構(gòu) . 9 向微調(diào)機構(gòu) . 10 方向粗調(diào)機構(gòu) . 10 方向調(diào)節(jié) 機構(gòu) . 11 平轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)機構(gòu) . 12 直仰角調(diào)節(jié)機構(gòu) . 12 章小結(jié) . 14 第 3 章精密結(jié)構(gòu)工 作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計 . 15 調(diào)工作臺的傳動設(shè)計計算 . 15 2 方向粗調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計 . 15 方向的粗調(diào)機構(gòu)設(shè)計 . 24 方向的粗調(diào)機構(gòu)設(shè)計 . 24 方向微調(diào)機構(gòu)設(shè)計 . 26 角調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計 . 31 軌的設(shè)計 . 32 用力方向和作用點位置對導(dǎo)軌工作的影響分析 . 32 軌主要尺寸的確定 . 34 軌的誤差分析 . 35 簧的設(shè)計 . 35 方向微調(diào)機構(gòu)的彈簧設(shè)計 . 35 Z 軸旋轉(zhuǎn)微調(diào)機構(gòu)的彈簧設(shè)計 . 38 角調(diào)節(jié)機構(gòu)的彈簧設(shè)計 . 39 調(diào)工作臺的支撐和基座設(shè)計 . 39 承的設(shè)計 . 39 座的設(shè)計 . 40 章小結(jié) . 41 第 4 章 示數(shù)裝置的設(shè)計 . 42 數(shù)裝置設(shè)計要求 . 42 數(shù)裝置的分類 . 42 Y 軸方向粗調(diào)示數(shù)裝置的設(shè)計 . 42 型的選擇 . 42 尺與指針的選擇 . 42 度尺寸的選擇 . 43 微調(diào)示數(shù)裝置的設(shè)計 . 43 計原理 . 43 計計算 . 43 章小結(jié) . 44 結(jié)論 . 45 參考文獻 . 46 致謝 . 48 3 買文檔送全套圖紙 扣扣 414951605 4 5 1 第 1 章 緒 論 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系統(tǒng)用以直接進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 ,它的各項技術(shù)指標(biāo)是各國高技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。 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式驅(qū)動、摩擦式驅(qū)動，也有采用兩級進給的方式，即采用粗動與精動兩套系統(tǒng)，以同時兼顧大行程、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，它的各項技術(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，工作臺的速度、加速度及啟停過程的穩(wěn)定時間則影響設(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1行程高精度工作臺是指行程達毫米級以上，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或摩擦式驅(qū)動方式 ，運動分辨率大多在 10右。 調(diào)工作臺的驅(qū)動方式 摩擦傳動具有正反空程小、傳動平穩(wěn)、噪聲小等優(yōu)點，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)動力，否則傳動過程容易產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，因此限制了摩擦驅(qū)動的應(yīng)用范圍。 與傳統(tǒng)機床進給驅(qū)動相比，直線電機驅(qū)動具有以下優(yōu)點：省略了中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)，減少了機械磨損，系統(tǒng)運行時可以保持高增益，實現(xiàn)精確的進給前饋，對給定的加工路徑可以用高速進行準(zhǔn)確跟蹤，從而保證了機床的高精度和使用壽命。運行時，直線 2 電機不像旋轉(zhuǎn)電機那樣會受到離心力作用，因此其直線速度不受 限制。直線驅(qū)動的慣性主要存在于滑臺，因此加工時可以有很高的加速度。直線電機靠電磁推力驅(qū)動，故系統(tǒng)噪聲很小，改善了工作環(huán)境。過去應(yīng)用直線電機驅(qū)動主要集中在高速進給領(lǐng)域，利用了它可以有很高的加速度和運行速度的優(yōu)點，但隨著電機技術(shù)的發(fā)展，直線電機驅(qū)動開始向精密定位發(fā)展，如日本研制的幾款超精密工作臺都應(yīng)用了直線電機驅(qū)動。與傳統(tǒng)的進給方式相比，在精密定位領(lǐng)域，直線電機驅(qū)動擁有更廣闊的應(yīng)用前景。 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到 2 國漢城大學(xué)研制的宏微結(jié)合的 200程精密工作臺，以激光干涉儀作為位置反饋元件，定位精度達到 10一類疊加式宏微組合的精密工作臺，更具有實用性，現(xiàn)已成為研制大行程精密定位技術(shù)的熱點。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 國一些大學(xué)在電子行業(yè)和計算機行業(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。 東京工業(yè)大學(xué)研制了具有納米級分辨率的 一維直線電機驅(qū)動超精密工作臺。它采用氣浮導(dǎo)軌導(dǎo)向，行程 300軌的垂直剛度 600N/平剛度 220N/作臺重 部采用氧化鋁陶瓷材料。直線電機驅(qū)動力 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 制系統(tǒng)采用帶前饋補償?shù)?制器。它最大的特點是配置了一部電流變阻尼器，可以主動控制系統(tǒng)的動靜態(tài)特性。系統(tǒng)可以實現(xiàn) 2步進定位。直線電機式工作臺也可以設(shè)計成一維運動一體化的工作臺。住友重工公司開發(fā)的直 線電機驅(qū)動的 作臺具有快速運動響應(yīng)。 步進運動只需 37可使定位誤差在 10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。 為了實現(xiàn)平而內(nèi)的轉(zhuǎn)動而研制了三自由度的一維直線電機式工作臺。定位工作臺由 3 個空氣軸承墊在底板上導(dǎo)向，通過合成 3 個直線電機的驅(qū)動力而產(chǎn)生 3 自山度 (x,y, z)的運動。工作臺重 在 x 和 y 方向上均具有 30行程。激光干涉儀用作工作臺的定位反饋。實驗測得工作臺在 x， y 和 z 方向上的定位分辨率分別為 大速度為 150mm/s，頻響寬度為 105 法國 制的摩擦驅(qū)動工作臺重 100過液體靜壓導(dǎo)軌支撐，工作臺的行 3 程為 6大速度為 10mm/s。 臺灣淡江大學(xué) 人設(shè)計了利用氣體支撐的摩擦輪驅(qū)動工作臺。反饋測量裝置是一臺量程為 光干涉儀，整個裝置被放置在溫度201 和濕度 605%的環(huán)境中。在 50500 10進運動情況下，定位精度均優(yōu)15 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行了研究。此系統(tǒng)由高分辨率電機、摩擦扭輪傳動機構(gòu)、空氣靜壓導(dǎo)軌和控制計算機等組成。摩擦扭輪傳動機構(gòu)導(dǎo)程 0 杠長度 650母剛度 3 kg/體靜壓導(dǎo)軌行程 300計直線度 00流伺服電機旋轉(zhuǎn)分辨率 1r/655360；實驗結(jié)果表明：在300行程上運動分辨率達到 10 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 1右，右，但這些數(shù)據(jù)大多是樣機系統(tǒng)在實驗室條件下達到的。由于我國在高精度傳感器，微進給技術(shù)以及計算機技術(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 10進行超精密測量和運動控制的研究，己經(jīng)取得了良好的研究進展。整個超精密工件臺試驗系統(tǒng)由質(zhì)量達 5t 的花崗石底座、基臺、 (主動 )隔振元件、兩套超精密直線運動系統(tǒng)組成。每套直線運動系統(tǒng)由桑層的粗動與精動系統(tǒng)組成，并由雙頻激光 干涉儀提供位置檢測和閉環(huán)運動反饋，檢測精度可達到 2行程超精密導(dǎo)軌、氣浮滑塊、直線電機 (直線光柵組成大行程粗動系統(tǒng)可以實現(xiàn) 300上的行程， 2g 以上的加速度和 1000m/s 以上的速度。但其動態(tài)運動精度僅能達到幾微米，定位精度可以達到數(shù)百納米。為了實現(xiàn) 10至更高的運動精度，在上述大行程運動系統(tǒng)的氣浮滑塊上桑加安裝了超精密氣浮微動臺，以對粗動精度進行微動補償。微動臺采用音圈電機 (動，電容傳感器進行微動位置檢測。雙頻激光干涉儀的測量鏡 安裝在微動臺的動臺上，實現(xiàn)對粗、精動運動系統(tǒng)最終的位置監(jiān)測和運動反饋。到 2003 年 12 月，運動定位精度己經(jīng)達到 12 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 ,工作臺的速度、加速度及啟停過程的穩(wěn)定時間則影響設(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 4 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 1行程高精度工作臺是指行程達毫米級以上 ,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或摩擦式驅(qū)動方式 ,運動分辨率大多在 10右。大行程超精密工作臺主要的類型有直線電機驅(qū)動、摩擦驅(qū)動式 ,也有采用兩級進給的方式 ,即采用粗動與精動兩套系統(tǒng) ,以同時兼顧大行程、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的各個領(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，社會的進步，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 工作臺提出的新要求，然而大行程和高精度是微動技術(shù)中的一對矛盾。因此微動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。 合多種微動方法以彌補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)成熟的各種微動工作臺基礎(chǔ)上，妥善解決好其中兩種或者多種微動工作臺間的兼容性，解決好機械結(jié)構(gòu)間的裝配誤差、多種平臺間的定位誤差，采用粗動和微動相結(jié)合的方法，粗動臺用以完成快速大范圍，微動工作臺實現(xiàn)高精度，也就是說通過微動工作臺對粗動工作臺由于運動所帶來的誤差進行精度補償，以此實現(xiàn)大范圍 、高精度的要求。 動方向間的交叉藕合嚴(yán)重影響納米微動工作臺的定位精度，因此需進一步研究運動導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，從運動原理上有效地消除運動方向間的交叉藕合產(chǎn)生的定位誤差，提高納米級微動工作臺的定位精度。 采用建立遲滯和蠕變數(shù)學(xué)模型進行開環(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。 一步提高：在現(xiàn)有磁懸浮微動工作臺基礎(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，解決運動控制和定位技術(shù)，從而實現(xiàn)納米級精度的大范圍運動。 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現(xiàn)，就連現(xiàn)在許多結(jié)合了多種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到未來的測量需求是一個很好的解決方案 ;提 高測量系統(tǒng)中 5 機械系統(tǒng)的裝配和運動精度、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、自動化、精密化、高效化發(fā)展。 統(tǒng) 組成及工作原理 四維微調(diào)工作臺在系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計上，采用粗動臺和微動臺的組合結(jié)構(gòu)，即由粗動臺來完成高速運行，解決整個系統(tǒng)的速度問題，進行粗定位，然后由微動臺完成精定位，這樣可使定位系統(tǒng)達到極高的定位精度和靈敏度，控制簡單可靠。該機構(gòu)采用了齒輪、齒條和螺旋傳動原理， 因此能夠?qū)崿F(xiàn) X、 Y、 Z 軸方向的調(diào)節(jié)，同時還可進行水平轉(zhuǎn)角以及垂直仰角的調(diào)節(jié)。 作為理想的微動工作臺 ,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態(tài)特性 ;同時還應(yīng)滿足工作行程的要求。以此為前提 ,我們設(shè)計了由齒輪、齒條和螺旋傳動原理構(gòu)成的機構(gòu)。四維微調(diào)工作臺在系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計上，采用粗動臺和微動臺的組合結(jié)構(gòu)，即由粗動臺來完成高速運行，解決整個系統(tǒng)的速度問題，進行粗定位，然后由微動臺完成精定位，這樣可使定位系統(tǒng)達到極高的定位精度和靈敏度，控制簡單可靠。該機構(gòu)采用齒輪、齒條和螺旋傳 動原理，能夠?qū)崿F(xiàn) X、 Y、 時還可進水平轉(zhuǎn)角以及垂直仰角的調(diào)節(jié)。 方向調(diào)節(jié)可分為粗調(diào)、微調(diào)。粗調(diào)通過轉(zhuǎn)動橫向調(diào)節(jié)螺桿，利用齒輪和齒條嚙合使轉(zhuǎn)動變?yōu)槠絼?，實現(xiàn) X 軸方向上的粗調(diào)。精度依靠所設(shè)計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)計不同的調(diào)節(jié)范圍以滿足實驗要求。 X 軸方向的微調(diào)是利用了螺桿轉(zhuǎn)動、螺母移動原理。裝置中運動桿尺和頂桿可看作是螺桿，保持軸套和滑動臺整體看作是螺母，鎖緊螺母主要是為了減小螺紋間隙。旋轉(zhuǎn)運動桿尺來實現(xiàn)微調(diào)，最小移動距離可達到 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。 方向的調(diào)節(jié)是利用了螺母轉(zhuǎn)動、螺桿移動原理實現(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，從而實現(xiàn)立柱在 Z 軸方向上平穩(wěn)運動，軸蓋是為了防止直槽螺套的竄動。當(dāng)轉(zhuǎn)動直槽螺套時，螺桿會沿著旋轉(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，只剩在 Z 軸上的平動，從而實現(xiàn)了在 Z 軸方向上的調(diào)節(jié)。當(dāng)調(diào)好高度時，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)角機構(gòu)由水 平止推桿、水平調(diào)節(jié)桿、水平轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)架、防轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)桿，以及連接螺桿、水平轉(zhuǎn)動套、轉(zhuǎn)軸套組成。 6 當(dāng)進行大角度粗調(diào)時，放松轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)桿，裝置以軸水平轉(zhuǎn)動套可進行 360度的調(diào)節(jié)。當(dāng)角度選定時鎖緊防轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)桿，然后調(diào)節(jié)水平調(diào)節(jié)桿進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。 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)計進行研究。 首先，本文將對四維微調(diào)工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計從 X 方向粗調(diào)機構(gòu)、 X 方向微調(diào)機構(gòu)、Y 方向粗調(diào)機構(gòu)、 Z 方向調(diào)節(jié)機構(gòu)、水平轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)機構(gòu)和垂直仰角調(diào)節(jié)機構(gòu)六大方面著手對四維微調(diào) 工作臺的結(jié)構(gòu)組成及工作原理進行詳細(xì)的闡述。 其次，將對四維微調(diào)工作臺的傳動方案、機體主要材料及四維微調(diào)工作臺導(dǎo)軌設(shè)計形式進行選擇。 最后，本文將對彈簧、示數(shù)裝置、支承和基座進行設(shè)計。還有，將對四維微調(diào)工作臺的主要機構(gòu)及零件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計并對受載荷較大的零件進行合理性分析。 7 第 2章 四維微調(diào)工作臺的總體方案設(shè)計 調(diào)工作臺 的結(jié)構(gòu)設(shè)計及特點 身結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足下列要求 度的條件下，力求質(zhì)量輕、節(jié)約金屬。 使裝于其上 的所有部件、零件容易安裝、調(diào)整、修理和更換。 證 微調(diào)工作臺 的穩(wěn)定性。 機構(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)計需使鑄造和加工方便。焊接結(jié)構(gòu)盡量設(shè)計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。 維微調(diào)工作臺的設(shè)計特點 目前大行程超精密工作臺設(shè)計的方案主要有兩種設(shè)計思路： (l)一級進給方式，采用直線電機非接觸進給或利用靜摩擦驅(qū)動進給； (2)兩級進給方式，即采用粗動與精動系統(tǒng)相結(jié)合，以達到高的定位精度和分辨率。 四維微調(diào)工作臺的設(shè)計特點是采用兩級進給方式 ,即粗動與精動系統(tǒng)相結(jié)合 , 粗動工作臺完成高速度大行程，微動工作臺實現(xiàn)其精度要求 ，也就是說通過微動工作臺對粗動工作臺由于運動所帶來的誤差進行精度補償， 以達到高的定位精度和分辨率。兩級進給的方案與單級進給相比 ,優(yōu)點是可以結(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 ,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。 調(diào)工作臺機體主要材料的選擇 8 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)陶瓷山于其高強度、高硬度和耐高溫、耐輻射、抗腐蝕等優(yōu)點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，但其應(yīng)用于精密平臺還未見報道。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數(shù)量級，缺點是彈性模量較小。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)濟成本考慮本設(shè)計的工作臺材料仍以鋼材為主，即以 45 號鋼和 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。 調(diào)工作臺導(dǎo)軌設(shè)計形式的選擇 導(dǎo)軌的功用是導(dǎo)向和承載。即保證運動部件在外力作用下，能準(zhǔn)確地沿著一定的方向運動。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)計基本要求： 導(dǎo)向精度是指動導(dǎo)軌沿支承導(dǎo)軌運動時，直線運動導(dǎo)軌 的直線性和導(dǎo)軌同其他運動之間相互位置的準(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。 9 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。 導(dǎo)軌的一般形式有滑動、滾動和靜壓 3 種形式。其中滑動導(dǎo)軌中導(dǎo)軌副之間是滑動摩擦，山于導(dǎo)軌副材料之間存在動、靜摩擦因數(shù)的差異，會產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，同時存在磨損，使用壽命不長，在高精密工作臺中較少采用滑動導(dǎo)軌。滾動導(dǎo)軌中采用鋼球或滾柱作為滾動體，具有較小的摩擦因數(shù)，動靜摩擦因數(shù)的差異極小，可以有效避免爬行現(xiàn)象的產(chǎn)生。但滾動導(dǎo)軌中由于滾動體與導(dǎo)軌之間的接觸為點接觸或線接 觸，其抗振性與滑動導(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。目前實現(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，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，這是因為氣體靜壓導(dǎo)軌具有以下優(yōu)點：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，運動精度高，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 :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)計中由于設(shè)計精度的要求，沒有使用 磁懸浮導(dǎo)軌的必要 。其中滾動導(dǎo)軌中采用鋼球或滾柱作為滾動體 ,具有較小的摩擦因數(shù) ,但滾動導(dǎo)軌中由于滾動體與導(dǎo)軌之間的接觸為點接觸或線接觸 ,其抗振性與滑動導(dǎo)軌相比較差?；瑒訉?dǎo)軌中導(dǎo)軌副之間是滑動摩擦 ,由于工作臺整體機構(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)濟成本及設(shè)備維護上的考慮，本工作臺選擇滑動導(dǎo)軌的形式。 本次設(shè)計的 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)。 維微調(diào)工作臺的組成及工作原理 方向粗調(diào)機構(gòu) X 軸方向調(diào)節(jié)的粗調(diào)通過轉(zhuǎn)動橫向調(diào)節(jié)螺桿 44，利用齒輪和齒條嚙合使轉(zhuǎn)動變?yōu)槠絼樱瑢崿F(xiàn) X 軸方向上的粗調(diào)。精度依靠所設(shè)計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)計不同的調(diào)節(jié)范圍以滿足實驗要求。本設(shè)計為保證達到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，要求 X 向調(diào)節(jié)范圍不超出 25 10 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 方向粗調(diào)機構(gòu) 向微調(diào)機構(gòu) X 軸方向的微調(diào)是利用了螺桿轉(zhuǎn)動、螺母移動原理。裝置中運動桿尺 28 和頂桿30 可看作是螺桿，保持軸套 31 和滑動臺 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)運動桿尺 28來實現(xiàn)微調(diào)，最小移動距離可達到 保證達到設(shè)計精度要求 滑動臺與導(dǎo)軌的接觸面光滑整潔、運行平穩(wěn)，并且保證 頂桿 30 上的螺紋精度。 圖 方向微調(diào)機構(gòu) 方向粗調(diào)機構(gòu) 11 圖 方向粗調(diào)機構(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)機構(gòu)的主要部分由縱向支架 42、滑動軸承 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)動縱向調(diào)節(jié)螺桿 15，利用齒輪和齒條嚙合使轉(zhuǎn)動變?yōu)槠絼?，實現(xiàn) Y 軸方向上的粗調(diào)。精度依靠所設(shè)計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)計不同的調(diào)節(jié)范圍以滿足實驗要求。本設(shè)計為保證達到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，要求 Y 向調(diào)節(jié)范圍不超出 25 方向調(diào)節(jié)機構(gòu) Z 軸方向的調(diào)節(jié)是利用了螺母轉(zhuǎn)動、螺桿移動原理實現(xiàn)的。 Z 軸方向調(diào)節(jié)機構(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，從而實現(xiàn)立柱在 Z 軸方向上的平穩(wěn)運動，軸蓋 37 是為了防止直槽螺套59 的上下竄動。當(dāng)轉(zhuǎn)動直槽螺套 59 時，螺桿 61 會沿著旋轉(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，只剩下在 Z 軸方向上的平動，從而實現(xiàn)了在 Z 軸方向上的上下調(diào)節(jié)。當(dāng)調(diào)好高度時，可用鎖緊螺釘57 加以固定。 為保證達到設(shè)計精度要求 直槽螺套 59 內(nèi)螺旋上升的螺旋槽的高度不小于 22且保證螺旋槽內(nèi)壁的光滑整潔。 12 圖 方向調(diào)節(jié)機構(gòu) 平轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)機構(gòu) 如圖 平轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)機構(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)