3493 四维微调工作台结构设计

3493 四维微调工作台结构设计,微调,工作台,结构设计 毕业设计中期检查表填表日期 2012 年 5 月 11 日 迄今已进行 11 周剩余 6 周学生姓名 院系 专业、班级指导教师姓名 职称 从事专业 是否外聘 是否题目名称已完成主要内容 待完成主要内容毕业设计工作进度学生填写存在问题及努力方向学生签字： 指导教师意 见毕业设计进度：超前 正常 滞后 严重滞后指导教师签字： 年 月 日系意见系主任签字： 年 月 日毕业设计任务书学生姓名 杨磊 院系 机电工程学院 专业、班级 机械 08-3 班指导教师姓名 陈佳莹 职称 教授 从事专业 机械电子工程 是否外聘 是否题目名称 四维微调工作台机械结构设计一、设计目的、意义1.设计意义由于四维微调工作台的运用非常的广泛，结构设计方案也多种多样，所以对四维微调工作台的研究设计将会高精密定位技术的发展，促使我们的技术能早日的赶上国外的发展水平。本课题是四维微调工作台的结构设计，对四维微调工作台的总体结构设计以及各个零部件的具体结构设计，达到满意的设计技术要求。当前由于四维微调工作台体积小、操作灵活方便、适应性强而被广泛的运用在社会的各个领域，所以四维微调工作台的结构设计可以极大的促进高精度精密定位技术的发展，使高精度精密定位技术更有效在社会的各个领域得以运用，促进社会的发展和进步。2. 设计目的1）理解四维微调工作台的工作原理，组成结构以及工作流程2）完成一组四维微调工作台机械结构设计，通过本次设计，使学生理解并掌握一般航天机械的结构设计方法和设计过程掌握对航天机械关键零部件的尺寸计算和强度校核方法二、设计内容、技术要求（研究方法）1.设计内容阐述课题背景，对国内外相关研究现状进行总结和分析；根据主要技术指标，在分析国内外研究现状基础上制定总体设计方案，并阐明方案制定依据；完成四维微调工作台运动设计、零部件的具体结构设计；对所设计的结构进行精度和刚度校核。得出设计结论2.技术要求四维微调工作台的结构设计合理完整，计算准确，按时完成全部设计内容，相关校验结果达到满意的设计技术指标。三、设计完成后应提交的成果（一）计算说明部分1.设计说明书字数要求在 1.5 万字以上（设计说明书一式一份） 。（二）图纸部分1.零号装配图图纸 1 张；2.零件图图纸合计 2 张；四、设计进度安排1、2012.2.27-2012.3.20 查阅资料，做好记录完成开题报告2、2012.3.21-2012.4.17 确定整体设计方案3、2012.4.18-2012.5.14 完善总体设计结构设计，完成装配图4、2012.5.15-2012.6.5 由装配图拆画零件图5、2012.6.6-2012.6.17 撰写设计计算说明书，准备答辩五、主要参考资料1 徐灏.机械设计手册S.北京:机械工业出版社，1991.9.2 蒋秀珍.机械学基础综合训练图册M.科学出版社，2002.1.3 薛实福，李庆祥.精密仪器设计M.北京：清华大学出版社，1991.5.4 董申，刘海龙.微动工作台的研制及特性研究J. 哈尔滨工业大学学报，1998，18（6）：14.5 巩娟，李玉和.新型三维微动台的设计与实验分析J.现代制造工程，2005(2):115117.6 张晓峰，林彬.大行程精密工作台的发展方向J.南京航空航天大学学报,1998,20(3):99-102.7 王三民，诸文俊.机械原理与设计：机械工业出版社，2000.12. 六、备注指导教师签字：年 月 日系主任签字： 年 月 日本科学生毕业设计四维微调工作台结构设计系部名称： 机电工程学院专业班级： 机械设计制造及其自动化 08-3 班学生姓名： 指导教师：职 称： 二一二年六月The Graduation Design for Bachelors DegreeStructure Design of 4D Micro Motion Stage Candidate：Specialty：Mechanical Design and Manufacture&AutomationClass：Supervisor 2012-06 I摘 要在当前的工程设计实验中，激光发射器和各种光学器件的调节定位，都需要一种高精度的定位测量仪器。正是在这种需求下，产生了一系列精密定位测量仪器，本文设计了精密定位测量仪器四维微调工作台。本设计对四维微调工作台的精密定位原理及结构组成进行了研究。为了实现高精度的快速定位，在系统的机械结构设计上采用粗动台和微动台的组合结构进行控制，达到了满意的定位精度。四维微调工作台是一种高精密定位工作台，通过齿轮、齿条和螺旋的传动，实现 X、Y、Z 轴方向的调节，同时还可进行水平转角以及垂直仰角的调节。实现 X 轴粗调范围：025mm 分辨率：0.001mm Y 轴调节范围： 25mm 分辨率：0.1mm Z 轴调节范围：022mm 转角粗调范围：0360 角度精细调节范围：5的主要技术指标。关键词：四维微调；调节定位；微调工作台；测量仪器；定位工作台。哈尔滨工程大学本科生毕业设计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 elevations 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 poisonings fast location, in this design I adopt the way of coarse adjustment trimming combine together. After finish the design I know more about the devices 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 025mm, resolution rate is 0.001 mm , the coverage of Y is 25mm, resolution rate is 0.1mm, the coverage of Z is 022mm , the coarse adjustment coverage of deflection angle is 0360, the trimming coverage is5 Key words: 4D Micro motion; poisoning control; Micro motion stage; Measuring instrument; location stage.哈尔滨工程大学本科生毕业设计1目 录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 课题背景及研究意义 .11.2 国内外研究现状 .11.2.1 微调工作台的驱动方式 .11.2.2 国外研究现状 .21.2.3 我国的研究现状 .31.3 微调精密定位工作台的发展前景 .31.4 系统组成及工作原理 .51.5 本文的主要工作 .6第 2 章 四维微调工作台的总体方案设计 .72.1 微调工作台的结构设计及特点 .72.1.1 机身结构设计应满足下列要求 .72.1.2 四维微调工作台的设计特点 .72.2 微调工作台机体主要材料的选择 .72.3 微调工作台导轨设计形式的选择 .82.4 四维微调工作台的组成及工作原理 .92.4.1 X 方向粗调机构 .92.4.2X 方向微调机构 .102.4.3 Y 方向粗调机构 .102.4.4 Z 方向调节机构 .112.4.5 水平转角调节机构 .122.4.6 垂直仰角调节机构 .122.5 本章小结 .14第 3 章 四维微调工作台的结构设计.153.1 微调工作台的传动设计计算 .15哈尔滨工程大学本科生毕业设计23.1.1X 轴方向粗调结构设计 .153.1.2Y 轴方向的粗调机构设计 .243.1.3Z 轴方向的粗调机构设计 .243.1.4X 轴方向微调机构设计 .263.1.5 仰角调节机构设计 .313.2 导轨的设计 .323.2.1 作用力方向和作用点位置对导轨工作的影响分析 .323.2.2 导轨主要尺寸的确定 .343.2.3 导轨的误差分析 .353.3 弹簧的设计 .353.3.1X 轴方向微调机构的弹簧设计 .353.3.2 绕 Z 轴旋转微调机构的弹簧设计 .383.3.3 仰角调节机构的弹簧设计 .393.4 微调工作台的支撑和基座设计 .393.4.1 支承的设计 .393.4.2 基座的设计 .403.5 本章小结 .41第 4 章 示数装置的设计 .424.1 示数装置设计要求 .424.2 示数装置的分类 .424.3XY 轴方向粗调示数装置的设计 .424.3.1 类型的选择 .424.3.2 标尺与指针的选择 .424.3.3 分度尺寸的选择 .434.4X 轴微调示数装置的设计 .434.4.1 设计原理 .434.4.2 设计计算 .434.5 本章小结 .44结论.45参考文献 .46致谢.48哈尔滨工程大学本科生毕业设计3哈尔滨工程大学本科生毕业设计1第 1 章 绪 论1.1 课题背景及研究意义随着科学技术的发展，在电子、光学、机械制造等众多技术领域中迫切需要高精度、高分辨率、能够灵活控制的微动系统用以直接进行工作或配合其它仪器设备完成高精度的定位和测量。正是这种需要极大地促进了高精密定位和测量技术发展。高精度和高分辨率的超精密工作台系统在近代尖端工业生产和科学研究领域内占有极为重要的地位。它直接影响精密、超精密切削加工水平、精密测量水平及超大规模集成电路生产水平。同时,它的各项技术指标是各国高技术发展水平的重要标志。1.2 国内外研究现状大行程超精密工作台主要的类型有直线电机式驱动、摩擦式驱动，也有采用两级进给的方式，即采用粗动与精动两套系统，以同时兼顾大行程、高响应速度和高定位精度。高精度和高分辨率的超精密工作台系统在近代尖端工业生产和科学研究领域内占有极为重要的地位。它直接影响精密、超精密切削加工水平、精密测量水平及超大规模集成电路生产水平。同时，它的各项技术指标是各国高技术发展水平的重要标志。超精密工作台系统的定位精度和行程范围直接影响生产加工的精度。同时，工作台的速度、加速度及启停过程的稳定时间则影响设备的效率，成为系统的重要指标。这些一次定位的精密工作台系统可以按精度高低和行程大小分为两类:小行程、极高精度的工作台系统和大行程、高精度的工作台系统。小行程极高精度工作台大多采用压电元件或电磁元件作为驱动装置。行程多在数十微米的范围内，但位移分辨率可高达 1nm。大行程高精度工作台是指行程达毫米级以上，但定位精度略低于小行程系统的工作台系统。它大多采用直线电机或摩擦式驱动方式，运动分辨率大多在 10nm 左右。1.2.1 微调工作台的驱动方式摩擦传动具有正反空程小、传动平稳、噪声小等优点，适合精密定位。其不足之处是负载能力小，不能够产生太大的驱动力，否则传动过程容易产生打滑现象，因此限制了摩擦驱动的应用范围。与传统机床进给驱动相比，直线电机驱动具有以下优点：省略了中间转换机构，减少了机械磨损，系统运行时可以保持高增益，实现精确的进给前馈，对给定的加工哈尔滨工程大学本科生毕业设计2路径可以用高速进行准确跟踪，从而保证了机床的高精度和使用寿命。运行时，直线电机不像旋转电机那样会受到离心力作用，因此其直线速度不受限制。直线驱动的惯性主要存在于滑台，因此加工时可以有很高的加速度。直线电机靠电磁推力驱动，故系统噪声很小，改善了工作环境。过去应用直线电机驱动主要集中在高速进给领域，利用了它可以有很高的加速度和运行速度的优点，但随着电机技术的发展，直线电机驱动开始向精密定位发展，如日本研制的几款超精密工作台都应用了直线电机驱动。与传统的进给方式相比，在精密定位领域，直线电机驱动拥有更广阔的应用前景。1.2.2 国外研究现状目前，国外在精密定位技术方而的研究成果较多，世界上各发达国家对高精密技术的发展都给予了足够的重视。日本东京工大研究的精密工作台的定位精度达到2 nm，韩国汉城大学研制的宏微结合的 200mm 行程精密工作台，以激光干涉仪作为位置反馈元件，定位精度达到 10nm。这一类叠加式宏微组合的精密工作台，更具有实用性，现已成为研制大行程精密定位技术的热点。英国的国家物理研究所所研制的微形貌纳米测量仪器的测量范围是 0.001nm-3nm。美国一些大学在电子行业和计算机行业的一些大公司支持下,开展了纳米精度的位移测量和定位工作的研究,也取得了令人瞩目的成就。1.直线电机式超精密工作台东京工业大学研制了具有纳米级分辨率的一维直线电机驱动超精密工作台。它采用气浮导轨导向，行程 300mm,导轨的垂直刚度 600N/um，水平刚度 220N/um。工作台重 19.6kg，全部采用氧化铝陶瓷材料。直线电机驱动力 160N ,最大加速度 6.4 m/s,最大速度 320mm/s。反馈测量系统采用激光干涉仪，激光干涉仪的分辨率为 0.63nm。控制系统采用带前馈补偿的 P1D 控制器。它最大的特点是配置了一部电流变阻尼器，可以主动控制系统的动静态特性。系统可以实现 2nm 的步进定位。直线电机式工作台也可以设计成一维运动一体化的工作台。住友重工公司开发的直线电机驱动的 X-Y工作台具有快速运动响应。2.54mm 的步进运动只需 37ms 就可使定位误差在10um以内。快速响应对于激光加工和半导体生产是非常关键的。为了实现平而内的转动而研制了三自由度的一维直线电机式工作台。定位工作台由 3 个空气轴承垫在底板上导向，通过合成 3 个直线电机的驱动力而产生 3 自山度(x,y, z)的运动。工作台重 5.9kg，它在 x 和 y 方向上均具有 30mm 的行程。激光干涉仪用作工作台的定位反馈。实验测得工作台在 x，y 和 z 方向上的定位分辨率分别为15.7nm, 9.5nm 和 0.104urad,最大速度为 150mm/s，频响宽度为 105Hz。2.摩擦式驱动超精密工作台哈尔滨工程大学本科生毕业设计3法国 Mekid 研制的摩擦驱动工作台重 100kg,通过液体静压导轨支撑，工作台的行程为 220mm.直线工作台的定位精度可达 16nm,最大速度为 10mm/s。台湾淡江大学 Chao 等人设计了利用气体支撑的摩擦轮驱动工作台。反馈测量装置是一台量程为 632.99nm 的 Hewlett Packard 激光干涉仪，整个装置被放置在温度201 和湿度 605%的环境中。在 50500 nm 和 10mm 步进运动情况下，定位精度均优 15nm。国防科技大学的罗兵、李圣怡等对摩擦扭轮式精密工作台进行了研究。此系统由高分辨率电机、摩擦扭轮传动机构、空气静压导轨和控制计算机等组成。摩擦扭轮传动机构导程 0 .26mm，光杠长度 650mm,螺母刚度 3 kg/mm;气体静压导轨行程300mm，设计直线度 0.5um/200mm；交流伺服电机旋转分辨率 1r/655360；实验结果表明：在 300mm 的行程上运动分辨率达到 10nm。1.2.3 我国的研究现状国内对高精度精密定位研究也很重视。很多家国内重点大学和知名企业开展了高精密定位仪器的研究开发，微调定位工作台的定位精度大致在 1um 左右，分辨率在0.1um 左右，但这些数据大多是样机系统在实验室条件下达到的。由于我国在高精度传感器，微进给技术以及计算机技术上的限制，在研发高精度定位平台及其产业化上尚需努力。清华大学与上海微电子装备有限公司合作开展研究，搭建了国内第一套以 10nm运动精度为目标的气浮运动试验台，并进行超精密测量和运动控制的研究，己经取得了良好的研究进展。整个超精密工件台试验系统由质量达 5t 的花岗石底座、基台、(主动)隔振元件、两套超精密直线运动系统组成。每套直线运动系统由桑层的粗动与精动系统组成，并由双频激光干涉仪提供位置检测和闭环运动反馈，检测精度可达到2nm。长行程超精密导轨、气浮滑块、直线电机(Linear motor)、直线光栅组成大行程粗动系统可以实现 300mm 以上的行程，2g 以上的加速度和 1000m/s 以上的速度。但其动态运动精度仅能达到几微米，定位精度可以达到数百纳米。为了实现 10nm 乃至更高的运动精度，在上述大行程运动系统的气浮滑块上桑加安装了超精密气浮微动台，以对粗动精度进行微动补偿。微动台采用音圈电机(Voice coil motor)驱动，电容传感器进行微动位置检测。双频激光干涉仪的测量镜安装在微动台的动台上，实现对粗、精动运动系统最终的位置监测和运动反馈。到 2003 年 12 月，运动定位精度己经达到12nm。1.3 微调精密定位工作台的发展前景超精密工作台系统的定位精度和行程范围直接影响生产加工的精度。同时,工作哈尔滨工程大学本科生毕业设计4台的速度、加速度及启停过程的稳定时间则影响设备的效率,成为系统的重要指标。这些一次定位的精密工作台系统可以按精度高低和行程大小分为两类:小行程、极高精度的工作台系统和大行程、高精度的工作台系统。小行程极高精度工作台大多采用压电元件或电磁元件作为驱动装置。行程多在数十微米的范围内,但位移分辨率可高达 1nm。大行程高精度工作台是指行程达毫米级以上 ,但定位精度略低于小行程系统的工作台系统。它大多采用直线电机或摩擦式驱动方式,运动分辨率大多在 10nm 左右。大行程超精密工作台主要的类型有直线电机驱动、摩擦驱动式,也有采用两级进给的方式,即采用粗动与精动两套系统,以同时兼顾大行程、高响应速度和高定位精度。如今，高精密的测量定位仪器在社会的各个领域都有了广泛的应用，特别是一些需要精密仪器的航空、航天等产业。随着科技的发展，社会的进步，对高精密的测量定位仪器的精度要求越来越高。大范围、高精度是对微动工作台提出的新要求，然而大行程和高精度是微动技术中的一对矛盾。因此微动工作台的未来研究方向应围绕如何解决这一对矛盾展开。1.多种微运动相结合技术：结合多种微动方法以弥补各自的不足仍然是解决以上问题的主要办法。比如在现有研究已经成熟的各种微动工作台基础上，妥善解决好其中两种或者多种微动工作台间的兼容性，解决好机械结构间的装配误差、多种平台间的定位误差，采用粗动和微动相结合的方法，粗动台用以完成快速大范围，微动工作台实现高精度，也就是说通过微动工作台对粗动工作台由于运动所带来的误差进行精度补偿，以此实现大范围、高精度的要求。2.新型纳米级微动工作台的研究：运动方向间的交叉藕合严重影响纳米微动工作台的定位精度，因此需进一步研究运动导向结构，从运动原理上有效地消除运动方向间的交叉藕合产生的定位误差，提高纳米级微动工作台的定位精度。3.改进控制策略：如采用建立迟滞和蠕变数学模型进行开环控制来避免因反馈而可能引起的不稳定问题，采用自适应控制消除建模的误差和参数的不确定性及系统环境的变化等因素对系统精度的影响，提高系统的稳定性。采用模糊控制、神经元网络控制等方法改善系统的非线性和不确定性。4.磁悬浮微动工作台性能的进一步提高：在现有磁悬浮微动工作台基础上，充分考虑磁滞非线性、磁饱和以及高次谐波对系统精度的影响，解决运动控制和定位技术，从而实现纳米级精度的大范围运动。未来的大范围高精度纳米测量要求在数十毫米以上的范围内达到至少亚纳米级的测量精度，这不仅使只采用其中之一的测量方法难以实现，就连现在许多结合了多种哈尔滨工程大学本科生毕业设计5测量的方法也是很难办到的。对纳米测量而言，能否取得高精度和大范围，这在很大程度上取决于信号处理的精度。随着电子技术的发展，加快信号处理的速度、加大处理量、更好的滤除噪声对达到未来的测量需求是一个很好的解决方案;提高测量系统中机械系统的装配和运动精度、改善光源的稳定性和相干性、降低外界环境的干扰或是设计对环境不敏感的测量系统都是大范围高精度纳米测量进一步发展所必须要解决的问题。当前仪器设备的发展趋势:主要是向大型化、自动化、精密化、高效化发展。1.4 系统组成及工作原理四维微调工作台在系统的机械结构设计上，采用粗动台和微动台的组合结构，即由粗动台来完成高速运行，解决整个系统的速度问题，进行粗定位，然后由微动台完成精定位，这样可使定位系统达到极高的定位精度和灵敏度，控制简单可靠。该机构采用了齿轮、齿条和螺旋传动原理，因此能够实现 X、Y 、Z 轴方向的调节，同时还可进行水平转角以及垂直仰角的调节。作为理想的微动工作台,应具有较高的位移分辨率,以保证高的定位精度;还应具有较高的几何精度和良好的动态特性;同时还应满足工作行程的要求。以此为前提,我们设计了由齿轮、齿条和螺旋传动原理构成的机构。四维微调工作台在系统的机械结构设计上，采用粗动台和微动台的组合结构，即由粗动台来完成高速运行，解决整个系统的速度问题，进行粗定位，然后由微动台完成精定位，这样可使定位系统达到极高的定位精度和灵敏度，控制简单可靠。该机构采用齿轮、齿条和螺旋传动原理，能够实现 X、Y、Z 轴方向的调节，同时还可进水平转角以及垂直仰角的调节。1.X 轴方向调节可分为粗调、微调。粗调通过转动横向调节螺杆，利用齿轮和齿条啮合使转动变为平动，实现 X 轴方向上的粗调。精度依靠所设计的齿轮与齿条的精度，其调节范围依靠齿条的长度，根据需要可设计不同的调节范围以满足实验要求。X 轴方向的微调是利用了螺杆转动、螺母移动原理。装置中运动杆尺和顶杆可看作是螺杆，保持轴套和滑动台整体看作是螺母，锁紧螺母主要是为了减小螺纹间隙。旋转运动杆尺来实现微调，最小移动距离可达到 0.001mm。2.Y 轴方向的粗调也可看作是垂直方向上的粗调，其调节原理与 X 轴方向上的粗调原理相同。3.Z 轴方向的调节是利用了螺母转动、螺杆移动原理实现的。直槽螺套相当于螺母，立柱和螺杆组成相当于螺杆，轴套是为了防止螺杆的转动，从而实现立柱在 Z轴方向上平稳运动，轴盖是为了防止直槽螺套的窜动。当转动直槽螺套时，螺杆会沿哈尔滨工程大学本科生毕业设计6着旋转螺套内的螺旋槽螺旋上升，但由于轴套的限制而消除了螺旋上升中的转动，只剩在 Z 轴上的平动，从而实现了在 Z 轴方向上的调节。当调好高度时，可用锁紧螺钉固定。4水平转角和垂直仰角的调节原理基本相似，水平转角机构由水平止推杆、水平调节杆、水平转动调节架、防转调节杆，以及连接螺杆、水平转动套、转轴套组成。当进行大角度粗调时，放松转动调节杆，装置以轴水平转动套可进行 360度的调节。当角度选定时锁紧防转调节杆，然后调节水平调节杆进行水平方向小角度的调节。该角度调节的精度主要依靠水平调节杆螺纹的精度。1.5 本文的主要工作本文是对四维微调工作台的结构设计进行研究。首先，本文将对四维微调工作台的结构设计从 X 方向粗调机构、 X 方向微调机构、Y 方向粗调机构、Z 方向调节机构、水平转角调节机构和垂直仰角调节机构六大方面着手对四维微调工作台的结构组成及工作原理进行详细的阐述。其次，将对四维微调工作台的传动方案、机体主要材料及四维微调工作台导轨设计形式进行选择。最后，本文将对弹簧、示数装置、支承和基座进行设计。还有，将对四维微调工作台的主要机构及零件进行结构设计并对受载荷较大的零件进行合理性分析。哈尔滨工程大学本科生毕业设计7第 2 章 四维微调工作台的总体方案设计2.1 微调工作台的结构设计及特点2.1.1 机身结构设计应满足下列要求1.机身在满足强度、刚度的条件下，力求质量轻、节约金属。2.结构力求简单，并使装于其上的所有部件、零件容易安装、调整、修理和更换。3.结构设计应便于铸造或焊接和机加工。4.必须有足够的底面积，保证微调工作台的稳定性。5.结构设计应力求减少振动和噪声。6.机构设计力求外形美观。机构结构分为铸造结构和焊接结构两种。铸造结构的材料比较容易供应，消震性能较好，但质量较重，刚度较差。焊接结构与之相反，质量较轻，刚度较好，外形比较美观，但消震性能较差。铸造结构尽量使壁厚不要有突然的变化，适当加大过渡圆角，减少应力集中。结构设计需使铸造和加工方便。焊接结构尽量设计成具有对称性的截面和对称性的焊缝位置，以减少焊接变形。要合理布置筋板，数量不宜过多。焊缝应尽量远离应力集中区域，尽量避免用焊缝直接承受主要工作载荷。焊缝避免交叉与聚集，并考虑焊接施工方便。2.1.2 四维微调工作台的设计特点目前大行程超精密工作台设计的方案主要有两种设计思路：(l)一级进给方式，采用直线电机非接触进给或利用静摩擦驱动进给；(2)两级进给方式，即采用粗动与精动系统相结合，以达到高的定位精度和分辨率。四维微调工作台的设计特点是采用两级进给方式,即粗动与精动系统相结合, 粗哈尔滨工程大学本科生毕业设计8动工作台完成高速度大行程，微动工作台实现其精度要求，也就是说通过微动工作台对粗动工作台由于运动所带来的误差进行精度补偿，以达到高的定位精度和分辨率。两级进给的方案与单级进给相比,优点是可以结合目前成熟的大行程工作台技术,降低技术难度和研制风险,但是不可避免地使工作台的结构复杂化并增加了控制系统的控制难度。2.2 微调工作台机体主要材料的选择超精密工作台要求工作台具有小质量、高刚度和低热变形。因此工作台的材料选择应遵循如下原则:密度小、低热传导率、低热膨胀、弹性模量大、技术要求、经济成本。目前传统工作台的材料仍然为钢材，但是其密度大、热导率与热膨胀系数大，使得工作台的性能受到影响。有些机床为了降低热变形的影响，在结构上采用了低热膨胀的殷钢，但综合性能仍然不够理想。工程结构陶瓷山于其高强度、高硬度和耐高温、耐辐射、抗腐蚀等优点己逐渐成为工程技术特别是尖端技术的关键材料，将工程结构陶瓷应用在精密平台上是一种发展趋势。氧化铝陶瓷的密度为钢的一半，热导率与热膨胀系数也均约为钢的一半，弹性模量比钢高一倍，综合性能比钢要好，因此如日木东京工业大学与住友重工研制的超精密工作台都采用了氧化铝陶瓷作为结构材料。石英陶瓷作为结构陶瓷多应用在玻璃、冶金、电工、航空航人等行业。主要利用其热导率低、热膨胀系数小、电性能好等优点，但其应用于精密平台还未见报道。石英陶瓷密度小(仅为钢的四分之一，氧化铝陶瓷的一半)，热导率与热膨胀系数都比钢与氧化铝陶瓷小一个数量级，缺点是弹性模量较小。石英陶瓷材料更适用于轻载的超精密工作台。由于目前传统工作台的材料仍然为钢材,虽然其密度偏大、热导率与热膨胀系数大,使得工作台的性能受到影响。但从本工作台的技术要求可知其精度为毫米、微米级的。在精密工作台的研究领域精度是相对偏低的。因此由工作台的技术要求及经济成本考虑本设计的工作台材料仍以钢材为主，即以 45 号钢和 Q235 为主要材料。在一些特殊零件上根据需要选用一些适宜的材料。2.3 微调工作台导轨设计形式的选择导轨的功用是导向和承载。即保证运动部件在外力作用下，能准确地沿着一定的方向运动。导轨的质量在一定程度上决定了微调工作台的加工精度、工作能力和使用寿命。因此，导轨必须满足下列设计基本要求：1.导向精度哈尔滨工程大学本科生毕业设计9导向精度是指动导轨沿支承导轨运动时，直线运动导轨的直线性和导轨同其他运动之间相互位置的准确性。2精度保持性为了能长期保持导向精度，对导轨提出了刚度和耐磨性的要求。若刚度不足，则直接影响部件之间的相对位置精度和导轨的导向精度，使导轨面上的比压分布不均匀，加剧导轨面的磨损。3结构工艺性在可能的情况下，应尽量使导轨结构简单，便于制造和维护。导轨的一般形式有滑动、滚动和静压 3 种形式。其中滑动导轨中导轨副之间是滑动摩擦，山于导轨副材料之间存在动、静摩擦因数的差异，会产生爬行现象，同时存在磨损，使用寿命不长，在高精密工作台中较少采用滑动导轨。滚动导轨中采用钢球或滚柱作为滚动体，具有较小的摩擦因数，动静摩擦因数的差异极小，可以有效避免爬行现象的产生。但滚动导轨中由于滚动体与导轨之间的接触为点接触或线接触，其抗振性与滑动导轨相比较差。磁悬浮导轨是近几年来兴起的一门新技术。它利用磁悬浮原理，与气垫技术相比，磁浮具有无声、易控和高效等优点。目前实现磁浮的方式主要有:利用永磁体之间的排斥力;利用超导技术产生磁浮;利用感应涡流产生悬浮;利用可控直流电磁铁实现悬浮。其中磁悬浮导轨主要利用感应涡流原理和可控直流电磁铁技术。但是磁悬浮导轨存在发热大、控制复杂等缺点，限制了其在超精密加工领域的应用。在大行程精密工作台中多采用静压导轨，而且以气体静压导轨居多，这是因为气体静压导轨具有以下优点：摩擦因数和摩擦力都很小，气体支承可在最清洁的状态下工作，具有冷态工作的特点，运动精度高，寿命长，可以在很宽的温度范围和恶劣环境中工作，能够保持很小的间隙。但是也有缺点:承载能力低、刚度小、润滑而需要高的加工精度、气体的可压缩性容易引起不稳定性、气体无自润滑性及润滑而易生锈等。 本设计中由于设计精度的要求，没有使用磁悬浮导轨的必要。其中滚动导轨中采用钢球或滚柱作为滚动体,具有较小的摩擦因数,但滚动导轨中由于滚动体与导轨之间的接触为点接触或线接触,其抗振性与滑动导轨相比较差。滑动导轨中导轨副之间是滑动摩擦,由于工作台整体机构比较小，导轨上承载的载荷不大，导轨中导轨副之间的摩擦很小，再由经济成本及设备维护上的考虑，本工作台选择滑动导轨的形式。本次设计的微调工作台导轨采用燕尾槽型，左右对称布置。导轨与滑轨应有适当的间隙，间隙小，导向准确平稳。哈尔滨工程大学本科生毕业设计102.4 四维微调工作台的组成及工作原理2.4.1 X 方向粗调机构X 轴方向调节的粗调通过转动横向调节螺杆 44，利用齿轮和齿条啮合使转动变为平动，实现 X 轴方向上的粗调。精度依靠所设计的齿轮与齿条的精度，其调节范围依靠齿条的长度，根据需要可设计不同的调节范围以满足实验要求。本设计为保证达到技术标准，要求 X 向调节范围不超出 25mm。12 横向支架 13 螺钉 24 横向导轨 25 连接螺钉 26 齿条 43 调节套 44 横向调节杆 51 螺钉图 2.1 X 方向粗调机构2.4.2X 方向微调机构X 轴方向的微调是利用了螺杆转动、螺母移动原理。装置中运动杆尺 28 和顶杆30 可看作是螺杆，保持轴套 31 和滑动台 2 整体看作是螺母，锁紧螺母 32 主要是为了减小螺纹间隙。旋转运动杆尺 28 来实现微调，最小移动距离可达到 0.001mm。为保证达到设计精度要求滑动台与导轨的接触面光滑整洁、运行平稳，并且保证顶杆30 上的螺纹精度。哈尔滨工程大学本科生毕业设计11图 2.2 X 方向微调机构2.4.3 Y 方向粗调机构图 2.3 Y 方向粗调机构Y 轴方向的粗调也可看作是垂直方向上的粗调，其调节原理与 X 轴方向上的粗调原理相同。Y 轴方向调节机构的主要部分由纵向支架 42、滑动轴承 14、纵向调节螺杆 15、齿条 47、纵向导轨等组成。通过转动纵向调节螺杆 15，利用齿轮和齿条啮合使转动变为平动，实现 Y 轴方向上的粗调。精度依靠所设计的齿轮与齿条的精度，其调节范围依靠齿条的长度，根据需要可设计不同的调节范围以满足实验要求。本设计为保证达到技术标准，要求 Y 向调节范围不超出 25mm。哈尔滨工程大学本科生毕业设计122.4.4 Z 方向调节机构Z 轴方向的调节是利用了螺母转动、螺杆移动原理实现的。 Z 轴方向调节机构的主要部分由轴盖 37、锁紧螺钉 57、直槽螺套 56、立柱 60、螺杆 61、轴套 62 组成。直槽螺套 56 相当于螺母，立柱 60 和螺杆 61 的组成相当于螺杆，轴套 59 是为了防止螺杆的转动，从而实现立柱在 Z 轴方向上的平稳运动，轴盖 37 是为了防止直槽螺套59 的上下窜动。当转动直槽螺套 59 时，螺杆 61 会沿着旋转螺套内的螺旋槽螺旋上升，但由于轴套 59 的限制而消除了立柱 60 和螺杆 61 螺旋上升中的转动，只剩下在Z 轴方向上的平动，从而实现了在 Z 轴方向上的上下调节。当调好高度时，可用锁紧螺钉 57 加以固定。为保证达到设计精度要求直槽螺套 59 内螺旋上升的螺旋槽的高度不小于 22mm，并且保证螺旋槽内壁的光滑整洁。图 2.4 Z 方向调节机构2.4.5 水平转角调节机构如图 2.5，水平转角调节机构的主要部分由水平支架 12、水平止推杆 10、水平调节杆 27、水平转动调节架 40、防转调节杆 42，以及连接螺杆 52、水平转动套 54、哈尔滨工程大学本科生毕业设计13转轴套 55 组成。当进行大角度粗调时，放松防转调节杆 42，装置以水平支架 12 可进行 360 度的大范围调节。当角度选定时锁紧防转调节杆 42，然后调节水平调节杆27 进行水平方向小角度的调节。该角度调节的精度主要依靠水平调节杆螺纹的精度，即螺纹每旋转一周的导程。2.4.6 垂直仰角调节机构如图 2.6，垂直仰角和水平转角的调节原理基本相似，垂直仰角调节机构的主要部分由立式支架 47、垂直调节片 19、垂直压紧簧套 18、器件保持架 20、垂直止推杆16、垂直调节杆 22 组成。当需要对垂直仰角进行调节时，转动垂直调节杆进行垂直方向上的小角度的调节。该垂直角度调节的精度主要依靠垂直调节杆上螺纹的精度，即螺纹每旋转一周的导程。图 2.5 水平转角调节机构哈尔滨工程大学本科生毕业设计14图 2.6 垂直仰角调节机构2.5 本章小结本章主要对微调工作台的整体设计进行了初步设想，确定了工作台的基本尺寸和主要参数，叙述了工作台的用途、结构特点、机体主要材料的选取及工作台的导轨形式的选择。还从四维微调工作台的 X 方向粗调、X 方向微调、Y 方向粗调、Z 方向调节、水平转角调节、垂直仰角调节六大调节机构对四维微调工作台的组成及工作原理进行了详细而系统的阐述。使四维微调工作台的整体设计、具体结构设计确定下来。哈尔滨工程大学本科生毕业设计15第 3 章 四维微调工作台的结构设计3.1 微调工作台的传动设计计算3.1.1X 轴方向粗调结构设计1.参数的选择和计算(1)精度的选择微调工作台属于精密机械，齿轮齿条传动速度低，精度高，选定精度为 6 级。（GB10095-88）(2)材料的选择查机械传动设计手册 ，根据使用要求，选用齿轮的材料为 45 号钢（渗碳后淬火） ，齿条的材料选用 45 号钢（调质后表面淬火） 。前者硬度为 300HBS,后者硬度260HBS。(3)初选齿轮、齿条基本参数哈尔滨工程大学本科生毕业设计16根据设计要求传动精度高，尺寸空间小，使用类比法，初选齿轮的模数，齿数 ，压力角 。0.5m28z20则分度圆直径。.5814mdz又根据机械原理 ，为满足齿轮、齿条能正确的啮合且能连续传动，齿条的模数 ，压力角 。依据 X 轴方向运动的范围 ，并考虑整个机0.520 25s构的对称性，齿条的理论长度应为 。5l而齿距， (3.1)3.14.7mpm则齿条的齿数， (3.2)50.8.lz取。32z为了满足行程条件及齿轮齿条的完整啮合，应齿数上留有余量，初定此条的齿数 。所以齿条实际啮合的长度52z。521.78.64mlzp圆整取 l2 强度的校核(1)接触强度校核接触强度校核的基点是：齿轮节点处的计算接触应力 应不小于其许用的接触H应力 。即： HP(3.3) HP或接触强度计算安全系数 应小于接触强度的最小安全系数 。S minHS即：(3.4) minHS此设计的齿轮采用第一种方法校核。根据赫茨公式，可以导出接触应力基本值的计算式0H(3.5)0min1tHEFubdZ式中， 节点区域系数；HZ哈尔滨工程大学本科生毕业设计17弹性系数；EZ重合度系数；螺旋角系数；分度圆上的名义切向载荷；tF最小工作齿宽（ ） ；minbm齿轮的分度圆直径；1d齿数比。u根据接触应力的基本值，再乘以四个与负载有关的修正系数，即可获得计算接触应力 。即H(3.6) 0HAVHK式中， 使用系数；AK动载系数；V接触强度计算的齿向载荷分布系数；H接触强度计算的齿间载荷分布系数。而许用接触应力 可依据试验齿轮的接触疲劳极限 、接触强度计算的最PlimH小安全系数 及六个修正系数确定。即：minHS(3.7)limnHPNVRWZX式中， 接触强度计算的寿命系数；NZ速度系数；V粗糙度系数；R工作硬化系数；W润滑剂系数；Z接触强度计算的尺寸系数。X综上所述，查现代机械传动手册 ，对于标准直齿轮，取；2.5HZ查表知； (3.8) 189.EMPa对于直齿轮(3.9)43aZ哈尔滨工程大学本科生毕业设计18式中， -端面重合度。a根据齿数和模数查表知(3.10)120.75.61.52aa则 44.0.933aZ螺旋角系数(3.11)cos1根据各零件的初估重量及滑