四維微調(diào)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明書[帶圖紙]

1、<p><b>　　本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　四維微調(diào)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　二○一二年六月</b></p><p>　　The Graduation Design for Bachelor's Degree</p><p>　　Struct

2、ure Design of 4D Micro Motion Stage </p><p>　　Candidate：</p><p>　　Specialty：Mechanical Design and Manufacture</p><p>　　&Automation</p><p>　　Class：08-3</p>&l

3、t;p>　　Supervisor：Prof. </p><p>　　Heilongjiang Institute of Technology</p><p>　　2012-06·Harbin</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　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)

4、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(tái)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)對四維微調(diào)工作臺(tái)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(tái)和微動(dòng)臺(tái)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(tái)是一種高精密定位工作臺(tái)，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)

5、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)。</p><p>　　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)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：四維微調(diào)；調(diào)節(jié)定位；微調(diào)工作臺(tái)；測量儀器；定位工作臺(tái)。<

6、;/p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　This design studies the precision positioning principle and structure composition of 4D Micro motion stage. Which is a highly precision positioning in

7、strument. 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 u

8、sed in engineering experiment. As the poisoning control stent it is used to poisoning control of various optical instrument. This</p><p>　　Key words: 4D Micro motion; poisoning control; Micro motion stage;

9、Measuring instrument; location stage.</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要III</b></p><p>　　AbstractIV</p><p>&

10、lt;b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1課題背景及研究意義1</p><p>　　1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.1微調(diào)工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)方式1</p><p>　　1.2.2國外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2.3我國的研究現(xiàn)狀3</p&

11、gt;<p>　　1.3微調(diào)精密定位工作臺(tái)的發(fā)展前景3</p><p>　　1.4系統(tǒng)組成及工作原理5</p><p>　　1.5本文的主要工作6</p><p>　　第2章 四維微調(diào)工作臺(tái)的總體方案設(shè)計(jì)7</p><p>　　2.1微調(diào)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及特點(diǎn)7</p><p>　　2.1.1機(jī)

12、身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下列要求7</p><p>　　2.1.2四維微調(diào)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)7</p><p>　　2.2微調(diào)工作臺(tái)機(jī)體主要材料的選擇7</p><p>　　2.3微調(diào)工作臺(tái)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)形式的選擇8</p><p>　　2.4四維微調(diào)工作臺(tái)的組成及工作原理9</p><p>　　2.4.1 X方向粗調(diào)機(jī)構(gòu)

13、9</p><p>　　2.4.2X方向微調(diào)機(jī)構(gòu)10</p><p>　　2.4.3 Y方向粗調(diào)機(jī)構(gòu)10</p><p>　　2.4.4 Z方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)11</p><p>　　2.4.5水平轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)12</p><p>　　2.4.6垂直仰角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)12</p><p>　　2.

14、5 本章小結(jié)14</p><p>　　第3章 四維微調(diào)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)15</p><p>　　3.1 微調(diào)工作臺(tái)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算15</p><p>　　3.1.1X軸方向粗調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)15</p><p>　　3.1.2Y軸方向的粗調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)24</p><p>　　3.1.3Z軸方向的粗調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)24&l

15、t;/p><p>　　3.1.4X軸方向微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)26</p><p>　　3.1.5仰角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)31</p><p>　　3.2導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)32</p><p>　　3.2.1作用力方向和作用點(diǎn)位置對導(dǎo)軌工作的影響分析32</p><p>　　3.2.2導(dǎo)軌主要尺寸的確定34</p><

16、p>　　3.2.3導(dǎo)軌的誤差分析35</p><p>　　3.3彈簧的設(shè)計(jì)35</p><p>　　3.3.1X軸方向微調(diào)機(jī)構(gòu)的彈簧設(shè)計(jì)35</p><p>　　3.3.2繞Z軸旋轉(zhuǎn)微調(diào)機(jī)構(gòu)的彈簧設(shè)計(jì)38</p><p>　　3.3.3仰角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的彈簧設(shè)計(jì)39</p><p>　　3.4微調(diào)工作臺(tái)的支

17、撐和基座設(shè)計(jì)39</p><p>　　3.4.1支承的設(shè)計(jì)39</p><p>　　3.4.2基座的設(shè)計(jì)40</p><p>　　3.5本章小結(jié)41</p><p>　　第4章 示數(shù)裝置的設(shè)計(jì)42</p><p>　　4.1示數(shù)裝置設(shè)計(jì)要求42</p><p>　　4.2示數(shù)裝置的分

18、類42</p><p>　　4.3X－Y軸方向粗調(diào)示數(shù)裝置的設(shè)計(jì)42</p><p>　　4.3.1類型的選擇42</p><p>　　4.3.2標(biāo)尺與指針的選擇42</p><p>　　4.3.3分度尺寸的選擇43</p><p>　　4.4X軸微調(diào)示數(shù)裝置的設(shè)計(jì)43</p><p&g

19、t;　　4.4.1設(shè)計(jì)原理43</p><p>　　4.4.2設(shè)計(jì)計(jì)算43</p><p>　　4.5本章小結(jié)44</p><p><b>　　結(jié)論45</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)46</b></p><p><b>　　致謝48<

20、;/b></p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p>　　1.1課題背景及研究意義</p><p>　　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)

21、發(fā)展。</p><p>　　高精度和高分辨率的超精密工作臺(tái)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。</p><p>　　1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　大行程超精密工作臺(tái)主要的類型有直線電機(jī)式驅(qū)動(dòng)、摩擦式驅(qū)動(dòng)，

22、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。</p><p>　　高精度和高分辨率的超精密工作臺(tái)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。</p><p>　　超精密工作臺(tái)系統(tǒng)的定位精度和行程范圍直

23、接影響生產(chǎn)加工的精度。同時(shí)，工作臺(tái)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(tái)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(tái)系統(tǒng)和大行程、高精度的工作臺(tái)系統(tǒng)。小行程極高精度工作臺(tái)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(tái)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(tái)系統(tǒng)。它大多采用直線電機(jī)或摩

24、擦式驅(qū)動(dòng)方式，運(yùn)動(dòng)分辨率大多在10nm左右。</p><p>　　1.2.1微調(diào)工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)方式</p><p>　　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。</p><p>　　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

25、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(tái)，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)

26、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(tái)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。</p><p>　　1.2.2國外研究現(xiàn)狀</p><p>　　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(tái)的定位精度達(dá)到±2 nm，韓

27、國漢城大學(xué)研制的宏微結(jié)合的200mm行程精密工作臺(tái)，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(tái)，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。</p><p>　　1

28、.直線電機(jī)式超精密工作臺(tái)</p><p>　　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(tái)。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(tái)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)腜1D

29、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(tái)也可以設(shè)計(jì)成一維運(yùn)動(dòng)一體化的工作臺(tái)。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(tái)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)。快速響應(yīng)對于激光加工和半導(dǎo)體生產(chǎn)是非常關(guān)鍵的。</p><p>　　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

30、工作臺(tái)。定位工作臺(tái)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(tái)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(tái)的定位反饋。實(shí)驗(yàn)測得工作臺(tái)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。</p><p>　　2.摩擦式驅(qū)動(dòng)超精密工作臺(tái)</p>

31、;<p>　　法國Mekid研制的摩擦驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)重100kg,通過液體靜壓導(dǎo)軌支撐，工作臺(tái)的行程為220mm.直線工作臺(tái)的定位精度可達(dá)16nm,最大速度為10mm/s。</p><p>　　臺(tái)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(tái)。反饋測量裝置是一臺(tái)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%

32、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。</p><p>　　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(tái)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；

33、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。</p><p>　　1.2.3我國的研究現(xiàn)狀</p><p>　　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(tái)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

34、研發(fā)高精度定位平臺(tái)及其產(chǎn)業(yè)化上尚需努力。</p><p>　　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(tái)，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(tái)試驗(yàn)系統(tǒng)由質(zhì)量達(dá)5t的花崗石底座、基臺(tái)、(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

35、，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(tái)，以對粗動(dòng)精度進(jìn)行微動(dòng)補(bǔ)償。微動(dòng)臺(tái)采用音圈電機(jī)(Voice coil motor)驅(qū)動(dòng)，電容傳感器

36、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(tái)的動(dòng)臺(tái)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。</p><p>　　1.3微調(diào)精密定位工作臺(tái)的發(fā)展前景</p><p>　　超精密工作臺(tái)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(tái)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

37、位的精密工作臺(tái)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(tái)系統(tǒng)和大行程、高精度的工作臺(tái)系統(tǒng)。小行程極高精度工作臺(tái)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(tái)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(tái)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(tái)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

38、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。</p><p>　　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(tái)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(tái)的未來研究方向應(yīng)圍繞如何解決這一對矛盾展開。&l

39、t;/p><p>　　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(tái)基礎(chǔ)上，妥善解決好其中兩種或者多種微動(dòng)工作臺(tái)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(tái)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(tái)用以完成快速大范圍，微動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)高精度，也就是說通過微動(dòng)工作臺(tái)對粗動(dòng)工作臺(tái)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

40、的要求。</p><p>　　2.新型納米級微動(dòng)工作臺(tái)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(tái)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(tái)的定位精度。</p><p>　　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

41、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。</p><p>　　4.磁懸浮微動(dòng)工作臺(tái)性能的進(jìn)一步提高：在現(xiàn)有磁懸浮微動(dòng)工作臺(tái)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)。</p><p>　　未來的大范圍高精度納米測量要求在數(shù)十毫米以上

42、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

43、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。</p><p>　　1.4系統(tǒng)組成及工作原理</p><p>　　四維微調(diào)工作臺(tái)在系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，采用粗動(dòng)臺(tái)和微動(dòng)臺(tái)的組合結(jié)構(gòu)，即由粗動(dòng)臺(tái)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(tái)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)

44、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)。</p><p>　　作為理想的微動(dòng)工作臺(tái),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(tái)在系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，采用粗動(dòng)臺(tái)和微動(dòng)臺(tái)的組合結(jié)構(gòu)，即由粗動(dòng)臺(tái)來完成高速運(yùn)行

45、，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(tái)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)。</p><p>　　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

46、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。</p><p>　　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(tái)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。</p><p>　　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。</

47、p><p>　　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。</p><

48、p>　　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。</p><p>　　1.5本文的主要工作<

49、/p><p>　　本文是對四維微調(diào)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。</p><p>　　首先，本文將對四維微調(diào)工作臺(tái)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(tái)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理進(jìn)行詳細(xì)的闡述。</p><p>　　其次，將對四維微調(diào)工作臺(tái)的傳動(dòng)方案、機(jī)體主要材料及四維微調(diào)工作臺(tái)導(dǎo)

50、軌設(shè)計(jì)形式進(jìn)行選擇。</p><p>　　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(tái)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。</p><p>　　四維微調(diào)工作臺(tái)的總體方案設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1微調(diào)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及特點(diǎn)</p><p>　　2.1.1機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下列要求&

51、lt;/p><p>　　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。</p><p>　　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。</p><p>　　3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)便于鑄造或焊接和機(jī)加工。</p><p>　　4.必須有足夠的底面積，保證微調(diào)工作臺(tái)的穩(wěn)定性。</p><p>

52、　　5.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)力求減少振動(dòng)和噪聲。</p><p>　　6.機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)力求外形美觀。</p><p>　　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。</p><p>　　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)

53、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。</p><p>　　2.1.2四維微調(diào)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)</p><p>　　目前大行程超精密工作臺(tái)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)

54、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。</p><p>　　四維微調(diào)工作臺(tái)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, 粗動(dòng)工作臺(tái)完成高速度大行程，微動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)其精度要求，也就是說通過微動(dòng)工作臺(tái)對粗動(dòng)工作臺(tái)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(tái)

55、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(tái)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化并增加了控制系統(tǒng)的控制難度。</p><p>　　2.2微調(diào)工作臺(tái)機(jī)體主要材料的選擇</p><p>　　超精密工作臺(tái)要求工作臺(tái)具有小質(zhì)量、高剛度和低熱變形。因此工作臺(tái)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。</p><p>　　目前傳統(tǒng)工作臺(tái)的材料仍然為

56、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(tái)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。</p><p>　　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(tái)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

57、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(tái)都采用了氧化鋁陶瓷作為結(jié)構(gòu)材料。</p><p>　　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(tái)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</p><p>　　與氧化鋁陶瓷小一個(gè)數(shù)量級，缺點(diǎn)是彈

58、性模量較小。石英陶瓷材料更適用于輕載的超精密工作臺(tái)。</p><p>　　由于目前傳統(tǒng)工作臺(tái)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(tái)的性能受到影響。但從本工作臺(tái)的技術(shù)要求可知其精度為毫米、微米級的。在精密工作臺(tái)的研究領(lǐng)域精度是相對偏低的。因此由工作臺(tái)的技術(shù)要求及經(jīng)濟(jì)成本考慮本設(shè)計(jì)的工作臺(tái)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。<

59、;/p><p>　　2.3微調(diào)工作臺(tái)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)形式的選擇</p><p>　　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(tái)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：</p><p><b>　　1.導(dǎo)向精度</b></p><p&g

60、t;　　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。</p><p><b>　　2．精度保持性</b></p><p>　　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。</p><

61、;p><b>　　3．結(jié)構(gòu)工藝性</b></p><p>　　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)。</p><p>　　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(tái)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

62、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。</p><p>　　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

63、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。</p><p>　　在大行程精密工作臺(tái)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

64、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。 </p><p>　　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(tái)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

65、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(tái)選擇滑動(dòng)導(dǎo)軌的形式。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)的微調(diào)工作臺(tái)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)。</p><p>　　2.4四維微調(diào)工作臺(tái)的組成及工作原理</p><p>　　2.4.1 X方向粗調(diào)機(jī)構(gòu)</p><p>　　X軸方向調(diào)節(jié)的粗

66、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。</p><p>　　12橫向支架13螺釘24橫向?qū)к?5連接螺釘26齒條43調(diào)節(jié)套44橫向調(diào)節(jié)桿51螺釘</p><p>　　圖2.1 X方向粗

67、調(diào)機(jī)構(gòu)</p><p>　　2.4.2X方向微調(diào)機(jī)構(gòu)</p><p>　　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(tái)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(tái)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。&

68、lt;/p><p>　　圖2.2 X方向微調(diào)機(jī)構(gòu)</p><p>　　2.4.3 Y方向粗調(diào)機(jī)構(gòu)</p><p>　　圖2.3 Y方向粗調(diào)機(jī)構(gòu)</p><p>　　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

69、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。</p><p>　　2.4.4 Z方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)</p><p>　　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

70、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)，

71、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。</p><p>　　圖2.4 Z方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)</p><p>　　2.4.5水平轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)</p><p>　　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，

72、以及連接螺桿52、水平轉(zhuǎn)動(dòng)套54、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。</p><p>　　2.4.6垂直仰角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)</p><p>　　如圖2.6，垂直仰角和水平轉(zhuǎn)角的調(diào)

73、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。</p><p>　　圖2.5水平轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)</p><p>　　圖2.6垂直仰角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)<

74、/p><p><b>　　2.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要對微調(diào)工作臺(tái)的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步設(shè)想，確定了工作臺(tái)的基本尺寸和主要參數(shù)，敘述了工作臺(tái)的用途、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、機(jī)體主要材料的選取及工作臺(tái)的導(dǎo)軌形式的選擇。</p><p>　　還從四維微調(diào)工作臺(tái)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)

75、機(jī)構(gòu)對四維微調(diào)工作臺(tái)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(tái)的整體設(shè)計(jì)、具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定下來。</p><p>　　第3章 四維微調(diào)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 微調(diào)工作臺(tái)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p>　　3.1.1X軸方向粗調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　1.參數(shù)的選擇和計(jì)算</p><

76、p><b>　　(1)精度的選擇</b></p><p>　　微調(diào)工作臺(tái)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）</p><p><b>　　(2)材料的選擇</b></p><p>　　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

77、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。</p><p>　　(3)初選齒輪、齒條基本參數(shù)</p><p>　　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。</p><p><b>　　則分度圓直徑</b></p><p><b>　　

78、。</b></p><p>　　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)構(gòu)的對稱性，齒條的理論長度應(yīng)為。</p><p><b>　　而齒距</b></p><p>　　， (3.1)</p><p>

79、<b>　　則齒條的齒數(shù)</b></p><p>　　， (3.2)</p><p><b>　　取</b></p><p><b>　　。</b></p><p>　　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

80、的齒數(shù)。所以齒條實(shí)際嚙合的長度</p><p><b>　　。</b></p><p><b>　　圓整取</b></p><p><b>　　2強(qiáng)度的校核</b></p><p><b>　　(1)接觸強(qiáng)度校核</b></p><p&

81、gt;　　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應(yīng)力。即： </p><p>　　(3.3) </p><p>　　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)。</p><p><b>　　即：</b></p><p>　　(

82、3.4) </p><p>　　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</p><p><b>　　(3.5)</b></p><p>　　式中，—節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)；</p><p><b>　　—彈性系數(shù)；</b></p>

83、<p><b>　　—重合度系數(shù)；</b></p><p><b>　?。菪窍禂?shù)；</b></p><p>　?。侄葓A上的名義切向載荷；</p><p>　　－最小工作齒寬（）；</p><p>　?。X輪的分度圓直徑；</p><p><b>　

84、?。X數(shù)比。</b></p><p>　　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</p><p><b>　　(3.6) </b></p><p><b>　　式中，－使用系數(shù)；</b></p><p><b>　?。瓌?dòng)載系數(shù)；<

85、/b></p><p>　?。佑|強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)；</p><p>　?。佑|強(qiáng)度計(jì)算的齒間載荷分布系數(shù)。</p><p>　　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)算的最小安全系數(shù)及六個(gè)修正系數(shù)確定。即：</p><p><b>　　(3.7)</b></p><p

86、>　　式中，－接觸強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù)；</p><p><b>　?。俣认禂?shù)；</b></p><p><b>　?。植诙认禂?shù)；</b></p><p><b>　　－工作硬化系數(shù)；</b></p><p><b>　?。瓭櫥瑒┫禂?shù)；</b>&l

87、t;/p><p>　?。佑|強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù)。</p><p>　　綜上所述，查《現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊》，</p><p><b>　　對于標(biāo)準(zhǔn)直齒輪，取</b></p><p><b>　??；</b></p><p><b>　　查表知</b></p&

88、gt;<p>　　； (3.8) </p><p><b>　　對于直齒輪</b></p><p><b>　　(3.9)</b></p><p>　　式中，-端面重合度。</p><p>　　根據(jù)齒數(shù)和模數(shù)查表知</p>

89、<p><b>　　(3.10)</b></p><p><b>　　則</b></p><p><b>　　螺旋角系數(shù)</b></p><p><b>　　(3.11)</b></p><p>　　根據(jù)各零件的初估重量及滑動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)，

90、取，。</p><p><b>　　則</b></p><p><b>　　(3.12)</b></p><p>　　初選齒輪的齒寬，齒條的齒寬。</p><p><b>　　則</b></p><p>　　因?yàn)辇X條的分度圓直徑為無窮大，

91、 (3.13)</p><p><b>　　所以</b></p><p><b>　　據(jù)式3.5，可得</b></p><p><b>　　又查表知：</b></p><p><b>　　使用系數(shù)</b></p>&l

92、t;p><b>　　動(dòng)載荷系數(shù)</b></p><p>　　接觸強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)，據(jù)齒輪的布置為對稱布置</p><p><b>　　(3.14)</b></p><p>　　式中，為齒寬系數(shù)；為齒寬。取</p><p>　　由式3.14，計(jì)算有</p><p&g

93、t;　　接觸強(qiáng)度計(jì)算的齒間載荷分布系數(shù)</p><p><b>　　所以由式3.6，</b></p><p><b>　　根據(jù)齒輪的材料</b></p><p><b>　　查表有：</b></p><p><b>　　接觸疲勞極限</b></p&g

94、t;<p>　　接觸強(qiáng)度計(jì)算的最小安全系數(shù)</p><p>　　因、、、、、的精確定量較為困難，根據(jù)《精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》，按經(jīng)驗(yàn)取</p><p>　　接觸強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù)</p><p><b>　　速度系數(shù)</b></p><p><b>　　粗糙度系數(shù)</b></p>

95、;<p><b>　　工作硬化系數(shù)</b></p><p><b>　　潤滑劑系數(shù)</b></p><p>　　接觸強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù)</p><p><b>　　據(jù)式3.7，</b></p><p><b>　　據(jù)式3.3，因而有</b>&

96、lt;/p><p><b>　　故滿足要求。</b></p><p>　　（2）彎曲強(qiáng)度的校核</p><p>　　彎曲強(qiáng)度校核的基點(diǎn)是：計(jì)算齒根應(yīng)力應(yīng)不大于許用齒根應(yīng)力。</p><p><b>　　即</b></p><p><b>　　(3.15)</b&g

97、t;</p><p>　　或彎曲強(qiáng)度的計(jì)算安全系數(shù)應(yīng)不小于彎曲強(qiáng)度的最小安全系數(shù)，</p><p><b>　　即</b></p><p>　　此設(shè)計(jì)的齒輪按第一種方法校核。</p><p><b>　　齒根應(yīng)力的基本值</b></p><p><b>　　(3.1

98、6)</b></p><p><b>　　式中：-法面模數(shù)；</b></p><p><b>　　-齒形系數(shù)；</b></p><p><b>　　-應(yīng)力系數(shù)；</b></p><p><b>　　-螺旋角系數(shù)；</b></p>

99、<p><b>　　-重合度系數(shù)。</b></p><p>　　根據(jù)齒根應(yīng)力基本值，再取四個(gè)與負(fù)載相關(guān)的系數(shù)，有</p><p><b>　　(3.17)</b></p><p>　　式中：-彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)；</p><p>　　-彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒間載荷分布系數(shù)。</

100、p><p>　　查《現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊》并計(jì)算可得</p><p><b>　　齒形系數(shù)</b></p><p><b>　　應(yīng)力系數(shù)</b></p><p><b>　　螺旋角系數(shù)</b></p><p><b>　　重合度系數(shù)</b>

101、</p><p><b>　　所以由式3.16，</b></p><p>　　依接觸強(qiáng)度校核中的選取</p><p><b>　　使用系數(shù)</b></p><p><b>　　動(dòng)載荷系數(shù)</b></p><p><b>　　查表可得</b

102、></p><p>　　彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)，根據(jù)值及其齒寬與齒高之比，</p><p><b>　　查表有</b></p><p>　　彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒間載荷分布系數(shù)</p><p>　　計(jì)算式3.17，可得</p><p>　　對于，可依據(jù)實(shí)驗(yàn)齒輪齒根的彎曲疲勞極限、彎曲強(qiáng)度計(jì)

103、算的最小安全系數(shù)及五個(gè)修正系數(shù)確定，</p><p><b>　　即</b></p><p><b>　　(3.18)</b></p><p>　　式中，-實(shí)驗(yàn)齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)；</p><p>　　-實(shí)驗(yàn)齒輪的壽命系數(shù)；</p><p>　　-相對齒根圓角敏感系數(shù)；<

104、;/p><p>　　-相對齒根表面狀況系數(shù)；</p><p>　　-彎曲強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù)；</p><p>　　-彎曲強(qiáng)度最小安全系數(shù)。</p><p>　　因、、、、的精確定量較為困難，根據(jù)《精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》的推薦取</p><p><b>　　=1.05</b></p><

105、p><b>　　查表可得</b></p><p><b>　　取</b></p><p>　　由式3.18，計(jì)算有</p><p>　　據(jù)式3.14，因而有</p><p><b>　　滿足要求。</b></p><p><b>　　3幾

106、何參數(shù)的確定</b></p><p>　　根據(jù)以上驗(yàn)算，初選的數(shù)據(jù)均可用。</p><p>　　齒輪齒條幾何尺寸的計(jì)算</p><p><b>　　模數(shù)</b></p><p><b>　　壓力角</b></p><p><b>　　分度圓直徑</

107、b></p><p><b>　　(3.19)</b></p><p><b>　　齒全高</b></p><p><b>　　(3.20)</b></p><p><b>　　齒頂圓直徑</b></p><p><b&

108、gt;　　(3.21)</b></p><p><b>　　齒根圓直徑</b></p><p><b>　　(3.22)</b></p><p><b>　　頂隙</b></p><p><b>　　(3.33)</b></p>

109、<p>　　幾何尺寸如表3.1。</p><p>　　4齒輪、齒條的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　由于齒輪的直徑比較小，宜作成齒輪軸的形式，再者此齒輪軸需要手動(dòng)調(diào)節(jié)，故應(yīng)有在齒輪軸上有一調(diào)節(jié)桿，并根據(jù)使用要求及整體結(jié)構(gòu)的布置，齒輪軸的整體設(shè)計(jì)如圖3.1，</p><p><b>　　表3.1 齒輪參數(shù)</b></p>&

110、lt;p><b>　　圖3.1 齒輪結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　對于齒條，自身在做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)上部的光學(xué)器件移動(dòng)，應(yīng)把它固定在導(dǎo)軌上，故齒條的兩端有一段非嚙合區(qū)來和導(dǎo)軌通過螺栓來緊固，結(jié)構(gòu)圖及尺寸如圖3.2。</p><p><b>　　圖3.2 齒條結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　3.1.2Y軸方向的粗調(diào)

111、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　由于Y 軸方向的粗調(diào)實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)原理與X軸方向相同，且運(yùn)動(dòng)的范圍也一樣，所以可以采用與X軸方向調(diào)節(jié)相同的齒輪-齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)Y 軸方向的粗調(diào)。即完全采用X軸方向調(diào)節(jié)的齒輪-齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，選用的材料同，參數(shù)也相同。</p><p>　　3.1.3Z軸方向的粗調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，螺母和螺桿并不是原始定義的螺母

112、與螺桿，螺桿是由立柱和螺桿組成，如圖3.3：</p><p>　　螺桿伸出部分相當(dāng)于螺紋的牙，而螺母相當(dāng)于是在直槽螺套中加工出螺旋槽。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)直槽螺套時(shí)，螺桿在螺套的螺旋槽中運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)立柱上升，從而實(shí)現(xiàn)Z軸方向的調(diào)節(jié)。若使用一個(gè)軸套來限制立柱的轉(zhuǎn)動(dòng)，那么立柱在Z軸方向只有平動(dòng)了。</p><p><b>　　1設(shè)計(jì)計(jì)算</b></p><p>　

113、?。?）螺紋類型的選擇</p><p>　　此螺旋傳動(dòng)結(jié)構(gòu)主要是傳遞運(yùn)動(dòng)，傳遞的功率小，速度慢（手動(dòng)），精度較X、Y軸方向低，因還要承受一定的力，可以采用矩形螺紋傳動(dòng)。</p><p><b>　?。?）材料的選擇</b></p><p>　　立柱、螺桿選用45號鋼，，螺套也選用45號鋼。</p><p><b&g

114、t;　?。?）母強(qiáng)度的校核</b></p><p>　　當(dāng)立柱上升時(shí)，螺旋副要承受一定整體機(jī)構(gòu)重力所帶來的壓力，所以相當(dāng)于螺母螺紋牙的要有一定的強(qiáng)度。如果將一圈螺紋沿螺母的螺紋大徑處展開，則可看見寬度為的懸臂梁。假設(shè)螺母每圈螺紋所承受的平均壓力為，并作用在以螺紋中徑為直徑的圓周上，則螺紋牙危險(xiǎn)截面的剪切強(qiáng)度條件為</p><p><b>　　(3.24)</b&

115、gt;</p><p>　　螺紋危險(xiǎn)截面的彎曲強(qiáng)度條件為</p><p><b>　　(3.25)</b></p><p>　　式中： -螺紋牙的厚度；</p><p><b>　　-彎曲力臂；</b></p><p>　　-螺母材料的許用切應(yīng)力；</p>&l

116、t;p>　　-螺母材料的許用彎曲應(yīng)力；</p><p><b>　　-旋合螺紋的圈數(shù)。</b></p><p>　　因?yàn)閆軸方向的調(diào)節(jié)在位移和精度上沒有具體的要求，屬于小范圍調(diào)節(jié)，所以考慮螺桿要有一定直徑的基礎(chǔ)上，初選螺母的螺距，對于矩形螺紋，螺紋牙根部的厚度</p><p><b>　　根據(jù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，有</b>&

117、lt;/p><p><b>　?。?）螺母的選取</b></p><p>　　根據(jù)整體結(jié)構(gòu)的需要，考慮立柱上方部分工作的穩(wěn)定性，螺母不僅起傳遞運(yùn)動(dòng)的作用，還要支承上部結(jié)構(gòu)，可選直槽螺套的直徑為，螺紋的中徑為，有，并初定螺套的長度為。</p><p>　　根據(jù)承載結(jié)構(gòu)部件的數(shù)量，初估軸向壓力</p><p><b>

118、　　查表可得</b></p><p>　　螺母材料的許用切應(yīng)力</p><p>　　螺母材料的許用彎曲應(yīng)力</p><p>　　據(jù)式3.24，3.25計(jì)算</p><p><b>　　，</b></p><p><b>　　很明顯可知，</b></p>

119、<p>　　螺母螺紋牙的強(qiáng)度滿足要求。</p><p>　?。?）立柱與螺桿的選擇</p><p>　　根據(jù)直槽螺套的直徑，可取立柱的直徑為</p><p>　　而螺桿在滿足強(qiáng)度和剛度的條件下，可取的標(biāo)準(zhǔn)螺桿。</p><p>　　3.1.4X軸方向微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　1耐

120、磨性計(jì)算</b></p><p>　　滑動(dòng)螺旋的磨損與螺紋工作面的壓力、滑動(dòng)速度、螺紋表面粗糙度以及潤滑狀態(tài)等因素有關(guān)。其中最主要的是螺紋工作面的壓力，壓力越大，螺旋副越容易形成過度磨損。因此，滑動(dòng)螺旋的耐磨性計(jì)算，主要是限制螺紋工作面上的壓力，使其小于材料的需用應(yīng)力。</p><p>　　假設(shè)作用于螺桿的軸向力為，螺紋的承壓面積為，螺紋中徑為，螺母的工作高度為，螺紋螺距為，螺

121、母高度為，螺紋的工作圈數(shù)為，則螺紋工作面上的耐磨條件為</p><p><b>　　(3.26)</b></p><p>　　式中，—螺紋工作表面實(shí)際平均壓強(qiáng)；</p><p><b>　　—需用壓強(qiáng)；</b></p><p><b>　　—軸向載荷；</b></p>

122、;<p><b>　　—螺紋的工作圈數(shù)；</b></p><p><b>　　—螺紋的中徑；</b></p><p><b>　　—螺紋的工作高度；</b></p><p><b>　　——螺母的高度；</b></p><p><b&g