四維微調(diào)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)含cad圖

HeilongjiangInstituteofTechnology2012-06·Harbin 在當(dāng)前的工程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，激光和各種光學(xué)器件的調(diào)節(jié)定位，都需要一種高精度的定位測(cè)量?jī)x器。正是在這種需求下，產(chǎn)生了一系列精密定位測(cè)量?jī)x器，本文設(shè)計(jì)了精密定位測(cè)量?jī)x器微調(diào)工作臺(tái)。本設(shè)計(jì)對(duì)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。微調(diào)工作臺(tái)是一種高精密定位工作臺(tái)，通過(guò)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：0.001mmY軸調(diào)節(jié)范圍：±25mm分辨率：0.1mmZ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)：微調(diào)；調(diào)節(jié)定位；微調(diào)工作臺(tái)；測(cè)量?jī)x器；定位工作臺(tái)ABSTRACTThisdesignstudiestheprecisionpositioningprincipleandstructurecompositionof4DMicromotionstage.Whichisahighlyprecisionpositioninginstrument.Itcanrealizethreedirections’regulation,includingX,YandZ.bythemotordrivingofwheelgear,gearrackandthreads.Anditcanalsorealizelevelangleandangleofelevation’sdriving.Itismainlyusedinengineeringexperiment.Asthepoisoningcontrolstentitisusedtopoisoningcontrolofvariousopticalinstrument.Thisdevisecanbeinstalledonalongguidewaytomeasurealongdistance.Torealizehighlyprecisionpoisoning’sfastlocation,inthisdesignIadoptthewayofcoarseadjustmenttrimmingcombinetogether.AfterfinishthedesignIknowmoreaboutthedevice’ssystemconstitutionandworkprincipleandmostimportantwhatIdesignedcansatisfytherequireprecision.RealizethetasktargetrequirementthatthecoarseadjustmentcoverageofXis0~25mm,resolutionrateis0.001mm,thecoverageofYis±25mm,resolutionrateis0.1mm,thecoverageofZis0~22mm,thecoarseadjustmentcoverageofdeflectionangleis0~360°,thetrimmingcoverageis±5°Keywords:4DMicromotion;poisoningcontrol;Micromotionstage;instrument;location 第1 緒 課題背景及研究意 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn) 微調(diào)工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)方 國(guó)外研究現(xiàn) 3我國(guó)的研究現(xiàn) 微調(diào)精密定位工作臺(tái)的發(fā)展前 系統(tǒng)組成及工作原 本文的主要工 第2章微調(diào)工作臺(tái)的總體方案設(shè) 微調(diào)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及特 機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下列要 微調(diào)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)特 微調(diào)工作臺(tái)機(jī)體主要材料的選 微調(diào)工作臺(tái)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)形式的選 微調(diào)工作臺(tái)的組成及工作原 X方向粗調(diào)機(jī) X方向微調(diào)機(jī) Y方向粗調(diào)機(jī) Z方向調(diào)節(jié)機(jī) 水平轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)機(jī) 垂直仰角調(diào)節(jié)機(jī) 本章小 第3章微調(diào)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè) 微調(diào)工作臺(tái)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì) X軸方向粗調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè) Y軸方向的粗調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè) Z軸方向的粗調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè) X軸方向微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè) 仰角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè) 導(dǎo)軌的設(shè) 作用力方向和作用點(diǎn)位置對(duì)導(dǎo)軌工作的影響分 導(dǎo)軌主要尺寸的確 導(dǎo)軌的誤差分 彈簧的設(shè) X軸方向微調(diào)機(jī)構(gòu)的彈簧設(shè) 繞Z軸旋轉(zhuǎn)微調(diào)機(jī)構(gòu)的彈簧設(shè) 仰角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的彈簧設(shè) 微調(diào)工作臺(tái)的支撐和基座設(shè) 支承的設(shè) 基座的設(shè) 本章小 第4章示數(shù)裝置的設(shè) 示數(shù)裝置設(shè)計(jì)要 示數(shù)裝置的分 X－Y軸方向粗調(diào)示數(shù)裝置的設(shè) 類型的選 標(biāo)尺與指針的選 分度尺寸的選 X軸微調(diào)示數(shù)裝置的設(shè) 設(shè)計(jì)原 設(shè)計(jì)計(jì) 本章小 結(jié) 參考文 致 第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(cè)量。正是這種需要極大地促進(jìn)了高精密定位和測(cè)量技術(shù)發(fā)展。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(cè)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(guó)高技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀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)，也有采用兩級(jí)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(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(cè)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(guó)高技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。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(guò)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: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(jí)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。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(guò)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(duì)給定的加工路徑可以用高速進(jìn)行準(zhǔn)確，從而保證了機(jī)床的高精度和使用。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(guò)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。1.2.2國(guó)外研究目前，國(guó)外在精密方而的研究成果較多，世界上各發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)密技術(shù)的發(fā)展都給予了足夠的重視。東京工大研究的精密工作臺(tái)的定位精度達(dá)到±2nm，韓國(guó)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的熱點(diǎn)。英國(guó)的國(guó)家物理所研制的微形貌納米測(cè)量?jī)x器的測(cè)量范圍是0.001nm-3nm。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(cè)量和定位工作的研究,也取得了令人矚目的成就。直線電機(jī)式超精密工作臺(tái)東京工業(yè)大學(xué)研制了具有納米級(jí)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6.4m/s,最大速度320mm/s。反饋測(cè)量系統(tǒng)采用激光儀，激光儀的分辨率為0.63nm?？刂葡到y(tǒng)采用帶前饋補(bǔ)償?shù)腜1D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)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)?？焖夙憫?yīng)對(duì)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(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(guò)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。激光儀用作工作臺(tái)的定位反饋。實(shí)驗(yàn)測(cè)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法國(guó)Mekid研制的摩擦驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)重100kg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(cè)量裝置是一臺(tái)量程為632.99nm的HewlettPackard激光儀，整個(gè)裝置被放置在溫度20±1℃和濕60±5%的環(huán)境50500nm和10mm步進(jìn)運(yùn)動(dòng)情況下，定位精度均優(yōu)國(guó)防科技大學(xué)的羅兵、李圣怡等對(duì)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(zhǎng)度650mm,螺母剛度3kg/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(guó)的研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)對(duì)度精密定位研究也很重視。很多家國(guó)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)在條件下達(dá)到的。由于我國(guó)在度傳感器，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)度定位平臺(tái)及其上尚需努力。與微電子裝備合作開展研究，搭建了國(guó)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(cè)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，并由雙頻激光儀提供位置檢測(cè)和閉環(huán)運(yùn)動(dòng)反饋，檢測(cè)精度可達(dá)到2nm。長(zhǎng)行程超精密導(dǎo)軌、氣浮滑塊、直線電機(jī)(Linearmotor)、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(duì)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)(Voicecoilmotor)驅(qū)動(dòng)，電容傳感器進(jìn)行微動(dòng)位置檢測(cè)。雙頻激光儀的測(cè)量鏡安裝在微動(dòng)臺(tái)的動(dòng)臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)粗、精動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)最終的位置監(jiān)測(cè)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。微調(diào)精密定位工作臺(tái)的發(fā)展前景超精密工作臺(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(guò)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:極工作臺(tái)系統(tǒng)和大行程、度的工作臺(tái)系統(tǒng)。小行程極度工作臺(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。大行程度工作臺(tái)是指行程達(dá)毫米級(jí)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(jí)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，密的測(cè)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(duì)密的測(cè)量定位儀器的精度要求越來(lái)越高。大范圍、度是對(duì)微動(dòng)工作臺(tái)新要求，然而大行程和度是微動(dòng)技術(shù)中的一對(duì)。因此微動(dòng)工作臺(tái)的未來(lái)研究方向應(yīng)圍繞如何解決這一對(duì)展開。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(wèn)題的主要辦法。比如在現(xiàn)有研究已經(jīng)成各種微動(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(shuō)通過(guò)微動(dòng)工作臺(tái)對(duì)粗動(dòng)工作臺(tái)由于運(yùn)動(dòng)所帶來(lái)的誤差進(jìn)行精度補(bǔ)償，以此實(shí)現(xiàn)大范圍、度的要求。新型納米級(jí)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(jí)微動(dòng)工作臺(tái)的定位精度。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(lái)避免因反饋而可能引起的不穩(wěn)定問(wèn)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(duì)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。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(duì)系統(tǒng)精度的影響，解決運(yùn)動(dòng)控制和，從而實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精度的大范圍運(yùn)動(dòng)。未來(lái)的大范圍度納米測(cè)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(jí)的測(cè)量精度，這不僅使只采用其中之一的測(cè)量方法難以實(shí)現(xiàn)，就連現(xiàn)在許多結(jié)合了多種測(cè)量的方法也是很難辦到的。對(duì)納米測(cè)量而言，能否取得度和大范圍，這在很大程度上取決于信號(hào)處理的精度。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，加快信號(hào)處理的速度、加大處理量、更好的濾除噪聲對(duì)達(dá)到未來(lái)的測(cè)量需求是一個(gè)很好的解決方案;提高測(cè)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(duì)環(huán)境不敏感的測(cè)量系統(tǒng)都是大范圍度納米測(cè)量進(jìn)一步發(fā)展所必須要解決的問(wèn)題。當(dāng)前儀器設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì):主要是向大型化、自動(dòng)化、精密化、高效化發(fā)展。系統(tǒng)組成及工作原理微調(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(lái)完成高速運(yùn)行，解決整個(gè)系統(tǒng)的速度問(wèn)題，進(jìn)行粗定位，然后由微動(dòng)臺(tái)完成精定位，這樣可使達(dá)到極高的定位精度和靈敏度，控制簡(jiǎn)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(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?cè)O(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)。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(lái)完成高速運(yùn)行，解決整個(gè)系統(tǒng)的速度問(wèn)題，進(jìn)行粗定位，然后由微動(dòng)臺(tái)完成精定位，這樣可使達(dá)到極高的定位精度和靈敏度，控制簡(jiǎn)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)。X軸方向調(diào)節(jié)可分為粗調(diào)、微調(diào)。粗調(diào)通過(guò)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(zhǎng)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(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(lái)實(shí)現(xiàn)微調(diào)，最小移動(dòng)距離可達(dá)到0.001mmY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。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)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(duì)微調(diào)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。首先，本文將對(duì)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(duì)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。其次，將對(duì)微調(diào)工作臺(tái)的傳動(dòng)方案、機(jī)體主要材料及微調(diào)工作臺(tái)導(dǎo)軌設(shè)最后，本文將對(duì)彈簧、示數(shù)裝置、支承和基座進(jìn)行設(shè)計(jì)。還有，將對(duì)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(duì)受載荷較大的零件進(jìn)行合理性分析。第2 微調(diào)工作臺(tái)的總體方案設(shè)微調(diào)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及特點(diǎn)機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下列要求機(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。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)便于鑄造或焊接和機(jī)加工。必須有足夠的底面積，保證微調(diào)工作臺(tái)的穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)力求減少振動(dòng)和噪聲。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(guò)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(duì)稱性的截面和對(duì)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(guò)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，并考慮焊接施工方便。微調(diào)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)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(jí)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(jí)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。微調(diào)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是采用兩級(jí)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(shuō)通過(guò)微動(dòng)工作臺(tái)對(duì)粗動(dòng)工作臺(tái)由于運(yùn)動(dòng)所帶來(lái)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(jí)進(jìn)給的方案與單級(jí)進(jìn)給相比,優(yōu)點(diǎn)是可以結(jié)合目前成大行程工作臺(tái)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。微調(diào)工作臺(tái)機(jī)體主要材料的選擇超精密工作臺(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)成目前傳統(tǒng)工作臺(tái)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(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。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(shì)。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(tái)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)用于精密未見。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(jí)，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(jí)的。在精密工作臺(tái)的研究領(lǐng)域精度是相對(duì)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(hào)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。微調(diào)工作臺(tái)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(tái)的加工精度、工作能力和使用。因此，導(dǎo)軌必須滿足下列設(shè)計(jì)基本要求：導(dǎo)向精度導(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。精度保持性為了能長(zhǎng)期保持導(dǎo)向精度，對(duì)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(duì)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。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(jiǎn)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，使用不長(zhǎng)，在密工作臺(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(lái)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(wú)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(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，長(zhǎng)，可以在很寬的溫度范圍和惡劣境中工作，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(rùn)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(wú)自潤(rùn)滑性及潤(rùn)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。滑動(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)軌副之間的摩擦很小，再由經(jīng)濟(jì)成本及設(shè)備上的考慮，本工作臺(tái)選擇滑動(dòng)導(dǎo)軌的形式。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(duì)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)。微調(diào)工作臺(tái)的組成及工作原理X方向粗調(diào)機(jī)構(gòu)X軸方向調(diào)節(jié)的粗調(diào)通過(guò)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(zhǎng)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?5連接螺釘26齒條43調(diào)節(jié)套44橫向調(diào)節(jié)桿51螺釘圖21X方向粗調(diào)機(jī)構(gòu)X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(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(lái)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。Y方向粗調(diào)機(jī)構(gòu)

圖2.2X圖2.3YY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(guò)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(zhǎng)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。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22mm，并且保證螺旋槽內(nèi)壁的光滑整潔。圖2.4Z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、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(duì)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25水平轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)圖26垂直仰角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)本章主要對(duì)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)軌形還從微調(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)機(jī)構(gòu)對(duì)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(lái)。第3 微調(diào)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)微調(diào)工作臺(tái)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算X參數(shù)的選擇和計(jì)算(1)精度的選微調(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(jí)（GB10095-(2)材料的選查《機(jī)械傳動(dòng)設(shè)用要求，選用齒輪的材料為45號(hào)鋼（滲碳后淬火齒條的材料選用45號(hào)（調(diào)質(zhì)后表面淬火前者硬度為300HBS,后者硬度260HBS。 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) 05mm，齒則分度圓直

28，壓力 20 0 2 14mm又根據(jù)《機(jī)滿足齒輪、齒條能正確的嚙合且能連續(xù)傳動(dòng)，齒條的模 0.5mm，壓力 2 。依據(jù)X軸方向運(yùn)動(dòng)的范圍 25mm，并考慮整個(gè)機(jī)的對(duì)稱性，齒條的理論長(zhǎng)度應(yīng)為

50mm則齒條的

3.141 . 1.57mm 取

32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 52。所以齒條實(shí)際嚙合的長(zhǎng)度 5215 8164mm2強(qiáng)度的校核(1

82m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) H應(yīng)不小于其許用的接觸 HP。即 H 或接觸強(qiáng)度計(jì)算安全系數(shù)SH應(yīng)小于接觸強(qiáng)度的最小安全系數(shù)SHmin即SH SHmi (3.4)ub 此設(shè)計(jì)的齒輪采用第法校核根據(jù)赫茨可以導(dǎo)出接觸應(yīng)ub 式中，ZZ—彈性系數(shù) —重合度系數(shù)；Z－螺旋角系數(shù)；

ZZZ Ft－分度圓上的名義切向載荷；bmin－最小工作齒寬（mmd1－齒輪的分度圓直徑；u－齒數(shù)比。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) H。(3.6)式中，KKK－接觸強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)K－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) HP可依據(jù)試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極安全系數(shù)SHmin及六個(gè)修正系數(shù)確定。即：

Hlim、接觸強(qiáng)度計(jì)算ZZ

Z

ZZ

式中，Z－接觸強(qiáng)度計(jì)算 系數(shù)ZV－速度系數(shù)；Z－粗糙度系數(shù)；ZW－工作硬化系數(shù)；Z－潤(rùn)滑劑系數(shù)；Z－接觸強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù)。綜上所述《現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)》，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)直齒輪，取 2.5

Z式中，a-端面重合度。根

a

a 則Z螺旋角系Z

0.9 1. 1.5cos根據(jù)各零件的初估重量及滑動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)， 則

4kg， 015 4 t初選齒輪的齒寬 12mm，齒條的齒寬 8mm則 2 d因?yàn)辇X條的分度圓直徑為無(wú)窮大

d

據(jù)式3.5

li lim tu1bmind158H ZHZEZ tu1bmind158

KKV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(duì)稱布置 H

d 0.15103 式中，d為齒寬系數(shù)；b為齒寬。取 由式3.14，計(jì)KdH 103KdH1.1 0.18 0.1510 11.3接觸強(qiáng)度計(jì)算的齒間載荷分布系數(shù)所以由式

KAKVKHK HKAKVKHK根據(jù)齒輪的材料查 接觸疲勞極 129.61MHl 550MPa接觸強(qiáng)度計(jì)算的最小安全系

SHmi ZN、ZV、ZR、按經(jīng)驗(yàn)

、ZZ、ZX的精確定量較 ，根據(jù)《精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)接觸強(qiáng)度計(jì)算的系數(shù)

ZNZ V潤(rùn)滑劑系據(jù)式3.7，

Z .05Z Z H據(jù)式3.3，

51.

1.10.711.051 342.06MP（2）

H彎曲強(qiáng)度校核的基點(diǎn)是：計(jì)算齒根應(yīng) F應(yīng)不大于許用齒根應(yīng) FP即 F 或彎曲強(qiáng)度的計(jì)算安全系數(shù)SF應(yīng)不小于彎曲強(qiáng)度的最小安全系數(shù)SFmin即S SFmi此設(shè)計(jì)的齒輪按第法校核。齒根應(yīng)力的基本值F bmYFaYSaYYFa-齒形系數(shù)；YSa-應(yīng)力系數(shù)；YY-

式中：mn-法面模數(shù)；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KK F A

式中：KF彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)；KF-彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒間載荷分布系數(shù)。查《現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)》并計(jì)算可得齒形系應(yīng)力系數(shù)螺旋角系數(shù)

重合度系

0.7 0.7 0.2 0.2 .741.5所以由式Fbm

YFaYSaY

5.8 0.

2.551.6110.7 4.47MP依接觸強(qiáng)度校核中的選取使用系 動(dòng)載荷系數(shù)查表可 彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)，根據(jù)K

值及其齒寬與齒高之比hK彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒間載荷分布系數(shù)

1.2計(jì)算式3.17 11.11.25 7.375MPaF FP，可依據(jù)實(shí)驗(yàn)齒輪齒根的彎曲疲勞極限系數(shù)SFmin及五個(gè)修正系數(shù)確定，即

Flim、彎曲強(qiáng)度計(jì)算的最小安全Fl Y FSFmi

STN rel relJ

式中YST-實(shí)驗(yàn)齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)；YNT實(shí)驗(yàn)齒輪的系數(shù)YrelT-相對(duì)齒根圓角敏感系數(shù)；YrelJ相對(duì)齒根表面狀況系數(shù)；YX彎曲強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù)；SFmin彎曲強(qiáng)度最小安全系數(shù)。YST、YNT、YrelT、YrelJ、YX的精確定量較為，根據(jù)《精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》的

2YrelT=1.Yrel 查表可 FliXX

YPa由式3.18，計(jì)

SFmi F據(jù)式3.14，因

31.

1.121.051 462MP3幾何參數(shù)的確定

F根據(jù)以上驗(yàn)算，初選的數(shù)據(jù)均可用。齒輪齒條幾何尺寸的計(jì)算模

2 1

齒全齒頂圓直

2 2.3 0. 1.175m 齒根圓直da

a 2

2a2

2 2 0. 15m2 0.7 0. 12.625m

頂 c

0.3 0. 0.175m

幾何尺寸如表3.1。4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3.1，參數(shù)名稱數(shù)值（mm參數(shù)名稱數(shù)值（mm模數(shù)2壓力角2分度圓直徑齒全高齒頂圓直徑a齒根圓直徑d12.62a頂隙 0.17圖3.1齒輪結(jié)構(gòu)對(duì)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(lái)和導(dǎo)軌通過(guò)螺栓來(lái)緊固，結(jié)構(gòu)圖及尺寸如圖 3.2。Y軸方向的粗調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3.2齒條結(jié)構(gòu)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X軸方向調(diào)節(jié)相同的齒輪-齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)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。Z軸方向的粗調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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與螺桿，螺桿是由立柱和螺桿組成，如圖1軸蓋2鎖緊螺釘3螺釘4直槽螺套5立柱6螺桿 軸圖33Z軸方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)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)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調(diào)節(jié)。若使用一個(gè)軸套來(lái)限制立柱的轉(zhuǎn)動(dòng)，那么立柱在Z1設(shè)計(jì)計(jì)算（1）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、軸方向低，因還要承受一定的力，可以采用矩形螺紋傳動(dòng)。（2）立柱、螺桿選45號(hào)鋼，，螺套也選用45（3）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(lái)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D處展開，則可看見寬F度 D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uD為直徑的圓周上，則螺紋牙截面的剪切強(qiáng)度條件2螺紋截面的彎曲強(qiáng)度條件

Dbu

b式中：b-螺紋牙的厚度；l-彎曲力臂；-螺母材料的許用切應(yīng)力；

6FbDb2

bu-旋合螺紋的圈數(shù)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

8mm，對(duì)于矩形螺紋，螺紋牙根（4）

0.5 0. 4.0m 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45mm，螺紋的中徑為40mm 5mm，并初定螺套的長(zhǎng)度為54mm根據(jù)承載結(jié)構(gòu)部件的數(shù)量，初估軸向壓力 60查表可得螺母材料的許用切應(yīng)力螺母材料的許用彎曲應(yīng)力據(jù)式3.24，3.25計(jì)算

48MPab6很明顯可知，

4 4 6 4 4

0.12MPa0.9MP1 螺母螺紋牙的強(qiáng)度滿足要求。（5）立柱與螺桿的根據(jù)直槽螺套的直徑，可取立柱的直徑為dd立而螺桿在滿足強(qiáng)度和剛度的條件下，可取M4的標(biāo)準(zhǔn)螺X耐磨性計(jì)算滑動(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(rùn)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(guò)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P，使其小于材料的需用應(yīng)力p。假設(shè)作用于螺桿的軸向力為F，螺紋的承壓面積為A，螺紋中徑為d，螺母的工2作高度為h，螺紋螺距為p，螺母高度為H，螺紋的工作圈數(shù)為

H，則螺紋工作p p

pdhudh

式中，P—螺紋工作表面實(shí)際平均壓強(qiáng)；pFu—螺紋的工作圈數(shù)d—螺紋的中徑；2h—螺紋的工作高度；H——螺母的高度；P——螺距。H若 ，則 d，代入式3.26，整理可 2hdhd2對(duì)于梯形螺紋， 0.5p，所

Fd Fd2因螺母采用的是整體螺母，磨損后不能調(diào)整間隙，故1.根據(jù)設(shè)計(jì)的整體結(jié)構(gòu)，初估微調(diào)裝置上部的質(zhì)量 數(shù) 0.15，則有軸向

10kg，滑動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦系查表由式3.28，

m 1 9. 0.1 14.7 Fd F考慮到裝置的可操作性及加工，選用

6mm 1.5 2據(jù)微調(diào)的分辨率0.001mm，取螺紋的螺 05mm螺桿在軸向載荷和轉(zhuǎn)矩的作用下將產(chǎn)生變形，引起螺距的變化，從而影響螺旋傳動(dòng)的精度。因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行剛度的計(jì)算，以便把螺距點(diǎn)變化限制在允許的范圍內(nèi)。螺桿受軸向載荷時(shí)，一個(gè)螺距的變化量FFEA式中，P——螺距E——螺桿材料拉壓彈性模量；A——螺桿螺紋截面面積。

螺桿受到扭矩T時(shí)，螺桿在一個(gè)螺距長(zhǎng)度上產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角GP

由此引起一個(gè)螺距的變化量式中：G—螺桿材料的剪切彈性模量；J—螺桿螺紋的極慣性矩。P

TPT 2GJ

螺桿在軸向載荷和轉(zhuǎn)矩同時(shí)作用下，一個(gè)螺距的總變化 TP P 2P考慮到次螺旋機(jī)構(gòu)主要是傳遞運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)矩極小，故可以只計(jì)算軸向力的作用下的變形影響。上式可以簡(jiǎn)化為F EA螺桿的材料為45號(hào)鋼，查表可得

2.5105MP螺桿的外徑為 6mm，則其基本牙型高度1 所10.5

2 2 2對(duì)于梯形螺紋，螺桿螺紋的截面面積按中徑d來(lái)計(jì)算2有所以由式3.33

d 5.952 27.80mm F 14. 0. 2.510

0.1051 m27.8可見變形量很小，查表知螺桿的螺紋選用7級(jí)精度即可滿足要求。螺旋傳動(dòng)的誤差分析螺旋傳動(dòng)的誤差是指螺母相對(duì)螺桿的實(shí)際位移與理論值之間的最大差值。對(duì)于精密機(jī)械所采用的精密測(cè)量螺旋傳動(dòng)，關(guān)于其傳動(dòng)精度的概念嚴(yán)格來(lái)說(shuō)應(yīng)包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：其一是傳動(dòng)誤差，即傳動(dòng)的準(zhǔn)確性。在開環(huán)控制中的螺旋傳動(dòng)，傳動(dòng)的準(zhǔn)確程度直接影響測(cè)量精度。其二是傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)的靈活性，在閉環(huán)控制中的螺旋傳動(dòng)，由于采用一定的閉環(huán)控制后，螺旋傳動(dòng)的精度在精密機(jī)械本身的精度中已不再起決定性作用，這時(shí)應(yīng)注意它的運(yùn)動(dòng)靈活性。影響螺旋傳動(dòng)精度的因素有：制造誤差，主要是螺紋參數(shù)的誤差，包括螺距誤差、中徑圓柱度等；結(jié)構(gòu)及裝調(diào)誤差，包括軸向串動(dòng)、螺桿安裝與導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向的偏斜等；使用中的誤差，由于外界環(huán)境變化，如溫度變化等所引起的誤差。（1）螺距的實(shí)際值與理論值之差稱為螺距誤差。螺距誤差按使用要求可分為單個(gè)螺距單個(gè)螺距l(xiāng)誤差是指螺桿旋轉(zhuǎn)11周期形狀，主要是在制造過(guò)程中由加工機(jī)床本身的運(yùn)動(dòng)精度引起的，它與螺桿的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。對(duì)度的螺紋磨床，單個(gè)螺距誤差可做

0.002mm。l1l2螺距累計(jì)誤差l是指在螺紋與全長(zhǎng)范圍內(nèi)任意兩同側(cè)螺紋面間距離對(duì)公稱尺寸的偏差的最大代數(shù)差，它與螺紋長(zhǎng)度有關(guān)，螺紋長(zhǎng)度越長(zhǎng)往往螺距累計(jì)誤差越大。螺桿螺距累計(jì)誤差是由制造過(guò)程加工機(jī)床本身的精度不夠，加工中安裝裝卡螺桿時(shí)位置不正確以及制造過(guò)程中室內(nèi)溫度變化等造成的。2螺距累計(jì)誤差l為2式中

l—螺桿的第i個(gè)螺距誤1i

nl in—螺桿旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)， （2）螺桿和螺紋的大徑、小徑和中徑在制造過(guò)程中都會(huì)有誤差出現(xiàn)，大徑和小徑處有較大的間隙，互不接觸，中徑是配合尺寸，為了使螺桿和螺母運(yùn)動(dòng)靈活，配合處需要有一定的均勻間隙，因此螺桿全長(zhǎng)上中下徑尺寸變動(dòng)量的公差，應(yīng)予以控制。中徑圓柱度和圓度誤差也會(huì)引起螺距的變化，影響傳動(dòng)精度和運(yùn)動(dòng)靈活性。圓度的誤差，會(huì)使螺旋傳動(dòng)中螺桿轉(zhuǎn)1圈時(shí)出現(xiàn)半圈松半圈緊的現(xiàn)象，而圓柱度誤差會(huì)使螺桿在全長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)中松緊程度不同，嚴(yán)重影響螺旋傳動(dòng)中運(yùn)動(dòng)的靈活性，甚至?xí)斐煽╨死的現(xiàn)象，在精密機(jī)械中應(yīng)該盡量避免。由中徑圓柱度和圓度誤差造成的傳l3為l式中 d—中徑圓柱度和圓度誤差2—螺紋牙形半

d2ta2（3）螺桿的軸向竄動(dòng)和徑向跳動(dòng)引起的螺桿的軸向竄動(dòng)直接影響到螺旋傳動(dòng)的的傳動(dòng)精度，螺桿的徑向跳動(dòng)雖然不會(huì)直接影響傳動(dòng)精度，但會(huì)影響到傳動(dòng)的靈活性，進(jìn)而會(huì)影響到精密工作臺(tái)的動(dòng)態(tài)精度。兩種誤差與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝調(diào)有關(guān)，在度精密機(jī)械中應(yīng)引起重視。l（4）移動(dòng)件移動(dòng)方向與螺桿軸不重合引起的傳動(dòng)誤差（4在螺旋傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中，由于螺桿軸不重合或裝調(diào)不理想，會(huì)造成螺桿的軸線與移動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)方向不平行，設(shè)偏斜角 ，所造成的傳動(dòng)誤 l4 l 2lsin 由于偏斜 一般很小，故si式中，l為移動(dòng)件的行程

，所以 2l 22l（5）螺旋傳動(dòng)在使用中由于外界環(huán)境變化造成的誤差（5l螺旋傳動(dòng)在使用過(guò)程中，由于外界環(huán)境變化也要引起誤差。度的精密螺旋傳動(dòng)在工作時(shí)一般避免外界的沖擊和振動(dòng)造成影響，而室內(nèi)溫度的變化很難避免的，溫度引 5式中，L—螺桿材料的線膨脹系數(shù)，對(duì)于T—工作溫度與制造溫度之差。

11.61 /C6溫度變化帶來(lái)的傳動(dòng)誤差實(shí)不可忽視的因素，對(duì)于開環(huán)控制尤為重要，一般根器的精度要求，限制工作環(huán)境的溫度變化。螺旋傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)此機(jī)構(gòu)采用螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母移動(dòng)來(lái)現(xiàn)實(shí)微調(diào)，故螺桿的非螺旋部分應(yīng)有一定的長(zhǎng)度來(lái)頂住導(dǎo)軌來(lái)避免螺桿的移動(dòng)，螺母需推動(dòng)滑動(dòng)臺(tái)移動(dòng)，螺母的高度應(yīng)大于工作高度，可以用保持軸套內(nèi)孔加工螺紋替代螺母。具體機(jī)構(gòu)見下圖3.4：1螺母2運(yùn)動(dòng)桿尺3鎖緊螺母4固定桿尺5保持軸套 頂圖34螺旋微調(diào)機(jī)構(gòu)仰角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)1參數(shù)的選擇因傳遞的范圍小，功率小，材料的強(qiáng)度和剛度不成問(wèn)題，只對(duì)精度有一定的要求，故采用類比的方法，并根據(jù)角度精細(xì)調(diào)節(jié)的精度，取調(diào)節(jié)桿螺紋部分直徑 6m螺紋的長(zhǎng)

2m2結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

20m仰角調(diào)節(jié)主要是采用螺旋-杠桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，此結(jié)構(gòu)中螺母固定不動(dòng)，螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng)推動(dòng)水平調(diào)節(jié)片，從而帶動(dòng)器件保持架繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，見圖3.5：1垂直壓緊簧套2垂直壓緊彈簧3垂直止推4垂直調(diào)節(jié)片5立式支架 垂直調(diào)節(jié)圖35螺旋－杠桿機(jī)構(gòu)作用力方向和作用點(diǎn)位置對(duì)導(dǎo)軌工作的影響分析推力F推力F的作用將使運(yùn)動(dòng)件產(chǎn)生傾斜，從而使運(yùn)動(dòng)件與承導(dǎo)件在兩端處壓緊。設(shè)正 壓力分別為N1、N2相應(yīng)的摩擦力為N1f、N2f作用點(diǎn)間的距離為L(zhǎng)，軸向阻Fa f F F MA hFsiMA

L

'N2

'N1

2 f'c fsi 欲推動(dòng)運(yùn)動(dòng)件，必須 2 f'c fsi 當(dāng) 時(shí)，運(yùn)動(dòng)件將被卡死，以此保證不被卡死的條件 f' f' f' 若運(yùn)動(dòng)件的直徑較小， f'd

L，

f' f' 由此，可得到當(dāng)推力F與運(yùn)動(dòng)件有一夾 時(shí)，運(yùn)動(dòng)件正常工作的條件 2f' f'

f'為當(dāng)量摩擦系數(shù)，對(duì)不同形式導(dǎo)

f'4f

1.27矩形導(dǎo)軌：f f

dc d式中，f為滑動(dòng)摩擦系數(shù) 為燕尾輪廓角或三角形低角推力F平行與運(yùn)動(dòng)件軸線與軸線相距設(shè)軸向阻FaN1N2為反作用力。根據(jù)力平衡條件的 Nf Nf F N Nf' Nf'

1 欲推動(dòng)運(yùn)動(dòng)件，必須使

F 2f'hFF保證運(yùn)動(dòng)件不被卡死的條件是

2f'L

' 2 Lhf為 h量摩 2f 設(shè)計(jì)時(shí)，為保證運(yùn)動(dòng)靈活，h/L可按下式

'2 .5L導(dǎo)軌的主要尺寸有運(yùn)動(dòng)件與承導(dǎo)件的長(zhǎng)度、導(dǎo)軌寬度、兩導(dǎo)軌間的距離等。在設(shè)計(jì)導(dǎo)軌時(shí)，首先應(yīng)確定運(yùn)動(dòng)件的長(zhǎng)度，其原則是：在滿足使用要求即移動(dòng)距離的條件下，應(yīng)僅可能減小運(yùn)動(dòng)件的長(zhǎng)度L。在設(shè)計(jì)時(shí)，一式中，a為兩導(dǎo)軌之間的距離，

1.2(1.8而承導(dǎo)件的長(zhǎng)度則主要取決與運(yùn)動(dòng)件的長(zhǎng)度和工作行程。導(dǎo)軌寬度B可根據(jù)載荷F和允許強(qiáng)度p求出， p兩導(dǎo)軌之間的距離a減小，則導(dǎo)軌尺寸減小，但導(dǎo)軌的穩(wěn)定性變差。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證導(dǎo)軌穩(wěn)定工作的前提下，減小兩導(dǎo)軌之間的距離。類型的選對(duì)于裝置底部微調(diào)機(jī)構(gòu)的導(dǎo)軌需承受一定的重力，對(duì)承載能力和剛度有一定的要求，可采用開式的滑動(dòng)導(dǎo)軌，據(jù)《精密機(jī)械設(shè)計(jì)》知，可以采用矩形導(dǎo)軌，用對(duì)稱形式布置對(duì)于X軸和Y軸方向粗調(diào)結(jié)構(gòu)使用的導(dǎo)軌，要求結(jié)構(gòu)緊湊能對(duì)間隙進(jìn)行方便的調(diào)整，據(jù)《精密機(jī)械設(shè)計(jì)》知，可以采用燕尾形導(dǎo)軌來(lái)實(shí)現(xiàn)要求的功能。尺寸的確X微調(diào)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)軌，材料選45號(hào)鋼根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸和微調(diào)的范圍可取運(yùn)動(dòng)承導(dǎo)件的長(zhǎng)度

130m 70m因承受的力不大，可先考慮導(dǎo)軌的穩(wěn)定性選取導(dǎo)軌的寬度為 70m對(duì)于X軸、Y 140m再根據(jù)縱、橫向調(diào)節(jié)桿的結(jié)構(gòu)尺寸可取導(dǎo)軌的寬度 35m幾何尺寸誤差主要使指運(yùn)動(dòng)件及其承導(dǎo)件配合部分的尺寸偏差，它們主要對(duì)配合間外力大小外力包括運(yùn)動(dòng)件自重及外加負(fù)載，特別使?jié)L動(dòng)摩擦導(dǎo)軌，在外力作用下，滾動(dòng)元件與導(dǎo)向面之間，將產(chǎn)生接觸變形。這種變形，可能引起運(yùn)動(dòng)件的傾斜，從而偏離正確的運(yùn)動(dòng)方向。設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)“”理論，計(jì)算出它們的彈性變形，再根據(jù)他幾何參數(shù)，導(dǎo)出其可能引起的誤差。潤(rùn)滑油的性質(zhì)由于一般分析時(shí)，常假定潤(rùn)滑油厚度為零。實(shí)際上，滑動(dòng)導(dǎo)軌中接觸部分的潤(rùn)滑油必然存在，且厚度隨運(yùn)動(dòng)件上負(fù)荷、負(fù)荷停留時(shí)間、運(yùn)動(dòng)件移動(dòng)速度、環(huán)境溫度的改變而變化。但是這些因素的綜合影響，主要表現(xiàn)為滑動(dòng)摩擦系數(shù)的改變。振動(dòng)由于任一實(shí)際導(dǎo)軌，它在運(yùn)動(dòng)方向上的剛度，遠(yuǎn)比它在非運(yùn)動(dòng)方向上的剛度小。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能的較小在運(yùn)動(dòng)方向上因各種振源可能產(chǎn)生的慣性力，避免運(yùn)動(dòng)件產(chǎn)生位移。磨損磨損主要產(chǎn)生于摩擦導(dǎo)軌。完全避免磨損將不可能，但是可適當(dāng)選擇導(dǎo)向面的寬度及其尺寸，材料的匹配比例，則有可能獲得較理想的結(jié)構(gòu)。此外，在重量較大或低速滑行的滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌，在運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)間斷性的停止和運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，即所謂的“爬行”現(xiàn)象。防止爬行的一般方法就是使運(yùn)動(dòng)件卸荷（即設(shè)計(jì)成卸荷結(jié)構(gòu)），或在導(dǎo)軌接觸面間，加入性能良好的潤(rùn)滑劑，減少靜、動(dòng)摩擦系數(shù)差，使運(yùn)動(dòng)件運(yùn)動(dòng)趨于平穩(wěn)。X軸方向微調(diào)機(jī)構(gòu)的彈簧設(shè)計(jì)1原始條件的擬定據(jù)工作的條件，初定原始條件如下，最小工作載荷201最大工作載荷

40PnP 10m端部結(jié)構(gòu)為：端部并緊，磨平，支承圈為1取彈簧的材料為——碳素彈簧鋼絲C （GB4537-2參數(shù)計(jì)P初算彈簧的剛P1p 1

4 2

2. 0工作極限載荷pj 1.1

1. 4 44根據(jù)p值查《機(jī)械設(shè)計(jì)手可確定彈簧材料直徑d及彈簧中徑D與有關(guān)參數(shù)j即彈簧材料直 1.2m工作極限載荷

12m工作極限載荷下的單圈變形

P 47.16f 3.980mPd 11.9N(mm-PdP

彈簧的剛

1工作極限載荷下的變形

p n

6

nf 節(jié)

3.9 23.88m

Fd

6H0 6 1.5 H0查表取標(biāo)準(zhǔn)值最小載荷時(shí)的

HP

23 24.90m最大載荷時(shí)的工作高

P

1.9極限載荷和的高

pn

pj

彈簧外

2 1

參數(shù)如表3.2所示。

.18arcta arcta .82 2參數(shù)名稱數(shù)值彈簧材料直徑參數(shù)名稱數(shù)值彈簧材料直徑 1.2m彈簧中徑 12m有效圈數(shù) 節(jié)距 5.18m彈簧的剛度彈簧外徑彈簧內(nèi)徑螺旋角7.8自由高度繞Z軸旋轉(zhuǎn)微調(diào)機(jī)構(gòu)的彈簧設(shè)計(jì)對(duì)于此旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)所用的彈簧可根據(jù)沿X軸微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的彈簧使用類比法查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選取。所取彈簧的材料為碳素彈簧鋼絲C級(jí)，端部并緊、磨平，支承圈為1圈。具體參數(shù)如表3.3。表3.3繞Z參數(shù)名稱數(shù)值彈簧材料直徑彈簧中徑有效圈數(shù)節(jié)距彈簧的剛度 0.8m 10m 5.185m 0.808彈簧外徑彈簧內(nèi)徑自由高度 2 1 0仰角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的彈簧設(shè)計(jì)類同于Z軸旋轉(zhuǎn)微調(diào)機(jī)構(gòu)的彈簧設(shè)計(jì)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選取。所取彈簧的材料為碳素彈簧鋼絲C級(jí)，端部并緊、磨平，支承圈為1圈。具體參數(shù)如表3.4。表3.4仰角機(jī)構(gòu)彈簧參數(shù)參數(shù)名稱數(shù)值彈簧材料直徑 0.8m彈簧中徑 8m有效圈數(shù) 節(jié)距 3.492m彈簧的剛度 彈簧外徑 2彈簧內(nèi)徑 1自由高度 0微調(diào)工作臺(tái)的支撐和基座設(shè)計(jì)支承的設(shè)計(jì)任何一種軸都需要支承才能運(yùn)轉(zhuǎn)，軸上支承部分稱為軸頸，用以支承和約束軸頸的結(jié)構(gòu)稱為軸承。軸承的選型及其本身的質(zhì)量，對(duì)整機(jī)的精度、效率、和成本都有直接的影響。長(zhǎng)依以下幾個(gè)基本要求選擇軸承：方向精度、運(yùn)轉(zhuǎn)靈便性、對(duì)溫度變化的不敏感性、承受負(fù)載的能力、成本、裝調(diào)和維修是否方便。精密機(jī)械中的滑動(dòng)軸承，按結(jié)構(gòu)形式可分為圓柱滑動(dòng)軸承、滑動(dòng)軸承和球形對(duì)于此機(jī)構(gòu)中采用圓柱形滑動(dòng)軸承，因承受的載荷較小，且轉(zhuǎn)速低，可以不用液體潤(rùn)滑，一般做成整體式的軸承。根據(jù)《精密機(jī)械軸承的材料為Q235在大多數(shù)精密機(jī)械中，由于軸承與軸頸之間所承受的載荷較小，直徑可以按類比法確定。根據(jù)縱、橫向調(diào)節(jié)桿的結(jié)構(gòu)尺寸，去軸承內(nèi)孔直徑 7m則軸承的長(zhǎng)度

1. 71. 10.5m對(duì)于輕載、低速、度的軸承，可選用間隙配合，取配合精度等表面的粗糙度較軸頸低一些，取

Hg6，軸RRa基座的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求精密機(jī)械儀器具有各種各樣的基座，它們不僅起著連接和支承各種零件相互位置的作用，而且還要保證儀器的工作精度。基座的特點(diǎn)如下：尺寸較大，是整臺(tái)設(shè)備的基礎(chǔ)支承件，不僅自身重力大，而且承受主要的外載荷作用。(2)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，有很多加工面（或孔，而且相互位置精度和本身的精度都較根據(jù)以上特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)注意剛性、熱變形、精度、抗震性以及機(jī)構(gòu)工藝性結(jié)構(gòu)形狀對(duì)剛性、抗震性、穩(wěn)定性和熱變形起著決定性的作用根據(jù)要求，機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以經(jīng)驗(yàn)、類比的方法進(jìn)行。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，類比其他同類產(chǎn)品，可采用矩形截面形狀的基座。而對(duì)于材料的選擇，據(jù)《精密機(jī)械設(shè)計(jì)》推薦，可以采用鑄鐵做為材料。具體尺寸及結(jié)構(gòu)如圖3.6所示，本章確定了微調(diào)工作臺(tái)的X軸粗調(diào)和微調(diào)、Y軸粗調(diào)、Z軸和仰角調(diào)節(jié)的具體結(jié)構(gòu)傳動(dòng)設(shè)計(jì)和參數(shù)的選擇和計(jì)算。還對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行了分析、選擇，以及作用力對(duì)導(dǎo)軌工作的影響分析，尺寸的設(shè)定和誤差分析。還有對(duì)本工作臺(tái)的所涉及到的彈簧的設(shè)計(jì)與計(jì)算。完成了各個(gè)主要機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算圖3.6基座第4 示數(shù)裝置的設(shè)計(jì)示數(shù)裝置設(shè)計(jì)要求機(jī)械示數(shù)裝置，是一種古典的用以顯示信息大小的部件。一般有度盤（包括：度盤、刻度環(huán)、標(biāo)尺）、指針（包括：指針、指標(biāo)、游標(biāo)）組成。度盤、指針的相對(duì)位置，可以表示信息的轉(zhuǎn)換關(guān)系及其大小，傳動(dòng)部分則用以傳輸信息。為了提高示數(shù)裝置的工作精度，有時(shí)亦采用了光學(xué)刻度盤或光學(xué)判讀系統(tǒng)。示數(shù)裝置的設(shè)計(jì)與整個(gè)精密機(jī)械的工作原理和性能有密切的關(guān)系，它直接影響機(jī)械系統(tǒng)的工作質(zhì)量。設(shè)計(jì)時(shí)要滿足以下要求：保證足夠的精度。由于示數(shù)裝置或引入的數(shù)據(jù)必須足夠精度，否則會(huì)給儀器帶來(lái)過(guò)大的誤差。一般示數(shù)裝置的精度時(shí)根據(jù)儀器總精度，并與總精度相適應(yīng)。讀數(shù)方便、迅速。應(yīng)能直接讀出被測(cè)物理量或引入量的數(shù)值，而無(wú)任何換算。保證零件的準(zhǔn)確的位置，并具有零位調(diào)整的可能性。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好、便于制造、安裝和調(diào)整。示數(shù)裝置的分類按照工作原理不同，示數(shù)裝置可以分為機(jī)械式、光學(xué)機(jī)械式、電子式、或光電示數(shù)裝置。由于光電數(shù)字顯示的示數(shù)裝置顯示精度高，反應(yīng)速度快，故隨著電子技術(shù)和光電技術(shù)的迅速發(fā)展，在一些精密機(jī)械中已被大量采用。但是由于機(jī)械式示數(shù)裝置的原理和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用可靠，故目前任能得到廣泛的應(yīng)用。按示數(shù)性質(zhì)不同，示數(shù)裝置常見有三種類型，即標(biāo)尺指針示數(shù)裝置，自動(dòng)記錄裝置和計(jì)數(shù)裝置。本裝置的據(jù)使用的條件和環(huán)境采用了機(jī)械式的標(biāo)尺指針示數(shù)裝置，主要采用的是直標(biāo)尺和鼓形標(biāo)尺。X－Y軸方向粗調(diào)示數(shù)裝置的設(shè)計(jì)由于XY軸方向調(diào)節(jié)的原理相同，粗調(diào)的精度相同，可采用相同的示數(shù)裝置，沿直線運(yùn)動(dòng)，采用直標(biāo)尺指針示數(shù)裝置。標(biāo)尺與指針的選擇X、Y軸方向粗調(diào)的的分辨率為0.1mm，調(diào)節(jié)的范圍為25mm，以中心為基準(zhǔn)兩邊對(duì)稱。所以標(biāo)尺的總長(zhǎng)度可以取與齒條等長(zhǎng)，而測(cè)量長(zhǎng)度與齒條的嚙合移動(dòng)長(zhǎng)度等長(zhǎng)，并每邊留5mm

60m分度尺寸的大小是影響讀數(shù)誤差和標(biāo)尺幾何尺寸的重要因素，分度尺寸太小時(shí)，讀數(shù)非常，同時(shí)讀數(shù)誤差亦顯著增大。分度尺寸過(guò)大時(shí)，標(biāo)尺長(zhǎng)度隨之增大。一般情況下可取分度尺寸l1(2.5mm。而標(biāo)尺的分度值應(yīng)根據(jù)儀器的分度值不應(yīng)比儀器允許的誤差大得太多，否則就不能準(zhǔn)確得示數(shù)。反之，分度值取得過(guò)小，只是在讀數(shù)時(shí)讀得精確些，但儀器得誤差并不因此而改變，因此，在儀器誤差一定時(shí)，把分度值定得過(guò)小時(shí)沒有意義得的。一般開說(shuō)，分度值A(chǔ)可取等于或略大于儀器允許的誤差根據(jù)儀器的精度要求及標(biāo)尺的長(zhǎng)度，標(biāo)尺的分度尺寸可取 1m而標(biāo)尺的分度值取 0.5mX軸微調(diào)示數(shù)裝置的設(shè)計(jì)根據(jù)X軸微調(diào)機(jī)構(gòu)的特征，可以采用標(biāo)尺指針示數(shù)裝置，而標(biāo)尺選用鼓形標(biāo)尺，使用測(cè)微螺旋讀數(shù)法。根據(jù)儀器的示值上限Amax和示值下限Amin（一般Amin 選定分度值后，即可算出分度格數(shù) ma mia起始標(biāo)線與最終標(biāo)線的距離稱為標(biāo)度長(zhǎng)度。令標(biāo)度長(zhǎng)度為L(zhǎng)，對(duì)直標(biāo)尺可以用下式式中：l

nl對(duì)于鼓形標(biāo)尺，開始標(biāo)線與最終標(biāo)線之間的夾角稱為標(biāo)度角，令標(biāo)度角 ，180 式中 為鼓形標(biāo)尺相鄰兩標(biāo)線之間的夾角

40(50mm尺主要是有運(yùn)動(dòng)桿尺和固定桿尺組成。根據(jù)分辨率0001mm的要求，又由于設(shè)計(jì)的螺桿螺紋部分的螺距式

5mm。Sh2式中h微調(diào)運(yùn)動(dòng)件的位移量；S為螺紋的導(dǎo)程；

為螺旋副的相對(duì)轉(zhuǎn)角在固定標(biāo)尺上軸向標(biāo)線的兩側(cè)刻兩排分度為1mm的分度尺寸，分度值同樣取1mm，并且兩排分度互相錯(cuò)開0.5mm—粗讀標(biāo)尺；而在與螺距為0.5mm的螺桿固定連接的運(yùn)動(dòng)桿尺上刻50個(gè)分度—精讀標(biāo)尺，當(dāng)運(yùn)動(dòng)桿尺旋轉(zhuǎn)一周，根據(jù)式8.2，相應(yīng)的軸向移動(dòng)量為h因此，精度標(biāo)尺的分度值為

.