四维微调工作台结构设计【13张图纸】【优秀】

四维微调工作台结构设计55页 21000字数+说明书+任务书+13张CAD图纸A0总装图.dwgA2X轴方向微调机构.dwgA2Z轴方向调节机构.dwgA2仰角调节机构.dwgA3 导轨.dwgA3器件保持架(手工图).dwgA3图纸支盖架.dwgA3图纸纵向支架.dwgA3横向调节杆.dwgA3横向齿条.dwgA3立式支架.dwgA3联接套.dwgA3轴盖.dwg任务书.doc四维微调工作台结构设计说明书.doc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。目录摘要IIIAbstractIV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153.1.1X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。

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关键词：: 四维微调工作台结构设计 13 图纸优秀

资源描述：

四维微调工作台结构设计

55页 21000字数+说明书+任务书+13张CAD图纸

A0总装图.dwg

A2X轴方向微调机构.dwg

A2Z轴方向调节机构.dwg

A2仰角调节机构.dwg

A3 导轨.dwg

A3器件保持架(手工图).dwg

A3图纸支盖架.dwg

A3图纸纵向支架.dwg

A3横向调节杆.dwg

A3横向齿条.dwg

A3立式支架.dwg

A3联接套.dwg

A3轴盖.dwg

任务书.doc

四维微调工作台结构设计说明书.doc

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：0~25mm 分辨率：0.001mm Y轴调节范围：±25mm分辨率：0.1mm Z轴调节范围：0~22mm 转角粗调范围：0~360° 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。

摘要III

AbstractIV

第1章绪论1

1.1课题背景及研究意义1

1.2国内外研究现状1

1.2.1微调工作台的驱动方式1

1.2.2国外研究现状2

1.2.3我国的研究现状3

1.3微调精密定位工作台的发展前景3

1.4系统组成及工作原理5

1.5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7

2.1微调工作台的结构设计及特点7

2.1.1机身结构设计应满足下列要求7

2.1.2四维微调工作台的设计特点7

2.2微调工作台机体主要材料的选择7

2.3微调工作台导轨设计形式的选择8

2.4四维微调工作台的组成及工作原理9

2.4.1 X方向粗调机构9

2.4.2X方向微调机构10

2.4.3 Y方向粗调机构10

2.4.4 Z方向调节机构11

2.4.5水平转角调节机构12

2.4.6垂直仰角调节机构12

2.5 本章小结14

第3章四维微调工作台的结构设计15

3.1 微调工作台的传动设计计算15

3.1.1X轴方向粗调结构设计15

3.1.2Y轴方向的粗调机构设计24

3.1.3Z轴方向的粗调机构设计24

3.1.4X轴方向微调机构设计26

3.1.5仰角调节机构设计31

3.2导轨的设计32

3.2.1作用力方向和作用点位置对导轨工作的影响分析32

3.2.2导轨主要尺寸的确定34

3.2.3导轨的误差分析35

3.3弹簧的设计35

3.3.1X轴方向微调机构的弹簧设计35

3.3.2绕Z轴旋转微调机构的弹簧设计38

3.3.3仰角调节机构的弹簧设计39

3.4微调工作台的支撑和基座设计39

3.4.1支承的设计39

3.4.2基座的设计40

3.5本章小结41

第4章示数装置的设计42

4.1示数装置设计要求42

4.2示数装置的分类42

4.3X－Y轴方向粗调示数装置的设计42

4.3.1类型的选择42

4.3.2标尺与指针的选择42

4.3.3分度尺寸的选择43

4.4X轴微调示数装置的设计43

4.4.1设计原理43

4.4.2设计计算43

4.5本章小结44

结论45

参考文献46

致谢48

　　　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。

四维微调工作台结构设计.gif

内容简介：: 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：年月日哈尔滨工程大学本科生毕业设计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：教授二一二年六月The Graduation Design for Bachelors DegreeStructure Design of 4D Micro Motion Stage Candidate： Specialty：Mechanical Design and Manufacture&Automation Class：08-3 Supervisor：Prof. Heilongjiang Institute of Technology2012-06Harbin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。ABSTRACTThis 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.III哈尔滨工程大学本科生毕业设计目录摘要IIIAbstractIV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153.1.1X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4849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。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。2.4四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。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。2.4.4 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、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。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。则分度圆直径。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，并考虑整个机构的对称性，齿条的理论长度应为。而齿距， (3.1)则齿条的齿数， (3.2)取。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。圆整取2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应力。即： (3.3) 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。即： (3.4) 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 (3.5)式中，节点区域系数；弹性系数；重合度系数；螺旋角系数；分度圆上的名义切向载荷；最小工作齿宽（）；齿轮的分度圆直径；齿数比。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 (3.6) 式中，使用系数；动载系数；接触强度计算的齿向载荷分布系数；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、接触强度计算的最小安全系数及六个修正系数确定。即： (3.7)式中，接触强度计算的寿命系数；速度系数；粗糙度系数；工作硬化系数；润滑剂系数；接触强度计算的尺寸系数。综上所述，查现代机械传动手册，对于标准直齿轮，取；查表知； (3.8) 对于直齿轮 (3.9)式中，-端面重合度。根据齿数和模数查表知 (3.10)则螺旋角系数 (3.11)根据各零件的初估重量及滑动导轨的摩擦系数，取，。则 (3.12)初选齿轮的齿宽，齿条的齿宽。则因为齿条的分度圆直径为无穷大， (3.13)所以据式3.5，可得又查表知：使用系数动载荷系数接触强度计算的齿向载荷分布系数，据齿轮的布置为对称布置 (3.14)式中，为齿宽系数；为齿宽。取由式3.14，计算有接触强度计算的齿间载荷分布系数所以由式3.6，根据齿轮的材料查表有：接触疲劳极限接触强度计算的最小安全系数因、的精确定量较为困难，根据精密机械设计基础，按经验取接触强度计算的寿命系数速度系数粗糙度系数工作硬化系数润滑剂系数接触强度计算的尺寸系数据式3.7，据式3.3，因而有故满足要求。（2）弯曲强度的校核弯曲强度校核的基点是：计算齿根应力应不大于许用齿根应力。即 (3.15)或弯曲强度的计算安全系数应不小于弯曲强度的最小安全系数，即此设计的齿轮按第一种方法校核。齿根应力的基本值 (3.16)式中：-法面模数； -齿形系数； -应力系数； -螺旋角系数； -重合度系数。根据齿根应力基本值，再取四个与负载相关的系数，有 (3.17)式中：-弯曲强度计算的齿向载荷分布系数； -弯曲强度计算的齿间载荷分布系数。查现代机械传动手册并计算可得齿形系数应力系数螺旋角系数重合度系数所以由式3.16，依接触强度校核中的选取使用系数动载荷系数查表可得弯曲强度计算的齿向载荷分布系数，根据值及其齿宽与齿高之比，查表有弯曲强度计算的齿间载荷分布系数计算式3.17，可得对于，可依据实验齿轮齿根的弯曲疲劳极限、弯曲强度计算的最小安全系数及五个修正系数确定，即 (3.18)式中，-实验齿轮的应力修正系数； -实验齿轮的寿命系数； -相对齿根圆角敏感系数； -相对齿根表面状况系数； -弯曲强度计算的尺寸系数； -弯曲强度最小安全系数。因、的精确定量较为困难，根据精密机械设计基础的推荐取=1.05查表可得取由式3.18，计算有据式3.14，因而有满足要求。3几何参数的确定根据以上验算，初选的数据均可用。齿轮齿条几何尺寸的计算模数压力角分度圆直径 (3.19)齿全高 (3.20)齿顶圆直径 (3.21)齿根圆直径 (3.22)顶隙 (3.33)几何尺寸如表3.1。4齿轮、齿条的结构设计由于齿轮的直径比较小，宜作成齿轮轴的形式，再者此齿轮轴需要手动调节，故应有在齿轮轴上有一调节杆，并根据使用要求及整体结构的布置，齿轮轴的整体设计如图3.1，表3.1 齿轮参数参数名称数值（）模数压力角分度圆直径齿全高齿顶圆直径齿根圆直径顶隙图3.1 齿轮结构对于齿条，自身在做直线运动时带动上部的光学器件移动，应把它固定在导轨上，故齿条的两端有一段非啮合区来和导轨通过螺栓来紧固，结构图及尺寸如图3.2。图3.2 齿条结构3.1.2Y轴方向的粗调机构设计由于Y 轴方向的粗调实现的运动原理与X轴方向相同，且运动的范围也一样，所以可以采用与X轴方向调节相同的齿轮-齿条传动机构实现Y 轴方向的粗调。即完全采用X轴方向调节的齿轮-齿条传动机构，选用的材料同，参数也相同。3.1.3Z轴方向的粗调机构设计根据结构设计的需要，螺母和螺杆并不是原始定义的螺母与螺杆，螺杆是由立柱和螺杆组成，如图3.3： 1.轴盖 2.锁紧螺钉 3.螺钉 4.直槽螺套 5.立柱 6.螺杆 7.轴套图3.3 Z轴方向调节机构螺杆伸出部分相当于螺纹的牙，而螺母相当于是在直槽螺套中加工出螺旋槽。当转动直槽螺套时，螺杆在螺套的螺旋槽中运动，带动立柱上升，从而实现Z轴方向的调节。若使用一个轴套来限制立柱的转动，那么立柱在Z轴方向只有平动了。1设计计算（1）螺纹类型的选择此螺旋传动结构主要是传递运动，传递的功率小，速度慢（手动），精度较X、Y轴方向低，因还要承受一定的力，可以采用矩形螺纹传动。（2）材料的选择立柱、螺杆选用45号钢，螺套也选用45号钢。（3）母强度的校核当立柱上升时，螺旋副要承受一定整体机构重力所带来的压力，所以相当于螺母螺纹牙的要有一定的强度。如果将一圈螺纹沿螺母的螺纹大径处展开，则可看见宽度为的悬臂梁。假设螺母每圈螺纹所承受的平均压力为，并作用在以螺纹中径为直径的圆周上，则螺纹牙危险截面的剪切强度条件为 (3.24)螺纹危险截面的弯曲强度条件为 (3.25)式中： -螺纹牙的厚度； -弯曲力臂； -螺母材料的许用切应力； -螺母材料的许用弯曲应力； -旋合螺纹的圈数。因为Z轴方向的调节在位移和精度上没有具体的要求，属于小范围调节，所以考虑螺杆要有一定直径的基础上，初选螺母的螺距，对于矩形螺纹，螺纹牙根部的厚度根据设计的结构，有（4）螺母的选取根据整体结构的需要，考虑立柱上方部分工作的稳定性，螺母不仅起传递运动的作用，还要支承上部结构，可选直槽螺套的直径为，螺纹的中径为，有，并初定螺套的长度为。根据承载结构部件的数量，初估轴向压力查表可得螺母材料的许用切应力螺母材料的许用弯曲应力据式3.24，3.25计算，很明显可知，螺母螺纹牙的强度满足要求。（5）立柱与螺杆的选择根据直槽螺套的直径，可取立柱的直径为而螺杆在满足强度和刚度的条件下，可取的标准螺杆。3.1.4X轴方向微调机构设计1耐磨性计算滑动螺旋的磨损与螺纹工作面的压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润滑状态等因素有关。其中最主要的是螺纹工作面的压力，压力越大，螺旋副越容易形成过度磨损。因此，滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力，使其小于材料的需用应力。假设作用于螺杆的轴向力为，螺纹的承压面积为，螺纹中径为，螺母的工作高度为，螺纹螺距为，螺母高度为，螺纹的工作圈数为，则螺纹工作面上的耐磨条件为 (3.26)式中，螺纹工作表面实际平均压强；需用压强；轴向载荷；螺纹的工作圈数；螺纹的中径；螺纹的工作高度；螺母的高度；螺距。若令，则，代入式3.26，整理可得 (3.27)对于梯形螺纹，所以 (3.28)因螺母采用的是整体螺母，磨损后不能调整间隙，故取根据设计的整体结构，初估微调装置上部的质量为，滑动导轨的摩擦系数，则有轴向力查表取由式3.28，计算有考虑到装置的可操作性及加工，选用的螺杆，则螺母的高度据微调的分辨率，取螺纹的螺距。2螺纹刚度计算螺杆在轴向载荷和转矩的作用下将产生变形，引起螺距的变化，从而影响螺旋传动的精度。因此设计时应进行刚度的计算，以便把螺距点变化限制在允许的范围内。螺杆受轴向载荷时，一个螺距的变化量 (3.29)式中，螺距；螺杆材料拉压弹性模量；螺杆螺纹截面面积。螺杆受到扭矩时，螺杆在一个螺距长度上产生的扭转角 (3.30)由此引起一个螺距的变化量 (3.31)式中：螺杆材料的剪切弹性模量；螺杆螺纹的极惯性矩。螺杆在轴向载荷和转矩同时作用下，一个螺距的总变化量为 (3.32)考虑到次螺旋机构主要是传递运动，转矩极小，故可以只计算轴向力的作用下的变形影响。上式可以简化为 (3.33)螺杆的材料为45号钢，查表可得螺杆的外径为，则其基本牙型高度为所以对于梯形螺纹，螺杆螺纹的截面面积按中径来计算有所以由式3.33，可得可见变形量很小，查表知螺杆的螺纹选用7级精度即可满足要求。3螺旋传动的误差分析螺旋传动的误差是指螺母相对螺杆的实际位移与理论值之间的最大差值。对于精密机械所采用的精密测量螺旋传动，关于其传动精度的概念严格来说应包括两个方面的内容：其一是传动误差，即传动的准确性。在开环控制中的螺旋传动，传动的准确程度直接影响测量精度。其二是传动运动的灵活性，在闭环控制中的螺旋传动，由于采用一定的闭环控制手段后，螺旋传动的精度在精密机械本身的精度中已不再起决定性作用，这时应注意它的运动灵活性。影响螺旋传动精度的因素有：制造误差，主要是螺纹参数的误差，包括螺距误差、中径圆柱度等；结构及装调误差，包括轴向串动、螺杆安装与导轨运动方向的偏斜等；使用中的误差，由于外界环境变化，如温度变化等所引起的误差。（1）螺距误差螺距的实际值与理论值之差称为螺距误差。螺距误差按使用要求可分为单个螺距误差（俗称周期误差）和螺距累计误差（俗称累计误差）。螺距误差直接影响传动精度。单个螺距误差是指螺杆旋转1周螺母实际位移与理论值之差。它的形式往往呈周期形状，主要是在制造过程中由加工机床本身的运动精度引起的，它与螺杆的长度无关。对高精度的螺纹磨床，单个螺距误差可做到。螺距累计误差是指在螺纹与全长范围内任意两同侧螺纹面间距离对公称尺寸的偏差的最大代数差，它与螺纹长度有关，螺纹长度越长往往螺距累计误差越大。螺杆螺距累计误差是由制造过程加工机床本身的精度不够，加工中安装装卡螺杆时位置不正确以及制造过程中室内温度变化等造成的。螺距累计误差为式中,螺杆的第个螺距误差；螺距的次序；螺杆旋转的圈数，。（2）中径、中径圆柱度和圆度误差螺杆和螺纹的大径、小径和中径在制造过程中都会有误差出现，大径和小径处有较大的间隙，互不接触，中径是配合尺寸，为了使螺杆和螺母运动灵活，配合处需要有一定的均匀间隙，因此螺杆全长上中下径尺寸变动量的公差，应予以控制。中径圆柱度和圆度误差也会引起螺距的变化，影响传动精度和运动灵活性。圆度的误差，会使螺旋传动中螺杆转1圈时出现半圈松半圈紧的现象，而圆柱度误差会使螺杆在全长运动中松紧程度不同，严重影响螺旋传动中运动的灵活性，甚至会造成卡死的现象，在精密机械中应该尽量避免。由中径圆柱度和圆度误差造成的传动误差为式中，中径圆柱度和圆度误差；螺纹牙形半角。（3）螺杆的轴向窜动和径向跳动引起的误差螺杆的轴向窜动直接影响到螺旋传动的的传动精度，螺杆的径向跳动虽然不会直接影响传动精度，但会影响到传动的灵活性，进而会影响到精密工作台的动态精度。两种误差与结构设计和装调有关，在高精度精密机械中应引起重视。（4）移动件移动方向与螺杆轴不重合引起的传动误差（）在螺旋传动结构中，由于螺杆轴不重合或装调不理想，会造成螺杆的轴线与移动件的运动方向不平行，设偏斜角为，所造成的传动误差为由于偏斜角一般很小，故，所以，式中，为移动件的行程。（5）螺旋传动在使用中由于外界环境变化造成的误差（）螺旋传动在使用过程中，由于外界环境变化也要引起误差。高精度的精密螺旋传动在工作时一般避免外界的冲击和振动造成影响，而室内温度的变化很难避免的，温度引起的误差为式中，螺杆螺纹部分的长度；螺杆材料的线膨胀系数，对于钢；工作温度与制造温度之差。温度变化带来的传动误差实不可忽视的因素，对于开环控制尤为重要，一般根据仪器的精度要求，限制工作环境的温度变化。4螺旋传动的结构设计此机构采用螺杆转动，螺母移动来现实微调，故螺杆的非螺旋部分应有一定的长度来顶住导轨来避免螺杆的移动，螺母需推动滑动台移动，螺母的高度应大于工作高度，可以用保持轴套内孔加工螺纹替代螺母。具体机构见下图3.4：1.螺母 2.运动杆尺 3. 锁紧螺母 4.固定杆尺 5. 保持轴套6.顶杆图3.4 螺旋微调机构3.1.5仰角调节机构设计1参数的选择因传递的范围小，功率小，材料的强度和刚度不成问题，只对精度有一定的要求，故采用类比的方法，并根据角度精细调节的精度，取调节杆螺纹部分直径螺距螺纹的长度2结构的设计仰角调节主要是采用螺旋-杠杆机构来实现的，此结构中螺母固定不动，螺杆转动并移动推动水平调节片，从而带动器件保持架绕Y轴转动，见图3.5：1.垂直压紧簧套 2. 垂直压紧弹簧3. 垂直止推4. 垂直调节片 5. 立式支架 6. 垂直调节杆图3.5 螺旋杠杆机构3.2导轨的设计3.2.1作用力方向和作用点位置对导轨工作的影响分析1推力与运动件轴线成一夹角推力的作用将使运动件产生倾斜，从而使运动件与承导件在两端处压紧。设正压力分别为、相应的摩擦力为、作用点间的距离为，轴向阻力为，根据静力平衡条件得可推得欲推动运动件，必须使当时，运动件将被卡死，以此保证不被卡死的条件为若运动件的直径较小，则，可忽略，那么由此，可得到当推力与运动件有一夹角时，运动件正常工作的条件是式中，为当量摩擦系数，对不同形式导轨，值为式中，为滑动摩擦系数，为燕尾轮廓角或三角形低角。2推力平行与运动件轴线与轴线相距设轴向阻力为，、为反作用力。根据力平衡条件的可推得欲推动运动件，必须使保证运动件不被卡死的条件是式中，为当量摩擦系数。设计时，为保证运动灵活，可按下式取值：3.2.2导轨主要尺寸的确定1设计要求导轨的主要尺寸有运动件与承导件的长度、导轨宽度、两导轨间的距离等。在设计导轨时，首先应确定运动件的长度，其原则是：在满足使用要求即移动距离的条件下，应仅可能减小运动件的长度。在设计时，一般取式中，为两导轨之间的距离，而承导件的长度则主要取决与运动件的长度和工作行程。导轨宽度可根据载荷和允许强度求出，两导轨之间的距离减小，则导轨尺寸减小，但导轨的稳定性变差。设计时应保证导轨稳定工作的前提下，减小两导轨之间的距离。2类型的选取对于装置底部微调机构的导轨需承受一定的重力，对承载能力和刚度有一定的要求，可采用开式的滑动导轨，据精密机械设计知，可以采用矩形导轨，用对称形式布置。对于X轴和Y轴方向粗调结构使用的导轨，要求结构紧凑能对间隙进行方便的调整，据精密机械设计知，可以采用燕尾形导轨来实现要求的功能。3尺寸的确定对于X轴微调结构的导轨，材料选用45号钢根据结构尺寸和微调的范围可取运动件的长度承导件的长度因承受的力不大，可先考虑导轨的稳定性选取导轨的宽度为对于X轴、Y轴方向粗调机构的导轨，根据已设计出来的齿条的结构尺寸取导轨的长度为再根据纵、横向调节杆的结构尺寸可取导轨的宽度3.2.3导轨的误差分析几何尺寸误差主要使指运动件及其承导件配合部分的尺寸偏差，它们主要对配合间隙造成直接影响。1外力大小外力包括运动件自重及外加负载，特别使滚动摩擦导轨，在外力作用下，滚动元件与导向面之间，将产生接触变形。这种变形，可能引起运动件的倾斜，从而偏离正确的运动方向。设计时，可以根据“赫茨”理论，计算出它们的弹性变形，再根据其他几何参数，导出其可能引起的误差。2润滑油的性质由于一般分析时，常假定润滑油厚度为零。实际上，滑动导轨中接触部分的润滑油必然存在，且厚度随运动件上负荷、负荷停留时间、运动件移动速度、环境温度的改变而变化。但是这些因素的综合影响，主要表现为滑动摩擦系数的改变。3振动由于任一实际导轨，它在运动方向上的刚度，远比它在非运动方向上的刚度小。因此，在设计时，应尽可能的较小在运动方向上因各种振源可能产生的惯性力，避免运动件产生非正常位移。4磨损磨损主要产生于摩擦导轨。完全避免磨损将不可能，但是可适当选择导向面的宽度及其尺寸，材料的匹配比例，则有可能获得较理想的结构。此外，在重量较大或低速滑行的滑动摩擦导轨，在运动时，会出现间断性的停止和运动现象，即所谓的“爬行”现象。防止爬行的一般方法就是使运动件卸荷（即设计成卸荷结构），或在导轨接触面间，加入性能良好的润滑剂，减少静、动摩擦系数差，使运动件运动趋于平稳。3.3弹簧的设计3.3.1X轴方向微调机构的弹簧设计1原始条件的拟定据工作的条件，初定原始条件如下，最小工作载荷最大工作载荷工作行程端部结构为：端部并紧，磨平，支承圈为1圈取弹簧的材料为碳素弹簧钢丝C级（GB4537-1989）2参数计算初算弹簧的刚度工作极限载荷，载荷为类载荷，故根据值查机械设计手册，可确定弹簧材料直径及弹簧中径与有关参数，即弹簧材料直径弹簧中径工作极限载荷工作极限载荷下的单圈变形量单圈刚度有效圈数查表取标准值总圈数弹簧的刚度工作极限载荷下的变形量节距自由高度查表取标准值最小载荷时的高度最大载荷时的工作高度极限载荷和的高度弹簧外径弹簧内径螺旋角参数如表3.2所示。表3.2 水平弹簧的参数参数名称数值弹簧材料直径弹簧中径有效圈数节距弹簧的刚度弹簧外径弹簧内径螺旋角自由高度3.3.2绕Z轴旋转微调机构的弹簧设计对于此旋转机构所用的弹簧可根据沿X轴微调机构设计的弹簧使用类比法查机械设计手册选取。所取弹簧的材料为碳素弹簧钢丝C级，端部并紧、磨平，支承圈为1圈。具体参数如表3.3。表3.3 绕Z轴微调机构弹簧参数参数名称数值弹簧材料直径弹簧中径有效圈数节距弹簧的刚度弹簧外径弹簧内径自由高度3.3.3仰角调节机构的弹簧设计类同于绕Z轴旋转微调机构的弹簧设计，查机械设计手册选取。所取弹簧的材料为碳素弹簧钢丝C级，端部并紧、磨平，支承圈为1圈。具体参数如表3.4。表3.4 仰角机构弹簧参数参数名称数值弹簧材料直径弹簧中径有效圈数节距弹簧的刚度弹簧外径弹簧内径自由高度3.4微调工作台的支撑和基座设计3.4.1支承的设计任何一种轴都需要支承才能运转，轴上支承部分称为轴颈，用以支承和约束轴颈的结构称为轴承。轴承的选型及其本身的质量，对整机的精度、效率、寿命和成本都有直接的影响。长依以下几个基本要求选择轴承：方向精度、运转灵便性、对温度变化的不敏感性、承受负载的能力、成本、装调和维修是否方便。精密机械中的滑动轴承，按结构形式可分为圆柱滑动轴承、圆锥形滑动轴承和球形端滑动轴承。对于此机构中采用圆柱形滑动轴承，因承受的载荷较小，且转速低，可以不用液体润滑，一般做成整体式的轴承。根据精密机械设计基础，可选轴承的材料为Q235。在大多数精密机械中，由于轴承与轴颈之间所承受的载荷较小，直径可以按类比法确定。根据纵、横向调节杆的结构尺寸，去轴承内孔直径取长颈比则轴承的长度对于轻载、低速、高精度的轴承，可选用间隙配合，取配合精度等级，轴承表面的粗糙度较轴颈低一些，取3.4.2基座的设计1基座的特点及设计要求精密机械仪器具有各种各样的基座，它们不仅起着连接和支承各种零件相互位置的作用，而且还要保证仪器的工作精度。基座的特点如下：(1)尺寸较大，是整台设备的基础支承件，不仅自身重力大，而且承受主要的外载荷作用。(2)结构比较复杂，有很多加工面（或孔），而且相互位置精度和本身的精度都较高。根据以上特点，设计时要重点注意刚性、热变形、精度、抗震性以及机构工艺性。结构形状对刚性、抗震性、稳定性和热变形起着决定性的作用。2基座的选用及外形尺寸根据要求，机构的设计可以经验、类比的方法进行。根据设计要求，类比其他同类产品，可采用矩形截面形状的基座。而对于材料的选择，据精密机械设计推荐，可以采用铸铁做为材料。具体尺寸及结构如图3.6所示，3.5本章小结本章确定了四维微调工作台的X轴粗调和微调、Y轴粗调、Z轴和仰角调节的具体结构传动设计和参数的选择和计算。还对导轨进行了分析、选择，以及作用力对导轨工作的影响分析，尺寸的设定和误差分析。还有对本工作台的所涉及到的弹簧的设计与计算。完成了各个主要机构的结构设计计算。图3.6基座第4章示数装置的设计4.1示数装置设计要求机械示数装置，是一种古典的用以显示信息大小的部件。一般有度盘（包括：度盘、刻度环、标尺）、指针（包括：指针、指标、游标）组成。度盘、指针的相对位置，可以表示信息的转换关系及其大小，传动部分则用以传输信息。为了提高示数装置的工作精度，有时亦采用了光学刻度盘或光学判读系统。示数装置的设计与整个精密机械的工作原理和性能有密切的关系，它直接影响机械系统的工作质量。设计时要满足以下要求：保证足够的精度。由于示数装置读取或引入的数据必须足够精度，否则会给仪器带来过大的误差。一般示数装置的精度时根据仪器总精度提出的，并与总精度相适应。读数方便、迅速。应能直接读出被测物理量或引入量的数值，而无任何换算。保证零件的准确的位置，并具有零位调整的可能性。结构简单、工艺性好、便于制造、安装和调整。4.2示数装置的分类按照工作原理不同，示数装置可以分为机械式、光学机械式、电子式、或光电示数装置。由于光电数字显示的示数装置显示精度高，反应速度快，故随着电子技术和光电技术的迅速发展，在一些精密机械中已被大量采用。但是由于机械式示数装置的原理和结构简单，使用可靠，故目前任能得到广泛的应用。按示数性质不同，示数装置常见有三种类型，即标尺指针示数装置，自动记录装置和计数装置。本装置的据使用的条件和环境采用了机械式的标尺指针示数装置，主要采用的是直标尺和鼓形标尺。4.3XY轴方向粗调示数装置的设计4.3.1类型的选择由于X轴、Y轴方向调节的原理相同，粗调的精度相同，可采用相同的示数装置，沿直线运动，采用直标尺指针示数装置。4.3.2标尺与指针的选择X、Y轴方向粗调的的分辨率为，调节的范围为，以中心为基准两边对称。所以标尺的总长度可以取与齿条等长，而测量长度与齿条的啮合移动长度等长，并每边留余量。即4.3.3分度尺寸的选择分度尺寸的大小是影响读数误差和标尺几何尺寸的重要因素，分度尺寸太小时，读数非常困难，同时读数误差亦显著增大。分度尺寸过大时，标尺长度随之增大。一般情况下可取分度尺寸。而标尺的分度值应根据仪器的分度值不应比仪器允许的误差大得太多，否则就不能准确得读取示数。反之，分度值取得过小，只是在读数时读得精确些，但仪器得误差并不因此而改变，因此，在仪器误差一定时，把分度值定得过小时没有意义得的。一般开说，分度值可取等于或略大于仪器允许的误差。根据仪器的精度要求及标尺的长度，标尺的分度尺寸可取而标尺的分度值取4.4X轴微调示数装置的设计4.4.1设计原理根据X轴微调机构的特征，可以采用标尺指针示数装置，而标尺选用鼓形标尺，使用测微螺旋读数法。根据仪器的示值上限和示值下限（一般），在选定分度值后，即可算出分度格数起始标线与最终标线的距离称为标度长度。令标度长度为，对直标尺可以用下式算出式中：为分度尺寸。对于鼓形标尺，开始标线与最终标线之间的夹角称为标度角，令标度角为，则， (4.1)式中，为鼓形标尺相邻两标线之间的夹角；为标尺圆弧半径，即指针末端至转动中心的距离。当标尺一定时，一般取。其标尺主要是有运动杆尺和固定杆尺组成。4.4.2设计计算根据分辨率的要求，又由于设计的螺杆螺纹部分的螺距。公式 (4.2)式中，微调运动件的位移量；为螺纹的导程；为螺旋副的相对转角。在固定标尺上轴向标线的两侧刻两排分度为的分度尺寸，分度值同样取

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