毕业论文终稿-现代工业超精密机械结构设计（送全套CAD图纸 资料打包）

下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763本科学生毕业设计现代工业超精密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083班学生姓名指导教师职称哈尔滨工程大学二一二年六月下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763THEGRADUATIONDESIGNFORBACHELORSDEGREESTRUCTUREDESIGNOF4DMICROMOTIONSTAGECANDIDATEYANGLEISPECIALTYMECHANICALDESIGNANDMANUFACTUREPOISONINGCONTROLMICROMOTIONSTAGEMEASURINGINSTRUMENTLOCATIONSTAGE1目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111课题背景及研究意义112国内外研究现状1121微调工作台的驱动方式1122国外研究现状2123我国的研究现状313微调精密定位工作台的发展前景314系统组成及工作原理515本文的主要工作6第2章现代工业超精密结构设计的总体方案设计721精密结构设计及特点7211机身结构设计应满足下列要求7212精密结构设计特点722精密结构主要材料的选择723精密结构导轨设计形式的选择824精密结构的组成及工作原理9241X方向粗调机构9242X方向微调机构10243Y方向粗调机构10244Z方向调节机构11245水平转角调节机构12246垂直仰角调节机构1225本章小结14第3章精密结构工作台的结构设计1531微调工作台的传动设计计算152311X轴方向粗调结构设计15312Y轴方向的粗调机构设计24313Z轴方向的粗调机构设计24314X轴方向微调机构设计26315仰角调节机构设计3132导轨的设计32321作用力方向和作用点位置对导轨工作的影响分析32322导轨主要尺寸的确定34323导轨的误差分析3533弹簧的设计35331X轴方向微调机构的弹簧设计35332绕Z轴旋转微调机构的弹簧设计38333仰角调节机构的弹簧设计3934微调工作台的支撑和基座设计39341支承的设计39342基座的设计4035本章小结41第4章示数装置的设计4241示数装置设计要求4242示数装置的分类4243XY轴方向粗调示数装置的设计42431类型的选择42432标尺与指针的选择42433分度尺寸的选择4344X轴微调示数装置的设计43441设计原理43442设计计算4345本章小结44结论45参考文献46致谢483买文档送全套图纸扣扣414951605451第1章绪论11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。12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。121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2路径可以用高速进行准确跟踪，从而保证了机床的高精度和使用寿命。运行时，直线电机不像旋转电机那样会受到离心力作用，因此其直线速度不受限制。直线驱动的惯性主要存在于滑台，因此加工时可以有很高的加速度。直线电机靠电磁推力驱动，故系统噪声很小，改善了工作环境。过去应用直线电机驱动主要集中在高速进给领域，利用了它可以有很高的加速度和运行速度的优点，但随着电机技术的发展，直线电机驱动开始向精密定位发展，如日本研制的几款超精密工作台都应用了直线电机驱动。与传统的进给方式相比，在精密定位领域，直线电机驱动拥有更广阔的应用前景。122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2NM，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0001NM3NM。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196KG，全部采用氧化铝陶瓷材料。直线电机驱动力160N,最大加速度64M/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063NM。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XY工作台具有快速运动响应。254MM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59KG，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157NM,95NM和0104URAD,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3法国MEKID研制的摩擦驱动工作台重100KG,通过液体静压导轨支撑，工作台的行程为220MM直线工作台的定位精度可达16NM,最大速度为10MM/S。台湾淡江大学CHAO等人设计了利用气体支撑的摩擦轮驱动工作台。反馈测量装置是一台量程为63299NM的HEWLETTPACKARD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50500NM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026MM，光杠长度650MM,螺母刚度3KG/MM气体静压导轨行程300MM，设计直线度05UM/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。123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01UM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LINEARMOTOR、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VOICECOILMOTOR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。13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4台的速度、加速度及启停过程的稳定时间则影响设备的效率,成为系统的重要指标。这些一次定位的精密工作台系统可以按精度高低和行程大小分为两类小行程、极高精度的工作台系统和大行程、高精度的工作台系统。小行程极高精度工作台大多采用压电元件或电磁元件作为驱动装置。行程多在数十微米的范围内,但位移分辨率可高达1NM。大行程高精度工作台是指行程达毫米级以上,但定位精度略低于小行程系统的工作台系统。它大多采用直线电机或摩擦式驱动方式,运动分辨率大多在10NM左右。大行程超精密工作台主要的类型有直线电机驱动、摩擦驱动式,也有采用两级进给的方式,即采用粗动与精动两套系统,以同时兼顾大行程、高响应速度和高定位精度。如今，高精密的测量定位仪器在社会的各个领域都有了广泛的应用，特别是一些需要精密仪器的航空、航天等产业。随着科技的发展，社会的进步，对高精密的测量定位仪器的精度要求越来越高。大范围、高精度是对微动工作台提出的新要求，然而大行程和高精度是微动技术中的一对矛盾。因此微动工作台的未来研究方向应围绕如何解决这一对矛盾展开。1多种微运动相结合技术结合多种微动方法以弥补各自的不足仍然是解决以上问题的主要办法。比如在现有研究已经成熟的各种微动工作台基础上，妥善解决好其中两种或者多种微动工作台间的兼容性，解决好机械结构间的装配误差、多种平台间的定位误差，采用粗动和微动相结合的方法，粗动台用以完成快速大范围，微动工作台实现高精度，也就是说通过微动工作台对粗动工作台由于运动所带来的误差进行精度补偿，以此实现大范围、高精度的要求。2新型纳米级微动工作台的研究运动方向间的交叉藕合严重影响纳米微动工作台的定位精度，因此需进一步研究运动导向结构，从运动原理上有效地消除运动方向间的交叉藕合产生的定位误差，提高纳米级微动工作台的定位精度。3改进控制策略如采用建立迟滞和蠕变数学模型进行开环控制来避免因反馈而可能引起的不稳定问题，采用自适应控制消除建模的误差和参数的不确定性及系统环境的变化等因素对系统精度的影响，提高系统的稳定性。采用模糊控制、神经元网络控制等方法改善系统的非线性和不确定性。4磁悬浮微动工作台性能的进一步提高在现有磁悬浮微动工作台基础上，充分考虑磁滞非线性、磁饱和以及高次谐波对系统精度的影响，解决运动控制和定位技术，从而实现纳米级精度的大范围运动。未来的大范围高精度纳米测量要求在数十毫米以上的范围内达到至少亚纳米级的测量精度，这不仅使只采用其中之一的测量方法难以实现，就连现在许多结合了多种5测量的方法也是很难办到的。对纳米测量而言，能否取得高精度和大范围，这在很大程度上取决于信号处理的精度。随着电子技术的发展，加快信号处理的速度、加大处理量、更好的滤除噪声对达到未来的测量需求是一个很好的解决方案提高测量系统中机械系统的装配和运动精度、改善光源的稳定性和相干性、降低外界环境的干扰或是设计对环境不敏感的测量系统都是大范围高精度纳米测量进一步发展所必须要解决的问题。当前仪器设备的发展趋势主要是向大型化、自动化、精密化、高效化发展。14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。1X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0001MM。2Y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。3Z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6着旋转螺套内的螺旋槽螺旋上升，但由于轴套的限制而消除了螺旋上升中的转动，只剩在Z轴上的平动，从而实现了在Z轴方向上的调节。当调好高度时，可用锁紧螺钉固定。4水平转角和垂直仰角的调节原理基本相似，水平转角机构由水平止推杆、水平调节杆、水平转动调节架、防转调节杆，以及连接螺杆、水平转动套、转轴套组成。当进行大角度粗调时，放松转动调节杆，装置以轴水平转动套可进行360度的调节。当角度选定时锁紧防转调节杆，然后调节水平调节杆进行水平方向小角度的调节。该角度调节的精度主要依靠水平调节杆螺纹的精度。15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。7第2章四维微调工作台的总体方案设计21微调工作台的结构设计及特点211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。212四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8动工作台完成高速度大行程，微动工作台实现其精度要求，也就是说通过微动工作台对粗动工作台由于运动所带来的误差进行精度补偿，以达到高的定位精度和分辨率。两级进给的方案与单级进给相比,优点是可以结合目前成熟的大行程工作台技术,降低技术难度和研制风险,但是不可避免地使工作台的结构复杂化并增加了控制系统的控制难度。22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。23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9导向精度是指动导轨沿支承导轨运动时，直线运动导轨的直线性和导轨同其他运动之间相互位置的准确性。2精度保持性为了能长期保持导向精度，对导轨提出了刚度和耐磨性的要求。若刚度不足，则直接影响部件之间的相对位置精度和导轨的导向精度，使导轨面上的比压分布不均匀，加剧导轨面的磨损。3结构工艺性在可能的情况下，应尽量使导轨结构简单，便于制造和维护。导轨的一般形式有滑动、滚动和静压3种形式。其中滑动导轨中导轨副之间是滑动摩擦，山于导轨副材料之间存在动、静摩擦因数的差异，会产生爬行现象，同时存在磨损，使用寿命不长，在高精密工作台中较少采用滑动导轨。滚动导轨中采用钢球或滚柱作为滚动体，具有较小的摩擦因数，动静摩擦因数的差异极小，可以有效避免爬行现象的产生。但滚动导轨中由于滚动体与导轨之间的接触为点接触或线接触，其抗振性与滑动导轨相比较差。磁悬浮导轨是近几年来兴起的一门新技术。它利用磁悬浮原理，与气垫技术相比，磁浮具有无声、易控和高效等优点。目前实现磁浮的方式主要有利用永磁体之间的排斥力利用超导技术产生磁浮利用感应涡流产生悬浮利用可控直流电磁铁实现悬浮。其中磁悬浮导轨主要利用感应涡流原理和可控直流电磁铁技术。但是磁悬浮导轨存在发热大、控制复杂等缺点，限制了其在超精密加工领域的应用。在大行程精密工作台中多采用静压导轨，而且以气体静压导轨居多，这是因为气体静压导轨具有以下优点摩擦因数和摩擦力都很小，气体支承可在最清洁的状态下工作，具有冷态工作的特点，运动精度高，寿命长，可以在很宽的温度范围和恶劣环境中工作，能够保持很小的间隙。但是也有缺点承载能力低、刚度小、润滑而需要高的加工精度、气体的可压缩性容易引起不稳定性、气体无自润滑性及润滑而易生锈等。本设计中由于设计精度的要求，没有使用磁悬浮导轨的必要。其中滚动导轨中采用钢球或滚柱作为滚动体,具有较小的摩擦因数,但滚动导轨中由于滚动体与导轨之间的接触为点接触或线接触,其抗振性与滑动导轨相比较差。滑动导轨中导轨副之间是滑动摩擦,由于工作台整体机构比较小，导轨上承载的载荷不大，导轨中导轨副之间的摩擦很小，再由经济成本及设备维护上的考虑，本工作台选择滑动导轨的形式。本次设计的微调工作台导轨采用燕尾槽型，左右对称布置。导轨与滑轨应有适当的间隙，间隙小，导向准确平稳。1024四维微调工作台的组成及工作原理241X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21X方向粗调机构242X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0001MM。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。11图22X方向微调机构243Y方向粗调机构图23Y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。12244Z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24Z方向调节机构245水平转角调节机构如图25，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、13转轴套55组成。当进行大角度粗调时，放松防转调节杆42，装置以水平支架12可进行360度的大范围调节。当角度选定时锁紧防转调节杆42，然后调节水平调节杆27进行水平方向小角度的调节。该角度调节的精度主要依靠水平调节杆螺纹的精度，即螺纹每旋转一周的导程。246垂直仰角调节机构如图26，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25水平转角调节机构14图26垂直仰角调节机构25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。15第3章四维微调工作台的结构设计31微调工作台的传动设计计算311X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。（GB1009588）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16根据设计要求传动精度高，尺寸空间小，使用类比法，初选齿轮的模数，齿数，压力角。05M28Z20则分度圆直径。5814MDZ又根据机械原理，为满足齿轮、齿条能正确的啮合且能连续传动，齿条的模数，压力角。依据X轴方向运动的范围，并考虑整个机052025S构的对称性，齿条的理论长度应为。5L而齿距，313147MPM则齿条的齿数，32508LZ取。32Z为了满足行程条件及齿轮齿条的完整啮合，应齿数上留有余量，初定此条的齿数。所以齿条实际啮合的长度52Z。5217864MLZP圆整取L2强度的校核1接触强度校核接触强度校核的基点是齿轮节点处的计算接触应力应不小于其许用的接触H应力。即HP33HP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。SMINHS即34MINHS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0H350MIN1THEFUBDZ式中，节点区域系数；HZ17弹性系数；EZ重合度系数；螺旋角系数；分度圆上的名义切向载荷；TF最小工作齿宽（）；MINBM齿轮的分度圆直径；1D齿数比。U根据接触应力的基本值，再乘以四个与负载有关的修正系数，即可获得计算接触应力。即H360HAVHK式中，使用系数；AK动载系数；V接触强度计算的齿向载荷分布系数；H接触强度计算的齿间载荷分布系数。而许用接触应力可依据试验齿轮的接触疲劳极限、接触强度计算的最PLIMH小安全系数及六个修正系数确定。即MINHS37LIMNHPNVRWZX式中，接触强度计算的寿命系数；NZ速度系数；V粗糙度系数；R工作硬化系数；W润滑剂系数；Z接触强度计算的尺寸系数。X综上所述，查现代机械传动手册，对于标准直齿轮，取；25HZ查表知；38189EMPA对于直齿轮3943AZ18式中，端面重合度。A根据齿数和模数查表知310120756152AA则440933AZ螺旋角系数311COS1根据各零件的初估重量及滑动导轨的摩擦系数，取，。4MKG015F则312498015NTFMGF初选齿轮的齿宽，齿条的齿宽。12B2B则28因为齿条的分度圆直径为无穷大，31321ZDU所以LIMLIUU据式35，可得0MIPATHEFBDZ又查表知使用系数AK动载荷系数1V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3142308150HDKB式中，为齿宽系数；为齿宽。取DB1D19由式314，计算有23108150HDKB3接触强度计算的齿间载荷分布系数12HK所以由式36，0984301296MPAHAV根据齿轮的材料查表有接触疲劳极限LIM50MPAH接触强度计算的最小安全系数IN13S因、的精确定量较为困难，根据精密机械设计基NZVRWZX础，按经验取接触强度计算的寿命系数1NZ速度系数07V粗糙度系数1RZ工作硬化系数05W润滑剂系数1Z接触强度计算的尺寸系数X据式37，501705134206MPA3HP20据式33，因而有HP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。FFP即315FP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，SMINFS即MINFS此设计的齿轮按第一种方法校核。齿根应力的基本值3160TFFASNYBM式中法面模数；齿形系数；FAY应力系数；S螺旋角系数；重合度系数。Y根据齿根应力基本值，再取四个与负载相关的系数，有3170FAVFK式中弯曲强度计算的齿向载荷分布系数；FK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25FAY应力系数16SA螺旋角系数211Y重合度系数075075224AY所以由式316，0851607MPA0TFFASNBM依接触强度校核中的选取使用系数1AK动载荷系数V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，HKBH查表有125F弯曲强度计算的齿间载荷分布系数FK计算式317，可得47125173MPFA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FPLIMF系数及五个修正系数确定，MINS即318LIMNFPSTNRELLJXYY式中，实验齿轮的应力修正系数；STY实验齿轮的寿命系数；N相对齿根圆角敏感系数；RELT相对齿根表面状况系数；LJY弯曲强度计算的尺寸系数；X22弯曲强度最小安全系数。MINFS因、的精确定量较为困难，根据精密机械设计基础TYNRELTRELJYX的推荐取1ST2N105RELTY1LJX查表可得IN30MPAFL取MIN15S由式318，计算有3020462PA15FP据式314，因而有FP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1205M压力角12分度圆直径31910584DZ齿全高3201223175MAHCM齿顶圆直径233211282105MALADZHM齿根圆直径3221726AFAZC顶隙3330351MM几何尺寸如表31。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31，表31齿轮参数参数名称数值（）M模数1205压力角分度圆直径14D齿全高275H齿顶圆直径AL齿根圆直径16FD顶隙075C24图31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32。图32齿条结构312Y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。313Z轴方向的粗调机构设计25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331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33Z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D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DFU径为直径的圆周上，则螺纹牙危险截面的剪切强度条件为2324FDBU26螺纹危险截面的弯曲强度条件为32526BBFLDU式中螺纹牙的厚度；B弯曲力臂；L螺母材料的许用切应力；螺母材料的许用弯曲应力；B旋合螺纹的圈数。U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8MP部的厚度0540B根据设计的结构，有1U（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45M40M，并初定螺套的长度为。5ML54M根据承载结构部件的数量，初估轴向压力60NF查表可得螺母材料的许用切应力48MPA螺母材料的许用弯曲应力0B据式324，325计算，612PA4059MB很明显可知，27B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20MD立而螺杆在满足强度和刚度的条件下，可取的标准螺杆。4M314X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P材料的需用应力。P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FA2D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HHHUP作面上的耐磨条件为32622FPPADHU式中，螺纹工作表面实际平均压强；P需用压强；P轴向载荷；F螺纹的工作圈数；U螺纹的中径；2D螺纹的工作高度；H螺母的高度；H螺距。P若令，则，代入式326，整理可得2D2D3272FPDHP对于梯形螺纹，所以05HP28328208FDP因螺母采用的是整体螺母，磨损后不能调整间隙，故取15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10KGM数，则有轴向力015F1098547NFMGF查表取MPAP由式328，计算有214708085MFDP考虑到装置的可操作性及加工，选用的螺杆，6D则螺母的高度2159HD据微调的分辨率，取螺纹的螺距01M。0MP2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329FPEA式中，螺距；P螺杆材料拉压弹性模量；E螺杆螺纹截面面积。A螺杆受到扭矩时，螺杆在一个螺距长度上产生的扭转角T330PTGJ由此引起一个螺距的变化量293312TPPGJ式中螺杆材料的剪切弹性模量；G螺杆螺纹的极惯性矩。PJ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3322PFTPEAGJ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333PFEA螺杆的材料为45号钢，查表可得5210MAE螺杆的外径为，则其基本牙型高度为6MD12MHP所以216059D对于梯形螺纹，螺杆螺纹的截面面积按中径来计算2D有22259780M4DA所以由式333，可得55112078PFE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、30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1L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。102LM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2L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2L21NILL式中,螺杆的第个螺距误差；1LI螺距的次序；I螺杆旋转的圈数，。N2N（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3L321TANLD式中，中径圆柱度和圆度误差；2D31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（）4L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4L24COS1SINLL由于偏斜角一般很小，故，所以，IN224L式中，为移动件的行程。L（5）螺旋传动在使用中由于外界环境变化造成的误差（）5L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5LLT式中，螺杆螺纹部分的长度；L螺杆材料的线膨胀系数，对于钢；610/C工作温度与制造温度之差。T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34321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34螺旋微调机构315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6MD螺距2P螺纹的长度0L2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351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35螺旋杠杆机构32导轨的设计33321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F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1N21NF2FL，根据静力平衡条件得A12COS0AXFFINY121SIADMLHLNFF可推得2COSIN1AFFHFDFL欲推动运动件，必须使2COSIN1AFFHFDFL当时，运动件将被卡死，以此保证不被卡死的条件为FCSI0FF若运动件的直径较小，则，可忽略，那么FDLF2COSIN10HFDL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FTA1NLFH式中，为当量摩擦系数，对不同形式导轨，值为FF427COSFFFFDYX圆柱面导轨矩形导轨燕尾形和三角形导轨34式中，为滑动摩擦系数，为燕尾轮廓角或三角形低角。F2推力平行与运动件轴线与轴线相距FH设轴向阻力为，、为反作用力。根据力平衡条件的A1N2120AXFNF2Y112ADMHL