毕业设计（论文）-XYZ精密移动平台设计

摘要精密微移动工作台系统在现代工业生产和科学研究领域发挥着非常重要的作用。它直接影响到集成电路的加工精度、精密测量精度和生产水平。开发的精密工作台通常在整体性能和严格的环境要求方面存在缺陷。本文旨在通过对精密移动平台支撑技术的研究，找到性能均衡的设计方案，为XYZ型精密移动平台的研制和工业应用打下坚实的基础。本文通过对精密移动平台分析与设计，让我们了解了精密移动，为深入研究XYZ精密移动平台奠定了基础。分析了单轴精密移动组成和工作原理，系统地分析了单轴精密移动的组成和重要零部件结构，进行了精密移动整体传动设计。在对XYZ精密移动平台分析设计以及计算中，自己的机械设计能力取得了实质性进展。关键词：精密移动平台；机械设计；传动系统

AbstractPrecisionmicro-mobiletablesystemplaysaveryimportantroleinmodernindustrialproductionandscientificresearch.Itdirectlyaffectsthemachiningaccuracy,precisionmeasurementaccuracyandproductionlevelofIC.Precisiontablesdevelopedareoftendeficientinoverallperformanceandstringentenvironmentalrequirements.Thepurposeofthispaperistofindaperformancebalancedesignschemethroughtheresearchonthesupporttechnologyofprecisionmobileplatform,andtolayasolidfoundationforthedevelopmentandindustrialapplicationofXYZprecisionmobileplatform.Inthispaper,throughtheanalysisanddesignofprecisionmobileplatform,letusunderstandtheprecisionmobile,forin-depthresearchXYZprecisionmobileplatformlaidafoundation.Thecompositionandworkingprincipleofsingleshaftprecisionmovementareanalyzed,thecompositionandstructureofimportantpartsofsingleshaftprecisionmovementaresystematicallyanalyzed,andthewholetransmissiondesignofprecisionmovementiscarriedout.Intheanalysis,designandcalculationofXYZprecisionmobileplatform,mymechanicaldesignabilityhasmadesubstantialprogress.KeyWords:Precisionmobileplatform;Mechanicaldesign;Thetransmissionsystem.

目录TOC\o"1-3"\h\u摘要 第1章绪论1.1研究背景及意义近年来，超精密加工、半导体光刻、微工程、微组装、生物细胞操纵和纳米技术的快速发展，不断提高其关键技术之一的生产技术的精度，对精密技术的要求越来越高，对精密工作台的精度、升力和速度提出了更高的要求。三维精密运动台由X、y和Z方向的精密运动机构安装。由于总成接触面的精度和刚度以及各运动部件的相对运动都会影响工作台的精度，现有的三维精密运动工作台的精度无法满足使用要求。精密位移平台领域的工具夹具。传输、定位、自动工作站、半导体设备、TFTLCD面板设备、太阳能设备、LED在线设备、机内XYZ轴工作站、计量、螺丝刀、视觉控制、测量设备等、高速高精度平台。在许多生产和科研活动中都需要精确测量。通常，使用移动平台和测量头。测量的精度和范围由移动平台的精度和升力决定。微机械零件的操作和装配也需要精确的工作台。在生物细胞操纵和纳米技术领域，迫切需要一种高升力、高精度、高速度的精密工作台[1]。精密移动平台广泛应用机械技术、电子技术、自动控制、传感器、计算机等高新技术。这是机电一体化的结晶。精密移动平台的技术指标是国家高新技术发展水平的重要标志。对精确定位的研究有助于缩小中国与同行业工业化国家之间的差距。它在军事工业和国民经济发展中都发挥着极其重要的作用。1.2国内外发展现状美国从1987年开始了M3工程，英国在1988年开始进行被称作Link的纳米技术工程，日本在1988年完成了Yoshito纳米机构工程[2,3]。国外在精密定位控制技术方面的研究比较多，技术比较成熟，已研制出行程50mm、定位精度达±0.01µm的精密工作台[4]。日本东京工业大学精密工学研究所研制的空气静压丝杠伺服驱动系统，采用静压轴承支撑马达轴和丝杠，静压导轨支撑工作台，机械接触只存在于DC电机电刷与转子之间，通过激光干涉仪反馈控制，采用PID闭环控制和双积分闭环控制，从0.1µm到毫米级的阶跃响应分别获得了小于2nm和1nm的稳态误差[5]。但是静压丝杠制造工艺复杂，需要额外的设备来提供高压流体，成本高，体积大，装配和维护上还存在一定的难度；另外用于垂直驱动时需考虑平衡制动问题，否则，如果控制系统失效，工作台就会在重力作用下撞向地面。国内浙江大学现代光学仪器国家重点实验室在2000年研制了大行程精密移动平台控制系统，如图1-1所示，采用的是粗动定位和微动定位结合的方式，其中粗动定位采用的是高控制精度的伺服电机，微动定位采用了压电叠堆微位移器，来实现工作台的精密定位。具体的定位方式如下：粗动定位中的伺服电机带动齿轮副，再通过蜗轮、蜗杆减速，最后由丝杆带动工作台进行直线运动，完成工作台的高速大行程移动，该伺服粗动机构的定位精度达到了±1µm左右；微动定位中的微位移器——压电陶瓷叠堆，其补偿能力为±10µm，其位移分辨率达到0.1µm以下，故通过微位移器的补偿，可实现工作台的精密定位。最终，该精密工作台定位精度达到±0.1µm，工作行程达到50mm，且定位速度快，系统重复性好[6]。图1-1大行程精密定位2000年，日本Kyocera公司生产的X-Y精密定位装置系列产品，被认为是在解决新一代超级集成电路所面临的问题上取得的重大突破，如图1-2所示。这个系列产品主要包括超低速型和高速型两种。超低速型的工作速度最低可以达到10nm/s，定位精度达到或超过10nm，而位置分辨率为1nm或更高；高速型的运动速度可以达到200mm/s或更高，速度波动小于1%，定位精度达到0.1µm。超低速类型可用于微型机械加工设备、表面分析设备和新一代高密度存储器的生产设备，高速型可用于电子束发射器、电子扫描显微镜或探伤设备[9]。图1-2Kyocera公司的X-Y定位仪近年来，很多学者对剪叉机构进行了研究，将二级剪叉式液压升降机构剪叉杆的受力分解成沿剪叉杆方向和垂直剪叉杆方向分力，然后对受力最大的铰接点进行强度校核[3]；将三级剪叉式液压升降机构简化成二级剪叉式液压升降机构，对起升过程中的受力特征进行分析[4]；建立二级剪叉式液压升降机构的力学模型，推导出液压缸推力与载重力和机构尺寸参数之间的关系公式[5]；利用虚位移原理，对多级剪叉式液压升降机构液压缸推力进行求解，并对剪叉杆进行受力分析和强度校核[6]。对剪叉机构的动力稳定性运用实验与建模的方法进行研究，得出了剪叉机构的动力稳定性随其柔度的增大而减小的结论[7]；而剪叉式丝杠升降机是由丝杠驱动剪叉机构进行升降，与剪叉式液压升降机相比具有无油污，耐高温不受环境温度影响等优点，同时丝杠螺母机构具有良好自锁性能，无需加锁紧机构，且调试维修方便[8]。1.3研究的内容和方法这款XYZ精密移动平台研究内容主要包括前期资料查询、查找成功案例并且对案例进行分析，从而设计改造，并且对设计改造完的精密移动平台结构进行分析，通过分析将XYZ精密移动平台分成机械设计控制系统和动力的选取，采用电气自动化控制系统，动力液压传动方式，设计完成后进行可靠性分析，验证结束后进行产品说明和机械制图等主要工作。提出设计思路和问题与老师和同学们进行设计分析，认真学习XYZ精密移动平台领域的相关资料，明确需要分析的成功案例，了解XYZ精密移动平台的机构和控制系统的相关知识，争取在毕业设计每个时间段内提前完成相应的任务，与此同时多了解一些XYZ精密移动平台设计的相关参数和最新的技术发展。通过实际生产调查和相关行业查阅书籍资料，不断分析和优化成功案例的优点与不足，利用汇集的技术资料设计一款满足要求的精密移动平台结构。1.5本章小结本章主要是对XYZ精密移动平台的研究背景、国内外的发展现状和需求分析进行了初步的研究，对XYZ精密移动平台目前的状况有了比较清晰的认识和了解，明确了设计的内容和研究的方法，确定了接下来需要做的事情和研究计划，通过上述分析让自己对后期的资料研究、问题发现和设计分析更加的有信心。第2章XYZ精密移动平台整体设计2.1整体方案XYZ精密移动平台的整体结构如图2-1所示。移动平台能实现X、Y、Z三个方向上的精密移动，工作台的行程为50mm×50mm×50mm。单方向的移动精度为0.04mm。Z向移动部件上设计有安装孔，以固定所需要安装的部件。三坐标精密移动平台的X、Y两个方向的部件具有相同结构，如图2-2所示，包括各自的步进电机、精密滚珠丝杠、精密直线导轨、光栅传感器。Z方向采用丝杠驱动剪叉机构，如图2-3所示，该剪叉机构采用以层剪叉杆，电机带动丝杠旋转，与螺母连接的滑块移动使剪叉杆收拢或撑开，进而使台面升降。图2-1XYZ精密移动平台图2-2XY精密移动平台图2-1Z精密移动平台2.2驱动方式驱动方式为常见的是通过丝杠螺母副将驱动元件的旋转运动转换为工作台所需的直线运动。驱动元件常采用伺服电机或步进电机。2.3导轨选择导轨在工作台中起着承载和导向的作用，决定着导轨的精度和工作台的运动速度，直接影响着设备的最终定位精度。常用的导轨有滑动导轨和滚动导轨。滑动导轨结构比较简单，制造成本低，但当导轨材料的动、静摩擦系数相差较大时，在低速情况下易出现爬行现象，影响导轨的运动稳定性。滚动导轨是在两导轨面内放入滚动体，如滚珠、滚针、滚柱等，使导轨运动处于滚动摩擦状态。滚动导轨相对于滑动导轨具有较小的摩擦因数，其动、静摩擦系数的差异极小，可以有效避免爬行现象的产生，且运动灵活，是最常用的一种导轨形式。2.4位置测量技术精密工作台采用方式主要有栅格测量和激光干涉仪测量。激光干涉仪具有分辨率高、测量范围大、测量精度高等优点。在实际测量中，由于气压、温度和湿度等因素的影响，激光束的波长会发生变化，从而降低其测量精度。另外，激光干涉仪的反馈系统组成复杂，成本高。线测量通过测量静态线和动态网格线的往复运动产生的云纹数来测量位移。摩擦和激光干涉仪的测量精度和分辨率基本相同，但它几乎不受温度以外的其他环境因素的影响，因此使用和维护非常方便，是精密工作台位置测量和反馈的理想传感器。2.5控制系统目前，精密工作台的控制系统大多采用计算机数字控制。从系统定位信号的反馈形式来看，控制系统大致可分为开环控制型、半闭环控制型和全闭环控制型。其中，开路控制电路以步进电机为驱动元件。该系统具有结构简单、稳定性好、安装调试方便等优点。半闭环控制伺服具有角度调整反馈，而不是桌面的线性位移。控制回路包括传动部件的节距误差、返回自由度、机构的弹性变形等因素。全闭环控制的反馈量是工作台的线性位移。安装和调试复杂，易受外部干扰，定位精度高。由于精度不是特别高，因此引入了半闭环调节。

第3章精密移动平台关键零部件设计XY向竖直方向负载为Z向平台28N及精密移动平台负载100N，XY向移动距离为50mm，采用步进电机驱动滚珠丝杠移动，同时直线导轨保证移动精度，XY移动平台三维造型，如图3-1所示。图3-1XY向移动平台Z向竖直方向负载为100N，上升高度50mm，采用剪叉式丝杠升降平台，通过螺母上安装撑杆使剪叉机构升降，设计的剪叉式丝杠升降机三维造型，如图3-1所示。图3-2Z向移动平台3.1直线导轨的参数确定⑴、导轨型式：直线滚动导轨⑵、导轨长度=1\*GB3①上导轨（Y向）取动导轨长度动导轨行程余程约为支承导轨长度，取174计算四滑块的载荷，工作载荷130N，假设重物处于台中央，然后扩大载荷2倍。扩大后65N。计算需要的动载荷，查长方资料得：，，，，。代入数据得，由长方资料取取滚动导轨型号为：EGH15SA，额定动载荷为5.35KN，满足要求。=2\*GB3②下导轨（X向）取动导轨长度动导轨行程余程约为支承导轨长度，取174计算四滑块的载荷，总重量388N，假设重物处于台中央，然后扩大载荷2倍。扩大后82N。计算需要的动载荷，查长方资料得：，，，，。代入数据得，由上银资料取滚动导轨型号为：EGH15SA，额定动载荷为5.35KN，满足要求，直线导轨如图3-3所示。图3-3直线导轨图3-4直线导轨参数3.2滚珠丝杠的设计计算=1\*GB3①上丝杠（Y向）查资料，初选滚珠丝杠的基本导程为4mm。根据式其中，为丝杠有效行程，为丝杠螺纹全长，余程，查阅资料，取余程20mm，则=70mm。查资料，在有效行程300mm定位精度为13um下，丝杠的精度等级为级。滚珠丝杠副的计算轴向动载荷为其中,取滚动导轨的摩擦系数为（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数）查表：，，，，，，，代入数据，得,本次设计为精密滚珠丝杠Ø12X4长度195,其额定动载荷为8840N,符合设计要求。=2\*GB3②下丝杠（X向）查资料，初选滚珠丝杠的基本导程为4mm。根据式其中，为丝杠有效行程，为丝杠螺纹全长，余程，查阅资料，取余程20mm，则=70mm。查资料，在有效行程300mm定位精度为13um下，丝杠的精度等级为级。滚珠丝杠副的计算轴向动载荷为其中,取滚动导轨的摩擦系数为（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数）查表：，，，，，，，代入数据，得,本次设计为精密滚珠丝杠Ø12X4长度195,其额定动载荷为8840N,符合设计要求，滚珠丝杠二维图如图3-5所示。图3-5滚珠丝杠3.3步进电机的选用(考虑到重力影响，X向电机负载较大，因此确定此向电机。)⑴、脉冲当量选择初选二相42步进电机，步距角1.8，由于要求平台定位精度：，取定位精度的（）。初定脉冲当量，中间齿轮传动比为（2）、等效转动惯量计算滚珠丝杠转动惯量（不计传动效率）X以上平台和工作物重总重折算到轴上的转动惯量因此，折算到电机轴上的等效转动惯量。、等效负载转矩计算(以下均为折算到电机轴的转矩）计算转矩：—滚珠丝杠未预紧时的传动效率,取0.90上式中为丝杠预紧时的传动效率，取0.8，为预紧力，取取启动加速时间查表，初选电动机型号42CM06,矩频特性如下图3-6所示图3-6矩频特性最大静转矩转动惯量,=1500Hz.故从上可知，一般情况做为初选电动机的依据，满足所需的转矩要求。步进电机动态特性校验小于4说明惯量可以匹配。电机带惯量最大启动频率大于，所以与对应的最大静转矩校核，显然满足要求。综上所述，可选该型号的步进电机，具有一定的余量，电机如图3-7所示，参数如图3-8所示。图3-742CM系列电机图3-842CM系列电机参数3.4确定联轴器的型号由于精密移动平台要求精度比较高，行程比较小且对速度要求不高，故选用刚性联轴器。查阅参考资料，选用梅花式联轴器CPHD-D20-A5-B8，如图3-9所示，参数如图3-10所示。图3-9梅花式联轴器图3-10梅花式联轴器参数计算联轴器的转矩：由估算功率摩擦力作用很小，可忽略：小于联轴器的允许转矩，且工作速度远小于允许最高转速10000.故满足要求。3.5剪叉杆设计Z向上升高度50mm，按照升降高度60mm进行设计，剪叉杆两端铰接孔中心距L=90mm，撑杆滑块滑动距离a=65mm，撑杆端距两剪叉交叉孔距离b=43mm，剪叉杆起始角为15°。通过UG造型和运动仿真，该结构能达到起始高度的要求，运动中无干涉现象。剪叉杆三维造型及二维图如图3-11、所示。图3-11剪叉杆三维图3-12剪叉杆二维升高高度式中：h1起始高度，h2顶点高度，计算得：h=62.2mm,符合设计要求。利用三维软件对剪叉杆起始点和顶点进行受力分析，分析结果如图3-13和3-14所示。图3-13起始点受力分析图3-13顶点受力分析分析可得：最大受力分别为29.1MPa和21.429.1MPa，剪叉杆采用7075航空铝，屈服强度为455MPa，符合设计要求。第4章总结和展望4.1设计总结对此次设计做用心的小结，本毕业论文根据机械设备设计、机械设计基础、机械设备制造设计概论等基本，以设计XYZ精密移动平台为总体目标，为品质规定高，生产率必须提升，减少劳动者成本费，还摆脱了当今由于海外XYZ精密移动平台价钱昂贵一般企业没法担负的苦恼，另外还达到了这些开展教育信息化操作的职业学校开展解读的实例规定，让她们寻找有效合适自身的生要操作规定的机遇，让职工操作更安全性，抗压强度也更低。根据此次设计科学研究，为XYZ精密移动平台的科学研究出示了一定的构思，期待能够让操作职工在之后的生产制造中可以更轻轻松松、更安全性的工作中，有着一个更合适工作中的自然环境。根据这一大学毕业设计环节，我获益匪浅。我不但训炼了优良的设计和思维逻辑工作能力，并且还塑造了恒心和严苛的学习精神。回望这一大学毕业设计，是对大学四年来学过专业知识的非常好小结。XYZ精密移动平台的设计不但追忆了过去学得的专业知识，并且还学得了很多新內容。相信这一大学毕业设计将对我未来的工作中有一定的协助。因此，我做得很细心。品位设计，任劳任怨。根据此次设计我能更为系统软件的掌握XYZ精密移动平台的专业知识；可以掌握XYZ精密移动平台的设计核心理念及其应当做到的总体目标；可以检测自身能不能将大学学习培训的基础知识转换为具体运用；可以塑造自身通过自学和学会思考的能力。此次设计不仅锻练我的逻辑思维能力，还锻练我的查看材料获得有用信息内容的能力，根据制作设计工程图纸，使我娴熟的把握了CAD绘图软件的应用，我将自身的基础理论采用具体之中去，在设计全过程之中碰到的各种各样艰难，我根据思索和资询同学们与老师得到了很多解决困难的方式和方法。大学毕业设计的全过程是艰苦的，解决困难的全过程是开心的，成长阶段是痛楚的，相信只需大家维持认真细致的学习的态度，我一定可以发展起來。4.2未来展望本毕业论文完成了对XYZ精密移动平台的设计，大部分达到了XYZ精密移动平台的要求，设计結果能不能彻底的完成这一总体目标，还必须很多的测算、剖析等工作中才可以了解。要想完成这款XYZ精密移动平台做到彻底好用的目地，让XYZ精密移动平台彻底与试验自然环境配对，还必须对XYZ精密移动平台开展适度的改动。如商品的规格占比、全部构造设计等都必须开展一定的调节，才可以做到彻底融入生产制造要求的目地。因而，还必须进行大量的研究工作中，对于这种工作中存有下列念头:依据XYZ精密移动平台设计研究全过程，对XYZ精密移动平台的人机关系和机械系统一部分开展调节，完成XYZ精密移动平台集成化设计。对XYZ精密移动平台的健身运动模拟仿真规定开展更见详尽的测算、剖析和研究，确保此XYZ精密移动平台运作可以信赖。对零部件中间的高精密相互配合要开展详尽的研究，完成各零部件中间极致的相互配合。对XYZ精密移动平台的作用和美观大方的兼容问题还有待之后的再次研究[25]。XYZ精密移动平台在未来的社会经济发展中必定会遭受众多生产制造实际操作职工的亲睐，但要想做到设计规定，还必须做很多的工作中，因为此次设计時间急迫，因此针对测算一部分沒有做详尽的科学研究，在之后的学习中再次开展这一部分的科学研究，争得设计出一款经济收益较为高的XYZ精密移动平台。

致谢本设计是在老师的悉心指导下完成的，老师严谨的治学态度，一丝不苟的工作作风，平易近人的性格都是我学习的楷模，感谢老师的指导让我很好的完成了我的设计作品以及论文。尽管毕业设计内容很多，而且过程很繁琐，但我的收获确实非常丰富。通过老师的精心指导和其他老师的指导以及他们与同学的交流，在制作作品时，我学到了很多关于XYZ精密移动平台结构，相关零件的设计标准以及相关知识。各种易于忽略的设计细节，我的能力得到了提高。这种改进也是全面的。正是这个时候，设计积累了很多实践经验，使我的思维更加精通知识，并且肯定会使我在以后的工作和学习中变得更加强大。设计能力，较强的理解能力，较强的沟通能力和更快的适应能力。指导教师渊博的知识、严谨的治学态度、兢兢业业的工作作风、忘我的工作精神和谦和的为人使我受益匪浅，老师的教诲和启发使我终生难忘。最终按质按量完成本次设计，我的收获是很难用语言来描述的，非常感谢老师的指导与帮助，老师您辛苦了。

参考文献[1]MOHANSZECHWC.CharacteristicsofwokeraccidentsonNYSDOTconstructionprojects[J].JounalofSafetyResearch，2005，36（4）：353-360.[2]MON