四维微调工作台机械结构设计说明书 学位论文.pdf

哈尔滨工程大学本科生毕业设计摘 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：025n lm分辨率:O.OOlmm Y轴调节范围：25mm分辨率:0.1mm Z轴调节范围：。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。哈尔滨工程大学本科生毕业设计ABSTRACTThis design studies the pr ecision position in g pr in ciple an d str uctur e composition of 4D Micr o motion stage.Which is a highly pr ecision position in g in str umen t.It can r ealize thr ee dir ection s,r egulation,in cludin g X,Y an d Z.by the motor dr iv in g of wheel gear,gear r ack an d thr eads.An d it can also r ealize lev el an gle an d an gle of elev ation s dr iv in g.It is main ly used in en gin eer in g ex per imen t.As the poison in g con tr ol sten t it is used to poison in g con tr ol of v ar ious optical in str umen t.This dev ise can be in stalled on a lon g guide way to measur e a lon g distan ce.To r ealize highly pr ecision poison in gs fast location,in this design I adopt the way of coar se adjustmen t tr immin g combin e together.After fin ish the design I kn ow mor e about the dev ices system con stitution an d wor k pr in ciple an d most impor tan t what I design ed can satisfy the r eq uir e pr ecision.Realize the task tar get r eq uir emen t that the coar se adjustmen t cov er age of X is 0-25mm,r esolution r ate is 0.001 mm,the cov er age of Y is 25mm,r esolution r ate is 0.1mm,the cov er age of Z is 0-22mm,the coar se adjustmen t cov er age of deflection an gle is 0-360,the tr immin g cov er age is5Key words:4D Micr o motion;poison in g con tr ol;Micr o motion stage;Measur in g in str umen t;location stage.哈尔滨工程大学本科生毕业设计目录摘要.IAbstr act.II第1章绪论.3L1课题背景及研究意义.31.2 国内外研究现状.31.2.1 微调工作台的驱动方式.31.2.2 国外研究现状.412 3我国的研究现状.51.3 微调精密定位工作台的发展前景.5L4系统组成及工作原理.71.5 本文的主要工作.8第2章四维微调工作台的总体方案设计.92.1 微调工作台的结构设计及特点.92.1.1 机身结构设计应满足下列要求.92.1.2 四维微调工作台的设计特点.92.2 微调工作台机体主要材料的选择.92.3 微调工作台导轨设计形式的选择.102.4 四维微调工作台的组成及工作原理.11241 X方向粗调机构.11242X方向微调机构.12243 丫方向粗调机构.12244 Z方向调节机构.132.4.5水平转角调节机构.14246垂直仰角调节机构.142.5 本章小结.16第3章四维微调工作台的结构设计.173.1 微调工作台的传动设计计算.17哈尔滨工程大学本科生毕业设计3.1.I X轴方向粗调结构设计.173.1.2 Y轴方向的粗调机构设计.263.1.3 Z轴方向的粗调机构设计.263.1.4 X轴方向微调机构设计.283.1.5 仰角调节机构设计.333.2 导轨的设计.34321作用力方向和作用点位置对导轨工作的影响分析.343.2.2 导轨主要尺寸的确定.363.2.3 导轨的误差分析.373.3 弹簧的设计.373.3.1 X轴方向微调机构的弹簧设计.373.3.2 绕Z轴旋转微调机构的弹簧设计.403.3.3 仰角调节机构的弹簧设计.413.4 微调工作台的支撑和基座设计.413.4.1 支承的设计.413.4.2 基座的设计.423.5 本章小结.43第4章 示数装置的设计.444.1 示数装置设计要求.444.2 示数装置的分类.444.3 XY轴方向粗调示数装置的设计.444.3.1 类型的选择.444.3.2 标尺与指针的选择.444.3.3 分度尺寸的选择.454.4 X轴微调示数装置的设计.454.4.1 设计原理.454.4.2 设计计算.454.5 本章小结.46结论.47参考文献.48致谢.502哈尔滨工程大学本科生毕业设计第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 In mo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10n m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 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 3哈尔滨工程大学本科生毕业设计性主要存在于滑台，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 n m,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10n m。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0.001n m-3n mo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6.4m/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0.63n m。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2n m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15.7n m,9.5n m和0.104ur ad,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16n m,最大速度为10mm/so4哈尔滨工程大学本科生毕业设计台湾淡江大学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632.99n m的Hewlett Packar d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 n m和10mm步进运动情况下，定位精度均优 15n m。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lr/655360；实验结果表明：在 300mm的行程上运动分辨率达到10n m。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lum左右，分辨率在 O.lum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10n m 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2n m。长行程超精密导轨、气浮滑块、直线电机(Lin ear 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 运动精度仅能达到儿微米，定位精度可以达到数百纳米。为了实现10n m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12n m。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 5哈尔滨工程大学本科生毕业设计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In mo 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10n m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次方案;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 6哈尔滨工程大学本科生毕业设计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、丫、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O.OOlmmo2.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。7哈尔滨工程大学本科生毕业设计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。8哈尔滨工程大学本科生毕业设计第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：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 9哈尔滨工程大学本科生毕业设计择应遵循如下原则: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10哈尔滨工程大学本科生毕业设计在可能的情况下，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241 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。11哈尔滨工程大学本科生毕业设计122425265112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2X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。12哈尔滨工程大学本科生毕业设计(b)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25mmo 244 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。13哈尔滨工程大学本科生毕业设计图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。14哈尔滨工程大学本科生毕业设计图2.5水平转角调节机构图2.6垂直仰角调节机构15哈尔滨工程大学本科生毕业设计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。16哈尔滨工程大学本科生毕业设计第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.I X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，齿轮一齿条传动速度低，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一传动精度高，尺寸空间小，使用类比法，初选齿轮的模数 m=0.5mm,齿数 z=28,压力角 a=20。则分度圆直径d=mz=0.5 x 28=14mm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 加=0.5mm,压力角a=20。依据X轴方向运动的范围$=25mm,并考虑整个机构 的对称性，齿条的理论长度应为：50mm。而齿距p=Tim-3.1415x.5=1.57mm则齿条的齿数z=32。为了满足行程条件及齿轮一齿条的完整啮合，应齿数上留有余量，初定此条的齿 数=52。所以齿条实际啮合的长度1=zp=52x 1.57=81.64mm17哈尔滨工程大学本科生毕业设计圆整取I=82mm2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为应不小于其许用的接触应 力为即：8 4 M00 QQ据式3.5,可得%=ZZZ,z dx2.5x l89-8x 0.91x lx J x l=98.94MPa又查表知：使用系数3二1动载荷系数0二1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=1.11+0.182+0.15x10-3Z?。14)式中，由为齿宽系数；b为齿宽。取m=1由式3.14,计算有K-=1.11+0.18+0.15x10%=1.11+0.18x1+0.15x10-3x12=1.30接触强度计算的齿间载荷分布系数L=L2所以由式3.6,bMKAKK/Ga=98.94x Jlx l.lx L30 x l.2=129.61MPa根据齿轮的材料查表有：接触疲劳极限=550MPa20哈尔滨工程大学本科生毕业设计接触强度计算的最小安全系数Se=L3因Z，、Zv Zw、Zz Zx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Zn=L1速度系数Zv=0.7粗糙度系数Zr=1工作硬化系数Zw=1.05润滑剂系数Zz=1接触强度计算的尺寸系数ZY=1 A据式3.7,cr=x l.1x 0.7 x lx l.05x lx l=342.06MPaHP 1.3据式3.3,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O 即Of&Ofp(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,min,即-Spmin此设计的齿轮按第一种方法校核。齿根应力的基本值21哈尔滨工程大学本科生毕业设计F(3.16)式中：叫”法面模数；%”齿形系数；八。-应力系数；螺旋角系数；匕-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。心/-0右。储7小50(3.17)式中：弯曲强度计算的齿向载荷分布系数;心。-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%=2.55应力系数61螺旋角系数二1重合度系数所以由式3.16,=x 2.55x l.61x lx 0.74=4.47MPa依接触强度校核中的选取使用系数储=1动载荷系数储二1查表可得22哈尔滨工程大学本科生毕业设计b_弯曲强度计算的齿向载荷分布系数，根据K夕值及其齿宽与齿高之比了，查表有Kq=L25弯曲强度计算的齿间载荷分布系数K2计算式3.17,可得(yF=4.47 x lx l.1x 1.25x 1.2=7.375MP。对于。尸，可依据实验齿轮齿根的弯曲疲劳极限。而、弯曲强度计算的最小安全 系数片min及五个修正系数确定，即Mmin(3.18)式中，X实验齿轮的应力修正系数；-实验齿轮的寿命系数；Y5re，T-相对齿根圆角敏感系数；相对齿根表面状况系数；心-弯曲强度计算的尺寸系数；Sen弯曲强度最小安全系数。因%、丫皿、YSre、7relJ、心的精确定量较为困难，根据精密机械设计基础 的推荐取%二1丫村=2XrelT=1.05YorelJ=1心=1查表可得(yFrm=300MPa取23哈尔滨工程大学本科生毕业设计SFmin=L5由式3.18,计算有(yFP=x l.1x 2x 1.05x 1x 1=462MPaFP 1.5据式3.14,因而有(7 p W O 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m=m2=0.5mm压力角ax=a2=20分度圆直径4=mz=0.5 x 28=14mm齿全高=为=(2/7；+c*)/n=2.35x 0.5=L175mm 齿顶圆直径dal=(zj+2A/)m=(28+2x l)x 0.5=15mm齿根圆直径2必=,2A；-2c*)m=(28-2-0.75)x 0.5=12.625mm 顶隙c=cm=0.35 x 0.5=0.175mm(3.19)(3.20)(3.21)(3.2