四维微调工作台机械结构设计（全套）2012本科毕业设计

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四维微调工作台机械结构设计（全套）2012本科毕业设计ABSTRACT

This 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 is±5°

Key words: 4D Micro motion; poisoning control; Micro motion stage; Measuring instrument; location stage.

目 录

摘要 I
Abstract II
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 本章嗅 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本章嗅 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本章嗅 44
结论 45
参考文献 46
致谢 48

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-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孝传动平稳、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