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.IV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