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本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)
現(xiàn)代工業(yè)超精密結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
系部名稱(chēng)：
機(jī)電工程學(xué)院
專(zhuān)業(yè)班級(jí)：
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化08-3班
學(xué)生姓名：
指導(dǎo)教師：
職 稱(chēng)：
哈 爾 濱 工 程 大 學(xué)
二○一二年六月
The Graduation Design for Bachelor's Degree
Structure Design of 4D Micro Motion Stage
Candidate：Yang lei
Specialty：Mechanical Design and Manufacture
&Automation
Class：08-3
Supervisor：Prof. Chen Jia ying
Heilongjiang Institute of Technology
2012-06·Harbin
哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘 要
在當(dāng)前的工程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，激光發(fā)射器和各種光學(xué)器件的調(diào)節(jié)定位，都需要一種高精度的定位測(cè)量?jī)x器。正是在這種需求下，產(chǎn)生了一系列精密定位測(cè)量?jī)x器，本文設(shè)計(jì)了精密定位測(cè)量?jī)x器四維微調(diào)工作臺(tái)。
本設(shè)計(jì)對(duì)四維微調(diào)工作臺(tái)的精密定位原理及結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行了研究。為了實(shí)現(xiàn)高精度的快速定位，在系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用粗動(dòng)臺(tái)和微動(dòng)臺(tái)的組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，達(dá)到了滿意的定位精度。四維微調(diào)工作臺(tái)是一種高精密定位工作臺(tái)，通過(guò)齒輪、齒條和螺旋的傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)X、Y、Z軸方向的調(diào)節(jié)，同時(shí)還可進(jìn)行水平轉(zhuǎn)角以及垂直仰角的調(diào)節(jié)。
實(shí)現(xiàn)X軸粗調(diào)范圍：0~25mm 分辨率：0.001mm Y軸調(diào)節(jié)范圍：±25mm分辨率：0.1mm Z軸調(diào)節(jié)范圍：0~22mm 轉(zhuǎn)角粗調(diào)范圍：0~360° 角度精細(xì)調(diào)節(jié)范圍：±5°的主要技術(shù)指標(biāo)。
關(guān)鍵詞：四維微調(diào)；調(diào)節(jié)定位；微調(diào)工作臺(tái)；測(cè)量?jī)x器；定位工作臺(tái)。
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 elevation’s 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 poisoning’s fast location, in this design I adopt the way of coarse adjustment trimming combine together. After finish the design I know more about the device’s 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 0~25mm, resolution rate is 0.001 mm , the coverage of Y is ±25mm, resolution rate is 0.1mm, the coverage of Z is 0~22mm , the coarse adjustment coverage of deflection angle is 0~360°, the trimming coverage is±5°
Key words: 4D Micro motion; poisoning control; Micro motion stage; Measuring instrument; location stage.
II
目 錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1課題背景及研究意義 1
1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.2.1微調(diào)工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)方式 1
1.2.2國(guó)外研究現(xiàn)狀 2
1.2.3我國(guó)的研究現(xiàn)狀 3
1.3微調(diào)精密定位工作臺(tái)的發(fā)展前景 3
1.4系統(tǒng)組成及工作原理 5
1.5本文的主要工作 6
第2章現(xiàn)代工業(yè)超精密結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體方案設(shè)計(jì) 7
2.1精密結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及特點(diǎn) 7
2.1.1機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下列要求 7
2.1.2精密結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn) 7
2.2精密結(jié)構(gòu)主要材料的選擇 7
2.3精密結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)形式的選擇 8
2.4精密結(jié)構(gòu)的組成及工作原理 9
2.4.1 X方向粗調(diào)機(jī)構(gòu) 9
2.4.2X方向微調(diào)機(jī)構(gòu) 10
2.4.3 Y方向粗調(diào)機(jī)構(gòu) 10
2.4.4 Z方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 11
2.4.5水平轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 12
2.4.6垂直仰角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 12
2.5 本章小結(jié) 14
第3章精密結(jié)構(gòu)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15
3.1 微調(diào)工作臺(tái)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 15
3.1.1X軸方向粗調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15
3.1.2Y軸方向的粗調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 24
3.1.3Z軸方向的粗調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 24
3.1.4X軸方向微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 26
3.1.5仰角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 31
3.2導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) 32
3.2.1作用力方向和作用點(diǎn)位置對(duì)導(dǎo)軌工作的影響分析 32
3.2.2導(dǎo)軌主要尺寸的確定 34
3.2.3導(dǎo)軌的誤差分析 35
3.3彈簧的設(shè)計(jì) 35
3.3.1X軸方向微調(diào)機(jī)構(gòu)的彈簧設(shè)計(jì) 35
3.3.2繞Z軸旋轉(zhuǎn)微調(diào)機(jī)構(gòu)的彈簧設(shè)計(jì) 38
3.3.3仰角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的彈簧設(shè)計(jì) 39
3.4微調(diào)工作臺(tái)的支撐和基座設(shè)計(jì) 39
3.4.1支承的設(shè)計(jì) 39
3.4.2基座的設(shè)計(jì) 40
3.5本章小結(jié) 41
第4章 示數(shù)裝置的設(shè)計(jì) 42
4.1示數(shù)裝置設(shè)計(jì)要求 42
4.2示數(shù)裝置的分類(lèi) 42
4.3X－Y軸方向粗調(diào)示數(shù)裝置的設(shè)計(jì) 42
4.3.1類(lèi)型的選擇 42
4.3.2標(biāo)尺與指針的選擇 42
4.3.3分度尺寸的選擇 43
4.4X軸微調(diào)示數(shù)裝置的設(shè)計(jì) 43
4.4.1設(shè)計(jì)原理 43
4.4.2設(shè)計(jì)計(jì)算 43
4.5本章小結(jié) 44
結(jié)論 45
參考文獻(xiàn) 46
致謝 48
50
第1章 緒 論
1.1課題背景及研究意義
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在電子、光學(xué)、機(jī)械制造等眾多技術(shù)領(lǐng)域中迫切需要高精度、高分辨率、能夠靈活控制的微動(dòng)系統(tǒng)用以直接進(jìn)行工作或配合其它儀器設(shè)備完成高精度的定位和測(cè)量。正是這種需要極大地促進(jìn)了高精密定位和測(cè)量技術(shù)發(fā)展。
高精度和高分辨率的超精密工作臺(tái)系統(tǒng)在近代尖端工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)占有極為重要的地位。它直接影響精密、超精密切削加工水平、精密測(cè)量水平及超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)水平。同時(shí),它的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是各國(guó)高技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。
1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
大行程超精密工作臺(tái)主要的類(lèi)型有直線電機(jī)式驅(qū)動(dòng)、摩擦式驅(qū)動(dòng)，也有采用兩級(jí)進(jìn)給的方式，即采用粗動(dòng)與精動(dòng)兩套系統(tǒng)，以同時(shí)兼顧大行程、高響應(yīng)速度和高定位精度。
高精度和高分辨率的超精密工作臺(tái)系統(tǒng)在近代尖端工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)占有極為重要的地位。它直接影響精密、超精密切削加工水平、精密測(cè)量水平及超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)水平。同時(shí)，它的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是各國(guó)高技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。
超精密工作臺(tái)系統(tǒng)的定位精度和行程范圍直接影響生產(chǎn)加工的精度。同時(shí)，工作臺(tái)的速度、加速度及啟停過(guò)程的穩(wěn)定時(shí)間則影響設(shè)備的效率，成為系統(tǒng)的重要指標(biāo)。這些一次定位的精密工作臺(tái)系統(tǒng)可以按精度高低和行程大小分為兩類(lèi):小行程、極高精度的工作臺(tái)系統(tǒng)和大行程、高精度的工作臺(tái)系統(tǒng)。小行程極高精度工作臺(tái)大多采用壓電元件或電磁元件作為驅(qū)動(dòng)裝置。行程多在數(shù)十微米的范圍內(nèi)，但位移分辨率可高達(dá)1nm。大行程高精度工作臺(tái)是指行程達(dá)毫米級(jí)以上，但定位精度略低于小行程系統(tǒng)的工作臺(tái)系統(tǒng)。它大多采用直線電機(jī)或摩擦式驅(qū)動(dòng)方式，運(yùn)動(dòng)分辨率大多在10nm左右。
1.2.1微調(diào)工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)方式
摩擦傳動(dòng)具有正反空程小、傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，適合精密定位。其不足之處是負(fù)載能力小，不能夠產(chǎn)生太大的驅(qū)動(dòng)力，否則傳動(dòng)過(guò)程容易產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，因此限制了摩擦驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用范圍。
與傳統(tǒng)機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)相比，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：省略了中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，減少了機(jī)械磨損，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可以保持高增益，實(shí)現(xiàn)精確的進(jìn)給前饋，對(duì)給定的加工路徑可以用高速進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤，從而保證了機(jī)床的高精度和使用壽命。運(yùn)行時(shí)，直線電機(jī)不像旋轉(zhuǎn)電機(jī)那樣會(huì)受到離心力作用，因此其直線速度不受限制。直線驅(qū)動(dòng)的慣性主要存在于滑臺(tái)，因此加工時(shí)可以有很高的加速度。直線電機(jī)靠電磁推力驅(qū)動(dòng)，故系統(tǒng)噪聲很小，改善了工作環(huán)境。過(guò)去應(yīng)用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)主要集中在高速進(jìn)給領(lǐng)域，利用了它可以有很高的加速度和運(yùn)行速度的優(yōu)點(diǎn)，但隨著電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)開(kāi)始向精密定位發(fā)展，如日本研制的幾款超精密工作臺(tái)都應(yīng)用了直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。與傳統(tǒng)的進(jìn)給方式相比，在精密定位領(lǐng)域，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)擁有更廣闊的應(yīng)用前景。
1.2.2國(guó)外研究現(xiàn)狀
目前，國(guó)外在精密定位技術(shù)方而的研究成果較多，世界上各發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)高精密技術(shù)的發(fā)展都給予了足夠的重視。日本東京工大研究的精密工作臺(tái)的定位精度達(dá)到±2 nm，韓國(guó)漢城大學(xué)研制的宏微結(jié)合的200mm行程精密工作臺(tái)，以激光干涉儀作為位置反饋元件，定位精度達(dá)到10nm。這一類(lèi)疊加式宏微組合的精密工作臺(tái)，更具有實(shí)用性，現(xiàn)已成為研制大行程精密定位技術(shù)的熱點(diǎn)。英國(guó)的國(guó)家物理研究所所研制的微形貌納米測(cè)量?jī)x器的測(cè)量范圍是0.001nm-3nm。美國(guó)一些大學(xué)在電子行業(yè)和計(jì)算機(jī)行業(yè)的一些大公司支持下,開(kāi)展了納米精度的位移測(cè)量和定位工作的研究,也取得了令人矚目的成就。
1.直線電機(jī)式超精密工作臺(tái)
東京工業(yè)大學(xué)研制了具有納米級(jí)分辨率的一維直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)超精密工作臺(tái)。它采用氣浮導(dǎo)軌導(dǎo)向，行程300mm,導(dǎo)軌的垂直剛度600N/um，水平剛度220N/um。工作臺(tái)重19.6kg，全部采用氧化鋁陶瓷材料。直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)力160N ,最大加速度6.4 m/s,最大速度320mm/s。反饋測(cè)量系統(tǒng)采用激光干涉儀，激光干涉儀的分辨率為0.63nm?？刂葡到y(tǒng)采用帶前饋補(bǔ)償?shù)腜1D控制器。它最大的特點(diǎn)是配置了一部電流變阻尼器，可以主動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)2nm的步進(jìn)定位。直線電機(jī)式工作臺(tái)也可以設(shè)計(jì)成一維運(yùn)動(dòng)一體化的工作臺(tái)。住友重工公司開(kāi)發(fā)的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的X-Y工作臺(tái)具有快速運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。2.54mm的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)只需37ms就可使定位誤差在±10um以內(nèi)?？焖夙憫?yīng)對(duì)于激光加工和半導(dǎo)體生產(chǎn)是非常關(guān)鍵的。
為了實(shí)現(xiàn)平而內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)而研制了三自由度的一維直線電機(jī)式工作臺(tái)。定位工作臺(tái)由3個(gè)空氣軸承墊在底板上導(dǎo)向，通過(guò)合成3個(gè)直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力而產(chǎn)生3自山度(x,y, z)的運(yùn)動(dòng)。工作臺(tái)重5.9kg，它在x和y方向上均具有30mm的行程。激光干涉儀用作工作臺(tái)的定位反饋。實(shí)驗(yàn)測(cè)得工作臺(tái)在x，y和z方向上的定位分辨率分別為15.7nm, 9.5nm和0.104urad,最大速度為150mm/s，頻響寬度為105Hz。
2.摩擦式驅(qū)動(dòng)超精密工作臺(tái)
法國(guó)Mekid研制的摩擦驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)重100kg,通過(guò)液體靜壓導(dǎo)軌支撐，工作臺(tái)的行程為220mm.直線工作臺(tái)的定位精度可達(dá)16nm,最大速度為10mm/s。
臺(tái)灣淡江大學(xué)Chao等人設(shè)計(jì)了利用氣體支撐的摩擦輪驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)。反饋測(cè)量裝置是一臺(tái)量程為632.99nm的Hewlett Packard激光干涉儀，整個(gè)裝置被放置在溫度20±1℃和濕度60±5%的環(huán)境中。在50500 nm和10mm步進(jìn)運(yùn)動(dòng)情況下，定位精度均優(yōu)15nm。
國(guó)防科技大學(xué)的羅兵、李圣怡等對(duì)摩擦扭輪式精密工作臺(tái)進(jìn)行了研究。此系統(tǒng)由高分辨率電機(jī)、摩擦扭輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、空氣靜壓導(dǎo)軌和控制計(jì)算機(jī)等組成。摩擦扭輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)導(dǎo)程0 .26mm，光杠長(zhǎng)度650mm,螺母剛度3 kg/mm;氣體靜壓導(dǎo)軌行程300mm，設(shè)計(jì)直線度0.5um/200mm；交流伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)分辨率1r/655360；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在300mm的行程上運(yùn)動(dòng)分辨率達(dá)到10nm。
1.2.3我國(guó)的研究現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)對(duì)高精度精密定位研究也很重視。很多家國(guó)內(nèi)重點(diǎn)大學(xué)和知名企業(yè)開(kāi)展了高精密定位儀器的研究開(kāi)發(fā)，微調(diào)定位工作臺(tái)的定位精度大致在1um左右，分辨率在0.1um左右，但這些數(shù)據(jù)大多是樣機(jī)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室條件下達(dá)到的。由于我國(guó)在高精度傳感器，微進(jìn)給技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)上的限制，在研發(fā)高精度定位平臺(tái)及其產(chǎn)業(yè)化上尚需努力。
清華大學(xué)與上海微電子裝備有限公司合作開(kāi)展研究，搭建了國(guó)內(nèi)第一套以10nm運(yùn)動(dòng)精度為目標(biāo)的氣浮運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，并進(jìn)行超精密測(cè)量和運(yùn)動(dòng)控制的研究，己經(jīng)取得了良好的研究進(jìn)展。整個(gè)超精密工件臺(tái)試驗(yàn)系統(tǒng)由質(zhì)量達(dá)5t的花崗石底座、基臺(tái)、(主動(dòng))隔振元件、兩套超精密直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成。每套直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由桑層的粗動(dòng)與精動(dòng)系統(tǒng)組成，并由雙頻激光干涉儀提供位置檢測(cè)和閉環(huán)運(yùn)動(dòng)反饋，檢測(cè)精度可達(dá)到2nm。長(zhǎng)行程超精密導(dǎo)軌、氣浮滑塊、直線電機(jī)(Linear motor)、直線光柵組成大行程粗動(dòng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)300mm以上的行程，2g以上的加速度和1000m/s以上的速度。但其動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)精度僅能達(dá)到幾微米，定位精度可以達(dá)到數(shù)百納米。為了實(shí)現(xiàn)10nm乃至更高的運(yùn)動(dòng)精度，在上述大行程運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的氣浮滑塊上桑加安裝了超精密氣浮微動(dòng)臺(tái)，以對(duì)粗動(dòng)精度進(jìn)行微動(dòng)補(bǔ)償。微動(dòng)臺(tái)采用音圈電機(jī)(Voice coil motor)驅(qū)動(dòng)，電容傳感器進(jìn)行微動(dòng)位置檢測(cè)。雙頻激光干涉儀的測(cè)量鏡安裝在微動(dòng)臺(tái)的動(dòng)臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)粗、精動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)最終的位置監(jiān)測(cè)和運(yùn)動(dòng)反饋。到2003年12月，運(yùn)動(dòng)定位精度己經(jīng)達(dá)到12nm。
1.3微調(diào)精密定位工作臺(tái)的發(fā)展前景
超精密工作臺(tái)系統(tǒng)的定位精度和行程范圍直接影響生產(chǎn)加工的精度。同時(shí),工作臺(tái)的速度、加速度及啟停過(guò)程的穩(wěn)定時(shí)間則影響設(shè)備的效率,成為系統(tǒng)的重要指標(biāo)。這些一次定位的精密工作臺(tái)系統(tǒng)可以按精度高低和行程大小分為兩類(lèi):小行程、極高精度的工作臺(tái)系統(tǒng)和大行程、高精度的工作臺(tái)系統(tǒng)。小行程極高精度工作臺(tái)大多采用壓電元件或電磁元件作為驅(qū)動(dòng)裝置。行程多在數(shù)十微米的范圍內(nèi),但位移分辨率可高達(dá)1nm。大行程高精度工作臺(tái)是指行程達(dá)毫米級(jí)以上,但定位精度略低于小行程系統(tǒng)的工作臺(tái)系統(tǒng)。它大多采用直線電機(jī)或摩擦式驅(qū)動(dòng)方式,運(yùn)動(dòng)分辨率大多在10nm左右。大行程超精密工作臺(tái)主要的類(lèi)型有直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)、摩擦驅(qū)動(dòng)式,也有采用兩級(jí)進(jìn)給的方式,即采用粗動(dòng)與精動(dòng)兩套系統(tǒng),以同時(shí)兼顧大行程、高響應(yīng)速度和高定位精度。
如今，高精密的測(cè)量定位儀器在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域都有了廣泛的應(yīng)用，特別是一些需要精密儀器的航空、航天等產(chǎn)業(yè)。隨著科技的發(fā)展，社會(huì)的進(jìn)步，對(duì)高精密的測(cè)量定位儀器的精度要求越來(lái)越高。大范圍、高精度是對(duì)微動(dòng)工作臺(tái)提出的新要求，然而大行程和高精度是微動(dòng)技術(shù)中的一對(duì)矛盾。因此微動(dòng)工作臺(tái)的未來(lái)研究方向應(yīng)圍繞如何解決這一對(duì)矛盾展開(kāi)。
1.多種微運(yùn)動(dòng)相結(jié)合技術(shù)：結(jié)合多種微動(dòng)方法以彌補(bǔ)各自的不足仍然是解決以上問(wèn)題的主要辦法。比如在現(xiàn)有研究已經(jīng)成熟的各種微動(dòng)工作臺(tái)基礎(chǔ)上，妥善解決好其中兩種或者多種微動(dòng)工作臺(tái)間的兼容性，解決好機(jī)械結(jié)構(gòu)間的裝配誤差、多種平臺(tái)間的定位誤差，采用粗動(dòng)和微動(dòng)相結(jié)合的方法，粗動(dòng)臺(tái)用以完成快速大范圍，微動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)高精度，也就是說(shuō)通過(guò)微動(dòng)工作臺(tái)對(duì)粗動(dòng)工作臺(tái)由于運(yùn)動(dòng)所帶來(lái)的誤差進(jìn)行精度補(bǔ)償，以此實(shí)現(xiàn)大范圍、高精度的要求。
2.新型納米級(jí)微動(dòng)工作臺(tái)的研究：運(yùn)動(dòng)方向間的交叉藕合嚴(yán)重影響納米微動(dòng)工作臺(tái)的定位精度，因此需進(jìn)一步研究運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，從運(yùn)動(dòng)原理上有效地消除運(yùn)動(dòng)方向間的交叉藕合產(chǎn)生的定位誤差，提高納米級(jí)微動(dòng)工作臺(tái)的定位精度。
3.改進(jìn)控制策略：如采用建立遲滯和蠕變數(shù)學(xué)模型進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制來(lái)避免因反饋而可能引起的不穩(wěn)定問(wèn)題，采用自適應(yīng)控制消除建模的誤差和參數(shù)的不確定性及系統(tǒng)環(huán)境的變化等因素對(duì)系統(tǒng)精度的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制等方法改善系統(tǒng)的非線性和不確定性。
4.磁懸浮微動(dòng)工作臺(tái)性能的進(jìn)一步提高：在現(xiàn)有磁懸浮微動(dòng)工作臺(tái)基礎(chǔ)上，充分考慮磁滯非線性、磁飽和以及高次諧波對(duì)系統(tǒng)精度的影響，解決運(yùn)動(dòng)控制和定位技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精度的大范圍運(yùn)動(dòng)。
未來(lái)的大范圍高精度納米測(cè)量要求在數(shù)十毫米以上的范圍內(nèi)達(dá)到至少亞納米級(jí)的測(cè)量精度，這不僅使只采用其中之一的測(cè)量方法難以實(shí)現(xiàn)，就連現(xiàn)在許多結(jié)合了多種測(cè)量的方法也是很難辦到的。對(duì)納米測(cè)量而言，能否取得高精度和大范圍，這在很大程度上取決于信號(hào)處理的精度。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，加快信號(hào)處理的速度、加大處理量、更好的濾除噪聲對(duì)達(dá)到未來(lái)的測(cè)量需求是一個(gè)很好的解決方案;提高測(cè)量系統(tǒng)中機(jī)械系統(tǒng)的裝配和運(yùn)動(dòng)精度、改善光源的穩(wěn)定性和相干性、降低外界環(huán)境的干擾或是設(shè)計(jì)對(duì)環(huán)境不敏感的測(cè)量系統(tǒng)都是大范圍高精度納米測(cè)量進(jìn)一步發(fā)展所必須要解決的問(wèn)題。當(dāng)前儀器設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì):主要是向大型化、自動(dòng)化、精密化、高效化發(fā)展。
1.4系統(tǒng)組成及工作原理
四維微調(diào)工作臺(tái)在系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，采用粗動(dòng)臺(tái)和微動(dòng)臺(tái)的組合結(jié)構(gòu)，即由粗動(dòng)臺(tái)來(lái)完成高速運(yùn)行，解決整個(gè)系統(tǒng)的速度問(wèn)題，進(jìn)行粗定位，然后由微動(dòng)臺(tái)完成精定位，這樣可使定位系統(tǒng)達(dá)到極高的定位精度和靈敏度，控制簡(jiǎn)單可靠。該機(jī)構(gòu)采用了齒輪、齒條和螺旋傳動(dòng)原理，因此能夠?qū)崿F(xiàn)X、Y、Z軸方向的調(diào)節(jié)，同時(shí)還可進(jìn)行水平轉(zhuǎn)角以及垂直仰角的調(diào)節(jié)。
作為理想的微動(dòng)工作臺(tái),應(yīng)具有較高的位移分辨率,以保證高的定位精度;還應(yīng)具有較高的幾何精度和良好的動(dòng)態(tài)特性;同時(shí)還應(yīng)滿足工作行程的要求。以此為前提,我們?cè)O(shè)計(jì)了由齒輪、齒條和螺旋傳動(dòng)原理構(gòu)成的機(jī)構(gòu)。四維微調(diào)工作臺(tái)在系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，采用粗動(dòng)臺(tái)和微動(dòng)臺(tái)的組合結(jié)構(gòu)，即由粗動(dòng)臺(tái)來(lái)完成高速運(yùn)行，解決整個(gè)系統(tǒng)的速度問(wèn)題，進(jìn)行粗定位，然后由微動(dòng)臺(tái)完成精定位，這樣可使定位系統(tǒng)達(dá)到極高的定位精度和靈敏度，控制簡(jiǎn)單可靠。該機(jī)構(gòu)采用齒輪、齒條和螺旋傳動(dòng)原理，能夠?qū)崿F(xiàn)X、Y、Z軸方向的調(diào)節(jié)，同時(shí)還可進(jìn)水平轉(zhuǎn)角以及垂直仰角的調(diào)節(jié)。
1.X軸方向調(diào)節(jié)可分為粗調(diào)、微調(diào)。粗調(diào)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)橫向調(diào)節(jié)螺桿，利用齒輪和齒條嚙合使轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)槠絼?dòng)，實(shí)現(xiàn)X軸方向上的粗調(diào)。精度依靠所設(shè)計(jì)的齒輪與齒條的精度，其調(diào)節(jié)范圍依靠齒條的長(zhǎng)度，根據(jù)需要可設(shè)計(jì)不同的調(diào)節(jié)范圍以滿足實(shí)驗(yàn)要求。
X軸方向的微調(diào)是利用了螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)、螺母移動(dòng)原理。裝置中運(yùn)動(dòng)桿尺和頂桿可看作是螺桿，保持軸套和滑動(dòng)臺(tái)整體看作是螺母，鎖緊螺母主要是為了減小螺紋間隙。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)桿尺來(lái)實(shí)現(xiàn)微調(diào)，最小移動(dòng)距離可達(dá)到0.001mm。
2.Y軸方向的粗調(diào)也可看作是垂直方向上的粗調(diào)，其調(diào)節(jié)原理與X軸方向上的粗調(diào)原理相同。
3.Z軸方向的調(diào)節(jié)是利用了螺母轉(zhuǎn)動(dòng)、螺桿移動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)的。直槽螺套相當(dāng)于螺母，立柱和螺桿組成相當(dāng)于螺桿，軸套是為了防止螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)立柱在Z軸方向上平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，軸蓋是為了防止直槽螺套的竄動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)直槽螺套時(shí)，螺桿會(huì)沿著旋轉(zhuǎn)螺套內(nèi)的螺旋槽螺旋上升，但由于軸套的限制而消除了螺旋上升中的轉(zhuǎn)動(dòng)，只剩在Z軸上的平動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了在Z軸方向上的調(diào)節(jié)。當(dāng)調(diào)好高度時(shí)，可用鎖緊螺釘固定。
4．水平轉(zhuǎn)角和垂直仰角的調(diào)節(jié)原理基本相似，水平轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)由水平止推桿、水平調(diào)節(jié)桿、水平轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)架、防轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)桿，以及連接螺桿、水平轉(zhuǎn)動(dòng)套、轉(zhuǎn)軸套組成。當(dāng)進(jìn)行大角度粗調(diào)時(shí)，放松轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)桿，裝置以軸水平轉(zhuǎn)動(dòng)套可進(jìn)行360°度的調(diào)節(jié)。當(dāng)角度選定時(shí)鎖緊防轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)桿，然后調(diào)節(jié)水平調(diào)節(jié)桿進(jìn)行水平方向小角度的調(diào)節(jié)。該角度調(diào)節(jié)的精度主要依靠水平調(diào)節(jié)桿螺紋的精度。
1.5本文的主要工作
本文是對(duì)四維微調(diào)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。
首先，本文將對(duì)四維微調(diào)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從X方向粗調(diào)機(jī)構(gòu)、X方向微調(diào)機(jī)構(gòu)、Y方向粗調(diào)機(jī)構(gòu)、Z方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、水平轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和垂直仰角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)六大方面著手對(duì)四維微調(diào)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理進(jìn)行詳細(xì)的闡述。
其次，將對(duì)四維微調(diào)工作臺(tái)的傳動(dòng)方案、機(jī)體主要材料及四維微調(diào)工作臺(tái)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)形式進(jìn)行選擇。
最后，本文將對(duì)彈簧、示數(shù)裝置、支承和基座進(jìn)行設(shè)計(jì)。還有，將對(duì)四維微調(diào)工作臺(tái)的主要機(jī)構(gòu)及零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并對(duì)受載荷較大的零件進(jìn)行合理性分析。
第2章 四維微調(diào)工作臺(tái)的總體方案設(shè)計(jì)
2.1微調(diào)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及特點(diǎn)
2.1.1機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下列要求
1.機(jī)身在滿足強(qiáng)度、剛度的條件下，力求質(zhì)量輕、節(jié)約金屬。
2.結(jié)構(gòu)力求簡(jiǎn)單，并使裝于其上的所有部件、零件容易安裝、調(diào)整、修理和更換。
3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)便于鑄造或焊接和機(jī)加工。
4.必須有足夠的底面積，保證微調(diào)工作臺(tái)的穩(wěn)定性。
5.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)力求減少振動(dòng)和噪聲。
6.機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)力求外形美觀。
機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分為鑄造結(jié)構(gòu)和焊接結(jié)構(gòu)兩種。鑄造結(jié)構(gòu)的材料比較容易供應(yīng)，消震性能較好，但質(zhì)量較重，剛度較差。焊接結(jié)構(gòu)與之相反，質(zhì)量較輕，剛度較好，外形比較美觀，但消震性能較差。
鑄造結(jié)構(gòu)盡量使壁厚不要有突然的變化，適當(dāng)加大過(guò)渡圓角，減少應(yīng)力集中。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需使鑄造和加工方便。焊接結(jié)構(gòu)盡量設(shè)計(jì)成具有對(duì)稱(chēng)性的截面和對(duì)稱(chēng)性的焊縫位置，以減少焊接變形。要合理布置筋板，數(shù)量不宜過(guò)多。焊縫應(yīng)盡量遠(yuǎn)離應(yīng)力集中區(qū)域，盡量避免用焊縫直接承受主要工作載荷。焊縫避免交叉與聚集，并考慮焊接施工方便。
2.1.2四維微調(diào)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)
目前大行程超精密工作臺(tái)設(shè)計(jì)的方案主要有兩種設(shè)計(jì)思路：(l)一級(jí)進(jìn)給方式，采用直線電機(jī)非接觸進(jìn)給或利用靜摩擦驅(qū)動(dòng)進(jìn)給；(2)兩級(jí)進(jìn)給方式，即采用粗動(dòng)與精動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合，以達(dá)到高的定位精度和分辨率。
四維微調(diào)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是采用兩級(jí)進(jìn)給方式,即粗動(dòng)與精動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合, 粗動(dòng)工作臺(tái)完成高速度大行程，微動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)其精度要求，也就是說(shuō)通過(guò)微動(dòng)工作臺(tái)對(duì)粗動(dòng)工作臺(tái)由于運(yùn)動(dòng)所帶來(lái)的誤差進(jìn)行精度補(bǔ)償，以達(dá)到高的定位精度和分辨率。兩級(jí)進(jìn)給的方案與單級(jí)進(jìn)給相比,優(yōu)點(diǎn)是可以結(jié)合目前成熟的大行程工作臺(tái)技術(shù),降低技術(shù)難度和研制風(fēng)險(xiǎn),但是不可避免地使工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化并增加了控制系統(tǒng)的控制難度。
2.2微調(diào)工作臺(tái)機(jī)體主要材料的選擇
超精密工作臺(tái)要求工作臺(tái)具有小質(zhì)量、高剛度和低熱變形。因此工作臺(tái)的材料選擇應(yīng)遵循如下原則:密度小、低熱傳導(dǎo)率、低熱膨脹、彈性模量大、技術(shù)要求、經(jīng)濟(jì)成本。
目前傳統(tǒng)工作臺(tái)的材料仍然為鋼材，但是其密度大、熱導(dǎo)率與熱膨脹系數(shù)大，使得工作臺(tái)的性能受到影響。有些機(jī)床為了降低熱變形的影響，在結(jié)構(gòu)上采用了低熱膨脹的殷鋼，但綜合性能仍然不夠理想。
工程結(jié)構(gòu)陶瓷山于其高強(qiáng)度、高硬度和耐高溫、耐輻射、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)己逐漸成為工程技術(shù)特別是尖端技術(shù)的關(guān)鍵材料，將工程結(jié)構(gòu)陶瓷應(yīng)用在精密平臺(tái)上是一種發(fā)展趨勢(shì)。氧化鋁陶瓷的密度為鋼的一半，熱導(dǎo)率與熱膨脹系數(shù)也均約為鋼的一半，彈性模量比鋼高一倍，綜合性能比鋼要好，因此如日木東京工業(yè)大學(xué)與住友重工研制的超精密工作臺(tái)都采用了氧化鋁陶瓷作為結(jié)構(gòu)材料。
石英陶瓷作為結(jié)構(gòu)陶瓷多應(yīng)用在玻璃、冶金、電工、航空航人等行業(yè)。主要利用其熱導(dǎo)率低、熱膨脹系數(shù)小、電性能好等優(yōu)點(diǎn)，但其應(yīng)用于精密平臺(tái)還未見(jiàn)報(bào)道。石英陶瓷密度小(僅為鋼的四分之一，氧化鋁陶瓷的一半)，熱導(dǎo)率與熱膨脹系數(shù)都比鋼
與氧化鋁陶瓷小一個(gè)數(shù)量級(jí)，缺點(diǎn)是彈性模量較小。石英陶瓷材料更適用于輕載的超精密工作臺(tái)。
由于目前傳統(tǒng)工作臺(tái)的材料仍然為鋼材,雖然其密度偏大、熱導(dǎo)率與熱膨脹系數(shù)大,使得工作臺(tái)的性能受到影響。但從本工作臺(tái)的技術(shù)要求可知其精度為毫米、微米級(jí)的。在精密工作臺(tái)的研究領(lǐng)域精度是相對(duì)偏低的。因此由工作臺(tái)的技術(shù)要求及經(jīng)濟(jì)成本考慮本設(shè)計(jì)的工作臺(tái)材料仍以鋼材為主，即以45號(hào)鋼和Q235為主要材料。在一些特殊零件上根據(jù)需要選用一些適宜的材料。
2.3微調(diào)工作臺(tái)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)形式的選擇
導(dǎo)軌的功用是導(dǎo)向和承載。即保證運(yùn)動(dòng)部件在外力作用下，能準(zhǔn)確地沿著一定的方向運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)軌的質(zhì)量在一定程度上決定了微調(diào)工作臺(tái)的加工精度、工作能力和使用壽命。因此，導(dǎo)軌必須滿足下列設(shè)計(jì)基本要求：
1.導(dǎo)向精度
導(dǎo)向精度是指動(dòng)導(dǎo)軌沿支承導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)時(shí)，直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的直線性和導(dǎo)軌同其他運(yùn)動(dòng)之間相互位置的準(zhǔn)確性。
2．精度保持性
為了能長(zhǎng)期保持導(dǎo)向精度，對(duì)導(dǎo)軌提出了剛度和耐磨性的要求。若剛度不足，則直接影響部件之間的相對(duì)位置精度和導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度，使導(dǎo)軌面上的比壓分布不均勻，加劇導(dǎo)軌面的磨損。
3．結(jié)構(gòu)工藝性
在可能的情況下，應(yīng)盡量使導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造和維護(hù)。
導(dǎo)軌的一般形式有滑動(dòng)、滾動(dòng)和靜壓3種形式。其中滑動(dòng)導(dǎo)軌中導(dǎo)軌副之間是滑動(dòng)摩擦，山于導(dǎo)軌副材料之間存在動(dòng)、靜摩擦因數(shù)的差異，會(huì)產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，同時(shí)存在磨損，使用壽命不長(zhǎng)，在高精密工作臺(tái)中較少采用滑動(dòng)導(dǎo)軌。滾動(dòng)導(dǎo)軌中采用鋼球或滾柱作為滾動(dòng)體，具有較小的摩擦因數(shù)，動(dòng)靜摩擦因數(shù)的差異極小，可以有效避免爬行現(xiàn)象的產(chǎn)生。但滾動(dòng)導(dǎo)軌中由于滾動(dòng)體與導(dǎo)軌之間的接觸為點(diǎn)接觸或線接觸，其抗振性與滑動(dòng)導(dǎo)軌相比較差。
磁懸浮導(dǎo)軌是近幾年來(lái)興起的一門(mén)新技術(shù)。它利用磁懸浮原理，與氣墊技術(shù)相比，磁浮具有無(wú)聲、易控和高效等優(yōu)點(diǎn)。目前實(shí)現(xiàn)磁浮的方式主要有:利用永磁體之間的排斥力;利用超導(dǎo)技術(shù)產(chǎn)生磁浮;利用感應(yīng)渦流產(chǎn)生懸浮;利用可控直流電磁鐵實(shí)現(xiàn)懸浮。其中磁懸浮導(dǎo)軌主要利用感應(yīng)渦流原理和可控直流電磁鐵技術(shù)。但是磁懸浮導(dǎo)軌存在發(fā)熱大、控制復(fù)雜等缺點(diǎn)，限制了其在超精密加工領(lǐng)域的應(yīng)用。
在大行程精密工作臺(tái)中多采用靜壓導(dǎo)軌，而且以氣體靜壓導(dǎo)軌居多，這是因?yàn)闅怏w靜壓導(dǎo)軌具有以下優(yōu)點(diǎn)：摩擦因數(shù)和摩擦力都很小，氣體支承可在最清潔的狀態(tài)下工作，具有冷態(tài)工作的特點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)精度高，壽命長(zhǎng)，可以在很寬的溫度范圍和惡劣環(huán)境中工作，能夠保持很小的間隙。但是也有缺點(diǎn):承載能力低、剛度小、潤(rùn)滑而需要高的加工精度、氣體的可壓縮性容易引起不穩(wěn)定性、氣體無(wú)自潤(rùn)滑性及潤(rùn)滑而易生銹等。
本設(shè)計(jì)中由于設(shè)計(jì)精度的要求，沒(méi)有使用磁懸浮導(dǎo)軌的必要。其中滾動(dòng)導(dǎo)軌中采用鋼球或滾柱作為滾動(dòng)體,具有較小的摩擦因數(shù),但滾動(dòng)導(dǎo)軌中由于滾動(dòng)體與導(dǎo)軌之間的接觸為點(diǎn)接觸或線接觸,其抗振性與滑動(dòng)導(dǎo)軌相比較差。滑動(dòng)導(dǎo)軌中導(dǎo)軌副之間是滑動(dòng)摩擦,由于工作臺(tái)整體機(jī)構(gòu)比較小，導(dǎo)軌上承載的載荷不大，導(dǎo)軌中導(dǎo)軌副之間的摩擦很小，再由經(jīng)濟(jì)成本及設(shè)備維護(hù)上的考慮，本工作臺(tái)選擇滑動(dòng)導(dǎo)軌的形式。
本次設(shè)計(jì)的微調(diào)工作臺(tái)導(dǎo)軌采用燕尾槽型，左右對(duì)稱(chēng)布置。導(dǎo)軌與滑軌應(yīng)有適當(dāng)?shù)拈g隙，間隙小，導(dǎo)向準(zhǔn)確平穩(wěn)。
2.4四維微調(diào)工作臺(tái)的組成及工作原理
2.4.1 X方向粗調(diào)機(jī)構(gòu)
X軸方向調(diào)節(jié)的粗調(diào)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)橫向調(diào)節(jié)螺桿44，利用齒輪和齒條嚙合使轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)槠絼?dòng)，實(shí)現(xiàn)X軸方向上的粗調(diào)。精度依靠所設(shè)計(jì)的齒輪與齒條的精度，其調(diào)節(jié)范圍依靠齒條的長(zhǎng)度，根據(jù)需要可設(shè)計(jì)不同的調(diào)節(jié)范圍以滿足實(shí)驗(yàn)要求。本設(shè)計(jì)為保證達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，要求X向調(diào)節(jié)范圍不超出25mm。
12橫向支架13螺釘24橫向?qū)к?5連接螺釘26齒條43調(diào)節(jié)套44橫向調(diào)節(jié)桿51螺釘
圖2.1 X方向粗調(diào)機(jī)構(gòu)
2.4.2X方向微調(diào)機(jī)構(gòu)
X軸方向的微調(diào)是利用了螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)、螺母移動(dòng)原理。裝置中運(yùn)動(dòng)桿尺28和頂桿30可看作是螺桿，保持軸套31和滑動(dòng)臺(tái)2整體看作是螺母，鎖緊螺母32主要是為了減小螺紋間隙。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)桿尺28來(lái)實(shí)現(xiàn)微調(diào)，最小移動(dòng)距離可達(dá)到0.001mm。為保證達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求滑動(dòng)臺(tái)與導(dǎo)軌的接觸面光滑整潔、運(yùn)行平穩(wěn)，并且保證頂桿30上的螺紋精度。
圖2.2 X方向微調(diào)機(jī)構(gòu)
2.4.3 Y方向粗調(diào)機(jī)構(gòu)
圖2.3 Y方向粗調(diào)機(jī)構(gòu)
Y軸方向的粗調(diào)也可看作是垂直方向上的粗調(diào)，其調(diào)節(jié)原理與X軸方向上的粗調(diào)原理相同。Y軸方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的主要部分由縱向支架42、滑動(dòng)軸承14、縱向調(diào)節(jié)螺桿15、齒條47、縱向?qū)к壍冉M成。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)縱向調(diào)節(jié)螺桿15，利用齒輪和齒條嚙合使轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)槠絼?dòng)，實(shí)現(xiàn)Y軸方向上的粗調(diào)。精度依靠所設(shè)計(jì)的齒輪與齒條的精度，其調(diào)節(jié)范圍依靠齒條的長(zhǎng)度，根據(jù)需要可設(shè)計(jì)不同的調(diào)節(jié)范圍以滿足實(shí)驗(yàn)要求。本設(shè)計(jì)為保證達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，要求Y向調(diào)節(jié)范圍不超出25mm。
2.4.4 Z方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)
Z軸方向的調(diào)節(jié)是利用了螺母轉(zhuǎn)動(dòng)、螺桿移動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)的。Z軸方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的主要部分由軸蓋37、鎖緊螺釘57、直槽螺套56、立柱60、螺桿61、軸套62組成。直槽螺套56相當(dāng)于螺母，立柱60和螺桿61的組成相當(dāng)于螺桿，軸套59是為了防止螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)立柱在Z軸方向上的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，軸蓋37是為了防止直槽螺套59的上下竄動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)直槽螺套59時(shí)，螺桿61會(huì)沿著旋轉(zhuǎn)螺套內(nèi)的螺旋槽螺旋上升，但由于軸套59的限制而消除了立柱60和螺桿61螺旋上升中的轉(zhuǎn)動(dòng)，只剩下在Z軸方向上的平動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了在Z軸方向上的上下調(diào)節(jié)。當(dāng)調(diào)好高度時(shí)，可用鎖緊螺釘57加以固定。為保證達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求直槽螺套59內(nèi)螺旋上升的螺旋槽的高度不小于22mm，并且保證螺旋槽內(nèi)壁的光滑整潔。
圖2.4 Z方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)
2.4.5水平轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)
如圖2.5，水平轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的主要部分由水平支架12、水平止推桿10、水平調(diào)節(jié)桿27、水平轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)架40、防轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)桿42，以及連接螺桿52、水平轉(zhuǎn)動(dòng)套54、轉(zhuǎn)軸套55組成。當(dāng)進(jìn)行大角度粗調(diào)時(shí)，放松防轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)桿42，裝置以水平支架12 可進(jìn)行360度的大范圍調(diào)節(jié)。當(dāng)角度選定時(shí)鎖緊防轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)桿42，然后調(diào)節(jié)水平調(diào)節(jié)桿27進(jìn)行水平方向小角度的調(diào)節(jié)。該角度調(diào)節(jié)的精度主要依靠水平調(diào)節(jié)桿螺紋的精度，即螺紋每旋轉(zhuǎn)一周的導(dǎo)程。
2.4.6垂直仰角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)
如圖2.6，垂直仰角和水平轉(zhuǎn)角的調(diào)節(jié)原理基本相似，垂直仰角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的主要部分由立式支架47、垂直調(diào)節(jié)片19、垂直壓緊簧套18、器件保持架20、垂直止推桿16、垂直調(diào)節(jié)桿22組成。當(dāng)需要對(duì)垂直仰角進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)垂直調(diào)節(jié)桿進(jìn)行垂直方向上的小角度的調(diào)節(jié)。該垂直角度調(diào)節(jié)的精度主要依靠垂直調(diào)節(jié)桿上螺紋的精度，即螺紋每旋轉(zhuǎn)一周的導(dǎo)程。
圖2.5水平轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)
圖2.6垂直仰角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)
2.5 本章小結(jié)
本章主要對(duì)微調(diào)工作臺(tái)的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步設(shè)想，確定了工作臺(tái)的基本尺寸和主要參數(shù)，敘述了工作臺(tái)的用途、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、機(jī)體主要材料的選取及工作臺(tái)的導(dǎo)軌形式的選擇。
還從四維微調(diào)工作臺(tái)的X方向粗調(diào)、X方向微調(diào)、Y方向粗調(diào)、Z方向調(diào)節(jié)、水平轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)、垂直仰角調(diào)節(jié)六大調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)四維微調(diào)工作臺(tái)的組成及工作原理進(jìn)行了詳細(xì)而系統(tǒng)的闡述。使四維微調(diào)工作臺(tái)的整體設(shè)計(jì)、具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定下來(lái)。
第3章 四維微調(diào)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 微調(diào)工作臺(tái)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1.1X軸方向粗調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.參數(shù)的選擇和計(jì)算
(1)精度的選擇
微調(diào)工作臺(tái)屬于精密機(jī)械，齒輪－齒條傳動(dòng)速度低，精度高，選定精度為6級(jí)。（GB10095-88）
(2)材料的選擇
查《機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，根據(jù)使用要求，選用齒輪的材料為45號(hào)鋼（滲碳后淬火），齒條的材料選用45號(hào)鋼（調(diào)質(zhì)后表面淬火）。前者硬度為300HBS,后者硬度260HBS。
(3)初選齒輪、齒條基本參數(shù)
根據(jù)設(shè)計(jì)要求—傳動(dòng)精度高，尺寸空間小，使用類(lèi)比法，初選齒輪的模數(shù)，齒數(shù)，壓力角。
則分度圓直徑
。
又根據(jù)《機(jī)械原理》，為滿足齒輪、齒條能正確的嚙合且能連續(xù)傳動(dòng)，齒條的模數(shù)，壓力角 。依據(jù)X軸方向運(yùn)動(dòng)的范圍，并考慮整個(gè)機(jī)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，齒條的理論長(zhǎng)度應(yīng)為。
而齒距
， (3.1)
則齒條的齒數(shù)
， (3.2)
取
。
為了滿足行程條件及齒輪－齒條的完整嚙合，應(yīng)齒數(shù)上留有余量，初定此條的齒數(shù)。所以齒條實(shí)際嚙合的長(zhǎng)度
。
圓整取
2強(qiáng)度的校核
(1)接觸強(qiáng)度校核
接觸強(qiáng)度校核的基點(diǎn)是：齒輪節(jié)點(diǎn)處的計(jì)算接觸應(yīng)力應(yīng)不小于其許用的接觸應(yīng)力。即：
(3.3)
或接觸強(qiáng)度計(jì)算安全系數(shù)應(yīng)小于接觸強(qiáng)度的最小安全系數(shù)。
即：
(3.4)
此設(shè)計(jì)的齒輪采用第一種方法校核。根據(jù)赫茨公式，可以導(dǎo)出接觸應(yīng)力基本值的計(jì)算式
(3.5)
式中，—節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)；
—彈性系數(shù)；
—重合度系數(shù)；
－螺旋角系數(shù)；
－分度圓上的名義切向載荷；
－最小工作齒寬（）；
－齒輪的分度圓直徑；
－齒數(shù)比。
根據(jù)接觸應(yīng)力的基本值，再乘以四個(gè)與負(fù)載有關(guān)的修正系數(shù)，即可獲得計(jì)算接觸應(yīng)力。即
(3.6)
式中，－使用系數(shù)；
－動(dòng)載系數(shù)；
－接觸強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)；
－接觸強(qiáng)度計(jì)算的齒間載荷分布系數(shù)。
而許用接觸應(yīng)力可依據(jù)試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限、接觸強(qiáng)度計(jì)算的最小安全系數(shù)及六個(gè)修正系數(shù)確定。即：
(3.7)
式中，－接觸強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù)；
－速度系數(shù)；
－粗糙度系數(shù)；
－工作硬化系數(shù)；
－潤(rùn)滑劑系數(shù)；
－接觸強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù)。
綜上所述，查《現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)》，
對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)直齒輪，取
；
查表知
； (3.8)
對(duì)于直齒輪
(3.9)
式中，-端面重合度。
根據(jù)齒數(shù)和模數(shù)查表知
(3.10)
則
螺旋角系數(shù)
(3.11)
根據(jù)各零件的初估重量及滑動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)，取，。
則
(3.12)
初選齒輪的齒寬，齒條的齒寬。
則
因?yàn)辇X條的分度圓直徑為無(wú)窮大， (3.13)
所以
據(jù)式3.5，可得
又查表知：
使用系數(shù)
動(dòng)載荷系數(shù)
接觸強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)，據(jù)齒輪的布置為對(duì)稱(chēng)布置
(3.14)
式中，為齒寬系數(shù)；為齒寬。取
由式3.14，計(jì)算有
接觸強(qiáng)度計(jì)算的齒間載荷分布系數(shù)
所以由式3.6，
根據(jù)齒輪的材料
查表有：
接觸疲勞極限
接觸強(qiáng)度計(jì)算的最小安全系數(shù)
因、、、、、的精確定量較為困難，根據(jù)《精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》，按經(jīng)驗(yàn)取
接觸強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù)
速度系數(shù)
粗糙度系數(shù)
工作硬化系數(shù)
潤(rùn)滑劑系數(shù)
接觸強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù)
據(jù)式3.7，
據(jù)式3.3，因而有
故滿足要求。
（2）彎曲強(qiáng)度的校核
彎曲強(qiáng)度校核的基點(diǎn)是：計(jì)算齒根應(yīng)力應(yīng)不大于許用齒根應(yīng)力。
即
(3.15)
或彎曲強(qiáng)度的計(jì)算安全系數(shù)應(yīng)不小于彎曲強(qiáng)度的最小安全系數(shù)，
即
此設(shè)計(jì)的齒輪按第一種方法校核。
齒根應(yīng)力的基本值
(3.16)
式中：-法面模數(shù)；
-齒形系數(shù)；
-應(yīng)力系數(shù)；
-螺旋角系數(shù)；
-重合度系數(shù)。
根據(jù)齒根應(yīng)力基本值，再取四個(gè)與負(fù)載相關(guān)的系數(shù)，有
(3.17)
式中：-彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)；
-彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒間載荷分布系數(shù)。
查《現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)》并計(jì)算可得
齒形系數(shù)
應(yīng)力系數(shù)
螺旋角系數(shù)
重合度系數(shù)
所以由式3.16，
依接觸強(qiáng)度校核中的選取
使用系數(shù)
動(dòng)載荷系數(shù)
查表可得
彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)，根據(jù)值及其齒寬與齒高之比，
查表有
彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒間載荷分布系數(shù)
計(jì)算式3.17，可得
對(duì)于，可依據(jù)實(shí)驗(yàn)齒輪齒根的彎曲疲勞極限、彎曲強(qiáng)度計(jì)算的最小安全系數(shù)及五個(gè)修正系數(shù)確定，
即
(3.18)
式中，-實(shí)驗(yàn)齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)；
-實(shí)驗(yàn)齒輪的壽命系數(shù)；
-相對(duì)齒根圓角敏感系數(shù)；
-相對(duì)齒根表面狀況系數(shù)；
-彎曲強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù)；
-彎曲強(qiáng)度最小安全系數(shù)。
因、、、、的精確定量較為困難，根據(jù)《精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》的推薦取
=1.05
查表可得
取
由式3.18，計(jì)算有
據(jù)式3.14，因而有
滿足要求。
3幾何參數(shù)的確定
根據(jù)以上驗(yàn)算，初選的數(shù)據(jù)均可用。
齒輪齒條幾何尺寸的計(jì)算
模數(shù)
壓力角
分度圓直徑
(3.19)
齒全高
(3.20)
齒頂圓直徑
(3.21)
齒根圓直徑
(3.22)
頂隙
(3.33)
幾何尺寸如表3.1。
4齒輪、齒條的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于齒輪的直徑比較小，宜作成齒輪軸的形式，再者此齒輪軸需要手動(dòng)調(diào)節(jié)，故應(yīng)有在齒輪軸上有一調(diào)節(jié)桿，并根據(jù)使用要求及整體結(jié)構(gòu)的布置，齒輪軸的整體設(shè)計(jì)如圖3.1，
表3.1 齒輪參數(shù)
參數(shù)名稱(chēng)
數(shù)值（）
模數(shù)
壓力角
分度圓直徑
齒全高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
頂隙
圖3.1 齒輪結(jié)構(gòu)
對(duì)于齒條，自身在做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)上部的光學(xué)器件移動(dòng)，應(yīng)把它固定在導(dǎo)軌上，故齒條的兩端有一段非嚙合區(qū)來(lái)和導(dǎo)軌通過(guò)螺栓來(lái)緊固，結(jié)構(gòu)圖及尺寸如圖3.2。
圖3.2 齒條結(jié)構(gòu)
3.1.2Y軸方向的粗調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于Y 軸方向的粗調(diào)實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)原理與X軸方向相同，且運(yùn)動(dòng)的范圍也一樣，所以可以采用與X軸方向調(diào)節(jié)相同的齒輪-齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)Y 軸方向的粗調(diào)。即完全采用X軸方向調(diào)節(jié)的齒輪-齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，選用的材料同，參數(shù)也相同。
3.1.3Z軸方向的粗調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，螺母和螺桿并不是原始定義的螺母與螺桿，螺桿是由立柱和螺桿組成，如圖3.3：
1.軸蓋 2.鎖緊螺釘 3.螺釘 4.直槽螺套 5.立柱 6.螺桿 7.軸套
圖3.3 Z軸方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)
螺桿伸出部分相當(dāng)于螺紋的牙，而螺母相當(dāng)于是在直槽螺套中加工出螺旋槽。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)直槽螺套時(shí)，螺桿在螺套的螺旋槽中運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)立柱上升，從而實(shí)現(xiàn)Z軸方向的調(diào)節(jié)。若使用一個(gè)軸套來(lái)限制立柱的轉(zhuǎn)動(dòng)，那么立柱在Z軸方向只有平動(dòng)了。
1設(shè)計(jì)計(jì)算
（1）螺紋類(lèi)型的選擇
此螺旋傳動(dòng)結(jié)構(gòu)主要是傳遞運(yùn)動(dòng)，傳遞的功率小，速度慢（手動(dòng)），精度較X、Y軸方向低，因還要承受一定的力，可以采用矩形螺紋傳動(dòng)。
（2）材料的選擇
立柱、螺桿選用45號(hào)鋼，，螺套也選用45號(hào)鋼。
（3）母強(qiáng)度的校核
當(dāng)立柱上升時(shí)，螺旋副要承受一定整體機(jī)構(gòu)重力所帶來(lái)的壓力，所以相當(dāng)于螺母螺紋牙的要有一定的強(qiáng)度。如果將一圈螺紋沿螺母的螺紋大徑處展開(kāi)，則可看見(jiàn)寬度為的懸臂梁。假設(shè)螺母每圈螺紋所承受的平均壓力為，并作用在以螺紋中徑為直徑的圓周上，則螺紋牙危險(xiǎn)截面的剪切強(qiáng)度條件為
(3.24)
螺紋危險(xiǎn)截面的彎曲強(qiáng)度條件為
(3.25)
式中： -螺紋牙的厚度；
-彎曲力臂；
-螺母材料的許用切應(yīng)力；
-螺母材料的許用彎曲應(yīng)力；
-旋合螺紋的圈數(shù)。
因?yàn)閆軸方向的調(diào)節(jié)在位移和精度上沒(méi)有具體的要求，屬于小范圍調(diào)節(jié)，所以考慮螺桿要有一定直徑的基礎(chǔ)上，初選螺母的螺距，對(duì)于矩形螺紋，螺紋牙根部的厚度
根據(jù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，有
（4）螺母的選取
根據(jù)整體結(jié)構(gòu)的需要，考慮立柱上方部分工作的穩(wěn)定性，螺母不僅起傳遞運(yùn)動(dòng)的作用，還要支承上部結(jié)構(gòu)，可選直槽螺套的直徑為，螺紋的中徑為，有，并初定螺套的長(zhǎng)度為。
根據(jù)承載結(jié)構(gòu)部件的數(shù)量，初估軸向壓力
查表可得
螺母材料的許用切應(yīng)力
螺母材料的許用彎曲應(yīng)力
據(jù)式3.24，3.25計(jì)算
，
很明顯可知，
螺母螺紋牙的強(qiáng)度滿足要求。
（5）立柱與螺桿的選擇
根據(jù)直槽螺套的直徑，可取立柱的直徑為
而螺桿在滿足強(qiáng)度和剛度的條件下，可取的標(biāo)準(zhǔn)螺桿。
3.1.4X軸方向微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
1耐磨性計(jì)算
滑動(dòng)螺旋的磨損與螺紋工作面的壓力、滑動(dòng)速度、螺紋表面粗糙度以及潤(rùn)滑狀態(tài)等因素有關(guān)。其中最主要的是螺紋工作面的壓力，壓力越大，螺旋副越容易形成過(guò)度磨損。因此，滑動(dòng)螺旋的耐磨性計(jì)算，主要是限制螺紋工作面上的壓力，使其小于材料的需用應(yīng)力。
假設(shè)作用于螺桿的軸向力為，螺紋的承壓面積為，螺紋中徑為，螺母的工作高度為，螺紋螺距為，螺母高度為，螺紋的工作圈數(shù)為，則螺紋工作面上的耐磨條件為
(3.26)
式中，—螺紋工作表面實(shí)際平均壓強(qiáng)；
—需用壓強(qiáng)；
—軸向載荷；
—螺紋的工作圈數(shù)；
—螺紋的中徑；
—螺紋的工作高度；
——螺母的高度；
——螺距。
若令，則，代入式3.26，整理可得
(3.27)
對(duì)于梯形螺紋，，所以
(3.28)
因螺母采用的是整體螺母，磨損后不能調(diào)整間隙，
故取
根據(jù)設(shè)計(jì)的整體結(jié)構(gòu)，初估微調(diào)裝置上部的質(zhì)量為，滑動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)，則有軸向力
查表取
由式3.28，計(jì)算有
考慮到裝置的可操作性及加工，選用的螺桿，
則螺母的高度
據(jù)微調(diào)的分辨率，取螺紋的螺距
。
2螺紋剛度計(jì)算
螺桿在軸向載荷和轉(zhuǎn)矩的作用下將產(chǎn)生變形，引起螺距的變化，從而影響螺旋傳動(dòng)的精度。因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行剛度的計(jì)算，以便把螺距點(diǎn)變化限制在允許的范圍內(nèi)。
螺桿受軸向載荷時(shí)，一個(gè)螺距的變化量
(3.29)
式中，——螺距；
——螺桿材料拉壓彈性模量；
——螺桿螺紋截面面積。
螺桿受到扭矩時(shí)，螺桿在一個(gè)螺距長(zhǎng)度上產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角
(3.30)
由此引起一個(gè)螺距的變化量
(3.31)
式中：—螺桿材料的剪切彈性模量；
—螺桿螺紋的極慣性矩。
螺桿在軸向載荷和轉(zhuǎn)矩同時(shí)作用下，一個(gè)螺距的總變化量為
(3.32)
考慮到次螺旋機(jī)構(gòu)主要是傳遞運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)矩極小，故可以只計(jì)算軸向力的作用下的變形影響。上式可以簡(jiǎn)化為
(3.33)
螺桿的材料為45號(hào)鋼，查表可得
螺桿的外徑為，則其基本牙型高度為
所以
對(duì)于梯形螺紋，螺桿螺紋的截面面積按中徑來(lái)計(jì)算
有
所以由式3.33，可得
可見(jiàn)變形量很小，查表知螺桿的螺紋選用7級(jí)精度即可滿足要求。
3螺旋傳動(dòng)的誤差分析
螺旋傳動(dòng)的誤差是指螺母相對(duì)螺桿的實(shí)際位移與理論值之間的最大差值。對(duì)于精密機(jī)械所采用的精密測(cè)量螺旋傳動(dòng)，關(guān)于其傳動(dòng)精度的概念嚴(yán)格來(lái)說(shuō)應(yīng)包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：其一是傳動(dòng)誤差，即傳動(dòng)的準(zhǔn)確性。在開(kāi)環(huán)控制中的螺旋傳動(dòng)，傳動(dòng)的準(zhǔn)確程度直接影響測(cè)量精度。其二是傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)的靈活性，在閉環(huán)控制中的螺旋傳動(dòng)，由于采用一定的閉環(huán)控制手段后，螺旋傳動(dòng)的精度在精密機(jī)械本身的精度中已不再起決定性作用，這時(shí)應(yīng)注意它的運(yùn)動(dòng)靈活性。
影響螺旋傳動(dòng)精度的因素有：制造誤差，主要是螺紋參數(shù)的誤差，包括螺距誤差、中徑圓柱度等；結(jié)構(gòu)及裝調(diào)誤差，包括軸向串動(dòng)、螺桿安裝與導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向的偏斜等；使用中的誤差，由于外界環(huán)境變化，如溫度變化等所引起的誤差。
（1）螺距誤差
螺距的實(shí)際值與理論值之差稱(chēng)為螺距誤差。螺距誤差按使用要求可分為單個(gè)螺距誤差（俗稱(chēng)周期誤差）和螺距累計(jì)誤差（俗稱(chēng)累計(jì)誤差）。螺距誤差直接影響傳動(dòng)精度。
單個(gè)螺距誤差是指螺桿旋轉(zhuǎn)1周螺母實(shí)際位移與理論值之差。它的形式往往呈周期形狀，主要是在制造過(guò)程中由加工機(jī)床本身的運(yùn)動(dòng)精度引起的，它與螺桿的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。對(duì)高精度的螺紋磨床，單個(gè)螺距誤差可做到。
螺距累計(jì)誤差是指在螺紋與全長(zhǎng)范圍內(nèi)任意兩同側(cè)螺紋面間距離對(duì)公稱(chēng)尺寸的偏差的最大代數(shù)差，它與螺紋長(zhǎng)度有關(guān)，螺紋長(zhǎng)度越長(zhǎng)往往螺距累計(jì)誤差越大。螺桿螺距累計(jì)誤差是由制造過(guò)程加工機(jī)床本身的精度不夠，加工中安裝裝卡螺桿時(shí)位置不正確以及制造過(guò)程中室內(nèi)溫度變化等造成的。
螺距累計(jì)誤差為
式中,—螺桿的第個(gè)螺距誤差；
—螺距的次序；
—螺桿旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，。
（2）中徑、中徑圓柱度和圓度誤差
螺桿和螺紋的大徑、小徑和中徑在制造過(guò)程中都會(huì)有誤差出現(xiàn)，大徑和小徑處有較大的間隙，互不接觸，中徑是配合尺寸，為了使螺桿和螺母運(yùn)動(dòng)靈活，配合處需要有一定的均勻間隙，因此螺桿全長(zhǎng)上中下徑尺寸變動(dòng)量的公差，應(yīng)予以控制。
中徑圓柱度和圓度誤差也會(huì)引起螺距的變化，影響傳動(dòng)精度和運(yùn)動(dòng)靈活性。圓度的誤差，會(huì)使螺旋傳動(dòng)中螺桿轉(zhuǎn)1圈時(shí)出現(xiàn)半圈松半圈緊的現(xiàn)象，而圓柱度誤差會(huì)使螺桿在全長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)中松緊程度不同，嚴(yán)重影響螺旋傳動(dòng)中運(yùn)