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本科學生畢業(yè)設(shè)計
現(xiàn)代工業(yè)超精密結(jié)構(gòu)設(shè)計
系部名稱：
機電工程學院
專業(yè)班級：
機械設(shè)計制造及其自動化08-3班
學生姓名：
指導教師：
職 稱：
哈 爾 濱 工 程 大 學
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
哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)設(shè)計
摘 要
在當前的工程設(shè)計實驗中，激光發(fā)射器和各種光學器件的調(diào)節(jié)定位，都需要一種高精度的定位測量儀器。正是在這種需求下，產(chǎn)生了一系列精密定位測量儀器，本文設(shè)計了精密定位測量儀器四維微調(diào)工作臺。
本設(shè)計對四維微調(diào)工作臺的精密定位原理及結(jié)構(gòu)組成進行了研究。為了實現(xiàn)高精度的快速定位，在系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用粗動臺和微動臺的組合結(jié)構(gòu)進行控制，達到了滿意的定位精度。四維微調(diào)工作臺是一種高精密定位工作臺，通過齒輪、齒條和螺旋的傳動，實現(xiàn)X、Y、Z軸方向的調(diào)節(jié)，同時還可進行水平轉(zhuǎn)角以及垂直仰角的調(diào)節(jié)。
實現(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° 角度精細調(diào)節(jié)范圍：±5°的主要技術(shù)指標。
關(guān)鍵詞：四維微調(diào)；調(diào)節(jié)定位；微調(diào)工作臺；測量儀器；定位工作臺。
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國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.2.1微調(diào)工作臺的驅(qū)動方式 1
1.2.2國外研究現(xiàn)狀 2
1.2.3我國的研究現(xiàn)狀 3
1.3微調(diào)精密定位工作臺的發(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)計的總體方案設(shè)計 7
2.1精密結(jié)構(gòu)設(shè)計及特點 7
2.1.1機身結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足下列要求 7
2.1.2精密結(jié)構(gòu)設(shè)計特點 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)導軌設(shè)計形式的選擇 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)機構(gòu) 9
2.4.2X方向微調(diào)機構(gòu) 10
2.4.3 Y方向粗調(diào)機構(gòu) 10
2.4.4 Z方向調(diào)節(jié)機構(gòu) 11
2.4.5水平轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)機構(gòu) 12
2.4.6垂直仰角調(diào)節(jié)機構(gòu) 12
2.5 本章小結(jié) 14
第3章精密結(jié)構(gòu)工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計 15
3.1 微調(diào)工作臺的傳動設(shè)計計算 15
3.1.1X軸方向粗調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計 15
3.1.2Y軸方向的粗調(diào)機構(gòu)設(shè)計 24
3.1.3Z軸方向的粗調(diào)機構(gòu)設(shè)計 24
3.1.4X軸方向微調(diào)機構(gòu)設(shè)計 26
3.1.5仰角調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計 31
3.2導軌的設(shè)計 32
3.2.1作用力方向和作用點位置對導軌工作的影響分析 32
3.2.2導軌主要尺寸的確定 34
3.2.3導軌的誤差分析 35
3.3彈簧的設(shè)計 35
3.3.1X軸方向微調(diào)機構(gòu)的彈簧設(shè)計 35
3.3.2繞Z軸旋轉(zhuǎn)微調(diào)機構(gòu)的彈簧設(shè)計 38
3.3.3仰角調(diào)節(jié)機構(gòu)的彈簧設(shè)計 39
3.4微調(diào)工作臺的支撐和基座設(shè)計 39
3.4.1支承的設(shè)計 39
3.4.2基座的設(shè)計 40
3.5本章小結(jié) 41
第4章 示數(shù)裝置的設(shè)計 42
4.1示數(shù)裝置設(shè)計要求 42
4.2示數(shù)裝置的分類 42
4.3X－Y軸方向粗調(diào)示數(shù)裝置的設(shè)計 42
4.3.1類型的選擇 42
4.3.2標尺與指針的選擇 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 43
4.4.1設(shè)計原理 43
4.4.2設(shè)計計算 43
4.5本章小結(jié) 44
結(jié)論 45
參考文獻 46
致謝 48
50
第1章 緒 論
1.1課題背景及研究意義
隨著科學技術(shù)的發(fā)展，在電子、光學、機械制造等眾多技術(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系統(tǒng)用以直接進行工作或配合其它儀器設(shè)備完成高精度的定位和測量。正是這種需要極大地促進了高精密定位和測量技術(shù)發(fā)展。
高精度和高分辨率的超精密工作臺系統(tǒng)在近代尖端工業(yè)生產(chǎn)和科學研究領(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、精密測量水平及超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)水平。同時,它的各項技術(shù)指標是各國高技術(shù)發(fā)展水平的重要標志。
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
大行程超精密工作臺主要的類型有直線電機式驅(qū)動、摩擦式驅(qū)動，也有采用兩級進給的方式，即采用粗動與精動兩套系統(tǒng)，以同時兼顧大行程、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系統(tǒng)在近代尖端工業(yè)生產(chǎn)和科學研究領(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、精密測量水平及超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)水平。同時，它的各項技術(shù)指標是各國高技術(shù)發(fā)展水平的重要標志。
超精密工作臺系統(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，工作臺的速度、加速度及啟停過程的穩(wěn)定時間則影響設(shè)備的效率，成為系統(tǒng)的重要指標。這些一次定位的精密工作臺系統(tǒng)可以按精度高低和行程大小分為兩類:小行程、極高精度的工作臺系統(tǒng)和大行程、高精度的工作臺系統(tǒng)。小行程極高精度工作臺大多采用壓電元件或電磁元件作為驅(qū)動裝置。行程多在數(shù)十微米的范圍內(nèi)，但位移分辨率可高達1nm。大行程高精度工作臺是指行程達毫米級以上，但定位精度略低于小行程系統(tǒng)的工作臺系統(tǒng)。它大多采用直線電機或摩擦式驅(qū)動方式，運動分辨率大多在10nm左右。
1.2.1微調(diào)工作臺的驅(qū)動方式
摩擦傳動具有正反空程小、傳動平穩(wěn)、噪聲小等優(yōu)點，適合精密定位。其不足之處是負載能力小，不能夠產(chǎn)生太大的驅(qū)動力，否則傳動過程容易產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，因此限制了摩擦驅(qū)動的應(yīng)用范圍。
與傳統(tǒng)機床進給驅(qū)動相比，直線電機驅(qū)動具有以下優(yōu)點：省略了中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)，減少了機械磨損，系統(tǒng)運行時可以保持高增益，實現(xiàn)精確的進給前饋，對給定的加工路徑可以用高速進行準確跟蹤，從而保證了機床的高精度和使用壽命。運行時，直線電機不像旋轉(zhuǎn)電機那樣會受到離心力作用，因此其直線速度不受限制。直線驅(qū)動的慣性主要存在于滑臺，因此加工時可以有很高的加速度。直線電機靠電磁推力驅(qū)動，故系統(tǒng)噪聲很小，改善了工作環(huán)境。過去應(yīng)用直線電機驅(qū)動主要集中在高速進給領(lǐng)域，利用了它可以有很高的加速度和運行速度的優(yōu)點，但隨著電機技術(shù)的發(fā)展，直線電機驅(qū)動開始向精密定位發(fā)展，如日本研制的幾款超精密工作臺都應(yīng)用了直線電機驅(qū)動。與傳統(tǒng)的進給方式相比，在精密定位領(lǐng)域，直線電機驅(qū)動擁有更廣闊的應(yīng)用前景。
1.2.2國外研究現(xiàn)狀
目前，國外在精密定位技術(shù)方而的研究成果較多，世界上各發(fā)達國家對高精密技術(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的定位精度達到±2 nm，韓國漢城大學研制的宏微結(jié)合的200mm行程精密工作臺，以激光干涉儀作為位置反饋元件，定位精度達到10nm。這一類疊加式宏微組合的精密工作臺，更具有實用性，現(xiàn)已成為研制大行程精密定位技術(shù)的熱點。英國的國家物理研究所所研制的微形貌納米測量儀器的測量范圍是0.001nm-3nm。美國一些大學在電子行業(yè)和計算機行業(yè)的一些大公司支持下,開展了納米精度的位移測量和定位工作的研究,也取得了令人矚目的成就。
1.直線電機式超精密工作臺
東京工業(yè)大學研制了具有納米級分辨率的一維直線電機驅(qū)動超精密工作臺。它采用氣浮導軌導向，行程300mm,導軌的垂直剛度600N/um，水平剛度220N/um。工作臺重19.6kg，全部采用氧化鋁陶瓷材料。直線電機驅(qū)動力160N ,最大加速度6.4 m/s,最大速度320mm/s。反饋測量系統(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)采用帶前饋補償?shù)腜1D控制器。它最大的特點是配置了一部電流變阻尼器，可以主動控制系統(tǒng)的動靜態(tài)特性。系統(tǒng)可以實現(xiàn)2nm的步進定位。直線電機式工作臺也可以設(shè)計成一維運動一體化的工作臺。住友重工公司開發(fā)的直線電機驅(qū)動的X-Y工作臺具有快速運動響應(yīng)。2.54mm的步進運動只需37ms就可使定位誤差在±10um以內(nèi)?？焖夙憫?yīng)對于激光加工和半導體生產(chǎn)是非常關(guān)鍵的。
為了實現(xiàn)平而內(nèi)的轉(zhuǎn)動而研制了三自由度的一維直線電機式工作臺。定位工作臺由3個空氣軸承墊在底板上導向，通過合成3個直線電機的驅(qū)動力而產(chǎn)生3自山度(x,y, z)的運動。工作臺重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的定位反饋。實驗測得工作臺在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)動超精密工作臺
法國Mekid研制的摩擦驅(qū)動工作臺重100kg,通過液體靜壓導軌支撐，工作臺的行程為220mm.直線工作臺的定位精度可達16nm,最大速度為10mm/s。
臺灣淡江大學Chao等人設(shè)計了利用氣體支撐的摩擦輪驅(qū)動工作臺。反饋測量裝置是一臺量程為632.99nm的Hewlett Packard激光干涉儀，整個裝置被放置在溫度20±1℃和濕度60±5%的環(huán)境中。在50500 nm和10mm步進運動情況下，定位精度均優(yōu)15nm。
國防科技大學的羅兵、李圣怡等對摩擦扭輪式精密工作臺進行了研究。此系統(tǒng)由高分辨率電機、摩擦扭輪傳動機構(gòu)、空氣靜壓導軌和控制計算機等組成。摩擦扭輪傳動機構(gòu)導程0 .26mm，光杠長度650mm,螺母剛度3 kg/mm;氣體靜壓導軌行程300mm，設(shè)計直線度0.5um/200mm；交流伺服電機旋轉(zhuǎn)分辨率1r/655360；實驗結(jié)果表明：在300mm的行程上運動分辨率達到10nm。
1.2.3我國的研究現(xiàn)狀
國內(nèi)對高精度精密定位研究也很重視。很多家國內(nèi)重點大學和知名企業(yè)開展了高精密定位儀器的研究開發(fā)，微調(diào)定位工作臺的定位精度大致在1um左右，分辨率在0.1um左右，但這些數(shù)據(jù)大多是樣機系統(tǒng)在實驗室條件下達到的。由于我國在高精度傳感器，微進給技術(shù)以及計算機技術(shù)上的限制，在研發(fā)高精度定位平臺及其產(chǎn)業(yè)化上尚需努力。
清華大學與上海微電子裝備有限公司合作開展研究，搭建了國內(nèi)第一套以10nm運動精度為目標的氣浮運動試驗臺，并進行超精密測量和運動控制的研究，己經(jīng)取得了良好的研究進展。整個超精密工件臺試驗系統(tǒng)由質(zhì)量達5t的花崗石底座、基臺、(主動)隔振元件、兩套超精密直線運動系統(tǒng)組成。每套直線運動系統(tǒng)由桑層的粗動與精動系統(tǒng)組成，并由雙頻激光干涉儀提供位置檢測和閉環(huán)運動反饋，檢測精度可達到2nm。長行程超精密導軌、氣浮滑塊、直線電機(Linear motor)、直線光柵組成大行程粗動系統(tǒng)可以實現(xiàn)300mm以上的行程，2g以上的加速度和1000m/s以上的速度。但其動態(tài)運動精度僅能達到幾微米，定位精度可以達到數(shù)百納米。為了實現(xiàn)10nm乃至更高的運動精度，在上述大行程運動系統(tǒng)的氣浮滑塊上桑加安裝了超精密氣浮微動臺，以對粗動精度進行微動補償。微動臺采用音圈電機(Voice coil motor)驅(qū)動，電容傳感器進行微動位置檢測。雙頻激光干涉儀的測量鏡安裝在微動臺的動臺上，實現(xiàn)對粗、精動運動系統(tǒng)最終的位置監(jiān)測和運動反饋。到2003年12月，運動定位精度己經(jīng)達到12nm。
1.3微調(diào)精密定位工作臺的發(fā)展前景
超精密工作臺系統(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,工作臺的速度、加速度及啟停過程的穩(wěn)定時間則影響設(shè)備的效率,成為系統(tǒng)的重要指標。這些一次定位的精密工作臺系統(tǒng)可以按精度高低和行程大小分為兩類:小行程、極高精度的工作臺系統(tǒng)和大行程、高精度的工作臺系統(tǒng)。小行程極高精度工作臺大多采用壓電元件或電磁元件作為驅(qū)動裝置。行程多在數(shù)十微米的范圍內(nèi),但位移分辨率可高達1nm。大行程高精度工作臺是指行程達毫米級以上,但定位精度略低于小行程系統(tǒng)的工作臺系統(tǒng)。它大多采用直線電機或摩擦式驅(qū)動方式,運動分辨率大多在10nm左右。大行程超精密工作臺主要的類型有直線電機驅(qū)動、摩擦驅(qū)動式,也有采用兩級進給的方式,即采用粗動與精動兩套系統(tǒng),以同時兼顧大行程、高響應(yīng)速度和高定位精度。
如今，高精密的測量定位儀器在社會的各個領(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，社會的進步，對高精密的測量定位儀器的精度要求越來越高。大范圍、高精度是對微動工作臺提出的新要求，然而大行程和高精度是微動技術(shù)中的一對矛盾。因此微動工作臺的未來研究方向應(yīng)圍繞如何解決這一對矛盾展開。
1.多種微運動相結(jié)合技術(shù)：結(jié)合多種微動方法以彌補各自的不足仍然是解決以上問題的主要辦法。比如在現(xiàn)有研究已經(jīng)成熟的各種微動工作臺基礎(chǔ)上，妥善解決好其中兩種或者多種微動工作臺間的兼容性，解決好機械結(jié)構(gòu)間的裝配誤差、多種平臺間的定位誤差，采用粗動和微動相結(jié)合的方法，粗動臺用以完成快速大范圍，微動工作臺實現(xiàn)高精度，也就是說通過微動工作臺對粗動工作臺由于運動所帶來的誤差進行精度補償，以此實現(xiàn)大范圍、高精度的要求。
2.新型納米級微動工作臺的研究：運動方向間的交叉藕合嚴重影響納米微動工作臺的定位精度，因此需進一步研究運動導向結(jié)構(gòu)，從運動原理上有效地消除運動方向間的交叉藕合產(chǎn)生的定位誤差，提高納米級微動工作臺的定位精度。
3.改進控制策略：如采用建立遲滯和蠕變數(shù)學模型進行開環(huán)控制來避免因反饋而可能引起的不穩(wěn)定問題，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.磁懸浮微動工作臺性能的進一步提高：在現(xiàn)有磁懸浮微動工作臺基礎(chǔ)上，充分考慮磁滯非線性、磁飽和以及高次諧波對系統(tǒng)精度的影響，解決運動控制和定位技術(shù)，從而實現(xiàn)納米級精度的大范圍運動。
未來的大范圍高精度納米測量要求在數(shù)十毫米以上的范圍內(nèi)達到至少亞納米級的測量精度，這不僅使只采用其中之一的測量方法難以實現(xiàn)，就連現(xiàn)在許多結(jié)合了多種測量的方法也是很難辦到的。對納米測量而言，能否取得高精度和大范圍，這在很大程度上取決于信號處理的精度。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，加快信號處理的速度、加大處理量、更好的濾除噪聲對達到未來的測量需求是一個很好的解決方案;提高測量系統(tǒng)中機械系統(tǒng)的裝配和運動精度、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)計對環(huán)境不敏感的測量系統(tǒng)都是大范圍高精度納米測量進一步發(fā)展所必須要解決的問題。當前儀器設(shè)備的發(fā)展趨勢:主要是向大型化、自動化、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)工作臺在系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計上，采用粗動臺和微動臺的組合結(jié)構(gòu)，即由粗動臺來完成高速運行，解決整個系統(tǒng)的速度問題，進行粗定位，然后由微動臺完成精定位，這樣可使定位系統(tǒng)達到極高的定位精度和靈敏度，控制簡單可靠。該機構(gòu)采用了齒輪、齒條和螺旋傳動原理，因此能夠?qū)崿F(xiàn)X、Y、Z軸方向的調(diào)節(jié)，同時還可進行水平轉(zhuǎn)角以及垂直仰角的調(diào)節(jié)。
作為理想的微動工作臺,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態(tài)特性;同時還應(yīng)滿足工作行程的要求。以此為前提,我們設(shè)計了由齒輪、齒條和螺旋傳動原理構(gòu)成的機構(gòu)。四維微調(diào)工作臺在系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計上，采用粗動臺和微動臺的組合結(jié)構(gòu)，即由粗動臺來完成高速運行，解決整個系統(tǒng)的速度問題，進行粗定位，然后由微動臺完成精定位，這樣可使定位系統(tǒng)達到極高的定位精度和靈敏度，控制簡單可靠。該機構(gòu)采用齒輪、齒條和螺旋傳動原理，能夠?qū)崿F(xiàn)X、Y、Z軸方向的調(diào)節(jié)，同時還可進水平轉(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)通過轉(zhuǎn)動橫向調(diào)節(jié)螺桿，利用齒輪和齒條嚙合使轉(zhuǎn)動變?yōu)槠絼?，實現(xiàn)X軸方向上的粗調(diào)。精度依靠所設(shè)計的齒輪與齒條的精度，其調(diào)節(jié)范圍依靠齒條的長度，根據(jù)需要可設(shè)計不同的調(diào)節(jié)范圍以滿足實驗要求。
X軸方向的微調(diào)是利用了螺桿轉(zhuǎn)動、螺母移動原理。裝置中運動桿尺和頂桿可看作是螺桿，保持軸套和滑動臺整體看作是螺母，鎖緊螺母主要是為了減小螺紋間隙。旋轉(zhuǎn)運動桿尺來實現(xiàn)微調(diào)，最小移動距離可達到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、螺桿移動原理實現(xiàn)的。直槽螺套相當于螺母，立柱和螺桿組成相當于螺桿，軸套是為了防止螺桿的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)立柱在Z軸方向上平穩(wěn)運動，軸蓋是為了防止直槽螺套的竄動。當轉(zhuǎn)動直槽螺套時，螺桿會沿著旋轉(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，只剩在Z軸上的平動，從而實現(xiàn)了在Z軸方向上的調(diào)節(jié)。當調(diào)好高度時，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)角機構(gòu)由水平止推桿、水平調(diào)節(jié)桿、水平轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)架、防轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)桿，以及連接螺桿、水平轉(zhuǎn)動套、轉(zhuǎn)軸套組成。當進行大角度粗調(diào)時，放松轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)桿，裝置以軸水平轉(zhuǎn)動套可進行360°度的調(diào)節(jié)。當角度選定時鎖緊防轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)桿，然后調(diào)節(jié)水平調(diào)節(jié)桿進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
本文是對四維微調(diào)工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行研究。
首先，本文將對四維微調(diào)工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計從X方向粗調(diào)機構(gòu)、X方向微調(diào)機構(gòu)、Y方向粗調(diào)機構(gòu)、Z方向調(diào)節(jié)機構(gòu)、水平轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)機構(gòu)和垂直仰角調(diào)節(jié)機構(gòu)六大方面著手對四維微調(diào)工作臺的結(jié)構(gòu)組成及工作原理進行詳細的闡述。
其次，將對四維微調(diào)工作臺的傳動方案、機體主要材料及四維微調(diào)工作臺導軌設(shè)計形式進行選擇。
最后，本文將對彈簧、示數(shù)裝置、支承和基座進行設(shè)計。還有，將對四維微調(diào)工作臺的主要機構(gòu)及零件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計并對受載荷較大的零件進行合理性分析。
第2章 四維微調(diào)工作臺的總體方案設(shè)計
2.1微調(diào)工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計及特點
2.1.1機身結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足下列要求
1.機身在滿足強度、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)計應(yīng)便于鑄造或焊接和機加工。
4.必須有足夠的底面積，保證微調(diào)工作臺的穩(wěn)定性。
5.結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)力求減少振動和噪聲。
6.機構(gòu)設(shè)計力求外形美觀。
機構(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，適當加大過渡圓角，減少應(yīng)力集中。結(jié)構(gòu)設(shè)計需使鑄造和加工方便。焊接結(jié)構(gòu)盡量設(shè)計成具有對稱性的截面和對稱性的焊縫位置，以減少焊接變形。要合理布置筋板，數(shù)量不宜過多。焊縫應(yīng)盡量遠離應(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)工作臺的設(shè)計特點
目前大行程超精密工作臺設(shè)計的方案主要有兩種設(shè)計思路：(l)一級進給方式，采用直線電機非接觸進給或利用靜摩擦驅(qū)動進給；(2)兩級進給方式，即采用粗動與精動系統(tǒng)相結(jié)合，以達到高的定位精度和分辨率。
四維微調(diào)工作臺的設(shè)計特點是采用兩級進給方式,即粗動與精動系統(tǒng)相結(jié)合, 粗動工作臺完成高速度大行程，微動工作臺實現(xiàn)其精度要求，也就是說通過微動工作臺對粗動工作臺由于運動所帶來的誤差進行精度補償，以達到高的定位精度和分辨率。兩級進給的方案與單級進給相比,優(yōu)點是可以結(jié)合目前成熟的大行程工作臺技術(shù),降低技術(shù)難度和研制風險,但是不可避免地使工作臺的結(jié)構(gòu)復雜化并增加了控制系統(tǒng)的控制難度。
2.2微調(diào)工作臺機體主要材料的選擇
超精密工作臺要求工作臺具有小質(zhì)量、高剛度和低熱變形。因此工作臺的材料選擇應(yīng)遵循如下原則:密度小、低熱傳導率、低熱膨脹、彈性模量大、技術(shù)要求、經(jīng)濟成本。
目前傳統(tǒng)工作臺的材料仍然為鋼材，但是其密度大、熱導率與熱膨脹系數(shù)大，使得工作臺的性能受到影響。有些機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)陶瓷山于其高強度、高硬度和耐高溫、耐輻射、抗腐蝕等優(yōu)點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)用在精密平臺上是一種發(fā)展趨勢。氧化鋁陶瓷的密度為鋼的一半，熱導率與熱膨脹系數(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)大學與住友重工研制的超精密工作臺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)。主要利用其熱導率低、熱膨脹系數(shù)小、電性能好等優(yōu)點，但其應(yīng)用于精密平臺還未見報道。石英陶瓷密度小(僅為鋼的四分之一，氧化鋁陶瓷的一半)，熱導率與熱膨脹系數(shù)都比鋼
與氧化鋁陶瓷小一個數(shù)量級，缺點是彈性模量較小。石英陶瓷材料更適用于輕載的超精密工作臺。
由于目前傳統(tǒng)工作臺的材料仍然為鋼材,雖然其密度偏大、熱導率與熱膨脹系數(shù)大,使得工作臺的性能受到影響。但從本工作臺的技術(shù)要求可知其精度為毫米、微米級的。在精密工作臺的研究領(lǐng)域精度是相對偏低的。因此由工作臺的技術(shù)要求及經(jīng)濟成本考慮本設(shè)計的工作臺材料仍以鋼材為主，即以45號鋼和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)工作臺導軌設(shè)計形式的選擇
導軌的功用是導向和承載。即保證運動部件在外力作用下，能準確地沿著一定的方向運動。導軌的質(zhì)量在一定程度上決定了微調(diào)工作臺的加工精度、工作能力和使用壽命。因此，導軌必須滿足下列設(shè)計基本要求：
1.導向精度
導向精度是指動導軌沿支承導軌運動時，直線運動導軌的直線性和導軌同其他運動之間相互位置的準確性。
2．精度保持性
為了能長期保持導向精度，對導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位置精度和導軌的導向精度，使導軌面上的比壓分布不均勻，加劇導軌面的磨損。
3．結(jié)構(gòu)工藝性
在可能的情況下，應(yīng)盡量使導軌結(jié)構(gòu)簡單，便于制造和維護。
導軌的一般形式有滑動、滾動和靜壓3種形式。其中滑動導軌中導軌副之間是滑動摩擦，山于導軌副材料之間存在動、靜摩擦因數(shù)的差異，會產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，同時存在磨損，使用壽命不長，在高精密工作臺中較少采用滑動導軌。滾動導軌中采用鋼球或滾柱作為滾動體，具有較小的摩擦因數(shù)，動靜摩擦因數(shù)的差異極小，可以有效避免爬行現(xiàn)象的產(chǎn)生。但滾動導軌中由于滾動體與導軌之間的接觸為點接觸或線接觸，其抗振性與滑動導軌相比較差。
磁懸浮導軌是近幾年來興起的一門新技術(shù)。它利用磁懸浮原理，與氣墊技術(shù)相比，磁浮具有無聲、易控和高效等優(yōu)點。目前實現(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現(xiàn)懸浮。其中磁懸浮導軌主要利用感應(yīng)渦流原理和可控直流電磁鐵技術(shù)。但是磁懸浮導軌存在發(fā)熱大、控制復雜等缺點，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中多采用靜壓導軌，而且以氣體靜壓導軌居多，這是因為氣體靜壓導軌具有以下優(yōu)點：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，運動精度高，壽命長，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:承載能力低、剛度小、潤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、氣體無自潤滑性及潤滑而易生銹等。
本設(shè)計中由于設(shè)計精度的要求，沒有使用磁懸浮導軌的必要。其中滾動導軌中采用鋼球或滾柱作為滾動體,具有較小的摩擦因數(shù),但滾動導軌中由于滾動體與導軌之間的接觸為點接觸或線接觸,其抗振性與滑動導軌相比較差?；瑒訉к壷袑к壐敝g是滑動摩擦,由于工作臺整體機構(gòu)比較小，導軌上承載的載荷不大，導軌中導軌副之間的摩擦很小，再由經(jīng)濟成本及設(shè)備維護上的考慮，本工作臺選擇滑動導軌的形式。
本次設(shè)計的微調(diào)工作臺導軌采用燕尾槽型，左右對稱布置。導軌與滑軌應(yīng)有適當?shù)拈g隙，間隙小，導向準確平穩(wěn)。
2.4四維微調(diào)工作臺的組成及工作原理
2.4.1 X方向粗調(diào)機構(gòu)
X軸方向調(diào)節(jié)的粗調(diào)通過轉(zhuǎn)動橫向調(diào)節(jié)螺桿44，利用齒輪和齒條嚙合使轉(zhuǎn)動變?yōu)槠絼?，實現(xiàn)X軸方向上的粗調(diào)。精度依靠所設(shè)計的齒輪與齒條的精度，其調(diào)節(jié)范圍依靠齒條的長度，根據(jù)需要可設(shè)計不同的調(diào)節(jié)范圍以滿足實驗要求。本設(shè)計為保證達到技術(shù)標準，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)機構(gòu)
2.4.2X方向微調(diào)機構(gòu)
X軸方向的微調(diào)是利用了螺桿轉(zhuǎn)動、螺母移動原理。裝置中運動桿尺28和頂桿30可看作是螺桿，保持軸套31和滑動臺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)運動桿尺28來實現(xiàn)微調(diào)，最小移動距離可達到0.001mm。為保證達到設(shè)計精度要求滑動臺與導軌的接觸面光滑整潔、運行平穩(wěn)，并且保證頂桿30上的螺紋精度。
圖2.2 X方向微調(diào)機構(gòu)
2.4.3 Y方向粗調(diào)機構(gòu)
圖2.3 Y方向粗調(diào)機構(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)機構(gòu)的主要部分由縱向支架42、滑動軸承14、縱向調(diào)節(jié)螺桿15、齒條47、縱向?qū)к壍冉M成。通過轉(zhuǎn)動縱向調(diào)節(jié)螺桿15，利用齒輪和齒條嚙合使轉(zhuǎn)動變?yōu)槠絼樱瑢崿F(xiàn)Y軸方向上的粗調(diào)。精度依靠所設(shè)計的齒輪與齒條的精度，其調(diào)節(jié)范圍依靠齒條的長度，根據(jù)需要可設(shè)計不同的調(diào)節(jié)范圍以滿足實驗要求。本設(shè)計為保證達到技術(shù)標準，要求Y向調(diào)節(jié)范圍不超出25mm。
2.4.4 Z方向調(diào)節(jié)機構(gòu)
Z軸方向的調(diào)節(jié)是利用了螺母轉(zhuǎn)動、螺桿移動原理實現(xiàn)的。Z軸方向調(diào)節(jié)機構(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相當于螺母，立柱60和螺桿61的組成相當于螺桿，軸套59是為了防止螺桿的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)立柱在Z軸方向上的平穩(wěn)運動，軸蓋37是為了防止直槽螺套59的上下竄動。當轉(zhuǎn)動直槽螺套59時，螺桿61會沿著旋轉(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，只剩下在Z軸方向上的平動，從而實現(xiàn)了在Z軸方向上的上下調(diào)節(jié)。當調(diào)好高度時，可用鎖緊螺釘57加以固定。為保證達到設(shè)計精度要求直槽螺套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)機構(gòu)
2.4.5水平轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)機構(gòu)
如圖2.5，水平轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)機構(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)動套54、轉(zhuǎn)軸套55組成。當進行大角度粗調(diào)時，放松防轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)桿42，裝置以水平支架12 可進行360度的大范圍調(diào)節(jié)。當角度選定時鎖緊防轉(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)一周的導程。
2.4.6垂直仰角調(diào)節(jié)機構(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。當需要對垂直仰角進行調(diào)節(jié)時，轉(zhuǎn)動垂直調(diào)節(jié)桿進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)一周的導程。
圖2.5水平轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)機構(gòu)
圖2.6垂直仰角調(diào)節(jié)機構(gòu)
2.5 本章小結(jié)
本章主要對微調(diào)工作臺的整體設(shè)計進行了初步設(shè)想，確定了工作臺的基本尺寸和主要參數(shù)，敘述了工作臺的用途、結(jié)構(gòu)特點、機體主要材料的選取及工作臺的導軌形式的選擇。
還從四維微調(diào)工作臺的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)機構(gòu)對四維微調(diào)工作臺的組成及工作原理進行了詳細而系統(tǒng)的闡述。使四維微調(diào)工作臺的整體設(shè)計、具體結(jié)構(gòu)設(shè)計確定下來。
第3章 四維微調(diào)工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 微調(diào)工作臺的傳動設(shè)計計算
3.1.1X軸方向粗調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計
1.參數(shù)的選擇和計算
(1)精度的選擇
微調(diào)工作臺屬于精密機械，齒輪－齒條傳動速度低，精度高，選定精度為6級。（GB10095-88）
(2)材料的選擇
查《機械傳動設(shè)計手冊》，根據(jù)使用要求，選用齒輪的材料為45號鋼（滲碳后淬火），齒條的材料選用45號鋼（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)計要求—傳動精度高，尺寸空間小，使用類比法，初選齒輪的模數(shù)，齒數(shù)，壓力角。
則分度圓直徑
。
又根據(jù)《機械原理》，為滿足齒輪、齒條能正確的嚙合且能連續(xù)傳動，齒條的模數(shù)，壓力角 。依據(jù)X軸方向運動的范圍，并考慮整個機構(gòu)的對稱性，齒條的理論長度應(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)。所以齒條實際嚙合的長度
。
圓整取
2強度的校核
(1)接觸強度校核
接觸強度校核的基點是：齒輪節(jié)點處的計算接觸應(yīng)力應(yīng)不小于其許用的接觸應(yīng)力。即：
(3.3)
或接觸強度計算安全系數(shù)應(yīng)小于接觸強度的最小安全系數(shù)。
即：
(3.4)
此設(shè)計的齒輪采用第一種方法校核。根據(jù)赫茨公式，可以導出接觸應(yīng)力基本值的計算式
(3.5)
式中，—節(jié)點區(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，再乘以四個與負載有關(guān)的修正系數(shù)，即可獲得計算接觸應(yīng)力。即
(3.6)
式中，－使用系數(shù)；
－動載系數(shù)；
－接觸強度計算的齒向載荷分布系數(shù)；
－接觸強度計算的齒間載荷分布系數(shù)。
而許用接觸應(yīng)力可依據(jù)試驗齒輪的接觸疲勞極限、接觸強度計算的最小安全系數(shù)及六個修正系數(shù)確定。即：
(3.7)
式中，－接觸強度計算的壽命系數(shù)；
－速度系數(shù)；
－粗糙度系數(shù)；
－工作硬化系數(shù)；
－潤滑劑系數(shù)；
－接觸強度計算的尺寸系數(shù)。
綜上所述，查《現(xiàn)代機械傳動手冊》，
對于標準直齒輪，取
；
查表知
； (3.8)
對于直齒輪
(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導軌的摩擦系數(shù)，取，。
則
(3.12)
初選齒輪的齒寬，齒條的齒寬。
則
因為齒條的分度圓直徑為無窮大， (3.13)
所以
據(jù)式3.5，可得
又查表知：
使用系數(shù)
動載荷系數(shù)
接觸強度計算的齒向載荷分布系數(shù)，據(jù)齒輪的布置為對稱布置
(3.14)
式中，為齒寬系數(shù)；為齒寬。取
由式3.14，計算有
接觸強度計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
接觸強度計算的最小安全系數(shù)
因、、、、、的精確定量較為困難，根據(jù)《精密機械設(shè)計基礎(chǔ)》，按經(jīng)驗取
接觸強度計算的壽命系數(shù)
速度系數(shù)
粗糙度系數(shù)
工作硬化系數(shù)
潤滑劑系數(shù)
接觸強度計算的尺寸系數(shù)
據(jù)式3.7，
據(jù)式3.3，因而有
故滿足要求。
（2）彎曲強度的校核
彎曲強度校核的基點是：計算齒根應(yīng)力應(yīng)不大于許用齒根應(yīng)力。
即
(3.15)
或彎曲強度的計算安全系數(shù)應(yīng)不小于彎曲強度的最小安全系數(shù)，
即
此設(shè)計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，再取四個與負載相關(guān)的系數(shù)，有
(3.17)
式中：-彎曲強度計算的齒向載荷分布系數(shù)；
-彎曲強度計算的齒間載荷分布系數(shù)。
查《現(xiàn)代機械傳動手冊》并計算可得
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，
依接觸強度校核中的選取
使用系數(shù)
動載荷系數(shù)
查表可得
彎曲強度計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
彎曲強度計算的齒間載荷分布系數(shù)
計算式3.17，可得
對于，可依據(jù)實驗齒輪齒根的彎曲疲勞極限、彎曲強度計算的最小安全系數(shù)及五個修正系數(shù)確定，
即
(3.18)
式中，-實驗齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)；
-實驗齒輪的壽命系數(shù)；
-相對齒根圓角敏感系數(shù)；
-相對齒根表面狀況系數(shù)；
-彎曲強度計算的尺寸系數(shù)；
-彎曲強度最小安全系數(shù)。
因、、、、的精確定量較為困難，根據(jù)《精密機械設(shè)計基礎(chǔ)》的推薦取
=1.05
查表可得
取
由式3.18，計算有
據(jù)式3.14，因而有
滿足要求。
3幾何參數(shù)的確定
根據(jù)以上驗算，初選的數(shù)據(jù)均可用。
齒輪齒條幾何尺寸的計算
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
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)計如圖3.1，
表3.1 齒輪參數(shù)
參數(shù)名稱
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)
對于齒條，自身在做直線運動時帶動上部的光學器件移動，應(yīng)把它固定在導軌上，故齒條的兩端有一段非嚙合區(qū)來和導軌通過螺栓來緊固，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)機構(gòu)設(shè)計
由于Y 軸方向的粗調(diào)實現(xiàn)的運動原理與X軸方向相同，且運動的范圍也一樣，所以可以采用與X軸方向調(diào)節(jié)相同的齒輪-齒條傳動機構(gòu)實現(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-齒條傳動機構(gòu)，選用的材料同，參數(shù)也相同。
3.1.3Z軸方向的粗調(diào)機構(gòu)設(shè)計
根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要，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)機構(gòu)
螺桿伸出部分相當于螺紋的牙，而螺母相當于是在直槽螺套中加工出螺旋槽。當轉(zhuǎn)動直槽螺套時，螺桿在螺套的螺旋槽中運動，帶動立柱上升，從而實現(xiàn)Z軸方向的調(diào)節(jié)。若使用一個軸套來限制立柱的轉(zhuǎn)動，那么立柱在Z軸方向只有平動了。
1設(shè)計計算
（1）螺紋類型的選擇
此螺旋傳動結(jié)構(gòu)主要是傳遞運動，傳遞的功率小，速度慢（手動），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。
（2）材料的選擇
立柱、螺桿選用45號鋼，，螺套也選用45號鋼。
（3）母強度的校核
當立柱上升時，螺旋副要承受一定整體機構(gòu)重力所帶來的壓力，所以相當于螺母螺紋牙的要有一定的強度。如果將一圈螺紋沿螺母的螺紋大徑處展開，則可看見寬度為的懸臂梁。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，則螺紋牙危險截面的剪切強度條件為
(3.24)
螺紋危險截面的彎曲強度條件為
(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)。
因為Z軸方向的調(diào)節(jié)在位移和精度上沒有具體的要求，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，對于矩形螺紋，螺紋牙根部的厚度
根據(jù)設(shè)計的結(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，螺母不僅起傳遞運動的作用，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計算
，
很明顯可知，
螺母螺紋牙的強度滿足要求。
（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
而螺桿在滿足強度和剛度的條件下，可取的標準螺桿。
3.1.4X軸方向微調(diào)機構(gòu)設(shè)計
1耐磨性計算
滑動螺旋的磨損與螺紋工作面的壓力、滑動速度、螺紋表面粗糙度以及潤滑狀態(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度磨損。因此，滑動螺旋的耐磨性計算，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，—螺紋工作表面實際平均壓強；
—需用壓強；
—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)計的整體結(jié)構(gòu)，初估微調(diào)裝置上部的質(zhì)量為，滑動導軌的摩擦系數(shù)，則有軸向力
查表取
由式3.28，計算有
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，從而影響螺旋傳動的精度。因此設(shè)計時應(yīng)進行剛度的計算，以便把螺距點變化限制在允許的范圍內(nèi)。
螺桿受軸向載荷時，一個螺距的變化量
(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，螺桿在一個螺距長度上產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角
(3.30)
由此引起一個螺距的變化量
(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)矩同時作用下，一個螺距的總變化量為
(3.32)
考慮到次螺旋機構(gòu)主要是傳遞運動，轉(zhuǎn)矩極小，故可以只計算軸向力的作用下的變形影響。上式可以簡化為
(3.33)
螺桿的材料為45號鋼，查表可得
螺桿的外徑為，則其基本牙型高度為
所以
對于梯形螺紋，螺桿螺紋的截面面積按中徑來計算
有
所以由式3.33，可得
可見變形量很小，查表知螺桿的螺紋選用7級精度即可滿足要求。
3螺旋傳動的誤差分析
螺旋傳動的誤差是指螺母相對螺桿的實際位移與理論值之間的最大差值。對于精密機械所采用的精密測量螺旋傳動，關(guān)于其傳動精度的概念嚴格來說應(yīng)包括兩個方面的內(nèi)容：其一是傳動誤差，即傳動的準確性。在開環(huán)控制中的螺旋傳動，傳動的準確程度直接影響測量精度。其二是傳動運動的靈活性，在閉環(huán)控制中的螺旋傳動，由于采用一定的閉環(huán)控制手段后，螺旋傳動的精度在精密機械本身的精度中已不再起決定性作用，這時應(yīng)注意它的運動靈活性。
影響螺旋傳動精度的因素有：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、螺桿安裝與導軌運動方向的偏斜等；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
螺距的實際值與理論值之差稱為螺距誤差。螺距誤差按使用要求可分為單個螺距誤差（俗稱周期誤差）和螺距累計誤差（俗稱累計誤差）。螺距誤差直接影響傳動精度。
單個螺距誤差是指螺桿旋轉(zhuǎn)1周螺母實際位移與理論值之差。它的形式往往呈周期形狀，主要是在制造過程中由加工機床本身的運動精度引起的，它與螺桿的長度無關(guān)。對高精度的螺紋磨床，單個螺距誤差可做到。
螺距累計誤差是指在螺紋與全長范圍內(nèi)任意兩同側(cè)螺紋面間距離對公稱尺寸的偏差的最大代數(shù)差，它與螺紋長度有關(guān)，螺紋長度越長往往螺距累計誤差越大。螺桿螺距累計誤差是由制造過程加工機床本身的精度不夠，加工中安裝裝卡螺桿時位置不正確以及制造過程中室內(nèi)溫度變化等造成的。
螺距累計誤差為
式中,—螺桿的第個螺距誤差；
—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程中都會有誤差出現(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動靈活，配合處需要有一定的均勻間隙，因此螺桿全長上中下徑尺寸變動量的公差，應(yīng)予以控制。
中徑圓柱度和圓度誤差也會引起螺距的變化，影響傳動精度和運動靈活性。圓度的誤差，會使螺旋傳動中螺桿轉(zhuǎn)1圈時出現(xiàn)半圈松半圈緊的現(xiàn)象，而圓柱度誤差會使螺桿在全長運動中松緊程度不同，嚴重影響螺旋傳動中運