【正文】 但因受到機(jī)械加工精度、控制精度和機(jī)構(gòu)復(fù)雜性等技術(shù)水平的制約，其精度和運(yùn)動(dòng)范圍還受到一定影響，隨著對(duì)微動(dòng)工作臺(tái)的深入研究，結(jié)構(gòu)合理、高精度和高分辨率的微動(dòng)工作臺(tái)必將不斷問(wèn)世。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。在此，向陳老師致以最誠(chéng)摯的謝意!感謝黑龍江工程學(xué)院各位老師四年來(lái)對(duì)我的教育培養(yǎng)和熱情的幫助以及支持，感謝2008級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的各位同學(xué)給我的幫助，為我完成論文創(chuàng)造了有利的環(huán)境，這里表示我衷心的感謝。首先應(yīng)該感謝我的導(dǎo)師陳佳瑩老師。因此，四維微調(diào)工作臺(tái)的未來(lái)應(yīng)是向著數(shù)字化控制方向發(fā)展，以滿足社會(huì)對(duì)更高一級(jí)的精密測(cè)量定位儀器的需求。四維微調(diào)工作臺(tái)作為一種高精密的測(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)。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)完成快速運(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)到較高的定位精度和靈敏度，控制簡(jiǎn)單可靠。其次，本文對(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)行了詳細(xì)的闡述。 結(jié) 論本文是對(duì)四維微調(diào)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。公式 ()式中，微調(diào)運(yùn)動(dòng)件的位移量；為螺紋的導(dǎo)程；為螺旋副的相對(duì)轉(zhuǎn)角。其標(biāo)尺主要是有運(yùn)動(dòng)桿尺和固定桿尺組成。對(duì)于鼓形標(biāo)尺，開(kāi)始標(biāo)線與最終標(biāo)線之間的夾角稱為標(biāo)度角，令標(biāo)度角為，則 ， ()式中，為鼓形標(biāo)尺相鄰兩標(biāo)線之間的夾角；為標(biāo)尺圓弧半徑，即指針末端至轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離。根據(jù)儀器的示值上限和示值下限（一般），在選定分度值后，即可算出分度格數(shù)起始標(biāo)線與最終標(biāo)線的距離稱為標(biāo)度長(zhǎng)度。一般開(kāi)說(shuō)，分度值可取等于或略大于儀器允許的誤差。而標(biāo)尺的分度值應(yīng)根據(jù)儀器的分度值不應(yīng)比儀器允許的誤差大得太多，否則就不能準(zhǔn)確得讀取示數(shù)。分度尺寸過(guò)大時(shí)，標(biāo)尺長(zhǎng)度隨之增大。所以標(biāo)尺的總長(zhǎng)度可以取與齒條等長(zhǎng)，而測(cè)量長(zhǎng)度與齒條的嚙合移動(dòng)長(zhǎng)度等長(zhǎng)，并每邊留余量。－Y軸方向粗調(diào)示數(shù)裝置的設(shè)計(jì)由于X軸、Y軸方向調(diào)節(jié)的原理相同，粗調(diào)的精度相同，可采用相同的示數(shù)裝置，沿直線運(yùn)動(dòng)，采用直標(biāo)尺指針示數(shù)裝置。按示數(shù)性質(zhì)不同，示數(shù)裝置常見(jiàn)有三種類型，即標(biāo)尺指針示數(shù)裝置，自動(dòng)記錄裝置和計(jì)數(shù)裝置。由于光電數(shù)字顯示的示數(shù)裝置顯示精度高，反應(yīng)速度快，故隨著電子技術(shù)和光電技術(shù)的迅速發(fā)展，在一些精密機(jī)械中已被大量采用。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好、便于制造、安裝和調(diào)整。應(yīng)能直接讀出被測(cè)物理量或引入量的數(shù)值，而無(wú)任何換算。一般示數(shù)裝置的精度時(shí)根據(jù)儀器總精度提出的，并與總精度相適應(yīng)。設(shè)計(jì)時(shí)要滿足以下要求：保證足夠的精度。為了提高示數(shù)裝置的工作精度，有時(shí)亦采用了光學(xué)刻度盤(pán)或光學(xué)判讀系統(tǒng)。一般有度盤(pán)（包括：度盤(pán)、刻度環(huán)、標(biāo)尺）、指針（包括：指針、指標(biāo)、游標(biāo)）組成。完成了各個(gè)主要機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。還對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行了分析、選擇，以及作用力對(duì)導(dǎo)軌工作的影響分析，尺寸的設(shè)定和誤差分析。而對(duì)于材料的選擇，據(jù)《精密機(jī)械設(shè)計(jì)》推薦，可以采用鑄鐵做為材料。2基座的選用及外形尺寸根據(jù)要求，機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以經(jīng)驗(yàn)、類比的方法進(jìn)行。根據(jù)以上特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)注意剛性、熱變形、精度、抗震性以及機(jī)構(gòu)工藝性?；奶攸c(diǎn)如下：(1)尺寸較大，是整臺(tái)設(shè)備的基礎(chǔ)支承件，不僅自身重力大，而且承受主要的外載荷作用。在大多數(shù)精密機(jī)械中，由于軸承與軸頸之間所承受的載荷較小，直徑可以按類比法確定。對(duì)于此機(jī)構(gòu)中采用圓柱形滑動(dòng)軸承，因承受的載荷較小，且轉(zhuǎn)速低，可以不用液體潤(rùn)滑，一般做成整體式的軸承。長(zhǎng)依以下幾個(gè)基本要求選擇軸承：方向精度、運(yùn)轉(zhuǎn)靈便性、對(duì)溫度變化的不敏感性、承受負(fù)載的能力、成本、裝調(diào)和維修是否方便。 仰角機(jī)構(gòu)彈簧參數(shù)參數(shù)名稱數(shù)值彈簧材料直徑彈簧中徑有效圈數(shù)節(jié)距彈簧的剛度彈簧外徑彈簧內(nèi)徑自由高度任何一種軸都需要支承才能運(yùn)轉(zhuǎn)，軸上支承部分稱為軸頸，用以支承和約束軸頸的結(jié)構(gòu)稱為軸承。 繞Z軸微調(diào)機(jī)構(gòu)彈簧參數(shù)參數(shù)名稱數(shù)值彈簧材料直徑彈簧中徑有效圈數(shù)節(jié)距彈簧的剛度彈簧外徑彈簧內(nèi)徑自由高度類同于繞Z軸旋轉(zhuǎn)微調(diào)機(jī)構(gòu)的彈簧設(shè)計(jì)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選取。 水平彈簧的參數(shù)參數(shù)名稱數(shù)值彈簧材料直徑彈簧中徑有效圈數(shù)節(jié)距彈簧的剛度彈簧外徑彈簧內(nèi)徑螺旋角自由高度對(duì)于此旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)所用的彈簧可根據(jù)沿X軸微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的彈簧使用類比法查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選取。防止爬行的一般方法就是使運(yùn)動(dòng)件卸荷（即設(shè)計(jì)成卸荷結(jié)構(gòu)），或在導(dǎo)軌接觸面間，加入性能良好的潤(rùn)滑劑，減少靜、動(dòng)摩擦系數(shù)差，使運(yùn)動(dòng)件運(yùn)動(dòng)趨于平穩(wěn)。完全避免磨損將不可能，但是可適當(dāng)選擇導(dǎo)向面的寬度及其尺寸，材料的匹配比例，則有可能獲得較理想的結(jié)構(gòu)。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能的較小在運(yùn)動(dòng)方向上因各種振源可能產(chǎn)生的慣性力，避免運(yùn)動(dòng)件產(chǎn)生非正常位移。但是這些因素的綜合影響，主要表現(xiàn)為滑動(dòng)摩擦系數(shù)的改變。2潤(rùn)滑油的性質(zhì)由于一般分析時(shí)，常假定潤(rùn)滑油厚度為零。這種變形，可能引起運(yùn)動(dòng)件的傾斜，從而偏離正確的運(yùn)動(dòng)方向。3尺寸的確定對(duì)于X軸微調(diào)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)軌，材料選用45號(hào)鋼根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸和微調(diào)的范圍可取運(yùn)動(dòng)件的長(zhǎng)度承導(dǎo)件的長(zhǎng)度因承受的力不大，可先考慮導(dǎo)軌的穩(wěn)定性選取導(dǎo)軌的寬度為對(duì)于X軸、Y軸方向粗調(diào)機(jī)構(gòu)的導(dǎo)軌，根據(jù)已設(shè)計(jì)出來(lái)的齒條的結(jié)構(gòu)尺寸取導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為再根據(jù)縱、橫向調(diào)節(jié)桿的結(jié)構(gòu)尺寸可取導(dǎo)軌的寬度幾何尺寸誤差主要使指運(yùn)動(dòng)件及其承導(dǎo)件配合部分的尺寸偏差，它們主要對(duì)配合間隙造成直接影響。2類型的選取對(duì)于裝置底部微調(diào)機(jī)構(gòu)的導(dǎo)軌需承受一定的重力，對(duì)承載能力和剛度有一定的要求，可采用開(kāi)式的滑動(dòng)導(dǎo)軌，據(jù)《精密機(jī)械設(shè)計(jì)》知，可以采用矩形導(dǎo)軌，用對(duì)稱形式布置。導(dǎo)軌寬度可根據(jù)載荷和允許強(qiáng)度求出，兩導(dǎo)軌之間的距離減小，則導(dǎo)軌尺寸減小，但導(dǎo)軌的穩(wěn)定性變差。在設(shè)計(jì)導(dǎo)軌時(shí)，首先應(yīng)確定運(yùn)動(dòng)件的長(zhǎng)度，其原則是：在滿足使用要求即移動(dòng)距離的條件下，應(yīng)僅可能減小運(yùn)動(dòng)件的長(zhǎng)度。根據(jù)力平衡條件的可推得欲推動(dòng)運(yùn)動(dòng)件，必須使保證運(yùn)動(dòng)件不被卡死的條件是式中，為當(dāng)量摩擦系數(shù)。設(shè)正壓力分別為、相應(yīng)的摩擦力為、作用點(diǎn)間的距離為，軸向阻力為，根據(jù)靜力平衡條件得可推得欲推動(dòng)運(yùn)動(dòng)件，必須使當(dāng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)件將被卡死，以此保證不被卡死的條件為若運(yùn)動(dòng)件的直徑較小，則，可忽略，那么由此，可得到當(dāng)推力與運(yùn)動(dòng)件有一夾角時(shí)，運(yùn)動(dòng)件正常工作的條件是式中，為當(dāng)量摩擦系數(shù)，對(duì)不同形式導(dǎo)軌，值為 式中，為滑動(dòng)摩擦系數(shù)，為燕尾輪廓角或三角形低角。4螺旋傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 此機(jī)構(gòu)采用螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母移動(dòng)來(lái)現(xiàn)實(shí)微調(diào)，故螺桿的非螺旋部分應(yīng)有一定的長(zhǎng)度來(lái)頂住導(dǎo)軌來(lái)避免螺桿的移動(dòng)，螺母需推動(dòng)滑動(dòng)臺(tái)移動(dòng)，螺母的高度應(yīng)大于工作高度，可以用保持軸套內(nèi)孔加工螺紋替代螺母。高精度的精密螺旋傳動(dòng)在工作時(shí)一般避免外界的沖擊和振動(dòng)造成影響，而室內(nèi)溫度的變化很難避免的，溫度引起的誤差為式中，—螺桿螺紋部分的長(zhǎng)度； —螺桿材料的線膨脹系數(shù)，對(duì)于鋼； —工作溫度與制造溫度之差。（4）移動(dòng)件移動(dòng)方向與螺桿軸不重合引起的傳動(dòng)誤差（）在螺旋傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中，由于螺桿軸不重合或裝調(diào)不理想，會(huì)造成螺桿的軸線與移動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)方向不平行，設(shè)偏斜角為，所造成的傳動(dòng)誤差為由于偏斜角一般很小，故，所以，式中，為移動(dòng)件的行程。（3）螺桿的軸向竄動(dòng)和徑向跳動(dòng)引起的誤差螺桿的軸向竄動(dòng)直接影響到螺旋傳動(dòng)的的傳動(dòng)精度，螺桿的徑向跳動(dòng)雖然不會(huì)直接影響傳動(dòng)精度，但會(huì)影響到傳動(dòng)的靈活性，進(jìn)而會(huì)影響到精密工作臺(tái)的動(dòng)態(tài)精度。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)動(dòng)的靈活性，甚至?xí)斐煽ㄋ赖默F(xiàn)象，在精密機(jī)械中應(yīng)該盡量避免。（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。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。對(duì)高精度的螺紋磨床，單個(gè)螺距誤差可做到。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。螺距誤差按使用要求可分為單個(gè)螺距誤差（俗稱周期誤差）和螺距累計(jì)誤差（俗稱累計(jì)誤差）。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。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。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。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 ()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。螺桿受軸向載荷時(shí)，一個(gè)螺距的變化量 ()式中，——螺距； ——螺桿材料拉壓彈性模量； ——螺桿螺紋截面面積。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。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 ()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。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。（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。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。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。（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。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。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，： 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。 齒條結(jié)構(gòu)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)。齒輪齒條幾何尺寸的計(jì)算模數(shù)壓力角分度圓直徑 ()齒全高 ()齒頂圓直徑 ()齒根圓直徑 ()頂隙 ()。因、的精確定量較為困難