【正文】 ，根據(jù)《精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》的推薦取=查表可得取，計(jì)算有，因而有滿足要求。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 ()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)。即 ()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。取，計(jì)算有 接觸強(qiáng)度計(jì)算的齒間載荷分布系數(shù)， 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)，因而有故滿足要求。則 ()初選齒輪的齒寬，齒條的齒寬。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，?。徊楸碇?； () 對(duì)于直齒輪 ()式中，端面重合度。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。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： () 此設(shè)計(jì)的齒輪采用第一種方法校核。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。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)。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)稱性，齒條的理論長(zhǎng)度應(yīng)為。則分度圓直徑。前者硬度為300HBS,后者硬度260HBS。第3章 四維微調(diào)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 微調(diào)工作臺(tái)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)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)。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。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。 ，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4垂直調(diào)節(jié)片1垂直壓緊簧套1器件保持架垂直止推桿1垂直調(diào)節(jié)桿22組成。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)。 Z方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) ，水平轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的主要部分由水平支架1水平止推桿水平調(diào)節(jié)桿2水平轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)架防轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)桿42，以及連接螺桿5水平轉(zhuǎn)動(dòng)套5轉(zhuǎn)軸套55組成。當(dāng)調(diào)好高度時(shí)，可用鎖緊螺釘57加以固定。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)。 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。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。Y軸方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的主要部分由縱向支架4滑動(dòng)軸承1縱向調(diào)節(jié)螺桿1齒條4縱向?qū)к壍冉M成。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。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。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。 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)。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)稱布置。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。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。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。利用可控直流電磁鐵實(shí)現(xiàn)懸浮。利用超導(dǎo)技術(shù)產(chǎn)生磁浮。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)。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。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。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)。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。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。導(dǎo)軌的功用是導(dǎo)向和承載。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。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。石英陶瓷材料更適用于輕載的超精密工作臺(tái)。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。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。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。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。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。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。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。焊接結(jié)構(gòu)盡量設(shè)計(jì)成具有對(duì)稱性的截面和對(duì)稱性的焊縫位置，以減少焊接變形。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。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。，保證微調(diào)工作臺(tái)的穩(wěn)定性。，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。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。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。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。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)。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360176。當(dāng)調(diào)好高度時(shí)，可用鎖緊螺釘固定。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)。，其調(diào)節(jié)原理與X軸方向上的粗調(diào)原理相同。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。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。、微調(diào)。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。同時(shí)還應(yīng)滿足工作行程的要求。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。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。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。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。：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)。：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。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。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)。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。大行程超精密工作臺(tái)主要的類型有直線電機(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。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)。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。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)。到2003年12月，運(yùn)動(dòng)定位精度己經(jīng)達(dá)到12nm。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)。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。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。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。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，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。氣體靜壓導(dǎo)軌行程300mm，；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。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。在50500 nm和10mm步進(jìn)運(yùn)動(dòng)情況下，定位精度均優(yōu)15nm。1℃和濕度60177。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)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得工作臺(tái)在x，, ,最大速度為150mm/s，頻響寬度為105Hz。它在x和y方向上均具有30mm的行程。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)。10um以內(nèi)。住友重工公司開(kāi)發(fā)的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的XY工作臺(tái)具有快速運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)2nm的步進(jìn)定位?？刂葡到y(tǒng)采用帶前饋補(bǔ)償?shù)腜1D控制器。直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)力160N , m/s,最大速度320mm/s。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。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