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畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告
設(shè) 計(jì) 題 目: 四維微調(diào)工作臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
院 系 名 稱: 機(jī)電工程學(xué)院
專 業(yè) 班 級(jí): 機(jī)械08-3班
學(xué) 生 姓 名: 楊磊
導(dǎo) 師 姓 名: 陳佳瑩
開 題 時(shí) 間: 2012年2月27日
指導(dǎo)委員會(huì)審查意見：
簽字： 年 月 日
1課題研究目的和意義
1.1研究目的
由于四維微調(diào)工作臺(tái)的運(yùn)用非常的廣泛，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案也多種多樣，所以對四維微調(diào)工作臺(tái)的研究設(shè)計(jì)將會(huì)提高精密定位技術(shù)的發(fā)展，促使我們的技術(shù)能早日的趕上國外的發(fā)展水平。本課題是四維微調(diào)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對四維微調(diào)工作臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及各個(gè)零部件的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，達(dá)到滿意的設(shè)計(jì)技術(shù)要求。當(dāng)前由于四維微調(diào)工作臺(tái)體積小、操作靈活方便、適應(yīng)性強(qiáng)而被廣泛的運(yùn)用在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，所以四維微調(diào)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以極大的促進(jìn)高精度精密定位技術(shù)的發(fā)展，使高精度精密定位技術(shù)更有效在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域得以運(yùn)用，促進(jìn)社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步。
1.2研究意義
四維微調(diào)工作臺(tái)主要應(yīng)用在工程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，可做激光發(fā)射器調(diào)節(jié)定位支架外，還可對透鏡、光電接收器、各類波片、光學(xué)元件和光纖等各類光學(xué)期間進(jìn)行調(diào)節(jié)定位。該裝置還可以安放在長導(dǎo)軌上，進(jìn)行距離測量。
近年來隨著待電子技術(shù)、宇航、生物工程等學(xué)科的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，尤其隨著微電子技術(shù)向大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路方向的發(fā)展和微機(jī)械的研究，微位移機(jī)構(gòu)得到迅猛發(fā)展。微位移機(jī)構(gòu)是指行程小、精度高（亞微米、納米級(jí)）和靈敏度高的機(jī)構(gòu)，它是精密機(jī)械和精密儀器的關(guān)鍵部件之一，它既可作為微進(jìn)給部件，也可作為誤差靜態(tài)和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵部位。在半導(dǎo)體光刻、微型機(jī)械、精密測量、超精密加工、微型裝配、生物細(xì)胞操縱和納米技術(shù)等領(lǐng)域，又非常廣泛的應(yīng)用。
高精度和高分辨率的精密微位移工作臺(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)是各國高技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。精密微位移工作臺(tái)系統(tǒng)的定位精度和行程范圍直接影響到生產(chǎn)加工的精度。同時(shí)，工作臺(tái)的速度、加速度及啟停過程的穩(wěn)定時(shí)間則影響到設(shè)備的效率，成為系統(tǒng)的重要指標(biāo)。
精密及超精密微進(jìn)給工作臺(tái)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(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)。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、高的響應(yīng)速度和高定位精度。其中大行程超精密微進(jìn)給工作臺(tái)在制造業(yè)中有非常重要的意義和實(shí)用價(jià)值。因此世界各制造強(qiáng)國都非常重視大行程超精密微進(jìn)給工作臺(tái)的研制。
2文獻(xiàn)綜述（課題研究現(xiàn)狀及分析）
2.1國內(nèi)大行程高精度工作臺(tái)發(fā)展現(xiàn)狀
2.1.1摩擦式驅(qū)動(dòng)超精密工作臺(tái)
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)，如圖2.1 。反饋測量裝置是一臺(tái)量程為632.99mm的Hewlett-Packard激光干涉儀，整個(gè)裝置被放置在溫度20士1℃和濕度60士5%的環(huán)境中。在50nm, 500nm和10mm步進(jìn)運(yùn)動(dòng)情況下，定位精度均優(yōu)于15nm 。
圖2.1臺(tái)灣淡江大學(xué)開發(fā)的摩擦輪驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)
國防科技大學(xué)的羅兵、李圣怡等對摩擦扭輪式精密工作臺(tái)進(jìn)行了研究，如圖2.2所示。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、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光杠長度650mm螺母剛度3 kg/mm;氣體靜壓導(dǎo)軌行300mm，設(shè)計(jì)直線度0.5μm/200mm;交流伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)分辨率1r/655 360;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在300mm的行程上運(yùn)動(dòng)分辨率達(dá)到了10nm 。
圖2.2國防科技大學(xué)開發(fā)的摩擦扭輪式精密工作臺(tái)
2.1.2兩級(jí)進(jìn)給超精密工作臺(tái)
國內(nèi)清華大學(xué)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(yùn)動(dòng)精度為目標(biāo)的氣浮運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，并進(jìn)行超精密測量和運(yùn)動(dòng)控制的研究，已經(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)5噸的花崗石底座、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)由疊層的粗動(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和閉環(huán)運(yùn)動(dòng)反饋，檢測精度可達(dá)到2nm。長行程超精密導(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)的氣浮滑塊上疊加安裝了超精密氣浮微動(dòng)臺(tái)，以對粗動(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。雙頻激光干涉儀的測量鏡安裝在微動(dòng)臺(tái)的動(dòng)臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)對粗、精動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)最終的位置監(jiān)測和運(yùn)動(dòng)反饋。到2003年12月，運(yùn)動(dòng)定位精度已經(jīng)達(dá)到12nm。
2.2國外大行程高精度工作臺(tái)發(fā)展現(xiàn)狀
2.2.1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)。如圖1-3所示，它采用氣浮導(dǎo)軌導(dǎo)向，行程300mm,導(dǎo)軌的垂直剛度600樞N/μm,水平剛度220N/μm。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6.4m/s2，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(bǔ)償?shù)腜ID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。
圖2.3東京工業(yè)大學(xué)研制一維直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)超精密工作臺(tái)
直線電機(jī)式工作臺(tái)也可以設(shè)計(jì)成二維運(yùn)動(dòng)一體化的工作臺(tái)。住友重工公司開發(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就可使定位誤差在士10μm二以內(nèi)?？焖夙憫?yīng)對于激光加工和半導(dǎo)體生產(chǎn)是非常關(guān)鍵的。
為了實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)而研制了三自由度的二維直線電機(jī)式工作臺(tái)，如圖2.4所示。定位工作臺(tái)由三個(gè)空氣軸承墊在底板上導(dǎo)向，通過合成三個(gè)直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力而產(chǎn)生三個(gè)自由度(x,y,θ)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)測得工作臺(tái)在x,y和θ方向上的定位分辨率分別為15.7nm和9.5nm和O.104μrad，最大速度為150mm/s，頻響寬度為lO5Hz 。
圖2.4住友重工公司開發(fā)的三自由度的二維直線電機(jī)式工作合
3基本內(nèi)容、擬解決的主要問題
3.1基本內(nèi)容
研究對象：四維微調(diào)工作臺(tái)；
研究的問題：（一）闡述課題背景，對國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)和分析；
（二）根據(jù)主要技術(shù)指標(biāo)，在分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上制定總體設(shè)計(jì)方案，并闡明方案制定依據(jù)；
（三）對四維微調(diào)工作臺(tái)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；完成四維微調(diào)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)、零部件的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
具體說來：1）X軸粗調(diào)范圍：0～25mm；分辨率：0.001mm。根據(jù)上述要求，由于分辨率為0.001mm，恰好適合螺旋千分尺的調(diào)節(jié)精度。
2）Y軸調(diào)節(jié)范圍：±25mm；分辨率：0.1mm。分辨率為0.1mm，所以用齒輪齒條運(yùn)動(dòng)配合直尺標(biāo)尺就可以實(shí)現(xiàn)。
3）Z軸選用螺桿和直槽螺套實(shí)現(xiàn)。
（四）對所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行精度和剛度校核；
（五）得出設(shè)計(jì)結(jié)論。
3.2微位移結(jié)構(gòu)介紹
四維微調(diào)工作臺(tái)的組成：X、Y、Z三維全自動(dòng)工作臺(tái)+旋轉(zhuǎn)自動(dòng)工作臺(tái)R。
微位移機(jī)構(gòu)介紹:
1)微位移機(jī)構(gòu)分類及應(yīng)用
微位移技術(shù)包括:微位移機(jī)構(gòu)、檢測裝置和控制系統(tǒng)3大部分。
微位移機(jī)構(gòu)是指行程小，精度高(亞微米、納米級(jí))及靈敏度高的機(jī)構(gòu)，它是微位移技術(shù)中的關(guān)鍵部件之一，也是一種機(jī)、電、磁一體化的組合件。它既可作為微進(jìn)給和微調(diào)節(jié)部件，也可作為工藝系統(tǒng)動(dòng)、靜誤差補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵部件?，F(xiàn)在，微位移機(jī)構(gòu)已能達(dá)到0.005-0.01um的分辨力。
微位移機(jī)構(gòu)由微位移驅(qū)動(dòng)器和微動(dòng)工作臺(tái)組成。根據(jù)微位移驅(qū)動(dòng)和微動(dòng)工作臺(tái)導(dǎo)軌形式可分為5類:
a)柔性支承，壓電晶體或電致伸縮微位移器驅(qū)動(dòng)。
b)滾動(dòng)導(dǎo)軌，壓電晶體或電致伸縮微位移器驅(qū)動(dòng)。
c)平行彈性導(dǎo)軌，電磁、壓電或機(jī)械式驅(qū)動(dòng)。
d)滑動(dòng)導(dǎo)軌，機(jī)械式或壓電式驅(qū)動(dòng)。
e)氣浮導(dǎo)軌，伺服電機(jī)和直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
微位移器根據(jù)形成微位移的機(jī)理可分成兩大類:機(jī)械式和機(jī)電式。
3.2所要解決問題
1.X軸調(diào)節(jié)方案
X軸的技術(shù)指標(biāo)分析及方案確定，我決定選用千分尺來實(shí)現(xiàn)X軸向的調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)。
2.Y軸調(diào)節(jié)方案
Y軸的技術(shù)指標(biāo)分析及方案確定，用齒輪齒條運(yùn)動(dòng)配合直尺標(biāo)尺就可以實(shí)現(xiàn)。
3.Z軸調(diào)節(jié)方案
Z軸的技術(shù)指標(biāo)分析及方案確定，Z軸選用螺桿和直槽螺套實(shí)現(xiàn)。
4.轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)方案
轉(zhuǎn)角粗調(diào)方案和微調(diào)方案的確定，因?yàn)橛屑?xì)條可以保證調(diào)節(jié)精度，且旋轉(zhuǎn)范圍為360°,所以轉(zhuǎn)角的粗調(diào)直接使用手動(dòng)旋轉(zhuǎn)，并用螺釘鎖緊。細(xì)調(diào)采用調(diào)節(jié)桿和壓緊彈簧的設(shè)計(jì)思路。
5.精度及剛度分析
對所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行精度和剛度校核。
4技術(shù)路線或研究方法
方案
X軸使用了螺旋千分尺作為調(diào)節(jié)模塊；Y軸運(yùn)用了燕尾形導(dǎo)軌以及齒輪齒條式傳動(dòng)方法；Z軸是螺桿套筒式運(yùn)動(dòng)模式；轉(zhuǎn)角的粗調(diào)直接依靠手動(dòng)調(diào)節(jié)，并用一個(gè)緊定螺釘固定防轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)角的細(xì)調(diào)運(yùn)用的是螺旋傳動(dòng)的調(diào)節(jié)桿和壓緊彈簧來調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)片的角度的方案。
其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)清晰明了，簡潔易懂、容易實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)為Y軸調(diào)節(jié)部分在角度旋轉(zhuǎn)部分以上，Y軸并不是嚴(yán)格意義上的Y軸，設(shè)計(jì)并不合理。
圖4.1方案外形圖
5進(jìn)度安排
1、2012.2.27-2012.3.20查閱資料，做好記錄完成開題報(bào)告
2、2012.3.21-2012.4.17確定整體設(shè)計(jì)方案
3、2012.4.18-2012.5.14完善總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成裝配圖
4、2012.5.15-2012.6.5 由裝配圖拆畫零件圖
5、2012.6.6-2012.6.17撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書，準(zhǔn)備答辯
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