三維微調(diào)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)

賈路媛　李躍　韓夢(mèng)瑩　施安琪　陳中盛

[摘 要]三維微調(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(duì)透鏡、光電接收器、各類(lèi)波片、光學(xué)元件和光纖等各類(lèi)光學(xué)期間進(jìn)行調(diào)節(jié)定位。其X，Y軸使用螺旋千分尺作為調(diào)節(jié)模塊并運(yùn)用了燕尾形導(dǎo)軌齒輪的傳動(dòng)方法，可對(duì)燕尾形導(dǎo)軌進(jìn)行運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向與限制；Z軸是螺桿套筒式運(yùn)動(dòng)模式，轉(zhuǎn)角的粗條直接依靠手動(dòng)調(diào)節(jié)，并用一個(gè)緊定螺釘固定防轉(zhuǎn)，其優(yōu)點(diǎn)：精度高，結(jié)構(gòu)緊湊清晰明了，簡(jiǎn)潔易懂、容易實(shí)現(xiàn)。

[關(guān)鍵詞]三維微調(diào) 自鎖 高精度 調(diào)節(jié)定位

中圖分類(lèi)號(hào)：TH39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）05-0357-01

1.總體設(shè)計(jì)分析

1.機(jī)身結(jié)構(gòu)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)力求外觀美觀。

2. 微調(diào)工作臺(tái)機(jī)體主要材料的選擇

高精密工作臺(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。

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。

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）.誤差分析

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。

①外力大小 外力包括運(yùn)動(dòng)件自重及外加負(fù)載，特別使?jié)L動(dòng)摩擦導(dǎo)軌，在外力作用下，滾動(dòng)元 件與導(dǎo)向面之間，將產(chǎn)生接觸變形。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。設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)“赫茨”理論，計(jì)算出它們的彈性變形，再根據(jù)其 他幾何參數(shù)，導(dǎo)出其可能引起的誤差。

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。實(shí)際上，滑動(dòng)導(dǎo)軌中接觸部分的潤(rùn)滑 油必然存在，且厚度隨運(yùn)動(dòng)件上負(fù)荷、負(fù)荷停留時(shí)間、運(yùn)動(dòng)件移動(dòng)速度、環(huán)境溫度的 改變而變化。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。

③振動(dòng) 由于任一實(shí)際導(dǎo)軌，它在運(yùn)動(dòng)方向上的剛度，遠(yuǎn)比它在非運(yùn)動(dòng)方向上的剛度小。 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。

④磨損 磨損主要產(chǎn)生于摩擦導(dǎo)軌。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)。此外，在重量較大或低速滑行的滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌，在運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)間斷性的停止 和運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，即所謂的“爬行”現(xiàn)象。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)。

（3）.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。

2. X、Y軸調(diào)節(jié)方案

2.1 X、Y軸技術(shù)指標(biāo)分析

X、Y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。

2.2 Z軸方案確定

在外部的螺套旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺套上的螺旋型導(dǎo)槽會(huì)帶動(dòng)固定在軸上的螺桿，沿著軸套上的導(dǎo)槽豎直上升，從而螺桿帶動(dòng)中間的軸一起上下移動(dòng)。

3.零件功能分析與簡(jiǎn)述 X（Y）軸

（1）導(dǎo)軌部分

導(dǎo)軌部分由一個(gè)底座，一個(gè)導(dǎo)軌。

（2）底座作用

用來(lái)固定X軸導(dǎo)軌，是整個(gè)器件的底座，器件穩(wěn)定工作的保障。導(dǎo)軌是Y（X）軸的導(dǎo)槽，同時(shí)也用于固定側(cè)邊導(dǎo)軌與運(yùn)動(dòng)的控制部分，其中包括拉伸彈簧和螺旋千分儀。

（3）X、Y軸運(yùn)動(dòng)控制部分

運(yùn)動(dòng)部分由一個(gè)螺旋千分尺，兩個(gè)拉伸彈簧、4個(gè)螺釘組成。 運(yùn)動(dòng)標(biāo)尺作用：表面上刻有一圈50格的細(xì)分尺，將0.5毫米細(xì)分為50格，從而將1毫米細(xì)分為100格，分辨率可達(dá)0.001mm。 固定標(biāo)尺作用：表面上刻有最小刻度為1毫米的標(biāo)尺，用于確定X軸位置的第1～2位有效數(shù)字。

（4）頂桿作用

用頂桿通過(guò)小鋼球頂在導(dǎo)軌表面上，使頂桿在相對(duì)保持軸套移動(dòng)時(shí)，外側(cè)導(dǎo)軌與內(nèi)側(cè)導(dǎo)軌之間也有相應(yīng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。且頂桿的后半部分有兩端螺紋和一個(gè)軸肩，從而使得運(yùn)動(dòng)標(biāo)尺在旋轉(zhuǎn)時(shí)可以有相對(duì)移動(dòng)。螺紋總長(zhǎng)須長(zhǎng)于15mm。

（5）保持軸套作用

保持頂桿的方向，使它始終沿與支承套表面垂直的方向（即X軸向）運(yùn)動(dòng)。且保持軸套的末端有與頂桿螺紋相匹配的螺紋。

（6）Z軸運(yùn)動(dòng)零件

Z軸運(yùn)用了螺桿和螺旋狀導(dǎo)槽的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)螺套旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)螺桿上升。這一結(jié)構(gòu)中的主要部件有軸套、螺桿、直槽螺套、立柱、緊定螺釘、鎖緊螺釘、軸蓋、連接套。

（7）軸套作用

固定在軸套座上，中間套有立柱，豎直方向上有一豎直槽，用于固定螺桿運(yùn)動(dòng)方向，頂端有一圈環(huán)形槽，用于緊定軸蓋。

（8）螺桿作用

擰于立柱的螺紋孔中，穿過(guò)軸套的豎直槽，外側(cè)嵌套在螺套的螺旋槽中。帶動(dòng)立柱上升，實(shí)現(xiàn)Z軸向運(yùn)動(dòng)。

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