五軸微位移臺(tái)設(shè)計(jì)

1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目 五軸微位移臺(tái)設(shè)計(jì) 姓 名 田澤文 學(xué) 號(hào) 3110611020 專業(yè)班級(jí) 11 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化班指導(dǎo)教師 張 煒 分 院 機(jī)電與能源工程分院 完成日期 2015 年 5 月 14 日 寧波理工寧波理工學(xué)院學(xué)院 目 錄摘摘 要要 .IABSTRACT.II第一章第一章 緒論緒論.11.1 五軸微移臺(tái)概述.11.1.1 五軸微移臺(tái)的種類.11.1.2 五軸微移臺(tái)的工作原理.41.1.3 微位移技術(shù)的評(píng)價(jià)參數(shù).41.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容 .41.2.1 研究任務(wù)可以分成以下幾點(diǎn)：.51.3 小結(jié).5第二章第二章 三維制圖的簡(jiǎn)介三維制圖的簡(jiǎn)介.62.1 三維制

2、圖.62.2 三維制圖簡(jiǎn)介.62.2.1 三維制圖的應(yīng)用.62.2.2 三維制圖的特點(diǎn).62.2.3 三維制圖的發(fā)展趨勢(shì).72.3 三維制圖軟件的選擇.72.3.1 solidworks .72.3.2 Pro/Engineer.82.3.3 UG.92.3.4 軟件選擇.92.4 三維建模.102.4.1 solidworks 繪圖過(guò)程 .102.4.2 solidworks 裝配過(guò)程 .112.5 小結(jié).12第三章第三章 五軸移臺(tái)的組成五軸移臺(tái)的組成.133.1 移臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).133.1.1 X 軸方向的機(jī)構(gòu).133.1.2 Y 軸方向的機(jī)構(gòu).133.1.3 Z 軸方向的機(jī)構(gòu) .133.

3、1.4 繞 Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu) .133.1.5 繞 X 軸轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu).143.2 導(dǎo)軌.143.2.1 導(dǎo)軌的種類.143.1.2 導(dǎo)軌平行度測(cè)試.153.2 小結(jié).16第四章第四章 五軸移臺(tái)工作過(guò)程五軸移臺(tái)工作過(guò)程.174.1 五軸移臺(tái)的工作過(guò)程.174.1.1 五軸移臺(tái)的工作過(guò)程.174.2 驅(qū)動(dòng)器螺旋測(cè)微頭.184.2.1 螺旋測(cè)微頭的原理.184.3 小結(jié).19第五章第五章 結(jié)論結(jié)論.20參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).21致謝致謝.22摘 要本論文首先描述了移臺(tái)的種類和工作原理，其次介紹 solidworks 的應(yīng)用、特點(diǎn)。然后介紹了五軸移臺(tái)的主要組成部分及其工作過(guò)程,其核心機(jī)構(gòu)是由三個(gè)平移臺(tái)組成

4、的 XYZ 三軸平移臺(tái)，再加上繞 Y 軸和 Z 軸的兩個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)組成一個(gè)五軸移臺(tái)，最下面是一個(gè)齒輪和齒條組成的 X 軸移臺(tái)。最后詳細(xì)說(shuō)明了工作原理和機(jī)構(gòu)的組成。通過(guò)螺旋側(cè)微頭和拉簧共同作用下使機(jī)構(gòu)精確定位。關(guān)鍵詞：五軸；移臺(tái)；solidworksAbstractThis paper describes the types and working principle of moving platform, followed by the introduction of characteristics of SolidWorks and application. Then introduces the

5、 five axis shift of main component parts and its working process, its core mechanism is composed of three translational table XYZ three-axis translation stage, plus around the Y axis and Z axis of two table composed of a five axis displacement platform, the bottom is composed of a gear and rack X ax

6、is shift and Taiwan. Finally a detailed description of the working principle and mechanism. Through the spiral side micro head and the spring under the action of the precision positioning mechanism.Keywords: Five axis;moving platform;SolidWorks第一章 緒論1.1 五軸微移臺(tái)概述五軸微移臺(tái)又名五軸位移臺(tái)，將手輪轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成位移動(dòng)作，由機(jī)械完成。 五軸移臺(tái)有多

7、種：其中最簡(jiǎn)單一種是機(jī)械式，全部功能都是由機(jī)構(gòu)完成。還有一種是壓電式，精度高，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)控制，響應(yīng)速度快但是行程很小，用在高精密定位。1.1.1 五軸微移臺(tái)的種類五軸微移臺(tái)的種類（1）機(jī)械式：機(jī)械傳動(dòng)微位移的機(jī)構(gòu)是一種傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用在精密的的機(jī)械和儀器，實(shí)現(xiàn)的機(jī)構(gòu)形式較多，但主要是有螺旋結(jié)構(gòu)、杠桿結(jié)構(gòu)、楔塊凸輪結(jié)構(gòu)和其他形式。不過(guò)因?yàn)闄C(jī)械機(jī)構(gòu)普遍存在機(jī)械間隙、摩擦磨損以及變形的現(xiàn)象，導(dǎo)致精度和靈敏度不高和使用一段時(shí)間后精度下降等問(wèn)題。所以這些機(jī)構(gòu)只能用于中低精度1。（2）壓電式：壓電陶瓷微位移機(jī)構(gòu)的原理是逆壓電效應(yīng)，當(dāng)在材料表面產(chǎn)生了電場(chǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變。使用這一原理，只需要變化輸入的

8、電壓強(qiáng)度就能夠輸出不一樣的位移大小，這種方式可以減少傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中造成的各種誤差。該設(shè)計(jì)具有簡(jiǎn)潔的機(jī)構(gòu)、較小的體積、納米級(jí)的精度、能量損失少、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械制造、電子、航天航空、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域已經(jīng)廣泛使用，例如顯微鏡的觀測(cè)臺(tái)移動(dòng)機(jī)構(gòu)、光驅(qū)中的激光頭、激光打印中的打印頭和天文望遠(yuǎn)鏡中的星體跟蹤儀以五軸加工中心的刀具補(bǔ)償機(jī)構(gòu)和其他一些儀器23。（3）熱變形式：這種機(jī)構(gòu)的原理是熱脹冷縮。當(dāng)傳動(dòng)桿被加熱以后，因?yàn)槠洳牧咸匦詴?huì)導(dǎo)致傳動(dòng)桿伸長(zhǎng)。如圖 1，傳動(dòng)桿一邊被固定，另一邊和零件接觸，在對(duì)傳動(dòng)桿加熱以后，傳動(dòng)桿受熱膨脹使得傳動(dòng)桿伸長(zhǎng)，推動(dòng)零件產(chǎn)生位移。伸長(zhǎng)量為： tLttLL)(01（1

9、）式中：傳動(dòng)桿材料的線膨脹系數(shù)；L傳動(dòng)桿長(zhǎng)度；加熱前的溫度和加熱后的溫度。01tt、圖 1 熱變形機(jī)構(gòu)示意圖對(duì)于加熱傳動(dòng)桿，最好的辦法是使用電阻絲。電阻絲的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于控制。只要使得通過(guò)電阻絲的電流值大小不同，電阻絲產(chǎn)生的熱量也不一樣，最后導(dǎo)致傳動(dòng)桿的溫度也不同，傳動(dòng)桿伸長(zhǎng)的位移量也不一樣。熱變形微位移機(jī)構(gòu)可以通過(guò)電流控制位移量，所以它控制簡(jiǎn)單和方便。但是因?yàn)橛袩彷椛涞拇嬖?，?dǎo)致周圍溫度對(duì)傳動(dòng)桿的影響很大，所以會(huì)丟失部分精度。(4)彈性變形式：彈性變形式機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)是由兩個(gè)彈簧組成的，如圖 X 。該機(jī)構(gòu)的原理是將兩個(gè)剛度不一樣的彈簧進(jìn)行相連，由于彈簧不一樣，彈簧受力后產(chǎn)生的彈性形變也不同。利用

10、這一特性來(lái)提高分辨率。輸入和輸出位移之間的關(guān)系： )/(21112kkkxx（2）式中：分別為主動(dòng)彈簧和從動(dòng)彈簧的剛度；21kk、分別為輸入位移和輸出位移。21xx、該機(jī)構(gòu)因?yàn)槭莾?nèi)摩擦加上傳動(dòng)鏈也很小所以它的精度很高。因此可用于一些高精度高穩(wěn)定性的場(chǎng)合例如掃描隧道顯微鏡等機(jī)構(gòu)。但是彈性變形式機(jī)構(gòu)在受到外力或摩擦力的時(shí)候，將影響精度、容易產(chǎn)生過(guò)渡性振蕩，所以不使用于動(dòng)態(tài)響應(yīng)的情況。(5)柔性鉸鏈?zhǔn)剑河扇嵝糟q鏈結(jié)構(gòu)制成的微位移臺(tái)是不久以前出現(xiàn)的現(xiàn)代微位移機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式主要有三種，第一種是利用電致伸縮器件來(lái)驅(qū)動(dòng)位移臺(tái)進(jìn)行工作，第二種是利用壓電形式的驅(qū)動(dòng)器，這個(gè)和（2）中壓點(diǎn)陶瓷為位移機(jī)構(gòu)類似

11、，最后一種是使用了分厘卡驅(qū)動(dòng)。這三種方式各不相同，但其后都要使用特定的杠桿結(jié)構(gòu)位移來(lái)使位移縮小，得到微位移量。如圖 2 所示，轉(zhuǎn)動(dòng)分厘卡產(chǎn)生初始位移，帶動(dòng)柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)，推動(dòng)零件移動(dòng)。在零件處裝一個(gè)傳感器，用于測(cè)量零件移動(dòng)的距離45。圖 2 分厘卡式柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)有諸多的優(yōu)點(diǎn)，該機(jī)構(gòu)的體積十分的小巧、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分合理節(jié)約空間、中間沒(méi)有空隙、沒(méi)有機(jī)械摩擦和滑行，抗干擾能力強(qiáng)，具有很高的分辨率。該機(jī)構(gòu)配合壓電驅(qū)動(dòng)就可以得到一種控制簡(jiǎn)單方便，精度高。因?yàn)闆](méi)有摩擦所以該機(jī)構(gòu)不會(huì)因?yàn)槟Σ辽鸁岷湍Σ猎肼?。該機(jī)構(gòu)可在各種惡劣的情況下繼續(xù)運(yùn)作，是一種十分理想的移臺(tái)。在航天航空、醫(yī)藥、生物工程中獲得了應(yīng)

12、用。(6)直線電機(jī)式：直線電機(jī)式微位移機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直接利用直線電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)。直線電機(jī)可以任意調(diào)節(jié)行程和位移長(zhǎng)度，分辨率為無(wú)限小。直線電機(jī)進(jìn)給速度很快，并且不需要用機(jī)械方式將旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得極為簡(jiǎn)潔。由于少了很多機(jī)構(gòu)，避免了由這些機(jī)構(gòu)帶來(lái)的變形、摩擦、磨損、間隙和發(fā)熱等誤差。直線電機(jī)有響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，但是直線電機(jī)的成本高、發(fā)熱大、系統(tǒng)復(fù)雜，所以應(yīng)用不是很廣泛。(7)其他位移機(jī)構(gòu)：例如形狀記憶合金式，該機(jī)構(gòu)的原理是記憶合金在低溫的狀態(tài)無(wú)論該金屬的形狀進(jìn)行怎么樣的改變，一旦溫度升高到某個(gè)溫度后形狀被改變的金屬馬上就會(huì)回復(fù)到原來(lái)低溫狀態(tài)下的形狀。使用這個(gè)原理實(shí)現(xiàn)該機(jī)構(gòu)的

13、位移，能夠使用電流來(lái)提升金屬的溫度就可以改變位移的。已經(jīng)在機(jī)械制造、計(jì)算機(jī)制造等工業(yè)制造中大范圍使用6。滾珠導(dǎo)軌式微位移機(jī)構(gòu)具有簡(jiǎn)單科學(xué)的機(jī)構(gòu)，同時(shí)該機(jī)構(gòu)的行程也不小、精度高、使用順滑簡(jiǎn)便，經(jīng)常用于實(shí)驗(yàn)坐標(biāo)調(diào)整臺(tái)等儀器。1.1.2 五軸微移臺(tái)的工作原理五軸微移臺(tái)的工作原理轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋測(cè)微頭使螺旋測(cè)微頭伸長(zhǎng)帶動(dòng)了工作臺(tái)順著導(dǎo)軌的方向前進(jìn)，當(dāng)達(dá)到既定位置后停止轉(zhuǎn)動(dòng)，更換一個(gè)方向繼續(xù)調(diào)整位置。最后通過(guò) XYZ 三軸調(diào)整完畢后再調(diào)整兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向完成調(diào)整。1.1.3 微位移技術(shù)的評(píng)價(jià)參數(shù)微位移技術(shù)的評(píng)價(jià)參數(shù)微位移技術(shù),通過(guò)對(duì)名稱可以得知該項(xiàng)技術(shù)研究到微米及其以下精度的位移有關(guān)的技術(shù)和機(jī)構(gòu)。從這項(xiàng)技術(shù)的開(kāi)始研

14、究到今天，都在這幾個(gè)方向研究，這些方向的各種參數(shù)能夠成為微位移系統(tǒng)的必要參考依據(jù)。(1)分辨率。位移臺(tái)的分辨率是評(píng)價(jià)微位移機(jī)構(gòu)的最大特征也是最重要的特征。現(xiàn)在研究員們都向納米級(jí)的位移臺(tái)作為目標(biāo),不過(guò)現(xiàn)在絕大部分存在的位移機(jī)構(gòu)只可以達(dá)到亞微米級(jí)別。(2)精度。位移臺(tái)的絕對(duì)精度、相對(duì)精度和重復(fù)精度同樣是很重要的特征。(3)行程。行程一般為幾微米到幾十微米,需要依據(jù)使用者的需求來(lái)選擇移臺(tái)的行程。(4)自由度。依據(jù)使用者最終的使用需求來(lái)決定移臺(tái)的自由度，自由度越多系統(tǒng)越復(fù)雜。但是自由度多也就意味著功能更加的強(qiáng)大。(5)線性關(guān)系。輸入和輸出的線性關(guān)系明顯好,便于控制。1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容在本課題中,微位移的

15、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)又叫做位移臺(tái)設(shè)計(jì)。在此過(guò)程中,要以我們?cè)O(shè)計(jì)的目標(biāo)為核心最終,實(shí)現(xiàn)五個(gè)自由度可以自由運(yùn)動(dòng),能保證靈活動(dòng)作,還可以完成設(shè)計(jì)的最大位移、最小精確度。并且需要想到到設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇的驅(qū)動(dòng)器的工作方式、作用力、作用位移和體積等。,該位移臺(tái)所有的部件的加工難易程度和對(duì)該移臺(tái)裝配時(shí)的產(chǎn)生的誤差和可靠性,對(duì)它的主要強(qiáng)度需有保證。除此之外,這個(gè)移臺(tái)的所有工作方式需要做到最大程度的簡(jiǎn)潔,控制力求簡(jiǎn)便、可靠。在可以完成設(shè)計(jì)目標(biāo)所能達(dá)到該移臺(tái)要求的情況下,對(duì)移臺(tái)的總體尺寸和材料、加工成本都要盡可能的少,與此同時(shí)最好開(kāi)可以研究深入開(kāi)發(fā)的價(jià)值,最好開(kāi)能夠?qū)⒃撘婆_(tái)的實(shí)用性做到最大的利用,對(duì)使其外觀也做到符合美學(xué)的樣式

16、?？偠灾?，不僅僅要達(dá)到既定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，同時(shí)還要注意到該設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)成本和造型外觀，將設(shè)計(jì)作為一個(gè)綜合的角度來(lái)考慮，做到功能價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值并重。1.2.1 研究任務(wù)可以分成以下幾點(diǎn)：研究任務(wù)可以分成以下幾點(diǎn)：（1）確定各個(gè)軸向的運(yùn)動(dòng)方向和行程（2）查找手冊(cè)確定尺寸（3）solidworks 中畫(huà)出各個(gè)零件（4）模擬移臺(tái)工作1.3 小結(jié)微位移系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)有非常多的類別，每種形式都有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。由于各個(gè)機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)原理不一樣，所以它們的特點(diǎn)也都不一樣，所適用的范圍也都大不相同。但是隨著科技的發(fā)展，越來(lái)越多的高精度的機(jī)構(gòu)被實(shí)現(xiàn)，同時(shí)某些機(jī)構(gòu)會(huì)隨著時(shí)間慢慢被淘汰。由于位移臺(tái)在各個(gè)領(lǐng)域都需要使用到，

17、所以微位移技術(shù)的發(fā)展只會(huì)越來(lái)越迅速，機(jī)構(gòu)的形式越來(lái)越多。隨著我們的深入研究，更多更簡(jiǎn)單、更高精密度和使用更加方便的機(jī)構(gòu)被制造出來(lái)。第二章 三維制圖的簡(jiǎn)介2.1 三維制圖三維制圖是一種現(xiàn)代的簡(jiǎn)單、方便、快捷、直觀的新型作圖方式，借助電腦的輔助直接在電腦中構(gòu)建三維模型，并且能夠?qū)θ我獾娜S模型添加尺寸，以此來(lái)固化形狀。除此之外還可以對(duì)模型設(shè)定材質(zhì)、增加貼圖，并且也可以進(jìn)行修改，只要模型是合乎實(shí)際的?，F(xiàn)在，使用軟件進(jìn)行三維制圖是一種非常常見(jiàn)的行為，在很多行業(yè)比如，機(jī)械、建筑、工業(yè)設(shè)計(jì)等行業(yè)中必須都要學(xué)會(huì)三維制圖軟件。現(xiàn)在一般使用的三維制圖軟件主要有 SolidWorks、Pro-E、UG 等，這幾種

18、軟件的使用方式幾乎都差不多，大多數(shù)軟件繪制完成的圖形都能通用，但是每個(gè)軟件都有各自的特點(diǎn)，適用于各種各樣不一樣的行業(yè)。2.2 三維制圖簡(jiǎn)介利用計(jì)算機(jī)技術(shù)直接繪制并呈現(xiàn)出零件形狀、大小和材質(zhì)，并進(jìn)行組合成機(jī)構(gòu)。并且可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)放大觀察整理機(jī)構(gòu)的形狀和運(yùn)動(dòng)方式。制作爆炸視頻，更可以將三維的圖像轉(zhuǎn)化成二維圖像并且智能的標(biāo)注等功能。2.2.1 三維制圖的應(yīng)用三維制圖的應(yīng)用三維制圖在設(shè)計(jì)中有著重要的作用，極大的方便了設(shè)計(jì)。在機(jī)械、建筑等行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。可以直接繪制出零件并且設(shè)定材料，還可以貼圖極為真實(shí)的表現(xiàn)出零件加工完成后的樣子和裝配完成后機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式，最后還能制作動(dòng)畫(huà)。除此之外還能直接通過(guò) 3

19、D 打印機(jī)等直接生成實(shí)體零件。部分三維軟件可以直接由計(jì)算機(jī)生成 G 代碼，直接就可以導(dǎo)入機(jī)床進(jìn)行加工，十分的方便。2.2.2 三維制圖的特點(diǎn)三維制圖的特點(diǎn)三維制圖可以節(jié)約開(kāi)發(fā)時(shí)間，從設(shè)計(jì)到實(shí)物可以縮短很多時(shí)間。另外軟件中龐大的設(shè)計(jì)庫(kù)給設(shè)計(jì)提供了極大的方便。三維制圖還有一個(gè)方便的地方是可以跟二維圖進(jìn)行關(guān)聯(lián)，當(dāng)在三維模型中作出改變的時(shí)候，二維圖中也會(huì)由電腦控制作出改變。2.2.3 三維制圖的發(fā)展趨勢(shì)三維制圖的發(fā)展趨勢(shì)由于現(xiàn)在計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，依托計(jì)算機(jī)的三維建模技術(shù)發(fā)展也十分的迅速，建立的模型除了越來(lái)越逼真之外，智能程度也提高了，可以直接對(duì)模型輸入?yún)?shù)進(jìn)行某些力學(xué)性能、材料性能的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果

20、和實(shí)際零件的測(cè)試結(jié)果都十分接近。2.3 三維制圖軟件的選擇2.3.1 solidworksSolidWorks 軟件是專為 Windows 而開(kāi)發(fā)的三維 CAD 軟件，該軟件所使用的技術(shù)符合 CAD 技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)并且一直在創(chuàng)新，該軟件的設(shè)計(jì)緊靠這易用、穩(wěn)定和創(chuàng)新這三大原則7。借此該軟件證明了這是正確的。利用該款軟件，廣大的設(shè)計(jì)師可以極大的減少了設(shè)計(jì)的時(shí)間。使得很多產(chǎn)品可以極快的被設(shè)計(jì)出來(lái)，迅速的占領(lǐng)了市場(chǎng)份額。Solidworks 軟件的功能極其的多，其中的組件也非常的多。Solidworks 最獨(dú)特和最有優(yōu)勢(shì)的地方就是該軟件的三大特點(diǎn)：功能非常的強(qiáng)大、學(xué)習(xí)是使用十分的簡(jiǎn)便和軟件所使用的技術(shù)

21、一直在更新，這些特點(diǎn)將 solidworks 打造成十分先進(jìn)的、順應(yīng)潮流的三維 CAD 軟件。該軟件可以為設(shè)計(jì)師提供諸多的設(shè)計(jì)方案，能夠幫助設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過(guò)程中減少錯(cuò)誤和提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)度作出高質(zhì)量的產(chǎn)品。SolidWorks 在使用過(guò)程中體現(xiàn)的不光是強(qiáng)大的三維功能，更是對(duì)使用者的一種親和，人性化的體現(xiàn)，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)該軟件上手非常簡(jiǎn)單、學(xué)習(xí)進(jìn)程十分迅速。Solidworks 的菜單、按鈕等組件基本和 windows 系統(tǒng)相匹配，我們一般都使用 windows 系統(tǒng)，這樣可以非?？焖俚睦斫庹麄€(gè)軟件的組件排布，更快更迅速的找到所需要的功能。SolidWorks 的裝配功能十分的強(qiáng)大，可以對(duì)零件進(jìn)行直

22、接移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)進(jìn)行裝配，操作十分簡(jiǎn)單。現(xiàn)在一些主流的三維建模軟件中，該軟件的使用是比較簡(jiǎn)單的，但是其功能又十分的強(qiáng)大，又適應(yīng)了設(shè)計(jì)的主流，將三維模型和二維圖紙相關(guān)聯(lián)，使得整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程十分的簡(jiǎn)便。 2.3.2 Pro/EngineerPro/Engineer 是一款三維軟件。它是由美國(guó)的參數(shù)技術(shù)公司研發(fā)的。該軟件的特點(diǎn)就和它的公司一樣注重參數(shù)，該軟件使用了參數(shù)化技術(shù)，同時(shí)也是參數(shù)化技術(shù)的最先使用者。Pro/Engineer 在現(xiàn)在的三維 CAD 軟件中占有很大的市場(chǎng)。是主流的三維 CAD 軟件，在中國(guó)很多人都使用 Pro/Engineer 進(jìn)行三維建模。Pro/Engineer 采用了參數(shù)化來(lái)設(shè)計(jì)

23、的，而且還使用了單一數(shù)據(jù)庫(kù)、模塊化等技術(shù)。模塊化技術(shù)就是將所有的功能分成一個(gè)一個(gè)的模塊，給了用戶選擇的權(quán)利，用戶可以將不需要使用的模塊不進(jìn)行安裝，對(duì)需要的模塊就進(jìn)行安裝。這樣可以簡(jiǎn)化軟件和用戶的安裝時(shí)間。該軟件還采用了基于特征方式的設(shè)計(jì)，該方式可以使得設(shè)計(jì)過(guò)程和生產(chǎn)過(guò)程整合到一起。同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)生產(chǎn)，節(jié)約了時(shí)間。（1）參數(shù)化設(shè)計(jì)所謂的參數(shù)化就是指將幾何模型分解成特征。將每一種特種都用參數(shù)描述出來(lái)，這就是參數(shù)化。利用參數(shù)化可以分解非常復(fù)雜的幾何模型，將復(fù)雜幾何模型轉(zhuǎn)化成參數(shù)以后就可以對(duì)其進(jìn)行操作了。（2）基于特征建模基于特征就是將零件采用特種的方式描述出來(lái)，對(duì)于零件的孔、螺紋或是倒角等操作可以直接

24、利用軟件提供的功能完成，不需要畫(huà)出來(lái)。有種實(shí)際加工的感覺(jué)。這項(xiàng)功能帶給設(shè)計(jì)者是一種簡(jiǎn)單又靈活的操作方式，使得設(shè)計(jì)者可以輕易的改變模型的特征。（3）單一數(shù)據(jù)庫(kù)（全相關(guān)）單一數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)就是指將所有的數(shù)據(jù)同時(shí)保存在一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，并且這些數(shù)據(jù)都有關(guān)聯(lián)。例如設(shè)計(jì)師在對(duì)某個(gè)模型進(jìn)行改動(dòng)以后，由該模型生成的二維圖紙也會(huì)自動(dòng)的改動(dòng)，并不需要設(shè)計(jì)者再次對(duì)其改動(dòng)。與此同時(shí)，直接又三維模型生成的 G 代碼也會(huì)同時(shí)更新。這種緊密相關(guān)的技術(shù)就是單一數(shù)據(jù)庫(kù)。這種設(shè)計(jì)可以給使用者們帶來(lái)極大的方便，也為設(shè)計(jì)者們節(jié)約了很多時(shí)間，再也不需要因?yàn)橐惶幍男「膭?dòng)而改動(dòng)多個(gè)圖紙。2.3.3 UGUG（Unigraphics NX）是由多

25、個(gè)模塊組成的，該軟件的主要模塊 CAD。其他模塊還有 CAM/CAE 等，諸多模塊都有相互的關(guān)聯(lián)，但又是獨(dú)立存在的。 UG 具有三個(gè)設(shè)計(jì)層次，即結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和組件設(shè)計(jì)。UG 的 CAD 模塊可以分成實(shí)體建模、特征建模、自由形狀建模、工程制圖和裝配建模。CAD 模塊基本和 solidworks 相似。UG 的最大優(yōu)勢(shì)在于可以為客戶提供解決方案。該軟件可以為設(shè)計(jì)者們提升設(shè)計(jì)的效率，減少時(shí)間成本和搶先進(jìn)入市場(chǎng)。在實(shí)際的使用中，UG 已經(jīng)把該特點(diǎn)充分的發(fā)揮，把設(shè)計(jì)到制造所有的過(guò)程都集中起來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的管理。2.3.4 軟件選擇軟件選擇通過(guò)比較各種三維繪圖軟件的特點(diǎn)，該軟件對(duì)二維圖的支持程度高，

26、可以直接生成二維圖和對(duì)其進(jìn)行標(biāo)注注釋剖視等操作十分簡(jiǎn)單和方便，最后選擇使用 solidworks 進(jìn)行三維建模。2.4 三維建模2.4.1 solidworks 繪圖過(guò)程繪圖過(guò)程首先是創(chuàng)建一個(gè)零件圖，進(jìn)入草圖繪制（圖 3）。從圖中可以看到草圖必須圖 3 solidworks 草圖繪制在同一平面上，并且每一根線都必須有尺寸約束。草圖繪制完成再進(jìn)行拉伸（圖 4）。拉伸完成就就從二維到三維的轉(zhuǎn)變，從圖中可以看出已經(jīng)呈現(xiàn)出實(shí)體的模樣，該零件需要再對(duì)其加工才能成為目標(biāo)零件。圖 4 solidworks 初步成型零件再在此基礎(chǔ)上對(duì)該零件進(jìn)行切除、打孔等操作后形成如圖 5 所示的最終零件。圖 5 solid

27、works 成型零件2.4.2 solidworks 裝配過(guò)程裝配過(guò)程裝配采用自下而上的過(guò)程進(jìn)行裝配，先裝配最底下的零件。根據(jù)圖 6 可以看到五軸移臺(tái)已經(jīng)建模完成了，通過(guò)軟件自帶的功能可以對(duì)模型進(jìn)行剖視等觀察，在軟件中還可以對(duì)模型進(jìn)行拖動(dòng)查看。圖 6 solidworks 裝配圖2.5 小結(jié)本節(jié)主要從三維制圖的概念開(kāi)始介紹，到應(yīng)用、發(fā)展趨勢(shì)等一系列的說(shuō)明。在最后利用了本論文設(shè)計(jì)的五軸移臺(tái)作為例子簡(jiǎn)單的介紹了 solidworks 是如何進(jìn)行建模的，使用三維軟件的便利之處在哪里。第三章 五軸移臺(tái)的組成3.1 移臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)五軸移臺(tái)的設(shè)計(jì)其關(guān)鍵是對(duì)五軸移臺(tái)的主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)并且達(dá)到要求。主要是關(guān)

28、于自由度、行程和精度，還有很關(guān)鍵的分辨率。移臺(tái)的外觀要符合審美觀，并且對(duì)材料做到不能太浪費(fèi)，適用就好的原則。當(dāng)然這一切都是保證移臺(tái)的強(qiáng)度。 在對(duì)該移臺(tái)的設(shè)計(jì)中，為了達(dá)到目標(biāo)的精度，選擇了機(jī)械式的螺旋機(jī)構(gòu)作為驅(qū)動(dòng)器，使用該機(jī)構(gòu)能夠得到較高的精度。五軸移臺(tái)的設(shè)計(jì)需要保證移臺(tái)具有較高的幾何精度，同時(shí)也要保證誤差波動(dòng)不能太大。 3.1.1 X 軸方向的機(jī)構(gòu)軸方向的機(jī)構(gòu)X 軸方向的機(jī)構(gòu)由最下方的固定板上用螺釘固定線性滾珠導(dǎo)軌。最中間放置著兩根拉簧用來(lái)復(fù)位。在最上方是一個(gè)可移動(dòng)蓋板，固定在線性滾珠導(dǎo)軌的移動(dòng)導(dǎo)軌上。分厘卡座和固定蓋板聯(lián)接在一起，分厘卡固定在分厘卡座上，伸出端和移動(dòng)板碰在一起。在移臺(tái)的最下端

29、還有一個(gè)大行程的 X 軸移臺(tái)，由齒輪和齒條組合而成。由于行程大，精度較低。 3.1.2 Y 軸方向的機(jī)構(gòu)軸方向的機(jī)構(gòu)Y 軸方向的機(jī)構(gòu)和 X 軸向極為相似，不過(guò)沒(méi)有齒輪和齒條組成成的大行程位移機(jī)構(gòu)。Y 軸的移動(dòng)板就是 X 軸的固定板，所以 Y 軸位移機(jī)構(gòu)在 X 軸位移機(jī)構(gòu)的下方。當(dāng) Y 軸進(jìn)行移動(dòng)的時(shí)候，X 軸也會(huì)跟著在 Y 軸方向移動(dòng)。 3.1.3 Z 軸方向的機(jī)構(gòu)軸方向的機(jī)構(gòu)Z 軸機(jī)構(gòu)和 X 軸機(jī)構(gòu)類似，除了固定座結(jié)構(gòu)不同。Z 軸固定板和 X 軸移動(dòng)版也是聯(lián)接在一起的。3.1.4 繞繞 Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)繞 Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)是一個(gè)螺紋副固定在一塊板上，轉(zhuǎn)動(dòng)板可以繞中心轉(zhuǎn)動(dòng)。

30、螺紋副和上轉(zhuǎn)動(dòng)版伸出端接觸。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)螺紋副的時(shí)候，螺紋副伸長(zhǎng)使轉(zhuǎn)動(dòng)版轉(zhuǎn)動(dòng)。螺紋副向令一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)拉簧收縮，轉(zhuǎn)動(dòng)板恢復(fù)。3.1.5 繞繞 X 軸轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)繞 X 軸轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是一個(gè)螺紋副豎直固定在一塊板上，轉(zhuǎn)動(dòng)版在此板上方，又兩顆滾珠和兩根短柱連接。螺紋副跟轉(zhuǎn)動(dòng)版接觸。轉(zhuǎn)動(dòng)螺紋副轉(zhuǎn)動(dòng)版一端會(huì)抬升。當(dāng)反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)因?yàn)橹亓D(zhuǎn)動(dòng)版又下降。3.2 導(dǎo)軌導(dǎo)軌的主要作用是控制各部件的位置以及精度還有載荷(移臺(tái)、掛載部件等)的。導(dǎo)軌要保證較高的導(dǎo)向精度,良好的精度保持性,工作平穩(wěn),移動(dòng)光滑，簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu),良好的工藝性等等。3.2.1 導(dǎo)軌的種類導(dǎo)軌的種類（1）滑動(dòng)導(dǎo)軌滑動(dòng)導(dǎo)軌是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的導(dǎo)軌，該導(dǎo)軌

31、對(duì)制造要求低、結(jié)構(gòu)剛度強(qiáng)。但是也因?yàn)樵搶?dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單導(dǎo)致摩擦強(qiáng)，然后就使得導(dǎo)軌磨損過(guò)快?；瑒?dòng)式導(dǎo)軌也是由于該導(dǎo)軌使得兩個(gè)零件直接接觸所以精度不高，經(jīng)常用于低精度的場(chǎng)合。（2）滾動(dòng)導(dǎo)軌滾動(dòng)導(dǎo)軌是一種比滑動(dòng)導(dǎo)軌略微復(fù)雜的導(dǎo)軌，該導(dǎo)軌利用滾珠或滾柱等零件來(lái)滾動(dòng)的，也因此而得名。因?yàn)閮蓪?dǎo)軌面處于滾動(dòng)狀態(tài)，所以導(dǎo)軌的摩擦阻力很小8。使用滾動(dòng)導(dǎo)軌的移臺(tái)反映十分靈敏。但是也因?yàn)槭菨L珠或滾柱接觸，使得接觸面積小，所以導(dǎo)軌的抗干擾性能較差、承載能力也很低。而且在制造的時(shí)候需要很高的尺寸精度，生產(chǎn)成本大。另外粉塵等顆粒物對(duì)該導(dǎo)軌的破壞性很大，在惡劣的環(huán)境下工作會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)軌很快就損壞。（3）氣浮導(dǎo)軌氣體導(dǎo)軌是一種利用氣

32、體來(lái)懸浮的導(dǎo)軌。在導(dǎo)軌中間的氣腔內(nèi)沖入氣體后兩導(dǎo)軌面中間就會(huì)有氣體使得兩導(dǎo)軌隔開(kāi)。使用了該方法后兩導(dǎo)軌面不直接接觸，所以基本沒(méi)有摩擦，也不會(huì)發(fā)熱，精度也很高。因?yàn)橛袣怏w相隔，所以對(duì)干擾的抗性也很強(qiáng)。不過(guò)由于采用氣體懸浮，所以該導(dǎo)軌的承載能力弱，結(jié)構(gòu)也異常復(fù)雜，常常還需要專門(mén)配置可靠穩(wěn)定的氣體源，成本大。這種機(jī)構(gòu)使得該導(dǎo)軌精度可以達(dá)到很高，但代價(jià)太大不是經(jīng)常使用。（4）平行彈性導(dǎo)軌平行彈性導(dǎo)軌是利用彈簧片來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)彈簧片受到力的作用的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生一定的變形。該變形使得導(dǎo)軌會(huì)位移。彈性導(dǎo)軌因?yàn)槠鋬?nèi)部不會(huì)有摩擦、同時(shí)也沒(méi)有間隙，結(jié)構(gòu)緊湊。該導(dǎo)軌的精度很高，不過(guò)它的行程也很小。（5）柔性支承導(dǎo)軌柔

33、性支承導(dǎo)軌是一種柔性鉸鏈替代而制成的一種導(dǎo)軌。該導(dǎo)軌利用柔性鉸鏈代替原來(lái)的一般鉸鏈制成的機(jī)構(gòu)。該種機(jī)構(gòu)的原理是利用材料彈性形變來(lái)實(shí)現(xiàn)的，使某種材料上制成強(qiáng)度大小不均勻，利用強(qiáng)度弱的那里的變形和材料本身的恢復(fù)能力來(lái)使得結(jié)構(gòu)改變形狀，最后使得產(chǎn)生位移。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)就在于整個(gè)過(guò)程沒(méi)有相對(duì)摩擦，而且整個(gè)結(jié)構(gòu)小巧，空隙少，使得該導(dǎo)軌精度很高，最終可以得到很高的分辨率。這種結(jié)構(gòu)制造成本低、維護(hù)簡(jiǎn)單、安裝也方便，最關(guān)鍵精度也很高，就使得它得到了廣泛的使用。唯一的缺點(diǎn)就是行程較小。3.1.2 導(dǎo)軌平行度測(cè)試導(dǎo)軌平行度測(cè)試由于導(dǎo)軌安裝基面的加工精度很高，直線度和平面度都很高，而且導(dǎo)軌安裝基面寬度狹窄，所以導(dǎo)軌

34、在垂直于安裝方向上的傾斜度非常的小，在本設(shè)計(jì)中影響不大，可以采用通用簡(jiǎn)易的測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量。圖 7 導(dǎo)軌平行度測(cè)試示意圖導(dǎo)軌的平行度測(cè)量示意圖先安裝固定基準(zhǔn)導(dǎo)軌，如圖 7 所示，將千分表可靠的固定在基準(zhǔn)導(dǎo)軌的滑塊上，千分表測(cè)量桿的軸線與基準(zhǔn)導(dǎo)軌的安裝方向垂直，固定從導(dǎo)軌并將千分表觸頭接觸到從導(dǎo)軌的測(cè)平面，移動(dòng)基準(zhǔn)導(dǎo)軌滑塊調(diào)整觸頭和從導(dǎo)軌側(cè)面的壓縮距離，保證觸頭始終和從導(dǎo)軌側(cè)面接觸并保證壓縮距離不超過(guò)千分表的量程。將基準(zhǔn)導(dǎo)軌的滑塊從導(dǎo)軌一端開(kāi)始，每隔 50mm 記錄一個(gè)測(cè)量值，直到滑塊移動(dòng)到導(dǎo)軌另一端末尾，用直線擬合方法分析測(cè)量數(shù)據(jù)的變化規(guī)律便可以得到導(dǎo)軌之間的平行度偏差，然后對(duì)從導(dǎo)軌加以調(diào)整重

35、新測(cè)量，直到各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的值相同或者達(dá)到最接近相同為止。從導(dǎo)軌調(diào)整完畢后，緊固住從導(dǎo)軌，安裝上從導(dǎo)軌的滑塊并加載和固定導(dǎo)軌導(dǎo)向的溜板，來(lái)回推動(dòng)溜板，如果溜板來(lái)回推動(dòng)阻力較大，證明導(dǎo)軌仍從在較大的平行度誤差，應(yīng)該重新測(cè)量調(diào)整或者換用更高精度的工具進(jìn)行測(cè)量調(diào)整；如果溜板來(lái)回推動(dòng)順暢，則證明導(dǎo)軌的平行度較好，測(cè)量和調(diào)試完畢9。3.2 小結(jié) 本章主要介紹了移臺(tái)的組成，并且介紹了其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和組成，其中重點(diǎn)介紹了導(dǎo)軌的種類、原理和特點(diǎn)。了解了移臺(tái)是怎么樣的組合方式以及關(guān)鍵機(jī)構(gòu)。第四章 五軸移臺(tái)工作過(guò)程4.1 五軸移臺(tái)的工作過(guò)程五軸移臺(tái)是依靠分厘卡驅(qū)動(dòng)，順著導(dǎo)軌方向移動(dòng)的。其精度和分辨率主要依靠驅(qū)動(dòng)器-分厘

36、卡的精度，其次受到導(dǎo)軌精度和摩擦的影響。4.1.1 五軸移臺(tái)的工作過(guò)程五軸移臺(tái)的工作過(guò)程該移臺(tái)的工作過(guò)程由圖示 8 所示，導(dǎo)軌簡(jiǎn)化成滾珠使滑動(dòng)板和固定板可以相對(duì)移動(dòng)并且有導(dǎo)向和減少摩擦的作用。右側(cè)的分厘卡轉(zhuǎn)動(dòng)以后使分厘卡的工作端伸長(zhǎng)推動(dòng)了滑動(dòng)板向前方移動(dòng)。XYZ 三個(gè)平面的工作過(guò)程基本類似，而兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)的原理如圖 9 所示，也是經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化成一塊轉(zhuǎn)動(dòng)版和一塊固定板通過(guò)鉸鏈相連，下方的螺紋副轉(zhuǎn)動(dòng)后推動(dòng)上方的轉(zhuǎn)動(dòng)版逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到了調(diào)整角度的目的。繞 X 軸和繞 Z 軸實(shí)現(xiàn)的方式基本相同。圖 8 移臺(tái)單方向移動(dòng)示意圖圖 9 移臺(tái)繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖4.2 驅(qū)動(dòng)器螺旋測(cè)微頭螺旋測(cè)微頭俗稱分厘卡，又是千分尺的主

37、要結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)其精度和大小也都不一樣。4.2.1 螺旋測(cè)微頭的原理螺旋測(cè)微頭的原理該機(jī)構(gòu)的工作原理就是螺旋放大的原理一樣，如圖 10 所示，轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿，螺桿會(huì)和螺母形成螺旋，螺桿每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，螺母和裸官便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)螺距的位移10。只要在螺桿上畫(huà)好刻度，就可以得知螺桿和螺母移動(dòng)了多少距離。圖 10 螺旋測(cè)微頭原理圖4.3 小結(jié)本章主要通過(guò)簡(jiǎn)單的示意圖介紹了移臺(tái)工作的原理和驅(qū)動(dòng)器-測(cè)微頭的工作原理。第 5 章 結(jié)論本篇畢業(yè)設(shè)計(jì)論文針對(duì)五軸移臺(tái)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明。 首先對(duì)機(jī)構(gòu)類型進(jìn)行了簡(jiǎn)要的說(shuō)明，包括移臺(tái)的定義和用途，以及說(shuō)明設(shè)計(jì)的目的。 緊接著， 該文章對(duì)移臺(tái)的工作原理進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。其后，論文便開(kāi)始對(duì)每個(gè)部件展開(kāi)了設(shè)計(jì)說(shuō)明。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我從中受益匪淺