五軸微位移臺設(shè)計

PAGE寧波理工學(xué)院寧波理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）題目五軸微位移臺設(shè)計姓名田澤文學(xué)號3110611020專業(yè)班級11機械設(shè)計制造及其自動化班指導(dǎo)教師張煒分院機電與能源工程分院完成日期2015年5月14日目錄24558摘要 I20351Abstract II25804第一章緒論 1137571.1五軸微移臺概述 1240951.1.1五軸微移臺的種類 127571.1.2五軸微移臺的工作原理 4279401.1.3微位移技術(shù)的評價參數(shù) 4163901.2設(shè)計內(nèi)容 41451.2.1研究任務(wù)可以分成以下幾點： 5240151.3小結(jié) 518980第二章三維制圖的簡介 658642.1三維制圖 6249602.2三維制圖簡介 6318672.2.1三維制圖的應(yīng)用 6212352.2.2三維制圖的特點 6210572.2.3三維制圖的發(fā)展趨勢 785562.3三維制圖軟件的選擇 733552.3.1solidworks 7156612.3.2Pro/Engineer 860232.3.3UG 9156122.3.4軟件選擇 947422.4三維建模 10219792.4.1solidworks繪圖過程 10161152.4.2solidworks裝配過程 11116692.5小結(jié) 1223135第三章五軸移臺的組成 13180823.1移臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計 13214773.1.1X軸方向的機構(gòu) 13307633.1.2Y軸方向的機構(gòu) 1383463.1.3Z軸方向的機構(gòu) 13151623.1.4繞Z軸轉(zhuǎn)動的機構(gòu) 13298283.1.5繞X軸轉(zhuǎn)動的機構(gòu) 1477673.2導(dǎo)軌 1431313.2.1導(dǎo)軌的種類 14315223.1.2導(dǎo)軌平行度測試 15216683.2小結(jié) 169642第四章五軸移臺工作過程 17269774.1五軸移臺的工作過程 17193464.1.1五軸移臺的工作過程 17266064.2驅(qū)動器螺旋測微頭 18105624.2.1螺旋測微頭的原理 18175404.3小結(jié) 1911698第五章結(jié)論 2030522參考文獻(xiàn) 2110650致謝 22摘要本論文首先描述了移臺的種類和工作原理，其次介紹solidworks的應(yīng)用、特點。然后介紹了五軸移臺的主要組成部分及其工作過程,其核心機構(gòu)是由三個平移臺組成的XYZ三軸平移臺，再加上繞Y軸和Z軸的兩個轉(zhuǎn)臺組成一個五軸移臺，最下面是一個齒輪和齒條組成的X軸移臺。最后詳細(xì)說明了工作原理和機構(gòu)的組成。通過螺旋側(cè)微頭和拉簧共同作用下使機構(gòu)精確定位。關(guān)鍵詞：五軸；移臺；solidworksⅠAbstractThispaperdescribesthetypesandworkingprincipleofmovingplatform,followedbytheintroductionofcharacteristicsofSolidWorksandapplication.Thenintroducesthefiveaxisshiftofmaincomponentpartsanditsworkingprocess,itscoremechanismiscomposedofthreetranslationaltableXYZthree-axistranslationstage,plusaroundtheYaxisandZaxisoftwotablecomposedofafiveaxisdisplacementplatform,thebottomiscomposedofagearandrackXaxisshiftandTaiwan.Finallyadetaileddescriptionoftheworkingprincipleandmechanism.Throughthespiralsidemicroheadandthespringundertheactionoftheprecisionpositioningmechanism.Keywords:Fiveaxis;movingplatform;SolidWorksⅡ第一章緒論1.1五軸微移臺概述五軸微移臺又名五軸位移臺，將手輪轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成位移動作，由機械完成。五軸移臺有多種：其中最簡單一種是機械式，全部功能都是由機構(gòu)完成。還有一種是壓電式，精度高，可以通過計算機控制，響應(yīng)速度快但是行程很小，用在高精密定位。1.1.1五軸微移臺的種類（1）機械式：機械傳動微位移的機構(gòu)是一種傳統(tǒng)的機構(gòu)，應(yīng)用在精密的的機械和儀器，實現(xiàn)的機構(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。不過因為機械機構(gòu)普遍存在機械間隙、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間后精度下降等問題。所以這些機構(gòu)只能用于中低精度[1]。（2）壓電式：壓電陶瓷微位移機構(gòu)的原理是逆壓電效應(yīng)，當(dāng)在材料表面產(chǎn)生了電場時，會產(chǎn)生機械形變。使用這一原理，只需要變化輸入的電壓強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)機構(gòu)在工作過程中造成的各種誤差。該設(shè)計具有簡潔的機構(gòu)、較小的體積、納米級的精度、能量損失少、控制簡單等優(yōu)點，在機械制造、電子、航天航空、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域已經(jīng)廣泛使用，例如顯微鏡的觀測臺移動機構(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償機構(gòu)和其他一些儀器[2][3]。（3）熱變形式：這種機構(gòu)的原理是熱脹冷縮。當(dāng)傳動桿被加熱以后，因為其材料特性會導(dǎo)致傳動桿伸長。如圖1，傳動桿一邊被固定，另一邊和零件接觸，在對傳動桿加熱以后，傳動桿受熱膨脹使得傳動桿伸長，推動零件產(chǎn)生位移。伸長量為：（1）式中：——傳動桿材料的線膨脹系數(shù)；L——傳動桿長度；——加熱前的溫度和加熱后的溫度。圖1熱變形機構(gòu)示意圖對于加熱傳動桿，最好的辦法是使用電阻絲。電阻絲的機構(gòu)簡單，便于控制。只要使得通過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)致傳動桿的溫度也不同，傳動桿伸長的位移量也不一樣。熱變形微位移機構(gòu)可以通過電流控制位移量，所以它控制簡單和方便。但是因為有熱輻射的存在，導(dǎo)致周圍溫度對傳動桿的影響很大，所以會丟失部分精度。彈性變形式：彈性變形式機構(gòu)的機構(gòu)是由兩個彈簧組成的，如圖X。該機構(gòu)的原理是將兩個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。利用這一特性來提高分辨率。輸入和輸出位移之間的關(guān)系：（2）式中：——分別為主動彈簧和從動彈簧的剛度；——分別為輸入位移和輸出位移。該機構(gòu)因為是內(nèi)摩擦加上傳動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)定性的場合例如掃描隧道顯微鏡等機構(gòu)。但是彈性變形式機構(gòu)在受到外力或摩擦力的時候，將影響精度、容易產(chǎn)生過渡性振蕩，所以不使用于動態(tài)響應(yīng)的情況。柔性鉸鏈?zhǔn)剑河扇嵝糟q鏈結(jié)構(gòu)制成的微位移臺是不久以前出現(xiàn)的現(xiàn)代微位移機構(gòu)。該機構(gòu)的驅(qū)動方式主要有三種，第一種是利用電致伸縮器件來驅(qū)動位移臺進(jìn)行工作，第二種是利用壓電形式的驅(qū)動器，這個和（2）中壓點陶瓷為位移機構(gòu)類似，最后一種是使用了分厘卡驅(qū)動。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)位移來使位移縮小，得到微位移量。如圖2所示，轉(zhuǎn)動分厘卡產(chǎn)生初始位移，帶動柔性鉸鏈機構(gòu)，推動零件移動。在零件處裝一個傳感器，用于測量零件移動的距離[4][5]。圖2分厘卡式柔性鉸鏈機構(gòu)柔性鉸鏈機構(gòu)有諸多的優(yōu)點，該機構(gòu)的體積十分的小巧、結(jié)構(gòu)設(shè)計十分合理節(jié)約空間、中間沒有空隙、沒有機械摩擦和滑行，抗干擾能力強，具有很高的分辨率。該機構(gòu)配合壓電驅(qū)動就可以得到一種控制簡單方便，精度高。因為沒有摩擦所以該機構(gòu)不會因為摩擦生熱和摩擦噪聲。該機構(gòu)可在各種惡劣的情況下繼續(xù)運作，是一種十分理想的移臺。在航天航空、醫(yī)藥、生物工程中獲得了應(yīng)用。(6)直線電機式：直線電機式微位移機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，直接利用直線電機作為驅(qū)動。直線電機可以任意調(diào)節(jié)行程和位移長度，分辨率為無限小。直線電機進(jìn)給速度很快，并且不需要用機械方式將旋轉(zhuǎn)的運動轉(zhuǎn)化為直線運動，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得極為簡潔。由于少了很多機構(gòu)，避免了由這些機構(gòu)帶來的變形、摩擦、磨損、間隙和發(fā)熱等誤差。直線電機有響應(yīng)速度快的優(yōu)點，但是直線電機的成本高、發(fā)熱大、系統(tǒng)復(fù)雜，所以應(yīng)用不是很廣泛。(7)其他位移機構(gòu)：例如形狀記憶合金式，該機構(gòu)的原理是記憶合金在低溫的狀態(tài)無論該金屬的形狀進(jìn)行怎么樣的改變，一旦溫度升高到某個溫度后形狀被改變的金屬馬上就會回復(fù)到原來低溫狀態(tài)下的形狀。使用這個原理實現(xiàn)該機構(gòu)的位移，能夠使用電流來提升金屬的溫度就可以改變位移的。已經(jīng)在機械制造、計算機制造等工業(yè)制造中大范圍使用[6]。滾珠導(dǎo)軌式微位移機構(gòu)具有簡單科學(xué)的機構(gòu)，同時該機構(gòu)的行程也不小、精度高、使用順滑簡便，經(jīng)常用于實驗坐標(biāo)調(diào)整臺等儀器。1.1.2五軸微移臺的工作原理轉(zhuǎn)動螺旋測微頭使螺旋測微頭伸長帶動了工作臺順著導(dǎo)軌的方向前進(jìn)，當(dāng)達(dá)到既定位置后停止轉(zhuǎn)動，更換一個方向繼續(xù)調(diào)整位置。最后通過XYZ三軸調(diào)整完畢后再調(diào)整兩個轉(zhuǎn)動方向完成調(diào)整。1.1.3微位移技術(shù)的評價參數(shù)微位移技術(shù),通過對名稱可以得知該項技術(shù)研究到微米及其以下精度的位移有關(guān)的技術(shù)和機構(gòu)。從這項技術(shù)的開始研究到今天，都在這幾個方向研究，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。位移臺的分辨率是評價微位移機構(gòu)的最大特征也是最重要的特征?，F(xiàn)在研究員們都向納米級的位移臺作為目標(biāo),不過現(xiàn)在絕大部分存在的位移機構(gòu)只可以達(dá)到亞微米級別。(2)精度。位移臺的絕對精度、相對精度和重復(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)使用者的需求來選擇移臺的行程。(4)自由度。依據(jù)使用者最終的使用需求來決定移臺的自由度，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)計內(nèi)容在本課題中,微位移的機構(gòu)設(shè)計又叫做位移臺設(shè)計。在此過程中,要以我們設(shè)計的目標(biāo)為核心最終,實現(xiàn)五個自由度可以自由運動,能保證靈活動作,還可以完成設(shè)計的最大位移、最小精確度。并且需要想到到設(shè)計過程中選擇的驅(qū)動器的工作方式、作用力、作用位移和體積等。,該位移臺所有的部件的加工難易程度和對該移臺裝配時的產(chǎn)生的誤差和可靠性,對它的主要強度需有保證。除此之外,這個移臺的所有工作方式需要做到最大程度的簡潔,控制力求簡便、可靠。在可以完成設(shè)計目標(biāo)所能達(dá)到該移臺要求的情況下,對移臺的總體尺寸和材料、加工成本都要盡可能的少,與此同時最好開可以研究深入開發(fā)的價值,最好開能夠?qū)⒃撘婆_的實用性做到最大的利用,對使其外觀也做到符合美學(xué)的樣式?？偠灾粌H僅要達(dá)到既定的設(shè)計目標(biāo)，同時還要注意到該設(shè)計的經(jīng)濟(jì)成本和造型外觀，將設(shè)計作為一個綜合的角度來考慮，做到功能價值和經(jīng)濟(jì)價值并重。1.2.1研究任務(wù)可以分成以下幾點：（1）確定各個軸向的運動方向和行程（2）查找手冊確定尺寸（3）solidworks中畫出各個零件（4）模擬移臺工作1.3小結(jié)微位移系統(tǒng)的機構(gòu)有非常多的類別，每種形式都有自己獨特的優(yōu)勢和劣勢。由于各個機構(gòu)的實現(xiàn)原理不一樣，所以它們的特點也都不一樣，所適用的范圍也都大不相同。但是隨著科技的發(fā)展，越來越多的高精度的機構(gòu)被實現(xiàn)，同時某些機構(gòu)會隨著時間慢慢被淘汰。由于位移臺在各個領(lǐng)域都需要使用到，所以微位移技術(shù)的發(fā)展只會越來越迅速，機構(gòu)的形式越來越多。隨著我們的深入研究，更多更簡單、更高精密度和使用更加方便的機構(gòu)被制造出來。第二章三維制圖的簡介2.1三維制圖三維制圖是一種現(xiàn)代的簡單、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，以此來固化形狀。除此之外還可以對模型設(shè)定材質(zhì)、增加貼圖，并且也可以進(jìn)行修改，只要模型是合乎實際的?，F(xiàn)在，使用軟件進(jìn)行三維制圖是一種非常常見的行為，在很多行業(yè)比如，機械、建筑、工業(yè)設(shè)計等行業(yè)中必須都要學(xué)會三維制圖軟件?，F(xiàn)在一般使用的三維制圖軟件主要有SolidWorks、Pro-E、UG等，這幾種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，但是每個軟件都有各自的特點，適用于各種各樣不一樣的行業(yè)。2.2三維制圖簡介利用計算機技術(shù)直接繪制并呈現(xiàn)出零件形狀、大小和材質(zhì)，并進(jìn)行組合成機構(gòu)。并且可以通過旋轉(zhuǎn)放大觀察整理機構(gòu)的形狀和運動方式。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)用三維制圖在設(shè)計中有著重要的作用，極大的方便了設(shè)計。在機械、建筑等行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用?？梢灾苯永L制出零件并且設(shè)定材料，還可以貼圖極為真實的表現(xiàn)出零件加工完成后的樣子和裝配完成后機構(gòu)的運動方式，最后還能制作動畫。除此之外還能直接通過3D打印機等直接生成實體零件。部分三維軟件可以直接由計算機生成G代碼，直接就可以導(dǎo)入機床進(jìn)行加工，十分的方便。2.2.2三維制圖的特點三維制圖可以節(jié)約開發(fā)時間，從設(shè)計到實物可以縮短很多時間。另外軟件中龐大的設(shè)計庫給設(shè)計提供了極大的方便。三維制圖還有一個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候，二維圖中也會由電腦控制作出改變。2.2.3三維制圖的發(fā)展趨勢由于現(xiàn)在計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，依托計算機的三維建模技術(shù)發(fā)展也十分的迅速，建立的模型除了越來越逼真之外，智能程度也提高了，可以直接對模型輸入?yún)?shù)進(jìn)行某些力學(xué)性能、材料性能的測試，測試結(jié)果和實際零件的測試結(jié)果都十分接近。2.3三維制圖軟件的選擇2.3.1solidworksSolidWorks軟件是專為Windows而開發(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)展趨勢并且一直在創(chuàng)新，該軟件的設(shè)計緊靠這易用、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)計師可以極大的減少了設(shè)計的時間。使得很多產(chǎn)品可以極快的被設(shè)計出來，迅速的占領(lǐng)了市場份額。Solidworks軟件的功能極其的多，其中的組件也非常的多。Solidworks最獨特和最有優(yōu)勢的地方就是該軟件的三大特點：功能非常的強大、學(xué)習(xí)是使用十分的簡便和軟件所使用的技術(shù)一直在更新，這些特點將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)計師提供諸多的設(shè)計方案，能夠幫助設(shè)計師在設(shè)計過程中減少錯誤和提高產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)度作出高質(zhì)量的產(chǎn)品。SolidWorks在使用過程中體現(xiàn)的不光是強大的三維功能，更是對使用者的一種親和，人性化的體現(xiàn)，對于初學(xué)者來說該軟件上手非常簡單、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€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大，可以對零件進(jìn)行直接移動和旋轉(zhuǎn)進(jìn)行裝配，操作十分簡單?，F(xiàn)在一些主流的三維建模軟件中，該軟件的使用是比較簡單的，但是其功能又十分的強大，又適應(yīng)了設(shè)計的主流，將三維模型和二維圖紙相關(guān)聯(lián)，使得整個設(shè)計過程十分的簡便。2.3.2Pro/EngineerPro/Engineer是一款三維軟件。它是由美國的參數(shù)技術(shù)公司研發(fā)的。該軟件的特點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。是主流的三維CAD軟件，在中國很多人都使用Pro/Engineer進(jìn)行三維建模。Pro/Engineer采用了參數(shù)化來設(shè)計的，而且還使用了單一數(shù)據(jù)庫、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一個的模塊，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，對需要的模塊就進(jìn)行安裝。這樣可以簡化軟件和用戶的安裝時間。該軟件還采用了基于特征方式的設(shè)計，該方式可以使得設(shè)計過程和生產(chǎn)過程整合到一起。同時進(jìn)行設(shè)計生產(chǎn)，節(jié)約了時間。參數(shù)化設(shè)計所謂的參數(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，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)以后就可以對其進(jìn)行操作了。基于特征建?；谔卣骶褪菍⒘慵捎锰胤N的方式描述出來，對于零件的孔、螺紋或是倒角等操作可以直接利用軟件提供的功能完成，不需要畫出來。有種實際加工的感覺。這項功能帶給設(shè)計者是一種簡單又靈活的操作方式，使得設(shè)計者可以輕易的改變模型的特征。（3）單一數(shù)據(jù)庫（全相關(guān)）單一數(shù)據(jù)庫技術(shù)就是指將所有的數(shù)據(jù)同時保存在一個數(shù)據(jù)庫中，并且這些數(shù)據(jù)都有關(guān)聯(lián)。例如設(shè)計師在對某個模型進(jìn)行改動以后，由該模型生成的二維圖紙也會自動的改動，并不需要設(shè)計者再次對其改動。與此同時，直接又三維模型生成的G代碼也會同時更新。這種緊密相關(guān)的技術(shù)就是單一數(shù)據(jù)庫。這種設(shè)計可以給使用者們帶來極大的方便，也為設(shè)計者們節(jié)約了很多時間，再也不需要因為一處的小改動而改動多個圖紙。2.3.3UGUG（UnigraphicsNX）是由多個模塊組成的，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)，但又是獨立存在的。UG具有三個設(shè)計層次，即結(jié)構(gòu)設(shè)計、子系統(tǒng)設(shè)計和組件設(shè)計。UG的CAD模塊可以分成實體建模、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)勢在于可以為客戶提供解決方案。該軟件可以為設(shè)計者們提升設(shè)計的效率，減少時間成本和搶先進(jìn)入市場。在實際的使用中，UG已經(jīng)把該特點充分的發(fā)揮，把設(shè)計到制造所有的過程都集中起來實現(xiàn)數(shù)字化的管理。2.3.4軟件選擇通過比較各種三維繪圖軟件的特點，該軟件對二維圖的支持程度高，可以直接生成二維圖和對其進(jìn)行標(biāo)注注釋剖視等操作十分簡單和方便，最后選擇使用solidworks進(jìn)行三維建模。2.4三維建模2.4.1solidworks繪圖過程首先是創(chuàng)建一個零件圖，進(jìn)入草圖繪制（圖3）。從圖中可以看到草圖必須圖3solidworks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)出實體的模樣，該零件需要再對其加工才能成為目標(biāo)零件。圖4solidworks初步成型零件再在此基礎(chǔ)上對該零件進(jìn)行切除、打孔等操作后形成如圖5所示的最終零件。圖5solidworks成型零件2.4.2solidworks裝配過程裝配采用自下而上的過程進(jìn)行裝配，先裝配最底下的零件。根據(jù)圖6可以看到五軸移臺已經(jīng)建模完成了，通過軟件自帶的功能可以對模型進(jìn)行剖視等觀察，在軟件中還可以對模型進(jìn)行拖動查看。圖6solidworks裝配圖2.5小結(jié)本節(jié)主要從三維制圖的概念開始介紹，到應(yīng)用、發(fā)展趨勢等一系列的說明。在最后利用了本論文設(shè)計的五軸移臺作為例子簡單的介紹了solidworks是如何進(jìn)行建模的，使用三維軟件的便利之處在哪里。第三章五軸移臺的組成3.1移臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計對五軸移臺的設(shè)計其關(guān)鍵是對五軸移臺的主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)計并且達(dá)到要求。主要是關(guān)于自由度、行程和精度，還有很關(guān)鍵的分辨率。移臺的外觀要符合審美觀，并且對材料做到不能太浪費，適用就好的原則。當(dāng)然這一切都是保證移臺的強度。在對該移臺的設(shè)計中，為了達(dá)到目標(biāo)的精度，選擇了機械式的螺旋機構(gòu)作為驅(qū)動器，使用該機構(gòu)能夠得到較高的精度。五軸移臺的設(shè)計需要保證移臺具有較高的幾何精度，同時也要保證誤差波動不能太大。3.1.1X軸方向的機構(gòu)X軸方向的機構(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復(fù)位。在最上方是一個可移動蓋板，固定在線性滾珠導(dǎo)軌的移動導(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，伸出端和移動板碰在一起。在移臺的最下端還有一個大行程的X軸移臺，由齒輪和齒條組合而成。由于行程大，精度較低。3.1.2Y軸方向的機構(gòu)Y軸方向的機構(gòu)和X軸向極為相似，不過沒有齒輪和齒條組成成的大行程位移機構(gòu)。Y軸的移動板就是X軸的固定板，所以Y軸位移機構(gòu)在X軸位移機構(gòu)的下方。當(dāng)Y軸進(jìn)行移動的時候，X軸也會跟著在Y軸方向移動。3.1.3Z軸方向的機構(gòu)Z軸機構(gòu)和X軸機構(gòu)類似，除了固定座結(jié)構(gòu)不同。Z軸固定板和X軸移動版也是聯(lián)接在一起的。3.1.4繞Z軸轉(zhuǎn)動的機構(gòu)繞Z軸轉(zhuǎn)動機構(gòu)的關(guān)鍵機構(gòu)是一個螺紋副固定在一塊板上，轉(zhuǎn)動板可以繞中心轉(zhuǎn)動。螺紋副和上轉(zhuǎn)動版伸出端接觸。當(dāng)轉(zhuǎn)動螺紋副的時候，螺紋副伸長使轉(zhuǎn)動版轉(zhuǎn)動。螺紋副向令一個方向轉(zhuǎn)動時拉簧收縮，轉(zhuǎn)動板恢復(fù)。3.1.5繞X軸轉(zhuǎn)動的機構(gòu)繞X軸轉(zhuǎn)動機構(gòu)是一個螺紋副豎直固定在一塊板上，轉(zhuǎn)動版在此板上方，又兩顆滾珠和兩根短柱連接。螺紋副跟轉(zhuǎn)動版接觸。轉(zhuǎn)動螺紋副轉(zhuǎn)動版一端會抬升。當(dāng)反向轉(zhuǎn)動時因為重力轉(zhuǎn)動版又下降。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、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),移動光滑，簡單的結(jié)構(gòu),良好的工藝性等等。3.2.1導(dǎo)軌的種類滑動導(dǎo)軌滑動導(dǎo)軌是一種結(jié)構(gòu)簡單的導(dǎo)軌，該導(dǎo)軌對制造要求低、結(jié)構(gòu)剛度強。但是也因為該導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單導(dǎo)致摩擦強，然后就使得導(dǎo)軌磨損過快?；瑒邮綄?dǎo)軌也是由于該導(dǎo)軌使得兩個零件直接接觸所以精度不高，經(jīng)常用于低精度的場合。（2）滾動導(dǎo)軌滾動導(dǎo)軌是一種比滑動導(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滾動的，也因此而得名。因為兩導(dǎo)軌面處于滾動狀態(tài)，所以導(dǎo)軌的摩擦阻力很小[8]。使用滾動導(dǎo)軌的移臺反映十分靈敏。但是也因為是滾珠或滾柱接觸，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該導(dǎo)軌的破壞性很大，在惡劣的環(huán)境下工作會導(dǎo)致導(dǎo)軌很快就損壞。氣浮導(dǎo)軌氣體導(dǎo)軌是一種利用氣體來懸浮的導(dǎo)軌。在導(dǎo)軌中間的氣腔內(nèi)沖入氣體后兩導(dǎo)軌面中間就會有氣體使得兩導(dǎo)軌隔開。使用了該方法后兩導(dǎo)軌面不直接接觸，所以基本沒有摩擦，也不會發(fā)熱，精度也很高。因為有氣體相隔，所以對干擾的抗性也很強。不過由于采用氣體懸浮，所以該導(dǎo)軌的承載能力弱，結(jié)構(gòu)也異常復(fù)雜，常常還需要專門配置可靠穩(wěn)定的氣體源，成本大。這種機構(gòu)使得該導(dǎo)軌精度可以達(dá)到很高，但代價太大不是經(jīng)常使用。（4）平行彈性導(dǎo)軌平行彈性導(dǎo)軌是利用彈簧片來實現(xiàn)的，當(dāng)彈簧片受到力的作用的時候，就會產(chǎn)生一定的變形。該變形使得導(dǎo)軌會位移。彈性導(dǎo)軌因為其內(nèi)部不會有摩擦、同時也沒有間隙，結(jié)構(gòu)緊湊。該導(dǎo)軌的精度很高，不過它的行程也很小。柔性支承導(dǎo)軌柔性支承導(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的一般鉸鏈制成的機構(gòu)。該種機構(gòu)的原理是利用材料彈性形變來實現(xiàn)的，使某種材料上制成強度大小不均勻，利用強度弱的那里的變形和材料本身的恢復(fù)能力來使得結(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)點就在于整個過程沒有相對摩擦，而且整個結(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。唯一的缺點就是行程較小。3.1.2導(dǎo)軌平行度測試由于導(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)軌在垂直于安裝方向上的傾斜度非常的小，在本設(shè)計中影響不大，可以采用通用簡易的測量方法進(jìn)行測量。圖7導(dǎo)軌平行度測試示意圖導(dǎo)軌的平行度測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)軌的測平面，移動基準(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千分表的量程。將基準(zhǔn)導(dǎo)軌的滑塊從導(dǎo)軌一端開始，每隔50mm記錄一個測量值，直到滑塊移動到導(dǎo)軌另一端末尾，用直線擬合方法分析測量數(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，然后對從導(dǎo)軌加以調(diào)整重新測量，直到各個測量點的值相同或者達(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，來回推動溜板，如果溜板來回推動阻力較大，證明導(dǎo)軌仍從在較大的平行度誤差，應(yīng)該重新測量調(diào)整或者換用更高精度的工具進(jìn)行測量調(diào)整；如果溜板來回推動順暢，則證明導(dǎo)軌的平行度較好，測量和調(diào)試完畢[9]。3.2小結(jié)本章主要介紹了移臺的組成，并且介紹了其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和組成，其中重點介紹了導(dǎo)軌的種類、原理和特點。了解了移臺是怎么樣的組合方式以及關(guān)鍵機構(gòu)。第四章五軸移臺工作過程4.1五軸移臺的工作過程五軸移臺是依靠分厘卡驅(qū)動，順著導(dǎo)軌方向移動的。其精度和分辨率主要依靠驅(qū)動器-分厘卡的精度，其次受到導(dǎo)軌精度和摩擦的影響。4.1.1五軸移臺的工作過程該移臺的工作過程由圖示8所示，導(dǎo)軌簡化成滾珠使滑動板和固定板可以相對移動并且有導(dǎo)向和減少摩擦的作用。右側(cè)的分厘卡轉(zhuǎn)動以后使分厘卡的工作端伸長推動了滑動板向前方移動。XYZ三個平面的工作過程基本類似，而兩個轉(zhuǎn)動臺的原理如圖9所示，也是經(jīng)過簡化成一塊轉(zhuǎn)動版和一塊固定板通過鉸鏈相連，下方的螺紋副轉(zhuǎn)動后推動上方的轉(zhuǎn)動版逆時針轉(zhuǎn)動，達(dá)到了調(diào)整角度的目的。繞X軸和繞Z軸實現(xiàn)的方式基本相同。圖8移臺單方向移動示意圖圖9移臺繞軸轉(zhuǎn)動示意圖4.2驅(qū)動器螺旋測微頭螺旋測微頭俗稱分厘卡，又是千分尺的主要結(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螺旋測微頭的原理該機構(gòu)的工作原理就是螺旋放大的原理一樣，如圖10所示，轉(zhuǎn)動螺桿，螺桿會和螺母形成螺旋，螺桿每轉(zhuǎn)動一圈，螺母和裸官便會產(chǎn)生一個螺距的位移[10]。只要在螺桿上畫好刻度，就可以得知螺桿和螺母移動了多少距離。圖10螺旋測微頭原理圖4.3小結(jié)本章主要通過簡單的示意圖介紹了移臺