三维微调工作台课程设计
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- 三维微调工作台课程设计：其X，Y轴使用螺旋千分尺作为调节模块；在X，Y轴运用了燕尾形导轨进行运动导向与限制；Z轴是螺杆套筒式运动模式。目录：
一、任务要求设计背景
1.1 设计要求………………………………………………………………2
1.2 技术指标要求 ………………………………………………………2
1.3 总体设计分析 ………………………………………………………2
1.3.1 机身结构应满足下列要求 ……………………………………2
1.3.2 微调工作台机体主要材料的选择………………………………2
1.3.3 微调工作台导轨设计形式的选择………………………………3
二、方案确定
2.1 所定方案………………………………………………………………3
2.2该方案优点 ……………………………………………………………4
三、调节方案
3.1 X轴调节方案 …………………………………………………………4
3.1.1 X轴技术指标分析 ………………………………………………4
3.1.2 X轴方向上自锁 …………………………………………………4
3.2 Y轴调节方案 …………………………………………………………4
3.2.1 Y轴技术指标分析 ………………………………………………4
3.2.2 Y轴方向上自锁 …………………………………………………4
3.3 Z轴调节方案 ………………………………………………………4
四、零件功能分析与简述
4.1 X（Y）轴………………………………………………………………4
4.1.1 X（Y）轴导轨部分………………………………………………4
4.1.2 X（Y）轴运动控制部分…………………………………………5
4.2 Z轴运动零件 …………………………………………………………5
五、数据处理
5.1数据相关信息 …………………………………………………………5
5.1.1尺寸设计 …………………………………………………………5
5.1.2表面粗糙度参数值与适应的零件表面 …………………………6
5.1.3公差计算 …………………………………………………………7
5.1.4形位公差的计算 …………………………………………………7
5.2 数据处理 ……………………………………………………………7
5.2.1零件尺寸及材料确定 …………………………………………7
5.2.2 零件表面粗糙度的确定 ………………………………………8
5.2.3 装配的配合尺寸 ………………………………………………8
参考文献 …………………………………………………………………9
一、任务要求设计背景
1.1 设计要求：
三维微调工作台主要应用在工程设计实验中，可做激光发射器调节定位支架外，还可对透镜、光电接收器、各类波片、光学元件和光纤等各类光学期间进行调节定位。其X，Y轴使用螺旋千分尺作为调节模块；在X，Y轴运用了燕尾形导轨进行运动导向与限制；Z轴是螺杆套筒式运动模式。
1.2 技术指标要求：
（1）X轴粗调范围：0~15mm；分辨率：0.001mm
（2）Y轴调节范围：±25mm；分辨率：0.001mm
（3）Z轴调节范围：0~22mm
（4）要求工作台在X、Y方向上的任意工作位置实现自锁；
（5）调节方便、重复精度高。
1.3 总体设计分析
1.3.1 机身结构应满足下列要求
（1）机身在满足强度、刚度的条件下，力求质量轻、节约金属。
（2）结构力求简单，并使装于其上的所有部件、零件容易安装、调整、修理和更换。
（3）结构设计应便于加工。
（4）必须有足够的底面积，保证微调工作台的稳定性。
（5）结构设计应力求减少振动和噪声。
（6）机构设计力求外观美观。
1.3.2 微调工作台机体主要材料的选择
高精密工作台要求工作台具有小质量、高刚度和低热变形。因此工作台的材料选择应遵循如下原则：密度小、低热传导率、低热膨胀、弹性模量大、技术要求、经济成本。
目前传统工作台的材料仍为钢材，但是其密度大、热导率与热膨胀系数大，使得工作台的性能受到影响。有些机床为了降低热变形的影响，在结构上采用了低热膨胀的殷钢，但综合性能仍然不够理想。
工程结构陶瓷山于其高强度、高硬度和耐高温、耐辐射、抗腐蚀等优点已逐渐成为工程技术特别是尖端技术的关键材料，将工程结构陶瓷应用在精密平台上是一种发展趋势。氧化铝陶瓷的密度为钢的一半，热导率与热膨胀系数也均约为钢的一半，弹性模量比钢高一倍，综合性能比钢要好。
石英陶瓷作为结构陶瓷多应用在玻璃、冶金、电工、航空航天等行业。主要利用其热导率低、热膨胀系数小、电性能好等优点，但其应用于精密平台还未见报道。石英陶瓷密度小（仅为钢的四分之一，氧化铝陶瓷的一半），热导率与热膨胀系数都比钢与氧化铝陶瓷小了一个数量级，缺点是弹性模量较小。石英陶瓷材料更适用于轻载的超精密工作台。
由于目前传统工作台的材料仍然为钢材，虽然其密度偏大、热导率与热膨胀系数大，使得工作台的性能受到影响。但从本工作台的技术要求可知其精度为毫米、微米级的。在精密工作台的研究领域精度是相对偏低的。因此由工作台的技术要求及经济成本考虑本设计的工作台材料仍以钢材为主，即以45号钢和Q235为主要材料。在一些特殊零件上根据需求选用一些适宜的材料。
1.3.3 微调工作台导轨设计形式的选择
导轨的功用是导向和承载。即保证运动部件在外力作用下，能准确地沿着一定的方向运动。导轨的质量在一定程度上决定了微调工作台的加工精度、工作能力和使用寿命。因此，导轨必须满足下列设计基本要求：
（1）导向精度
导向精度是指动导轨沿支撑导轨运动时，直线运动导轨的直线性和导轨同其他运动之间相互位置的准确性。
（2）误差分析
几何尺寸误差主要是指运动件及其承导件配合部件部分的尺寸偏差，它们对配合间隙造成直接影响：
①外力大小：外力包括运动件自重及外加负载，特别使滚动摩擦导轨，在外力作用下，滚动元件与导向面之间，将产生接触变形。这种变形，可能引起运动件的倾斜，从而偏离正确的运动方向。设计时，可以根据“赫茨”理论，计算出它们的弹性变形，再根据其他几何参数，导出其可能引起的误差。
②润滑油的性质：由于一般分析时，常假定润滑油厚度为零。实际上，润滑导轨中接触部分的润滑油必然存在，且厚度随运动件上的负荷、负荷停留时间、运动件的移动速度、环境温度的改变而变化。但是这些因素的综合影响，主要表现为滑动摩擦系数的改变。
③振动：由于任一实际导轨，它在运动方向上的刚度，远比它在非运动方向上的刚度小。因此，在设计时，应尽可能的较小在运动方向上因各种振源可能产生的惯性力，避免运动件产生非正常位移。
④磨损：磨损主要产生于摩擦导轨。完全避免磨损将不可能，但是可适当选择导向面的宽度及其尺寸，材料的匹配比例，则有可能获得较理想的结构。此外，在重量较大或低速滑行的滑动摩擦导轨，在运动时，会出现间断性的停止和运动现象，即所谓的“爬行”现象。防止爬行的一般方法就是使运动件卸荷（即设计成卸荷结构），或在导轨接触面间，加入性能良好的润滑剂，减少静、动摩擦系数差，使运动件运动趋于平稳。
（3）精度保持性
为了能长期保持导向精度，对导轨提出了刚度和耐磨性的要求，若刚度不足，则直接影响部件之间的相对位置精度和导轨的导向精度，使导轨面上的比压分布不均匀，加剧导轨面的磨损。
二、方案确定
2.1 所定方案：
其X轴使用了螺旋千分尺作为调节模块并运用了燕尾形导轨的传动方法；
其Y轴使用了螺旋千分尺作为调节模块并运用了燕尾形导轨的传动方法；
其Z轴是螺杆套筒式运动模式；
转角的粗条直接依靠手动调节，并用一个紧定螺钉固定防转。
2.2该方案优点：
精度高，结构紧凑清晰明了，简洁易懂、容易实现。
三、调节方案
3.1 X轴调节方案：
3.1.1 X轴技术指标分析：
X轴粗调范围：0~15mm；分辨率：0.001mm。
根据上述要求，由于分辨率为0.001mm，恰好适合螺旋千分尺的调节精度。
3.1.2 X轴方向上自锁：
千分尺与弹簧配合形成自锁系统，旋动千分尺使顶尖推动X轴导轨部分运动，弹簧对X轴具有约束作用。在瞬间使得X轴方向上不再运动，即在X轴方向上达到了自锁。
3.2 Y轴调节方案：
3.2.1 Y轴技术指标分析：
Y轴调节范围：±25mm；分辨率：0.001mm
根据上述要求，由于分辨率为0.001mm，恰好适合螺旋千分尺的调节精度。
3.2.2 Y轴方向上自锁：
千分尺与弹簧配合形成自锁系统，旋动千分尺使顶尖推动Y轴轴导轨部分运动，弹簧对Y轴具有约束作用。在瞬间使得Y轴方向上不再运动，即在Y轴方向上达到了自锁。
3.3 Z轴调节方案：
在外部的螺套旋转时，螺套上的螺旋型导槽会带动固定在轴上的螺杆，沿着轴套上的导槽竖直上升，从而螺杆带动中间的轴一起上下运动。
四、零件功能分析与简述
4.1 X（Y）轴
4.1.1 X（Y）轴导轨部分：
导轨部分由一个底座，一个导轨组成。
底座作用：用来固定X轴导轨，是整个器件的底座，器件稳定工作的保障。
导轨是X(Y)轴的导槽，同时也用于固定侧边导轨与运动的控制部分，其中包括拉伸弹簧和螺旋千分仪。
注：一般的螺钉，除特殊用途外，不作专门介绍。
4.1.2 X（Y）轴运动控制部分：
运动部分由一个螺旋千分尺，两个拉伸弹簧、4个螺钉组成。
运动标尺作用：表面上刻有一圈50格的细分尺，将0.5毫米细分为50格，从而将1毫米细分为100格，分辨率可达0.001mm。
固定标尺作用：表面上刻有最小刻度为1毫米的标尺，用于确定X轴位置的第1~2位有效数字。
顶杆作用：用顶杆通过小钢球顶在导轨表面上，使顶杆在相对保持轴套移动时，外侧导轨与内侧导轨之间也有相应的相对运动。且顶杆的后半部分有两端螺纹和一个轴肩，从而使得运动标尺在旋转时可以有相对移动。螺纹总长须长于15mm。
保持轴套作用：保持顶杆的方向，使它始终沿与支承套表面垂直的方向（即X轴向）运动。且保持轴套的末端有与顶杆螺纹相匹配的螺纹。
4.2 Z轴运动零件
Z轴运用了螺杆和螺旋状导槽的传动结构，通过螺套旋转带动螺杆上升。这一结构中的主要部件有轴套、螺杆、直槽螺套、立柱、紧定螺钉、锁紧螺钉、轴盖、连接套。
轴套作用：固定在轴套座上，中间套有立柱，竖直方向上有一竖直槽，用于固定螺杆运动方向，顶端有一圈环形槽，用于紧定轴盖。
螺杆作用：拧于立柱的螺纹孔中，穿过轴套的竖直槽，外侧嵌套在螺套的螺旋槽中。带动立柱上升，实现Z轴向运动。
直槽螺套作用：套在轴套外绕其旋转，内壁上有螺旋槽，螺杆嵌于其中。因此在自身旋转时，可以带动螺杆和立柱一起上升。
立柱作用：Z轴升降时的运动部分。在上段有一个轴肩，用于固定连接套。
锁紧螺钉作用：用于锁定Z轴。当其被拧紧时，相当于禁止了立柱与轴套的相对运动。
轴盖作用：被紧定螺钉紧固在轴套上，与其无相对运动。一方面限制下面的直槽螺套只能做旋转运动，另一方面用于安装锁紧Z轴用的锁紧螺钉连接套用紧定螺钉固定在立柱的轴肩以上轴段，与立柱不能相对滑动或转动。同时也用于将期间Z轴以上的部分与下面的部分连接到一起。...
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