三維微調工作臺課程設計
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- 三維微調工作臺課程設計：其X，Y軸使用螺旋千分尺作為調節模塊；在X，Y軸運用了燕尾形導軌進行運動導向與限制；Z軸是螺桿套筒式運動模式。目錄：
一、任務要求設計背景
1.1 設計要求………………………………………………………………2
1.2 技術指標要求 ………………………………………………………2
1.3 總體設計分析 ………………………………………………………2
1.3.1 機身結構應滿足下列要求 ……………………………………2
1.3.2 微調工作臺機體主要材料的選擇………………………………2
1.3.3 微調工作臺導軌設計形式的選擇………………………………3
二、方案確定
2.1 所定方案………………………………………………………………3
2.2該方案優點 ……………………………………………………………4
三、調節方案
3.1 X軸調節方案 …………………………………………………………4
3.1.1 X軸技術指標分析 ………………………………………………4
3.1.2 X軸方向上自鎖 …………………………………………………4
3.2 Y軸調節方案 …………………………………………………………4
3.2.1 Y軸技術指標分析 ………………………………………………4
3.2.2 Y軸方向上自鎖 …………………………………………………4
3.3 Z軸調節方案 ………………………………………………………4
四、零件功能分析與簡述
4.1 X（Y）軸………………………………………………………………4
4.1.1 X（Y）軸導軌部分………………………………………………4
4.1.2 X（Y）軸運動控制部分…………………………………………5
4.2 Z軸運動零件 …………………………………………………………5
五、數據處理
5.1數據相關信息 …………………………………………………………5
5.1.1尺寸設計 …………………………………………………………5
5.1.2表面粗糙度參數值與適應的零件表面 …………………………6
5.1.3公差計算 …………………………………………………………7
5.1.4形位公差的計算 …………………………………………………7
5.2 數據處理 ……………………………………………………………7
5.2.1零件尺寸及材料確定 …………………………………………7
5.2.2 零件表面粗糙度的確定 ………………………………………8
5.2.3 裝配的配合尺寸 ………………………………………………8
參考文獻 …………………………………………………………………9
一、任務要求設計背景
1.1 設計要求：
三維微調工作臺主要應用在工程設計實驗中，可做激光發射器調節定位支架外，還可對透鏡、光電接收器、各類波片、光學元件和光纖等各類光學期間進行調節定位。其X，Y軸使用螺旋千分尺作為調節模塊；在X，Y軸運用了燕尾形導軌進行運動導向與限制；Z軸是螺桿套筒式運動模式。
1.2 技術指標要求：
（1）X軸粗調范圍：0~15mm；分辨率：0.001mm
（2）Y軸調節范圍：±25mm；分辨率：0.001mm
（3）Z軸調節范圍：0~22mm
（4）要求工作臺在X、Y方向上的任意工作位置實現自鎖；
（5）調節方便、重復精度高。
1.3 總體設計分析
1.3.1 機身結構應滿足下列要求
（1）機身在滿足強度、剛度的條件下，力求質量輕、節約金屬。
（2）結構力求簡單，并使裝于其上的所有部件、零件容易安裝、調整、修理和更換。
（3）結構設計應便于加工。
（4）必須有足夠的底面積，保證微調工作臺的穩定性。
（5）結構設計應力求減少振動和噪聲。
（6）機構設計力求外觀美觀。
1.3.2 微調工作臺機體主要材料的選擇
高精密工作臺要求工作臺具有小質量、高剛度和低熱變形。因此工作臺的材料選擇應遵循如下原則：密度小、低熱傳導率、低熱膨脹、彈性模量大、技術要求、經濟成本。
目前傳統工作臺的材料仍為鋼材，但是其密度大、熱導率與熱膨脹系數大，使得工作臺的性能受到影響。有些機床為了降低熱變形的影響，在結構上采用了低熱膨脹的殷鋼，但綜合性能仍然不夠理想。
工程結構陶瓷山于其高強度、高硬度和耐高溫、耐輻射、抗腐蝕等優點已逐漸成為工程技術特別是尖端技術的關鍵材料，將工程結構陶瓷應用在精密平臺上是一種發展趨勢。氧化鋁陶瓷的密度為鋼的一半，熱導率與熱膨脹系數也均約為鋼的一半，彈性模量比鋼高一倍，綜合性能比鋼要好。
石英陶瓷作為結構陶瓷多應用在玻璃、冶金、電工、航空航天等行業。主要利用其熱導率低、熱膨脹系數小、電性能好等優點，但其應用于精密平臺還未見報道。石英陶瓷密度小（僅為鋼的四分之一，氧化鋁陶瓷的一半），熱導率與熱膨脹系數都比鋼與氧化鋁陶瓷小了一個數量級，缺點是彈性模量較小。石英陶瓷材料更適用于輕載的超精密工作臺。
由于目前傳統工作臺的材料仍然為鋼材，雖然其密度偏大、熱導率與熱膨脹系數大，使得工作臺的性能受到影響。但從本工作臺的技術要求可知其精度為毫米、微米級的。在精密工作臺的研究領域精度是相對偏低的。因此由工作臺的技術要求及經濟成本考慮本設計的工作臺材料仍以鋼材為主，即以45號鋼和Q235為主要材料。在一些特殊零件上根據需求選用一些適宜的材料。
1.3.3 微調工作臺導軌設計形式的選擇
導軌的功用是導向和承載。即保證運動部件在外力作用下，能準確地沿著一定的方向運動。導軌的質量在一定程度上決定了微調工作臺的加工精度、工作能力和使用壽命。因此，導軌必須滿足下列設計基本要求：
（1）導向精度
導向精度是指動導軌沿支撐導軌運動時，直線運動導軌的直線性和導軌同其他運動之間相互位置的準確性。
（2）誤差分析
幾何尺寸誤差主要是指運動件及其承導件配合部件部分的尺寸偏差，它們對配合間隙造成直接影響：
①外力大小：外力包括運動件自重及外加負載，特別使滾動摩擦導軌，在外力作用下，滾動元件與導向面之間，將產生接觸變形。這種變形，可能引起運動件的傾斜，從而偏離正確的運動方向。設計時，可以根據“赫茨”理論，計算出它們的彈性變形，再根據其他幾何參數，導出其可能引起的誤差。
②潤滑油的性質：由于一般分析時，常假定潤滑油厚度為零。實際上，潤滑導軌中接觸部分的潤滑油必然存在，且厚度隨運動件上的負荷、負荷停留時間、運動件的移動速度、環境溫度的改變而變化。但是這些因素的綜合影響，主要表現為滑動摩擦系數的改變。
③振動：由于任一實際導軌，它在運動方向上的剛度，遠比它在非運動方向上的剛度小。因此，在設計時，應盡可能的較小在運動方向上因各種振源可能產生的慣性力，避免運動件產生非正常位移。
④磨損：磨損主要產生于摩擦導軌。完全避免磨損將不可能，但是可適當選擇導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構。此外，在重量較大或低速滑行的滑動摩擦導軌，在運動時，會出現間斷性的停止和運動現象，即所謂的“爬行”現象。防止爬行的一般方法就是使運動件卸荷（即設計成卸荷結構），或在導軌接觸面間，加入性能良好的潤滑劑，減少靜、動摩擦系數差，使運動件運動趨于平穩。
（3）精度保持性
為了能長期保持導向精度，對導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位置精度和導軌的導向精度，使導軌面上的比壓分布不均勻，加劇導軌面的磨損。
二、方案確定
2.1 所定方案：
其X軸使用了螺旋千分尺作為調節模塊并運用了燕尾形導軌的傳動方法；
其Y軸使用了螺旋千分尺作為調節模塊并運用了燕尾形導軌的傳動方法；
其Z軸是螺桿套筒式運動模式；
轉角的粗條直接依靠手動調節，并用一個緊定螺釘固定防轉。
2.2該方案優點：
精度高，結構緊湊清晰明了，簡潔易懂、容易實現。
三、調節方案
3.1 X軸調節方案：
3.1.1 X軸技術指標分析：
X軸粗調范圍：0~15mm；分辨率：0.001mm。
根據上述要求，由于分辨率為0.001mm，恰好適合螺旋千分尺的調節精度。
3.1.2 X軸方向上自鎖：
千分尺與彈簧配合形成自鎖系統，旋動千分尺使頂尖推動X軸導軌部分運動，彈簧對X軸具有約束作用。在瞬間使得X軸方向上不再運動，即在X軸方向上達到了自鎖。
3.2 Y軸調節方案：
3.2.1 Y軸技術指標分析：
Y軸調節范圍：±25mm；分辨率：0.001mm
根據上述要求，由于分辨率為0.001mm，恰好適合螺旋千分尺的調節精度。
3.2.2 Y軸方向上自鎖：
千分尺與彈簧配合形成自鎖系統，旋動千分尺使頂尖推動Y軸軸導軌部分運動，彈簧對Y軸具有約束作用。在瞬間使得Y軸方向上不再運動，即在Y軸方向上達到了自鎖。
3.3 Z軸調節方案：
在外部的螺套旋轉時，螺套上的螺旋型導槽會帶動固定在軸上的螺桿，沿著軸套上的導槽豎直上升，從而螺桿帶動中間的軸一起上下運動。
四、零件功能分析與簡述
4.1 X（Y）軸
4.1.1 X（Y）軸導軌部分：
導軌部分由一個底座，一個導軌組成。
底座作用：用來固定X軸導軌，是整個器件的底座，器件穩定工作的保障。
導軌是X(Y)軸的導槽，同時也用于固定側邊導軌與運動的控制部分，其中包括拉伸彈簧和螺旋千分儀。
注：一般的螺釘，除特殊用途外，不作專門介紹。
4.1.2 X（Y）軸運動控制部分：
運動部分由一個螺旋千分尺，兩個拉伸彈簧、4個螺釘組成。
運動標尺作用：表面上刻有一圈50格的細分尺，將0.5毫米細分為50格，從而將1毫米細分為100格，分辨率可達0.001mm。
固定標尺作用：表面上刻有最小刻度為1毫米的標尺，用于確定X軸位置的第1~2位有效數字。
頂桿作用：用頂桿通過小鋼球頂在導軌表面上，使頂桿在相對保持軸套移動時，外側導軌與內側導軌之間也有相應的相對運動。且頂桿的后半部分有兩端螺紋和一個軸肩，從而使得運動標尺在旋轉時可以有相對移動。螺紋總長須長于15mm。
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）運動。且保持軸套的末端有與頂桿螺紋相匹配的螺紋。
4.2 Z軸運動零件
Z軸運用了螺桿和螺旋狀導槽的傳動結構，通過螺套旋轉帶動螺桿上升。這一結構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。
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，用于固定螺桿運動方向，頂端有一圈環形槽，用于緊定軸蓋。
螺桿作用：擰于立柱的螺紋孔中，穿過軸套的豎直槽，外側嵌套在螺套的螺旋槽中。帶動立柱上升，實現Z軸向運動。
直槽螺套作用：套在軸套外繞其旋轉，內壁上有螺旋槽，螺桿嵌于其中。因此在自身旋轉時，可以帶動螺桿和立柱一起上升。
立柱作用：Z軸升降時的運動部分。在上段有一個軸肩，用于固定連接套。
鎖緊螺釘作用：用于鎖定Z軸。當其被擰緊時，相當于禁止了立柱與軸套的相對運動。
軸蓋作用：被緊定螺釘緊固在軸套上，與其無相對運動。一方面限制下面的直槽螺套只能做旋轉運動，另一方面用于安裝鎖緊Z軸用的鎖緊螺釘連接套用緊定螺釘固定在立柱的軸肩以上軸段，與立柱不能相對滑動或轉動。同時也用于將期間Z軸以上的部分與下面的部分連接到一起。...
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