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平行光管測(cè)量平臺(tái)平動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘要：平行光管主要是用來產(chǎn)生平行光束的光學(xué)儀器，平行光管測(cè)量儀是一種光學(xué)精密測(cè)量儀器，本設(shè)計(jì)要為給定的平行光管測(cè)量儀設(shè)計(jì)建造一個(gè)測(cè)量平臺(tái)，手動(dòng)實(shí)現(xiàn)要求的測(cè)量動(dòng)作。???
本設(shè)計(jì)首先將運(yùn)用所學(xué)理論基礎(chǔ)知識(shí)對(duì)平行光管測(cè)量平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，包括測(cè)量平臺(tái)的前后平動(dòng)上下平動(dòng)，水平擺動(dòng)和俯仰擺動(dòng)四個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。平動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括上下平動(dòng)機(jī)構(gòu)和前后平動(dòng)機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)將運(yùn)用UG三維CAD軟件對(duì)測(cè)量平臺(tái)的平動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，并通過給定的原始數(shù)據(jù)和要求對(duì)該平臺(tái)的平動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算。同時(shí)本文還詳細(xì)地介紹了絲杠螺母傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
關(guān)鍵字：平行光管，測(cè)量平臺(tái)，UG軟件，平動(dòng)機(jī)構(gòu)
I
The Design of collimator Measuring platform—Overall Plan and Design of Tilting Mechanism
Abstract：Collimator is mainly used to produce a parallel beam optical instrument. Collimator is a kind of optical precision measuring instrument. The design will built a measuring platform for a given collimator, which will measure implementation requirements manually.
First, this design will use the basic knowledge of theory which we have learned design collimator measurement platform and make motion analysis, including before and after ,from top to bottom, horizontal swing and pitch oscillation four degrees of freedom of movement of the measurement platform. The translational mechanism mainly includes the before and after and up and down translational mechanism. And then using UG three-dimensional CAD software make 3D modeling for measuring platform, and get 3D model of the collimator measuring platform. Finally, by using the original data and the demand make a a detailed design and calculation for translational mechanism of the platform . At the same time this paper also introduces the leadscrew nut transmission mechanism in detail.
Keywords: collimator, measuring instrument, UG software, translational mechanism
II
目 錄
摘要 I
Abstract II
目 錄 III
1 緒論 1
1.1 選題背景與研究意義 1
1.1.1 選題背景 1
1.1.2 研究意義 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 2
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 2
1.3 本課題研究的內(nèi)容 3
2 平行光管及其測(cè)量平臺(tái)的介紹 5
2.1 平行光管的結(jié)構(gòu)? 5
2.2 平行光管測(cè)量平臺(tái)的介紹 6
3 UG軟件的介紹 9
3.1 UG產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一般過程 9
4 平動(dòng)機(jī)構(gòu)三維模型設(shè)計(jì)過程 10
4.1 上下平動(dòng)機(jī)構(gòu)主要零部件的三維模型設(shè)計(jì) 10
4.2 前后平動(dòng)機(jī)構(gòu)零部件的三維模型設(shè)計(jì) 15
5 絲杠螺母傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 19
5.1 絲杠螺母機(jī)構(gòu)的分類及特點(diǎn) 19
5.2 梯形絲杠結(jié)構(gòu)和特長 19
5.3 梯形絲杠的選擇 20
5.4 梯形絲杠的安裝與潤滑 25
總結(jié)與展望 28
參 考 文 獻(xiàn) 29
致 謝 31
IV
1 緒論
1.1 選題背景與研究意義
1.1.1 選題背景
平行光管主要用于產(chǎn)生平行光束，是光學(xué)儀器校準(zhǔn)和調(diào)整的重要工具，也是一種重要的光學(xué)測(cè)量儀器。某研究所需要為其購買的平行光管測(cè)量儀設(shè)計(jì)建造一個(gè)平臺(tái)，手動(dòng)實(shí)現(xiàn)要求的測(cè)量動(dòng)作。
平行光管測(cè)量平臺(tái)用于實(shí)現(xiàn)平行光管的前后平動(dòng)上下平動(dòng)，水平擺動(dòng)和俯仰擺動(dòng)四個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。
1.1.2 研究意義
制造業(yè)屬于國家的基礎(chǔ)支柱產(chǎn)業(yè)。制造業(yè)的發(fā)展與新型工業(yè)化的實(shí)現(xiàn)和我國現(xiàn)代化的實(shí)現(xiàn)有著密切的關(guān)系；對(duì)外，制造業(yè)的發(fā)達(dá)程度，也是衡量我國工業(yè)競爭力的重要組成部分，是經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程中體現(xiàn)國家在國際分工地位的至關(guān)重要的因素。
對(duì)于精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的研究，國內(nèi)目前還處于剛剛起步階段，還是一個(gè)具有深度挖掘的新性研究領(lǐng)域，還的需要從基礎(chǔ)研究著手。精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)集成了多種技術(shù)，包括控制技術(shù)、位置檢測(cè)技術(shù)、線路制導(dǎo)技術(shù)和驅(qū)動(dòng)技術(shù)。其性能優(yōu)劣起決定性作用，它直接決定電子制造裝備的整體性能。
平行光管測(cè)量平臺(tái)作為平行光管測(cè)量儀器的一個(gè)載體，它的結(jié)構(gòu)特性和運(yùn)動(dòng)功能將很大程度上影響平行光管測(cè)量的結(jié)果和效率，所以對(duì)平行光管測(cè)量平臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)有很大的現(xiàn)實(shí)意義,平動(dòng)機(jī)構(gòu)作為實(shí)現(xiàn)測(cè)量平臺(tái)的水平和豎直方向運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，是平行光管測(cè)量平臺(tái)不可或缺的一部分。在測(cè)試平臺(tái)使用過程中起著至關(guān)重要的作用。
傳統(tǒng)的定位測(cè)試平臺(tái)在性能方面滿足不了平行光管的測(cè)量要求，特別是該平臺(tái)必須能夠?qū)崿F(xiàn)四個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，這對(duì)定位平臺(tái)的開發(fā)提出了挑戰(zhàn)。此外，國外在高性能設(shè)備、精密定位等關(guān)鍵技術(shù)的研究和開發(fā)中實(shí)現(xiàn)了我國平行光管測(cè)量平臺(tái)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的研發(fā)，為實(shí)驗(yàn)室提供了一個(gè)更好的測(cè)試平臺(tái)，同時(shí)加速了我國裝備制造業(yè)的進(jìn)步。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀
目前，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，包括光刻、引線鍵合機(jī)、蝕刻機(jī)、液晶顯示板的制造和測(cè)試等。在這些設(shè)備中，都要求精準(zhǔn)的定位，高的速度和相對(duì)穩(wěn)定的加速度，而這些要求在設(shè)計(jì)平臺(tái)中處于相互制約，相互影響的關(guān)系。即高的精度，在高速度的條件下很難達(dá)到。同樣高的精度在長距離的行程中也很難確保，同等條件下，平臺(tái)導(dǎo)軌的直線度誤差越大，這對(duì)平臺(tái)的加工和安裝精度的要求也越高[1]。
一些國外的設(shè)計(jì)結(jié)果，除了達(dá)到6.8g加速度和+ 2.5μm的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的定位精度新加坡發(fā)展。[2]。高加速度平臺(tái)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高標(biāo)準(zhǔn)的錘子和伯恩哈德。。在她HEUI和采用雙驅(qū)動(dòng)技術(shù)的精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)，與滾珠絲杠傳動(dòng)的粗糙集，利用壓電元件的驅(qū)動(dòng)微平臺(tái)，在200mm的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)10nm的定位精度[5]。hongbolan等人。指出超精密定位平臺(tái)對(duì)納米壓印光刻技術(shù)有重要影響6]。
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
精密定位平臺(tái)在國內(nèi)的研究相對(duì)較晚，與許多發(fā)達(dá)國家相比，在技術(shù)上用很大的差距，但現(xiàn)已取得了很多可喜的成果。對(duì)步進(jìn)掃描光刻機(jī)硅片臺(tái)掩膜臺(tái)系統(tǒng)的研究上清華大學(xué)取得了不菲的成果，其系統(tǒng)的定位精高達(dá)12nm。浙江大學(xué)設(shè)計(jì)的一個(gè)很好的二維測(cè)試平臺(tái)，使宏微驅(qū)動(dòng)對(duì)大行程的測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)。XY定位平臺(tái)哈爾濱段德剛先生設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高速和高精度的宏微驅(qū)動(dòng)。XY定位平臺(tái)特點(diǎn)是結(jié)合了直線音圈電機(jī)以及壓電陶瓷微定位機(jī)構(gòu)的雙重驅(qū)動(dòng)方案，引進(jìn)裝備了新型的宏微驅(qū)動(dòng)形式。其運(yùn)動(dòng)20mm×20mm范圍與分辨率10nm，達(dá)到最大加速度50-100m S2 /速度/運(yùn)動(dòng)1m/s[9]。采用天津大學(xué)的新型彈性解耦機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一個(gè)平臺(tái)和一個(gè)音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)了高速、高加速度的定位。該平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)最大加速度50m／s2 ，重復(fù)定位精度±21μm，運(yùn)動(dòng)范圍為廣達(dá)50mm×50mm，以及運(yùn)動(dòng)速度高達(dá)0.5m／s的定位運(yùn)動(dòng)[10]。中南大學(xué)研究出了一種用磁懸浮直線定位的新型的運(yùn)動(dòng)模式。為實(shí)現(xiàn)大行程直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)精度的快速運(yùn)動(dòng)，在空間坐標(biāo)軸上的平臺(tái)工作面精確聚焦和調(diào)平[11]。華中科技大學(xué)發(fā)明了一種用于超精密數(shù)控機(jī)床、生物芯片掃描儀以及光刻機(jī)等設(shè)備的一種超精密微動(dòng)的三自由度工作臺(tái)[12]。精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的研究方面浙江大學(xué)對(duì)也取得了很大的進(jìn)展。中國科學(xué)院也對(duì)磁懸浮精密定位平臺(tái)進(jìn)行了研究的還有中國科學(xué)院，方法是控制磁懸浮線圈的向上升起，進(jìn)而使微進(jìn)給平臺(tái)懸浮于導(dǎo)軌的上面，實(shí)施精密、超精密直線進(jìn)給操作是利用控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)微進(jìn)給平臺(tái)沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)[13]。
高精度、高速、快速穩(wěn)定、高加速等是現(xiàn)在定位平臺(tái)要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，國內(nèi)外的研究方向主要是新的驅(qū)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式及系統(tǒng)設(shè)計(jì)、操控方法等方面。高加速精密定位平臺(tái)經(jīng)歷了幾個(gè)發(fā)展階段。第一階段應(yīng)運(yùn)較傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)，然后通過滾珠絲杠轉(zhuǎn)換為用直線運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的正交串聯(lián)疊加平臺(tái)。二階段，直接驅(qū)動(dòng)和廣義并聯(lián)機(jī)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度和系統(tǒng)的定位精度，這是用來確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，做為現(xiàn)在高加速精密系統(tǒng)主體[14-15]。
1.3 本課題研究的內(nèi)容
本設(shè)計(jì)首先將運(yùn)用所學(xué)理論基礎(chǔ)知識(shí)對(duì)平行光管測(cè)量平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，包括測(cè)量平臺(tái)的前后平動(dòng)上下平動(dòng)，水平擺動(dòng)和俯仰擺動(dòng)四個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。平動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括上下平動(dòng)機(jī)構(gòu)和前后平動(dòng)機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)運(yùn)用UG三維CAD軟件對(duì)測(cè)量平臺(tái)的平動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，并通過給定的原始數(shù)據(jù)和要求對(duì)該平臺(tái)的平動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算。
具體研究過程如下：
1) 對(duì)平行光管實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行功能與結(jié)構(gòu)分析
通過對(duì)平行光管實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行功能與結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)具體的技術(shù)要求來確定本設(shè)計(jì)研究的具體內(nèi)容。
2) UG三維CAD軟件的學(xué)習(xí)和應(yīng)用
UG是美國UGS(Unigraphics?Solutions)公司的主導(dǎo)產(chǎn)品，是集CAD/CAE/CAM于一體的一款三維參數(shù)化軟件，是當(dāng)今最先進(jìn)，最流行的工業(yè)設(shè)計(jì)軟件之一。它集概念設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)、分析與制造功能于一體，設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過程的完美結(jié)合。廣泛運(yùn)用于制造業(yè)的各個(gè)方面，如機(jī)械、汽車、船業(yè)、航空航天、家電等各個(gè)行業(yè)。本文將利用UG軟件對(duì)平行光管測(cè)量平臺(tái)平動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模，形象直觀地表達(dá)自己的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)內(nèi)容，并為以后地運(yùn)動(dòng)仿真和有限元分析提供基礎(chǔ)模型。?
3) 絲杠螺母傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的介紹和運(yùn)動(dòng)分析
絲杠螺母機(jī)構(gòu)就是可以讓旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，還可以讓其進(jìn)行能量的相互傳遞。這是傳遞能量，通過機(jī)構(gòu)如螺旋壓力機(jī)、千斤頂、等；也有通過運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)的機(jī)構(gòu)，如機(jī)床的進(jìn)給螺桿；并調(diào)整螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部件的相對(duì)位置等。本設(shè)計(jì)采用絲杠螺母機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)平行光管測(cè)量平臺(tái)的上下和前后擺動(dòng)，并對(duì)其運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行詳細(xì)地分析。
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2 平行光管及其測(cè)量平臺(tái)的介紹
本章主要介紹平行光管的結(jié)構(gòu)與功能，并對(duì)本設(shè)計(jì)中平行光管測(cè)量平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作條件作簡單介紹。
2.1 平行光管的結(jié)構(gòu)?
?準(zhǔn)直器是產(chǎn)生平行光束的裝置，如圖2-1所示的形狀。
圖2-1
準(zhǔn)直器是用來從無限的平行束收集，作為一個(gè)重要組成部分的光學(xué)測(cè)量儀器在家庭成員和光學(xué)儀器也對(duì)準(zhǔn)調(diào)整功能，使用板和測(cè)微目鏡透鏡不同分化，還有顯微鏡系統(tǒng)，我們可以測(cè)試透鏡組的焦距、光管的識(shí)別率和圖像的質(zhì)量。如果工作是一個(gè)線性測(cè)試，通過平行光管配備有自準(zhǔn)高斯透鏡，利用高斯目鏡觀察。在測(cè)試時(shí)，將調(diào)整型平面反射鏡安裝在工件上進(jìn)行檢測(cè)。
本設(shè)計(jì)給定平行光管長1500mm,最大口徑150mm，重量10.5KG。其三維模型如下圖2-2所示。
圖2-2 平行光管三維模型
2.2 平行光管測(cè)量平臺(tái)的介紹
平行光管測(cè)量平臺(tái)用于實(shí)現(xiàn)平行光管的前后平動(dòng)上下平動(dòng)，水平擺動(dòng)和俯仰擺動(dòng)四個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。其中上下平動(dòng)可實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)和微調(diào)，運(yùn)動(dòng)臺(tái)的結(jié)構(gòu)主要有底座，四塊運(yùn)動(dòng)板，四個(gè)手輪，兩個(gè)導(dǎo)柱，兩個(gè)導(dǎo)套，轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)臺(tái)，燕尾導(dǎo)軌以及配重平衡塊組成。
平行光管測(cè)量平臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)如下：
平行光管長1500mm,最大口徑150mm，重量10.5KG。
圖2-3 平行光管示意圖
運(yùn)動(dòng)范圍：
平行光管上下平動(dòng)行程為1500mm-2500mm,其中微調(diào)范圍為50mm,偏差10μm；
圖2-4 平行光管上下平動(dòng)行程示意圖
平行光管前后平動(dòng)行程為100mm,偏差10μm；
圖2-5 平行光管前后平動(dòng)行程示意圖
平行光管要實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)過程：
1、上下平動(dòng)
上下平動(dòng)分為快速運(yùn)動(dòng)和微調(diào)運(yùn)動(dòng)。快速運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)是通過推或拉手柄，借助配重平衡塊施加一定的力，使平行光管支撐平臺(tái)沿支架導(dǎo)軌快速上下移動(dòng)，到達(dá)預(yù)定位置后，通過旋緊螺栓使其固定不動(dòng)。若再次移動(dòng)需重新松開旋緊螺栓方可移動(dòng)。微調(diào)運(yùn)動(dòng)通過轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，手柄通過絲杠螺母副帶動(dòng)平行光板托板上固定的導(dǎo)柱沿著導(dǎo)套做上下微調(diào)運(yùn)動(dòng)。
2、前后平動(dòng)
轉(zhuǎn)動(dòng)手輪通過絲杠螺母副使測(cè)量平臺(tái)沿底座V型和矩形導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)橫向移動(dòng)，螺母固定在移動(dòng)平臺(tái)上，一端采用V型槽導(dǎo)軌，防止平臺(tái)起伏。
3、水平擺動(dòng)
轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，通過蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)測(cè)量平臺(tái)水平轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)的另一端通過矩形槽和固定軸來實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)角度的控制。
4、俯仰擺動(dòng)
轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，通過蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)測(cè)量平臺(tái)俯仰擺動(dòng)，俯仰擺動(dòng)的角度控制是通過兩條固定在平臺(tái)上的鐵片和固定轉(zhuǎn)臺(tái)之間距離來控制的。
3 UG軟件的介紹
通過UG NX UGS公司提供的，他可以為用戶提供一個(gè)很好的整合、完善的產(chǎn)品卡方案，幫助產(chǎn)品創(chuàng)新，降低上市的偉大成就的時(shí)間。同時(shí)也可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和制造，降低成本。他是一款對(duì)產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域做設(shè)計(jì)的旗艦產(chǎn)品。
UG在進(jìn)入中國后發(fā)展很快，其業(yè)務(wù)也有了很大的提高，并且也讓中國增長很快，遠(yuǎn)勝于其他遠(yuǎn)東區(qū)。
3.1 UG產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一般過程
在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，我們應(yīng)該養(yǎng)成良好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)習(xí)慣，節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間，降低設(shè)計(jì)成本，提高產(chǎn)品的市場反應(yīng)能力。在UG NX5軟件產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，需要了解產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程。
1) 準(zhǔn)備工作
（1）閱讀相關(guān)設(shè)計(jì)的文檔資料，了解設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)資源。
（2）搜集可以被重復(fù)使用的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。
（3）定義關(guān)鍵參數(shù)和結(jié)構(gòu)草圖。
（4）了解產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)的定義。
（5）編寫設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)說明書。
（6）建立一個(gè)文件目錄，以確定結(jié)構(gòu)的層次。
（7）將有關(guān)設(shè)計(jì)資料及設(shè)計(jì)說明納入相應(yīng)的項(xiàng)目目錄。
2) 設(shè)計(jì)步驟
（1）對(duì)磁懸浮平臺(tái)的研究，提出了一種基于磁懸浮系統(tǒng)的新型運(yùn)動(dòng)模型。
（2）在設(shè)計(jì)的頂層設(shè)計(jì)中，產(chǎn)品最主要是掌握參數(shù)以及實(shí)際有組織描繪。
（3）根據(jù)數(shù)據(jù)的參數(shù)和結(jié)構(gòu)，建立零件間的關(guān)系及零件間的關(guān)系特點(diǎn)。
（4）不同的子元件和零件的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。
（5）在零件細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該隨時(shí)進(jìn)行裝配層上的檢查，如裝配干涉、重量和關(guān)鍵尺寸等。
此外，在設(shè)計(jì)過程中，可以隨時(shí)添加一些主要的參數(shù)，然后可以分配給每個(gè)子部分或部分設(shè)計(jì)。
4 平動(dòng)機(jī)構(gòu)三維模型設(shè)計(jì)過程
通過實(shí)地測(cè)量平行光管實(shí)驗(yàn)平臺(tái)數(shù)據(jù)，利用UG三維軟件對(duì)平行光管測(cè)量平臺(tái)上下平動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)三維建模最終結(jié)果如下圖4-1所示。
立柱支架17
旋緊螺栓16
推拉手柄15
微調(diào)絲杠14
螺母固定板13
導(dǎo)套支撐臺(tái)11
滾輪支撐架6
配重上板4
擰緊螺母2
配重塊支撐臺(tái)1
緊固槽鋼18
微調(diào)螺母12
微調(diào)導(dǎo)套10
平行光管支撐臺(tái)9
微調(diào)導(dǎo)柱8
滾輪7
配重側(cè)板5
配重塊導(dǎo)桿3
配重平衡塊4
圖4-1 測(cè)量平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)三維模型
4.1 上下平動(dòng)機(jī)構(gòu)主要零部件的三維模型設(shè)計(jì)
上下平動(dòng)分為快速運(yùn)動(dòng)和微調(diào)運(yùn)動(dòng)。
快速運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)是通過推或拉推拉手柄15，在左邊配重平衡塊4的配合下，帶動(dòng)整個(gè)微調(diào)裝置沿著立柱支架17的導(dǎo)軌上下快速平動(dòng)，到達(dá)預(yù)定位置后，通過旋緊旋緊螺栓16使其固定不動(dòng)，保持現(xiàn)有的位置狀態(tài)。若再次移動(dòng)需重新松開旋緊螺栓16方可移動(dòng)。
微調(diào)運(yùn)動(dòng)通過轉(zhuǎn)動(dòng)推拉手柄15，通過絲杠螺母副，螺母12連同螺母固定板13固定在導(dǎo)套支撐臺(tái)11上，帶動(dòng)平行光管支撐臺(tái)9做上下微調(diào)運(yùn)動(dòng)，絲杠螺母副具有自鎖功能，可以實(shí)時(shí)的啟動(dòng)和停止。
1）導(dǎo)套支撐臺(tái)的三維模型
導(dǎo)套支撐臺(tái)設(shè)計(jì)最終結(jié)果如圖4-2所示。
圖4-2 導(dǎo)套支撐臺(tái)三維模型
2）配重塊支撐臺(tái)三維模型
配重塊支撐臺(tái)設(shè)計(jì)最終結(jié)果如圖4-3所示。
圖4-3 配重塊支撐臺(tái)三維模型
3）微調(diào)導(dǎo)柱及導(dǎo)套三維模型
微調(diào)導(dǎo)柱及導(dǎo)套設(shè)計(jì)最終結(jié)果如圖4-4所示。
圖4-4 微調(diào)導(dǎo)柱及導(dǎo)套三維模型
4）滑輪及其支撐板三維模型
滑輪及其支撐板設(shè)計(jì)最終結(jié)果如圖4-5所示。
圖4-5 滑輪及其支撐板三維模型
5）微調(diào)裝置與立柱連接的連接塊與連接板的三維模型
微調(diào)裝置與立柱連接的連接塊與連接板設(shè)計(jì)最終結(jié)果如圖4-6所示。
圖4-6 微調(diào)裝置與立柱連接的連接塊與連接板三維模型
6）微調(diào)裝置絲杠螺母副及連接板三維模型
微調(diào)裝置絲杠螺母副及連接板設(shè)計(jì)最終結(jié)果如圖4-7所示。
圖4-7 微調(diào)裝置絲杠螺母副及連接板三維模型
7）微調(diào)裝置總體裝配三維模型
微調(diào)裝置總體裝配設(shè)計(jì)最終結(jié)果如圖4-8所示。
圖4-8 微調(diào)裝置總體裝配三維模型
4.2 前后平動(dòng)機(jī)構(gòu)零部件的三維模型設(shè)計(jì)
測(cè)量平臺(tái)前后平動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖4-9所示。
螺母6
絲杠支撐塊4
絲杠1
V型導(dǎo)軌2
矩型導(dǎo)軌5
支撐移動(dòng)平臺(tái)3
圖4-9 測(cè)量平臺(tái)前后平動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖
測(cè)量平臺(tái)的前后平動(dòng)也是通過絲杠螺母副來實(shí)現(xiàn)的。通過手柄帶動(dòng)絲杠1轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠1通過固定在平臺(tái)上的螺母6從而帶動(dòng)平臺(tái)沿著矩型導(dǎo)軌5和V型導(dǎo)軌2實(shí)現(xiàn)前后平動(dòng)。
1）支撐移動(dòng)平臺(tái)的三維模型
支撐移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)最終結(jié)果如圖4-10所示。
圖4-10 支撐移動(dòng)平臺(tái)三維模型
2）V型導(dǎo)軌的三維模型
V型導(dǎo)軌設(shè)計(jì)最終結(jié)果如圖4-11所示。長1000mm 寬80mm
圖4-11 V型導(dǎo)軌三維模型
2）矩型導(dǎo)軌的三維模型
矩型導(dǎo)軌設(shè)計(jì)最終結(jié)果如圖4-12所示。長1000寬80mm
圖4-12 矩型導(dǎo)軌三維型模
3）螺母的三維模型
螺母設(shè)計(jì)最終結(jié)果如圖4-13所示。
圖4-13 螺母三維模型
4）絲杠的三維模型
絲杠設(shè)計(jì)最終結(jié)果如圖4-14所示。
圖4-14 絲杠三維模型
5）測(cè)量平臺(tái)的前后平動(dòng)裝配三維模型
測(cè)量平臺(tái)的前后平動(dòng)裝配設(shè)計(jì)最終結(jié)果如圖4-15所示。
圖4-15 測(cè)量平臺(tái)的前后平動(dòng)裝配三維模型
31
`
5 絲杠螺母傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
絲杠螺母機(jī)構(gòu)就是調(diào)整旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)，是其可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換及能量的相互傳遞。這是傳遞能量，通過機(jī)構(gòu)如螺旋壓力機(jī)、千斤頂、等；同時(shí)像機(jī)床工作臺(tái)中用于進(jìn)給的絲杠等也是，它們是以傳遞運(yùn)動(dòng)為主；有用于調(diào)節(jié)螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的部件的相對(duì)位置等。
5.1 絲杠螺母機(jī)構(gòu)的分類及特點(diǎn)
絲杠螺母機(jī)構(gòu)有2種類型：分別是滑動(dòng)摩擦機(jī)構(gòu)和滾動(dòng)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，成本低，具有粘結(jié)功能，摩擦阻力大，傳動(dòng)效率低（30%～40%）。滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)是復(fù)雜的，但不具有約束力，制造成本高，其最大的優(yōu)點(diǎn)是，小摩擦阻力，高傳輸效率的可逆電機(jī)（92%至98%），精度，系統(tǒng)的剛度好，運(yùn)動(dòng)具有可逆性，由于長期使用壽命，它被廣泛地應(yīng)用于機(jī)電一體化系統(tǒng)中。
1）?滑動(dòng)絲杠：?
許多滑動(dòng)螺釘導(dǎo)向精度達(dá)到螺紋磨削質(zhì)量，特別是軋制成形精度滑動(dòng)螺釘，如科克運(yùn)動(dòng)公司生產(chǎn)。這是由工程塑料制成的，可用于滾珠絲杠的壽命。
在一些應(yīng)用中，較低的傳輸效率，而且成為滑動(dòng)絲杠的優(yōu)勢(shì)，在垂直應(yīng)用或設(shè)計(jì)師不想螺絲逆向行駛的情況下，滑動(dòng)螺釘原位保持負(fù)載。無需使用附加摩擦制動(dòng)裝置與制動(dòng)馬達(dá)或系統(tǒng)。在原理上，只要不超過1／3的螺紋直徑，上述自鎖條件就可以建立了。
滑動(dòng)螺桿螺母材料的選擇原則，可根據(jù)溫度條件，運(yùn)行光伏（壓力速度）值，耐磨壽命要求，使用環(huán)境、成本等因素，例如，可以用的材料需要滿足：在溫度為-50℃到+150℃的范圍，PV值需達(dá)60,000psi-fpm，這樣可以省下維護(hù)，還有就是污染環(huán)境等。
5.2 梯形絲杠結(jié)構(gòu)和特長
梯形絲杠DCMA型和DCMB型具有不易通過機(jī)械加工得到的45°導(dǎo)程角。每個(gè)模型可以很容易地將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，反之亦然，轉(zhuǎn)換效率為70%。由于導(dǎo)向是比較大的，他們提供一個(gè)更快的進(jìn)給速度是一個(gè)更好的選擇低速旋轉(zhuǎn)。采用冷軋法生產(chǎn)的梯形螺桿采用多頭螺桿組合。其齒面加工硬化后硬度超過250HV,并經(jīng)過鏡面拋光。結(jié)果，這些軸具有較高的耐磨性，可用于在一個(gè)非常平滑的運(yùn)動(dòng)時(shí)，他們使用的梯形螺桿組合。而對(duì)于梯形絲杠DCMA40型、DCMB40型或更新型號(hào),是設(shè)計(jì)用于與切削絲杠軸配合使用的。
微梯形螺桿由油塑料制成，具有良好的耐磨性，特別是在無潤滑條件下。而且，由于其優(yōu)異的性能，可以保持很長一段時(shí)間，所以你可以有一個(gè)長期的免維護(hù)。為梯形螺釘，提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)長度的滾子。
5.3 梯形絲杠的選擇
當(dāng)接觸面上的接觸面壓在軸承表面時(shí)，可將動(dòng)態(tài)允許轉(zhuǎn)矩（噸）和動(dòng)態(tài)允許推力表示為轉(zhuǎn)矩和推力。這些值被用作梯形螺釘?shù)膹?qiáng)度基準(zhǔn)。
當(dāng)使用滑動(dòng)軸承，接觸面壓力（對(duì)）和滑動(dòng)速度（第五）的產(chǎn)品，以確定是否該光伏值可作為一種參考的某些類型的參考。使用圖5.1所示的相應(yīng)的光伏值作為選擇梯形螺釘?shù)膮⒖?。光伏值隨潤滑條件的變化而變化。
圖5.1 pV值隨潤滑條件的不同而變化示圖
在計(jì)算階梯型螺桿上的載荷時(shí)，需要得到的慣性力的精確數(shù)據(jù)，這是產(chǎn)生的重量和速度的變化的對(duì)象的變化。在一般情況下，它是不容易準(zhǔn)確地獲得所有的往復(fù)運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的系數(shù)，例如，經(jīng)常重復(fù)啟動(dòng)停止等的影響。因此，如果沒有得到實(shí)際的負(fù)載數(shù)據(jù)，它是必要考慮的安全系數(shù)（財(cái)政司）顯示在表5.1時(shí)，選擇一個(gè)軸承。
表5.1安全系數(shù)(fs)
負(fù)荷的種類
Fs 的下限
對(duì)于不常用使用的靜態(tài)負(fù)荷
1～2
對(duì)于普通的單方向負(fù)荷
2～3
對(duì)于振動(dòng)/沖擊伴隨而來的負(fù)荷
4或更多
如果梯子型螺桿的溫度高于常溫范圍，則會(huì)降低材料的抗阻強(qiáng)度和強(qiáng)度。因此，它是必要的動(dòng)態(tài)允許的轉(zhuǎn)矩（噸）和動(dòng)態(tài)允許推力（福）乘以相應(yīng)的溫度系數(shù)如圖5.2所示。注)小型階梯式螺絲釘，請(qǐng)使用60℃以下的。因此，在選擇梯形螺釘時(shí)，需要以下公式來滿足強(qiáng)度。動(dòng)態(tài)容許扭矩(T)
靜態(tài)容許推力(F)
fS ∶安全系數(shù)
fT ∶溫度系數(shù)
T ∶動(dòng)態(tài)容許扭矩(N·m)
PT ∶承受的扭矩(N·m)
F ∶動(dòng)態(tài)容許推力(N)
PF ∶軸向負(fù)荷(N)
軸的硬度對(duì)階梯式螺桿的耐磨性有很大的影響。如果硬度等于或低于250HV，磨損率將如圖5.2所示的增加。此外，表面粗糙度是最好的0.80a或更低。采用滾壓加工，在滾動(dòng)軸表面硬度可達(dá)到250HV，而表面粗糙度0.20a或更低。從而，滾動(dòng)軸可以獲得高耐磨性。
圖5.2 表面硬度與耐磨損性
計(jì)算接觸面壓p
承受軸向負(fù)荷時(shí)∶
p ∶軸向載荷（N PF）在齒面接觸壓力的情況下(N/mm2)
F ∶動(dòng)態(tài)容許推力(N)
PF ∶軸向負(fù)荷(N)
承受扭矩時(shí)∶
p ∶接觸面壓力（N / mm2）在N M的情況下（TPN.m）
T ∶動(dòng)態(tài)容許扭矩(N·m)
PT ∶承受的扭矩(N·m)
計(jì)算齒面滑動(dòng)速度V
V值可按如下計(jì)算∶
V ∶滑動(dòng)速度(m/min)
Do ∶有效直徑(參照尺寸表) (mm)
n ∶每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(min-1)
R ∶導(dǎo)程(mm)
DCMA、DCMB型梯形絲杠尺寸示意圖如圖4.4所示。各種尺寸型號(hào)，如表5.2所示。
圖5.3 DCMA、DCMB型梯形絲杠尺寸示意圖
表5.2 DCMA、DCMB型梯形絲杠各種尺寸型號(hào)
表中標(biāo)記T表示有滾軋軸被組合使用。
動(dòng)態(tài)允許轉(zhuǎn)矩（噸）和動(dòng)態(tài)允許推力（法）表示的接觸面壓力的鉛螺桿的數(shù)值。微型梯形絲杠DCMB8T型和DCMB12T型使用含油塑料。（外徑容許尺寸公差∶特殊）。法蘭的靜態(tài)容許負(fù)荷(P),如圖5.4所示,表示對(duì)負(fù)荷的法蘭強(qiáng)度。
圖5.4法蘭的靜態(tài)容許負(fù)荷(P)
5.4 梯形絲杠的安裝與潤滑
梯形螺紋桿的圓與支撐座之間的配合采用間隙配合或過渡配合。支撐座內(nèi)徑公差：H8或J8。
為了提高梯形螺紋法蘭的強(qiáng)度，需要在拐角處進(jìn)行處理。因此有必要支持口拐角倒角。
圖5.5 加梯型絲杠法蘭根部倒角示意
不同類型的梯形絲杠，倒角的大小如表5.3所示。
表5.3 不同尺寸DCMA、DCMB型梯形絲杠法蘭根部倒角大小
公稱型號(hào)
嘴的倒角
C
（最?。?
DCMA
DCMB
8
1.2
12
1.5
15
2
17
20
25
2.5
30
35
3
40
45
50
根據(jù)梯型絲杠的使用條件可選擇合適的潤滑方法。
建議使用潤滑油，尤其是油池潤滑或油滴潤滑更有效。潤滑是最合適的方法，因?yàn)檫@種方法可以滿足苛刻的條件，如高速，重載或外部的傳熱，并使階梯式螺桿冷卻。潤滑油適用于中低速度和輕負(fù)載條件。根據(jù)表5.4所示的條件選擇潤滑油。
表5.4 潤滑油的選擇
使用條件
潤滑油的種類
低速、高負(fù)荷、高溫
高粘度滑動(dòng)面用油或渦輪油
高速、低負(fù)荷、低溫
低粘度滑動(dòng)面用油或渦輪油
在使用較低的情況下，用戶可以使用該手到軸上定期使用潤滑脂或使用梯形螺桿上的潤滑油孔潤滑。建議使用鋰皂基潤滑脂2號(hào)。
微梯形螺桿是由油性塑料制成，可用于無潤滑。在潤滑油或潤滑脂的早期使用，但注意使用了大量的高壓力加潤滑油是不適合使用的。
總結(jié)與展望
本文主要利用UG軟件對(duì)平行光管測(cè)量平臺(tái)的平動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)建模，使我對(duì)UG軟件的建模過程更加熟練，對(duì)機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一般過程有了深刻的了解。同時(shí)我對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行了深入的了解和學(xué)習(xí)。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)完成過程中對(duì)于本科所學(xué)知識(shí)，還有自己自學(xué)的知識(shí)有了一次很好的綜合運(yùn)用的機(jī)會(huì)。
學(xué)習(xí)UG軟件的時(shí)間較短，加之UG軟件入門較難，使得在UG軟件的運(yùn)用上遇到不少困難。我首先對(duì)課題進(jìn)行認(rèn)真研究，認(rèn)識(shí)到這屬于實(shí)際工程問題分析。在對(duì)問題認(rèn)識(shí)清楚后，利用大型三維軟件UG進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，并進(jìn)行了實(shí)際的測(cè)量和計(jì)算。
經(jīng)過長時(shí)間的寫畢業(yè)設(shè)計(jì)，從開始準(zhǔn)備到完成，我學(xué)到了很多測(cè)量平臺(tái)方面的常識(shí)。使我也了解了當(dāng)前國內(nèi)外在該方面的一些先進(jìn)制造技術(shù)。本設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性研究，大學(xué)本科四年的研究。我在這次設(shè)計(jì)中，自己對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)有了更深刻的理解和進(jìn)步。在這段時(shí)間內(nèi)，通過互聯(lián)網(wǎng)查找信息、閱讀設(shè)計(jì)手冊(cè)等相關(guān)專業(yè)書籍，讓我學(xué)到了很多知識(shí)的測(cè)量平臺(tái)。熟悉了平動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程和步驟，鞏固了機(jī)械設(shè)計(jì)方面的知識(shí)。
成套工程是一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的工程問題，在我國，機(jī)械行業(yè)還遠(yuǎn)未達(dá)到國際先進(jìn)水平，并與相關(guān)檢測(cè)、保修、維修行業(yè)有沒有良好的發(fā)展。近年來，國家大力發(fā)展和推廣機(jī)械制造業(yè)，對(duì)其相關(guān)產(chǎn)業(yè)也有著極大的促進(jìn)作用。UG CAD/CAM/CAE系統(tǒng)讓產(chǎn)品開發(fā)能夠從設(shè)計(jì)到加工真正達(dá)到了數(shù)據(jù)的完美合成，并且還使企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造變得更優(yōu)秀。虛擬產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)就是UG其中的面向進(jìn)程啟動(dòng)的技能，在這個(gè)過程的全部環(huán)節(jié)中，用戶的全部產(chǎn)品和精確的數(shù)據(jù)模型可以時(shí)刻保持聯(lián)系，提高進(jìn)行工程的效率。
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[16] 節(jié)德剛. 宏/微驅(qū)動(dòng)高速高精度定位系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2006.
致 謝
大學(xué)生活中閃過，回首歲月，心有充實(shí)，當(dāng)我完成這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)，一種解脫的感覺，感覺很多。感謝培養(yǎng)教育我的中北大學(xué)，NUC濃厚的學(xué)術(shù)氛圍，舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境我將終生難忘！祝母校蒸蒸日上，永創(chuàng)輝煌！
感謝對(duì)我的畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師王老師。他擅長于給我系統(tǒng)的指導(dǎo)，而不堅(jiān)持給我辦手續(xù)的想法，給我無窮的靈感。在整個(gè)過程中，王老師給予了一個(gè)很好的指導(dǎo)和幫助。也感謝我的同學(xué)和朋友，我們?cè)谶@四年里已經(jīng)長大了，這是因?yàn)樗麄兊膸椭椭С?，我可以克服困難和疑惑，直到成功完成設(shè)計(jì)。
最后，謹(jǐn)向參加論文審閱的老師，致以衷心的感謝！