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畢 業(yè) 設 計 任 務 書
1．畢業(yè)設計課題的任務和要求：
本課題要完成的任務
平行光管測量儀是一種光學精密測量儀器，某研究所需要為其購買的平行光管測量儀設計建造一個平臺，手動實現(xiàn)要求的測量動作。
本課題利用所學設計理論與方法對該平臺進行分析與設計，解決在設計和分析過程中所遇到的具體問題。最后利用CAD軟件完成設計任務。
本課題的要求
對本課題進行深入的分析與研究，熟悉所設計產(chǎn)品的工作原理與工作過程。熟練掌握所使用的設計軟件的一般功能，在此基礎上對軟件中運動分析進行深入的探討，設計出滿足課題要求的產(chǎn)品。
2．畢業(yè)設計課題的具體工作內(nèi)容（包括原始數(shù)據(jù)、技術要求、工作要求等）：
1）平行光管測量儀平臺的原始數(shù)據(jù)、技術要求、工作過程詳見所給資料；
2）根據(jù)給定的資料，完成平臺的分析；
3）根據(jù)分析結果和總體設計構想進行兩個平動機構的設計；
4）完成兩個平動機構的零件圖及組裝圖。
畢 業(yè) 設 計 任 務 書
3．對畢業(yè)設計課題成果的要求〔包括畢業(yè)設計、圖紙、實物樣品等〕：
1）開題報告一份；
2）標準圖紙幅面不少于A0兩張（至少有一張裝配圖）；
3）設計說明書一份，光盤一張；
4）外文翻譯資料一篇。
4．畢業(yè)設計課題工作進度計劃：
起 迄 日 期
工 作 內(nèi) 容
2 月 29日—3月27日
3 月28 日 —5月8日
5 月9 日 —5 月29日
6 月1 日 —6月7 日
6 月8 日 —6 月10日
查閱相關資料、撰寫開題報告。
把自己所查閱的資料進一步進行整理分析，學習需要掌握的軟硬件知識。
完成本課題的主要設計，繪制圖紙。
翻譯外文資料，撰寫說明書。
遞交畢業(yè)設計，準備答辯。
學生所在系審查意見：
同意下發(fā)任務書
系主任：
2016 年 2 月29 日
開題報告填寫要求
開題報告填寫要求
1．開題報告作為畢業(yè)設計答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設計工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導教師簽署意見及所在系審查后生效；
2．開題報告內(nèi)容必須用按教務處統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式（可從教務處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應及時交給指導教師簽署意見；
3．學生寫文獻綜述的參考文獻應不少于15篇（不包括辭典、手冊）。文中應用參考文獻處應標出文獻序號，文后“參考文獻”的書寫，應按照國標GB 7714—87《文后參考文獻著錄規(guī)則》的要求書寫，不能有隨意性；
4．學生的“學號”要寫全號（如02011401X02），不能只寫最后2位或1位數(shù)字；
5. 有關年月日等日期的填寫，應當按照國標GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯數(shù)字書寫。如“2016年3月15日”或“2016-03-15”；
6. 指導教師意見和所在系意見用黑墨水筆工整書寫，不得隨便涂改或潦草書寫。
畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告
文 獻 綜 述
1引言：
平行光管是光學實驗及計量檢測的重要設備 ,是一種高精度測試儀器 ,它可以測量微小角度位移及平 面的微小起伏 ,是目前工廠和實驗室的測試儀器之一; 同時 ,它也是照相物鏡和望遠物鏡等無限共軛成像 光學系統(tǒng)的校調(diào)和像質(zhì)檢驗不可缺少的測量基準。在檢測中，高精度平行光管對保證質(zhì)量是至關重要的。因此，有一個好的測試平臺更是重中之重。
2、本課題研究的目的：
平行光管測量儀是一種光學精密測量儀器，本課題需為平行光管測量儀設計建造一個平臺，手動實現(xiàn)要求的測量動作。要求，平行光管能沿平臺實現(xiàn)前后移動，和上下移動。
3、本課題研究的意義：
隨著科技的發(fā)展，精密定位和位移技術在國防工業(yè)、微電子工程、航空航天和生物工程等領域都發(fā)揮著重要的作用。它直接影響了整個機械行業(yè)的技術發(fā)展，決定了機械加工精度和產(chǎn)品的質(zhì)量性能，進而影響到設備的可靠性與穩(wěn)定性。如在航天航空領域中存在大量的光學儀器，要求這些儀器中的某些關鍵構可以實現(xiàn)高精度的定位和運動分辨率，以提高成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量，獲得更好的觀測效果，同時工作環(huán)境也對此類位移機構提出了更高的要求，如潤滑條件、安裝空間和振動等；在光電跟蹤設備中，需要對目標進行實時跟蹤，因此要求其
調(diào)節(jié)靈敏度高，響應速度快，從而使跟蹤系統(tǒng)具有較小的脫靶量，實現(xiàn)對目標準確跟蹤。 精密位移平臺是實現(xiàn)精密定位和位移的主要設備。根據(jù)考慮因素的不同可以將位移平臺進行不同的分類。
按照位移機構的工作原理可以將位移平臺分為機械式和機電式兩種。機械式位移平臺是指通過機械結構來實現(xiàn)位移的平臺,用的機械結構有絲杠、齒輪、楔塊、蝸輪蝸桿組合機構以及柔性位移機構等，結構形式的不同決定了這些平臺具有不同的工作特性；機電式是將某些可以精確控制的物理量根據(jù)其變化特點以特定的形式轉(zhuǎn)化為材料的變形從而提供工作位移，如常見的電致伸縮、磁致伸縮和壓電陶瓷類位移平臺屬于此類機電式平臺。
平臺提供位移總離不開特定的機械結構，按照導軌形式可以將平臺分為有導軌和無導軌類位移平臺。有導軌類平臺通過導軌的導向來保證在固定的方向?qū)崿F(xiàn)精確的位移和定位，如基滑動導軌和滾動導軌類的位移平臺。這些基于機械導軌的位移平臺可以實現(xiàn)較大的行程，但是由于導軌與平臺的直接接觸，存在機械摩擦、低速爬行和需要潤滑等不足，因此很難達到很高的運動精度。許多學者對空氣靜壓導軌和氣浮定位平臺進行了研究并取得了一定的成果，但是此類平臺對環(huán)境要求較高，且平臺結構復雜，因此限制了其應用范圍。無導軌類位移平臺是一類新型的柔性位移機構，變形是機構主要的工作形式。全柔性機構不包含剛性運動副，僅由柔性構件和柔性運動副構成。有導軌類平臺屬 于剛性機構，是通過運動副(轉(zhuǎn)動副和移動副等)來實現(xiàn)機構的運動轉(zhuǎn)換或者能量傳遞。
精密位移和精確定位是現(xiàn)代機械電子設備技術領域的關鍵技術之一。精密位移平臺多用于高精度儀器的精密對準和精密裝調(diào)，空間站、載人飛船、航天飛機和遙感衛(wèi)星等近地軌道航天器一般都配置有多種光學與電子設備，如望遠鏡，光學干涉儀，各類遙感設備器件以及各類相機和成像光譜儀等。為了獲得較好的觀察和觀測效果，提高遙感器件的成像質(zhì)量，在航天器總體設計過程中，需要應用具有較高的運動位移分辨率和定位精度的工作平臺，同時對環(huán)境振動、沖擊的隔離和對內(nèi)部振源的抑制也具有嚴格的要求；在生物、醫(yī)學工程的研究中，也需要采用高精度的能做快速運動的微位移工作臺對細胞進行搬動、分離、組合，對DNA分子進行拉伸并固定到隔膜上，對蛋白質(zhì)分子進行操作和生成薄膜結構等，由于在一些情況下精密位移平臺本身就是高精度儀器中的重要組成部分，所以平臺的輕型化和微型化也是必須考慮的內(nèi)容。因此，在現(xiàn)代高科技迅速發(fā)展的今天，在高精度精密儀器領域中的精密位移平臺特別受到業(yè)內(nèi)人士的高度重視。
在已有的精密位移平臺中，傳動機構多為絲杠和導軌傳動機構。近年來為提高位移精度，在驅(qū)動上使用高精度滾珠絲杠的比率有了很大的提高。由于它們的標準化、系列化、通用化程度很高，又有廣闊的市場，十分有利于組織專業(yè)化大批量生產(chǎn)。隨著位移平臺速度的提高，滑動導軌的不足逐漸顯現(xiàn)出來，包括滑動導軌摩擦力較大，直線度差等。因此，這種平臺多用于移動直線度求較低的場合，導軌的使用也逐漸由滑動向滾動轉(zhuǎn)化。雖然在中國，滑動導軌的使用還占大多數(shù)，但使用滾珠導軌和滾柱導軌的平臺數(shù)量在急速上升。
隨著科學的發(fā)展和技術的進步，除了機械設備技術領域，還有很多應用領域都對位移平臺的位移定位精度提出了更高的要求。如依據(jù)半導體加工技術、1C制芯關鍵裝備(分
布光刻機等)、IC后封裝設備等對作業(yè)系統(tǒng)高速高精度的實際需求，已開展的宏／微結
合雙重驅(qū)動的高速高精度定位技術的研究，以及光纖對接、微細加工、微型機器人、自適應光學等領域?qū)芏ㄎ黄脚_的研究等。
綜上所述，針對高科技領位移平臺，應體現(xiàn)快速位移運動、安裝簡便、省空間、環(huán)保和成本低等特點。本文應對這些要求，研制了一種手動平動平臺用以配合平行光管測量的需求。
參考文獻：
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[2]閆永達,孫濤,董申.采用新型驅(qū)動器的微位移工作臺設計與實驗研究.航空精密制造技術, 2001,.
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[4] 徐盛林 , 陳耿 . 精密超精密定位技術及其應用 [J]. 中國機械工程 ,1997, 8
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[12]張黎驊 鄭平新編機械手冊。人民郵電出版
[13]易聲耀 番存云 一種新型位移平臺的傳動系統(tǒng)設計與分析[J],機械設計2007(5)
[14]易聲耀 番存云 一種新型位移平臺力學仿真與試驗研究[J],機械設計2007(4） [15]成大光 機械設計手冊.7版。北京，化學工業(yè)出版社.2002。
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２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：
本課題要完成的任務：
平行光管測量儀是一種光學精密測量儀器，某研究所需要為其購買的平行光管 測量儀設計建造一個平臺，手動實現(xiàn)要求的測量動作。
本課題利用所學設計理論與方法對該平臺進行分析與設計，解決在設計和分析過程中所遇到的具體問題。最后利用CAD軟件完成設計任務。
本課題的要求：
對本課題進行深入的分析與研究，熟悉所設計產(chǎn)品的工作原理與工作過程。熟練掌握所使用的設計軟件的一般功能，在此基礎上對軟件中運動分析進行深入的 探討，設計出滿足課題要求的產(chǎn)品。
本課題的具體工作內(nèi)容
1平行光管測量儀平臺的原始數(shù)據(jù)、技術要求、工作過程詳見所給資料；
2根據(jù)給定的資料，完成平臺的分析；
3根據(jù)分析結果和總體設計構想進行兩個平動機構的設計；
4完成兩個平動機構的零件圖及組裝圖。
設計要考慮的問題：
1.平行光管測試平臺外形的大小。
2平行光管測試平臺的設計成本。
3.平行光管測試平臺平動機構控制方式。
4平行光管測試平臺實現(xiàn)平動時動力來源。
5.平行光管測試平臺平動機構采用什么樣的運動方式。
6平行光管測試平臺平動機構要求實現(xiàn),上下移動、前后移動。(其中上下平動要求實現(xiàn)快速移動和微調(diào)。)
7平行光管測試平臺平動機構平動的范圍。
8平行光管測試平臺平動機構實現(xiàn)平動時導軌的選用。
設計參數(shù)：
上下移動范圍為1500mm——2500mm，微調(diào)范圍為50mm，偏差為10um。
前后移動行程為100mm，偏差為10um。
設計準則
在平臺平動機構設計過程中始終堅持以下原則：
①總體原則 流程決定功能，光學要求決定精度；
②功能完備性 全面響應系統(tǒng)功能和技術指標，滿足系統(tǒng)功能和系統(tǒng)技術指標要求，能夠使此次設計的平臺用運到各種需求的場合，使平臺的價值得以提高；
③可靠性和穩(wěn)定性 平臺實用可靠、使用方便、經(jīng)濟安全，可靠性較高以及有穩(wěn)定的性能指標，能夠保證其長期正常運行；
④可維護性 盡量減少維護所需的時間，提高平臺使用效率；
⑤標準化 元件選型、工作流程標準化，使測試平臺具有低的運行成本；
⑥簡單的操作使用方法，提高實驗運行效率；
⑦總體性能優(yōu)良。
設計方案：
此次設計位移平臺選用機械式。機械式位移平臺是指通過機械結構來實現(xiàn)位移的平臺,用的機械結構有絲杠螺母、凸輪、配種平衡塊、手柄組合機構以及導軌等組成。平臺平動機構動力由實驗操作人員人工提供。
導軌的選用:導軌是由金屬或其它材料制成的槽或脊，可承受、固定、引導移動裝置或設備并減少其摩擦的一種裝置。導軌表面上的縱向槽或脊，用于導引、固定機器部件、專用設備、儀器等。導軌有很多種，燕尾形直線導軌、矩形直線導軌、V形直線導軌 、滑動導軌、滾珠導軌、滾柱導軌等。本次設計，選用V型導軌、雙邊燕尾導軌。V導軌磨損后能自動賠償，故導向精度較高。雙邊燕尾導軌結構緊湊、能防起伏。
傳動機構：傳動機構是把動力從機器的一部分傳遞到另一部分，使機器或機器部件運動或運轉(zhuǎn)的構件或機構。齒輪傳動機構、鏈傳動機構、帶傳動機構、蝸輪蝸桿傳動機構、凸輪機構等。本次設計采用絲杠螺母和導軌傳動機構。
大概設計方案為：平行光管測量平臺要有四個工作面，用以分別實現(xiàn)平臺的上下平動、前后平動、水平擺動、俯仰擺動四個自由度的運動。以此來提高平行光管的應用范圍，實現(xiàn)平行光管各個角度的調(diào)節(jié)。使平臺有更好的應用價值。
其中，前后移動主要機構由絲桿螺母、V型導軌組成。
操作方法：通過搖動絲桿螺母使平臺沿著V型導軌實現(xiàn)前后移動。導軌采用包夾形式，用來防止導軌。
上下移動主要機構由手柄、配重平衡塊、鎖緊裝置、絲杠螺母、雙邊燕尾導軌、導柱等組成。
操作方法： 通過推或拉手柄，并配合配重平衡塊和鎖緊裝置實現(xiàn)平行光管沿著導柱的快速上下移動。微調(diào)通過搖動絲桿螺母使平行光管沿著雙邊燕尾導軌上下移動。（其中雙邊燕尾導軌由靜軌和動軌組成，雙邊燕尾導軌起導向和防起伏的作用。）
畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告
指導教師意見：
王安亮同學本次所做設計的題目是“平行光管測量平臺平動機構設計”，該同學在查閱了相關的的資料、書籍后，撰寫完成了開題報告。
開題報告語言通順，格式規(guī)范?！拔墨I綜述”部分對研究此課題的意義進行了較為詳細的敘述，并對相關技術和研究現(xiàn)狀進行了查新，有一定的深度?！氨菊n題要研究或解決的問題和擬采用的設計方案”部分中，提出問題明確，方法基本可行，應盡快理清思路，找準研究手段和途徑，圓滿完成本次畢業(yè)設計工作。
指導教師：
2016年3月19日
所在系審查意見：
同意開題
系主任：
2016年3月20日
平行光管測量平臺平動機構設計
摘要：平行光管主要是用來產(chǎn)生平行光束的光學儀器，平行光管測量儀是一種光學精密測量儀器，本設計要為給定的平行光管測量儀設計建造一個測量平臺，手動實現(xiàn)要求的測量動作。???
本設計首先將運用所學理論基礎知識對平行光管測量平臺進行運動分析，包括測量平臺的前后平動上下平動，水平擺動和俯仰擺動四個自由度的運動。平動機構主要包括上下平動機構和前后平動機構。本設計將運用UG三維CAD軟件對測量平臺的平動機構進行三維建模，并通過給定的原始數(shù)據(jù)和要求對該平臺的平動機構進行詳細的設計計算。同時本文還詳細地介紹了絲杠螺母傳動機構。
關鍵字：平行光管，測量平臺，UG軟件，平動機構
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 平行光管及其測量平臺的介紹 5
2.1 平行光管的結構? 5
2.2 平行光管測量平臺的介紹 6
3 UG軟件的介紹 9
3.1 UG產(chǎn)品設計的一般過程 9
4 平動機構三維模型設計過程 10
4.1 上下平動機構主要零部件的三維模型設計 10
4.2 前后平動機構零部件的三維模型設計 15
5 絲杠螺母傳動機構 19
5.1 絲杠螺母機構的分類及特點 19
5.2 梯形絲杠結構和特長 19
5.3 梯形絲杠的選擇 20
5.4 梯形絲杠的安裝與潤滑 25
總結與展望 28
參 考 文 獻 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，是光學儀器校準和調(diào)整的重要工具，也是一種重要的光學測量儀器。某研究所需要為其購買的平行光管測量儀設計建造一個平臺，手動實現(xiàn)要求的測量動作。
平行光管測量平臺用于實現(xiàn)平行光管的前后平動上下平動，水平擺動和俯仰擺動四個自由度的運動。
1.1.2 研究意義
制造業(yè)屬于國家的基礎支柱產(chǎn)業(yè)。制造業(yè)的發(fā)展與新型工業(yè)化的實現(xiàn)和我國現(xiàn)代化的實現(xiàn)有著密切的關系；對外，制造業(yè)的發(fā)達程度，也是衡量我國工業(yè)競爭力的重要組成部分，是經(jīng)濟全球化進程中體現(xiàn)國家在國際分工地位的至關重要的因素。
對于精密運動平臺的研究，國內(nèi)目前還處于剛剛起步階段，還是一個具有深度挖掘的新性研究領域，還的需要從基礎研究著手。精密運動平臺集成了多種技術，包括控制技術、位置檢測技術、線路制導技術和驅(qū)動技術。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。
平行光管測量平臺作為平行光管測量儀器的一個載體，它的結構特性和運動功能將很大程度上影響平行光管測量的結果和效率，所以對平行光管測量平臺進行結構分析和設計有很大的現(xiàn)實意義,平動機構作為實現(xiàn)測量平臺的水平和豎直方向運動的機構，是平行光管測量平臺不可或缺的一部分。在測試平臺使用過程中起著至關重要的作用。
傳統(tǒng)的定位測試平臺在性能方面滿足不了平行光管的測量要求，特別是該平臺必須能夠?qū)崿F(xiàn)四個自由度的運動，這對定位平臺的開發(fā)提出了挑戰(zhàn)。此外，國外在高性能設備、精密定位等關鍵技術的研究和開發(fā)中實現(xiàn)了我國平行光管測量平臺的自主知識產(chǎn)權的研發(fā)，為實驗室提供了一個更好的測試平臺，同時加速了我國裝備制造業(yè)的進步。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀
目前，運動平臺已廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中，包括光刻、引線鍵合機、蝕刻機、液晶顯示板的制造和測試等。在這些設備中，都要求精準的定位，高的速度和相對穩(wěn)定的加速度，而這些要求在設計平臺中處于相互制約，相互影響的關系。即高的精度，在高速度的條件下很難達到。同樣高的精度在長距離的行程中也很難確保，同等條件下，平臺導軌的直線度誤差越大，這對平臺的加工和安裝精度的要求也越高[1]。
一些國外的設計結果，除了達到6.8g加速度和+ 2.5μm的運動平臺的定位精度新加坡發(fā)展。[2]。高加速度平臺的設計，實現(xiàn)了高標準的錘子和伯恩哈德。。在她HEUI和采用雙驅(qū)動技術的精密運動平臺設計，與滾珠絲杠傳動的粗糙集，利用壓電元件的驅(qū)動微平臺，在200mm的運動，實現(xiàn)10nm的定位精度[5]。hongbolan等人。指出超精密定位平臺對納米壓印光刻技術有重要影響6]。
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
精密定位平臺在國內(nèi)的研究相對較晚，與許多發(fā)達國家相比，在技術上用很大的差距，但現(xiàn)已取得了很多可喜的成果。對步進掃描光刻機硅片臺掩膜臺系統(tǒng)的研究上清華大學取得了不菲的成果，其系統(tǒng)的定位精高達12nm。浙江大學設計的一個很好的二維測試平臺，使宏微驅(qū)動對大行程的測量可以實現(xiàn)。XY定位平臺哈爾濱段德剛先生設計，實現(xiàn)高速和高精度的宏微驅(qū)動。XY定位平臺特點是結合了直線音圈電機以及壓電陶瓷微定位機構的雙重驅(qū)動方案，引進裝備了新型的宏微驅(qū)動形式。其運動20mm×20mm范圍與分辨率10nm，達到最大加速度50-100m S2 /速度/運動1m/s[9]。采用天津大學的新型彈性解耦機構，設計了一個平臺和一個音圈電機驅(qū)動裝置，實現(xiàn)了高速、高加速度的定位。該平臺能實現(xiàn)最大加速度50m／s2 ，重復定位精度±21μm，運動范圍為廣達50mm×50mm，以及運動速度高達0.5m／s的定位運動[10]。中南大學研究出了一種用磁懸浮直線定位的新型的運動模式。為實現(xiàn)大行程直線進給運動精度的快速運動，在空間坐標軸上的平臺工作面精確聚焦和調(diào)平[11]。華中科技大學發(fā)明了一種用于超精密數(shù)控機床、生物芯片掃描儀以及光刻機等設備的一種超精密微動的三自由度工作臺[12]。精密運動平臺的研究方面浙江大學對也取得了很大的進展。中國科學院也對磁懸浮精密定位平臺進行了研究的還有中國科學院，方法是控制磁懸浮線圈的向上升起，進而使微進給平臺懸浮于導軌的上面，實施精密、超精密直線進給操作是利用控制系統(tǒng)驅(qū)動微進給平臺沿導軌運動[13]。
高精度、高速、快速穩(wěn)定、高加速等是現(xiàn)在定位平臺要實現(xiàn)的目標，國內(nèi)外的研究方向主要是新的驅(qū)動方式、運動構件的結構形式及系統(tǒng)設計、操控方法等方面。高加速精密定位平臺經(jīng)歷了幾個發(fā)展階段。第一階段應運較傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)伺服電機，然后通過滾珠絲杠轉(zhuǎn)換為用直線運動驅(qū)動的正交串聯(lián)疊加平臺。二階段，直接驅(qū)動和廣義并聯(lián)機構，以提高系統(tǒng)的運行速度和系統(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
本設計首先將運用所學理論基礎知識對平行光管測量平臺進行運動分析，包括測量平臺的前后平動上下平動，水平擺動和俯仰擺動四個自由度的運動。平動機構主要包括上下平動機構和前后平動機構。本設計運用UG三維CAD軟件對測量平臺的平動機構進行三維建模，并通過給定的原始數(shù)據(jù)和要求對該平臺的平動機構進行詳細的設計計算。
具體研究過程如下：
1) 對平行光管實驗平臺進行功能與結構分析
通過對平行光管實驗平臺進行功能與結構分析，根據(jù)平臺設計具體的技術要求來確定本設計研究的具體內(nèi)容。
2) UG三維CAD軟件的學習和應用
UG是美國UGS(Unigraphics?Solutions)公司的主導產(chǎn)品，是集CAD/CAE/CAM于一體的一款三維參數(shù)化軟件，是當今最先進，最流行的工業(yè)設計軟件之一。它集概念設計、工程設計、分析與制造功能于一體，設計與生產(chǎn)過程的完美結合。廣泛運用于制造業(yè)的各個方面，如機械、汽車、船業(yè)、航空航天、家電等各個行業(yè)。本文將利用UG軟件對平行光管測量平臺平動機構進行結構參數(shù)化建模，形象直觀地表達自己的設計思想和設計內(nèi)容，并為以后地運動仿真和有限元分析提供基礎模型。?
3) 絲杠螺母傳動機構的介紹和運動分析
絲杠螺母機構就是可以讓旋轉(zhuǎn)運動與直線運動進行相互轉(zhuǎn)換，還可以讓其進行能量的相互傳遞。這是傳遞能量，通過機構如螺旋壓力機、千斤頂、等；也有通過運動為基礎的機構，如機床的進給螺桿；并調(diào)整螺旋傳動機構等部件的相對位置等。本設計采用絲杠螺母機構來實現(xiàn)平行光管測量平臺的上下和前后擺動，并對其運動過程進行詳細地分析。
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2 平行光管及其測量平臺的介紹
本章主要介紹平行光管的結構與功能，并對本設計中平行光管測量平臺的結構特點和工作條件作簡單介紹。
2.1 平行光管的結構?
?準直器是產(chǎn)生平行光束的裝置，如圖2-1所示的形狀。
圖2-1
準直器是用來從無限的平行束收集，作為一個重要組成部分的光學測量儀器在家庭成員和光學儀器也對準調(diào)整功能，使用板和測微目鏡透鏡不同分化，還有顯微鏡系統(tǒng)，我們可以測試透鏡組的焦距、光管的識別率和圖像的質(zhì)量。如果工作是一個線性測試，通過平行光管配備有自準高斯透鏡，利用高斯目鏡觀察。在測試時，將調(diào)整型平面反射鏡安裝在工件上進行檢測。
本設計給定平行光管長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 平行光管測量平臺的介紹
平行光管測量平臺用于實現(xiàn)平行光管的前后平動上下平動，水平擺動和俯仰擺動四個自由度的運動。其中上下平動可實現(xiàn)快速移動和微調(diào)，運動臺的結構主要有底座，四塊運動板，四個手輪，兩個導柱，兩個導套，轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)臺，燕尾導軌以及配重平衡塊組成。
平行光管測量平臺主要技術參數(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
運動范圍：
平行光管上下平動行程為1500mm-2500mm,其中微調(diào)范圍為50mm,偏差10μm；
圖2-4 平行光管上下平動行程示意圖
平行光管前后平動行程為100mm,偏差10μm；
圖2-5 平行光管前后平動行程示意圖
平行光管要實現(xiàn)的運動過程：
1、上下平動
上下平動分為快速運動和微調(diào)運動?？焖龠\動的實現(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沿支架導軌快速上下移動，到達預定位置后，通過旋緊螺栓使其固定不動。若再次移動需重新松開旋緊螺栓方可移動。微調(diào)運動通過轉(zhuǎn)動手柄，手柄通過絲杠螺母副帶動平行光板托板上固定的導柱沿著導套做上下微調(diào)運動。
2、前后平動
轉(zhuǎn)動手輪通過絲杠螺母副使測量平臺沿底座V型和矩形導軌實現(xiàn)橫向移動，螺母固定在移動平臺上，一端采用V型槽導軌，防止平臺起伏。
3、水平擺動
轉(zhuǎn)動手柄，通過蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)臺帶動測量平臺水平轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)動的另一端通過矩形槽和固定軸來實現(xiàn)擺動角度的控制。
4、俯仰擺動
轉(zhuǎn)動手柄，通過蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)臺帶動測量平臺俯仰擺動，俯仰擺動的角度控制是通過兩條固定在平臺上的鐵片和固定轉(zhuǎn)臺之間距離來控制的。
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間。同時也可以對產(chǎn)品進行設計、分析和制造，降低成本。他是一款對產(chǎn)品開發(fā)領域做設計的旗艦產(chǎn)品。
UG在進入中國后發(fā)展很快，其業(yè)務也有了很大的提高，并且也讓中國增長很快，遠勝于其他遠東區(qū)。
3.1 UG產(chǎn)品設計的一般過程
在產(chǎn)品設計過程中，我們應該養(yǎng)成良好的產(chǎn)品設計習慣，節(jié)約設計時間，降低設計成本，提高產(chǎn)品的市場反應能力。在UG NX5軟件產(chǎn)品設計中的應用，需要了解產(chǎn)品的設計過程。
1) 準備工作
（1）閱讀相關設計的文檔資料，了解設計目標和設計資源。
（2）搜集可以被重復使用的設計數(shù)據(jù)。
（3）定義關鍵參數(shù)和結構草圖。
（4）了解產(chǎn)品裝配結構的定義。
（5）編寫設計細節(jié)說明書。
（6）建立一個文件目錄，以確定結構的層次。
（7）將有關設計資料及設計說明納入相應的項目目錄。
2) 設計步驟
（1）對磁懸浮平臺的研究，提出了一種基于磁懸浮系統(tǒng)的新型運動模型。
（2）在設計的頂層設計中，產(chǎn)品最主要是掌握參數(shù)以及實際有組織描繪。
（3）根據(jù)數(shù)據(jù)的參數(shù)和結構，建立零件間的關系及零件間的關系特點。
（4）不同的子元件和零件的設計細節(jié)。
（5）在零件細節(jié)設計過程中，應該隨時進行裝配層上的檢查，如裝配干涉、重量和關鍵尺寸等。
此外，在設計過程中，可以隨時添加一些主要的參數(shù)，然后可以分配給每個子部分或部分設計。
4 平動機構三維模型設計過程
通過實地測量平行光管實驗平臺數(shù)據(jù)，利用UG三維軟件對平行光管測量平臺上下平動機構結構三維建模最終結果如下圖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
導套支撐臺11
滾輪支撐架6
配重上板4
擰緊螺母2
配重塊支撐臺1
緊固槽鋼18
微調(diào)螺母12
微調(diào)導套10
平行光管支撐臺9
微調(diào)導柱8
滾輪7
配重側(cè)板5
配重塊導桿3
配重平衡塊4
圖4-1 測量平臺總體結構三維模型
4.1 上下平動機構主要零部件的三維模型設計
上下平動分為快速運動和微調(diào)運動。
快速運動的實現(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，帶動整個微調(diào)裝置沿著立柱支架17的導軌上下快速平動，到達預定位置后，通過旋緊旋緊螺栓16使其固定不動，保持現(xiàn)有的位置狀態(tài)。若再次移動需重新松開旋緊螺栓16方可移動。
微調(diào)運動通過轉(zhuǎn)動推拉手柄15，通過絲杠螺母副，螺母12連同螺母固定板13固定在導套支撐臺11上，帶動平行光管支撐臺9做上下微調(diào)運動，絲杠螺母副具有自鎖功能，可以實時的啟動和停止。
1）導套支撐臺的三維模型
導套支撐臺設計最終結果如圖4-2所示。
圖4-2 導套支撐臺三維模型
2）配重塊支撐臺三維模型
配重塊支撐臺設計最終結果如圖4-3所示。
圖4-3 配重塊支撐臺三維模型
3）微調(diào)導柱及導套三維模型
微調(diào)導柱及導套設計最終結果如圖4-4所示。
圖4-4 微調(diào)導柱及導套三維模型
4）滑輪及其支撐板三維模型
滑輪及其支撐板設計最終結果如圖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計最終結果如圖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計最終結果如圖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)裝置總體裝配設計最終結果如圖4-8所示。
圖4-8 微調(diào)裝置總體裝配三維模型
4.2 前后平動機構零部件的三維模型設計
測量平臺前后平動機構如圖4-9所示。
螺母6
絲杠支撐塊4
絲杠1
V型導軌2
矩型導軌5
支撐移動平臺3
圖4-9 測量平臺前后平動機構示意圖
測量平臺的前后平動也是通過絲杠螺母副來實現(xiàn)的。通過手柄帶動絲杠1轉(zhuǎn)動，絲杠1通過固定在平臺上的螺母6從而帶動平臺沿著矩型導軌5和V型導軌2實現(xiàn)前后平動。
1）支撐移動平臺的三維模型
支撐移動平臺設計最終結果如圖4-10所示。
圖4-10 支撐移動平臺三維模型
2）V型導軌的三維模型
V型導軌設計最終結果如圖4-11所示。長1000mm 寬80mm
圖4-11 V型導軌三維模型
2）矩型導軌的三維模型
矩型導軌設計最終結果如圖4-12所示。長1000寬80mm
圖4-12 矩型導軌三維型模
3）螺母的三維模型
螺母設計最終結果如圖4-13所示。
圖4-13 螺母三維模型
4）絲杠的三維模型
絲杠設計最終結果如圖4-14所示。
圖4-14 絲杠三維模型
5）測量平臺的前后平動裝配三維模型
測量平臺的前后平動裝配設計最終結果如圖4-15所示。
圖4-15 測量平臺的前后平動裝配三維模型
31
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5 絲杠螺母傳動機構
絲杠螺母機構就是調(diào)整旋轉(zhuǎn)運動與直線運動，是其可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)換及能量的相互傳遞。這是傳遞能量，通過機構如螺旋壓力機、千斤頂、等；同時像機床工作臺中用于進給的絲杠等也是，它們是以傳遞運動為主；有用于調(diào)節(jié)螺旋傳動機構的部件的相對位置等。
5.1 絲杠螺母機構的分類及特點
絲杠螺母機構有2種類型：分別是滑動摩擦機構和滾動機構。該機構結構簡單，加工方便，成本低，具有粘結功能，摩擦阻力大，傳動效率低（30%～40%）。滾珠絲杠螺母機構是復雜的，但不具有約束力，制造成本高，其最大的優(yōu)點是，小摩擦阻力，高傳輸效率的可逆電機（92%至98%），精度，系統(tǒng)的剛度好，運動具有可逆性，由于長期使用壽命，它被廣泛地應用于機電一體化系統(tǒng)中。
1）?滑動絲杠：?
許多滑動螺釘導向精度達到螺紋磨削質(zhì)量，特別是軋制成形精度滑動螺釘，如科克運動公司生產(chǎn)。這是由工程塑料制成的，可用于滾珠絲杠的壽命。
在一些應用中，較低的傳輸效率，而且成為滑動絲杠的優(yōu)勢，在垂直應用或設計師不想螺絲逆向行駛的情況下，滑動螺釘原位保持負載。無需使用附加摩擦制動裝置與制動馬達或系統(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。
滑動螺桿螺母材料的選擇原則，可根據(jù)溫度條件，運行光伏（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60,000psi-fpm，這樣可以省下維護，還有就是污染環(huán)境等。
5.2 梯形絲杠結構和特長
梯形絲杠DCMA型和DCMB型具有不易通過機械加工得到的45°導程角。每個模型可以很容易地將直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動，反之亦然，轉(zhuǎn)換效率為70%。由于導向是比較大的，他們提供一個更快的進給速度是一個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。結果，這些軸具有較高的耐磨性，可用于在一個非常平滑的運動時，他們使用的梯形螺桿組合。而對于梯形絲杠DCMA40型、DCMB40型或更新型號,是設計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間，所以你可以有一個長期的免維護。為梯形螺釘，提供一個標準長度的滾子。
5.3 梯形絲杠的選擇
當接觸面上的接觸面壓在軸承表面時，可將動態(tài)允許轉(zhuǎn)矩（噸）和動態(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)膹姸然鶞省?
當使用滑動軸承，接觸面壓力（對）和滑動速度（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所示的相應的光伏值作為選擇梯形螺釘?shù)膮⒖肌９夥惦S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
在計算階梯型螺桿上的載荷時，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象的變化。在一般情況下，它是不容易準確地獲得所有的往復運動或旋轉(zhuǎn)運動的系數(shù)，例如，經(jīng)常重復啟動停止等的影響。因此，如果沒有得到實際的負載數(shù)據(jù)，它是必要考慮的安全系數(shù)（財政司）顯示在表5.1時，選擇一個軸承。
表5.1安全系數(shù)(fs)
負荷的種類
Fs 的下限
對于不常用使用的靜態(tài)負荷
1～2
對于普通的單方向負荷
2～3
對于振動/沖擊伴隨而來的負荷
4或更多
如果梯子型螺桿的溫度高于常溫范圍，則會降低材料的抗阻強度和強度。因此，它是必要的動態(tài)允許的轉(zhuǎn)矩（噸）和動態(tài)允許推力（福）乘以相應的溫度系數(shù)如圖5.2所示。注)小型階梯式螺絲釘，請使用60℃以下的。因此，在選擇梯形螺釘時，需要以下公式來滿足強度。動態(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 ∶動態(tài)容許扭矩(N·m)
PT ∶承受的扭矩(N·m)
F ∶動態(tài)容許推力(N)
PF ∶軸向負荷(N)
軸的硬度對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，在滾動軸表面硬度可達到250HV，而表面粗糙度0.20a或更低。從而，滾動軸可以獲得高耐磨性。
圖5.2 表面硬度與耐磨損性
計算接觸面壓p
承受軸向負荷時∶
p ∶軸向載荷（N PF）在齒面接觸壓力的情況下(N/mm2)
F ∶動態(tài)容許推力(N)
PF ∶軸向負荷(N)
承受扭矩時∶
p ∶接觸面壓力（N / mm2）在N M的情況下（TPN.m）
T ∶動態(tài)容許扭矩(N·m)
PT ∶承受的扭矩(N·m)
計算齒面滑動速度V
V值可按如下計算∶
V ∶滑動速度(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，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
表中標記T表示有滾軋軸被組合使用。
動態(tài)允許轉(zhuǎn)矩（噸）和動態(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)容許負荷(P),如圖5.4所示,表示對負荷的法蘭強度。
圖5.4法蘭的靜態(tài)容許負荷(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度，需要在拐角處進行處理。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
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，因為這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、高負荷、高溫
高粘度滑動面用油或渦輪油
高速、低負荷、低溫
低粘度滑動面用油或渦輪油
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。
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。
總結與展望
本文主要利用UG軟件對平行光管測量平臺的平動機構進行三維結構建模，使我對UG軟件的建模過程更加熟練，對機械零件設計的一般過程有了深刻的了解。同時我對滾珠絲杠進行了深入的了解和學習。本次畢業(yè)設計完成過程中對于本科所學知識，還有自己自學的知識有了一次很好的綜合運用的機會。
學習UG軟件的時間較短，加之UG軟件入門較難，使得在UG軟件的運用上遇到不少困難。我首先對課題進行認真研究，認識到這屬于實際工程問題分析。在對問題認識清楚后，利用大型三維軟件UG進行結構建模，并進行了實際的測量和計算。
經(jīng)過長時間的寫畢業(yè)設計，從開始準備到完成，我學到了很多測量平臺方面的常識。使我也了解了當前國內(nèi)外在該方面的一些先進制造技術。本設計是一項綜合性研究，大學本科四年的研究。我在這次設計中，自己對機械設計有了更深刻的理解和進步。在這段時間內(nèi)，通過互聯(lián)網(wǎng)查找信息、閱讀設計手冊等相關專業(yè)書籍，讓我學到了很多知識的測量平臺。熟悉了平動機構設計的過程和步驟，鞏固了機械設計方面的知識。
成套工程是一個實際應用的工程問題，在我國，機械行業(yè)還遠未達到國際先進水平，并與相關檢測、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)展和推廣機械制造業(yè)，對其相關產(chǎn)業(yè)也有著極大的促進作用。UG CAD/CAM/CAE系統(tǒng)讓產(chǎn)品開發(fā)能夠從設計到加工真正達到了數(shù)據(jù)的完美合成，并且還使企業(yè)的產(chǎn)品設計與制造變得更優(yōu)秀。虛擬產(chǎn)品開發(fā)的關鍵技術就是UG其中的面向進程啟動的技能，在這個過程的全部環(huán)節(jié)中，用戶的全部產(chǎn)品和精確的數(shù)據(jù)模型可以時刻保持聯(lián)系，提高進行工程的效率。
參 考 文 獻
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致 謝
大學生活中閃過，回首歲月，心有充實，當我完成這個畢業(yè)設計，一種解脫的感覺，感覺很多。感謝培養(yǎng)教育我的中北大學，NUC濃厚的學術氛圍，舒適的學習環(huán)境我將終生難忘！祝母校蒸蒸日上，永創(chuàng)輝煌！
感謝對我的畢業(yè)設計指導老師王老師。他擅長于給我系統(tǒng)的指導，而不堅持給我辦手續(xù)的想法，給我無窮的靈感。在整個過程中，王老師給予了一個很好的指導和幫助。也感謝我的同學和朋友，我們在這四年里已經(jīng)長大了，這是因為他們的幫助和支持，我可以克服困難和疑惑，直到成功完成設計。
最后，謹向參加論文審閱的老師，致以衷心的感謝！