昆明理工大学开题报告.doc

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昆明理工大学毕业设计（论文）

开题报告

题目：

三维微纳米精密位移平台及微小力测量系统设计

学院：

机电工程学院

专业：

机械工程及自动化

学生姓名：

李雪洁

指导教师：

杨晓京

日期：

2014年3月

毕业设计（论文）的主要内容：

一、本课题研究背景和意义

随着量子力学、微观物理等现代科学的日臻完善和微电子技术、扫描隧道显微技术等先进技术的不断发展，电子计算机、原子能、激光、航天和国防等高新技术部门对机械零件的加工精度和表面质量要求越来越高，因此超精密加工，包括纳米加工是人们目前面临的重要课题之一。

超精密加工技术水平的高低反应了一个国家综合经济和技术水平的高低，是国家制造技术水平的重要标志，是先进制造技术的重要支柱。

作为超精密加工技术研究中一个不可缺少的组成部分，微位移工作台能够提供具有纳米级分辨率的微米级步进位移。

微位移工作台的这一特点使其成为超精密加工的技术中的重要研究成果之一，推动过去传统产业加工中几十微米的加工精度，发展到半导体以及生物科技等领域中纳米级加工，有力促进了二十一世纪所需要的超精密加工技术的发展。

本课题的研究目的是能够为民用工业和国防工业中高精度零件和元器件的超精密和纳米加工提供必要的实验模型和数据支撑，对于提高我国的超精密和纳米加工的技术水平具有重要意义。

二、本课题的研究现状

目前，随着压电、电致、磁致以及静电等微动执行元件的出现和发展极大地推动了微进进给技术的发展。

目前，常见的微进给机构一般是利用弹性形变、直线电机、机械传动、电磁力和智能材料（压电陶瓷、电致伸缩、磁致伸缩）等实现微进给。

但在微型机械制造、扫描隧道显微镜微测量等诸多尖端科技领域中，当运动分辨率达到亚微米级或纳米级时，压电驱动微位移机构以其响应快、易于微型化、重复性好、分辨率高、刚度好无磁场干扰等特点在微进给机构的研究中体现出了自身的优势。

压电驱动微进给技术的研究在国外从六十年代起步，在七八十年代已经成为国外研究的重点领域之一。

现阶段国内外所研究的压电陶瓷驱动的微位移工作台通常是以柔性铰链做支撑导轨以压电陶瓷驱动器为驱动元件，对其研究主要集中在微位移工作台迟滞非线性建模技术、柔性铰链平台结构优化以及微位移工作台的精度控制技术上。

在机械加工过程中，切削力的大小直接影响了零件表面的加工精度，由于在超精密加工中，例如在纳米加工中，加工区域仅包含数个或数十个原子层时，在加工过程中其所产生的切削力是极小的，一般的测量技术难以实现测量，目前对压电驱动微进给平台该方面的研究还比较稀少，而这些问题是提高超精密加工技术水平所必须要解决的。

基于以上问题，本设计主要完成以下两个方向的研究工作：

（1）实验装置的建模及其运动仿真：

（a）完成粗动平台X、Y、Z三个方向驱动机构的参数设计及微动平台的选型工作；

（b）运用三维建模软件（Solidworks）完成粗动平台X、Y、Z三个方向驱动机构的三维建

模及装配工作；

（c）运用AutoCAD软件，完成重要零件的零件图以及装配图的绘制；

（d）对所搭建的三维微纳米精密位移平台进行动画仿真；

（2）设计一套一单以机为核心的微小力测量装置，完成对该切削装置的在加工过程中切削力的测量和监控：

（a）结合研究对象确定所用单片机型号以及传感器检测方式和微小力的测量方式；

（b）完成包含振荡时钟电路、模拟量输入通道中各个模块电路以及和显示电路等硬件电路的

的设计；

（c）结合硬件电路连接图和预期所要实现的控制要求，对该测控系统进行软件程序设计。

设计（论文）的技术路线及预期目标：

技术路线：

（1）对目前已有的微进给平台系统进行调研；

（2）在调研内容的基础上，提出几种可行性的设计方案，并对每一个进行优劣势的对比，确定最终设计方案；

（3）通过对该微位移平台的行程、分辨率、定位精度等基本参数的设定，完成各个非标准件尺寸的计算和标准件的选型工作；

（4）运用三维建模软件Solidworks完成各个零件的建模以及装配工作，并进行动画仿真；

（5）完成该微纳米切削装置的装配图以及零件图的绘制；

（6）运用单片机以及A/D转换、LED显示等外围电路完成微小力测量系统的设计，从理论上实现精密切削加工过程中切削力的测量；

预期目标：

成功搭建起一套纳米切削装置，并完成对其微小切削力的测量，为精密加工技术的发展提供一定的理论技术支持。

课题进度计划

第1周～第4周对现有设备及国、内外相关技术的发展现状进行调研、收集资料；

第5周总体方案设计：

（1）提出方案

（2）比较方案（3）确定最终方案；

第6周对三维微纳米精密位移平台粗调机构中所用的传动件进行设计计算和校核；

第7周～第9周完成三维微纳米精密位移平台的各个零件的三维建模和装配工作；

第10周对微小力测量系统进行硬件电路的设计；

第11周对微小力测量系统进行软件程序的设计，并在kei和proteus完成软件和硬件

的联合调试；

第12周绘制三维微纳米精密位移平台的总装图；

第13～14周绘制三维微纳米精密位移平台的各个零件的零件图和部装图，并完成所有二维

工程图的尺寸标注；

第15周撰写毕业设计说明书

第16周制作答辩PPT，准备答辩

完成课题所需条件及落实措施：

1、利用学校图书馆和互联网查阅一些已有的微位移平台的研究成果；

2、通过实物观察，借鉴一些精密仪器的结构设计，例如：

光学显微镜的微动平台的设计；

3、自学三维绘图软件Solidworks以及二维工程图绘制软件AutoCAD；

4、通过查阅图书馆相关文献和书籍了解微小力的测量方法；

5、全面、深入、系统地学习单片机的相关知识；

6、自学硬件电路设计软件Proteus和程序设计软件Keil；

参考文献、资料：

1、韩良．电子精密机械设计〔M〕．第4版．南京∶东南大学出版社，2011

2、陈晶．微纳米切削装置及实验研究〔D〕．哈尔滨．哈尔滨工业大学．2007

3、王海涛，林玉池，付鲁华等．微小力测量系统的实验研究〔J〕．传感器与微系统，2009，28卷（11期）∶8-11

4、陈晶．微纳米切削装置及实验研究〔D〕．哈尔滨．哈尔滨工业大学．2007

参考文献、资料：

5、陈晶．微纳米切削装置及实验研究〔D〕．哈尔滨．哈尔滨工业大学．2007

6、王海涛，林玉池，付鲁华等．微小力测量系统的实验研究〔J〕．传感器与微系统，2009，28卷（11期）∶8-11

7、胡健．单片机原理及接口技术〔M〕．北京∶机械工业出版社，2004

8、庞济．微机械加工电容式压力传感器及信号处理研究〔D〕．大连．大连理工大学．2000

9、朱振华．面向精密加工的压电驱动微进给工作台设计〔D〕．上海．东华大学．2005

7、孟庆杰,于化东.微小摩擦力测试仪的研制与开发〔D〕.长春.长春理工大学.2003

8、HolmesM;HockenR;TrumperDThelongrangescanningstage:

anovelplatformforscannedprobemicroscopy2000（03）

9、HoLMESM。

HOCKENR，TRUMPERD．Thelongrangescanningstage：

anovelplatformforscannedprobemicroscopy[J]．Prec．Eng．，2000，24：

191一209．

10、王生怀,陈育荣,王淑珍,谢铁邦．三维精密位移系统的设计[J]．光学精密工程，2010，18

（1）∶

175-182

11、马立，荣伟彬，孙立宁．三维纳米级微动工作台的设计与分析[J]．光学精密工程，2006，14（6）：

1017—1024．

12、李庆祥，王东生，李玉和．现代精密仪器设计[M]．第一版．北京：

清华大学出版社．2004：

172一176．

13、王生怀，谢铁邦，王选择．大行程纳米级二维位移工作台[J]．机械设计与制造，2008，8：

133-135．

14、艾运阶.MCS—51单片机项目教程.北京：

北京理工大学出版社，179—205

15、海涛.微小力测量系统的实验研究.传感器与微系统，2009，28（11）：

8—11

16、张涵.基于PROTEUS的电路及单片机设计与仿真.北京：

电子工业出版社，2012.70—128

17、高卫东.51单片机原理与实践.北京：

北京航空航天大学出版社，2008.17—45

指导教师意见：

指导教师（签字）：

年月日

学院毕业设计（论文）工作领导小组意见：

组长（签字）：

年月日

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