五轴微位移台设计Word下载.docx
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2.3.4软件选择9
2.4三维建模10
2.4.1solidworks绘图过程10
2.4.2solidworks装配过程11
2.5小结12
第三章五轴移台的组成13
3.1移台的结构设计13
3.1.1X轴方向的机构13
3.1.2Y轴方向的机构13
3.1.3Z轴方向的机构13
3.1.4绕Z轴转动的机构13
3.1.5绕X轴转动的机构14
3.2导轨14
3.2.1导轨的种类14
3.1.2导轨平行度测试15
3.2小结16
第四章五轴移台工作过程17
4.1五轴移台的工作过程17
4.1.1五轴移台的工作过程17
4.2驱动器螺旋测微头18
4.2.1螺旋测微头的原理18
4.3小结19
第五章结论20
参考文献21
致谢22
摘要
本论文首先描述了移台的种类和工作原理，其次介绍solidworks的应用、特点。
然后介绍了五轴移台的主要组成部分及其工作过程,其核心机构是由三个平移台组成的XYZ三轴平移台，再加上绕Y轴和Z轴的两个转台组成一个五轴移台，最下面是一个齿轮和齿条组成的X轴移台。
最后详细说明了工作原理和机构的组成。
通过螺旋侧微头和拉簧共同作用下使机构精确定位。
关键词：
五轴；
移台；
solidworks
Ⅰ
Abstract
Thispaperdescribesthetypesandworkingprincipleofmovingplatform,followedbytheintroductionofcharacteristicsofSolidWorksandapplication.Thenintroducesthefiveaxisshiftofmaincomponentpartsanditsworkingprocess,itscoremechanismiscomposedofthreetranslationaltableXYZthree-axistranslationstage,plusaroundtheYaxisandZaxisoftwotablecomposedofafiveaxisdisplacementplatform,thebottomiscomposedofagearandrackXaxisshiftandTaiwan.Finallyadetaileddescriptionoftheworkingprincipleandmechanism.Throughthespiralsidemicroheadandthespringundertheactionoftheprecisionpositioningmechanism.
Keywords:
Fiveaxis;
movingplatform;
SolidWorks
Ⅱ
第一章绪论
1.1五轴微移台概述
五轴微移台又名五轴位移台，将手轮转动转换成位移动作，由机械完成。
五轴移台有多种：
其中最简单一种是机械式，全部功能都是由机构完成。
还有一种是压电式，精度高，可以通过计算机控制，响应速度快但是行程很小，用在高精密定位。
1.1.1五轴微移台的种类
（1）机械式：
机械传动微位移的机构是一种传统的机构，应用在精密的的机械和仪器，实现的机构形式较多，但主要是有螺旋结构、杠杆结构、楔块凸轮结构和其他形式。
不过因为机械机构普遍存在机械间隙、摩擦磨损以及变形的现象，导致精度和灵敏度不高和使用一段时间后精度下降等问题。
所以这些机构只能用于中低精度[1]。
（2）压电式：
压电陶瓷微位移机构的原理是逆压电效应，当在材料表面产生了电场时，会产生机械形变。
使用这一原理，只需要变化输入的电压强度就能够输出不一样的位移大小，这种方式可以减少传统机构在工作过程中造成的各种误差。
该设计具有简洁的机构、较小的体积、纳米级的精度、能量损失少、控制简单等优点，在机械制造、电子、航天航空、生物医学等领域已经广泛使用，例如显微镜的观测台移动机构、光驱中的激光头、激光打印中的打印头和天文望远镜中的星体跟踪仪以五轴加工中心的刀具补偿机构和其他一些仪器[2][3]。
（3）热变形式：
这种机构的原理是热胀冷缩。
当传动杆被加热以后，因为其材料特性会导致传动杆伸长。
如图1，传动杆一边被固定，另一边和零件接触，在对传动杆加热以后，传动杆受热膨胀使得传动杆伸长，推动零件产生位移。
伸长量为：
（1）
式中：
——传动杆材料的线膨胀系数；
L——传动杆长度；
——加热前的温度和加热后的温度。
图1热变形机构示意图
对于加热传动杆，最好的办法是使用电阻丝。
电阻丝的机构简单，便于控制。
只要使得通过电阻丝的电流值大小不同，电阻丝产生的热量也不一样，最后导致传动杆的温度也不同，传动杆伸长的位移量也不一样。
热变形微位移机构可以通过电流控制位移量，所以它控制简单和方便。
但是因为有热辐射的存在，导致周围温度对传动杆的影响很大，所以会丢失部分精度。
（4）弹性变形式：
弹性变形式机构的机构是由两个弹簧组成的，如图X。
该机构的原理是将两个刚度不一样的弹簧进行相连，由于弹簧不一样，弹簧受力后产生的弹性形变也不同。
利用这一特性来提高分辨率。
输入和输出位移之间的关系：
（2）
——分别为主动弹簧和从动弹簧的刚度；
——分别为输入位移和输出位移。
该机构因为是内摩擦加上传动链也很小所以它的精度很高。
因此可用于一些高精度高稳定性的场合例如扫描隧道显微镜等机构。
但是弹性变形式机构在受到外力或摩擦力的时候，将影响精度、容易产生过渡性振荡，所以不使用于动态响应的情况。
（5）柔性铰链式：
由柔性铰链结构制成的微位移台是不久以前出现的现代微位移机构。
该机构的驱动方式主要有三种，第一种是利用电致伸缩器件来驱动位移台进行工作，第二种是利用压电形式的驱动器，这个和
（2）中压点陶瓷为位移机构类似，最后一种是使用了分厘卡驱动。
这三种方式各不相同，但其后都要使用特定的杠杆结构位移来使位移缩小，得到微位移量。
如图2所示，转动分厘卡产生初始位移，带动柔性铰链机构，推动零件移动。
在零件处装一个传感器，用于测量零件移动的距离[4][5]。
图2分厘卡式柔性铰链机构
柔性铰链机构有诸多的优点，该机构的体积十分的小巧、结构设计十分合理节约空间、中间没有空隙、没有机械摩擦和滑行，抗干扰能力强，具有很高的分辨率。
该机构配合压电驱动就可以得到一种控制简单方便，精度高。
因为没有摩擦所以该机构不会因为摩擦生热和摩擦噪声。
该机构可在各种恶劣的情况下继续运作，是一种十分理想的移台。
在航天航空、医药、生物工程中获得了应用。
（6）直线电机式：
直线电机式微位移机构具有结构简单，直接利用直线电机作为驱动。
直线电机可以任意调节行程和位移长度，分辨率为无限小。
直线电机进给速度很快，并且不需要用机械方式将旋转的运动转化为直线运动，使系统结构变得极为简洁。
由于少了很多机构，避免了由这些机构带来的变形、摩擦、磨损、间隙和发热等误差。
直线电机有响应速度快的优点，但是直线电机的成本高、发热大、系统复杂，所以应用不是很广泛。
（7）其他位移机构：
例如形状记忆合金式，该机构的原理是记忆合金在低温的状态无论该金属的形状进行怎么样的改变，一旦温度升高到某个温度后形状被改变的金属马上就会回复到原来低温状态下的形状。
使用这个原理实现该机构的位移，能够使用电流来提升金属的温度就可以改变位移的。
已经在机械制造、计算机制造等工业制造中大范围使用[6]。
滚珠导轨式微位移机构具有简单科学的机构，同时该机构的行程也不小、精度高、使用顺滑简便，经常用于实验坐标调整台等仪器。
1.1.2五轴微移台的工作原理
转动螺旋测微头使螺旋测微头伸长带动了工作台顺着导轨的方向前进，当达到既定位置后停止转动，更换一个方向继续调整位置。
最后通过XYZ三轴调整完毕后再调整两个转动方向完成调整。
1.1.3微位移技术的评价参数
微位移技术,通过对名称可以得知该项技术研究到微米及其以下精度的位移有关的技术和机构。
从这项技术的开始研究到今天，都在这几个方向研究，这些方向的各种参数能够成为微位移系统的必要参考依据。
（1）分辨率。
位移台的分辨率是评价微位移机构的最大特征也是最重要的特征。
现在研究员们都向纳米级的位移台作为目标,不过现在绝大部分存在的位移机构只可以达到亚微米级别。
（2）精度。
位移台的绝对精度、相对精度和重复精度同样是很重要的特征。
（3）行程。
行程一般为几微米到几十微米,需要依据使用者的需求来选择移台的行程。
（4）自由度。
依据使用者最终的使用需求来决定移台的自由度，自由度越多系统越复杂。
但是自由度多也就意味着功能更加的强大。
（5）线性关系。
输入和输出的线性关系明显好,便于控制。
1.2设计内容
在本课题中,微位移的机构设计又叫做位移台设计。
在此过程中,要以我们设计的目标为核心最终,实现五个自由度可以自由运动,能保证灵活动作,还可以完成设计的最大位移、最小精确度。
并且需要想到到设计过程中选择的驱动器的工作方式、作用力、作用位移和体积等。
该位移台所有的部件的加工难易程度和对该移台装配时的产生的误差和可靠性,对它的主要强度需有保证。
除此之外,这个移台的所有工作方式需要做到最大程度的简洁,控制力求简便、可靠。
在可以完成设计目标所能达到该移台要求的情况下,对移台的总体尺寸和材料、加工成本都要尽可能的少,与此同时最好开可以研究深入开发的价值,最好开能够将该移台的实用性做到最大的利用,对使其外观也做到符合美学的样式。
总而言之，不仅仅要达到既定的设计目标，同时还要注意到该设计的经济成本和造型外观，将设计作为一个综合的角度来考虑，做到功能价值和经济价值并重。
（1）确定各个轴向的运动方向和行程
（2）查找手册确定尺寸
（3）solidworks中画出各个零件
（4）模拟移台工作
1.3小结
微位移系统的机构有非常多的类别，每种形式都有自己独特的优势和劣势。
由于各个机构的实现原理不一样，所以它们的特点也都不一样，所适用的范围也都大不相同。
但是随着科技的发展，越来越多的高精度的机构被实现，同时某些机构会随着时间慢慢被淘汰。
由于位移台在各个领域都需要使用到，所以微位移技术的发展只会越来越迅速，机构的形式越来越多。
随着我们的深入研究，更多更简单、更高精密度和使用更加方便的机构被制造出来。
第二章三维制图的简介
2.1三维制图
三维制图是一种现代的简单、方便、快捷、直观的新型作图方式，借助电脑的辅助直接在电脑中构建三维模型，并且能够对任意的三维模型添加尺寸，以此来固化形状。
除此之外还可以对模型设定材质、增加贴图，并且也可以进行修改，只要模型是合乎实际的。
现在，使用软件进行三维制图是一种非常常见的行为，在很多行业比如，机械、建筑、工业设计等行业中必须都要学会三维制图软件。
现在一般使用的三维制图软件主要有SolidWorks、Pro-E、UG等，这几种软件的使用方式几乎都差不多，大多数软件绘制完成的图形都能通用，但是每个软件都有各自的特点，适用于各种各样不一样的行业。
2.2三维制图简介
利用计算机技术直接绘制并呈现出零件形状、大小和材质，并进行组合成机构。
并且可以通过旋转放大观察整理机构的形状和运动方式。
制作爆炸视频，更可以将三维的图像转化成二维图像并且智能的标注等功能。
2.2.1三维制图的应用
三维制图在设计中有着重要的作用，极大的方便了设计。
在机械、建筑等行业中有着广泛的应用。
可以直接绘制出零件并且设定材料，还可以贴图极为真实的表现出零件加工完成后的样子和装配完成后机构的运动方式，最后还能制作动画。
除此之外还能直接通过3D打印机等直接生成实体零件。
部分三维软件可以直接由计算机生成G代码，直接就可以导入机床进行加工，十分的方便。
2.2.2三维制图的特点
三维制图可以节约开发时间，从设计到实物可以缩短很多时间。
另外软件中庞大的设计库给设计提供了极大的方便。
三维制图还有一个方便的地方是可以跟二维图进行关联，当在三维模型中作出改变的时候，二维图中也会由电脑控制作出改变。
2.2.3三维制图的发展趋势
由于现在计算机技术的飞速发展，依托计算机的三维建模技术发展也十分的迅速，建立的模型除了越来越逼真之外，智能程度也提高了，可以直接对模型输入参数进行某些力学性能、材料性能的测试，测试结果和实际零件的测试结果都十分接近。
2.3三维制图软件的选择
2.3.1solidworks
SolidWorks软件是专为Windows而开发的三维CAD软件，该软件所使用的技术符合CAD技术的发展趋势并且一直在创新，该软件的设计紧靠这易用、稳定和创新这三大原则[7]。
借此该软件证明了这是正确的。
利用该款软件，广大的设计师可以极大的减少了设计的时间。
使得很多产品可以极快的被设计出来，迅速的占领了市场份额。
Solidworks软件的功能极其的多，其中的组件也非常的多。
Solidworks最独特和最有优势的地方就是该软件的三大特点：
功能非常的强大、学习是使用十分的简便和软件所使用的技术一直在更新，这些特点将solidworks打造成十分先进的、顺应潮流的三维CAD软件。
该软件可以为设计师提供诸多的设计方案，能够帮助设计师在设计过程中减少错误和提高产品设计进度作出高质量的产品。
SolidWorks在使用过程中体现的不光是强大的三维功能，更是对使用者的一种亲和，人性化的体现，对于初学者来说该软件上手非常简单、学习进程十分迅速。
Solidworks的菜单、按钮等组件基本和windows系统相匹配，我们一般都使用windows系统，这样可以非常快速的理解整个软件的组件排布，更快更迅速的找到所需要的功能。
SolidWorks的装配功能十分的强大，可以对零件进行直接移动和旋转进行装配，操作十分简单。
现在一些主流的三维建模软件中，该软件的使用是比较简单的，但是其功能又十分的强大，又适应了设计的主流，将三维模型和二维图纸相关联，使得整个设计过程十分的简便。
2.3.2Pro/Engineer
Pro/Engineer是一款三维软件。
它是由美国的参数技术公司研发的。
该软件的特点就和它的公司一样注重参数，该软件使用了参数化技术，同时也是参数化技术的最先使用者。
Pro/Engineer在现在的三维CAD软件中占有很大的市场。
是主流的三维CAD软件，在中国很多人都使用Pro/Engineer进行三维建模。
Pro/Engineer采用了参数化来设计的，而且还使用了单一数据库、模块化等技术。
模块化技术就是将所有的功能分成一个一个的模块，给了用户选择的权利，用户可以将不需要使用的模块不进行安装，对需要的模块就进行安装。
这样可以简化软件和用户的安装时间。
该软件还采用了基于特征方式的设计，该方式可以使得设计过程和生产过程整合到一起。
同时进行设计生产，节约了时间。
（1）参数化设计
所谓的参数化就是指将几何模型分解成特征。
将每一种特种都用参数描述出来，这就是参数化。
利用参数化可以分解非常复杂的几何模型，将复杂几何模型转化成参数以后就可以对其进行操作了。
（2）基于特征建模
基于特征就是将零件采用特种的方式描述出来，对于零件的孔、螺纹或是倒角等操作可以直接利用软件提供的功能完成，不需要画出来。
有种实际加工的感觉。
这项功能带给设计者是一种简单又灵活的操作方式，使得设计者可以轻易的改变模型的特征。
（3）单一数据库（全相关）
单一数据库技术就是指将所有的数据同时保存在一个数据库中，并且这些数据都有关联。
例如设计师在对某个模型进行改动以后，由该模型生成的二维图纸也会自动的改动，并不需要设计者再次对其改动。
与此同时，直接又三维模型生成的G代码也会同时更新。
这种紧密相关的技术就是单一数据库。
这种设计可以给使用者们带来极大的方便，也为设计者们节约了很多时间，再也不需要因为一处的小改动而改动多个图纸。
2.3.3UG
UG（UnigraphicsNX）是由多个模块组成的，该软件的主要模块CAD。
其他模块还有CAM/CAE等，诸多模块都有相互的关联，但又是独立存在的。
UG具有三个设计层次，即结构设计、子系统设计和组件设计。
UG的CAD模块可以分成实体建模、特征建模、自由形状建模、工程制图和装配建模。
CAD模块基本和solidworks相似。
UG的最大优势在于可以为客户提供解决方案。
该软件可以为设计者们提升设计的效率，减少时间成本和抢先进入市场。
在实际的使用中，UG已经把该特点充分的发挥，把设计到制造所有的过程都集中起来实现数字化的管理。
2.3.4软件选择
通过比较各种三维绘图软件的特点，该软件对二维图的支持程度高，可以直接生成二维图和对其进行标注注释剖视等操作十分简单和方便，最后选择使用solidworks进行三维建模。
2.4三维建模
2.4.1solidworks绘图过程
首先是创建一个零件图，进入草图绘制（图3）
。
从图中可以看到草图必须
图3solidworks草图绘制
在同一平面上，并且每一根线都必须有尺寸约束。
草图绘制完成再进行拉伸（图4）。
拉伸完成就就从二维到三维的转变，从图中可以看出已经呈现出实体的模样，该零件需要再对其加工才能成为目标零件。
图4solidworks初步成型零件
再在此基础上对该零件进行切除、打孔等操作后形成如图5所示的最终零件。
图5solidworks成型零件
2.4.2solidworks装配过程
装配采用自下而上的过程进行装配，先装配最底下的零件。
根据图6可以看到五轴移台已经建模完成了，通过软件自带的功能可以对模型进行剖视等观察，在软件中还可以对模型进行拖动查看。
图6solidworks装配图
2.5小结
本节主要从三维制图的概念开始介绍，到应用、发展趋势等一系列的说明。
在最后利用了本论文设计的五轴移台作为例子简单的介绍了solidworks是如何进行建模的，使用三维软件的便利之处在哪里。
第三章五轴移台的组成
3.1移台的结构设计
对五轴移台的设计其关键是对五轴移台的主要参数进行设计并且达到要求。
主要是关于自由度、行程和精度，还有很关键的分辨率。
移台的外观要符合审美观，并且对材料做到不能太浪费，适用就好的原则。
当然这一切都是保证移台的强度。
在对该移台的设计中，为了达到目标的精度，选择了机械式的螺旋机构作为驱动器，使用该机构能够得到较高的精度。
五轴移台的设计需要保证移台具有较高的几何精度，同时也要保证误差波动不能太大。
3.1.1X轴方向的机构
X轴方向的机构由最下方的固定板上用螺钉固定线性滚珠导轨。
最中间放置着两根拉簧用来复位。
在最上方是一个可移动盖板，固定在线性滚珠导轨的移动导轨上。
分厘卡座和固定盖板联接在一起，分厘卡固定在分厘卡座上，伸出端和移动板碰在一起。
在移台的最下端还有一个大行程的X轴移台，由齿轮和齿条组合而成。
由于行程大，精度较低。
3.1.2Y轴方向的机构
Y轴方向的机构和X轴向极为相似，不过没有齿轮和齿条组成成的大行程位移机构。
Y轴的移动板就是X轴的固定板，所以Y轴位移机构在X轴位移机构的下方。
当Y轴进行移动的时候，X轴也会跟着在Y轴方向移动。
3.1.3Z轴方向的机构
Z轴机构和X轴机构类似，除了固定座结构不同。
Z轴固定板和X轴移动版也是联接在一起的。
3.1.4绕Z轴转动的机构
绕Z轴转动机构的关键机构是一个螺纹副固定在一块板上，转动板可以绕中心转动。
螺纹副和上转动版伸出端接触。
当转动螺纹副的时候，螺纹副伸长使转动版转动。
螺纹副向令一个方向转动时拉簧收缩，转动板恢复。
3.1.5绕X轴转动的机构
绕X轴转动机构是一个螺纹副竖直固定在一块板上，转动版在此板上方，又两颗滚珠和两根短柱连接。
螺纹副跟转动版接触。
转动螺纹副转动版一端会抬升。
当反向转动时因为重力转动版又下降。
3.2导轨
导轨的主要作用是控制各部件的位置以及精度还有载荷（移台、挂载部件等）的。
导轨要保证较高的导向精度,良好的精度保持性,工作平稳,移动光滑，简单的结构,良好的工艺性等等。
3.2.1导轨的种类
（1）滑动导轨
滑动导轨是一种结构简单的导轨，该导轨对制造要求低、结构刚度强。
但是也因为该导轨结构简单导致摩擦强，然后就使得导轨磨损过快。
滑动式导轨也是由于该导轨使得两个零件直接接触所以精度不高，经常用于低精度的场合。
（2）滚动导轨
滚动导轨是一种比滑动导轨略微复杂的导轨，该导轨利用滚珠或滚柱等零件来滚动的，也因此而得名。
因为两导轨面处于滚动状态，所以导轨的摩擦阻力很小[8]。
使用滚动导轨的移台反映十分灵敏。
但是也因为是滚珠或滚柱接触，使得接触面积小，所以导轨的抗干扰性能较差、承载能力也很低。
而且在制造的时候需要很高的尺寸精度，生产成本大。
另外粉尘等颗粒物对该导轨的破坏性很大，在恶劣的环境下工作会导致导轨很快就损坏。
（3）气浮导轨
气体导轨是一种利用气体来悬浮的导轨。
在导轨中间的气腔内冲入气体后两导轨面中间就会有气体使得两导轨隔开。
使用了该方法后两导轨面不直接接触，所以基本没有摩擦，也不会发热，精度也很高。
因为有气体相隔，所以对干扰的抗性也很强。
不过由于采用气体悬浮，所以该导轨的承载能力弱，结构也异常复杂，常常还需要专门配置可靠稳定的气体源，成本大。
这种机构使得该导轨精度可以达到很高，但代价太大不是经常使用。
（4）平行弹性导轨
平行弹性导轨是利用弹簧片来实现的，当弹簧片受到力的作用的时候，就会产生一定的变形。
该变形使得导轨会位移。
弹性导轨因为其内部不会有摩擦、同时也没有间隙，结构紧凑。
该导轨的精度很高，不过它的行程也很小。
（5）柔性支承导轨
柔性支承导轨是一种柔性铰链替代而制成的一种导轨。
该导轨利用柔性铰链代替原来的一般铰链制成的机构。
该种机构的原理是利用材料弹性形变来实现的，使某种材料上制成强度大小不均匀，利用强度弱的那里的变形和材料本身的恢复能力来使得结构改变形状，最后使得产生位移。
这种结构的优点就在于整个过程没有相对摩擦，而且整个结构小巧，空隙少，使得该导轨精度很高，最终可以得到很高的分辨率。
这种结构制造成本低、维护简单、安装也方便，最关键精度也很高，就使得它得到了广泛的使用。
唯一的缺点就是行程较小。
3.1.2导轨平行度测试
由于导轨安装基面的加工精度很高，直线度和平面度都很高，而且导轨安装基面宽度狭窄，所以导轨在垂直于安装方向上的倾斜度非常的
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