三维定位工作台.docx
- 文档编号:10267130
- 上传时间:2023-05-24
- 格式:DOCX
- 页数:38
- 大小:2.71MB
三维定位工作台.docx
《三维定位工作台.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《三维定位工作台.docx(38页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
三维定位工作台
吉安职业技术学院
三维定位工作台毕业设计
所属系部:
机电学院
专业班级:
14数控1班
学生姓名:
指导老师:
二〇一六年十一月
崇文明理 厚德精技
目录
第一章绪论3
第二章1.1引言3
第三章1.2纳米三坐标测量机的研究现状3
第四章1.3课题的主要来源和内容4
第二章微纳三维测量机总体结构设计5
2.1微纳三维测量机结构5
第三章维定位工作台机械结构设计6
3.1通用器件选型6
3.2测量器件选型及安装调平机构设计7
33共平面二维定位平移台设计10
3.4Z向定位工作台设计16
3.4.2Z向反射靶镜设计18
3.4.3Z向驱动部件设计19
3.4.4Z向运动台平衡部件设计19
3.4.5Z向定位工作台整体总装20
3.5测量机基台设计20
第四章测量机三维定位工作台有限元分析及结构优化23
4.1有限元法及ANSYS概述23
第五章测量机整体装配及测试24
5.1测量机台的整体装配24
5.2装配后各单轴机构误差测定25
第六章总结与展望27
6.1课题工作总结27
6.2研究工作展望27
第一章绪论
1.1引言
三坐标测量机是20世纪50年代以来发展起来的一种高效率的精密测量仪器,它广泛地运用于机械制造、电子、汽车和航空航天等工业中。
三坐标测量机作为一种以精密机械为基础,综合运用电子技术、计算机技术、激光技术、气动技术等先进技术的测量设备,在现代工业检测和现代制造业中发挥着不可或缺的作用,其技术水平已成为现代测量技术和制造技术发展水平的重要指标。
随着制造业的飞速发展,产品多样化和精密化促使三坐标测量机逐渐朝着多元化的方向发展,如逐渐向大型化和小型高精度化等方向发展。
测量机大型化发展,主要是为了适应制造业设备大型化和高精度化的需求,如DEA的坐标测量机测量范围为达2500*1600*600mm[2];测量机的小型高精度化发展,主要是为了适应微纳米技术的发展需求。
微纳米技术为微机电系统(MEMS)技术和纳米科学技术(nanoST)的简称,是20世纪末在美国、日本等发达国家兴起的以微米加工、纳米结构和系统为目的的高新科学技术。
由于其在航空、航天、军事、生命科学和健康保健、汽车工业、仿生机器人、家用电器等领域均有巨大的应用前景,因此受到了各国政府、科研机构和学者的普遍重视,并成为当前科技界研究的热门领域之一。
21世纪以来,随着微电子技术的快速发展,半导体产业、精密机械工业、光电系统、表面工程等方面都朝微小化、精密化的方向发展。
伴随MEMS的快速发展,利用精密加工手段加工的各种微/纳米机构,如微型齿轮、微型轴、微型台阶等产品[3,4],其几何尺寸几乎都为微纳米量级,要对这些微器件进行精密测量,就要发展微纳米级的高精度检测方法与技术手段。
因而研制具有纳米级测量精度的三坐标测量机已成为当务之急。
1.2纳米三坐标测量机的研究现状·
纳米三坐标测量机简称Nano-CMM,是近年来国内外相关研究单位研制的体积小,精度高、具纳米级测量精度的三坐标测量机,其三维测量精度可达到100nm以下。
相对于技术已相当成熟的普通三坐标测量机来说,Nano-CMM还处于起步阶段。
这是因为,在纳米级的测量精度要求下,温度变化、振动等的影响都会带来很大的误差,故其对工作环境的要求非常严格;其次,纳米测量的技术难点在于驱动、导轨和测量方法。
目前驱动器利用压电或电致伸缩位移器居多,而种类比较少。
在导轨设计方面,目前通常利用柔性铰链的弹性导轨技可以制造出性能优良的小行程运动导轨,但行程只能达到微米级。
如何设计出毫米级行程、纳米级精度的导轨,仍然是至今还未很好解决的技术难题。
目前国内外研究高精度三坐标测量机的单位,大多数由当地国家重点实验室或相关单位结合该领域知名专家、学者进行共同开发。
相关的研究项目大多属于国家级重点研究课题。
在纳米测量机研究方面处于技术领先的国家均为日本、德国、瑞士等发达国家。
我国约从70年代中期开始研制三坐标测量机,采取引进国外先进技术的方法来迅速发展我国的三坐标测量机事业。
国内的清华大学、哈尔滨工业大学、合肥工业大学等在纳米微位移定位机构的研究中已取得一定研究成果[12-14]。
可看出国内目前对纳米三坐标测量机项目的研究大多属于针对三维测量系统中的部分关键技术进行了开发。
1.3课题的主要来源和内容
本论文内容来源于:
国家863计划重点项目《微纳测量技术与装置》,项目编号2008AA042409。
项目研究内容为微纳米三坐标测量装置的研制。
装置要求具有多维激光干涉测量系统,测量结果直接溯源“米”定义的国家基准;三轴测量范围为50mm×50mm×50mm;测长分辨率1nm;测量不确定度100nm;微型测头测量范围±20μm;装置实现制造业中的精密加工领域的计量标准装置。
项目包括:
(一)Nano-CMM机台研制;
(二)三维定位工作台设计;(三)纳米CMM探头及其检测系统研制;(四)准共路微片激光器回馈干涉测量系统研制。
每个子项目由不同的课题组负责,本课题“三维定位工作台设计”为项目研究内容之一。
本研究课题的主要内容为新型Na-CMM三维定位平移台的机械结构设计及装配。
论文依托课题,研究内容包括:
1、Nano-CMM三维定位工作台的机械结构设计。
通用器件及测量器件的选型;实现纳米级定位精度的三维工作台机械结构设计;基台结构设计。
2、对设计的三维定位工作台的机械结构进行有限元静力分析,提出优化方案。
Z向工作台及配重的重力引起的X、Y向定位工作台在运动中结构变形及优化案研究;X、Y向工作台自重变形及结构参数优化研究。
论文主要内容安排。
第二章将介绍新型微纳三维测量机总体结构设计,通过对比分析三类Nano-CMM结构优缺点,说明采用“331”原则的测量机结构优越性,设计了实现
“331”原则的微纳三维测量机总体结构方案;第三章主要介绍了三维定位工作台的机械结构设计,包括通用器件和测量器件的选型、共平面二维定位平移台部件设计、
Z向定位工作台部件设计及基台设计;第四章对设计的三维定位工作台结构进行结构建模及有限元分析,并根据分析结果提出优化方案;第五章则主要进行了测量机整体机械装配,并进行了装配后单轴机构误差测定。
第二章微纳三维测量机总体结构设计
2.1微纳三维测量机结构
具有微纳米级测量精度的三坐标测量机的结构可以采用被测件固定的传统CMM微型化结构,或者采用被测件只随X-Y向做二维运动的一般Nano-CMM结构,也可以采用探头不动而被测件做三维运动的新型结构。
1.传统CMM结构
一般在普通的CMM结构中,被测对象被固定于工作面上,CMM探头做三维运动测量。
这种方式优点是结构简单且易于实现。
缺点是CMM探头在三维方向存在空间变化,故在三维方向均不满足阿贝原则[15]。
图2-1所示为结构形式运用最广泛的移动桥式CMM,此结构缺点表现在X向标尺在工作台的一侧,在Y向存在较大的阿贝臂;X向的驱动从一侧进行,容易引起爬行现象,并造成较大的绕Z轴偏摆,由于在Y向存在较大的阿贝臂,偏摆会引起较大的阿贝误差,极大的影响了测量精度。
图2-1移动桥式CMM
3、Nano-CMM的一般结构
在Nano-CMM中,为了尽量消除阿贝误差,一般将CMM探头限制在Z向单自由度运动,而被测对象固定于XY工作台上,测量时由XY工作台驱动被测对象在X、Y两个自由度上运动。
这种方式的优点是可以使X、Y向的长度测量系统与Z轴共面,从而消除由上述不共面引起的阿贝误差。
Nano—CMM,其Z轴测量符合阿贝原则,运动导轨面、一维光栅测量面和被测件所在平台面在同一高度的共平面设计,使得导轨垂直面内(Z向)直线度误差引起的阿贝误差得以消除,不过由于采用一维光栅,且光栅安装在工作平台侧面,在水平方向均存在违阿贝距离和阿贝误差[16]。
第三章三维定位工作台机械结构设计
三维定位工作台是三坐标测量机的主体硬件结构,是坐标测量机实现定位及测量的基础。
三维定位工作台中包括导轨、电机等通用器件及激光测量器件,机械结构设计时首先要对其进行选型及设计。
定位工作台的X向、Y向组成共平面结构,故三维定位工作台机械结构设计可分为通用器件选型、测量器件选型及安装调平机构设计、共平面二维定位平移台部件设计、Z向定位工作台部件设计及基台设计五部分组成。
加工部件选用殷钢材质。
殷钢属于铁镍合金的一种,其最大的特点就是随温度的变形极小,适合于制作对温度变形有严格要求的零件。
3.1通用器件选型
3.1.1导轨选型
在微纳平移台中,导轨是最重要的部件之一,它是保证定位工作台平稳、高精度运动的关键,目前通用的纳米仪器导轨类型包括气浮导轨、内摩擦导轨和精密直线滚子导轨等。
1、气浮导轨
气浮导轨的核心是气浮轴承(空气轴承),利用气浮轴承小孔节流形成气腔内的高压,在导轨和气浮轴承间形成具有一定承载能力和刚性的薄膜,气浮导轨具有无摩擦及无磨损的特性,由于匀差效应,运动的局部直线度及角度摆动较小,精度较高的测量机一般采用气浮导轨[18]。
2、内摩擦导轨
摩擦导轨可分为内摩擦导轨和外摩擦导轨,内摩擦导轨(如挠性铰链机构)精度很高、灵敏且滞后小,但行程难于加大,宜于作超微动工作台[19]。
3、精密直线滚子导轨
目前,高精度的直线滚子导轨在纳米级微进给平台的设计中应用广泛。
直线滚子导轨的优点是结构简单,成本较低,适于无气源的环境,刚性较好,承载能力强,有一定的匀差效应,灵活性、导向的直线度、稳定重复性均较好。
但摩擦力较大,安装、调整对导轨的性能的影响亦较大。
滚子分滚珠和滚柱两类,滚柱型相对于传统滚珠型导轨有承载能力大、滚动摩擦小、维护少、寿命长等优点[20]
结合纳米测量机50mm行程、高定位精度的总体要求,导轨采用结构简单的精密直线滚子型,选用日本NB公司生产的精密交叉滚子导轨VR型,滚子为高精滚柱,此导轨是具有高刚度、高精度、小型的有限型式直线运动导轨。
NB公司提供的VR型各尺寸导轨分为高精度型、精密型和超精密型,结合测量机单轴运动范围50mm选用精度最高的超高精密SV2090-16Z-UP型,其参数包括单根导轨尺寸90mm*6mm*5.5mm,组合后尺寸90mm*6mm*12mm,滚动面的平行度误差小于2μm。
SV2090-16Z-UP型导轨实物图如图3-1
3.1.2电机选型
常规驱动与传动方式已经不能实现微纳米级定位,能实现微纳米级定位的超精密工作台目前包括:
电磁式工作台、直线电机式工作台、压电式工作台等。
基于压电型没有空回、粘滞等现象很容易实现分辨率较高的运动,这里选用德国PI公司生产的N-310压电型直线电机作为系统的驱动电机。
N-310是PI公司近年来开发的一款新型压电型直线电机,具有皮米级超高分辨率,且具有尺寸小巧、驱动力大、亚微秒级高动态响应、不需要维持电流等优点,与传统的直流电机以及步进电机驱动器相比,N-310电机驱动器不需要通过齿轮、丝杠以及螺母等机械器件把旋转运动转化就直接可以实现直线运动,其性能参数包括:
最大驱动力为10N;最大行程52mm;大行程内运动速度0~1mm/s,1nm的定位分辨率[21]。
实物图如图3-2所示。
根据N-310压电型直线电机实物外形,其用于电机架及驱动架设计的结构尺寸图如图3-3所示。
各轴驱动架及电机架的结构尺寸都是依据此结构尺寸来设计的。
图3-3电机结构尺寸图
3.2测量器件选型及安装调平机构设计
测量系统是坐标测量机的重要组成部分。
目前国内外坐标测量机上使用的测量系统种类很多,如精密丝杠、高精度刻线尺、光栅、感应同步器、磁尺、激光干涉仪等,按性质可分为机械式、光学式和电气式三类。
据先前统计,坐标测量机中使用最多的是光栅,其次是感应同步器和官学编码器,对于高精度测量机一般采用激光干涉仪测量系统[1]。
本项目的位移测量器件选用激光回馈干涉仪,由清华大学负责研发,清华大学精密测试与仪器国家重点实验室研制的激光回馈干涉仪[22]实物图如图3-4所示。
激光回馈干涉仪是一种新型的激光干涉仪,正日益运用于包括位移测量在内的多种领域。
激光回馈干涉仪是基于King在1963年发现的激光自混合干涉的现象研制的。
当用一个外反射表面将激光器输出的光束反射回激光器内部时,发射光与反射光的光场相混合,从而引起激光器功率即光强的变化[23],激光回馈干涉仪测位移即从光强变化中解析出相应的位移量。
3.2.1X、Y向激光器安装尺寸及其安装调平机构设计
由于激光器装配设计只需用到激光器外尺寸以及出光孔、安装孔位置,根据激光器外形尺寸,X、Y向激光器用于装配设计的结构尺寸图如图3-5所示。
根据出光孔位置布置激光器位置,根据外尺寸及安装孔位置设计激光器调整机构的安装上板。
图3-5XY激光回馈干涉仪结构尺寸图
装配调整架是激光器固定及位置调整机构,关系到测量机的装配及测量。
根据激光器布置方式,X向、Y向的装配调整架相同,而Z向的略有不同。
X向激光器装配调整架机械结构如图3-6所示。
安装上板的安装螺钉位置根据激光器尺寸图中安装螺孔位置确定,激光器通过安装螺钉固定于安装上板。
安装下板固定于测量机基台,安装上板四个角通过弹簧吊杆上的拉紧弹簧连接于安装下板,其中一个内角垫有钢球,另外外边缘两角安置有两个调整螺钉。
调整螺钉的下端为半球形。
安装上板的调平设计基于三点支撑原理,即三点构成一个平面,固定其中一点,调节两点的高度即可调整平面的角度,三点支撑相对于多点支撑的结构更容易实现调平。
三点支撑调平原理的基础是点接触或球面接触,这里设计固定点为球面接触,调整点为螺钉点接触。
调整光束时,通过调节安装上板上的调整螺钉可以调整激光器X向旋转和Y向旋转的两个自由度,实现激光器光束调平;通过调节夹持块上的调整螺钉可以调节激光器Z向旋转自由度,实现激光器光束横向偏摆,如此实现激光器位置调整及光束调整。
3.2.2Z向激光器安装尺寸及其安装调平机构设计
Z向激光器的光束须从Z向工作台的下方垂直向上发射,根据提供的Z向激光器外形结构,其与安装调平机构设计相关的结构尺寸如图3-7所示。
图3-7Z向激光回馈干涉仪结构尺寸图
设计Z向激光器悬挂固定于测量机基台的下方,根据出光孔位置布置Z向激光器位置,根据外尺寸及安装孔位置设计激光器调整机构的安装上板,装配
设计结构图如图3-8所示。
激光器及其调整机构通过悬挂侧板固定于基台上,调整板设计依旧采用一角钢球固定、两角螺钉调整的三点支撑调整方式。
由于Z向激光器只需要实现光束垂直,故其调整机构不需添加横向偏摆螺钉。
激光器的位置调整时,通过调节安装上板上的调整螺钉可以调节激光器实现X向旋转和Y向旋转的两个自由度运动,从而调整激光器光束垂直。
3.3共平面二维定位平移台设计
二维定位平移台功能为实现X、Y两个方向的共平面运动,并实现二维运动的精确定位[14]。
根据测量机总体结构设计图可得二维定位平移台结构示意图如图3-9所示,主要由X台、Y台、X台基座、各向电机、各向导轨及二维测量系统几部分组成,二维测量系统的激光器独立于平移台布置,而反射靶镜则是平移台设计的一部分,X台、Y台和X台基台呈层叠结构布置。
设计的关键是保证X、Y两个方向的导向面共面,保证各向导向线、驱动线与测量线平行。
3.3.1X向平移台设计
X向平移台的功用为在X向驱动下沿X向导向面运动,并通过X向激光器及反射靶镜实现X向运动的精确定位。
X向平移台的结构示意图如图3-10所示,设计的关键是保障X向的导向线、驱动线与测量线同向,即三线平行。
1、X台设计
二维定位平移台须设计成相互嵌套的形式以实现X、Y导轨处于相同高度上。
根据设计方案,X台中间必须留有Z向工作台上测量件Y向运动的空间,必须留有平移台二维运动时测头的空间,因此拟定X台为正方框式。
设计中兼顾机构的对称性,以减小平台在温度变化以及驱动力影响下产生的变形。
设计X台的结构示意图如图3-11所示。
X台四个导轨安装面共面是两导向面共面的基础,因此X台设计的关键是保证导轨安装面的机械精度,因而在这里设计以导轨安装面为加工基准面,一体化加工保障四个导轨安装面平面度误差小于2μm,以此为基准加工其他面,导轨侧安装面的平面度与及相对基准面的垂直度亦要保证足够精度。
由X台结构示意图可知,导轨安装面还是主要承力面,因此须有足够的厚度与外延来保障刚度与精度,拟定主框台厚度为18mm,外延26.5mm。
X向平移台空间孔设计时须保障Z向载物台至少50mm*50mm的移动空间,结合导轨尺寸90mm拟定正方框内外框尺寸分别为110mm、150mm。
边缘做倒角以减小应力。
基于上述要求,设计X台结构图如图3-12所示。
2、X台基座设计
定位工作台的X台基座及电机架均须直接固连于基台,为保障导向线与驱动线同向,设计X向电机架固定于基座。
根据X台尺寸设计X台基座的导轨安装面,根据Z向定位台的水平面活动范围设计X台基座中间框尺寸,X台基座及电机架结构如图3-13所示。
在精度保障设计中,以基座中的导轨安装面为加工基准面,并保证与底面及机架安装侧面的平行度及垂直度精度;电机架设计中,需保证垂直度精度以保障驱动方向与运动方向的一致。
4、X台反射靶镜设计
靶镜是激光测量定位系统的重要组成部分,其功用为配合各轴激光器实现定位测量,靶镜主要设计要求包括:
三维靶镜位于三维运动台上;标准反射面在运动范围内有足够高的平面度及足够小的粗糙度;各向靶镜与相应导向线垂直。
根据“331”原则,X向反射靶镜应布置于做三维运动的Z向工作台,由于台体阻挡,将X向靶镜布置于做二维运动的Y向平移台的X向侧面上。
标准反射面的平面度及粗糙度通过机械加工保证。
这里需保证靶镜安装面精度及靶镜安装件精度,即能保障X向靶镜反射面的X向垂直精度,从而实现测量线与X同向即与驱动线及导向线平行。
X向靶镜的设计结构图如图3-14所示,支架固定于Y向工作台而压板固定于支架,靶镜通过压紧螺钉固定于压板和支架之间。
4、X向平移台总装
X向平移台整体结构如图3-15所示。
以X台导轨运动的导向线为基准的驱动机构的设计保障了驱动线与导向线平行。
由于X向靶镜安置于Y台,将在Y向平移台设计中补充说明X向测量线与导向线共向的设计装配。
3.3.2Y向平移台设计
Y向平移台的功用为在Y向驱动下沿Y向导向面运动,并通过Y向激光器及反射靶镜实现Y向运动的精确定位。
X向平移台的结构示意图如图3-16所示,设计的关键是保障Y向的导向线、驱动线与测量线平行。
1、Y台设计
Y台是实现相对X平移台做Y向平移运动的结构,通过Y向电机驱动沿Y向导轨实现Y向运动。
结合二维定位平移台及Y向定位平移台结构示意图可知:
Y台中间须留有Z向测量台的孔空;X台与其基座分别位于Y台上下两侧,Y向工作台须留有Y向运动时与X台基座的空间;Y向平移台的四个边框均有驱动及测量靶镜安装。
结合对称性设计,Y台的结构示意图如图3-17所示。
Y向平移台的宽度结合X台尺寸确定,拟定为200mm,长度依据Y向运动时与X台基座的空间保障拟定为300mm,厚度结合导轨安装处重力及外力变形情况拟定为12mm,边孔尺寸拟定为160mm*83mm,中心Z孔尺寸拟定为57mm*57mm。
由于Y台的四个边框均有驱动件及测量靶镜安装,须设有安装孔,中间的Z向连结平台也设有安装孔。
Y台的导轨安装面为导向精度面,须保证加工精度。
Y台结构图如图3-18所示。
2、Y向驱动部件设计
Y向驱动部件包括驱动电机、电机架和驱动架,设计的关键为保障驱动线与导向线一致在Y台Y向一端中轴线位置布置安装驱动架,由于内端有X
台基座阻挡故安装在外端,驱动架的长度根据电机杆长度确定;在X台Y向此端轴线布置安装电机架。
驱动部件装配图如图3-19所示,驱动架的安装面及电机杆安装孔、电机架的X台安装面及电机安装面,均需要保证一定垂直度及平面度精度,以保障驱动线与导向线平行。
3、Y向反射靶镜设计
根据“331”原则,Y向反射靶镜应固定于做三维运动的Z向工作台上,同样由于台体阻隔的原因,设计Y向靶镜布置于做二维运动的Y向平移台上,Y向靶镜设计结构图如图3-20所示,主要由固定架及靶镜两部分组成,固定架由固定螺钉固定于Y台,靶镜通过其固定螺钉压紧于固定架与Y台之间,通过机械加工精度保障标准反射面与平移台的垂直度,通过调整其后的调整螺钉调整标准反射面与导向线垂直,从而保证同样与反射面垂直的测量线与导向线同向。
4、Y向平移台总装
结合上述Y向平移台各零部件结构,安装组合即得Y向平移台整体结构如图3-21所示。
以Y台导轨运动的导向线为基准,驱动机构的设计保障了驱动线与导向线平行,靶镜的反射面垂直于导向线的设计保障了测量线与导向线的平行,从而实现三线平行的Y向平移台设计。
X向靶镜安置于Y向平移台的X向一侧面,只需保证此安装侧面的精度及靶镜安装件精度,即能保障X向靶镜反射面的Z向精度,其Y向精度采用电感测微仪感测、手动微动调整。
如此即实现了X向测量线与X向导向线平行,结合与导向线平行的驱动线设计实现了三线平行的X向平移台设计。
3.3.3二维定位平移台整体总装
二维定位平移台整体结构图如图3-22所示。
X向导轨基座直接固定于基台,整个平移台在X向电机驱动下沿X向导轨实现X向平移,Y平移台在Y向电机驱动下沿Y向导轨实现Y向平移。
为了实现运动线与驱动线同向,机械设计时通过设定各向电机架和驱动架安装面平面精度及轴线垂直精度,来实现驱动精度。
3.4Z向定位工作台设计
Z向定位工作台主要功能是在Z轴电机驱动下沿垂直于X-Y面的Z向导轨运动,并配合Z向激光器实现Z向精确定位。
根据测量机总体结构垂直面布置图设计Z向工作台结构示意图如图3-23所示,Z向电机通过电机支架固连于Y向工作台,驱动Z向工作台沿Z向导轨相对于Y向工作台运动,固连于Z向工作台的Z向靶镜配合固连于基台的Z向激光器实现Z向精度定位。
Z向定位工
作台部件主要包括Z向工作台、导轨支架、导轨、滑轮、重锤、Z向电机、电机支架和Z向靶镜等零部件组成,这些零部件可以根据功能分为导向部件、定位部件、驱动部件及平衡部件四部分。
结构设计需要保障驱动线、导向线及测量线同向,如图中虚线所示。
3.4.1Z向导向部件设计
Z向导向部件是实现Z向运动的部件,主要由Z台、Z向导轨、Z向导
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 三维 定位 工作台