五维干涉仪调整架设计.docx

摘要精密调整架广泛应用于测量、检验、科研以及医疗等行业，具体优点工作稳定性好，可以大大减少与实际的误差，对精密类型的工作有及其重要的意义。本文通过对现代精密调整架的研究背景分析，结合研究现状，设计了一种五维干涉仪调整架结构，该调整架由人力驱动，通过丝杆或蜗轮蜗杆机构进行传动，可以实现二维平移运动以及三维调整运动。由于实际需要，调整架对施加的力的反馈要及其准确。本文作者主要完成了以下工作：1 .研究国内外该类型调整架的研究现状，选定课题内容，并提出五维干涉仪调整架总体的设计方案。2 .进行五维干涉仪调整架的子系统设计，包括传动系统以及执行系统，确定需要的类型。3 .基于对子系统的设计工作，对选定的关键部件进行设计计算，包括丝杆、蜗轮蜗杆以及轴承。4 .基于SOlidWOrkS软件完成所有的零件建模工作以及总体装配工作，并完成对五维干涉仪调整架的仿真分析。5 .完成五维干涉仪调整架的有限元分析，主要是对丝杆的静力学分析工作，经调试，确保系统可以实现预期功能，稳定工作。关键词：干涉仪；调整架；Solidworks；有限元分析AbstractPrecisionadjustmentframeiswidelyusedinmeasurement,inspection,scientificresearchandmedicalindustries,thespecificadvantagesofgoodworkstability,cangreatlyreducetheerrorwiththeactualerror,forprecisiontypeofworkhasgreatsignificance.Throughtheresearchbackgroundanalysisofmodemprecisionadjustmentframe,combinedwiththeresearchstatus,thispaperdesignsafivedimensionalinterferometeradjustmentframestructure,whichisdrivenbymanpowerandtransmittedbyscreworwormgearmechanism,whichcanrealizetwo-dimensionaltranslationmovementandthree-dimensionaladjustmentmovement.Duetopracticalneeds,thefeedbackoftheadjustmentframetotheappliedforceshouldbeextremelyaccurate.Theauthorofthisarticlemainlycompletedthefollowingwork:1. Studytheresearchstatusofthistypeofadjustmentframeathomeandabroad,selectthetopiccontent,andputforwardtheoveralldesignschemeofthefivedimensionalinterferometeradjustmentframe.2. Designthesubsystemofthefive-dimensionalinterferometeradjustmentframe,includingthetransmissionsystemandtheexecutionsystem,anddeterminethetypeofneed.3. Basedonthedesignworkofthesubsystem,thedesigncalculationoftheselectedkeycomponents,includingscrews,wormgearsandbearings.4. CompleteallpartmodelingworkandoverallassemblyworkbasedonSolidworkssoftware,andcompletethesimulationanalysisofthefive-dimensionalinterferometeradjustmentframe.5. Completethefiniteelementanalysisofthefive-dimensionalinterferometeradjustmentframe,mainlythestaticanalysisofthescrew,andafterdebugging,ensurethatthesystemcanachievetheexpectedfunctionandworkstably.Keywords:Interferometer；adjustmentframe；Solidworks；Finiteelementanalysis第一章绪论11.1 课题背景及意义11.2 国内外研究现状21.2.1国外研究现状21.2.2国内研究现状41.3研究的主要内容及方法6第二章五维干涉仪调整架设计方案分析72.1五维干涉仪调整架的传动系统方案72.LI传动系统方案72.1.2五维干涉仪调整架传动系统的分析确定82.2五维干涉仪调整架的执行系统方案112.2.1五维干涉仪调整架辅助系统的确定112.2.2五维干涉仪调整架支撑系统的确定132.3五维干涉仪调整架的总体设计142.5本章小结15第三章五维干涉仪调整架的总体设计计算163.1丝杆的计算与校核163.2蜗轮蜗杆的选型计算173.3轴承的设计计算193.4支撑板的受力分析与强度校核203.2.1 支撑板的结构形式203.2.2 支撑板的受力分析203. 5本章小结22第四章五维干涉仪调整架的设计建模与仿真分析234. 1SolidWorks软件简介234.2五维干涉仪调整架的设计建模与装配244.2.1子零件建模244.2.2总体装配284.3五维干涉仪调整架的移动仿真334. 4本章小结37第五章五维干涉仪调整架的有限元分析384.1 有限元分析方法385. 2五维干涉仪调整架的静力学分析405.2.1有限元静力学理论基础405.2.2有限元分析流程415.2.3五维干涉仪调整架关键部位静力学分析415.3本章小结46总结1致谢2参考文献3第一章绪论1.1 课题背景及意义随着现代光学仪器的发展，由于仪器的光学元件的加工精度不断调整提高,所以对元件的检测精度要求也有了提高。为满足这一要求，对仪器调整架进行相应研究是及其有必要的，调整架的精度、分辨力、稳定性都是影响仪器精度的关键因素。光学调整架在光学实验和检测等方面都具有相当大的用处，用来对相关设备进行精密度量，主要应用于机械制造、材料、器件结构与性能的测试、空间距离的测量等领域。其中，使用光学方法来实现精密测量是其中的一种重要方法。迈克耳孙干涉仪、法布里-珀罗干涉仪及激光外差干涉仪是常见的光学测量干涉仪工具。这些干涉仪具有高精度度量、可靠度、高效率等特点。同时，它们也被广泛应用于科学研究、工业生产、医学、冶金等领域。图1-1迈克耳孙干涉仪图1-2法布里珀罗干涉仪图1-3激光外差干涉仪在近年来对调整架的研究中，采用的传动机构大多为丝杠传动机构和导轨传动机构，目前高精度滚珠丝杠传动的使用逐渐增多，此外在高精度调整架中还采用伺服电机、压电陶瓷微位移器等部件，旨在提高仪器的位移精度1。光学调整架的主要功能是令光学元器件和其他元件在空间内实现高精度的调整和定位。无论哪种光学调整架，其设计目的都是为了将光学元件进行高精度的自由调整,主要包括调整架在角度、偏摆、直线等方向上的调整。最常用的光学调整架型号可以实现元件五个自由度的调整，以实现更加精准的光学测量。此外，这些光学调整架也可广泛应用于科学研究、光学工程和医学等领域，为相关实验提供更加便捷、准确的条件。随着所需调整维数的增多，设计难度也有所提高，可以应用各种三维建模软件及有限元软件进行更加准确直观的设计2-3。为满足工作需求，对新型光学调整架的设计研究是及其重要的。1.2 国内外研究现状1.2.1国外研究现状随着光学精密加工的快速发展，对光学仪器的检测要求也日益提高，人们越来越重视和光学仪器检测配套的光学调整架这个关键部件，在实际工作中，研究人员发现某些调整架存在较大误差，对测试的结果数据产生了极大影响，所以有一种适宜光学调整工作的调整架是很重要的。对于光学调整架这种高精密定位工作台，常常分为有效行程为微米或纳米级的微动工作台与有效行程为毫米或厘米级的大行程工作台，在实际应用中根据工作要求选择合适行程，可以大大提高测量精度。国外对光学调整架设计研究起步较早，他们的调整架的精度和稳定性大多优于国内的产品。对调整架的各种驱动及传动方式都有很深的研究，目前已有多种研究成果，并得到了应用。早在上世纪，美国就设计出了一种以杠杆原理为基础的一维微定位平台。通过压电陶瓷的驱动，利用杠杆结构，带动中间平台运动，从而达到对末端末端运动平台定位的目的，其原理图如图IT所示。1R*Rl.dfr,_LiI三*3irr"L18图1-1新加坡南洋理工大学机械与航天航空工程学院的VahidHassani等人在2013年通过在已有研究的基础上，设计研究了一种新型锥体三自由度压电陶瓷驱动机构，该机构可以在三维平面上进行椭圆运动，且对于节能方面也有优势，它可以根据元件的不同频率选择合适的驱动方式，为后续研究做出了贡献。在2011年时，韩国研究人员设计研究了一种微定位平台，其原理图如图1-2所示，这个平台的导向机构为柔性较链，通过双平行四边形模块作为放大机构，由于行程较大，该平台并不能适用于高精密定位，只适用于大行程且快速定位的工作。图1-2GuangboHao等人通过螺旋理论设计了一种新型的三自由度定位平台，可以使得平台在空间内的三个方向上进行运动。荷兰学者在2013年时，设计了一种六自由度定位平台，该平台的移动行程及其微小，可以适用于隔震或精密工程相关领域8-9。现在大多数的研究都向多自由度定位平台发展。1.2.2国内研究现状与国外研究相比，我们国内对这种高精度调整平台的研究起步较晚，与国外的研究水平存在一定差距，但是我们对于精密定位平台的发展十分重视，目前有许多研究聚焦这个方向。国内的很多大学也在这项研究中做出了突出贡献，比如清华大学、天津大学、以及哈尔滨工业大学，它们都取得了很大成就。天津大学张晓峰等人对钢、铝合金等常用材料的热稳定性能与抗震性能进行了分析，得到了不同环境下不同材料的特殊性能，为我国的精密调整平台研究的材料使用选择提供了理论基础加。在2004年，宋文荣等人放弃传统的气浮定位平台或摩擦定位平台，设计研究了一种磁悬浮精密定位平台，具有无摩擦、无磨损、质量轻等优点，在很大程度上提高了平台的精度与使用寿命。但这种磁悬浮精密定位平台受技术限制，往往会遇到使用问题，所以目前研究传统的精密定位平台是有必要的UL在2000年，台湾淡江大学的ChaOCL等人，对精密调整定位工作台进行了研究，设计了一种新型的工作台，使用传统的传动与驱动方式进行工作，具体原理如图1-3所示，这台设备在20±l°C的温度下可以保持极高的精度，可以很好的完成测试工作。其FPC控制那亘图1-3在2007年，哈尔滨工业大学的董为等人设计研究了一种六自由度并联式微动平台，其中所使用的驱动电机的精度可以达到IooniI1,且该微动平