超越式卡位元的平直槽内蠕动步进机构设计(附件)
摘 要摘 要现代生产加工技术的日益发展，使得制造业中对高精度的加工设备依赖性越来越大，然而加工设备的精度主要取决于进给装置的性能。所以，研制新型高效高精度的进给系统成为了当代加工工业主要难题，这也对制造加工业有着决定性的影响。现有的微进给机构有许多种类，但各个种类都各有千秋，但都或多或少地存在一系列的问题。在本文的设计理念中，主要是提出了一种新型的简单可靠的微进给机构。能够依靠这种简单有效的装置的稳定性，达到一定的进给行程、进给速率和进给精度。本文中的微进给机构是基于超越式卡位元而设计出来的，主要有以下几方面的工作：分析卡位元装置的设计合理性，设计出能够用于卡位的结构单元，并校核其强度；选取合理的驱动方案，本文中采用的是液压驱动，计算载荷并选取液压元件以及设计好液压系统；建立整体机构的三维模型，并进行运动学仿真，并分析其结果。关键词：微进给机构；自锁；超越式；蠕动机构； 目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究微进给装置的意义与目的 1
1.2.1 意义 1
1.2.2 目的 2
1.3 微进给机构的研究现状与存在问题 3
1.3.1 国内外的研究现状 3
1.3.2 现有微进给系统存在问题 4
1.4 本文的研究内容 5
第二章 微进给机构的基本组成与工作原理 6
2.1 引言 6
2.2 微进给机构系统设置 6
2.3 工作原理 7
第三章 微进给系统的结构设计和驱动方案 9
3.1 结构设计 9
3.1.1 超越式结构原理 9
3.1.2 超越式夹紧脚结构图 10
3.1.3 自锁滚轮力的分析 11
3.1.4 自锁滚轮的强度分析 12
3.2 驱动方案设计 15
3.2.1 驱动方案选择 15
3.2.2 驱动方案优缺点 15
3.2.3 液压驱动原理图 16
3.2.4 液压缸设计 17
第四章 运动学仿真 21
4.1 模拟工作过程 21
4.2 仿真
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
分析 11
3.1.4 自锁滚轮的强度分析 12
3.2 驱动方案设计 15
3.2.1 驱动方案选择 15
3.2.2 驱动方案优缺点 15
3.2.3 液压驱动原理图 16
3.2.4 液压缸设计 17
第四章 运动学仿真 21
4.1 模拟工作过程 21
4.2 仿真结果分析 22
结 论 23
致谢 24
参 考 文 献 25
第一章 绪论
1.1 研究背景
当前，微进给机构已经被普遍的作为高精加工机械的关键加工部件，当做可以完成高精微小位移的工具，微进给机构能否实现高精度位移，已经在高精密生产制造产业占有着十分重要的地位。由于产品质量要求的日益提升，以及科研技术的不断发展，对于生产加工设备的加工精度的需求也逐日攀升。无论是小到微机电工程、纳米技术科学，大到航空航天技术、甚至国防事业，都需要用到该项技术。机床的进给装置的精确程度是影响产品加工质量精度的主要指标，以此，作为高精度加工设备的关键部件，微进给机构的实际性能对于高精度加工生产设备有着决定性的影响。[1]
因此，通过对高精度的微进给装置的更进一步专研研究，不仅能够提高高精机、车床的生产加工精度，而且在另一方面还可以为别的领域（如高精机械、生物工程、微型机械电子）提供实际发展基础。在此过程中使我们缩短与发达国家之间的差距，掌握一定的核心技术，提高民族企业的竞争力，增强国家的综合国力。[2]
1.2 研究微进给装置的意义与目的
1.2.1 意义
高精度的工业生产技术是适应当代高技术发展需要而发展起来的生产制造技术，是包括机械设计制造业在内的多个领域的重要组成部分。因此，作为微进给机构的主要指标步进精度和分辨率，步进精度越高及其分辨率越高，对微进给机构的性能影响越大，这对于现在顶尖的制造工业和科研领域有着十分重大的影响。[3]这一方面直接影响高精切削生产加工水平、超大集成电路生产加工水平及高精测量测试水平的关键领域所在。[4]是以，开展对高精度微型进给系统的研究是非常迫切且必要的，存在着相当重要的实际意义。同时，也有利于减小我国与先进国家同类行业的差异，促进我国高精生产加工技术水平的进步，从而推动生产制造行业的发展，进一步拓宽我国在纳米技术方面的研究。
在我们生活的世界周边，爬行类动物拥有种特别的行动方式蠕动，如尺蠖、蚯蚓、蝴蝶的幼虫，等等，因为这种独特的移动方式以及这些生物的形态特征，造就了这些不起眼的低等生物能在我们所不能企及的地方如细缝活着管道中生存。[5]所以，仿照这类动物的移动方式所制造出的的蠕动机器人适应范畴很大。[6]当今，在国内外，这方面有着很多方面的研究，总结起来，这些研究的相通特点主要有：驱动设备大多数是伺服电机（servo motor）或者为电磁装置；运动结构一般可分为轮式和吸盘式。[7]现有这些蠕动微进给机构都有着一些难以克服的缺点，主要体现在：(1)以电机作为驱动的蠕动步进装置难以密封保存，外形相对较大，不能够在极端环境下作业或者在微小型地段内作业；(2)使用蜗轮结构的尺蠖型步进机构波动性严重、自身重量相对较大，难以实现整体机构的微型化，也不能够在不坚硬的地表上移动。因此，这种微进给机构在以上的环境里工作可谓是举步维艰。[8]
由于使用电机作为驱动的装置的本身不足，国内外的很多研究机构已经开始采用某种新型驱动设备，比如压电（piezoelectric）装置、微机电装置(MEMS)、磁致收缩装置和记忆型合金(Shape Memory Alloy，SMA)等。[9]作为比较而言，选取记忆型合金作为系统驱动器在现有生产水平下是很难制造出来的，而且应变能力大、控制电路简单、外形尺寸小等优点，能够达到蠕动微进给机构的基本装置需求。
于是，本文设计的蠕动步进机构采用超越式自锁机构设计，可以实现单向直线运动。由于外形尺寸较小、能够抗低温、容易密封保存等优点，这种尺蠖型微进给机构具有非常良好的未来发展趋势，比如在高原勘探、军事侦查、海底工作、管道检测和灾难援助等极端环境下的作业。[10]
1.2.2 目的
高精度的生产加工设备对于产品的加工质量精度有着重要的影响。然而，作为高精度加工设备的重要部件，微进给装置的实际性能效果对于高精生产加工技术起到了十分重要的作用，是以，现代尖端科研工作的研究方向已经向着加工装备的进给系统而进发。想要突破进一步提升产品精度这一瓶颈，研制出具有高精度高分辨率的微进给系统已成为必要的选择。当前，世界上的先进国家的科研人员已经开展了一些针对微进给系统的研究，研究的主要突破点的在于系统的形成大小、微/纳米级的步进距离以及是否能达到可调节速度的不间断移动等。国外所研究出来的多种微进给装置可以达到相对不错的成绩，尽管如此，这些装置还是存在着或多或少的缺点。由于我国现有的生产制造技术和国外的具有相当的距离，这个直接影响到我国高精度加工设备和技术的进步。因此,本课题的研究目的:研制一种全新的微进给装置，这种装置需要具备较大的步进行程和较高的分辨率，在建立这种机构的动态模型并完成对其的分析和研究，设计出较好的控制系统以实现这种微进给系统的性能。这一研究项目可以提高我国高精生产加工技术的整体水平,优化并升级国内现有的加工生产设备，对于我
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究微进给装置的意义与目的 1
1.2.1 意义 1
1.2.2 目的 2
1.3 微进给机构的研究现状与存在问题 3
1.3.1 国内外的研究现状 3
1.3.2 现有微进给系统存在问题 4
1.4 本文的研究内容 5
第二章 微进给机构的基本组成与工作原理 6
2.1 引言 6
2.2 微进给机构系统设置 6
2.3 工作原理 7
第三章 微进给系统的结构设计和驱动方案 9
3.1 结构设计 9
3.1.1 超越式结构原理 9
3.1.2 超越式夹紧脚结构图 10
3.1.3 自锁滚轮力的分析 11
3.1.4 自锁滚轮的强度分析 12
3.2 驱动方案设计 15
3.2.1 驱动方案选择 15
3.2.2 驱动方案优缺点 15
3.2.3 液压驱动原理图 16
3.2.4 液压缸设计 17
第四章 运动学仿真 21
4.1 模拟工作过程 21
4.2 仿真
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
分析 11
3.1.4 自锁滚轮的强度分析 12
3.2 驱动方案设计 15
3.2.1 驱动方案选择 15
3.2.2 驱动方案优缺点 15
3.2.3 液压驱动原理图 16
3.2.4 液压缸设计 17
第四章 运动学仿真 21
4.1 模拟工作过程 21
4.2 仿真结果分析 22
结 论 23
致谢 24
参 考 文 献 25
第一章 绪论
1.1 研究背景
当前，微进给机构已经被普遍的作为高精加工机械的关键加工部件，当做可以完成高精微小位移的工具，微进给机构能否实现高精度位移，已经在高精密生产制造产业占有着十分重要的地位。由于产品质量要求的日益提升，以及科研技术的不断发展，对于生产加工设备的加工精度的需求也逐日攀升。无论是小到微机电工程、纳米技术科学，大到航空航天技术、甚至国防事业，都需要用到该项技术。机床的进给装置的精确程度是影响产品加工质量精度的主要指标，以此，作为高精度加工设备的关键部件，微进给机构的实际性能对于高精度加工生产设备有着决定性的影响。[1]
因此，通过对高精度的微进给装置的更进一步专研研究，不仅能够提高高精机、车床的生产加工精度，而且在另一方面还可以为别的领域（如高精机械、生物工程、微型机械电子）提供实际发展基础。在此过程中使我们缩短与发达国家之间的差距，掌握一定的核心技术，提高民族企业的竞争力，增强国家的综合国力。[2]
1.2 研究微进给装置的意义与目的
1.2.1 意义
高精度的工业生产技术是适应当代高技术发展需要而发展起来的生产制造技术，是包括机械设计制造业在内的多个领域的重要组成部分。因此，作为微进给机构的主要指标步进精度和分辨率，步进精度越高及其分辨率越高，对微进给机构的性能影响越大，这对于现在顶尖的制造工业和科研领域有着十分重大的影响。[3]这一方面直接影响高精切削生产加工水平、超大集成电路生产加工水平及高精测量测试水平的关键领域所在。[4]是以，开展对高精度微型进给系统的研究是非常迫切且必要的，存在着相当重要的实际意义。同时，也有利于减小我国与先进国家同类行业的差异，促进我国高精生产加工技术水平的进步，从而推动生产制造行业的发展，进一步拓宽我国在纳米技术方面的研究。
在我们生活的世界周边，爬行类动物拥有种特别的行动方式蠕动，如尺蠖、蚯蚓、蝴蝶的幼虫，等等，因为这种独特的移动方式以及这些生物的形态特征，造就了这些不起眼的低等生物能在我们所不能企及的地方如细缝活着管道中生存。[5]所以，仿照这类动物的移动方式所制造出的的蠕动机器人适应范畴很大。[6]当今，在国内外，这方面有着很多方面的研究，总结起来，这些研究的相通特点主要有：驱动设备大多数是伺服电机（servo motor）或者为电磁装置；运动结构一般可分为轮式和吸盘式。[7]现有这些蠕动微进给机构都有着一些难以克服的缺点，主要体现在：(1)以电机作为驱动的蠕动步进装置难以密封保存，外形相对较大，不能够在极端环境下作业或者在微小型地段内作业；(2)使用蜗轮结构的尺蠖型步进机构波动性严重、自身重量相对较大，难以实现整体机构的微型化，也不能够在不坚硬的地表上移动。因此，这种微进给机构在以上的环境里工作可谓是举步维艰。[8]
由于使用电机作为驱动的装置的本身不足，国内外的很多研究机构已经开始采用某种新型驱动设备，比如压电（piezoelectric）装置、微机电装置(MEMS)、磁致收缩装置和记忆型合金(Shape Memory Alloy，SMA)等。[9]作为比较而言，选取记忆型合金作为系统驱动器在现有生产水平下是很难制造出来的，而且应变能力大、控制电路简单、外形尺寸小等优点，能够达到蠕动微进给机构的基本装置需求。
于是，本文设计的蠕动步进机构采用超越式自锁机构设计，可以实现单向直线运动。由于外形尺寸较小、能够抗低温、容易密封保存等优点，这种尺蠖型微进给机构具有非常良好的未来发展趋势，比如在高原勘探、军事侦查、海底工作、管道检测和灾难援助等极端环境下的作业。[10]
1.2.2 目的
高精度的生产加工设备对于产品的加工质量精度有着重要的影响。然而，作为高精度加工设备的重要部件，微进给装置的实际性能效果对于高精生产加工技术起到了十分重要的作用，是以，现代尖端科研工作的研究方向已经向着加工装备的进给系统而进发。想要突破进一步提升产品精度这一瓶颈，研制出具有高精度高分辨率的微进给系统已成为必要的选择。当前，世界上的先进国家的科研人员已经开展了一些针对微进给系统的研究，研究的主要突破点的在于系统的形成大小、微/纳米级的步进距离以及是否能达到可调节速度的不间断移动等。国外所研究出来的多种微进给装置可以达到相对不错的成绩，尽管如此，这些装置还是存在着或多或少的缺点。由于我国现有的生产制造技术和国外的具有相当的距离，这个直接影响到我国高精度加工设备和技术的进步。因此,本课题的研究目的:研制一种全新的微进给装置，这种装置需要具备较大的步进行程和较高的分辨率，在建立这种机构的动态模型并完成对其的分析和研究，设计出较好的控制系统以实现这种微进给系统的性能。这一研究项目可以提高我国高精生产加工技术的整体水平,优化并升级国内现有的加工生产设备，对于我
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/3243.html
