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三維精密移動工作臺的設(shè)計研究

來源：減速機信息網(wǎng) 時間：2008-7-18 8:32:04　　責(zé)任編輯：lihongwei

現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中，對精密移動工作臺提出了不同的要求。而光纖通信領(lǐng)域的精密移動工作臺大多要求是組裝式的，由X、Y兩個方向的精密移動機構(gòu)組裝成二維精密移動工作臺：由X、Y、Z三個方向的精密移動機構(gòu)組裝成三維精密移動工作臺等。由于裝配件的接觸面精度、剛度以及各運動件相對運動都會影響工作臺的精度，使得現(xiàn)有的三維精密移動工作臺的精度達(dá)不到使用要求。為了滿足光纖通信領(lǐng)域的使用要求必須設(shè)計一個在三個方向上微調(diào)行程為15～20mm、精度在0.003mm內(nèi)的三維精密移動工作臺。

1 整體設(shè)計

根據(jù)使用要求，所設(shè)計的三維精密移動工作臺應(yīng)滿足規(guī)定的行程范圍、精度、靈敏度的要求：同時還要工作性能穩(wěn)定可靠，消除空回，減小誤差。設(shè)計中采用組裝式的，其三個方向是相互垂直的，所以從下至上三個方向上主動件和從動件的運動方向可設(shè)定為笛卡兒坐標(biāo)系中的X、Y、Z三軸向。由于X、Y、Z各方向的配合面以及裝配關(guān)系直接影響到整體運行的精度，故對各裝配面以及運行部件的接觸表面都要求保持相應(yīng)的精度。

結(jié)構(gòu)設(shè)計
三維精密移動工作臺主要由支撐裝置、微位移驅(qū)動讀數(shù)裝置、承重及微位移機構(gòu)、連接裝置幾部分組成。微位移驅(qū)動讀數(shù)裝置、承重及微位移機構(gòu)的選擇和設(shè)計對整個產(chǎn)品的設(shè)計起著舉足輕重的作用。主要是采用螺旋微動裝置驅(qū)動，分劃筒讀數(shù)裝置示數(shù)，以及滾動摩擦導(dǎo)軌進(jìn)行導(dǎo)移。也就是說，整個三維精密移動工作臺由支撐裝置——底座、底板，微位移驅(qū)動讀數(shù)裝置，承重及微位移機構(gòu)——三維方向上的滑板、導(dǎo)軌，以及連接裝置——直角固定塊等組成。
設(shè)計原則和設(shè)計原理
在幾何量測量儀器設(shè)計長期實踐的基礎(chǔ)上，形成了一些帶有普遍性的或在一定場合下帶有普遍性的設(shè)計原則和設(shè)計原理。這些設(shè)計原則和設(shè)計原理，根據(jù)不同儀器設(shè)計的具體情況，作為儀器設(shè)計中的技術(shù)措施，在保證和提高儀器精度、改善儀器性能、以及降低儀器成本等方面帶來了良好的效果。因此，如何在儀器的總體方案中遵循或恰當(dāng)?shù)剡\用這些原則和原理，便是儀器總體設(shè)計階段中應(yīng)當(dāng)突出考慮的一個內(nèi)容。在本設(shè)計中，為了減少阿貝誤差的影響，在底座的設(shè)計中盡量保證主動件與從動件之間運動的線性關(guān)系，導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其工藝上盡量保證導(dǎo)軌有較好的運動直線性。采用螺旋微位移驅(qū)動讀數(shù)裝置，遵循測量鏈最短原則，盡量使測量環(huán)節(jié)最少，從而減少誤差、提高整體機構(gòu)的精度。
螺旋測微原理是指螺旋運動的直線位移與角位移成比例的原理。其套筒上刻有上、下兩排刻線，同排刻度線間距為1mm，上下兩排刻線錯開0.5mm，即與測微絲杠的螺距相等。微分筒上刻有50等分刻線，當(dāng)它旋轉(zhuǎn)一周時，絲杠位移0.5mm：轉(zhuǎn)動一格，絲杠移動0.01mm。所以螺旋測微器的分度值為0.01mm，靈敏度為0.001mm。

圖1 運動件長度計算簡圖

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計

三維精密移動工作臺的關(guān)鍵部分主要是滾動摩擦導(dǎo)軌，微位移驅(qū)動讀數(shù)裝置和彈簧拉力裝置。分珠簧片是其中最關(guān)鍵的零件。由圖1可知

L=e+l+ab		(1)
而	ab=a'b'=a'c+cb'=e+cb'	(2)

因為滾珠中心的線速度V_r與運動件速度V_m的關(guān)系為

V_r=V_m/2		(3)
則	cb'=S_max/2	(4)
因此	L=2e+l+(S_max/2)	(5)

上式表明當(dāng)行程為S_max時，運動件的最短長度由式(5)可求，當(dāng)行程取最大位移為30mm，l為兩滾珠間的中心距，為了保證承載能力，該三維精密移動工作臺每邊選4個鋼球，l可取中間兩個或兩邊兩個鋼球之間的距離。e為保險量，用簧片隔離固定，故兩邊兩球的e可選5mm。

由式(5)可得	l=L-2e-(S_max/2)=55mm	(6)
則簧片的總長可設(shè)計為	L'=l+2e=65mm	(7)

3 精度分析

精度是儀器的一項重要技術(shù)指標(biāo)，儀器的精度分析是儀器設(shè)計中的重要一環(huán)，通常它是在設(shè)計過程中始終應(yīng)考慮的一個主要問題。這里的精度分析，既指儀器各零、部件誤差的合成，也指儀器設(shè)計中公差的分配和主要技術(shù)條件的確定，甚至還包括考慮為進(jìn)一步減小儀器誤差而需采取的技術(shù)措施：如誤差的調(diào)整方法，補償件的設(shè)計等。如圖2所示，三維精密移動工作臺由以下3個組成環(huán)實現(xiàn)上述原理方案。

圖2 測量原理圖

圖3 分厘卡讀數(shù)原理圖

誤差來源
三維精密移動工作臺是為了解決某些精度較高的測量問題而設(shè)計制造的儀器。主要用來測量一定范圍空間內(nèi)的長度或距離等。其是以分厘卡驅(qū)動定位和坐標(biāo)測量為基礎(chǔ)的絕對測量儀器。它以長度基準(zhǔn)元件與被測長度(或距離)相比較，從而確定被測量的大小。測量時，首先在讀數(shù)裝置——微分筒上讀出第一個讀數(shù)，然后旋動分厘卡驅(qū)動滑板，對準(zhǔn)工件后，再在讀數(shù)裝置上讀出第二個讀數(shù)，兩讀數(shù)之差便是工件的被測尺寸。其測量方程式為 L=b-a式中：L為被測尺寸：b為第二次讀數(shù)：a為第一次讀數(shù)。
X、Y、Z三軸向上分厘卡，是采用螺旋測微方法進(jìn)行直接讀數(shù)的。因此其測量方程為 µ=x
根據(jù)分厘卡的讀數(shù)原理，如圖3所示，誤差主要有螺距誤差1µm，測微讀數(shù)誤差_r，一般認(rèn)為讀數(shù)誤差是儀器讀數(shù)的1/10，分厘卡最小讀數(shù)為10µm，即_r=t/10=1µm。
精度分析
由上述誤差分析可得三維精密移動工作臺的總體誤差為：
x方向上：_SX測微螺距的加工誤差、_rX分厘卡的讀數(shù)誤差、_X2第二維上X方向上的誤差、X3第三維上X方向上的誤差。
_limX=±(²_SX+²_rX+²_X2+²_X3)^½=±1.581µm
同理求得
_limY=±(²_SY+²_rY+²_Y2+²_Y3)^½=±1.581µm
_limZ=±(²_SZ+²_rZ+²_Z2+²_Z3)^½=±1.581µm
則三維精密移動工作臺儀器總的測量誤差為
lim=±(²_limX+²_limY²_limZ)^½=±2.793µm

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