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減速機網 三維精密移動工作臺的設計研究 減速機網
來源：減速機信息網    時間：2008-7-18 8:32:04　　責任編輯：lihongwei  
 
現代工業應用領域中，對精密移動工作臺提出了不同的要求。而光纖通信領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，使得現有的三維精密移動工作臺的精度達不到使用要求。為了滿足光纖通信領域的使用要求必須設計一個在三個方向上微調行程為15～20mm、精度在0.003mm內的三維精密移動工作臺。

1 整體設計

根據使用要求，所設計的三維精密移動工作臺應滿足規定的行程范圍、精度、靈敏度的要求：同時還要工作性能穩定可靠，消除空回，減小誤差。設計中采用組裝式的，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定為笛卡兒坐標系中的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的精度。
  1. 結構設計
    三維精密移動工作臺主要由支撐裝置、微位移驅動讀數裝置、承重及微位移機構、連接裝置幾部分組成。微位移驅動讀數裝置、承重及微位移機構的選擇和設計對整個產品的設計起著舉足輕重的作用。主要是采用螺旋微動裝置驅動，分劃筒讀數裝置示數，以及滾動摩擦導軌進行導移。也就是說，整個三維精密移動工作臺由支撐裝置——底座、底板，微位移驅動讀數裝置，承重及微位移機構——三維方向上的滑板、導軌，以及連接裝置——直角固定塊等組成。
  2. 設計原則和設計原理
    在幾何量測量儀器設計長期實踐的基礎上，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計原則和設計原理。這些設計原則和設計原理，根據不同儀器設計的具體情況，作為儀器設計中的技術措施，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地運用這些原則和原理，便是儀器總體設計階段中應當突出考慮的一個內容。在本設計中，為了減少阿貝誤差的影響，在底座的設計中盡量保證主動件與從動件之間運動的線性關系，導軌的結構設計及其工藝上盡量保證導軌有較好的運動直線性。采用螺旋微位移驅動讀數裝置，遵循測量鏈最短原則，盡量使測量環節最少，從而減少誤差、提高整體機構的精度。
    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，當它旋轉一周時，絲杠位移0.5mm：轉動一格，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。

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圖1 運動件長度計算簡圖

2 關鍵部件的設計

三維精密移動工作臺的關鍵部分主要是滾動摩擦導軌，微位移驅動讀數裝置和彈簧拉力裝置。分珠簧片是其中最關鍵的零件。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Vr與運動件速度Vm的關系為
Vr=Vm/2 (3)
則 cb'=Smax/2 (4)
因此 L=2e+l+(Smax/2) (5)
上式表明當行程為Smax時，運動件的最短長度由式(5)可求，當行程取最大位移為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-(Smax/2)=55mm (6)
則簧片的總長可設計為 L'=l+2e=65mm (7)

3 精度分析

精度是儀器的一項重要技術指標，儀器的精度分析是儀器設計中的重要一環，通常它是在設計過程中始終應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，也指儀器設計中公差的分配和主要技術條件的確定，甚至還包括考慮為進一步減小儀器誤差而需采取的技術措施：如誤差的調整方法，補償件的設計等。如圖2所示，三維精密移動工作臺由以下3個組成環實現上述原理方案。

    1
    圖2 測量原理圖

    2
    圖3 分厘卡讀數原理圖

  1. 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計制造的儀器。主要用來測量一定范圍空間內的長度或距離等。其是以分厘卡驅動定位和坐標測量為基礎的絕對測量儀器。它以長度基準元件與被測長度(或距離)相比較，從而確定被測量的大小。測量時，首先在讀數裝置——微分筒上讀出第一個讀數，然后旋動分厘卡驅動滑板，對準工件后，再在讀數裝置上讀出第二個讀數，兩讀數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：a為第一次讀數。
    X、Y、Z三軸向上分厘卡，是采用螺旋測微方法進行直接讀數的。因此其測量方程為
    µ=x
    根據分厘卡的讀數原理，如圖3所示，誤差主要有螺距誤差1µm，測微讀數誤差1r，一般認為讀數誤差是儀器讀數的1/10，分厘卡最小讀數為10µm，即1r=t/10=1µm。
  2. 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：1SX測微螺距的加工誤差、1rX分厘卡的讀數誤差、1X2第二維上X方向上的誤差、1X3第三維上X方向上的誤差。
    1limX=±(12SX+12rX+12X2+12X3)½=±1.581µm
    同理求得
    1limY=±(12SY+12rY+12Y2+12Y3)½=±1.581µm
    1limZ=±(12SZ+12rZ+12Z2+12Z3)½=±1.581µm
    則三維精密移動工作臺儀器總的測量誤差為
    1lim=±(12limX+12limY12limZ)½=±2.793µm
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