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減速機(jī)網(wǎng) 三維精密移動(dòng)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)研究 減速機(jī)網(wǎng)
來(lái)源：減速機(jī)信息網(wǎng)    時(shí)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(duì)精密移動(dòng)工作臺(tái)提出了不同的要求。而光纖通信領(lǐng)域的精密移動(dòng)工作臺(tái)大多要求是組裝式的，由X、Y兩個(gè)方向的精密移動(dòng)機(jī)構(gòu)組裝成二維精密移動(dòng)工作臺(tái)：由X、Y、Z三個(gè)方向的精密移動(dòng)機(jī)構(gòu)組裝成三維精密移動(dòng)工作臺(tái)等。由于裝配件的接觸面精度、剛度以及各運(yùn)動(dòng)件相對(duì)運(yùn)動(dòng)都會(huì)影響工作臺(tái)的精度，使得現(xiàn)有的三維精密移動(dòng)工作臺(tái)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(jì)一個(gè)在三個(gè)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(dòng)工作臺(tái)。

1 整體設(shè)計(jì)

根據(jù)使用要求，所設(shè)計(jì)的三維精密移動(dòng)工作臺(tái)應(yīng)滿足規(guī)定的行程范圍、精度、靈敏度的要求：同時(shí)還要工作性能穩(wěn)定可靠，消除空回，減小誤差。設(shè)計(jì)中采用組裝式的，其三個(gè)方向是相互垂直的，所以從下至上三個(gè)方向上主動(dòng)件和從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)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(yùn)行的精度，故對(duì)各裝配面以及運(yùn)行部件的接觸表面都要求保持相應(yīng)的精度。
  1. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    三維精密移動(dòng)工作臺(tái)主要由支撐裝置、微位移驅(qū)動(dòng)讀數(shù)裝置、承重及微位移機(jī)構(gòu)、連接裝置幾部分組成。微位移驅(qū)動(dòng)讀數(shù)裝置、承重及微位移機(jī)構(gòu)的選擇和設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)起著舉足輕重的作用。主要是采用螺旋微動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，分劃筒讀數(shù)裝置示數(shù)，以及滾動(dòng)摩擦導(dǎo)軌進(jìn)行導(dǎo)移。也就是說(shuō)，整個(gè)三維精密移動(dòng)工作臺(tái)由支撐裝置——底座、底板，微位移驅(qū)動(dòng)讀數(shù)裝置，承重及微位移機(jī)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。
  2. 設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)原理
    在幾何量測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)長(zhǎng)期實(shí)踐的基礎(chǔ)上，形成了一些帶有普遍性的或在一定場(chǎng)合下帶有普遍性的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)原理。這些設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)原理，根據(jù)不同儀器設(shè)計(jì)的具體情況，作為儀器設(shè)計(jì)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(lái)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\(yùn)用這些原則和原理，便是儀器總體設(shè)計(jì)階段中應(yīng)當(dāng)突出考慮的一個(gè)內(nèi)容。在本設(shè)計(jì)中，為了減少阿貝誤差的影響，在底座的設(shè)計(jì)中盡量保證主動(dòng)件與從動(dòng)件之間運(yùn)動(dòng)的線性關(guān)系，導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其工藝上盡量保證導(dǎo)軌有較好的運(yùn)動(dòng)直線性。采用螺旋微位移驅(qū)動(dòng)讀數(shù)裝置，遵循測(cè)量鏈最短原則，盡量使測(cè)量環(huán)節(jié)最少，從而減少誤差、提高整體機(jī)構(gòu)的精度。
    螺旋測(cè)微原理是指螺旋運(yùn)動(dòng)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(cuò)開0.5mm，即與測(cè)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(shí)，絲杠位移0.5mm：轉(zhuǎn)動(dòng)一格，絲杠移動(dòng)0.01mm。所以螺旋測(cè)微器的分度值為0.01mm，靈敏度為0.001mm。

1
圖1 運(yùn)動(dòng)件長(zhǎng)度計(jì)算簡(jiǎn)圖

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

三維精密移動(dòng)工作臺(tái)的關(guān)鍵部分主要是滾動(dòng)摩擦導(dǎo)軌，微位移驅(qū)動(dòng)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?yàn)闈L珠中心的線速度Vr與運(yùn)動(dòng)件速度Vm的關(guān)系為
Vr=Vm/2 (3)
則 cb'=Smax/2 (4)
因此 L=2e+l+(Smax/2) (5)
上式表明當(dāng)行程為Smax時(shí)，運(yùn)動(dòng)件的最短長(zhǎng)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(dòng)工作臺(tái)每邊選4個(gè)鋼球，l可取中間兩個(gè)或兩邊兩個(gè)鋼球之間的距離。e為保險(xiǎn)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(zhǎng)可設(shè)計(jì)為 L'=l+2e=65mm (7)

3 精度分析

精度是儀器的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，儀器的精度分析是儀器設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)，通常它是在設(shè)計(jì)過(guò)程中始終應(yīng)考慮的一個(gè)主要問(wèn)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(jì)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(bǔ)償件的設(shè)計(jì)等。如圖2所示，三維精密移動(dòng)工作臺(tái)由以下3個(gè)組成環(huán)實(shí)現(xiàn)上述原理方案。

    1
    圖2 測(cè)量原理圖

    2
    圖3 分厘卡讀數(shù)原理圖

  1. 誤差來(lái)源
    三維精密移動(dòng)工作臺(tái)是為了解決某些精度較高的測(cè)量問(wèn)題而設(shè)計(jì)制造的儀器。主要用來(lái)測(cè)量一定范圍空間內(nèi)的長(zhǎng)度或距離等。其是以分厘卡驅(qū)動(dòng)定位和坐標(biāo)測(cè)量為基礎(chǔ)的絕對(duì)測(cè)量?jī)x器。它以長(zhǎng)度基準(zhǔn)元件與被測(cè)長(zhǎng)度(或距離)相比較，從而確定被測(cè)量的大小。測(cè)量時(shí)，首先在讀數(shù)裝置——微分筒上讀出第一個(gè)讀數(shù)，然后旋動(dòng)分厘卡驅(qū)動(dòng)滑板，對(duì)準(zhǔn)工件后，再在讀數(shù)裝置上讀出第二個(gè)讀數(shù)，兩讀數(shù)之差便是工件的被測(cè)尺寸。其測(cè)量方程式為
    L=b-a
    式中：L為被測(cè)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(cè)微方法進(jìn)行直接讀數(shù)的。因此其測(cè)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(cè)微讀數(shù)誤差1r，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1r=t/10=1µm。
  2. 精度分析
    由上述誤差分析可得三維精密移動(dòng)工作臺(tái)的總體誤差為：
    x方向上：1SX測(cè)微螺距的加工誤差、1rX分厘卡的讀數(shù)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(dòng)工作臺(tái)儀器總的測(cè)量誤差為
    1lim=±(12limX+12limY12limZ)½=±2.793µm
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