[发明专利]一种三维精密移动工作台的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维精密移动工作台的设计方法，属于精密仪器设计制造领域。

背景技术

现代工业应用领域中，对精密移动工作台提出了不同的要求。而光纤通信领域的精密移动工作台大多要求是组装式的，如：由X、Y两个方向的精密移动机构组装成二维精密移动工作台和由X、Y、Z三个方向的精密移动机构组装成三维精密移动工作台。由于X、Y、Z各方向的配合面以及装配关系直接影响到整体运行的精度，故对各装配面以及运行部件的接触表面都要求保持相应的精度。

发明内容

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种在X、Y、Z三个方向上微调行程为15～20mm、精度在0.003mm内的三维精密移动工作台的设计方法。

所设计的三维精密移动工作台应满足规定的行程范围、精度、灵敏度的要求，同时还要工作性能稳定可靠，消除空回，减小误差。设计中采用组装式的，其三个方向是相互垂直的，所以从下至上三个方向上主动件和从动件的运动方向可设定为笛卡儿坐标系中的X、Y、Z三轴向。由于X、Y、Z各方向的配合面以及装配关系直接影响到整体运行的精度，故对各装配面以及运行部件的接触表面都要求保持相应的精度。

为实现上述目的，三维精密移动工作台所采用的技术解决方案主要是：由支撑装置、微位移驱动读数装置、承重及微位移机构、连接装置组成；支撑装置包括底座、底板，承重及微位移机构包括三维方向上的滑板、导轨，连接装置包括直角固定块。

在本设计中，为了减少阿贝误差的影响，在底座的设计中保证主动件与从动件之间运动的线性关系，导轨的结构设计及其工艺上保证导轨有较好的运动直线性。采用螺旋微位移驱动读数装置，遵循测量链最短原则，使测量环节最少，从而减少误差、提高整体机构的精度。

一种三维精密移动工作台的设计方法，其有益效果是：满足光纤通信领域的使用要求，在X、Y、Z三个方向上微调行程为15～20mm、精度在0.003mm内。

附图说明

图1是运动件长度计算简图；

图2是测量原理图；

图3是分厘卡读数原理图。

具体实施方式

下面结合图1、图2、图3对本设计思路做进一步说明。

三维精密移动工作台的关键部分主要是滚动摩擦导轨，微位移驱动读数装置和弹簧拉力装置。分珠簧片是其中最关键的零件。由图1可知：

L=e+l+ab  （1），

而ab=a'b'=a'c+cb'=e+cb'  （2），

因为滚珠中心的线速度V_r与运动件速度V_m的关系为：

V_r=V_m/2      （3），

则cb'=S_max/2  （4），

因此L=2e+l+(S_max/2)（5），

上式表明当行程为S_max时，运动件的最短长度由式(5)可求，当行程取最大位移为30mm，l为两滚珠间的中心距，为了保证承载能力，该三维精密移动工作台每边选4个钢球，l可取中间两个或两边两个钢球之间的距离。e为保险量，用簧片隔离固定，故两边两球的e可选5mm。

由式(5)可得l=L-2e-(S_max/2)=55mm        （6），

则簧片的总长可设计为L'=l+2e=65mm      （7）。

精度是仪器的一项重要技术指标，仪器的精度分析是仪器设计中的重要一环，它是在设计过程中始终应考虑的一个主要问题。这里的精度分析，既指仪器各零、部件误差的合成，也指仪器设计中公差的分配和主要技术条件的确定，甚至还包括考虑为进一步减小仪器误差而需采取的技术措施：如误差的调整方法，补偿件的设计等。如图2、3所示，三维精密移动工作台由以下3个组成环实现上述原理方案。

误差来源：三维精密移动工作台是为了解决某些精度较高的测量问题而设计制造的仪器，主要用来测量一定范围空间内的长度或距离等，是以分厘卡驱动定位和坐标测量为基础的绝对测量仪器。它以长度基准元件与被测长度(或距离)相比较，从而确定被测量的大小。测量时，首先在读数装置—微分筒上读出第一个读数，然后旋动分厘卡驱动滑板，对准工件后，再在读数装置上读出第二个读数，两读数之差便是工件的被测尺寸。其测量方程式为

L=b-a

式中：L为被测尺寸，b为第二次读数，a为第一次读数。