三维精密移动工作台的设计研究
2008/7/17/09:42

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，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：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等。由于装配件的接触面精度、刚度以及各运动件相对运动都会影响工作台的精度，使得现有的三维精密移动工作台的精度达不到使用要求。为了满足光纤通信领域的使用要求必须设计一个在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。

1 整体设计

根据使用要求，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。

结构设计
三维精密移动工作台主要由支撑装置、微位移驱动读数装置、承重及微位移机构、连接装置几部分组成。微位移驱动读数装置、承重及微位移机构的选择和设计对整个产品的设计起着举足轻重的作用。主要是采用螺旋微动装置驱动，分划筒读数装置示数，以及滚动摩擦导轨进行导移。也就是说，整个三维精密移动工作台由支撑装置——底座、底板，微位移驱动读数装置，承重及微位移机构——三维方向上的滑板、导轨，以及连接装置——直角固定块等组成。
设计原则和设计原理
在几何量测量仪器设计长期实践的基础上，形成了一些带有普遍性的或在一定场合下带有普遍性的设计原则和设计原理。这些设计原则和设计原理，根据不同仪器设计的具体情况，作为仪器设计中的技术措施，在保证和提高仪器精度、改善仪器性能、以及降低仪器成本等方面带来了良好的效果。因此，如何在仪器的总体方案中遵循或恰当地运用这些原则和原理，便是仪器总体设计阶段中应当突出考虑的一个内容。在本设计中，为了减少阿贝误差的影响，在底座的设计中尽量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尽量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，尽量使测量环节最少，从而减少误差、提高整体机构的精度。
螺旋测微原理是指螺旋运动的直线位移与角位移成比例的原理。其套筒上刻有上、下两排刻线，同排刻度线间距为1mm，上下两排刻线错开0.5mm，即与测微丝杠的螺距相等。微分筒上刻有50等分刻线，当它旋转一周时，丝杠位移0.5mm：转动一格，丝杠移动0.01mm。所以螺旋测微器的分度值为0.01mm，灵敏度为0.001mm。

图1 运动件长度计算简图

2 关键部件的设计

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)

3 精度分析

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，通常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。

图2 测量原理图

图3 分厘卡读数原理图

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。其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。
X、Y、Z三轴向上分厘卡，是采用螺旋测微方法进行直接读数的。因此其测量方程为 µ=x
根据分厘卡的读数原理，如图3所示，误差主要有螺距误差1µm，测微读数误差_r，一般认为读数误差是仪器读数的1/10，分厘卡最小读数为10µm，即_r=t/10=1µm。
精度分析
由上述误差分析可得三维精密移动工作台的总体误差为：
x方向上：_SX测微螺距的加工误差、_rX分厘卡的读数误差、_X2第二维上X方向上的误差、X3第三维上X方向上的误差。
_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
则三维精密移动工作台仪器总的测量误差为
lim=±(²_limX+²_limY²_limZ)^½=±2.793µm