專(zhuān)利名稱(chēng)：精密機(jī)械儀器二維游動(dòng)力平衡機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及精密機(jī)械儀器系統(tǒng)力平衡技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說(shuō)是一種適用于三維運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)垂直方向的力平衡機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在精密機(jī)械儀器的測(cè)量部件組成系統(tǒng)中，為了保證整體精度，需要從結(jié)構(gòu)組成和構(gòu)件精度兩方面獲取有效措施，其中結(jié)構(gòu)組成是較重要方面。通過(guò)分析影響機(jī)械系統(tǒng)整體精度的各因素可知，構(gòu)件的作用力、特別是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)作用力，會(huì)對(duì)機(jī)械的整體精度造成影響。它使測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)的組成部件產(chǎn)生微位移和微變形，或使整個(gè)系統(tǒng)的力平衡狀態(tài)受到破壞，對(duì)精密測(cè)量產(chǎn)生不可忽視的測(cè)量誤差，這對(duì)于納米級(jí)測(cè)量?jī)x器將會(huì)是主要影響因素之一。目前，在各種精密測(cè)量機(jī)械的機(jī)構(gòu)組成中，由于整體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，所以采用的作用力平衡機(jī)構(gòu)也不同。在精密機(jī)械系統(tǒng)中作用力主要有兩方面用途一方面，對(duì)于接觸式測(cè)量測(cè)頭需要受到一定測(cè)力，以使測(cè)頭接觸狀態(tài)良好，但會(huì)導(dǎo)致接觸變形，因此要適當(dāng)控制測(cè)力P，使接觸面受力變形誤差A(yù)s在一定范圍(圖1所示)；另一方面對(duì)于非接觸式測(cè)量，沒(méi)有接觸變形誤差的影響，但對(duì)工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)力大小及方式也有一定要求。驅(qū)動(dòng)力大小要合適，驅(qū)動(dòng)方式要對(duì)整個(gè)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)需具有力平衡特點(diǎn)。因此精密機(jī)械儀器系統(tǒng)的作用力及力平衡機(jī)構(gòu)在其整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需全面考慮，以使相應(yīng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。常見(jiàn)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、精密測(cè)長(zhǎng)儀及各種測(cè)微儀等，均有適用于其自身結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的作用力及平衡機(jī)構(gòu)，例如重錘、彈簧及氣動(dòng)力等，但它們均具有其特定的適用性，而且多只適用于一維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。下面以常見(jiàn)的測(cè)長(zhǎng)儀和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的力平衡系統(tǒng)為例說(shuō)明。如圖2所示為立式測(cè)長(zhǎng)儀的力平衡機(jī)構(gòu)，被測(cè)件2置于儀器底座1上，測(cè)量滑桿3 受自重G1使測(cè)頭與被測(cè)件表面接觸。為了使接觸力適當(dāng)，由立柱孔8內(nèi)可上下運(yùn)動(dòng)的重錘 7的重力( 通過(guò)滑輪5使兩者的作用力平衡，并由附加調(diào)整塊6來(lái)控制被測(cè)件表面的接觸力P在一定范圍內(nèi)。由于導(dǎo)軌4的支撐位置固定不變，所以這種結(jié)構(gòu)只適用一維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。 這種簡(jiǎn)單的力平衡機(jī)構(gòu)作用可靠，應(yīng)用普遍，但這種結(jié)構(gòu)不能適用于二維和三維測(cè)量?jī)x器。常用的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)力平衡機(jī)構(gòu)一般只平衡其Z軸的重力，平衡方式有重錘式、 彈簧式、氣壓式以及具有補(bǔ)償功能的復(fù)合式力平衡。重錘式的平衡結(jié)構(gòu)與圖2所示類(lèi)似，圖 3a和圖北所示即為彈簧式力平衡機(jī)構(gòu)，Z軸1的自重由彈簧2的拉力所平衡，這種力平衡機(jī)構(gòu)的體積小，適用性好，但由于彈簧力不可能完全恒定，限制了 Z軸的有效行程。為了擴(kuò)大行程，可增加補(bǔ)償彈簧力變化的補(bǔ)償部件。這些彈簧式力平衡機(jī)構(gòu)，其作用力支撐點(diǎn)的位置在Z軸上固定不變，所以也僅適用于一維運(yùn)動(dòng)的Z軸自重力平衡。對(duì)于二維或三維的精密工作臺(tái)，其自身的作用力需要盡可能的消除。圖4所示為高精度納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，由于采用了“近零阿貝誤差”的“331”結(jié)構(gòu)布局，即Z軸激光器 6、X軸激光器5和Y軸激光器7的測(cè)量線(xiàn)相交于一點(diǎn)，X、Y滑臺(tái)3的導(dǎo)軌導(dǎo)向面與X軸激光器5和Y軸激光器7的測(cè)量線(xiàn)構(gòu)成的測(cè)量面三面共面，且交點(diǎn)與重合面重合，對(duì)應(yīng)設(shè)置X軸測(cè)量4、Y軸測(cè)量靶鏡8和Z軸測(cè)量靶鏡9。測(cè)量時(shí)，測(cè)頭1保持不動(dòng)，工作臺(tái)2做三維運(yùn)動(dòng)， 使被測(cè)工件與測(cè)頭接觸完成觸發(fā)采點(diǎn)。測(cè)量過(guò)程符合“331原則”，即任意測(cè)點(diǎn)均滿(mǎn)足“零阿
貝誤差”。圖4所示，工作臺(tái)2在三維運(yùn)動(dòng)時(shí)，Z軸方向運(yùn)動(dòng)時(shí)需要克服工作臺(tái)2自身重力的影響，工作臺(tái)必須在較小驅(qū)動(dòng)力的狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)，因此Z軸部件需要力平衡機(jī)構(gòu)。此外，還要避免因工作臺(tái)2在X、Y向運(yùn)動(dòng)時(shí)，Z軸的平衡力大小和作用力方向發(fā)生改變而造成的測(cè)量機(jī)各處受力不均的現(xiàn)象。由于納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量精度高，對(duì)組成零部件及其運(yùn)動(dòng)精度要求也很高，因此對(duì)其Z軸力平衡機(jī)構(gòu)提出了基本要求如下1、平衡力需與Z軸工作臺(tái)部件重量近似相等，以保證Z軸驅(qū)動(dòng)力較小；2、力平衡機(jī)構(gòu)的Z向平衡作用力必須通過(guò)Z軸工作臺(tái)部件重力的重心，以保證Z 軸兩對(duì)稱(chēng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的靈活性，不存在繞Z軸方向的扭力矩；3、Ζ軸工作臺(tái)部件做水平方向的二維運(yùn)動(dòng)時(shí)，力平衡機(jī)構(gòu)需具有二維游動(dòng)功能，即平衡力機(jī)構(gòu)的支撐點(diǎn)也必須做二維運(yùn)動(dòng)，不能存在因平衡力作用方向變化而引起水平面內(nèi)的作用分力。但是，對(duì)于上述要求，迄今還沒(méi)有相關(guān)結(jié)構(gòu)能夠予以實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了避免現(xiàn)有力平衡系統(tǒng)的不足之處，提供一種精密機(jī)械儀器二維游動(dòng)力平衡機(jī)構(gòu)，以期克服因工作臺(tái)三維運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致系統(tǒng)自身作用力無(wú)法平衡的問(wèn)題。本發(fā)明為解決技術(shù)問(wèn)題采用如下的技術(shù)方案本發(fā)明精密機(jī)械儀器二維游動(dòng)力平衡機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是設(shè)置三維運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)，所述三維運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)的X向、Y向和Z向?qū)к壊考謩e可沿各自的滾動(dòng)軸承部件在X向、y向和Z向方向上自由運(yùn)動(dòng)；在三維運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)Z軸部件的下端、位于對(duì)稱(chēng)的兩側(cè)分別設(shè)置水平拉桿，在所述水平拉桿的桿端設(shè)置測(cè)力傳感器，吊索一端提吊在所述測(cè)力傳感器上，另一端繞過(guò)定滑輪與用于平衡所述Z軸部件重力的重錘相連，以所述測(cè)力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量所述水平拉桿端部拉力的大小，并通過(guò)增減砝碼調(diào)整重錘的重量，使位于Z軸部件兩側(cè)的兩只測(cè)力傳感器測(cè)量的拉力大小均為Z軸部件重量的1/2，以所述定滑輪是作為Z軸部件力平衡支撐點(diǎn)；所述定滑輪以一懸桿懸吊在游動(dòng)平板的中央，所述游動(dòng)平板支撐在X、Y 二維滾動(dòng)軸承組上，使所述定滑輪可在x、Y 二維平面內(nèi)隨三維運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)自由運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成x、Y 二維游動(dòng)平臺(tái)。本發(fā)明精密機(jī)械儀器二維游動(dòng)力平衡機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于所述X、Y 二維游動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)置為位于所述X、Y 二維滾動(dòng)軸承組下方的支撐板呈水平固定設(shè)置在儀器基座上，所述支撐板是中央具有方形通孔的“回”字形結(jié)構(gòu)，所述懸桿貫穿所述“回”字形結(jié)構(gòu)的方形通孔，游動(dòng)平板在X軸和Y軸方向上的游動(dòng)范圍為方形通孔所在區(qū)域。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在本發(fā)明利用二維游動(dòng)工作臺(tái)平衡測(cè)量機(jī)Z軸的重量，完全避免了因工作臺(tái)在平面內(nèi)二維運(yùn)動(dòng)而造成Z向平衡力支撐點(diǎn)位置發(fā)生變化的問(wèn)題，不僅可以保證測(cè)量機(jī)的Z工作臺(tái)部件在Z向靈活運(yùn)動(dòng)，還可以實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)在x、y方向運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)各位置處的力平衡，具體體現(xiàn)為1、當(dāng)工作臺(tái)作X、Y向二維運(yùn)動(dòng)時(shí)，Z軸的力平衡支撐點(diǎn)也隨之運(yùn)動(dòng)以保證Z軸平衡力方向始終與ζ軸的重心重合并保持力的大小不變，不存在由于工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的X、 y方向分力的影響。2、Z軸部件的力平衡重錘對(duì)稱(chēng)分布于Z軸兩側(cè)，通過(guò)固定于水平拉桿端部的在位測(cè)力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)蛇吚Υ笮。⑼ㄟ^(guò)增減砝碼調(diào)整兩邊重錘的重量，使兩側(cè)的拉力相等且合力與Z軸重量相等，實(shí)現(xiàn)了 Z軸力平衡。3、三維運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)通過(guò)游動(dòng)平板的水平位置的調(diào)整，能保證Z軸導(dǎo)軌受力處于垂直方向。并且工作臺(tái)在水平面內(nèi)二維運(yùn)動(dòng)時(shí)，不會(huì)受到因二維游動(dòng)工作臺(tái)微小傾斜而產(chǎn)生的附加分力的影響。


圖1為測(cè)頭接觸力變形示意圖；圖2為已有技術(shù)中重錘式力平衡原理圖；圖3a、圖北為已有技術(shù)中彈簧式力平衡原理圖；圖4為已有技術(shù)中納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；圖fe為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；圖恥為本發(fā)明中Z向重錘力平衡示意圖；圖5cl為本發(fā)明中二維游動(dòng)平臺(tái)俯視結(jié)構(gòu)示意圖；圖5c2為本發(fā)明中二維游動(dòng)平臺(tái)主視結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖5^圖恥、圖5cl和圖5c2，本實(shí)施例中精密機(jī)械儀器二維游動(dòng)力平衡機(jī)構(gòu)是設(shè)置三維運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)，工作臺(tái)的X向?qū)к壊考?、Y向?qū)к壊考?和Z向?qū)к壊考謩e可沿各自的滾動(dòng)軸承部件在X向、y向和Z向方向上自由運(yùn)動(dòng)。在三維運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)的Z軸部件1的下端、位于對(duì)稱(chēng)的兩側(cè)分別設(shè)置水平拉桿5，在水平拉桿5的桿端設(shè)置測(cè)力傳感器9，吊索6的一端提吊在測(cè)力傳感器9上，另一端繞過(guò)定滑輪13與重錘8相連，這一結(jié)構(gòu)設(shè)置是利用重錘8平衡Z軸部件1的重力，具體方法是由測(cè)力傳感器9實(shí)時(shí)測(cè)量水平拉桿端部拉力的大小，并通過(guò)增減砝碼7調(diào)整重錘8的重量，使位于Z軸部件1的兩側(cè)的兩只測(cè)力傳感器9所測(cè)量的拉力大小均為三維運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)的Z軸部件1的重量的1/2，以定滑輪13作為Z軸部件1的力平衡支撐點(diǎn)。定滑輪13以一懸桿懸吊在游動(dòng)平板10的中央，游動(dòng)平板10支撐在X、Y 二維滾動(dòng)軸承組11上，X、Y 二維滾動(dòng)軸承組11下方的支撐板12呈水平固定設(shè)置在儀器基座4上， 支撐板12是中央具有方形通孔的“回”字形結(jié)構(gòu)，懸桿貫穿“回”字形結(jié)構(gòu)的方形通孔，游動(dòng)平板10在X軸和Y軸方向上的游動(dòng)范圍為方形通孔所在區(qū)域，使定滑輪13可在X、Y 二維平面內(nèi)隨工作臺(tái)自由運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成X、Y 二維游動(dòng)平臺(tái)。圖fe所示，三維運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)的Z軸部件1在Y向?qū)к壊考?的滾動(dòng)軸承上可做Z 向運(yùn)動(dòng)，Y向?qū)к壊考?在X向?qū)к壊考?的軸承上可做y向運(yùn)動(dòng)，X向?qū)к壊考?在儀器基座4的軸承上可作χ向運(yùn)動(dòng)，由此具有了 χ、1、ζ向的三維運(yùn)動(dòng)功能。在這一結(jié)構(gòu)中，為了使Z軸部件運(yùn)動(dòng)靈活平穩(wěn)，Z軸部件的重量G是以重錘8進(jìn)行平衡，并以二維游動(dòng)平臺(tái)保證Z軸部件力平衡支撐點(diǎn)在χ、y方向上靈活運(yùn)動(dòng)。圖如所示，根據(jù)對(duì)力平衡機(jī)構(gòu)的三項(xiàng)基本要求，力平衡機(jī)構(gòu)采用的是堆疊式機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，但由于構(gòu)件的制造誤差和Z軸工作臺(tái)軸承及滑輪軸摩擦力的影響，難以保證左右兩重錘拉力的合力通過(guò)Z軸部件的中心。為了盡可能的降低工作臺(tái)Z向驅(qū)動(dòng)力F，并保證工作臺(tái)的重力G與兩重錘的作用力2f (G)相近，即G ^f (G1)+f (G2)，同時(shí)要使左右兩重錘平衡力相等，即T(G1) = f (G2)，以實(shí)現(xiàn)靈活力平衡作用。單純從提高力平衡相關(guān)構(gòu)件制造精度是難以達(dá)到理想的力平衡效果，本實(shí)施例中通過(guò)設(shè)置二維游動(dòng)平臺(tái)很好地解決了問(wèn)題，具體實(shí)施中需要使游動(dòng)平板10處于水平狀態(tài)，以避免因游動(dòng)平板的傾斜而產(chǎn)生附加的水平分力。
權(quán)利要求
1.精密機(jī)械儀器二維游動(dòng)力平衡機(jī)構(gòu)，其特征是設(shè)置三維運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)，所述三維運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)的X向、Y向和Z向?qū)к壊考謩e可沿各自的滾動(dòng)軸承部件在X向、y向和Z向方向上自由運(yùn)動(dòng)；在三維運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)Z軸部件(1)的下端、位于對(duì)稱(chēng)的兩側(cè)分別設(shè)置水平拉桿，在所述水平拉桿的桿端設(shè)置測(cè)力傳感器，吊索一端提吊在所述測(cè)力傳感器上，另一端繞過(guò)定滑輪與用于平衡所述Z軸部件重力的重錘相連，以所述測(cè)力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量所述水平拉桿端部拉力的大小，并通過(guò)增減砝碼調(diào)整重錘的重量，使位于Z軸部件兩側(cè)的兩只測(cè)力傳感器測(cè)量的拉力大小均為Z軸部件重量的1/2，以所述定滑輪是作為Z軸部件力平衡支撐點(diǎn)；所述定滑輪以一懸桿懸吊在游動(dòng)平板的中央，所述游動(dòng)平板支撐在X、Y 二維滾動(dòng)軸承組上，使所述定滑輪可在X、Y 二維平面內(nèi)隨三維運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)自由運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成Χ、Υ 二維游動(dòng)平臺(tái)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精密機(jī)械儀器二維游動(dòng)力平衡機(jī)構(gòu)，其特征是所述Χ、Υ二維游動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)置為位于所述X、Y 二維滾動(dòng)軸承組下方的支撐板呈水平固定設(shè)置在儀器基座上，所述支撐板是中央具有方形通孔的“回”字形結(jié)構(gòu)，所述懸桿貫穿所述“回”字形結(jié)構(gòu)的方形通孔，游動(dòng)平板在X軸和Y軸方向上的游動(dòng)范圍為方形通孔所在區(qū)域。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種精密機(jī)械儀器二維游動(dòng)力平衡機(jī)構(gòu)，其特征是設(shè)置三維運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)的X向、Y向和Z向?qū)к壊考謩e可沿各自的滾動(dòng)軸承部件在x向、y向和z向方向上自由運(yùn)動(dòng)；在三維運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)Z軸部件的下端、位于對(duì)稱(chēng)的兩側(cè)分別設(shè)置水平拉桿，水平拉桿桿端設(shè)置測(cè)力傳感器，吊索一端提吊在測(cè)力傳感器上，另一端繞過(guò)定滑輪與重錘相連，定滑輪以懸桿懸吊在游動(dòng)平板的中央，游動(dòng)平板支撐在X、Y二維滾動(dòng)軸承組上，使定滑輪可在X、Y二維平面內(nèi)隨三維運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)自由運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明不僅可以保證測(cè)量機(jī)的Z工作臺(tái)部件在z向靈活運(yùn)動(dòng)，還可以實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)在x、y方向運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)各位置處的力平衡。
文檔編號(hào)G01D11/00GK102506925SQ20111044599
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月27日
發(fā)明者黨學(xué)明, 王晨晨, 費(fèi)業(yè)泰, 黃強(qiáng)先 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)