專利名稱：精密機械儀器二維游動力平衡機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及精密機械儀器系統(tǒng)カ平衡技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說是ー種適用于三維運動工作臺垂直方向的力平衡機構(gòu)。
背景技術(shù)：
在精密機械儀器的測量部件組成系統(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。通過分析影響機械系統(tǒng)整體精度的各因素可知，構(gòu)件的 作用力、特別是運動狀態(tài)下的動態(tài)作用力，會對機械的整體精度造成影響。它使測量儀器系統(tǒng)的組成部件產(chǎn)生微位移和微變形，或使整個系統(tǒng)的力平衡狀態(tài)受到破壞，對精密測量產(chǎn)生不可忽視的測量誤差，這對于納米級測量儀器將會是主要影響因素之一。目前，在各種精密測量機械的機構(gòu)組成中，由于整體系統(tǒng)的運動狀態(tài)不同，所以采用的作用力平衡機構(gòu)也不同。在精密機械系統(tǒng)中作用力主要有兩方面用途一方面，對于接觸式測量測頭需要受到一定測力，以使測頭接觸狀態(tài)良好，但會導(dǎo)致接觸變形，因此要適當(dāng)控制測力P，使接觸面受カ變形誤差A(yù)s在一定范圍(圖I所示)；另一方面對于非接觸式測量，沒有接觸變形誤差的影響，但對工作臺的驅(qū)動カ大小及方式也有一定要求。驅(qū)動カ大小要合適，驅(qū)動方式要對整個工作臺運動需具有力平衡特點。因此精密機械儀器系統(tǒng)的作用力及力平衡機構(gòu)在其整體系統(tǒng)設(shè)計中需全面考慮，以使相應(yīng)的機構(gòu)設(shè)計合理。常見的三坐標測量機、精密測長儀及各種測微儀等，均有適用于其自身結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的作用力及平衡機構(gòu)，例如重錘、彈簧及氣動カ等，但它們均具有其特定的適用性，而且多只適用于一維運動系統(tǒng)。下面以常見的測長儀和三坐標測量機的力平衡系統(tǒng)為例說明。如圖2所示為立式測長儀的力平衡機構(gòu)，被測件2置于儀器底座I上，測量滑桿3受自重G1使測頭與被測件表面接觸。為了使接觸カ適當(dāng)，由立柱孔8內(nèi)可上下運動的重錘7的重力G2通過滑輪5使兩者的作用力平衡，并由附加調(diào)整塊6來控制被測件表面的接觸力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)只適用一維運動系統(tǒng)。這種簡單的カ平衡機構(gòu)作用可靠，應(yīng)用普遍，但這種結(jié)構(gòu)不能適用于ニ維和三維測量儀器。常用的三坐標測量機力平衡機構(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所示類似，圖3a和圖3b所示即為彈簧式カ平衡機構(gòu)，Z軸I的自重由彈簧2的拉カ所平衡，這種カ平衡機構(gòu)的體積小，適用性好，但由于彈簧カ不可能完全恒定，限制了 Z軸的有效行程。為了擴大行程，可増加補償彈簧カ變化的補償部件。這些彈簧式カ平衡機構(gòu)，其作用力支撐點的位置在Z軸上固定不變，所以也僅適用于ー維運動的Z軸自重力平衡。對于ニ維或三維的精密工作臺，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測量機，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的測量線相交于一點，X、Y滑臺3的導(dǎo)軌導(dǎo)向面與X軸激光器5和Y軸激光器7的測量線構(gòu)成的測量面三面共面，且交點與重合面重合，對應(yīng)設(shè)置X軸測量4、Y軸測量靶鏡8和Z軸測量靶鏡9。測量時，測頭I保持不動，工作臺2做三維運動，使被測エ件與測頭接觸完成觸發(fā)采點。測量過程符合“331原則”，即任意測點均滿足“零阿
貝誤差”。圖4所示，工作臺2在三維運動吋，Z軸方向運動時需要克服工作臺2自身重力的影響，工作臺必須在較小驅(qū)動カ的狀態(tài)下運動，因此Z軸部件需要力平衡機構(gòu)。此外，還要避免因工作臺2在X、Y向運動吋，Z軸的平衡力大小和作用力方向發(fā)生改變而造成的測量機各處受カ不均的現(xiàn)象。由于納米三坐標測量機的測量精度高，對組成零部件及其運動精度要求也很高，因此對其Z軸カ平衡機構(gòu)提出了基本要求如下I、平衡カ需與Z軸工作臺部件重量近似相等，以保證Z軸驅(qū)動カ較小；2、力平衡機構(gòu)的Z向平衡作用カ必須通過Z軸工作臺部件重力的重心，以保證Z軸兩對稱導(dǎo)軌運動的靈活性，不存在繞Z軸方向的扭力矩；3、Ζ軸工作臺部件做水平方向的ニ維運動時，力平衡機構(gòu)需具有ニ維游動功能，gp平衡力機構(gòu)的支撐點也必須做ニ維運動，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，對于上述要求，迄今還沒有相關(guān)結(jié)構(gòu)能夠予以實現(xiàn)。

實用新型內(nèi)容本實用新型是為了避免現(xiàn)有力平衡系統(tǒng)的不足之處，提供ー種精密機械儀器ニ維游動カ平衡機構(gòu)，以期克服因工作臺三維運動而導(dǎo)致系統(tǒng)自身作用カ無法平衡的問題。本實用新型為解決技術(shù)問題采用如下的技術(shù)方案本實用新型精密機械儀器ニ維游動力平衡機構(gòu)的特點是設(shè)置三維運動工作臺，所述三維運動工作臺的X向、Y向和Z向?qū)к壊考謩e可沿 各自的滾動軸承部件在X向、y向和z向方向上自由運動；在三維運動工作臺Z軸部件的下端、位于對稱的兩側(cè)分別設(shè)置水平拉桿，在所述水平拉桿的桿端設(shè)置測カ傳感器，吊索一端提吊在所述測カ傳感器上，另一端繞過定滑輪與用于平衡所述Z軸部件重力的重錘相連，以所述測カ傳感器實時測量所述水平拉桿端部拉カ的大小，并通過增減砝碼調(diào)整重錘的重量，使位于Z軸部件兩側(cè)的兩只測カ傳感器測量的拉カ大小均為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；所述定滑輪以ー懸桿懸吊在游動平板的中央，所述游動平板支撐在X、Y ニ維滾動軸承組上，使所述定滑輪可在x、Y ニ維平面內(nèi)隨三維運動工作臺自由運動，構(gòu)成x、Y ニ維游動平臺。本實用新型精密機械儀器ニ維游動力平衡機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點也在于所述X、Y ニ維游動平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)置為位于所述X、Y ニ維滾動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，游動平板在X軸和Y軸方向上的游動范圍為方形通孔所在區(qū)域。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型有益效果體現(xiàn)在本實用新型利用ニ維游動工作臺平衡測量機Z軸的重量，完全避免了因工作臺在平面內(nèi)ニ維運動而造成Z向平衡力支撐點位置發(fā)生變化的問題，不僅可以保證測量機的Z工作臺部件在Z向靈活運動，還可以實現(xiàn)工作臺在x、y方向運動范圍內(nèi)各位置處的カ平衡，具體體現(xiàn)為I、當(dāng)工作臺作X、Y向ニ維運動吋，Z軸的カ平衡支撐點也隨之運動以保證Z軸平衡カ方向始終與Z軸的重心重合并保持力的大小不變，不存在由于工作臺運動時產(chǎn)生的X、y方向分力的影響。2、Z軸部件的力平衡重錘對稱分布于Z軸兩側(cè)，通過固定于水平拉桿端部的在位測カ傳感器實時測量兩邊拉力大小，并通過增減砝碼調(diào)整兩邊重錘的重量，使兩側(cè)的拉カ相等且合力與Z軸重量相等，實現(xiàn)了 Z軸カ平衡。 3、三維運動工作臺通過游動平板的水平位置的調(diào)整，能保證Z軸導(dǎo)軌受カ處于垂直方向。并且工作臺在水平面內(nèi)ニ維運動吋，不會受到因ニ維游動工作臺微小傾斜而產(chǎn)生的附加分力的影響。

圖I為測頭接觸カ變形示意圖；圖2為已有技術(shù)中重錘式カ平衡原理圖；圖3a、圖3b為已有技術(shù)中彈簧式カ平衡原理圖；圖4為已有技術(shù)中納米三坐標測量機結(jié)構(gòu)簡圖；圖5a為本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖；圖5b為本實用新型中Z向重錘カ平衡示意圖；圖5cl為本實用新型中二維游動平臺俯視結(jié)構(gòu)示意圖；圖5c2為本實用新型中二維游動平臺主視結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
參見圖5a、圖5b、圖5cl和圖5c2，本實施例中精密機械儀器ニ維游動力平衡機構(gòu)是設(shè)置三維運動工作臺，工作臺的X向?qū)к壊考?、Y向?qū)к壊考?和Z向?qū)к壊考謩e可沿各自的滾動軸承部件在X向、y向和Z向方向上自由運動。在三維運動工作臺的Z軸部件I的下端、位于對稱的兩側(cè)分別設(shè)置水平拉桿5，在水平拉桿5的桿端設(shè)置測カ傳感器9，吊索6的一端提吊在測カ傳感器9上，另一端繞過定滑輪13與重錘8相連，這ー結(jié)構(gòu)設(shè)置是利用重錘8平衡Z軸部件I的重力，具體方法是由測カ傳感器9實時測量水平拉桿端部拉カ的大小，并通過增減砝碼7調(diào)整重錘8的重量，使位于Z軸部件I的兩側(cè)的兩只測力傳感器9所測量的拉カ大小均為三維運動工作臺的Z軸部件I的重量的1/2，以定滑輪13作為Z軸部件I的力平衡支撐點。定滑輪13以ー懸桿懸吊在游動平板10的中央，游動平板10支撐在X、Y ニ維滾動軸承組11上，X、Y ニ維滾動軸承組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，游動平板10在X軸和Y軸方向上的游動范圍為方形通孔所在區(qū)域，使定滑輪13可在X、Y ニ維平面內(nèi)隨工作臺自由運動，構(gòu)成X、Y ニ維游動平臺。圖5a所示，三維運動工作臺的Z軸部件I在Y向?qū)к壊考?的滾動軸承上可做Z向運動，Y向?qū)к壊考?在X向?qū)к壊考?的軸承上可做y向運動，X向?qū)к壊考?在儀器基座4的軸承上可作X向運動，由此具有了 x、y、z向的三維運動功能。在這一結(jié)構(gòu)中，為了使Z軸部件運動靈活平穩(wěn)，Z軸部件的重量G是以重錘8進行平衡，并以二維游動平臺保證Z軸部件力平衡支撐點在x、y方向上靈活運動。圖5a所示，根據(jù)對力平衡機構(gòu)的三項基本要求，力平衡機構(gòu)采用的是堆疊式機構(gòu)設(shè)計，但由于構(gòu)件的制造誤差和Z軸工作臺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Z軸部件的中心。為了盡可能的降低工作臺Z向驅(qū)動力F，并保證工作臺的重力G與兩重錘的作用力2f (G)相近，即G (G1)+f (G2)，同時要使左右兩重錘平衡力相等，即T(G1) = f (G2)，以實現(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到理想的力平衡效果，本實施例中通過設(shè)置二維游動平臺很好地解決了問題，具體實 施中需要使游動平板10處于水平狀態(tài)，以避免因游動平板的傾斜而產(chǎn)生附加的水平分力。
權(quán)利要求1.精密機械儀器ニ維游動力平衡機構(gòu)，其特征是 設(shè)置三維運動工作臺，所述三維運動工作臺的X向、Y向和Z向?qū)к壊考謩e可沿各自的滾動軸承部件在X向、y向和z向方向上自由運動； 在三維運動工作臺Z軸部件(I)的下端、位于對稱的兩側(cè)分別設(shè)置水平拉桿，在所述水平拉桿的桿端設(shè)置測カ傳感器，吊索一端提吊在所述測カ傳感器上，另一端繞過定滑輪與用于平衡所述Z軸部件重力的重錘相連，以所述測カ傳感器實時測量所述水平拉桿端部拉力的大小，并通過增減砝碼調(diào)整重錘的重量，使位于Z軸部件兩側(cè)的兩只測力傳感器測量的拉カ大小均為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； 所述定滑輪以ー懸桿懸吊在游動平板的中央，所述游動平板支撐在X、Y ニ維滾動軸承組上，使所述定滑輪可在X、Y ニ維平面內(nèi)隨三維運動工作臺自由運動，構(gòu)成Χ、Υ ニ維游動平 臺。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的精密機械儀器ニ維游動力平衡機構(gòu)，其特征是所述Χ、Υニ維游動平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)置為位于所述X、Y ニ維滾動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，游動平板在X軸和Y軸方向上的游動范圍為方形通孔所在區(qū)域。
專利摘要本實用新型公開了一種精密機械儀器二維游動力平衡機構(gòu)，其特征是設(shè)置三維運動工作臺的X向、Y向和Z向?qū)к壊考謩e可沿各自的滾動軸承部件在x向、y向和z向方向上自由運動；在三維運動工作臺Z軸部件的下端、位于對稱的兩側(cè)分別設(shè)置水平拉桿，水平拉桿桿端設(shè)置測力傳感器，吊索一端提吊在測力傳感器上，另一端繞過定滑輪與重錘相連，定滑輪以懸桿懸吊在游動平板的中央，游動平板支撐在X、Y二維滾動軸承組上，使定滑輪可在X、Y二維平面內(nèi)隨三維運動工作臺自由運動。本實用新型不僅可以保證測量機的Z工作臺部件在z向靈活運動，還可以實現(xiàn)工作臺在x、y方向運動范圍內(nèi)各位置處的力平衡。
文檔編號G01D11/00GK202393403SQ20112055707
公開日2012年8月22日 申請日期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, 費業(yè)泰, 黃強先 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)