模塊化多維直線運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)

馬俊林，沙 歐，鄭黎明

（中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130000）

0 引言

光機(jī)電產(chǎn)品在人們的日常生活，在航天航空產(chǎn)品，在工業(yè)生產(chǎn)和檢測中的應(yīng)用越來越廣泛。光機(jī)電產(chǎn)品水平已經(jīng)時(shí)一個(gè)國家工業(yè)基礎(chǔ)能力的重要標(biāo)志之一[1]。調(diào)焦機(jī)構(gòu)作為光機(jī)產(chǎn)品必不可少的功能機(jī)構(gòu)，越來越受到人們的普遍重視，它直接影響光測設(shè)備的測量結(jié)果[2]。調(diào)焦或叫對(duì)焦、聚焦是改變鏡頭光心到底片平面的距離以獲得本物體清晰像的調(diào)節(jié)過程。實(shí)現(xiàn)這一功能必須引入直線運(yùn)動(dòng)，也就是說需要一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)作為該功能的載體。而對(duì)于大多數(shù)獨(dú)立光學(xué)機(jī)構(gòu)來說，直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是調(diào)焦的主要機(jī)械載體。很多光機(jī)產(chǎn)品不僅需要在一維方向上調(diào)焦，往往需要在二維，甚至三維空間上進(jìn)行調(diào)焦，這樣就需要該直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)不僅可以在一個(gè)方向上做直線運(yùn)動(dòng)，也需要在二個(gè)甚至三個(gè)方向上做直線運(yùn)動(dòng)。本文提出的模塊化多維直線運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)，很好的解決了這一問題。該直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)通過電機(jī)、絲杠、直線導(dǎo)軌和滑塊、固定座等電氣組件和機(jī)械元件組成一維直線運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)，并將一位運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊化，通過滑塊和底座的一體化形成二維，進(jìn)而形成三維運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)，去實(shí)現(xiàn)多維度的直線位移運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)多維度的光機(jī)系統(tǒng)的調(diào)焦。

1 一維直線運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

該直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)思想是通過器件搭建的思想和方法實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。為了更加方便和可靠的搭建整個(gè)平臺(tái)，盡量用可以采購的產(chǎn)品去構(gòu)建，減少相關(guān)機(jī)械件的加工，并盡可能的減少裝調(diào)。本文通過一維直線運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)的搭建過程詳細(xì)說明整體設(shè)計(jì)思路。

設(shè)計(jì)加工出平臺(tái)底座。在平臺(tái)底座上加工出和直線導(dǎo)軌相配合的凸臺(tái)，和電機(jī)組件相配合的安裝孔，和限位開關(guān)安裝位置相配合的安裝孔，還有平臺(tái)的安裝孔等等，如圖1 所示。

選用安裝成套的直線電機(jī)組件。該直線電機(jī)組件包含有直線電機(jī)，和電機(jī)已經(jīng)連接為一體的絲杠，和絲杠配套的螺母滑塊，絲杠螺母調(diào)教方式的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)構(gòu)簡單成本低[3]。根據(jù)平臺(tái)的精度和回程誤差要求選擇精度相匹配的絲杠和電機(jī)的分辨率。加工出和直線電機(jī)相配合的直線電機(jī)座，并將直線電機(jī)固定在平臺(tái)底板上。加工出和螺母滑塊相配合的滑塊安裝塊，將其和螺母滑塊相連接。

圖1 直線電機(jī)安裝圖Fig.1 Installation of line motor

選用和安裝直線導(dǎo)軌和滑塊。如圖2 所示，根據(jù)導(dǎo)軌的承載和精度選取導(dǎo)軌和滑塊的型號(hào)，選取導(dǎo)軌的跨距和尺寸選取滑塊的數(shù)量和大小。將兩組直線導(dǎo)軌和滑塊組件安裝到平臺(tái)底板相應(yīng)的導(dǎo)軌凸臺(tái)位置。

圖2 限位開關(guān)和零點(diǎn)開關(guān)的安裝Fig.2 Installation of limit switch and zero points witch

選用和安裝限位開關(guān)和零位開關(guān)。在滑塊運(yùn)動(dòng)的極限位置安裝兩個(gè)限位開關(guān)，在零點(diǎn)位置安裝光電開關(guān)。

設(shè)計(jì)加工出平臺(tái)上板。如圖3 所示，根據(jù)相機(jī)的安裝條件設(shè)計(jì)加工出平臺(tái)上板，平臺(tái)上板和直線導(dǎo)軌滑塊和滑塊安裝塊通過螺釘相連接，這樣就完成了整個(gè)直線運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)的搭建。

平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)原理：電機(jī)的動(dòng)力通過絲杠傳遞給螺母滑塊，螺母滑塊和滑塊固定塊相連接，這樣就把動(dòng)力傳遞給螺母滑塊，進(jìn)而將動(dòng)力傳遞給與螺母滑塊相連接的滑塊固定塊，進(jìn)而將動(dòng)力傳遞給與滑塊固定塊相連接的平臺(tái)上板，再將動(dòng)力傳遞給與平臺(tái)上板相連接的滑直線導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)，從而使平臺(tái)上板做直線運(yùn)動(dòng)，如圖4 所示。這樣，一維直線運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)就搭建完畢。將相機(jī)安裝在平臺(tái)上板上，就可以實(shí)現(xiàn)相機(jī)在平行于電機(jī)輸出軸方向上的直線運(yùn)動(dòng)，即該方向上的調(diào)焦運(yùn)動(dòng)。

圖3 平臺(tái)上板的安裝Fig.3 Installation of head plate of the platform

圖4 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)原理Fig.4 Movement principle of the platform

2 多維直線運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

第一節(jié)實(shí)現(xiàn)了一維直線運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)的搭建，應(yīng)用廣義模塊化的思想（廣義模塊化思想是具有固定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的參數(shù)化模塊[4]），采用橫向系類模塊化設(shè)計(jì)方法（不改變產(chǎn)品主要參數(shù)，利用模塊化發(fā)展變形產(chǎn)品[5]），只需要將兩個(gè)或者三個(gè)同樣的一維直線運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)結(jié)構(gòu)在另一個(gè)方向上羅列疊加起來，就可以實(shí)現(xiàn)在該方向的直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)二維和三維直線運(yùn)動(dòng)。

2.1 二維直線運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)二維直線運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)，需要將兩個(gè)一維直線運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)疊加起來。將一維直線運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)的平臺(tái)上板和另一臺(tái)一維直線運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)的平臺(tái)底板做成一個(gè)機(jī)械件，即將其一體化，并將電機(jī)的方向垂直交叉就可以實(shí)現(xiàn)，如圖5 所示。從圖中可以看出，下面一維直線運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)的上板和上面一維直線運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)的底板設(shè)計(jì)加工成了一個(gè)機(jī)械件——連接板。這樣在上面一維直線運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)的上板上安裝相機(jī)，就可以實(shí)現(xiàn)相機(jī)在二維方向上的調(diào)焦功能。

2.2 三維直線運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

圖5 二維直線運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)Fig.5 Two-dimensions modularity rectilinear electromechanical platform

為了實(shí)現(xiàn)三維直線運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)，需要一個(gè)一維直線運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)和一個(gè)二維直線運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)疊加起來。將一維直線運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)的平臺(tái)上板和二維直線運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)的平臺(tái)底板做成一個(gè)機(jī)械件，即將其一體化，并將三個(gè)電機(jī)軸線方向形成一個(gè)三個(gè)方向的垂直坐標(biāo)系就可以實(shí)現(xiàn)，如圖6 所示。從圖中可以看出，一維直線運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)的上板和上面二維直線運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)的底板設(shè)計(jì)加工成了一個(gè)機(jī)械件——垂直連接板。這樣在二維直線運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)的上板上安裝相機(jī)，就可以實(shí)現(xiàn)相機(jī)在三維方向上的調(diào)焦功能。

圖6 三維直線運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)Fig.6 Three-dimensions modularity rectilinear electromechanical platform

3 結(jié)論

本文提出一種模塊化的多維直線運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)。每一維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)通過直線電機(jī)，絲杠，直線導(dǎo)軌滑塊和相應(yīng)配合的機(jī)械件組成。應(yīng)用模塊化的思想，將一維移動(dòng)平臺(tái)通過滑塊和底座的一體化形成二維直線運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)，進(jìn)而在形成三維直線運(yùn)動(dòng)機(jī)電平臺(tái)，從而去滿足光機(jī)產(chǎn)品在多維度方向上的調(diào)焦功能。當(dāng)然，作為一種獨(dú)立的機(jī)電產(chǎn)品，該多維直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)不僅可以應(yīng)用到光機(jī)產(chǎn)品中，還可以應(yīng)用到任何一種需要直線位移運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)品和場合中，來實(shí)現(xiàn)多維度的直線運(yùn)動(dòng)。

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[5]蔡業(yè)彬，等.模塊化設(shè)計(jì)方法及其在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2005，8.