工作臺多維調整裝置的設計與研究

任曉慶

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

工作臺多維調整裝置的設計與研究

任曉慶

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

概述了一種用于手動或半自動印刷機工作臺的多方位調節裝置，主要對其關鍵技術進行分析研究，并對其多方位調節機構的設計和原理作了敘述，闡述了一種全新的多方位工作臺調節裝置。既能滿足太陽能行業的印刷機對工作臺的調節功能要求，也能滿足對套印精度和印刷精度以及調節方式和功能要求較高的厚膜電路印刷機工作臺調節功能的要求。

印刷機；工作臺；多方位調節裝置；調節原理

目前，手動或半自動印刷機的工作臺——作為印刷機的核心部件，大多數只有二維調節功能，而且結構復雜，體積大，設計成本高，在太陽能行業或厚膜電路的印刷上對其工作臺的精度要求很高，要求工作臺在各個方向都能單獨調節、單獨鎖緊，尤其厚膜電路對套印精度和膜厚要求更高，現有工作臺的調節裝置已遠遠不能滿足需要；加之手動或半自動印刷機由于其本身的生產效率和生產能力的影響，其設備的銷量本身就不大，要想使手動或半自動印刷機在現在競爭激烈的太陽能行業或厚膜電路行業占領一定的市場，不僅要求手動或半自動印刷機功能可靠、機構功能齊全、還要求其成本低，這樣才能在市場上立于不敗之地，這就對工作臺結構和功能提出了非常高的要求，該工作臺調整機構正是在這種情況下應用而生。

1 分析與研究

目前國內外大多數手動或半自動印刷設備上常用的工作臺三維調整機構主要有以下幾種：

(1)工作臺Z向調整。采用的有絲杠、電機帶動蝸輪蝸桿的螺旋升降器，或者是電機帶動絲杠，由電機走步距帶動絲杠，從而帶動工作臺Z向移動，這兩種結構外形尺寸大、安裝空間要求高，其成本也非常高；

（2）工作臺的X、Y及θ的調節。采用的是交叉滾子導軌實現調節，該交叉滾子導軌安裝要求高，并且導軌自身具有一定的高度，這使得設計出來的工作臺高度無形之中增高很多，而且在實際應用中存在有滑移現象；也有采用自行設計的滑動塊在十字槽中移動，該結構對滑動塊的尺寸公差和形位公差要求很高，加工精度很難保證，裝配后會出現滑動不暢，或一個方向滑動沒有問題，另一個方向無法滑動等現象。在這種情況下，經過大量的研究和實驗設計了該工作臺的X、Y、Z及θ的三維調整裝置。

2 總體方案設計

根據以上對國內外手動或半自動印刷機工作臺的分析和研究，確定了工作臺的調整裝置包括X向、Y向、θ向、Z向調節機構以及鎖緊機構等五部分構成，如圖1所示。

圖1 工作臺調整裝置結構和布局

其中Z向調節機構在工作臺三維調整裝置的最下面，X向、Y向、θ調節機構依次逐層向上互為制約連接，鎖緊機構處在逐層疊加的Z向、X向、Y向、θ角度調節機構四者共同的平面中心位置。

3 關鍵技術研究分析

3.1 X、Y向調節導向方式

工作臺X向調節和Y向調節其關鍵技術是采用什么樣的導向方式？為此對現有國內外手動或半自動印刷機工作臺X向調節和Y向調節的導向方式進行分析研究：

第一種采用在國內手動或半自動印刷機上已使用的自行設計加工的滑動塊導向方式，如圖2所示。

圖2 滑動塊導向

這種自行設計的滑動塊在十字槽中移動的導向方式對滑動塊的尺寸公差以及形位公差要求很高，尤其是在X向或Y向調節要實現其導向，必須是配對使用，這就要求其兩個滑動塊的中心距尺寸也很嚴格和準確，加工精度很難保證，且裝配后無法避免出現滑動不暢，或一個方向無法滑動的現象。

第二種國內手動或半自動印刷機上已使用的交叉滾子導軌導向如圖3所示。

所謂交叉滾子導軌，如圖4所示，它采用的是圓柱滾子代替滾珠，且相鄰滾子安裝位置交錯90°，采用V型導軌，其接觸面長為一般常見導軌的1.7倍，剛性為其2倍，壽命為6倍，由鋼板沖制成型，質量輕、滾動輕便、摩擦阻力小、慣性小、反應靈敏等優點，適用于輕、重載荷，無間隙，運動平穩無沖擊的場合。

圖3 交叉滾子導軌導向安裝示意圖

圖4 交叉滾子導軌剖面圖

在工作臺X向調節和Y向調節采用交叉滾子導軌導向，交叉滾子導軌必須安裝在上下兩塊板上（如圖3所示），并且必須成對使用，該導軌一對總寬度為18 mm，在X、Y導向上共用該導軌2副，分別安裝在兩塊大小為240 mm×240 mm的板兩側，為了保證X/Y導向滑快自如，兩板中間留有0.5 mm的間隙，范圍為190 mm×190 mm，而鎖緊裝置安裝在各層板的中心位置，鎖緊時從上向下的鎖緊力使調整好的工作臺在導軌面上有一定的滑移量。在這種導向方式下，X向和Y向調整好后，鎖緊時進行實驗，用光柵數顯表對工作臺進行測試：

實驗一：X向和Y向調整好后，鎖緊時對工作臺進行測量，其結果如下

第一次鎖緊時滑移量為0.03 mm；

第二次鎖緊時滑移量為0.044 mm；

第三次鎖緊時滑移量為0.034 mm；

第四次鎖緊時滑移量為0.032 mm；

第五次鎖緊時滑移量為0.038 mm；

在調整好后，鎖緊工作臺，多次測量發現X向或Y向最大滑移量為0.044 mm；

實驗二：為了優化該結構，在靠近鎖緊位置的100 mm見方位置加四個0.5 mm×φ5 mm的聚四氟乙烯小柱，再次進行調整后鎖緊，多次測量發現滑移量最大為0.020 mm；

實驗三：以鎖緊位置為中心，加一個φ50 mm× φ30 mm×0.5 mm的聚四氟乙烯的薄環，再次進行調整后鎖緊，多次測量發現滑移量最大為0.023 mm；

由此可以得出：采用交叉滾子導軌導向存在工作臺鎖緊時有滑移現象出現。采用實驗二和三的方法，滑移現象雖有所改善，但由于每批次導軌厚度尺寸有誤差，在中間加聚四氟乙烯的小柱或薄環，厚度尺寸不好確定：厚度大一點，導軌滑動不暢，厚度小一點，鎖緊時滑移量增大，工作臺的調整精度無法保證。

綜上實驗和分析，翻閱大量的外購件資料，初步選擇螺栓軸承作為X、Y向調節導向方式。

所謂螺栓軸承又稱滾針凸輪導向器,如下圖5所示。它是一種結構緊湊、具有高剛性帶軸軸承。它具有以下幾種結構特點和特長：

圖5 螺栓軸承示意圖

第一，其內部裝有滾針軸承，在直線運動中可作為導向滾輪使用。

第二，由于其外圈在與配合面直接接觸同時作旋轉運動，此產品以厚壁構造，在設計上能承受沖擊負荷。

第三，在外圈內部，裝有帶精密保持器的滾針，從而可防止產品側倒，實現了有意的旋轉性能，并且能夠承受高速旋轉。

第四，外圈外表面形狀分為球面形和圓柱形。球面外圈易于吸收軸中心的變形，有助于減輕偏置負荷。

第五，滾針凸輪導向器應用范圍廣泛，可以實現結構緊湊的設計。

故最后確定采用普通型的滾針凸輪導向器，即螺栓滾針軸承導向來作為X向和Y向調整導向方式。

3.2 Z向調節方式

最初采用如圖6所示的Z向調節方式。

圖6 氣缸楔塊軸承方式

采用行程可調氣缸帶動楔塊推動與兩個軸承固定在一起的連接塊，帶動其上的工作臺在楔塊的斜面上做Z向上升或下降，達到Z向調節的目的。

對該機構進行分析研究，對直線軸承和光杠的配合要求非常嚴，配合過緊，光杠上下運動不靈活，配合過松，承片臺受力，承片臺的四角抬升高度就不一致，從而影響印刷層薄厚不一致。

另外，四個導柱和中間抬升面很難保證在同一平面上，裝配好工作臺后，用手輕按工作臺出現上下晃動現象，用光柵數顯表對工作臺四周均布點和連接塊中間點五點進行測量，結果發現5點不在同一平面上，只有3點在同一平面上，并且總有兩個點處于懸空狀態，無法保證工作臺平面度和精度。

為此對上述結構進行改進，其設計靈感來源于汽車剎車系統，如圖7所示。

圖7 改進后氣缸楔塊軸承方式

把直線軸承換成夾緊環，夾緊環無開口半圓固定在底板上，開口半圓固定一小軸，聚氨脂環是一開口環，相當于汽車剎車片，當固定在底板上的鎖緊氣缸動作，推動夾緊環上的小軸使聚氨脂環死死抱住光杠，使4個光杠上表面與工作臺完全接觸，裝配好后用手輕按工作臺進行測試仍然出現工作臺上下晃動現象。而且用光柵數顯表測量，四角的高度差最大為0.29 mm。

分析發現4個氣缸同時動作，由于行程不同，行程差異造成四角的高度差。這種改進也沒有達到滿意的效果。

最后，對上述兩種結構進行優化和重新設計，采用如圖8所示的Z向調節機構。

Z向調節上升高度由軸承頂光杠上面靠死，無論工作臺受多大的力，軸承始終是頂光杠上面的，從下板到軸承上下面以及光杠上面和工作臺下面各個面始終接觸從而保證工作臺不會出現晃動現象。Z向抬升由一個氣缸推動4點同時上升，保證抬升高度一致；從而保證了印刷層薄厚的一致性要求。

4 結構設計及調節原理

4.1 X、Y向調節機構的設計及調節原理

在前面已經確定了X、Y向的導向方式，采用螺栓軸承導向方式，初步選擇采用普通型CF型，型號為CF4-A的螺栓軸承，其導向結構設計如圖9所示。

圖9 X、Y向的導向結構

4.1.1 X向調節機構

工作臺中X向調節機構的設計主要由下板1、中板2、X向滑動軸承3、X向下板掛簧釘4、X向中板掛簧釘4-1、X向彈簧5、固定螺釘6、X向調節支座7、X向測微頭8組成，見圖10所示。

圖10 X向調節機構結構示意圖

其中，下板1通過4個角處與4個升降結構對應位置由固定件6固定在升降光杠上，下板1四角偏向中心的位置上呈正方形設有4個孔Ⅴ，每個孔上通過螺母固定一個其軸承端處在下板1上表面的X向滑動軸承，下板1上面前后兩端各對稱固定有一個X向掛簧釘，X向掛簧釘掛接X向彈簧的一端，兩個X向彈簧5的另一端分別掛接在中板下面的兩個X向中板掛簧釘4-1上，X向彈簧5處在X向彈簧槽中，X向調節支座7固定X向測微頭8，X向測微頭8的右端與中板2中心線位置貼合，當順時針或逆時針轉動X向測微頭8，使中板通過滑動槽Ⅳ以及X向滑動軸承在下板1向X向或負X向移動一定的距離，帶動連接在兩側X向掛簧釘上的X向彈簧也被拉伸或縮回同樣的距離，移動距離的多少可以通過X向測微頭的刻度直觀的讀出，也可直接設定需要移動的距離，即按要求的調整量直接邊看刻度邊調整，直到滿足要求為止。

4.1.2 Y向調節機構

工作臺中Y向調節機構的設計主要由中板2、上板9、Y向滑動軸承10、Y向上板掛簧釘11、Y向中板掛簧釘11-1、Y向彈簧12、Y向調節支座13、Y向測微頭14組成，見圖11所示。

圖11 Y向調節機構結構示意圖

其中，上板上設有與下板上四個孔Ⅴ位置相同的四個孔，每個孔上通過螺母固定一個Y向滑動軸承，上板下面對稱固定有1個Y向上板掛簧釘，Y向上板掛簧釘掛接Y向彈簧的一端，兩個Y向彈簧的另一端分別掛接在中板上面的處于左右中心線前側的左右兩個Y向中板掛簧釘上，Y向彈簧處于Y向彈簧槽中，Y向調節支座固定Y向測微頭，Y向測微頭的端頭與上板前面中心線位置貼合，通過順時針或逆時針轉動固定在Y向調節支座上的Y向測微頭，使上板在中板上有一定形位公差和尺寸公差要求的滑動槽中沿Y向測微頭轉動方向Y向或負Y向移動一定的距離，帶動連接在兩側Y向掛簧釘上的Y向彈簧也被拉伸或縮回同樣的距離，移動距離的多少可以通過Y向測微頭的刻度直觀的讀出，也可直接設定需要移動的距離，即按要求的調整量直接邊看刻度邊調整，直到滿足要求為止。

4.1.3 壽命校核

對初選導向采用的型號為CF4-A的螺栓軸承其進行壽命校核，看其是否能滿足要求。其在工作臺所在設備的使用條件如下：

工作溫度在80°C以下；

工作臺在X/Y向調節范圍為正負5 mm；

工作臺在X/Y向導向時,所受徑向載荷大小為12.16 N；

工作臺運動屬于無沖擊平滑運動。

（a）額定壽命校核

對初選導向采用的型號為CF4-A的螺栓軸承其進行額定壽命校核，計算如下：

式中：L為額定壽命（指一批相同的滾針凸輪導向器在相同條件下分別運動時，其中的90%不因滾動疲勞產生表面剝落所能到達的總轉數；

C為基本動額定載荷；

Pc為徑向載荷，由上可知其為12.16 N；

fr為溫度系數，由THK樣本，查得fr=1.0；

fw為負荷系數由外購件樣本，查得在無沖擊平滑運動的情況下fw=1.1。

其中滾針凸輪導向器基本動額定載荷C是指，使一批相同的滾針凸輪導向器在相同條件下分別運行，其額定壽命L等于100萬轉時，方向和大小都不變的負荷。

由外購件樣本，查得型號為CF4-A的螺栓軸承的C=2.06

把以上各值代入公式（1）得：

（b）計算壽命時間

求得額定壽命(L)后，工作壽命(Lh)可用式（2）計算。

在工作臺X/Y導向方式中采用的CF4-A的螺栓軸承用于導向，只做直線運動，故可進行壽命校核：

直線運動用：

式中：L為額定壽命；

D為軸承外徑；

ls為行程長度；

n1為每分鐘往返次數。

其中，由外購件樣本差得CF4-A的螺栓軸承：D=12 mm

ls=5 mm（由工作臺指標可知），代入計算式(2)得：

由此可以看出Lh＜L，故選定的外購件的CF4-A的螺栓軸承作為X、Y向的導向方式可以滿足工作臺的導向運動要求。

4.2 θ角調節機構

工作臺中θ向調節機構由工作臺31、上板9、θ向工作臺掛簧釘34-1、θ向上板掛簧釘34、θ向彈簧33、θ角調節支座36、θ向測微頭37、上板中間套32組成，見圖12所示。

圖12 θ角調節機構結構

其中，工作臺的中心設有一個螺紋孔，上板中間套為具有內螺紋孔的階梯軸，其細頸段設計有外螺紋，粗頸段設計為光軸，上板中間套通過細頸段螺紋緊密連接在工作臺的螺紋孔上，粗頸段的光軸呈動配合地插接在上板正中心的孔內，安裝在θ向調節支座上的θ向測微頭向前調節時，推動固定在工作臺上的兩θ向掛簧釘和另一頭固定在上板上的兩θ向掛簧釘上的兩θ向彈簧也跟著轉動一定的角度，使工作臺以上板中間套為轉軸轉動一定的角度，從而實現了工作臺θ向調節。

4.3 Z向調節機構

工作臺中Z向調節機構由驅動單元、水平推動支撐單元和升降單元三部分組成，見圖13所示。

其中，驅動單元由氣缸、浮動接頭、氣缸連接塊、氣缸行程調節螺母、鎖緊螺母以及固定板組成，見下圖14所示。

水平推動支撐單元由1個連接推板21、4個設計有直面和斜面的斜塊22、兩根滑軌25組成；升降單元由4個升降結構組成，每一個升降結構各由外固定套23a、內襯套23b、升降光杠24、抬升彈簧26、光杠鎖母27、軸承30、銷軸29組成，見圖15所示。

圖13 Z向調節機構結構組成圖（一）

圖15 Z向調節機構升降單元剖視圖

4個升降結構通過外固定套下面固定在固定板的4個角處，升降光杠頂部連接一個固定件6，升降光杠底端的螺紋部分螺紋連接光杠鎖母，升降光杠上與光杠鎖母及外固定套法蘭的底面貼合安裝1個抬升彈簧，升降光杠通過斜塊在內襯套中做升降往返運動；

驅動單元中行程可調氣缸通過浮動接頭與氣缸座連接在固定板上，通過調節氣缸上的調節母來確定氣缸的行程，調節好后，用鎖定氣缸的行程；由氣缸驅動來帶動水平推動支撐單元中與其相連浮動接頭、氣缸連接塊、連接推板和滑軌以及連接在其上的斜塊做水平向前或向后的移動，水平推動支撐單元的運動帶動連接在其上的Z向抬升或下降單元做Z向的抬升或下降運動，從而實現Z向調節，其中Z向調節量可以根據要求自行設計。

4.4 鎖緊機構

工作臺中鎖緊機構由上板中間套32、鎖緊軸38、鎖緊棘輪40、鎖緊棘軸39、鎖緊板41、鎖緊手把42組成，見圖16所示。

圖16 鎖緊機構結構示意圖

其中，鎖緊軸設計為階梯軸，其上端設計有外螺紋，與固定在工作臺上的上板中間套的內螺紋連接，下板、中板、上板通過中心孔依次安裝在鎖緊軸的上部，鎖緊軸中部凸臺軸的階梯面上套接鎖緊板，鎖緊板與下板中間支口面貼合，鎖緊軸的下部軸設有齒狀凸槽，鎖緊棘軸內孔設有齒狀凹槽，鎖緊棘軸通過凸鍵、凹槽安裝在鎖緊軸的下部軸上，鎖緊棘輪與鎖緊棘軸通過孔軸結構的內外棘齒連接，鎖緊棘輪上螺紋連接鎖緊手把；當工作臺三維調節完成時，把鎖緊棘輪上推與鎖緊棘爪結合，順時針轉動鎖緊手把使工作臺通過鎖緊棘輪、鎖緊軸以及上板中間套的帶動做上下直線微動，鎖緊板與下板下面充分接觸，從而實現工作臺三維調節后位置的鎖緊和固定。

5 結束語

該裝置已成功應用于中國電子科技集團公司第四十五研究所的多種半自動印刷機上，如WY-216型精密對位絲網印刷機、WY-216T型精密對位絲網印刷機、CY-131側印機以及CY-211側印機等。

該工作臺調節簡單，小巧，整個裝置高度不到200 mm（包括鎖緊機構），它合理地使用了價廉可靠性高的氣缸、滑動軸承、測微頭和彈簧等外購件，機械結構設計簡單緊湊、零件形狀簡單、加工成本低，對加工設備要求低，其造價較傳統的三維調整裝置降低十多倍，極大地降低了設備成本，其驅動方法簡單緊湊，調節方便，調節精度高。該裝置既適用于要求有三維調整功能的手動或半自動印刷設備的工作臺上，也適應于其他需要三維調整的小型化設備上。適用范圍廣，應用價值高，該工作臺多方位調節裝置已申請專利。

[1] THK直線運動系統B輔助手冊,B19-10[Z].

[2] THK直線運動系統A產品解說,,A19-18[Z].

Design and Research of the Multidimensional Adjustment of a Working Device

REN Xiaoqing

(The 45th Research Institute of CETC,Beijing 100176，China)

The article summarizes a multidimensional adjusting work device used to manual or semi-automatic printing,not only on the analysis and research of the key technology,and the multi direction adjusting mechanism structure and adjusting principle are described in detail,the kind of working adjusting device can not only meet the regulating function of the solar industry printing machine on the table and can meet the requirement for multi range table new to overprint and print accuracy and thick film circuit printing machine high requirements.

Printing Machine；Worktable；Multidimensional adjusting device；Adjusting principle

TP215

B

1004-4507(2015)05-0030-08

任曉慶(1971-),女，甘肅平涼人，1996年畢業于西安建筑科技大學，高級工程師，華中科技大學工程碩士，畢業至今一直從事電子專用設備尤其是印刷設備的研發工作。

2014-10-10