精密調平工作臺的研究與設計

柴鵬 馮麗 李雅寧

摘要：具有高精度的調平工作臺是精密測量設備重要組成部分之一。本文設計了楔形塊推動精密微小軸承機構實現工作臺的調平，避免了構件之間存在滑動摩擦的現象。分析了調平的具體操作過程，計算了偏轉角度與驅動進給位移的關系。該平臺具有結構簡單緊湊、承載能力強、成本低等優點。

關鍵詞：調平;算法;精密測量

1.前沿

隨著科技水平的不斷提高，現代制造業向著精密制造的方向發展，這對測量設備的精度提出了更高的要求，往往達到微米級，甚至亞微米級。精密調平工作臺是圓柱度儀、齒輪測量機、三坐標測量機等測量設備的重要組成部分，因此，人們對調平工作臺所要實現調平的精度要求也越來越高。目前，國內使用的精密調平工作臺多使用凸輪[1]、楔塊[2]機構實現調平，沒有避免構件之間的滑動摩擦，由其產生的蠕變現象降低了調節的精度;國外使用的精密調節工作臺已完全達到自動化的程度[3]，通過計算機分析傳感器采集到的數據，控制電機的旋轉量來實現工作臺的調節，但價格非常昂貴。因此設計一種結構簡單、性能可靠、價格較低、避免滑動摩擦的精密調平工作臺是現代測量行業的一個重要課題。

2.三點調平算法

2.1調平原理

工作臺調平的過程如圖1所示，首先將工件固定在調平工作臺上，調平工作臺固定在測量儀器的轉臺上，如圖1（a）所示。工件軸線與轉臺軸線的夾角及方位角通常可通過測量儀器的位移傳感器測得，根據調平算法，可求得工作臺水平調節的角度，再將角度轉化為微分頭的位移，調節微分頭，使得工件軸線與轉臺軸線平行，如圖1（b）所示，即實現工作臺的調平功能。

（a） ? ? ? ? ? ? ? （b）

圖1 ?調平原理圖

2.2三點調平算法

三點調平算法是在工作臺面下方設置三個支撐點[4]，該三點均布于工作臺底部，如圖2所示，△ABC為等邊三角形，且其邊長a=200mm，O'為工作臺的圓心，A點為固定支撐點，B、C為兩個活動支撐點，通過調整兩個活動支撐點在z軸方向的距離來實現工作臺的調平。以A點為圓心，建立坐標系，設α、β分別為工作臺與x、y軸的夾角。則B、C兩點需要調整的距離為：

（1）

圖2 ?三點支撐分布圖

通過測量面1、2的測量可得到工件軸線與轉臺軸線的夾角φ，及方位角ω，建立如圖3所示的坐標系。調平過程即為工件軸線AK繞x軸旋轉β角度，再繞y軸旋轉α角度，使其與z軸平行的AD重合的過程。

圖3 三點調平坐標系

根據幾何運算得到角度之間的關系：

由上式即可求出：

（2）

將式（2）帶入式（1）得B、C兩點調整距離s1、s2的表達式：

（3）

3.精密調平工作臺的設計

3.1結構組成

本文所述精密調平工作臺的結構示意圖，如圖4所示，主要由工作面、底座、及調平機構組成。

圖4精密調平工作臺結構示意圖

3.2調平機構

精密調平工作臺的調節范圍很小，本文所述調平工作臺的調節范圍為±1?。

由調平算法可知，三點調平工作臺的一個調節點為固定點，其余兩個點為活動點。本設計采用楔形塊推動精密微小軸承的機構實現活動點的調平。固定在工作臺下方的精密微小軸承與楔形塊通過工作面和底座之間的拉簧緊密接觸，通過旋轉微分頭推動楔形塊的運動實現軸承的上下移動，如圖5所示。

圖5 ?調平原理

1-工作面;2-精密軸承;3-微分頭;4-楔塊;5-彈簧;6-底座;7-滾珠

4.結論

本文在精密調平工作臺的設計上采用了楔形塊推動精密微小軸承的機構，給出了調平進給量的計算方法。該精密調平工作臺具有如下特點：

（1）采用轉動摩擦取代了滑動摩擦，有利于提高調節精度;

（2）該裝置結構緊湊、安裝調試方便、加工成本低。

參考文獻：

[1]上海微電子裝備有限公司.高精度快速調平裝置：中國，CN101150042A [P]， 2008.3.26.

[2]西安交通大學.一種用于超精密測量機轉臺的調心調平裝置：中國，CN 102607482 A[P]，2012.3.26.

[3]Rank Taylor Hobson. Workpiece position control： U.S.， 4731934[P]， Mar， 22， 1998.

[4]王艷波. 自動調平調心精密平臺的研究[D]. 西安工業大學碩士學位論文. 2013：14-26.

[5]李慶祥，王東生，李玉和.現代精密儀器設計[M].北京：清華大學出版社，2003：139-150

[6]趙罘，楊曉晉，劉玥.SolidWorks2013中文版機械設計從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2013

作者簡介：

柴鵬（1988.3—），男，甘肅會寧人，碩士研究生，專業：機械設計及理論。