三維工作臺結構分析與輕型化設計

張武學，嚴雪冬

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

1 三維工作臺結構分析

三維工作臺是印刷機核心機構之一，如圖1所示，主要分成X、Y、θ三個方向驅動、導向和鎖緊單元，分別驅動中層板、頂板和驅動架，實現三個方向的調整和定位。其工作原理是底板固定不動，Y向驅動單元帶動中層板，并帶動X向驅動單元的頂板和θ向驅動單元一起作前后移動，完成Y向運動；X向驅動單元帶動頂板和θ向驅動單元一起作左右移動，完成X向運動；θ向驅動單元在直線導軌導向作用下，通過兩側的螺栓軸承，帶動驅動架左右擺動，驅動架及上部連接板在四組圓弧導軌導向作用下，繞圓弧導軌中心旋轉，完成θ向運動。圓弧導軌滑塊上面安裝工作臺底板，實現工作臺X、Y、θ向高精度移動，最終達到印刷基片圖形自動對準。工作臺三維調整完成后，鎖緊氣缸桿頂出，壓緊鎖緊片，實現工作臺鎖緊，防止工作臺整體移動和印刷時工作臺移位，影響印刷質量。

圖1 三維工作臺主體結構示意圖

1.1 驅動單元

三維工作臺的運動是電機帶動滾珠絲杠旋轉，通過直線導軌導向，按印刷基片圖形與絲網圖形對位要求，實現工作臺X、Y、θ向自動校準。印刷基片移動到要求位置后，工作臺進入印刷工位，進行印刷。

1.1.1 X向驅動單元

X向驅動單元由電機、滾珠絲杠、X向絲杠母座、固定軸承座、聯軸器、電機座、調整墊塊和X向連接板等組成，如圖2所示。X向連接板固定不動，電機帶動滾珠絲杠旋轉，X向絲杠母座帶動擋光板左右移動。安裝在X向連接板上的三組光電開關檢測X向絲杠母座移動距離。

1.1.2 Y向驅動單元

Y向驅動單元由電機、滾珠絲杠、Y向絲杠母座、固定軸承座、聯軸器、電機座、調整墊塊和Y向連接板等組成，如圖3所示。Y向絲杠母座與底板固定，擋光板與Y向絲杠母座固定。

電機帶動滾珠絲杠旋轉，Y向連接板隨同電機、滾珠絲杠、固定軸承座、聯軸器、電機座、調整墊塊以及三組光電開關前后移動，檢測Y向連接板等的移動距離。

1.1.3 θ向驅動單元

θ向驅動單元由電機、電機座、聯軸器、固定軸承座、滾珠絲杠、絲杠母架、調整墊塊、導軌架、軸承座板、導向軸承、直線導軌等組成，由導軌架、連接架、直線導軌、光電開關架以及三組光電開關固定，如圖4所示。

電機帶動滾珠絲杠旋轉，絲杠母架隨同直線導軌滑塊、軸承座板、導向軸承、擋光板左右移動，檢測θ向絲杠母架的移動距離。驅動架安裝在兩組導向軸承之間，繞圓弧導軌中心擺動。將絲杠母的直線移動，轉化為驅動架的圓弧運動。

圖2 X向驅動單元結構示意圖

圖3 Y向驅動單元結構示意圖

圖4 θ向驅動單元結構示意圖

1.2 導向單元

1.2.1 X向導向結構

四組單滑塊直線導軌安裝在導軌座板上起導向作用，如圖5所示。

1.2.2 Y向導向結構

四組單滑塊直線導軌安裝在底板上起導向作用，如圖6所示。

1.2.3 θ向導向結構

四組圓弧導軌固定安裝在轉動座內側，其上安裝的工作臺底板在驅動架帶動下，繞圓弧導軌中心旋轉，如圖7所示。

圖5 X向導向結構示意圖

1.3 氣缸鎖緊單元

四組氣缸鎖緊單元安裝在底板最外側四角部位，實現工作臺可靠鎖緊，如圖8所示。氣缸鎖緊單元由氣缸、下壓片、固定螺釘、上壓片、鎖緊片、連接塊、氣缸固定螺釘等組成，氣缸安裝在底板上，通過內六角螺釘，將鎖緊片和連接塊固定在工作臺底板下底面，鎖緊片在上、下壓片組成的空間里平動。

氣缸桿頂壓鎖緊片，實現工作臺鎖緊；氣缸桿縮回，鎖緊片處于自由狀態，此時工作臺可以自由移動。

圖6 Y向導向結構示意圖

圖7 θ向導向結構示意圖

圖8 氣缸鎖緊單元主體示意圖

2 三維工作臺輕型化設計

本文結合設備外形及其占地面積要求，在保證工作臺精度不變的前提下，從相關零件入手，進行輕型化設計，并對有些零件進行優化設計，最終達到三維工作臺整體輕型化要求。

2.1 驅動單元輕型化

θ向輕型化主要通過減小圓弧導軌的曲率半徑和滾珠絲杠長度及直徑，同時把光電開關固定在導軌架后部，使其布局更加合理，而且結構空間更加緊湊，相應地減輕了質量。

X、Y向輕型化則通過減小滾珠絲杠長度、將電機座與其連接板合并成一個零件以及將光電開關組安裝到右側空間的方式來實現。

2.2 導向機構輕型化

通過縮小X、Y向直線導軌安裝間距，將四組直線導軌滑塊合并為兩組，將每根導軌單一滑塊改為每根導軌兩個滑塊，使得導向機構的體積減小，結構緊湊，剛性增強，如圖9所示。

圖9 導向機構輕型化示意圖

2.3 氣缸鎖緊單元輕型化

選用更小規格尺寸的氣缸，同時將四組氣缸鎖緊單元之間安裝尺寸減小，使其安裝空間減小。

2.4 輕型化三維工作臺

三維工作臺的基本功能是帶動其上部工作臺底板，實現X、Y、θ向精確移動，X、Y向移動距離±5 mm，θ向轉動角度±1.5°。

經過一系列優化設計，新的三維工作臺總體長度由430 mm減小到330 mm，寬度由460 mm減小到360 mm，高度130 mm尺寸不變。體積縮小，結構更加合理緊湊，如圖10所示。

圖10 工作臺輕型化示意圖

工作臺增加了防護罩，長度尺寸應該大于350 mm，寬度尺寸應該大于390 mm。尤其是寬度方向尺寸，直接決定印刷驅動機構支撐立柱前后距離。減小三維工作臺總體長度和寬度，能夠縮小設備的體積，減少設備的占地面積。

3 結束語

本文通過對印刷機三維工作臺整體機械結構分析，按照單元模塊功能進行分析。在保證工作臺的精度和使用功能不變的前提下，對其各單元、相關零件進一步輕型化處理，最終使三維工作臺整體尺寸縮小，重量減輕，結構更加合理緊湊，同時設計了防護罩，提高了設備的安全性和可靠性，適用于輕小基片的自動對準印刷，既保證了工作臺的移動精度，又為設備整體輕型化提供了可能性，這種設計方法，在實際的印刷機設計中已得到驗證，高效實用。

[1]成大先.機械設計手冊[M].第4版.第3卷.北京：化學工業出版，2002.