專利名稱：精密機械儀器二維游動力平衡機構的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及精密機械儀器系統カ平衡技術領域，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。
背景技術：
在精密機械儀器的測量部件組成系統中，為了保證整體精度，需要從結構組成和構件精度兩方面獲取有效措施，其中結構組成是較重要方面。通過分析影響機械系統整體精度的各因素可知，構件的 作用力、特別是運動狀態下的動態作用力，會對機械的整體精度造成影響。它使測量儀器系統的組成部件產生微位移和微變形，或使整個系統的力平衡狀態受到破壞，對精密測量產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組成中，由于整體系統的運動狀態不同，所以采用的作用力平衡機構也不同。在精密機械系統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，以使測頭接觸狀態良好，但會導致接觸變形，因此要適當控制測力P，使接觸面受カ變形誤差As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，但對工作臺的驅動カ大小及方式也有一定要求。驅動カ大小要合適，驅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的作用力及力平衡機構在其整體系統設計中需全面考慮，以使相應的機構設計合理。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構系統的作用力及平衡機構，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。下面以常見的測長儀和三坐標測量機的力平衡系統為例說明。如圖2所示為立式測長儀的力平衡機構，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，由立柱孔8內可上下運動的重錘7的重力G2通過滑輪5使兩者的作用力平衡，并由附加調整塊6來控制被測件表面的接觸力P在一定范圍內。由于導軌4的支撐位置固定不變，所以這種結構只適用一維運動系統。這種簡單的カ平衡機構作用可靠，應用普遍，但這種結構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合式力平衡。重錘式的平衡結構與圖2所示類似，圖3a和圖3b所示即為彈簧式カ平衡機構，Z軸I的自重由彈簧2的拉カ所平衡，這種カ平衡機構的體積小，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，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”結構布局，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的導軌導向面與X軸激光器5和Y軸激光器7的測量線構成的測量面三面共面，且交點與重合面重合，對應設置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動カ的狀態下運動，因此Z軸部件需要力平衡機構。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生改變而造成的測量機各處受カ不均的現象。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軸驅動カ較小；2、力平衡機構的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，力平衡機構需具有ニ維游動功能，gp平衡力機構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的作用分力。但是，對于上述要求，迄今還沒有相關結構能夠予以實現。
實用新型內容本實用新型是為了避免現有力平衡系統的不足之處，提供ー種精密機械儀器ニ維游動カ平衡機構，以期克服因工作臺三維運動而導致系統自身作用カ無法平衡的問題。本實用新型為解決技術問題采用如下的技術方案本實用新型精密機械儀器ニ維游動力平衡機構的特點是設置三維運動工作臺，所述三維運動工作臺的X向、Y向和Z向導軌部件分別可沿 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、位于對稱的兩側分別設置水平拉桿，在所述水平拉桿的桿端設置測カ傳感器，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，并通過增減砝碼調整重錘的重量，使位于Z軸部件兩側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 ニ維平面內隨三維運動工作臺自由運動，構成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的結構特點也在于所述X、Y ニ維游動平臺的結構設置為位于所述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”字形結構，所述懸桿貫穿所述“回”字形結構的方形通孔，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域。與現有技術相比，本實用新型有益效果體現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ニ維運動而造成Z向平衡力支撐點位置發生變化的問題，不僅可以保證測量機的Z工作臺部件在Z向靈活運動，還可以實現工作臺在x、y方向運動范圍內各位置處的カ平衡，具體體現為I、當工作臺作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，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，并通過增減砝碼調整兩邊重錘的重量，使兩側的拉カ相等且合力與Z軸重量相等，實現了 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整，能保證Z軸導軌受カ處于垂直方向。并且工作臺在水平面內ニ維運動吋，不會受到因ニ維游動工作臺微小傾斜而產生的附加分力的影響。
圖I為測頭接觸カ變形示意圖；圖2為已有技術中重錘式カ平衡原理圖；圖3a、圖3b為已有技術中彈簧式カ平衡原理圖；圖4為已有技術中納米三坐標測量機結構簡圖；圖5a為本實用新型結構示意圖；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構示意圖；圖5c2為本實用新型中二維游動平臺主視結構示意圖。
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是設置三維運動工作臺，工作臺的X向導軌部件3、Y向導軌部件2和Z向導軌部件分別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、位于對稱的兩側分別設置水平拉桿5，在水平拉桿5的桿端設置測カ傳感器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，這ー結構設置是利用重錘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調整重錘8的重量，使位于Z軸部件I的兩側的兩只測力傳感器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”字形結構，懸桿貫穿“回”字形結構的方形通孔，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域，使定滑輪13可在X、Y ニ維平面內隨工作臺自由運動，構成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向導軌部件2的滾動軸承上可做Z向運動，Y向導軌部件2在X向導軌部件3的軸承上可做y向運動，X向導軌部件3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。在這一結構中，為了使Z軸部件運動靈活平穩，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，根據對力平衡機構的三項基本要求，力平衡機構采用的是堆疊式機構設計，但由于構件的制造誤差和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)，以實現靈活力平衡作用。單純從提高力平衡相關構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，以避免因游動平板的傾斜而產生附加的水平分力。
權利要求1.精密機械儀器ニ維游動力平衡機構，其特征是 設置三維運動工作臺，所述三維運動工作臺的X向、Y向和Z向導軌部件分別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、位于對稱的兩側分別設置水平拉桿，在所述水平拉桿的桿端設置測カ傳感器，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，并通過增減砝碼調整重錘的重量，使位于Z軸部件兩側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 ニ維平面內隨三維運動工作臺自由運動，構成Χ、Υ ニ維游動平 臺。
2.根據權利要求I所述的精密機械儀器ニ維游動力平衡機構，其特征是所述Χ、Υニ維游動平臺的結構設置為位于所述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”字形結構，所述懸桿貫穿所述“回”字形結構的方形通孔，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，其特征是設置三維運動工作臺的X向、Y向和Z向導軌部件分別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、位于對稱的兩側分別設置水平拉桿，水平拉桿桿端設置測力傳感器，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，還可以實現工作臺在x、y方向運動范圍內各位置處的力平衡。
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 優先權日2011年12月27日
發明者黨學明, 王晨晨, 費業泰, 黃強先 申請人:合肥工業大學