专利名称：精密机械仪器二维游动力平衡机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及精密机械仪器系统力平衡技术领域，更具体地说是一种适用于三维运动工作台垂直方向的力平衡机构。
背景技术：
在精密机械仪器的测量部件组成系统中，为了保证整体精度，需要从结构组成和构件精度两方面获取有效措施，其中结构组成是较重要方面。通过分析影响机械系统整体精度的各因素可知，构件的作用力、特别是运动状态下的动态作用力，会对机械的整体精度造成影响。它使测量仪器系统的组成部件产生微位移和微变形，或使整个系统的力平衡状态受到破坏，对精密测量产生不可忽视的测量误差，这对于纳米级测量仪器将会是主要影响因素之一。目前，在各种精密测量机械的机构组成中，由于整体系统的运动状态不同，所以采用的作用力平衡机构也不同。在精密机械系统中作用力主要有两方面用途一方面，对于接触式测量测头需要受到一定测力，以使测头接触状态良好，但会导致接触变形，因此要适当控制测力P，使接触面受力变形误差As在一定范围(图1所示)；另一方面对于非接触式测量，没有接触变形误差的影响，但对工作台的驱动力大小及方式也有一定要求。驱动力大小要合适，驱动方式要对整个工作台运动需具有力平衡特点。因此精密机械仪器系统的作用力及力平衡机构在其整体系统设计中需全面考虑，以使相应的机构设计合理。常见的三坐标测量机、精密测长仪及各种测微仪等，均有适用于其自身结构系统的作用力及平衡机构，例如重锤、弹簧及气动力等，但它们均具有其特定的适用性，而且多只适用于一维运动系统。下面以常见的测长仪和三坐标测量机的力平衡系统为例说明。如图2所示为立式测长仪的力平衡机构，被测件2置于仪器底座1上，测量滑杆3 受自重G1使测头与被测件表面接触。为了使接触力适当，由立柱孔8内可上下运动的重锤 7的重力( 通过滑轮5使两者的作用力平衡，并由附加调整块6来控制被测件表面的接触力P在一定范围内。由于导轨4的支撑位置固定不变，所以这种结构只适用一维运动系统。 这种简单的力平衡机构作用可靠，应用普遍，但这种结构不能适用于二维和三维测量仪器。常用的三坐标测量机力平衡机构一般只平衡其Z轴的重力，平衡方式有重锤式、 弹簧式、气压式以及具有补偿功能的复合式力平衡。重锤式的平衡结构与图2所示类似，图 3a和图北所示即为弹簧式力平衡机构，Z轴1的自重由弹簧2的拉力所平衡，这种力平衡机构的体积小，适用性好，但由于弹簧力不可能完全恒定，限制了 Z轴的有效行程。为了扩大行程，可增加补偿弹簧力变化的补偿部件。这些弹簧式力平衡机构，其作用力支撑点的位置在Z轴上固定不变，所以也仅适用于一维运动的Z轴自重力平衡。对于二维或三维的精密工作台，其自身的作用力需要尽可能的消除。图4所示为高精度纳米三坐标测量机，由于采用了“近零阿贝误差”的“331”结构布局，即Z轴激光器 6、X轴激光器5和Y轴激光器7的测量线相交于一点，X、Y滑台3的导轨导向面与X轴激光器5和Y轴激光器7的测量线构成的测量面三面共面，且交点与重合面重合，对应设置X轴测量4、Y轴测量靶镜8和Z轴测量靶镜9。测量时，测头1保持不动，工作台2做三维运动， 使被测工件与测头接触完成触发采点。测量过程符合“331原则”，即任意测点均满足“零阿
贝误差”。图4所示，工作台2在三维运动时，Z轴方向运动时需要克服工作台2自身重力的影响，工作台必须在较小驱动力的状态下运动，因此Z轴部件需要力平衡机构。此外，还要避免因工作台2在X、Y向运动时，Z轴的平衡力大小和作用力方向发生改变而造成的测量机各处受力不均的现象。由于纳米三坐标测量机的测量精度高，对组成零部件及其运动精度要求也很高，因此对其Z轴力平衡机构提出了基本要求如下1、平衡力需与Z轴工作台部件重量近似相等，以保证Z轴驱动力较小；2、力平衡机构的Z向平衡作用力必须通过Z轴工作台部件重力的重心，以保证Z 轴两对称导轨运动的灵活性，不存在绕Z轴方向的扭力矩；3、Ζ轴工作台部件做水平方向的二维运动时，力平衡机构需具有二维游动功能，即平衡力机构的支撑点也必须做二维运动，不能存在因平衡力作用方向变化而引起水平面内的作用分力。但是，对于上述要求，迄今还没有相关结构能够予以实现。
发明内容
本发明是为了避免现有力平衡系统的不足之处，提供一种精密机械仪器二维游动力平衡机构，以期克服因工作台三维运动而导致系统自身作用力无法平衡的问题。本发明为解决技术问题采用如下的技术方案本发明精密机械仪器二维游动力平衡机构的特点是设置三维运动工作台，所述三维运动工作台的X向、Y向和Z向导轨部件分别可沿各自的滚动轴承部件在X向、y向和Z向方向上自由运动；在三维运动工作台Z轴部件的下端、位于对称的两侧分别设置水平拉杆，在所述水平拉杆的杆端设置测力传感器，吊索一端提吊在所述测力传感器上，另一端绕过定滑轮与用于平衡所述Z轴部件重力的重锤相连，以所述测力传感器实时测量所述水平拉杆端部拉力的大小，并通过增减砝码调整重锤的重量，使位于Z轴部件两侧的两只测力传感器测量的拉力大小均为Z轴部件重量的1/2，以所述定滑轮是作为Z轴部件力平衡支撑点；所述定滑轮以一悬杆悬吊在游动平板的中央，所述游动平板支撑在X、Y 二维滚动轴承组上，使所述定滑轮可在x、Y 二维平面内随三维运动工作台自由运动，构成x、Y 二维游动平台。本发明精密机械仪器二维游动力平衡机构的结构特点也在于所述X、Y 二维游动平台的结构设置为位于所述X、Y 二维滚动轴承组下方的支撑板呈水平固定设置在仪器基座上，所述支撑板是中央具有方形通孔的“回”字形结构，所述悬杆贯穿所述“回”字形结构的方形通孔，游动平板在X轴和Y轴方向上的游动范围为方形通孔所在区域。与现有技术相比，本发明有益效果体现在本发明利用二维游动工作台平衡测量机Z轴的重量，完全避免了因工作台在平面内二维运动而造成Z向平衡力支撑点位置发生变化的问题，不仅可以保证测量机的Z工作台部件在Z向灵活运动，还可以实现工作台在x、y方向运动范围内各位置处的力平衡，具体体现为1、当工作台作X、Y向二维运动时，Z轴的力平衡支撑点也随之运动以保证Z轴平衡力方向始终与ζ轴的重心重合并保持力的大小不变，不存在由于工作台运动时产生的X、 y方向分力的影响。2、Z轴部件的力平衡重锤对称分布于Z轴两侧，通过固定于水平拉杆端部的在位测力传感器实时测量两边拉力大小，并通过增减砝码调整两边重锤的重量，使两侧的拉力相等且合力与Z轴重量相等，实现了 Z轴力平衡。3、三维运动工作台通过游动平板的水平位置的调整，能保证Z轴导轨受力处于垂直方向。并且工作台在水平面内二维运动时，不会受到因二维游动工作台微小倾斜而产生的附加分力的影响。
图1为测头接触力变形示意图；图2为已有技术中重锤式力平衡原理图；图3a、图北为已有技术中弹簧式力平衡原理图；图4为已有技术中纳米三坐标测量机结构简图；图fe为本发明结构示意图；图恥为本发明中Z向重锤力平衡示意图；图5cl为本发明中二维游动平台俯视结构示意图；图5c2为本发明中二维游动平台主视结构示意图。
具体实施例方式参见图5^图恥、图5cl和图5c2，本实施例中精密机械仪器二维游动力平衡机构是设置三维运动工作台，工作台的X向导轨部件3、Y向导轨部件2和Z向导轨部件分别可沿各自的滚动轴承部件在X向、y向和Z向方向上自由运动。在三维运动工作台的Z轴部件1的下端、位于对称的两侧分别设置水平拉杆5，在水平拉杆5的杆端设置测力传感器9，吊索6的一端提吊在测力传感器9上，另一端绕过定滑轮13与重锤8相连，这一结构设置是利用重锤8平衡Z轴部件1的重力，具体方法是由测力传感器9实时测量水平拉杆端部拉力的大小，并通过增减砝码7调整重锤8的重量，使位于Z轴部件1的两侧的两只测力传感器9所测量的拉力大小均为三维运动工作台的Z轴部件1的重量的1/2，以定滑轮13作为Z轴部件1的力平衡支撑点。定滑轮13以一悬杆悬吊在游动平板10的中央，游动平板10支撑在X、Y 二维滚动轴承组11上，X、Y 二维滚动轴承组11下方的支撑板12呈水平固定设置在仪器基座4上， 支撑板12是中央具有方形通孔的“回”字形结构，悬杆贯穿“回”字形结构的方形通孔，游动平板10在X轴和Y轴方向上的游动范围为方形通孔所在区域，使定滑轮13可在X、Y 二维平面内随工作台自由运动，构成X、Y 二维游动平台。图fe所示，三维运动工作台的Z轴部件1在Y向导轨部件2的滚动轴承上可做Z 向运动，Y向导轨部件2在X向导轨部件3的轴承上可做y向运动，X向导轨部件3在仪器基座4的轴承上可作χ向运动，由此具有了 χ、1、ζ向的三维运动功能。在这一结构中，为了使Z轴部件运动灵活平稳，Z轴部件的重量G是以重锤8进行平衡，并以二维游动平台保证Z轴部件力平衡支撑点在χ、y方向上灵活运动。图如所示，根据对力平衡机构的三项基本要求，力平衡机构采用的是堆叠式机构设计，但由于构件的制造误差和Z轴工作台轴承及滑轮轴摩擦力的影响，难以保证左右两重锤拉力的合力通过Z轴部件的中心。为了尽可能的降低工作台Z向驱动力F，并保证工作台的重力G与两重锤的作用力2f (G)相近，即G ^f (G1)+f (G2)，同时要使左右两重锤平衡力相等，即T(G1) = f (G2)，以实现灵活力平衡作用。单纯从提高力平衡相关构件制造精度是难以达到理想的力平衡效果，本实施例中通过设置二维游动平台很好地解决了问题，具体实施中需要使游动平板10处于水平状态，以避免因游动平板的倾斜而产生附加的水平分力。
权利要求
1.精密机械仪器二维游动力平衡机构，其特征是设置三维运动工作台，所述三维运动工作台的X向、Y向和Z向导轨部件分别可沿各自的滚动轴承部件在X向、y向和Z向方向上自由运动；在三维运动工作台Z轴部件(1)的下端、位于对称的两侧分别设置水平拉杆，在所述水平拉杆的杆端设置测力传感器，吊索一端提吊在所述测力传感器上，另一端绕过定滑轮与用于平衡所述Z轴部件重力的重锤相连，以所述测力传感器实时测量所述水平拉杆端部拉力的大小，并通过增减砝码调整重锤的重量，使位于Z轴部件两侧的两只测力传感器测量的拉力大小均为Z轴部件重量的1/2，以所述定滑轮是作为Z轴部件力平衡支撑点；所述定滑轮以一悬杆悬吊在游动平板的中央，所述游动平板支撑在X、Y 二维滚动轴承组上，使所述定滑轮可在X、Y 二维平面内随三维运动工作台自由运动，构成Χ、Υ 二维游动平台。
2.根据权利要求1所述的精密机械仪器二维游动力平衡机构，其特征是所述Χ、Υ二维游动平台的结构设置为位于所述X、Y 二维滚动轴承组下方的支撑板呈水平固定设置在仪器基座上，所述支撑板是中央具有方形通孔的“回”字形结构，所述悬杆贯穿所述“回”字形结构的方形通孔，游动平板在X轴和Y轴方向上的游动范围为方形通孔所在区域。
全文摘要
本发明公开了一种精密机械仪器二维游动力平衡机构，其特征是设置三维运动工作台的X向、Y向和Z向导轨部件分别可沿各自的滚动轴承部件在x向、y向和z向方向上自由运动；在三维运动工作台Z轴部件的下端、位于对称的两侧分别设置水平拉杆，水平拉杆杆端设置测力传感器，吊索一端提吊在测力传感器上，另一端绕过定滑轮与重锤相连，定滑轮以悬杆悬吊在游动平板的中央，游动平板支撑在X、Y二维滚动轴承组上，使定滑轮可在X、Y二维平面内随三维运动工作台自由运动。本发明不仅可以保证测量机的Z工作台部件在z向灵活运动，还可以实现工作台在x、y方向运动范围内各位置处的力平衡。
文档编号G01D11/00GK102506925SQ20111044599
公开日2012年6月20日 申请日期2011年12月27日 优先权日2011年12月27日
发明者党学明, 王晨晨, 费业泰, 黄强先 申请人:合肥工业大学