精密调平工作台的研究与设计

柴鹏 冯丽 李雅宁

摘要：具有高精度的调平工作台是精密测量设备重要组成部分之一。本文设计了楔形块推动精密微小轴承机构实现工作台的调平，避免了构件之间存在滑动摩擦的现象。分析了调平的具体操作过程，计算了偏转角度与驱动进给位移的关系。该平台具有结构简单紧凑、承载能力强、成本低等优点。

关键词：调平;算法;精密测量

1.前沿

随着科技水平的不断提高，现代制造业向着精密制造的方向发展，这对测量设备的精度提出了更高的要求，往往达到微米级，甚至亚微米级。精密调平工作台是圆柱度仪、齿轮测量机、三坐标测量机等测量设备的重要组成部分，因此，人们对调平工作台所要实现调平的精度要求也越来越高。目前，国内使用的精密调平工作台多使用凸轮[1]、楔块[2]机构实现调平，没有避免构件之间的滑动摩擦，由其产生的蠕变现象降低了调节的精度;国外使用的精密调节工作台已完全达到自动化的程度[3]，通过计算机分析传感器采集到的数据，控制电机的旋转量来实现工作台的调节，但价格非常昂贵。因此设计一种结构简单、性能可靠、价格较低、避免滑动摩擦的精密调平工作台是现代测量行业的一个重要课题。

2.三点调平算法

2.1调平原理

工作台调平的过程如图1所示，首先将工件固定在调平工作台上，调平工作台固定在测量仪器的转台上，如图1（a）所示。工件轴线与转台轴线的夹角及方位角通常可通过测量仪器的位移传感器测得，根据调平算法，可求得工作台水平调节的角度，再将角度转化为微分头的位移，调节微分头，使得工件轴线与转台轴线平行，如图1（b）所示，即实现工作台的调平功能。

（a）               （b）

图1  调平原理图

2.2三点调平算法

三点调平算法是在工作台面下方设置三个支撑点[4]，该三点均布于工作台底部，如图2所示，△ABC为等边三角形，且其边长a=200mm，O'为工作台的圆心，A点为固定支撑点，B、C为两个活动支撑点，通过调整两个活动支撑点在z轴方向的距离来实现工作台的调平。以A点为圆心，建立坐标系，设α、β分别为工作台与x、y轴的夹角。则B、C两点需要调整的距离为：

（1）

图2  三点支撑分布图

通过测量面1、2的测量可得到工件轴线与转台轴线的夹角φ，及方位角ω，建立如图3所示的坐标系。调平过程即为工件轴线AK绕x轴旋转β角度，再绕y轴旋转α角度，使其与z轴平行的AD重合的过程。

图3 三点调平坐标系

根据几何运算得到角度之间的关系：

由上式即可求出：

（2）

将式（2）带入式（1）得B、C两点调整距离s1、s2的表达式：

（3）

3.精密调平工作台的设计

3.1结构组成

本文所述精密调平工作台的结构示意图，如图4所示，主要由工作面、底座、及调平机构组成。

图4精密调平工作台结构示意图

3.2调平机构

精密調平工作台的调节范围很小，本文所述调平工作台的调节范围为±1?。

由调平算法可知，三点调平工作台的一个调节点为固定点，其余两个点为活动点。本设计采用楔形块推动精密微小轴承的机构实现活动点的调平。固定在工作台下方的精密微小轴承与楔形块通过工作面和底座之间的拉簧紧密接触，通过旋转微分头推动楔形块的运动实现轴承的上下移动，如图5所示。

图5  调平原理

1-工作面;2-精密轴承;3-微分头;4-楔块;5-弹簧;6-底座;7-滚珠

4.结论

本文在精密调平工作台的设计上采用了楔形块推动精密微小轴承的机构，给出了调平进给量的计算方法。该精密调平工作台具有如下特点：

（1）采用转动摩擦取代了滑动摩擦，有利于提高调节精度;

（2）该装置结构紧凑、安装调试方便、加工成本低。

参考文献：

[1]上海微电子装备有限公司.高精度快速调平装置：中国，CN101150042A [P]， 2008.3.26.

[2]西安交通大学.一种用于超精密测量机转台的调心调平装置：中国，CN 102607482 A[P]，2012.3.26.

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

[4]王艳波. 自动调平调心精密平台的研究[D]. 西安工业大学硕士学位论文. 2013：14-26.

[5]李庆祥，王东生，李玉和.现代精密仪器设计[M].北京：清华大学出版社，2003：139-150

[6]赵罘，杨晓晋，刘玥.SolidWorks2013中文版机械设计从入门到精通[M].北京：人民邮电出版社，2013

作者简介：

柴鹏（1988.3—），男，甘肃会宁人，硕士研究生，专业：机械设计及理论。