三维工作台结构分析与轻型化设计

张武学，严雪冬

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

1 三维工作台结构分析

三维工作台是印刷机核心机构之一，如图1所示，主要分成X、Y、θ三个方向驱动、导向和锁紧单元，分别驱动中层板、顶板和驱动架，实现三个方向的调整和定位。其工作原理是底板固定不动，Y向驱动单元带动中层板，并带动X向驱动单元的顶板和θ向驱动单元一起作前后移动，完成Y向运动；X向驱动单元带动顶板和θ向驱动单元一起作左右移动，完成X向运动；θ向驱动单元在直线导轨导向作用下，通过两侧的螺栓轴承，带动驱动架左右摆动，驱动架及上部连接板在四组圆弧导轨导向作用下，绕圆弧导轨中心旋转，完成θ向运动。圆弧导轨滑块上面安装工作台底板，实现工作台X、Y、θ向高精度移动，最终达到印刷基片图形自动对准。工作台三维调整完成后，锁紧气缸杆顶出，压紧锁紧片，实现工作台锁紧，防止工作台整体移动和印刷时工作台移位，影响印刷质量。

图1 三维工作台主体结构示意图

1.1 驱动单元

三维工作台的运动是电机带动滚珠丝杠旋转，通过直线导轨导向，按印刷基片图形与丝网图形对位要求，实现工作台X、Y、θ向自动校准。印刷基片移动到要求位置后，工作台进入印刷工位，进行印刷。

1.1.1 X向驱动单元

X向驱动单元由电机、滚珠丝杠、X向丝杠母座、固定轴承座、联轴器、电机座、调整垫块和X向连接板等组成，如图2所示。X向连接板固定不动，电机带动滚珠丝杠旋转，X向丝杠母座带动挡光板左右移动。安装在X向连接板上的三组光电开关检测X向丝杠母座移动距离。

1.1.2 Y向驱动单元

Y向驱动单元由电机、滚珠丝杠、Y向丝杠母座、固定轴承座、联轴器、电机座、调整垫块和Y向连接板等组成，如图3所示。Y向丝杠母座与底板固定，挡光板与Y向丝杠母座固定。

电机带动滚珠丝杠旋转，Y向连接板随同电机、滚珠丝杠、固定轴承座、联轴器、电机座、调整垫块以及三组光电开关前后移动，检测Y向连接板等的移动距离。

1.1.3 θ向驱动单元

θ向驱动单元由电机、电机座、联轴器、固定轴承座、滚珠丝杠、丝杠母架、调整垫块、导轨架、轴承座板、导向轴承、直线导轨等组成，由导轨架、连接架、直线导轨、光电开关架以及三组光电开关固定，如图4所示。

电机带动滚珠丝杠旋转，丝杠母架随同直线导轨滑块、轴承座板、导向轴承、挡光板左右移动，检测θ向丝杠母架的移动距离。驱动架安装在两组导向轴承之间，绕圆弧导轨中心摆动。将丝杠母的直线移动，转化为驱动架的圆弧运动。

图2 X向驱动单元结构示意图

图3 Y向驱动单元结构示意图

图4 θ向驱动单元结构示意图

1.2 导向单元

1.2.1 X向导向结构

四组单滑块直线导轨安装在导轨座板上起导向作用，如图5所示。

1.2.2 Y向导向结构

四组单滑块直线导轨安装在底板上起导向作用，如图6所示。

1.2.3 θ向导向结构

四组圆弧导轨固定安装在转动座内侧，其上安装的工作台底板在驱动架带动下，绕圆弧导轨中心旋转，如图7所示。

图5 X向导向结构示意图

1.3 气缸锁紧单元

四组气缸锁紧单元安装在底板最外侧四角部位，实现工作台可靠锁紧，如图8所示。气缸锁紧单元由气缸、下压片、固定螺钉、上压片、锁紧片、连接块、气缸固定螺钉等组成，气缸安装在底板上，通过内六角螺钉，将锁紧片和连接块固定在工作台底板下底面，锁紧片在上、下压片组成的空间里平动。

气缸杆顶压锁紧片，实现工作台锁紧；气缸杆缩回，锁紧片处于自由状态，此时工作台可以自由移动。

图6 Y向导向结构示意图

图7 θ向导向结构示意图

图8 气缸锁紧单元主体示意图

2 三维工作台轻型化设计

本文结合设备外形及其占地面积要求，在保证工作台精度不变的前提下，从相关零件入手，进行轻型化设计，并对有些零件进行优化设计，最终达到三维工作台整体轻型化要求。

2.1 驱动单元轻型化

θ向轻型化主要通过减小圆弧导轨的曲率半径和滚珠丝杠长度及直径，同时把光电开关固定在导轨架后部，使其布局更加合理，而且结构空间更加紧凑，相应地减轻了质量。

X、Y向轻型化则通过减小滚珠丝杠长度、将电机座与其连接板合并成一个零件以及将光电开关组安装到右侧空间的方式来实现。

2.2 导向机构轻型化

通过缩小X、Y向直线导轨安装间距，将四组直线导轨滑块合并为两组，将每根导轨单一滑块改为每根导轨两个滑块，使得导向机构的体积减小，结构紧凑，刚性增强，如图9所示。

图9 导向机构轻型化示意图

2.3 气缸锁紧单元轻型化

选用更小规格尺寸的气缸，同时将四组气缸锁紧单元之间安装尺寸减小，使其安装空间减小。

2.4 轻型化三维工作台

三维工作台的基本功能是带动其上部工作台底板，实现X、Y、θ向精确移动，X、Y向移动距离±5 mm，θ向转动角度±1.5°。

经过一系列优化设计，新的三维工作台总体长度由430 mm减小到330 mm，宽度由460 mm减小到360 mm，高度130 mm尺寸不变。体积缩小，结构更加合理紧凑，如图10所示。

图10 工作台轻型化示意图

工作台增加了防护罩，长度尺寸应该大于350 mm，宽度尺寸应该大于390 mm。尤其是宽度方向尺寸，直接决定印刷驱动机构支撑立柱前后距离。减小三维工作台总体长度和宽度，能够缩小设备的体积，减少设备的占地面积。

3 结束语

本文通过对印刷机三维工作台整体机械结构分析，按照单元模块功能进行分析。在保证工作台的精度和使用功能不变的前提下，对其各单元、相关零件进一步轻型化处理，最终使三维工作台整体尺寸缩小，重量减轻，结构更加合理紧凑，同时设计了防护罩，提高了设备的安全性和可靠性，适用于轻小基片的自动对准印刷，既保证了工作台的移动精度，又为设备整体轻型化提供了可能性，这种设计方法，在实际的印刷机设计中已得到验证，高效实用。

[1]成大先.机械设计手册[M].第4版.第3卷.北京：化学工业出版，2002.