专利名称：三坐标精密移动平台的制作方法
技术领域：
本发明的三坐标精密移动平台属精密移动技术，用于机构的精密移动。
背景技术：
基于先进制造技术的厘米级微型涡轮喷气发动机(Micro Turbo Engine，MTE)，是满足将来微型飞行器对高能量储存密度、高功率重量比的动力装置需求的非常有希望的方案，也可以作为将来的野战便携式能源。当MTE的尺寸缩小后，从气动热力循环、燃烧、转子、涡轮、压气机、轴承等许多方面都面临了新的问题。因此必须进行一系列的实验，从而为微型涡喷发动机的研制提供充足的实验数据。如发动机各个部分内的流体的压力和流速的测量实验等。为了能方便测量出流体的压力、流速等数据，必须使测量探针能够在X、Y、Z三个方向实现精确移动，而且能使探针到达指定的空间位置。所以将探针通过支架安装在能够实现X、Y、Z三向移动的平台上。在要求探针支架具有足够刚度的同时要求此移动平台具有足够的移动分辨率和较高的移动精度。
目前国内外的移动平台产品大多为只有X、Y两个方向移动的工作平台。不同的产品具有不同的结构方案。如南京工艺装备制造厂研制的数控精密工作台，主要采用滚动螺旋传动，滚动导轨导向，步进电机驱动以及液晶显示系统。该产品移动精度较高，但价格昂贵，而且只有X、Y两个方向，结构庞大。上海光学仪器五厂的显微镜用移动平台同样为X、Y两个方向的平面移动，该产品采用滑动螺旋传动、直线滑动导轨导向、手轮驱动和液晶显示系统，价格较为便宜，但移动精度较低。国外的移动平台有两种形式，一种采用模块化设计思想，可以组合使用，精度较高但价格极其昂贵；另一种为标准产品，虽有三坐标移动功能，却不能满足使用要求。
从流体数据测量实验的要求来看，国内外的产品从结构上、移动精度以及性价比上都难以满足要求。因此必须研制一台能实现X、Y、Z三个方向移动的，具备足够移动精度的，具有自锁性能的而且结构紧凑的流体测量实验精密移动平台。
发明内容
本发明目的是研制出能够满足流体测量实验要求的三坐标精密移动平台。移动平台能实现X、Y、Z三个方向上的精密移动，工作台的行程不小于30mm×30mm×30mm。单方向的移动精度为0.01mm，位移显示分辨率为0.001mm。Z向移动部件上设计有安装孔，以安装固定测量探针的支架，使探针能够到达指定的空间位置。X、Y、Z三个方向机构的移动都必须具有自锁性能。根据实验的环境的要求，移动平台设计结构紧凑，单向最大轮廓尺寸不超过250mm。质量较轻，小于10kg。
本发明的三坐标精密移动平台由X、Y、Z三个方向的移动部件所组成。其中X方向移动部件的底板固定在装有四个调节螺钉的具有较高平面度的移动平台基座上；Y向移动部件固定在X向移动部件的拖板上；Z向移动部件的底板通过联接角铁固定在Y向移动部件的拖板上。这样Z向移动部件的拖板由Z向的传动可以实现上下(即Z向)移动，整个Z向移动部件安装在Y向移动部件的拖板上，所以通过Y向移动部件的传动能够实现Z向移动部件的拖板在空间上的Y向移动。同样，Z向移动部件的拖板也能够在X向移动部件的传动作用下实现空间的X向移动。从而实现移动平台的X、Y、Z三个方向的移动。
X、Y、Z三个方向的移动部件具有相同的结构。都各自由传动机构、导向机构、驱动机构、移动位移显示机构所构成。以X向移动部件为例，X向移动部件的传动机构由滑动丝杆和套装在滑动丝杆上的丝杆螺母构成。滑动丝杆通过其左右两个支撑固定在底板上，丝杆螺母通过丝杆螺母与拖板联接板与拖板相连接。导向机构由固定在底板上的滚动导轨和四只与拖板相连的滑块所构成。驱动机构的组成是容栅传感器的静止电极空套在滑动丝杆右端内并固定在安装于滑动丝杆右支撑上的静止电极固定环上，容栅传感器的转动电极和装有手柄的手轮固定在滑动丝杆右伸出端的阶梯形光轴上。移动位移显示机构的组成是通过引线与容栅传感器的静止电极相连的液晶显示屏通过显示屏支架固定在底板上。
考虑到流体测量时移动平台必须能够实现X、Y、Z三个方向特别是Z向传动的自锁，而且移动平台并不是非常频繁地使用以及成本因素，最终采用滑动丝杆副实现传动。滑动丝杆副结构简单，成本低，无需润滑系统而且具有自锁性能。X、Y、Z三个方向的螺旋传动中，以X方向的螺旋传动所需的力最大，通过平台的传动时传递力的计算，X方向采用M10的滑动丝杆副实现传动，以满足螺旋传动时的轴向和径向刚度。虽然Y方向和Z方向的传导力小于X方向传导力，这两个方向丝杆的直径可以小于X方向的直径，但是考虑到制造加工的方便和成本，X、Y、Z三个方向的螺旋传动尺寸都采用M10的滑动丝杆副。通过丝杆与螺母的定期配磨和预紧可保证其传动精度达到10μm。
三坐标精密移动平台的导向机构即直线导轨副的作用是在起到精确的导向作用的同时，具有足够的强度和刚度承受该方向上移动平台的拖板上的部件的重力作用，从而使得滑动丝杆副保证其传动精度。综合考虑各种因素，测量平台采用了一对滚动直线导轨副作为导向部件。滚动直线导轨副的优点是摩擦阻力小，随动性好；能够实现高定位精度和重复定位精度；能够实现无间隙运动，提高了平台的运动刚度。滚动直线导轨副对称布置在滑动丝杆副的两侧。因为成对使用导轨副时，具有“误差均化效应”，可以降低导轨安装面(即底板)的加工要求，从而降低底板的加工成本与难度。另外，滚动直线导轨副已经实现了标准化，简化了平台的结构设计和加工制造。
三坐标精密移动平台的驱动装置采用手轮驱动的方法。手轮与滑动丝杆固连，摇动手轮时，滑动螺旋副将转动变为直线移动，从而使固定在丝杆螺母上的拖板作精确的直线移动。移动量的测量和显示则采用了电容耦合式容栅传感器为位移敏感元件的数字显示系统。容栅传感器的形状为圆形，转动电极和静止电极相对安装。转动电极不需通电，直接固定在手轮上，静止电极则固定在平台的底板上。手轮驱动丝杆转动时，转动电极和静止电极就产生了圆周方向的相对运动，该相对运动转化为电量的变化，再由计算电路将转动电极和静止电极的圆周方向的相对运动换算成丝杆螺母和拖板的直线运动，通过液晶显示屏显示出来。显示屏的显示数字为5位，前2位为整数部分，后3位为小数部分，单位为毫米，显示范围为00.000～99.999。该数显装置可作绝对测量显示也可作相对测量显示。将拖板移动到某个基准位置后，将显示屏清零，就能使探针(即拖板)运动到与基准位置相对的某个预定位置。
图1.三坐标精密移动平台总装1的标号名称1-调节螺钉，2-移动平台基座，3-X向移动部件，4-Y向移动部件，5-联接角铁，6-Z向移动部件。
图2.X向移动部件装配2的标号名称7-滚动导轨，8-滑动丝杆左支撑，9-滑动丝杆，10-底板，11-显示屏支架，12-液晶显示屏，13-滑块，14-拖板，15-静止电极固定环，16-静止电极，17-转动电极，18-手轮，19-开槽沉头螺钉，20-手柄，21-静止电极引出线，22-滑动丝杆右支撑，23-丝杆螺母，24-丝杆螺母与拖板联接板。
图3.容栅传感器构造图3的标号名称17-转动电极，25-静止电极的拾取电极，26-静止电极的驱动电极。
图4.容栅传感器测量显示电路框图具体实施方式
图1是三坐标精密移动平台的总装配图。具有较高的平面度的基座2通过四个调节螺钉1调整水平。X向移动部件3的底板通过内六角螺钉固定在基座2安装面的右上角。基座2安装面的其他空间可以放置实验装置。这样设计可以使移动平台与实验装置保持同一个水平基准。Y向移动部件4的底板通过内六角螺钉固定在X向移动部件3的拖板上，Z向移动部件6的底板通过联接角铁5与Y向移动部件4的拖板固定。这样Z向移动部件6的拖板由Z向的传动可以实现上下(即Z向)移动，整个Z向移动部件6安装在Y向移动部件4的拖板上，所以通过Y向移动部件4的传动能够实现Z向移动部件6的拖板在空间上的Y向移动。同样，Z向移动部件6的拖板也能够在X向移动部件3的传动作用下实现空间的X向移动。
三坐标精密移动平台的X、Y、Z三个方向的移动部件具有相同结构，都包括各自的传动机构、导向机构、驱动机构、移动位移显示机构。下面以X向移动部件为例说明三坐标精密移动平台在各个方向上的机构设计。
图2是X向移动部件装配图。底板10上有滑动丝杆9和滚动导轨7的安装基准面。滑动丝杆9通过滑动丝杆左支撑8和滑动丝杆右支撑22固定在底板10上。滑动丝杆9和丝杆螺母23组成传动螺旋副。丝杆螺母23通过丝杆螺母与拖板联接板24与拖板14相连接。滚动导轨7通过内六角螺钉直接固定在底板10上。滚动导轨7和滑块13构成直线移动导轨副。滑块13有4只，通过内六角螺钉与拖板14相连。滑动丝杆9的右伸出端为阶梯形光轴。其上固定有容栅传感器和驱动手轮。容栅传感器的静止电极16空套在滑动丝杆9的右端并固定在静止电极固定环15上。静止电极固定环15通过螺钉紧定在滑动丝杆右支撑22的右端面。容栅传感器的转动电极17和手轮18通过开槽沉头螺钉19实现在滑动丝杆9的光轴部分上的轴向固定，通过过盈配合实现周向固定。手柄20的端部有螺纹，直接安装在手轮18上。容栅传感器的转动电极17无需引出线，静止电极16的引出线21从底板10的底部穿过，与液晶显示屏12相连。液晶显示屏12通过显示屏支架11固定在底板10的左端。
X向的移动即拖板14的移动的实现和测量由下面的过程实现。用手摇手柄20引起手轮18和容栅传感器的转动电极17的转动。手轮18和滑动丝杆9固连，所以手轮转动时滑动丝杆9同步转动。在滑动丝杆副的作用下，与丝杆螺母23固连的拖板14沿直线方向移动。拖板14与滑块13固连，靠滚动导轨副导向和支撑。图3是容栅传感器的电极部分构造图。静止电极16分为拾取电极25和驱动电极26，驱动电极26共有四个，360°圆周方向均布，且分别加了等幅、等频和相位差90°的正弦电压。通过转动电极17的电容耦合作用，静止电极16上拾取电极输出电压的变化取决于转动角度。如果手轮18连续转动下去，容栅传感器的测量范围可无限加大。图4是容栅传感器测量显示电路框图。容栅传感器的驱动电极26由二相振荡器的输出信号和其反相信号得到。计算电路是将转动电极和静止电极的圆周方向的相对运动换算成丝杆螺母和拖板的直线运动。拾取电极25的输出电压由缓冲放大器接收放大，然后加在滤波器上，滤掉输出电极拾得的交流声。再经A/D模数转换后通过显示电路由液晶显示屏显示位移数字值。测量计算电路、显示电路等都安装在液晶显示屏内。显示系统采用大号字液晶显示，显示数字5位，前2位为整数部分，后3位为小数部分，单位为毫米，显示范围为00.000～99.999。液晶显示屏系统不仅可以根据需要设置成作绝对测量或相对测量显示，还可以作公英制显示转换。整套容栅传感器的测量显示系统用一节7号干电池作为电源，方便经济。
权利要求
1.一种三坐标精密移动平台，其特征在于由X、Y、Z三个方向的移动部件所组成。其中X向移动部件(3)的底板固定在装有四个调节螺钉(1)的移动平台基座(2)上；Y向移动部件(4)固定在X向移动部件(3)的拖板上；Z向移动部件(6)的底板利用联接角铁(5)固定在Y向移动部件(4)的拖板上。
2.根据权利要求1所述的三坐标精密移动平台，其特征在于X、Y、Z三个方向的移动部件均各自由传动机构、导向机构、移动位移显示机构所构成，所述传动机构由滑动丝杆(9)通过其左右两个支撑(8)与(22)固定在底板(10)上，套装在滑动丝杆(9)上的滑动丝杆螺母(23)通过丝杆螺母与拖板联接板(24)与拖板(14)相连所构成；导向机构由固定在底板(10)上的滚动导轨(7)和四只与拖板(14)相连的滑块(13)所构成；驱动机构的组成是，容栅传感器的静止电板(16)空套在滑动丝杆(9)右端内并固定在安装于滑动丝杆右支撑(22)的静止电极固定环(15)上，容栅传感器的转动电极(17)和装有手柄(20)的手轮(18)固定在滑动丝杆右伸出端的阶梯形光轴上；移动位移显示机构的组成是，经引线(21)与容栅传感器的静止电极(16)相连的液晶显示屏(12)通过显示屏支架(11)固定在底板上(10)上。
全文摘要
一种三坐标精密移动平台，用于机构的精密移动。由X、Y、Z三个方向的移动部件所组成，其中X向移动部件(3)的底板固定在基座(2)上，Y向移动部件(4)固定在X向移动部件(3)的拖板上，Z向移动部件(6)的底板通过联接角铁(5)固定在Y向移动部件(4)的拖板上。三个方向的移动部件均由相同的传动机构即传动机构、导向机构、驱动机构、移动位移显示机构所构成。传动机构由滑动丝杆(9)，左右两个滑动丝杆支撑(8)与(22)，底板(10)，滑动丝杆螺母(23)，拖板(14)所组成。导向机构由滚动导轨(7)，滑块(13)所构成，驱动机构由容栅传感器的静止电极(16)，转动电极(17)，手轮(18)，手柄(20)所构成。本发明能实现X、Y、Z三个方向的精确移动，能作为满足流体测量实验要求用的精密移动平台。
文档编号G01M15/00GK1556369SQ200410013819
公开日2004年12月22日 申请日期2004年1月6日 优先权日2004年1月6日
发明者吉爱红, 汪炜, 黄国平, 梁德旺 申请人:南京航空航天大学