CN104879622A - 一种基于正弦机构的二维线性微动转台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于正弦机构的二维线性微动转台，包括设置在底座平台上的两个底座支柱，底座支柱内设有X轴转台方框，X轴转台方框中设有Z轴转台圆框；X轴转台方框的底部设有X轴平移台，X轴平移台上设有X轴推杆滑块，Z轴转台圆框内设有转台支撑台，转台支撑台上设有与X轴推杆滑块配合的Z轴转动摆杆；底座平台上设有Y轴平移台，Z轴转台圆框的底部设有X轴转动摆杆，Y轴平移台上设有Y轴推杆滑块；X轴转动摆杆和Z轴转动摆杆的末端的形状均为圆球，X轴推杆滑块和Y轴推杆滑块的工作面均为曲面。实现了推杆滑块位移与转动摆杆转动的线性传递关系，利用改进的正弦机构将大量程精密线性移动转化为大量程精密转动。

Description

一种基于正弦机构的二维线性微动转台

技术领域

本发明涉及特殊曲面一种基于正弦机构的二维线性微动转台，能够实现线性精密转动。

背景技术

传统的转台由齿轮减速后带动涡轮蜗杆副使工作台转动，这种方法往往会带来反向间隙和传动间隙，齿轮啮合的齿侧间隙也会对转动精度带来影响。若实现高精度的小转角线性转动，还需要齿轮的齿数足够多。此外，齿轮加工刀具众多，由此方法制造的转台制造复杂、价格昂贵。而同一精度级别的直线平移台制造相对容易，由此考虑利用正弦机构将直线平移台的直线运动转化为轴向转动，由此原理制造出的转台能够实现达到设计要求的精密转动。正弦机构是将曲柄滑块机构中的转动副变为移动副而构成的基本传动机构，通过正弦机构可以将直线往复运动转化为圆周运动，然而正弦机构的传动比随转角的改变呈非线性变化，这对于要求提供线性角位移的高精密转台在原理上就出现了障碍。正弦机构的传动比随转角的改变呈非线性变化，造成正弦机构的原理误差。在正弦机构制成的长度计量仪器中，仪表度盘是按线性刻度的，这就引起仪表的示数误差，由于是机构原理造成的误差，该误差无法通过提高构件精度消除。在实际设计生产中，可采取调整摆杆长度的方法来减小原理误差，但这种方法无法消除误差，只能缩小误差。采用电控装置的误差补偿也可减小因正弦机构原理误差带来的转台转动误差，但这种方法需要多次试验才能得到位移误差补偿函数，并需要编程实现。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于正弦机构的二维线性微动转台，利用正弦机构将大量程精密线性移动转化为大量程精密转动，通过增大正弦机构的传动比获得转台的高灵敏度，提高了精密仪器仪表的精度。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于正弦机构的二维线性微动转台，包括底座平台，所述底座平台上左右对称的设有两个底座支柱，两个底座支柱内设有X轴转台方框，所述X轴转台方框中设有Z轴转台圆框；所述X轴转台方框的底部设有X轴平移台和第一弹簧固定块，所述X轴平移台上设有X轴推杆滑块，所述Z轴转台圆框内设有转台支撑台，所述转台支撑台上设有与所述X轴推杆滑块配合的Z轴转动摆杆，所述Z轴转动摆杆与所述第一弹簧固定块之间设有第一弹簧，所述第一弹簧为所述Z轴转动摆杆提供预紧力；所述底座平台上设有Y轴平移台，所述Z轴转台圆框的底部设有X轴转动摆杆，所述Y轴平移台上设有Y轴推杆滑块，一个底座支柱上设有第二弹簧固定块，所述Y轴平移台与所述第二弹簧固定块之间设有第二弹簧，所述第二弹簧为所述X轴转动摆杆提供预紧力；所述X轴转动摆杆和所述Z轴转动摆杆的末端的形状均为圆球，所述X轴推杆滑块和所述Y轴推杆滑块的工作面均为曲面；所述X轴平移台、X轴推杆滑块及Z轴转动摆杆构成第一正弦机构，该第一正弦机构中；所述Y轴平移台、Y轴推杆滑块及X轴转动摆杆构成第二正弦机构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出的基于正弦机构的二维线性微动转台，将精密平移台的直线运动转化为转台的圆周转动，实现敏度高的转台设计。

本发明中，推杆滑块、平移台及转动摆杆共同组成的正弦机构，将传统正弦机构推杆换做符合设计要求的推杆滑块，能够从原理上消除非线性误差，实现转台的线性微转动。实际应用中根据需要可将一维转台组合使用，从而得到多轴转台。

附图说明

图1是本发明基于正弦机构的二维线性微动转台的轴测图；

图2-1是图1所示二维线性微动转台Y向视图；

图2-2是图2-1中所示A-A位置剖视图；

图3-1是图1所示二维线性微动转台俯视图；

图3-2是图3-1中所示B-B位置剖视图；

图4是图2-2中所示Y轴推杆滑块结构示意图。

图中：

1-底座支柱         2-X轴平移台        3-Y轴平移台

4-X轴转台内框      51-第一弹簧        52-第二弹簧

53-第一弹簧固定块  54-第二弹簧固定块  6-转台支撑台

7-Z轴转台圆框      8-Y轴推杆滑块      9-X轴转动摆杆

10-Z轴转动摆杆     11-底座平台        12-X轴推杆滑块

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述。

如图1、图2-1、图2-2、图3-1和图3-2所示，本发明一种基于正弦机构的二维线性微动转台，包括底座平台11，所述底座平台11上左右对称的设有两个底座支柱1，两个底座支柱1内设有X轴转台方框4，所述X轴转台方框4中设有Z轴转台圆框7。

所述X轴转台方框4的底部设有X轴平移台2和第一弹簧固定块53，所述X轴平移台2上设有X轴推杆滑块12，所述Z轴转台圆框7内设有转台支撑台6，所述转台支撑台6上设有与所述X轴推杆滑块12配合的Z轴转动摆杆10，所述Z轴转动摆杆10与所述第一弹簧固定块53之间设有第一弹簧51，所述第一弹簧51为所述Z轴转动摆杆10提供预紧力；所述X轴平移台2、X轴推杆滑块12及Z轴转动摆杆10构成第一正弦机构。结合正弦机构原理，X轴平移台2的直线运动驱动Z轴转动摆杆10的圆周转动，实现Z轴精密微转动。

所述底座平台11上设有Y轴平移台3，所述Z轴转台圆框7的底部设有X轴转动摆杆9，所述Y轴平移台3上设有Y轴推杆滑块8，一个底座支柱1上设有第二弹簧固定块54，所述Y轴平移台3与所述第二弹簧固定块54之间设有第二弹簧52，所述第二弹簧52为所述X轴转动摆杆9提供预紧力，所述Y轴平移台3、Y轴推杆滑块8及X轴转动摆杆9构成第二正弦机构，Y轴平移台3的直线运动驱动X轴转动摆杆9的圆周转动，实现X轴精密微转动。

本发明中的第一弹簧51和第二弹簧52分别为所述Z轴转动摆杆10和所述X轴转动摆杆9提供一定的预紧力，以保证X轴平移台2、Y轴平移台3正向、反向运动时均可将直线运动传递给转动摆杆，防止平移台的回程间隙。

由于正弦机构的原理误差造成其传动比并不恒定，本发明中利用推杆滑块顶端工作曲面来代替正弦机构中传统推杆的工作平面，在第一正弦机构中，所述Z轴转动摆杆10的末端的形状均为圆球，所述X轴推杆滑块12的工作面均为曲面；即，所述Z轴转动摆杆10的一端与所述转台支撑台6固定，所述Z轴转动摆杆10的另一端为一恒定曲率半径的圆球。第二正弦机构中，所述X轴转动摆杆9的末端的形状均为圆球，所述Y轴推杆滑块8的工作面均为曲面；即，所述X轴转动摆杆9的一端与所述Z轴转台圆框7固定，所述X轴转动摆杆9的另一端为一恒定曲率半径的圆球。

本发明中，转动摆杆前端装有一曲率恒定的球体，推杆滑块工作面与转动摆杆工作面均为曲面，两曲面点接触，在运动中，由于两曲面接触点随时变化，等效摆杆长度也随时变化，利用运动学原理即可推算出推杆工作曲面与摆杆工作曲面接触点的方程，此方程即为推杆滑块工作曲面的方程。通过现代数控加工技术，即可加工出本发明中提出的符合设计要求的推杆滑块，最终得到传动比固定的正弦机构。本发明中改进的正弦机构可实现摆杆在半平面范围内180°的转角与推杆往复直线运动的高精度转换，将精密平移台的高精度直线运动转化为转台的高精度线性转动，实现微动转台的线性转动。

本发明将推杆滑块工作面设计为曲面，用该曲面来代替正弦机构中传统推杆的工作平面，能够从原理上消除正弦机构的原理误差。转动摆杆前端装有一曲率恒定的圆球，推杆滑块工作曲面与转动摆杆工作面均为曲面，两曲面点接触，在运动中，由于两曲面接触点随时变化，等效转动摆杆长度R也随时变化，用等效转动摆杆长度R、摆杆实时转角、摆杆工作曲面的曲率半径，即可推算出推杆滑块工作曲面与转动摆杆工作曲面接触点的方程，此方程即为推杆滑块顶端工作曲面的方程。

本发明中，所述X轴推杆滑块12工作面的方程与所述Y轴推杆滑块8工作面的方程相同。如图4所示，以Y轴推杆滑块8为例，所述Y轴推杆滑块8工作面的方程如下：

其中，r为X轴转动摆杆9末端圆球半径，R为X轴转动摆杆9的等效杆长；如图4所示，xoy坐标是以Y轴推杆滑块工作面最高点为原点o的坐标系，oy与Y轴平移台3运动方向一致。

此当Y轴推杆滑块8和X轴推杆滑块12为主动件时，两个正弦机构的传动比均为i＝1/R，根据转台单步最小转角选定式中转动摆杆等效杆长R和转动摆杆末端圆球半径r。将选定的转动摆杆等效杆长R和转动摆杆末端圆球的半径r输入数控机床，即可加工出推杆滑块8、12的工作曲面。将Y轴推杆滑块8安装到Y轴平移台3上，将X轴推杆滑块12安装到X轴平移台2上，保证oy轴与精密平移台2、3的运动方向一致，从而实现固定转动比的正弦机构，最终得到基于正弦机构的二维线性微动转台。

本发明中的正弦机构的传动比固定，且由转动摆杆等效杆长R决定。利用公式导出推杆滑块工作曲面的形状方程，输入数控加工加床，即可加工出本发明中提出的符合设计要求的推杆滑块。实现了推杆滑块位移与转动摆杆转动的线性传递关系，同时也实现了推杆滑块线速度与转动摆杆角速度的线性传递关系。利用改进的正弦机构将大量程精密线性移动转化为大量程精密转动，通过增大改进的正弦机构传动比获得转台的高灵敏度，提高了精密仪器仪表的精度。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种基于正弦机构的二维线性微动转台，包括底座平台(11)，所述底座平台(11)上左右对称的设有两个底座支柱(1)，其特征在于，两个底座支柱(1)内设有X轴转台方框(4)，所述X轴转台方框(4)中设有Z轴转台圆框(7)；

所述X轴转台方框(4)的底部设有X轴平移台(2)和第一弹簧固定块(53)，所述X轴平移台(2)上设有X轴推杆滑块(12)，所述Z轴转台圆框(7)内设有转台支撑台(6)，所述转台支撑台(6)上设有与所述X轴推杆滑块(12)配合的Z轴转动摆杆(10)，所述Z轴转动摆杆(10)与所述第一弹簧固定块(53)之间设有第一弹簧(51)，所述第一弹簧(51)为所述Z轴转动摆杆(10)提供预紧力；

所述底座平台(11)上设有Y轴平移台(3)，所述Z轴转台圆框(7)的底部设有X轴转动摆杆(9)，所述Y轴平移台(3)上设有Y轴推杆滑块(8)，一个底座支柱(1)上设有第二弹簧固定块(54)，所述Y轴平移台(3)与所述第二弹簧固定块(54)之间设有第二弹簧(52)，所述第二弹簧(52)为所述X轴转动摆杆(9)提供预紧力；

所述X轴转动摆杆(9)和所述Z轴转动摆杆(10)的末端的形状均为圆球，所述X轴推杆滑块(12)和所述Y轴推杆滑块(8)的工作面均为曲面；

所述X轴平移台(2)、X轴推杆滑块(12)及Z轴转动摆杆(10)构成第一正弦机构；所述Y轴平移台(3)、Y轴推杆滑块(8)及X轴转动摆杆(9)构成第二正弦机构。

2.根据权利要求1所述的一种基于正弦机构的二维线性微动转台，其特征在于：所述Z轴转动摆杆(10)的一端与所述转台支撑台(6)固定，所述Z轴转动摆杆(10)的另一端为一恒定曲率半径的圆球。

3.根据权利要求1所述的一种基于正弦机构的二维线性微动转台，其特征在于：所述X轴转动摆杆(9)的一端与所述Z轴转台圆框(7)固定，所述X轴转动摆杆(9)的另一端为一恒定曲率半径的圆球。

4.根据权利要求1至3中任一所述的一种基于正弦机构的二维线性微动转台，其特征在于：所述Y轴推杆滑块(8)工作面的方程如下：

其中，r为X轴转动摆杆(9)末端圆球半径，R为X轴转动摆杆的等效杆长；xoy坐标是以Y轴推杆滑块工作面最高点为原点o的坐标系，oy与Y轴平移台(3)运动方向一致。

5.根据权利要求4所述的一种基于正弦机构的二维线性微动转台，其特征在于：所述X轴推杆滑块(12)工作面的方程与所述Y轴推杆滑块(8)工作面的方程相同。