CN1669800A - 一种将物体精确定位于框架上的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于将框架(2)的开口(3)中的物体(40)相对于沿框架平面方向延伸的平面(平面X－Y)定位在预定位置处的装置，其中，物体(40)包括位于第一侧的第一球截形体和位于与第一侧相反的第二侧的第二球截形体，框架包括至少一个定位机构(5)，该定位机构在放置了物体(40)之后可在第一球截形体处对物体(40)施加在径向和切向上具有分量的力，在物体(40)位于预定位置的情况下切向分力达到最小值，框架还包括定位机构(5)可将第二球截形体压入到其中的凹部(6)。

Description

一种将物体精确定位于框架上的装置
技术领域
本发明涉及一种将框架开口中的物体相对于沿框架平面方向延伸的平面(平面X-Y)定位在预定位置处的装置。
背景技术
从美国专利US-A-5 646 658中已知了一种此类装置，其中墨盒的外表面被压在框架的一个特定表面上，通过位于框架相对面上的弹簧来在与框架垂直的方向上和在墨盒的长度方向上将墨盒压在框架上。通过在与框架平行的方向和与墨盒长度方向垂直的方向上延伸的隔块和定位螺钉来使墨盒对齐。
该装置的缺点是终端用户不得不执行多种操作，并且只有在墨盒定位在第一弹簧和框架之间之后，才能在框架上的与第一弹簧相反的一侧上放置第二弹簧。在施加了第二弹簧之后，必须上紧至少三个螺钉以在Y方向上使墨盒对齐。
发明内容
本发明的目的是提供一种能克服现有技术缺点的装置。
为此，发明了一种如序言所述的装置，其中，物体包括位于第一侧的第一球截形体和位于与第一侧相反的第二侧的第二球截形体，框架包括至少一个定位机构，该定位机构在放置物体之后可在第一球截形体处对物体施加在径向和切向上具有分量的力，在物体位于预定位置的情况下切向分力达到最小值，该框架还包括定位机构可将第二球截形体压入到其中的凹部。
借助本发明，最初可将可拆卸的物体不精确地安装在带有定位机构的框架内。在放置了物体之后，定位机构向物体施加力，使得物体精确地移向预定位置。在此位置中，运动方向上的力达到其最小值，并且定位机构将物体精确地固定在该位置。
显然，根据此原理，定位机构也可安装在要定位的物体上。这可应用在一备选实施例中，其中，框架包括位于第一侧的第一球截形体和位于与第一侧相反的第二侧的第二球截形体，物体包括至少一个定位机构，该定位机构在放置物体之后可在第一球截形体处对物体施加在径向和切向上具有分量的力，在物体位于预定位置的情况下切向分力达到最小值，该物体还包括定位机构可将第二球截形体压入到其中的凹部。
在另一实施例中，框架设有可防止物体沿高度方向(Z方向)运动的辅助机构。这样，物体在定位后不会在动态环境下从框架上松脱，实现了机械稳定性。
在一个实施例中，定位机构是例如弧形板簧的弹性件。它可以传递与偏移方向相反的力，这样，该弹簧可沿所需的方向传递力以将物体移向预定位置。弧形板簧还具有其它的特性，除了如上所述的定向力之外，它也可以传递可将物体压入到框架凹部中的力。
本发明的另一实施例包括包围了超过圆的一半弧长的形状对称的弧形板簧。通过选择对称的板簧，定向力将一直指向所述弹簧的预定平衡方向。通过选择包围了超过圆的一半弧长的弧形板簧，即使在引入物体后发生偏移的情况下也能实现朝向预定位置的纠偏运动。
在本发明的一个实施例中，定位机构与框架形成一个单元，并且由同一工件的机加工而形成。这在整个装置的生产过程中具有优点。通过由相同的母材来制出整个装置，包括定位机构在内的整个框架就可在一次操作中制成。这对定位机构和框架之间的连接的弹性承载能力也具有积极的影响。
根据如前所述的本发明装置应用的一个示例是一种带有托架的印刷机，所述托架用于将托架框架的开口中的印刷头相对于沿托架平面方向延伸的平面(平面X-Y)定位在预定位置，印刷头包括位于第一侧的第一球截形体和位于与第一侧相反的第二侧的第二球截形体，托架框架包括至少一个定位机构，该定位机构在放置物体之后可在第一球截形体处对印刷头施加在径向和切向上具有分量的力，在印刷头位于预定位置的情况下切向分力达到最小值，该框架还包括定位机构可将第二球截形体压入到其中的凹部。
本发明的原理可有利地应用于这种结构，这是因为印刷头的定位精度可在承印物的印刷质量中直接地表现出来。在实际中，在可以得到很高定位精度的精确控制的环境中，印刷头的定位并不经常发生，而是经常由终端用户来操作。借助本发明，通过使用本发明的这种可拆卸印刷头在托架上的不加控制的放置，仍然可以获得高印刷质量所要求的定位精度。
附图说明
下面将参照附图所示的示例来详细地描述本发明。
图1是根据本发明装置的俯视图。
图2是图1所示装置的截去中间部分的放大俯视图。
图3是根据本发明另一实施例的截去中间部分的放大俯视图。
图4是沿图1所示装置中的线III-III的截面透视图，其中该物体是印刷头。
图5显示了沿图1所示装置中的线III-III的截面中的球截形体的一些示例。
图6是图4所示的一套装置的透视图。
图7是图4所示装置的增设有用于物体垂直定位的机构的侧视图。
具体实施方式
图1、2和3是根据本发明的装置1的俯视图，其中物体4精确定位于底架2上。装置1包括物体4可放入到其中的槽3。装置1包括使物体4相对于底架2在物体4的所有六个自由度上精确定位于槽3中的部件，这六个自由度是三个平移运动(在X，Y和Z方向上)和三个旋转运动(在相互垂直的X，Y和Z方向上围绕三个上述轴线)的自由度。装置1设有可释放地将物体4连接到所述底架2上的部件。为了满足再现性及精确性的要求，在该结构中每一个自由度应被精确地固定一次。
为达到此目的，底架2在槽3的顶部处设有对称形状的板簧5。该板簧相对于垂直延伸出图面并穿过线III-III的平面对称。该板簧5例如可用电火花腐蚀的方法制造。在从金属基板中电火花腐蚀出槽3的基本形状之后，在同一母材板中通过电火花腐蚀腐蚀掉板簧5周围的体积。在这个过程中，以高精度除去周围的材料，留下非常精密的对称形状的板簧5。
图1和2显示了板簧5构造成弧形的一个实施例，而在图3中在板簧17中加入了直线部分。
如图1、2和3所示，物体4在两个末端接触面处设有球截形体8和9。这些球截形体在这里构造成形式为压入到物体4中的球体，但是它们也可以通过使物体的侧面例如呈球形、圆柱形或鼓形而制成。在图5a-d中显示了其中的一些示例，其中分别压入了球81、水平定位销82、鼓形物体83和垂直定位销84。
如图1、2和3所示，V形槽6经两个接触点10，11通过底部的球截形体9与物体4接触。这些接触点将在载荷下变形而产生接触面。变形的程度取决于本实施例的材料及构造特性。在下文中，这些位置称为接触点。通过将物体4引入到槽3中，物体4的球截形体8将定位到板簧5上，板簧5变形，使得板簧5对物体4施加了力，该力在板簧5的弧形段的径向和切向上具有方向分量。球截形体8在与板簧5的接触点处所产生的板簧5的径向挠度提供了在图2和3中表示为Fr的弹簧力的径向分力，该径向分力与板簧5的刚度成一定比例。这个径向弹簧力将球截形体9压入到V形槽6中，在这里与底架2的接触形成为两点接触。在图2和3中表示为Ft的切向分力源于板簧5的构造。作为板簧5的对称构造以及选择包围了超过圆的180度弧的弧形段的结果，就可传递出将物体4的中心线精确地压到穿过线III-III的平面内的定向力，这样就将物体4相对于底架2对齐。如果物体4没有正确地对齐放置，将会在与对齐误差方向相反的切向方向上产生切向分力。板簧5会使物体4围绕V形槽6内的球截形体9旋转，直到切向分力消失为止。当物体4在如图1中线III-III所示的通过V形槽6的对称轴线和板簧5的对称轴线的直线长度方向上对齐时，这种情况就会出现。底架2平面内的这些分力通过平移和旋转来精确地定位物体4，六个自由度上的自由被完全固定。
图4是沿图1所示装置中的线III-III的截面透视图，其中该物体是印刷头40。这类印刷头40含有一定量的墨水，尤其可应用在喷墨印刷机中。在印刷头4的底部设有包括多个喷嘴42的喷嘴板41。通过使印刷头40通电来成像，墨滴便可在沿喷嘴移动的接受材料片(未示出)的方向上喷射，从而在接受材料上形成了图像。对于该图像的质量而言，重要的是喷嘴板41应当以非常高的精度平行于接受材料延伸。这可通过以高精度相对于底架2的平面定位印刷头40来实现。在这种印刷头40重复使用时，也必须能得到该精度。通过上述用于在框架上精确定位物体的原理，就可以保证再现性。为了在底架2上得到上述定位，印刷头40设有被压入到其中的球8和9。
在通过印刷头40将图像转印到接受材料上的装置的操作期间，会出现相当大的温差。取决于该过程的阶段，印刷头40会很快加热或很快冷却。由于膨胀系数的不同，在相同的加热和冷却下不同材料的膨胀或收缩不同。在这种条件下为了保持所定位印刷头的正确定位，装置1可设有能够降低温度传导的元件。例如，装置1可在印刷头40和底架2之间的接触点处设有例如陶瓷球截形体和接触面的热绝缘材料，或者在所述元件上施加热绝缘膜。
除了装置1中的用于降低温差的元件之外，装置1还设有用于控制所出现的热膨胀差异的元件。通过在一侧固定住所有方向(X，Y和Z)上的膨胀运动并且在另一侧提供刚度，那么即使存在热膨胀差异，仍可保持印刷头40的定位。例如，在X方向上，V形槽6固定住印刷头40的膨胀，同时板簧5提供了刚度以及膨胀的可能性。
在另一实施例(未示出)中，底架设有上述实施例中的V形槽的球截形体，而印刷头的球截形体由V形槽取代，这样，印刷头通过两个接触点连接到底架上。在另一侧，底架设有球截形体，而印刷头构造成带有板簧，在它们之间设有接触点。
图6显示了在喷墨应用中常见的根据本发明的装置的组合。不同的印刷头40定位于多个槽3中。
在上述实施例中，只固定住六个自由度中的三个，即在底架2平面内的X和Y方向上的两个平移运动，以及围绕与该平面垂直的Z轴的旋转运动。为了能固定住这些自由度，在装置1的下侧设有如图1、2和3所示的接触面34和35。固定物体自由度的方法取决于物体的几何形状。图7显示了固定住印刷头40的这些剩余自由度的一种可能。为了获得在与底架2平面垂直的Z方向上以及在围绕着底架2平面内两个相互垂直的轴线即X和Y方向的旋转方向上的正确定位，在印刷头40的下侧31设有两个光滑的接触面32和33。这些接触面32和33定位在为该目的而设置的位于底架2之上并平行于底架2平面延伸的接触面34和35之上。通过转动可旋转地安装在底架2的支架38和39中的两个螺钉36和37，就可以与底架2的平面垂直的力Fz在接触面50和51处通过螺钉36和37将印刷头40压到接触面34和35上。通过施加该力Fz，就可固定住垂直方向上的平移运动和围绕底架平面内的轴线的两个旋转运动。固定住垂直方向的力优选是Z方向上的单向力。任何能向印刷头4施加这个力Fz的结构都可以用在此处。在本实施例中使用了螺钉，这些螺钉在接触侧设有可自由旋转的球截形体(未示出)。结果，在转动螺钉的过程中无切向分力传递到物体上的螺钉36和37与印刷头40之间的接触点50和51处，所施加的力仅沿着Z方向。
根据如上所述的本发明装置应用的一个示例是一种设有托架的印刷机，所述托架用于将托架框架的槽中的印刷头相对于沿托架平面方向延伸的平面(平面X-Y)定位在预定位置处，印刷头包括位于第一侧的第一球截形体和位于与第一侧相反的第二侧的第二球截形体，托架框架包括至少一个定位机构，该定位机构在放置了印刷头之后可在第一球截形体处对印刷头施加在径向和切向上具有分量的力，在印刷头位于预定位置的情况下切向分力达到最小值，该框架还包括定位机构可将第二球截形体压入到其中的凹部。在本发明的另一实施例中，在上述印刷机中，在托架框架中设有辅助机构，其可防止印刷头在沿框架平面垂直向外的方向(Z方向)上运动。根据本发明印刷机的上述实施例中的定位机构构造成弹性件。在根据本发明的印刷机中，所述弹性件可包括包围了超过圆的一半弧长的对称形状的弧形板簧。该弧形板簧可由根据本发明印刷机中的托架框架的材料制成。
根据本发明印刷机的上述实施例中的凹部可以是圆锥形的或形成为V形槽。
根据如上所述的本发明装置应用的一个示例是一种设有托架的印刷机，所述托架用于将托架框架的槽中的印刷头相对于沿托架平面方向延伸的平面(平面X-Y)定位在预定位置处，托架框架具有位于第一侧的第一球截形体和位于与第一侧相反的第二侧的第二球截形体，印刷头包括定位机构，该定位机构在放置了印刷头之后可在第一球截形体处对印刷头施加在径向和切向上具有分量的力，在印刷头位于预定位置的情况下切向分力达到最小值，该印刷头还包括定位机构可将第二球截形体压入到其中的凹部。在本发明的另一实施例中，在上述印刷机的托架框架中安装了辅助机构，其可防止印刷头在沿框架平面垂直向外的方向(Z方向)上运动。根据本发明印刷机的上述实施例中的定位机构构造成弹性件。
根据本发明印刷机中的弹性件可包括包围了超过圆的一半弧长的对称形状的弧形板簧。根据本发明印刷机中的弧形板簧可由托架框架的材料制成。
根据本发明印刷机的上述实施例中的凹部可以是圆锥形的或形成为V形槽。

Claims (17)

1.一种用于将框架(2)的开口(3)中的物体(4，40)相对于沿框架平面方向延伸的平面(平面X-Y)定位在预定位置处的装置，其特征在于，所述物体(4，40)包括位于第一侧的第一球截形体(8)和位于与所述第一侧相反的第二侧的第二球截形体(9)，所述框架包括至少一个定位机构(5，17)，所述定位机构在放置了所述物体(4，40)之后可在所述第一球截形体(8)处对所述物体(4，40)施加在径向和切向上具有分量的力，在所述物体(4，40)位于所述预定位置的情况下所述切向分力达到最小值，所述框架还包括所述定位机构(5，17)可将所述第二球截形体(9)压入到其中的凹部(6)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述框架(2)包括辅助机构(36，37)，所述辅助机构(36，37)可防止所述物体(4，40)在沿所述框架(2)平面垂直向外的方向(Z方向)上运动。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述定位机构(5，17)包括弹性件。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述弹性件是弧形的板簧。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述弧形的板簧是对称形状的，并且包围了超过圆的一半弧长。
6.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述定位机构(5，17)与所述框架(2)形成一个单元，并且由工件经机加工而形成。
7.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述凹部(6)形成为V形槽。
8.根据权利要求1到6中任一项所述的装置，其特征在于，所述凹部(6)是圆锥形的。
9.一种用于将框架开口中的物体相对于沿框架平面方向延伸的平面(平面X-Y)定位在预定位置处的装置，其特征在于，所述框架包括位于第一侧的第一球截形体和位于与所述第一侧相反的第二侧的第二球截形体，所述物体包括至少一个定位机构，所述定位机构在放置了所述物体之后可在所述第一球截形体处对所述物体施加在径向和切向上具有分量的力，在所述物体位于所述预定位置的情况下所述切向分力达到最小值，所述物体还包括所述定位机构可将所述第二球截形体压入到其中的凹部。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述框架包括辅助机构，所述辅助机构可防止所述物体在沿所述框架平面垂直向外的方向(Z方向)上运动。
11.根据权利要求9或10所述的装置，其特征在于，所述定位机构包括弹性件。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述弹性件是弧形的板簧。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述弧形板簧是对称形状的，并且包围了超过圆的一半弧长。
14.根据权利要求9到13中任一项所述的装置，其特征在于，所述定位机构与所述框架形成一个单元，并且由工件经机加工而形成。
15.根据权利要求9到14中任一项所述的装置，其特征在于，所述凹部形成为V形槽。
16.根据权利要求9到14中任一项所述的装置，其特征在于，所述凹部是圆锥形的。
17.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述物体(4，40)是印刷头。
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