TW201332700A - 雙肘節式移動平台結構 - Google Patents

Abstract

一種雙肘節式移動平台結構，係包括一基座、一馬達、一滾珠螺桿、一線性滑軌、一第一肘節連桿、一第二肘節連桿、一導軌及一工作台。其中，該第二肘節連桿之一端係接設於該第一肘節連桿上，另一端再與該工作台相連接，該第二肘節連桿與該第一肘節連桿連接處，係經過組態優化設計後，相較原有雙肘節式移動平台結構所使用的佔地面積小，且該工作台的移動行程大且進給時的解析度差異小，以作為最佳化加工區域之參考。

Description

雙肘節式移動平台結構

本案係屬於微型加工機所使用的移動平台的領域，尤指一種經過優化設計，且有佔地面積小、行程大及進給解析度差異小的雙肘節式移動平台結構。

按，精密加工機械係工業發展的重要基礎，也是製造產業升級的主要關鍵，台灣為全球工具機的重要生產國，面對各種電子、通訊、光學、醫療等相關產品的微小化趨勢，以及對於加工精度的要求，相對作為製造之工具機也必須持續升級，以滿足各種產業的需求。

一般而言，工具機要求的不外乎加工精度，而會影響到工具機的加工精度之主要誤差來源，大致上可分為四類：

(1)幾何誤差(Geometric errors)，其係工具機於製造及組裝所引起。

(2)運動誤差(Kinematic errors)，騎主要是因為傳動機構不良所導致。

(3)熱膨脹所導致的誤差(Thermal induced errors)，因主軸溫升或者環境溫度變化所引起。

(4)動態誤差(Dynamic errors)，由動態負荷所引起。

一般傳統序列式移動平台結構於加工時所使用之一移動平台，其進給解析度係隨著伺服端的驅動系統(簡稱伺服系統)精度而改變，因而可知，該移動平台之進給解析度係受限於伺服系統的精度；而，肘節式移動平台結構係透過單連桿或多連桿以驅動該移動平台，利用其間的三角幾何關係而放大了伺服系統的進給解析度，故具有低成本、高精度等優勢，使得該移動平台之進給解析度不再侷限於伺服系統的精度。

一般單肘節式移動平台運動時，該移動平台的進給解析度係隨著肘節連桿角度變化而改變，其進給解析度的差異大，故藉由兩組單肘節式移動平台作串聯而形成之一雙肘節式移動平台，可使該移動平台的進給解析度差異大幅縮小，相較於單肘節式移動平台或序列式移動平台之結構，更能符合以低成本達到高精度之需求。請參閱第1圖，係為習知雙肘節式移動平台的結構示意圖。如圖中所示，該雙肘節式移動平台1係包括一基座11、一馬達12、一滾珠螺桿13、一線性滑軌14、一第一肘節連桿15、一第二肘節連桿16、一導軌17及一工作台18。其中該馬達12係設於該基座11一側，該滾珠螺桿13之一端係與該馬達12相連接，且該滾珠螺桿13上設有一螺桿台131，該線性滑軌14係設於該基座11上且與該滾珠螺桿13相互垂直設置，該線性滑軌14上係設有一移動塊141，該移動塊141上係設有一第一固定連接點1411及一第二固定連接點1412，且該第一固定連接點1411及該第二固定連接點1412係併排設置，且二者所連接成之連接線係與該線性滑軌14相垂直，該第一肘節連桿15係具有一第一連接部151及一第二連接部152，該第一連接部151係連接設於該螺桿台131上，該第二連接部152係連接設於該第一固定連接點1411上，該第二肘節連桿16係具有一第三連接部161及一第四連接部162，該第三連接部係161連接設於該第二固定連接點1412上，該導軌17係成對設置於該基座11上且分別與該線性滑軌14相互垂直，並與該滾珠螺桿13呈平行設置，該工作台18係活動設於該導軌17上且與該第四連接部162相連接。利用該第一肘節連桿15及該第二肘節連桿16之工作角度的互補作用，使該馬達12的進給解析度變化較趨於平緩，而有進給解析度差異較小之優勢。

但是，由於一般單肘節式移動平台或雙肘節式移動平台之機構設計，為使該加工平台18能夠達到要求的工作行程，必須進一步加長該等肘節連桿的長度，即該等肘節連桿的長度係影響整體機台大小的主要因素，由於不同的該等肘節連桿長度會影響整體機台之佔地面積，若該等肘節連桿的長度越長，雖可固定的工作角度範圍內提供較大行程之移動量，但也同時影響該滾珠螺桿13與該移動平台18間的距離，所需要之該基座11尺寸也就越大。因此，在與能夠產生相同工作行程之序列式移動平台結構相比，其整體機台的體積和佔地面積都增加約2.5至3倍大，是故，欲如何設計出符合小空間、大行程、解析度差異小等需求的雙肘節式移動平台結構，一直是業界人士努力追求的目標。

有鑑於此，本發明人係藉由改變該等肘節連桿的連接方式，並透過機構的組態優化設計，進而開發出一種具有佔地面積小、大行程及解析度差異小等優點的雙肘節式移動平台結構，經過實際切削而驗證出該全新設計之雙肘節式移動平台結構的性能，確實能夠應用在未來的精微製造上。

本發明之一目的，旨在提供一種雙肘節式移動平台結構，透過改變一第一肘節連桿與一第二肘節連桿之間的連接位置，除利用該第一肘節連桿帶動該第二肘節連桿進行移動外，而能加大一工作台的移動行程。

本發明之次一目的，旨在提供一種雙肘節式移動平台結構，俾利用實驗獲得該二肘節連桿之間的長度比例關係，使得該工作台的移動行程加大，其整體的佔地面積有效縮減，且該工作台進給時的解析度差異小，進而縮減機台整體之體積及佔用空間，大幅提昇產品的實用性及應用範圍。

本發明之另一目的，旨在提供一種雙肘節式移動平台結構，俾增加一光學計量裝置，以供準確檢測一工作台之移動量。

為達上述目的，本發明之雙肘節式移動平台結構係包括：一基座；一馬達，設於該基座一側；一滾珠螺桿，設於該基座上，其一端係與該馬達相連接，該滾珠螺桿上設有一螺桿台；一線性滑軌，設於該基座上且與該滾珠螺桿相互垂直設置，該線性滑軌上係設有一移動塊；一第一肘節連桿，係為長度L ₁之桿體且具有一第一連接部及一第二連接部，該第一連接部係連接設於該螺桿台上，該第二連接部係連接設於該移動塊上，該第一肘節連桿上係設有一固定連接點，該固定連接點與該第二連接部之距離a，且該第一肘節連桿之工作角度範圍為[θ_{1 a} ，θ_{1 b} ]，θ_{1 a} 係指該第一肘節連桿之起始角度，θ_{1 b} 係指該第一肘節連桿之停止角度；一第二肘節連桿，係為長度L ₂之桿體且具有一第三連接部及一第四連接部，該第三連接部係連接設於該固定連接點上，且該第二肘節連桿之工作角度範圍為[θ_{2 a} ，θ_{2 b} ]，θ_{2 a} 係指該第二肘節連桿之起始角度，θ_{2 b} 係指該第二肘節連桿之停止角度；一導軌，設於該基座上且與該線性滑軌相互垂直，並與該滾珠螺桿呈平行設置；及一工作台，活動設於該導軌上且與該第四連接部相連接，該工作台移動之行程量為D _W ，且D _W =|L ₂(sinθ_{2 b} -sinθ_{2 a} )+a(cosθ_{1 b} -cosθ_{1 a} )|。再者，該馬達係選自如步進馬達或伺服馬達其中之一者。另外，該第一肘節連桿及該第二肘節連桿之工作角度範圍均小於90度，亦即|θ_{1 a} -θ_{1 b} |<90°，|θ_{2 a} -θ_{2 b} |<90°。

據此，透過改變該第一肘節連桿及該第二肘節連桿之該固定連接點的位置，而可在該第一肘節連桿不增加長度的前提下，亦即佔地面積不擴大的情況下，增加該工作台的移動行程量，且其進給解析度亦不會造成太大的差異，如維持相同行程下，大幅縮短該第一肘節連桿之長度，則可用來減少其佔地面積。因此，相較於習知雙肘節式移動平台，本發明之該雙肘節式移動平台之該工作台進給時的解析度變化差異較小，且具有小空間及大行程等優點。

其中，該固定連接點距該第二連接部之距離a，且a必須小於L ₁-L ₂。因此，當該固定連接點與該第一肘節連桿之該第一連接部的距離越遠，也就是a值越大時，該工作台的總位移量也越多。應注意的是，如該固定連接點與該第一連接部的距離a大於L ₁-L ₂，則會使得該第二肘節連桿在組裝完成後，其佔地面積超過該第一肘節連桿的工作範圍，雖可增加該移動平台的加工行程移動量，但卻會導致佔地面積擴大而浪費更多空間。

其中，該第四連接部移動軌跡與該螺桿台移動軌跡之間距為h，該第二肘節連桿的停止角度θ_{2 b} =cos^-1 ，h且不僅與該第一肘節連桿及該第二肘節連桿的長度及其工作角度範圍有關，進一步也與本發明的佔地面積息息相關。

於一實施例中，本發明之該雙肘節式移動平台結構更具有一光學計量裝置，而設置於該導軌一側，供以檢測該工作台進給時的移動量，並作為控制該馬達驅動該滾珠螺桿的進給量依據。

為使　貴審查委員能清楚了解本發明之內容，謹以下列說明搭配圖式，敬請參閱。

請參閱第2、3、4、5圖，係為本發明較佳實施例的結構示意圖、上視圖及各個肘節連桿的作動狀態示意圖。如圖中所示，本發明之雙肘節式移動平台2係包括一基座21、一馬達22、一滾珠螺桿23、一線性滑軌24、一第一肘節連桿25、一第二肘節連桿26、一導軌27及一工作台28。

其中該基座21係一金屬平板材料，其一側係形成有一第一容置槽211，且於中央位置形成有一第二容置槽212，該基座21之表面並設有複數個固定孔213。

該馬達22係選自如步進馬達或伺服馬達其中之一者，且該馬達22設於該基座21一側。

該滾珠螺桿23係設於該基座21之該第一容置槽211內，該滾珠螺桿23一端與該馬達22相連接，於該滾珠螺桿23上設有一螺桿台231，該馬達22運轉時，可帶動該滾珠螺桿23正向或反向轉動，並使得該螺桿台231於該滾珠螺桿23上往復線性移動。

該線性滑軌24係設於該基座21之該第二容置槽212內，且與該滾珠螺桿23呈相互垂直設置，該線性滑軌24上係設有一移動塊241，該移動塊241係於該線性滑軌24作往復的線性移動。

該第一肘節連桿25係為長度L ₁之桿體，該第一肘節連桿25之二端分別具有一第一連接部251及一第二連接部252，其中該第一連接部251係連接設於該螺桿台231上，該第二連接部252係連接設於該移動塊241上，且該第一肘節連桿25上係設有一固定連接點253，該固定連接點253與該第二連接部252之距離a，且該第一肘節連桿25之工作角度範圍為[θ_{1 a} ,θ_{1 b} ]，θ_{1 a} 係指該第一肘節連桿25之起始角度，θ_{1 b} 係指該第一肘節連桿25之停止角度。應注意的是，該第一肘節連桿之工作角度範圍係小於90度，亦即|θ_{1 a} -θ_{1 b} |<90°。

該第二肘節連桿26係為長度L ₂之桿體，該第二肘節連桿26之二端係分別具有一第三連接部261及一第四連接部262，該第三連接部261係連接設於該固定連接點253上，且該第二肘節連桿26之工作角度範圍為[θ_{2 a} ，θ_{2 b} ]，θ_{2 a} 係指該第二肘節連桿26之起始角度，θ_{2 b} 係指該第二肘節連桿26之停止角度。應注意的是，該第二肘節連桿之工作角度範圍係小於90度，亦即|θ_{2 a} -θ_{2 b} |<90°，且該固定連接點253距該第二連接部252之距離a，且a必須小於L ₁-L ₂。

該導軌27係成對設置於該基座21上，且分別位於對應該工作台28的移動範圍；該導軌27係包括一對支架271、一對鷲形滑軌272及複數個鷲形滑塊273，其中該對支架271係鎖固於該基座21之該等固定孔213內，且該其中一支架271係跨置於該第一肘節連桿25上方，而該對鷲形滑軌272係設於該對支架271上，並將該等鷲形滑塊273分別活動設置於該對鷲形滑軌272上，而可進行限位的線性移動；該導軌27係與該線性滑軌24相互垂直，並與該滾珠螺桿23呈平行設置。

該工作台28係設於該等鷲形滑塊273上，而能在該對鷲形滑軌272上往復線性移動，且該工作台28之底面係與該第四連接部262相連接，該工作台28移動之行程量為D _W ，且D _W =|L ₂(sinθ_{2 b} -sinθ_{2 a} )+a(cosθ_{1 b} -cosθ_{1 a} )|。再者，該第四連接部移動軌跡與該螺桿台移動軌跡之間距為h，該第二肘節連桿的停止角度θ_{2 b} =cos^-1 ，由此可見，該h值不僅與該第一肘節連桿25及該第二肘節連桿26的長度，以及工作角度範圍有關，進一步也與本發明的佔地面積息息相關

另外，本發明之該雙肘節式移動平台結構2，更具有一光學計量裝置29，而設置於該導軌27一側，供以檢測該工作台28的移動量，並作為控制該馬達22驅動該滾珠螺桿23的進給量依據。

請一併參閱第1~5及6圖，係為習知與本發明較佳實施例之該工作台進給時的解析度比較圖。圖中所示之粗線係為本發明較佳實施例之該雙肘節式移動平台2的該螺桿台231位置與該工作台28之進給解析度的線形，細線係為習知雙肘節式移動平台1的該螺桿台131位置與該工作台18進給時的解析度之線形。因此，由圖中可知，習知雙肘節式移動平台1為了達到與本發明之該雙肘節式移動平台2相同的加工行程，以及相同的佔地面積大小要求，因此，該兩種雙肘節式移動平台1、2如下表所示，

由表中可看出習知之雙肘節式機構平台1在此連桿組合搭配下，該工作台18的加工行程雖然與本發明之該雙肘節式移動平台2相同，但該第二肘節連桿16的工作角度範圍也因而增加許多，因此該工作台18在移動過程中速度變化差異較明顯，加速度的改變也較大，而導致該工作台18的最佳與最差進給解析度相差5倍之大，且進給時的平均解析度亦達到0.34 μm。反觀本發明之該雙肘節式移動平台2則因改變該第一肘節連桿25及第二肘節連桿26間之該固定連接點253的位置，使該螺桿台231進行移動的過程中，該固定連接點253的水平方向之位移a(cosθ_{1 b} -cosθ_{1 a} )增加了該工作台28的移動量，故該第二肘節連桿26的工作角度範圍較小，相對而言，該工作台28進給時的解析度也較佳，明顯優於習知之該雙肘節式移動平台1的組態，故能獲得組態優化之功效，設計者更可根據此一原則進行設計，不論是等比例放大或縮小，均運用此一規則，大幅提昇後續設計時的彈性空間。

綜上，經由上述分析比較後，本發明係透過改變該第一肘節連桿25及該第二肘節連桿26之間的固定連接點253位置，來進行整體組態之優化設計，其結果係於該第一肘節連桿25及第二肘節連桿26長度不變，相當於佔地面積不改變的情況下，大幅增加該工作台28之加工行程。或可利用在保有相同的工作行程且解析度變化更趨於平穩的情況下，有效縮短該第一肘節連桿25的長度，進而減少佔地面積。抑或是與該習知雙肘節式移動平台相同的參數條件下，而獲得較佳之該工作台28的進給解析度；綜合上述，而得知本發明之該雙肘節式移動平台2係有小空間、大行程及進給時的解析度差異小等優點，更可將該雙肘節式移動平台的設計方式應用於精微工具機的三軸向，而大幅提昇雙肘節式精微工具機組態優化的效果。

唯，以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明實施之範圍，故此等熟習此技術所作出等效或輕易的變化者，在不脫離本發明之精神與範圍下所作之均等變化與修飾，皆應涵蓋於本發明之專利範圍內。

【習知】

1．．．雙肘節式移動平台

11．．．基座

12．．．馬達

13．．．滾珠螺桿

131．．．螺桿台

14．．．線性滑軌

141．．．移動塊

1411．．．第一固定連接點

1412．．．第二固定連接點

15．．．第一肘節連桿

151．．．第一連接部

152．．．第二連接部

16．．．第二肘節連桿

161．．．第三連接部

162．．．第四連接部

17．．．導軌

18．．．工作台

【本創作】

2．．．雙肘節式移動平台

21．．．基座

211．．．第一容置槽

212．．．第一容置槽

213．．．固定孔

22．．．馬達

23．．．滾珠螺桿

231．．．螺桿台

24．．．線性滑軌

241．．．移動塊

25．．．第一肘節連桿

251．．．第一連接部

252．．．第二連接部

253．．．固定連接點

26．．．第二肘節連桿

261．．．第三連接部

262．．．第四連接部

27．．．導軌

271．．．支架

272．．．鷲形滑軌

273．．．鷲形滑塊

28．．．工作台

29．．．光學計量裝置

第1圖，為習知雙肘節式移動平台的結構示意圖。

第2圖，為本發明較佳實施例的結構示意圖。

第3圖，為本發明較佳實施例的上視圖。

第4圖，為本發明較佳實施例之各個肘節連桿的作動狀態示意圖(一)。

第5圖，為本發明較佳實施例之各個肘節連桿的作動狀態示意圖(二)。

第6圖，為本發明較佳實施例與習知之該工作台的進給解析度比較圖。

2．．．雙肘節式移動平台

21．．．基座

211．．．第一容置槽

212．．．第一容置槽

213．．．固定孔

22．．．馬達

23．．．滾珠螺桿

231．．．螺桿台

24．．．線性滑軌

241．．．移動塊

25．．．第一肘節連桿

251．．．第一連接部

252．．．第二連接部

253．．．固定連接點

26．．．第二肘節連桿

261．．．第三連接部

262．．．第四連接部

28．．．工作台

Claims (8)

1. 一種雙肘節式移動平台結構，其包括：一基座；一馬達，設於該基座一側；一滾珠螺桿，設於該基座上，其一端係與該馬達相連接，該滾珠螺桿上設有一螺桿台；一線性滑軌，設於該基座上且與該滾珠螺桿相互垂直設置，該線性滑軌上係設有一移動塊；一第一肘節連桿，係為長度L ₁之桿體且具有一第一連接部及一第二連接部，該第一連接部係連接設於該螺桿台上，該第二連接部係連接設於該移動塊上，該第一肘節連桿上係設有一固定連接點，該固定連接點與該第二連接部之距離a，且該第一肘節連桿之工作角度範圍為[θ_{1 a} ，θ_{1 b} ]，θ_{1 a} 係指該第一肘節連桿之起始角度，θ_{1 b} 係指該第一肘節連桿之停止角度；一第二肘節連桿，係為長度L ₂之桿體且具有一第三連接部及一第四連接部，該第三連接部係連接設於該固定連接點上，且該第二肘節連桿之工作角度範圍為[θ_{2 a} ，θ_{2 b} ]，θ_{2 a} 係指該第二肘節連桿之起始角度，θ_{2 b} 係指該第二肘節連桿之停止角度；及一導軌，設於該基座上且與該線性滑軌相互垂直，並與該滾珠螺桿呈平行設置；一工作台，活動設於該導軌上且與該第四連接部相連接，該工作台移動之行程量為D _W ，且D _W =|L ₂(sinθ_{2 b} -sinθ_{2 a} )+a(cosθ_{1 b} -cosθ_{1 a} )|。
2. 如申請專利範圍第1項所述之雙肘節式移動平台結構，其中，該第一肘節連桿及該第二肘節連桿之工作角度範圍均小於90度，亦即|θ_{1 a} -θ_{1 b} |<90°，|θ_{2 a} -θ_{2 b} |<90°。
3. 如申請專利範圍第1項所述之雙肘節式移動平台結構，其中，該第一肘節連桿工作角度範圍[θ_{1 a} ,θ_{1 b} ]為85°～50°，該第二肘節連桿工作角度範圍[θ_{2 a} ，θ_{2 b} ]為50°～67°，該第一肘節連桿之長度L ₁為210單位長，該第二肘節連桿長(L ₂)為174單位長，該固定連接點距該第二連接部之距離a為25單位長，而獲得該工作台移動之行程量為D _W =40單位長。
4. 如申請專利範圍第3項所述之雙肘節式移動平台結構，其中，該單位長係為1 mm。
5. 如申請專利範圍第1項所述之雙肘節式移動平台結構，其中，該固定連接點距該第二連接部之距離a，且a必須小於L ₁-L ₂。
6. 如申請專利範圍第1項所述之雙肘節式移動平台結構，其中，該第四連接部移動軌跡與該螺桿台移動軌跡之間距為h，該第二肘節連桿的停止角度θ_{2 b} =cos^-1 。
7. 如申請專利範圍第1項所述之雙肘節式移動平台結構，其中，該馬達係選自如步進馬達或伺服馬達其中之一者。
8. 如申請專利範圍第1項所述之雙肘節式移動平台結構，更具有一光學計量裝置，而設置於該導軌一側，供以檢測該工作台的移動量。