[实用新型]精密机械仪器二维游动力平衡机构

说明书

技术领域

本实用新型涉及精密机械仪器系统力平衡技术领域，更具体地说是一种适用于三维运动工作台垂直方向的力平衡机构。

背景技术

在精密机械仪器的测量部件组成系统中，为了保证整体精度，需要从结构组成和构件精度两方面获取有效措施，其中结构组成是较重要方面。通过分析影响机械系统整体精度的各因素可知，构件的作用力、特别是运动状态下的动态作用力，会对机械的整体精度造成影响。它使测量仪器系统的组成部件产生微位移和微变形，或使整个系统的力平衡状态受到破坏，对精密测量产生不可忽视的测量误差，这对于纳米级测量仪器将会是主要影响因素之一。

目前，在各种精密测量机械的机构组成中，由于整体系统的运动状态不同，所以采用的作用力平衡机构也不同。在精密机械系统中作用力主要有两方面用途：一方面，对于接触式测量测头需要受到一定测力，以使测头接触状态良好，但会导致接触变形，因此要适当控制测力P，使接触面受力变形误差Δs在一定范围(图1所示)；另一方面对于非接触式测量，没有接触变形误差的影响，但对工作台的驱动力大小及方式也有一定要求。驱动力大小要合适，驱动方式要对整个工作台运动需具有力平衡特点。因此精密机械仪器系统的作用力及力平衡机构在其整体系统设计中需全面考虑，以使相应的机构设计合理。

常见的三坐标测量机、精密测长仪及各种测微仪等，均有适用于其自身结构系统的作用力及平衡机构，例如重锤、弹簧及气动力等，但它们均具有其特定的适用性，而且多只适用于一维运动系统。下面以常见的测长仪和三坐标测量机的力平衡系统为例说明。

如图2所示为立式测长仪的力平衡机构，被测件2置于仪器底座1上，测量滑杆3受自重G₁使测头与被测件表面接触。为了使接触力适当，由立柱孔8内可上下运动的重锤7的重力G₂通过滑轮5使两者的作用力平衡，并由附加调整块6来控制被测件表面的接触力P在一定范围内。由于导轨4的支撑位置固定不变，所以这种结构只适用一维运动系统。这种简单的力平衡机构作用可靠，应用普遍，但这种结构不能适用于二维和三维测量仪器。

常用的三坐标测量机力平衡机构一般只平衡其Z轴的重力，平衡方式有重锤式、弹簧式、气压式以及具有补偿功能的复合式力平衡。重锤式的平衡结构与图2所示类似，图3a和图3b所示即为弹簧式力平衡机构，Z轴1的自重由弹簧2的拉力所平衡，这种力平衡机构的体积小，适用性好，但由于弹簧力不可能完全恒定，限制了Z轴的有效行程。为了扩大行程，可增加补偿弹簧力变化的补偿部件。这些弹簧式力平衡机构，其作用力支撑点的位置在Z轴上固定不变，所以也仅适用于一维运动的Z轴自重力平衡。

对于二维或三维的精密工作台，其自身的作用力需要尽可能的消除。图4所示为高精度纳米三坐标测量机，由于采用了“近零阿贝误差”的“331”结构布局，即Z轴激光器6、X轴激光器5和Y轴激光器7的测量线相交于一点，X、Y滑台3的导轨导向面与X轴激光器5和Y轴激光器7的测量线构成的测量面三面共面，且交点与重合面重合，对应设置X轴测量4、Y轴测量靶镜8和Z轴测量靶镜9。测量时，测头1保持不动，工作台2做三维运动，使被测工件与测头接触完成触发采点。测量过程符合“331原则”，即任意测点均满足“零阿贝误差”。

图4所示，工作台2在三维运动时，Z轴方向运动时需要克服工作台2自身重力的影响，工作台必须在较小驱动力的状态下运动，因此Z轴部件需要力平衡机构。此外，还要避免因工作台2在X、Y向运动时，Z轴的平衡力大小和作用力方向发生改变而造成的测量机各处受力不均的现象。由于纳米三坐标测量机的测量精度高，对组成零部件及其运动精度要求也很高，因此对其Z轴力平衡机构提出了基本要求如下：

1、平衡力需与Z轴工作台部件重量近似相等，以保证Z轴驱动力较小；

2、力平衡机构的Z向平衡作用力必须通过Z轴工作台部件重力的重心，以保证Z轴两对称导轨运动的灵活性，不存在绕Z轴方向的扭力矩；

3、Z轴工作台部件做水平方向的二维运动时，力平衡机构需具有二维游动功能，即平衡力机构的支撑点也必须做二维运动，不能存在因平衡力作用方向变化而引起水平面内的作用分力。

但是，对于上述要求，迄今还没有相关结构能够予以实现。

实用新型内容

本实用新型是为了避免现有力平衡系统的不足之处，提供一种精密机械仪器二维游动力平衡机构，以期克服因工作台三维运动而导致系统自身作用力无法平衡的问题。

本实用新型为解决技术问题采用如下的技术方案：

本实用新型精密机械仪器二维游动力平衡机构的特点是：