模塊化多維直線運動機電平臺

馬俊林，沙 歐，鄭黎明

（中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130000）

0 引言

光機電產品在人們的日常生活，在航天航空產品，在工業生產和檢測中的應用越來越廣泛。光機電產品水平已經時一個國家工業基礎能力的重要標志之一[1]。調焦機構作為光機產品必不可少的功能機構，越來越受到人們的普遍重視，它直接影響光測設備的測量結果[2]。調焦或叫對焦、聚焦是改變鏡頭光心到底片平面的距離以獲得本物體清晰像的調節過程。實現這一功能必須引入直線運動，也就是說需要一個直線運動作為該功能的載體。而對于大多數獨立光學機構來說，直線運動平臺是調焦的主要機械載體。很多光機產品不僅需要在一維方向上調焦，往往需要在二維，甚至三維空間上進行調焦，這樣就需要該直線運動平臺不僅可以在一個方向上做直線運動，也需要在二個甚至三個方向上做直線運動。本文提出的模塊化多維直線運動機電平臺，很好的解決了這一問題。該直線運動平臺通過電機、絲杠、直線導軌和滑塊、固定座等電氣組件和機械元件組成一維直線運動機電平臺，并將一位運動平臺模塊化，通過滑塊和底座的一體化形成二維，進而形成三維運動機電平臺，去實現多維度的直線位移運動,從而實現多維度的光機系統的調焦。

1 一維直線運動機電平臺的實現

該直線運動平臺的設計思想是通過器件搭建的思想和方法實現直線運動。為了更加方便和可靠的搭建整個平臺，盡量用可以采購的產品去構建，減少相關機械件的加工，并盡可能的減少裝調。本文通過一維直線運動機電平臺的搭建過程詳細說明整體設計思路。

設計加工出平臺底座。在平臺底座上加工出和直線導軌相配合的凸臺，和電機組件相配合的安裝孔，和限位開關安裝位置相配合的安裝孔，還有平臺的安裝孔等等，如圖1 所示。

選用安裝成套的直線電機組件。該直線電機組件包含有直線電機，和電機已經連接為一體的絲杠，和絲杠配套的螺母滑塊，絲杠螺母調教方式的優點是機構簡單成本低[3]。根據平臺的精度和回程誤差要求選擇精度相匹配的絲杠和電機的分辨率。加工出和直線電機相配合的直線電機座，并將直線電機固定在平臺底板上。加工出和螺母滑塊相配合的滑塊安裝塊，將其和螺母滑塊相連接。

圖1 直線電機安裝圖Fig.1 Installation of line motor

選用和安裝直線導軌和滑塊。如圖2 所示，根據導軌的承載和精度選取導軌和滑塊的型號，選取導軌的跨距和尺寸選取滑塊的數量和大小。將兩組直線導軌和滑塊組件安裝到平臺底板相應的導軌凸臺位置。

圖2 限位開關和零點開關的安裝Fig.2 Installation of limit switch and zero points witch

選用和安裝限位開關和零位開關。在滑塊運動的極限位置安裝兩個限位開關，在零點位置安裝光電開關。

設計加工出平臺上板。如圖3 所示，根據相機的安裝條件設計加工出平臺上板，平臺上板和直線導軌滑塊和滑塊安裝塊通過螺釘相連接，這樣就完成了整個直線運動機電平臺的搭建。

平臺的運動原理：電機的動力通過絲杠傳遞給螺母滑塊，螺母滑塊和滑塊固定塊相連接，這樣就把動力傳遞給螺母滑塊，進而將動力傳遞給與螺母滑塊相連接的滑塊固定塊，進而將動力傳遞給與滑塊固定塊相連接的平臺上板，再將動力傳遞給與平臺上板相連接的滑直線導軌滑塊機構，從而使平臺上板做直線運動，如圖4 所示。這樣，一維直線運動機電平臺就搭建完畢。將相機安裝在平臺上板上，就可以實現相機在平行于電機輸出軸方向上的直線運動，即該方向上的調焦運動。

圖3 平臺上板的安裝Fig.3 Installation of head plate of the platform

圖4 平臺運動原理Fig.4 Movement principle of the platform

2 多維直線運動機電平臺的實現

第一節實現了一維直線運動機電平臺的搭建，應用廣義模塊化的思想（廣義模塊化思想是具有固定拓撲結構的參數化模塊[4]），采用橫向系類模塊化設計方法（不改變產品主要參數，利用模塊化發展變形產品[5]），只需要將兩個或者三個同樣的一維直線運動機電平臺結構在另一個方向上羅列疊加起來，就可以實現在該方向的直線運動，進而實現二維和三維直線運動。

2.1 二維直線運動機電平臺的實現

為了實現二維直線運動機電平臺，需要將兩個一維直線運動機電平臺疊加起來。將一維直線運動機電平臺的平臺上板和另一臺一維直線運動機電平臺的平臺底板做成一個機械件，即將其一體化，并將電機的方向垂直交叉就可以實現，如圖5 所示。從圖中可以看出，下面一維直線運動機電平臺的上板和上面一維直線運動機電平臺的底板設計加工成了一個機械件——連接板。這樣在上面一維直線運動機電平臺的上板上安裝相機，就可以實現相機在二維方向上的調焦功能。

2.2 三維直線運動機電平臺的實現

圖5 二維直線運動機電平臺Fig.5 Two-dimensions modularity rectilinear electromechanical platform

為了實現三維直線運動機電平臺，需要一個一維直線運動機電平臺和一個二維直線運動機電平臺疊加起來。將一維直線運動機電平臺的平臺上板和二維直線運動機電平臺的平臺底板做成一個機械件，即將其一體化，并將三個電機軸線方向形成一個三個方向的垂直坐標系就可以實現，如圖6 所示。從圖中可以看出，一維直線運動機電平臺的上板和上面二維直線運動機電平臺的底板設計加工成了一個機械件——垂直連接板。這樣在二維直線運動機電平臺的上板上安裝相機，就可以實現相機在三維方向上的調焦功能。

圖6 三維直線運動機電平臺Fig.6 Three-dimensions modularity rectilinear electromechanical platform

3 結論

本文提出一種模塊化的多維直線運動機電平臺。每一維運動平臺通過直線電機，絲杠，直線導軌滑塊和相應配合的機械件組成。應用模塊化的思想，將一維移動平臺通過滑塊和底座的一體化形成二維直線運動機電平臺，進而在形成三維直線運動機電平臺，從而去滿足光機產品在多維度方向上的調焦功能。當然，作為一種獨立的機電產品，該多維直線運動平臺不僅可以應用到光機產品中，還可以應用到任何一種需要直線位移運動的產品和場合中，來實現多維度的直線運動。

[1]劉嬌，等.淺談光機電一體化技術及其發展前景[J].科技向導，2012，30.

[2]劉煥雨，等.圖像法自動調焦原理及系統實現[J].控制系統，2008，24.

[3]王智，等.傳輸型立體測繪相機的調焦機構設計[J].光學精密工程，2009，5.

[4]高衛國，等.廣義模塊化設計原理及方法[J].機械工程學報，2007，6.

[5]蔡業彬，等.模塊化設計方法及其在機械設計中的應用[J].機械設計與制造，2005，8.