三維工作臺(tái)結(jié)構(gòu)分析與輕型化設(shè)計(jì)

張武學(xué)，嚴(yán)雪冬

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

1 三維工作臺(tái)結(jié)構(gòu)分析

三維工作臺(tái)是印刷機(jī)核心機(jī)構(gòu)之一，如圖1所示，主要分成X、Y、θ三個(gè)方向驅(qū)動(dòng)、導(dǎo)向和鎖緊單元，分別驅(qū)動(dòng)中層板、頂板和驅(qū)動(dòng)架，實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的調(diào)整和定位。其工作原理是底板固定不動(dòng)，Y向驅(qū)動(dòng)單元帶動(dòng)中層板，并帶動(dòng)X向驅(qū)動(dòng)單元的頂板和θ向驅(qū)動(dòng)單元一起作前后移動(dòng)，完成Y向運(yùn)動(dòng)；X向驅(qū)動(dòng)單元帶動(dòng)頂板和θ向驅(qū)動(dòng)單元一起作左右移動(dòng)，完成X向運(yùn)動(dòng)；θ向驅(qū)動(dòng)單元在直線導(dǎo)軌導(dǎo)向作用下，通過兩側(cè)的螺栓軸承，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)架左右擺動(dòng)，驅(qū)動(dòng)架及上部連接板在四組圓弧導(dǎo)軌導(dǎo)向作用下，繞圓弧導(dǎo)軌中心旋轉(zhuǎn)，完成θ向運(yùn)動(dòng)。圓弧導(dǎo)軌滑塊上面安裝工作臺(tái)底板，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)X、Y、θ向高精度移動(dòng)，最終達(dá)到印刷基片圖形自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)。工作臺(tái)三維調(diào)整完成后，鎖緊氣缸桿頂出，壓緊鎖緊片，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)鎖緊，防止工作臺(tái)整體移動(dòng)和印刷時(shí)工作臺(tái)移位，影響印刷質(zhì)量。

圖1 三維工作臺(tái)主體結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 驅(qū)動(dòng)單元

三維工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)是電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，通過直線導(dǎo)軌導(dǎo)向，按印刷基片圖形與絲網(wǎng)圖形對(duì)位要求，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)X、Y、θ向自動(dòng)校準(zhǔn)。印刷基片移動(dòng)到要求位置后，工作臺(tái)進(jìn)入印刷工位，進(jìn)行印刷。

1.1.1 X向驅(qū)動(dòng)單元

X向驅(qū)動(dòng)單元由電機(jī)、滾珠絲杠、X向絲杠母座、固定軸承座、聯(lián)軸器、電機(jī)座、調(diào)整墊塊和X向連接板等組成，如圖2所示。X向連接板固定不動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，X向絲杠母座帶動(dòng)擋光板左右移動(dòng)。安裝在X向連接板上的三組光電開關(guān)檢測X向絲杠母座移動(dòng)距離。

1.1.2 Y向驅(qū)動(dòng)單元

Y向驅(qū)動(dòng)單元由電機(jī)、滾珠絲杠、Y向絲杠母座、固定軸承座、聯(lián)軸器、電機(jī)座、調(diào)整墊塊和Y向連接板等組成，如圖3所示。Y向絲杠母座與底板固定，擋光板與Y向絲杠母座固定。

電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，Y向連接板隨同電機(jī)、滾珠絲杠、固定軸承座、聯(lián)軸器、電機(jī)座、調(diào)整墊塊以及三組光電開關(guān)前后移動(dòng)，檢測Y向連接板等的移動(dòng)距離。

1.1.3 θ向驅(qū)動(dòng)單元

θ向驅(qū)動(dòng)單元由電機(jī)、電機(jī)座、聯(lián)軸器、固定軸承座、滾珠絲杠、絲杠母架、調(diào)整墊塊、導(dǎo)軌架、軸承座板、導(dǎo)向軸承、直線導(dǎo)軌等組成，由導(dǎo)軌架、連接架、直線導(dǎo)軌、光電開關(guān)架以及三組光電開關(guān)固定，如圖4所示。

電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠母架隨同直線導(dǎo)軌滑塊、軸承座板、導(dǎo)向軸承、擋光板左右移動(dòng)，檢測θ向絲杠母架的移動(dòng)距離。驅(qū)動(dòng)架安裝在兩組導(dǎo)向軸承之間，繞圓弧導(dǎo)軌中心擺動(dòng)。將絲杠母的直線移動(dòng)，轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)架的圓弧運(yùn)動(dòng)。

圖2 X向驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 Y向驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 θ向驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 導(dǎo)向單元

1.2.1 X向?qū)蚪Y(jié)構(gòu)

四組單滑塊直線導(dǎo)軌安裝在導(dǎo)軌座板上起導(dǎo)向作用，如圖5所示。

1.2.2 Y向?qū)蚪Y(jié)構(gòu)

四組單滑塊直線導(dǎo)軌安裝在底板上起導(dǎo)向作用，如圖6所示。

1.2.3 θ向?qū)蚪Y(jié)構(gòu)

四組圓弧導(dǎo)軌固定安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)座內(nèi)側(cè)，其上安裝的工作臺(tái)底板在驅(qū)動(dòng)架帶動(dòng)下，繞圓弧導(dǎo)軌中心旋轉(zhuǎn)，如圖7所示。

圖5 X向?qū)蚪Y(jié)構(gòu)示意圖

1.3 氣缸鎖緊單元

四組氣缸鎖緊單元安裝在底板最外側(cè)四角部位，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)可靠鎖緊，如圖8所示。氣缸鎖緊單元由氣缸、下壓片、固定螺釘、上壓片、鎖緊片、連接塊、氣缸固定螺釘?shù)冉M成，氣缸安裝在底板上，通過內(nèi)六角螺釘，將鎖緊片和連接塊固定在工作臺(tái)底板下底面，鎖緊片在上、下壓片組成的空間里平動(dòng)。

氣缸桿頂壓鎖緊片，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)鎖緊；氣缸桿縮回，鎖緊片處于自由狀態(tài)，此時(shí)工作臺(tái)可以自由移動(dòng)。

圖6 Y向?qū)蚪Y(jié)構(gòu)示意圖

圖7 θ向?qū)蚪Y(jié)構(gòu)示意圖

圖8 氣缸鎖緊單元主體示意圖

2 三維工作臺(tái)輕型化設(shè)計(jì)

本文結(jié)合設(shè)備外形及其占地面積要求，在保證工作臺(tái)精度不變的前提下，從相關(guān)零件入手，進(jìn)行輕型化設(shè)計(jì)，并對(duì)有些零件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終達(dá)到三維工作臺(tái)整體輕型化要求。

2.1 驅(qū)動(dòng)單元輕型化

θ向輕型化主要通過減小圓弧導(dǎo)軌的曲率半徑和滾珠絲杠長度及直徑，同時(shí)把光電開關(guān)固定在導(dǎo)軌架后部，使其布局更加合理，而且結(jié)構(gòu)空間更加緊湊，相應(yīng)地減輕了質(zhì)量。

X、Y向輕型化則通過減小滾珠絲杠長度、將電機(jī)座與其連接板合并成一個(gè)零件以及將光電開關(guān)組安裝到右側(cè)空間的方式來實(shí)現(xiàn)。

2.2 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)輕型化

通過縮小X、Y向直線導(dǎo)軌安裝間距，將四組直線導(dǎo)軌滑塊合并為兩組，將每根導(dǎo)軌單一滑塊改為每根導(dǎo)軌兩個(gè)滑塊，使得導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的體積減小，結(jié)構(gòu)緊湊，剛性增強(qiáng)，如圖9所示。

圖9 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)輕型化示意圖

2.3 氣缸鎖緊單元輕型化

選用更小規(guī)格尺寸的氣缸，同時(shí)將四組氣缸鎖緊單元之間安裝尺寸減小，使其安裝空間減小。

2.4 輕型化三維工作臺(tái)

三維工作臺(tái)的基本功能是帶動(dòng)其上部工作臺(tái)底板，實(shí)現(xiàn)X、Y、θ向精確移動(dòng)，X、Y向移動(dòng)距離±5 mm，θ向轉(zhuǎn)動(dòng)角度±1.5°。

經(jīng)過一系列優(yōu)化設(shè)計(jì)，新的三維工作臺(tái)總體長度由430 mm減小到330 mm，寬度由460 mm減小到360 mm，高度130 mm尺寸不變。體積縮小，結(jié)構(gòu)更加合理緊湊，如圖10所示。

圖10 工作臺(tái)輕型化示意圖

工作臺(tái)增加了防護(hù)罩，長度尺寸應(yīng)該大于350 mm，寬度尺寸應(yīng)該大于390 mm。尤其是寬度方向尺寸，直接決定印刷驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)支撐立柱前后距離。減小三維工作臺(tái)總體長度和寬度，能夠縮小設(shè)備的體積，減少設(shè)備的占地面積。

3 結(jié)束語

本文通過對(duì)印刷機(jī)三維工作臺(tái)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)分析，按照單元模塊功能進(jìn)行分析。在保證工作臺(tái)的精度和使用功能不變的前提下，對(duì)其各單元、相關(guān)零件進(jìn)一步輕型化處理，最終使三維工作臺(tái)整體尺寸縮小，重量減輕，結(jié)構(gòu)更加合理緊湊，同時(shí)設(shè)計(jì)了防護(hù)罩，提高了設(shè)備的安全性和可靠性，適用于輕小基片的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)印刷，既保證了工作臺(tái)的移動(dòng)精度，又為設(shè)備整體輕型化提供了可能性，這種設(shè)計(jì)方法，在實(shí)際的印刷機(jī)設(shè)計(jì)中已得到驗(yàn)證，高效實(shí)用。

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第4版.第3卷.北京：化學(xué)工業(yè)出版，2002.