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手动位移台驱动机构

发布日期:2016年11月3日 17:07 字号:[大]   [中]   [小]

驱动(传动)机构:
手动位移台的驱动(传动)机构有很多种,对于平移台或升降台而言,主要有:分厘卡、螺纹副、研磨丝杠、齿轮组、齿轮齿条、凸轮式、楔块式等机构;对于旋转台和角位移台则最多的是蜗轮蜗杆传动机构。

分厘卡(Micrometer):

分厘卡又称测微头、微分头、千分尺,通常分为机械分厘卡和电子分厘卡两类。电子分厘卡,或称数显分厘卡(见图2a)是在机械分厘卡的基础上,增加了电子传感器和数显装置,使读数较为方便,但设计精度同机械式分厘卡相近,而且由于内置的传感器会随温度、环境的变化而产生漂移,所以在实际使用中,需要经常矫正。再加上安装数显装置后,尺寸较大,且成本较高,所以应用在一些特殊领域。需要提醒您注意的是:手动位移产品的性能、精度,是一个综合因素,并不是使用数显分厘卡就是好产品或高端产品,这一点请您务必注意,以免被误导。

a. 电子分厘卡                                                                                                             b. 机械分厘卡

图2. 分厘卡

机械式分厘卡(见图2b)是依据螺旋放大的原理制成,即螺杆在螺母中旋转一周,螺杆便沿着旋转轴线方向前进或后退一个螺距的距离。因此,沿轴线方向移动的微小距离,就能用圆周上的读数表示出来。通常来说分厘卡的螺距是0.5mm,旋转部分有50 个等分刻度,因此旋转每个小分度,相当于螺杆前进或者后退0.5/50=0.01mm,所以我们一般称分厘卡的最小刻度为0.01mm。由于还能再估读一位,所以实际读数达到毫米的千分位,故也称千分尺。按照国内的惯例,分厘卡的灵敏度(类似于电移台的分辨率),一般标称为0.003mm(即3μm)左右。


还有一种机械式分厘卡称为差动分厘卡,是在普通机械分厘卡上增加了微调系统,最小分度值可以达到1 微米(甚至0.1 微米)。差动分厘卡通常是由两个螺距不等,旋向相同的螺纹副组成,利用差动螺旋的原理,达到粗调和精调的目的。差动分厘卡的结构示意图和SIGMAKOKI 差动分厘卡(卓立汉光代理)及我们较常用的Mitutoyo 差动分厘卡,参见图3。


 

图3. 差动分厘卡
 

螺纹副(Adjustment Screw):
螺纹副与机械式分厘卡类似,也是依据螺旋放大的原理制成,通常由手轮、螺套、螺杆等三部分组成,与分厘卡不同的是螺纹副没有刻度(见图4)。

 图4. 螺纹副
 

螺纹副的螺距通常可以做到很小,比如说卓立常用的螺纹副螺距为0.25mm,即螺纹副转动一圈(360°),沿着轴向的前进(或后退)量为0.25mm,通常螺纹副的螺距越小,灵敏度越高。螺纹副的灵敏度除了同螺距有关外,还同驱动手轮的直径和人手的灵敏度有关。我们拧动手轮时,人能感知或分辨的往往不是角度而是弧长。实验数据和经验表明,人手能感知的手轮位置最小变化量(称为人手的灵敏度,此处指可重复实现的最小弧长)通常为0.2 ~ 0.5mm,我们可以将螺纹副的灵敏度表示为:螺纹副的灵敏度= 螺距/ 手轮周长/ 人手的灵敏度
卓立螺纹副的手轮直径通常在12 ~ 18mm 之间,人手的灵敏度(最小旋转弧长)我们取平均值0.35mm,若螺距为0.25mm 时,计算得出,此时螺纹副的灵敏度为:0.0015 ~ 0.0023mm,即1.5 ~ 2.3μm。除了减小螺距或增大手轮的直径来提高螺纹副的灵敏度以外,我们还常用工具(如扳手)来放大旋转半径或者使用电动设备(如我们的NFPA 系列产品使用推杆电机)来减少最小位置变化量,所以上式可以进一步表示为:
螺纹副的灵敏度=螺距/旋转周长/最小旋转弧长
通过上述说明,我们清楚地知道螺纹副的灵敏度,应该在一个合理的范围。但有部分厂家,标称螺纹副或位移台的灵敏度时,往往存在误导客户的情况。例来说,某厂家标称其某款手动平移台(采用螺距为0.25mm 的螺纹副)灵敏度达到0.69 微米,经了解,这是在“手轮拧动1°时”的指标,而该产品的手轮直径为10mm,也就是说,旋转1°意味着我们转动手轮的弧长仅为0.087mm,这已经超出了绝大多数人的感知灵敏度,所以这样的标称毫无意义,请您务必注意。

研磨丝杠(Screw):

手动位移台中也经常使用研磨丝杠来传动,但相比于电动位移台中的研磨丝杠(见图5a)来说,通常尺寸较小。手动位移台中研磨丝杠的螺距通常远大于螺纹副的螺距,一般为1 ~ 2mm。再加上研磨丝杠的有效行程可以做到比较长,如:10 ~ 125mm,所以研磨丝杠主要用在精度要求不高、行程相对较长的产品中,此类产品的导轨以燕尾副导轨比较多见(如:TSMxxD-1S 系列,见图5b)。
通常,研磨丝杠有一定的自锁能力,所以卓立汉光采用研磨丝杠的手动位移台,一般都不再带有锁紧机构和(弹簧)复位机构。

                                             图5. 研磨丝杠及产品

齿轮组(Gearset)、齿轮齿条传动(Rack and Pinion gearing):
手动位移产品中的齿轮组和齿轮齿条传动,分别用于手动旋转台和手动平移台中。同电动产品中介绍过的齿轮传动一样,齿轮传动具有速度快、效率高等特点,但通常用于粗定位情况,所以在齿轮传动的位移台中,多配合精度较低的导轨使用(如燕尾副导轨等),详情请参照RSM50-1K 及TSM75D-1C 等产品。

                                        图6. 齿轮齿条、齿轮组

凸轮传动机构(Cam Mechanism):

凸轮机构通常由凸轮、从动件和机架三部分组成,凸轮与从动件均固定于机架上。凸轮机构的主要作用是使从动件按照工作要求完成各种复杂的运动,包括直线运动、摆动、等速运动和不等速运动。凸轮装置种类很多,几乎所有任意动作均可由凸轮机构产生,所以被广泛应用在发动机、机床等需要做往复运动或复杂运动的产品中。
凸轮机构按照凸轮形状通常分为:盘形凸轮、移动凸轮、圆柱凸轮等。可以通过改变凸轮的结构和形状,设计出不同的运动轨迹(见图7a 和7b), 卓立的PSMV 系列升降台(见图7c),采用了盘形凸轮结构,在行程范围内近似线性运动。

图7. 凸轮机构和产品 

楔块(Wedge Block)传动机构:
楔块机构又称斜楔机构,是通过斜楔和滑块的配合使用,将水平运动和垂直运动或倾斜运动相互转化的机械机构。
做精密运动时,为了限制楔块运动时的晃动,往往需要多组导轨对其进行约束,所以楔块式机构成本相对较高。楔块式升降台具有精度较高、负载能力较大的特点,但由于受楔块尺寸限制,通常行程范围较小。楔块结构的输入量和输出量一般与楔角的大小有三角函数关系。卓立汉光使用楔块机构的手动升降台为KSMV 系列产品(见图8)。

                               图8. 楔块机构和产品

蜗轮蜗杆(Worm and Gear):

同电动位移台类似,蜗轮蜗杆机构主要用于旋转台、角位移台产品中,由于蜗轮蜗杆的传动比较大,而且带自锁,所以适合用于精度较高、负载较大的情况。但台面在转动时速度较慢,若需要做频繁的大角度调整,蜗轮蜗杆机构并不是很合适。
卓立的手动旋转台中,采用蜗轮蜗杆的产品为:RSM100-1W。其它手动旋转台多采用分厘卡或螺纹副传动,结合粗调、微调的机构,既可实现大角度手动调整也可进行微动调整。
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