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（3）确定三文精密工作台的坐标系，便于通过编程控制三文精密工作台的
运动。
3.三文精密工作台机械结构设计
根据三文精密工作台的设计要求， 当上位机向下位机发送串行通信格式控制
字命令后，下位机通过三组步进电机驱动器来分别控制三轴对应的步进电机运
动，实现压电作动器上装夹的点样头在孔板上完成点样的功能。机械结构设计是
整个基因芯片点样仪设计的基础， 机械结构部分设计的质量对整个三文精密工作
台的质量有很大的影响。
3.1.机械结构总体设计
3.1.1.机械结构的设计方案
三文精密工作台通过装夹于压电作动器上的点样头在孔板上完成点样功能。
为实现三文精密工作台的这一功能，采用平面二文工作台和竖直方向 Z 轴相结
合的三文控制方法。
机械结构部分的设计主要包括两大部分： 平面二文工作台的设计和竖直方向
Z轴的设计，每部分设计包括对应的步进电机的选型与安装。
3.1.2.机械结构的设计参数
（1）三文精密工作台设计指标要求点样大小范围为 50mm×50mm，故而用
于放置基因芯片孔板的二文工作台台面尺寸取值应略大，选为 75×75mm；
（2）选用导程较小的丝杠，以提高点样的精度，选取导程p为1～2mm的丝
杠。
其他要设计求如下：
为减小电机负载， 各部件的重量尽可能减小， 除底板等少数部件采用钢材外，
其余均采用铝材料；各部件在不影响点样仪工作要求的情况下尽量减小尺寸。
3.2.二文工作台设计
3.2.1.二文工作台设计原理
二文工作台的设计参考了普通机床上工作台的机构形式， 同时基于三文精密
工作台的具体要求，采用了将两轴垂直放置的机械结构形式。这种结构通过工作
台的二文平面运动，即可实现 Z 轴上的固定点样头，运动到芯片任意位置的功
能。
整个工作台采用分散零件进行装配，工作台面板固连在丝杠螺母机构上，通
过导轨的相对滑动，在螺母运动的同时带动工作台面板整体运动。下层工作台固
连于上层工作台底板， 二文工作台通过上下两部分相互垂直的组合运动， 实现 X、
Y平面内的二文运动。
3.2.2.二文工作台设计指标
（1）运动范围
点样头与工作台相对运动范围为 50mm×50mm的矩形区域，因此，选择行
程为 50mm的导轨 2 副（各两对） ，分别用于设计 X轴和 Y轴。因此，二文工作
台的运动范围为 50mm×50mm的矩形区域，单轴运动行程范围为 50mm。
（2）运动精度
精密工作台设计指标中要求工作台运动精度为±5µm，实验室现有的丝杠导
程为 2mm，通过计算（具体计算过程参见3.2.3 步进电机选择）得，二文工作台
运动精度为 4µm。
3.2.3.步进电机的选择
根据三文精密工作台的设计要求， 应实现工作台在水平平面上按照预定的轨
迹运动。对三文精密工作台的性能有影响的参数包括以下两个：步进电机的步距
角和额定功率。其中，步距角 θ和丝杠的导程p 共同决定了工作台的运行精度，
步进电机的额定功率的选择取决于工作台的负载大小。
（1）步距角
根据三文精密工作台的设计指标，工作台在 X 轴和 Y 轴的运动精度 δ 需达
到 5μm 以下。丝杠选择较小导程 p=2mm，则步进电机的步距角 θ 可由式（1）
计算
计算得 θ=0.9º，通过查阅步进电机相关资料选择步进电机的步距角为0.72º。
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