專利名稱：一種簡易精密位移臺的制作方法
一種簡易精密位移臺技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于精密工程技術(shù)領(lǐng)域，特指一種簡易精密位移臺，用于精密加工與測量。
技術(shù)背景
隨著電子信息、生物工程、納米技術(shù)等相關(guān)高端領(lǐng)域的發(fā)展，精密加工與測量技術(shù)的重要性日益凸顯。而精密加工與測量技術(shù)又依賴與精密加工與精密測量設(shè)備。精密加工設(shè)備與精密測量設(shè)備的性能直接影響加工與測量的質(zhì)量。高精度，高分辨率，大行程，高響應(yīng)速度，高剛度的精密加工與測量設(shè)備在現(xiàn)代尖端工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)占有極其重要的地位。它是直接影響精密、超精密加工水平和精密測量水平的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。世界各國均對高精設(shè)備投入大量的資金，以期獲得更大的工業(yè)效益。韓國漢城大學(xué)的Heui jae Park等將壓電陶瓷驅(qū)動的微定位工作臺安裝在旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動的宏定位工作臺上，使用激光干涉儀實(shí)現(xiàn)兩工作臺的閉環(huán)控制位置反饋，實(shí)現(xiàn)了較高的定位精度。日本立制作所研制的X-Y-θ三自由度微動工作臺與兩自由度的宏動工作臺結(jié)合，己用于投影光刻機(jī)和電子束曝光機(jī)。在國內(nèi)，西安交通大學(xué)采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)與滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)IOOmm的宏驅(qū)動，并采用壓電陶瓷致動器實(shí)現(xiàn)微定位臺驅(qū)動，定位精度為士 lOnm。但滾珠絲杠加螺母副的導(dǎo)向模式存在著諸如響應(yīng)速度較慢，加工和裝配精度高，修復(fù)性差，需和伺服電機(jī)配合使用等問題。柔性鉸鏈又存在著加工方法單一，不可更換性，修復(fù)性差，行程有限，高度較低等缺陷。因此，設(shè)計(jì)一款具有結(jié)構(gòu)簡單，高響應(yīng)速度，高精度，動剛度高，加減速過程短，效率高等優(yōu)點(diǎn)的位移臺成了各國及各知名院校的重點(diǎn)課題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種簡易精密位移臺。該平臺為解決傳統(tǒng)位移臺響應(yīng)速度慢，剛度較低，大行程與高精度矛盾等問題提出了一種解決方案。
該平臺可分為兩大部分直線電機(jī)與直線導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)大行程，快速定位；微動平臺實(shí)現(xiàn)小行程，高精度定位。由于所需構(gòu)件少，平臺結(jié)構(gòu)得以簡化。位移臺由于引入了直線電機(jī)和壓電陶瓷驅(qū)動器，相較傳統(tǒng)滾珠絲杠模式，大大減少了中間的機(jī)械傳動環(huán)節(jié)，傳動鏈長度縮減為零，從而使得整個(gè)平臺在滿足高精度的基本要求下，也具有了高的響應(yīng)速度，高的剛度等優(yōu)點(diǎn)。在基座安裝的隔振器可有效的減小外界因素對整個(gè)平臺性能的影響。直線光柵尺可實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)的位移反饋，實(shí)現(xiàn)位移可控。微動平臺采用整體材料經(jīng)線切割加工而成，從而避免了裝配誤差，同時(shí)保證了尺寸精度，使得工作臺具有良好的位移輸出特性。該平臺可用于精密加工進(jìn)給、誤差反饋補(bǔ)償和精密測量領(lǐng)域。
該簡易精密位移臺分為基座、隔振器、固定內(nèi)六角螺釘、直線導(dǎo)軌，內(nèi)六角緊定螺釘，微動工作臺，壓電陶瓷驅(qū)動器，直線光柵尺，直線電機(jī)，所述的精密位移臺的驅(qū)動部分采用直線電機(jī)和壓電陶瓷驅(qū)動器，由于驅(qū)動元件直接接觸運(yùn)動部件，使得傳動鏈長度縮減為零，有效的提高了響應(yīng)速度和整體剛度；同時(shí)直線導(dǎo)軌和矩形彈簧片的引入，使得位移臺整體體積減小，結(jié)構(gòu)上大大的簡化了。
所述的精密位移臺的直線電機(jī)部分，包括左右兩個(gè)直線電機(jī)；兩個(gè)電機(jī)安裝在直線導(dǎo)軌的同側(cè)上，采用同步控制，實(shí)現(xiàn)整個(gè)微動平臺的大行程；在每個(gè)直線電機(jī)上裝有直線光柵尺，用于位移量的反饋控制，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)直線電機(jī)的同步位移控制。
所述的精密位移臺通過在基座下安裝隔振器的方式，有效的減小了外界因素對整個(gè)平臺輸出性能的影響，在一定程度上減小了環(huán)境工況對位移臺應(yīng)用的限制。
所述的微動平臺，采用了矩形彈簧片作為導(dǎo)向元件，壓電陶瓷驅(qū)動器作為驅(qū)動元件的模式，結(jié)構(gòu)得以簡化，加工方便；通過工作臺兩側(cè)平行放置的彈簧片，工作臺可獲得良好的線性位移輸出，并具有良好的彈性復(fù)位能力。
本發(fā)明通過采用線性驅(qū)動模式，有效的減少了傳動環(huán)節(jié)，使得整體剛度較傳統(tǒng)的滾珠絲杠加螺母副等多環(huán)節(jié)傳動模式有了明顯的提高；剛度的提高，意味著抗干擾能力的提尚。


圖1為簡易精密位移臺的三維裝配圖。
圖2為微動平臺的三維模型圖。
圖中，1，基座；2，隔振器；3，固定內(nèi)六角螺釘；4，直線導(dǎo)軌；5，內(nèi)六角緊定螺釘；6， 微動工作臺；7，壓電陶瓷驅(qū)動器；8，直線光柵尺；9，直線電機(jī)。
具體實(shí)施方式
發(fā)明的簡易精密位移臺如圖1所示，包括基座1、隔振器2、固定內(nèi)六角螺釘3、直線導(dǎo)軌4，內(nèi)六角緊定螺釘5，微動工作臺6，壓電陶瓷驅(qū)動器7，直線光柵尺8，直線電機(jī)9。
基座1作為整個(gè)位移臺的載體，對整個(gè)部件起到了安裝支撐的作用。在基座1下部安裝的隔振器2，起到隔振作用，可有效的消除外界因素，特別是外界振動，對整個(gè)平臺性能的影響。
直線導(dǎo)軌4通過固定內(nèi)六角螺釘3緊固在基座1上，作為大行程運(yùn)動的導(dǎo)向部件。 直線導(dǎo)軌4上安裝由直線電機(jī)9，并與微動平臺6通過內(nèi)六角緊定螺釘5連接。內(nèi)六角螺釘對安裝空間要求小，可有效減小各部件的體積。通過導(dǎo)軌4的導(dǎo)向，可實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)9和微動平臺6的無間隙，同步運(yùn)動。
直線電機(jī)9有兩個(gè)，分別布于直線導(dǎo)軌4的同端內(nèi)側(cè)上。其上裝有直線光柵尺8， 用于直線電機(jī)9的輸出位移量檢測與反饋?？赏ㄟ^直線光柵尺8的反饋數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)直線電機(jī)9的同步精密位移輸出。
微動平臺6的三維模型，如圖2所示。平臺采用整體線切割的方法加工而成，從而避免了裝配誤差，同時(shí)保證了加工精度，縮短了加工時(shí)間。工作臺兩側(cè)均布著矩形彈簧片， 通過彈簧片的平行對稱布置，構(gòu)成了平行四桿機(jī)構(gòu)，從而保證了工作臺輸出位移的線性度。 同時(shí)，矩形彈簧片也可實(shí)現(xiàn)工作臺的位移復(fù)位功能，保證了工作臺和壓電陶瓷驅(qū)動器的無隙接觸，提高了驅(qū)動剛度。微動平臺6內(nèi)的工作臺上設(shè)有螺紋安裝孔，可以用于安裝測量頭或微型刀具等，以用于精密測量與精密加工。
壓電陶瓷驅(qū)動器7在保證其與工作臺無隙接觸的情況下，固定安裝在微動平臺6 的卡槽內(nèi)。壓電陶瓷驅(qū)動器具有體積小，響應(yīng)速度高，剛度高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了微動位移臺的性能。
本發(fā)明中，如選用最小分辨率為0. 001mm，最大行程為50mm的直線電機(jī)和最小分辨率為0. 01 μ m,最大行程為0. 2mm的壓電陶瓷驅(qū)動器，要實(shí)現(xiàn)12. 45811mm的位移輸出，其步驟如下首先，將該簡易精密位移臺通過4個(gè)隔振器2固定安裝在所需設(shè)備或位置上。然后，通過對兩個(gè)直線電機(jī)9的同步控制，實(shí)現(xiàn)微動平臺6在沿直線導(dǎo)軌4方向上的運(yùn)動。通過直線光柵尺8的反饋信號，控制直線電機(jī)9的位移量Xl=12. 458mm。保持電機(jī)輸入位移不變，通過壓電陶瓷驅(qū)動器7輸入位移量X2=0. 11 μ m=0. OOOllmm0可知，工作臺的輸出位移量 X為直線電機(jī)9的位移輸出量Xl與壓電陶瓷驅(qū)動器7的位移輸出量X2之和，于是有X=Xl+ X2=12. 458+0. 00011=12. 45811mm。所需位移量得以實(shí)現(xiàn)，且整個(gè)過程控制簡單，響應(yīng)速度快。
權(quán)利要求
1.一種簡易精密位移臺，其特征在于，包括基座(1)、隔振器(2)、固定內(nèi)六角螺釘(3)、 直線導(dǎo)軌(4)，內(nèi)六角緊定螺釘(5)，微動工作臺(6)，壓電陶瓷驅(qū)動器(7)，直線光柵尺(8)， 直線電機(jī)(9)；所述基座(1)為整個(gè)位移臺的載體，在基座(1)下部安裝的隔振器(2)，兩根直線導(dǎo)軌 (4)通過固定內(nèi)六角螺釘(3)緊固在基座(1)上，兩個(gè)直線電機(jī)(9)分別布于直線導(dǎo)軌(4) 的同端內(nèi)側(cè)上，直線電機(jī)(9)與微動平臺(6)通過內(nèi)六角緊定螺釘(5)連接；兩個(gè)直線電機(jī) (9)上裝有直線光柵尺(8);通過直線光柵尺(8)的反饋數(shù)據(jù)，兩個(gè)直線電機(jī)(9)同步輸出精密位移；通過導(dǎo)軌(4)的導(dǎo)向，直線電機(jī)(9)和微動平臺(6)無間隙、同步運(yùn)動；所述微動工作臺(6)采用“III”字型布置，工作臺的外框通過內(nèi)六角緊定螺釘(5)與直線電機(jī)(9)相連，使直線電機(jī)(9)的位移輸出傳遞給微動工作臺(6)；微動工作臺(6)中央的工作臺兩側(cè)均布著等長等厚的矩形彈簧片，彈簧片的平行對稱布置構(gòu)成平行四桿機(jī)構(gòu)； 壓電陶瓷驅(qū)動器7在保證其與工作臺無隙接觸的情況下，固定安裝在微動平臺6的卡槽內(nèi)； 微動平臺6內(nèi)的工作臺上設(shè)有螺紋安裝孔，可以用于安裝測量頭或微型刀具等，以用于精密測量與精密加工；所述直線導(dǎo)軌(4)采用“工”字型導(dǎo)軌，每個(gè)導(dǎo)軌各有兩側(cè)，一側(cè)通過均布的三個(gè)固定內(nèi)六角螺釘(3)緊固在基座(1)上，另一側(cè)則安裝有直線電機(jī)(9)。
2.依據(jù)權(quán)利要求1所述的一種簡易精密位移臺，其特征在于，采用直線電機(jī)(9)作為大行程驅(qū)動元件，壓電陶瓷驅(qū)動器(7 )作為微位移驅(qū)動元件，通過二者實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作臺的高響應(yīng)，高剛度等性能；直線光柵尺(8)實(shí)現(xiàn)了直線電機(jī)(9)的反饋調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了輸出位移的精確可控。
全文摘要
本發(fā)明涉及到一種簡易精密位移臺,包括基座、隔振器、固定內(nèi)六角螺釘、直線導(dǎo)軌，內(nèi)六角緊定螺釘，微動工作臺，壓電陶瓷驅(qū)動器，直線光柵尺，直線電機(jī)。該位移臺為精密一維位移臺。位移臺由于引入了直線電機(jī)和壓電陶瓷驅(qū)動器，相較傳統(tǒng)滾珠絲杠模式，大大減少了中間的機(jī)械傳動環(huán)節(jié)，傳動鏈長度縮減為零。該位移臺可實(shí)現(xiàn)大位移快速定位，小位移精密有效輸出。該平臺具有結(jié)構(gòu)簡單，高響應(yīng)速度，高精度，動剛度高，加減速過程短，運(yùn)動安靜噪音低，效率高等優(yōu)點(diǎn)。該位移臺可用于精密測量與精密加工領(lǐng)域。
文檔編號B23Q1/25GK102490020SQ20111036695
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者徐宇藍(lán), 朱俊峰, 李尊棟, 王樹林, 陳文華 申請人:江蘇大學(xué)