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領域
本發明屬于精密工程技術領域，特指一種簡易精密位移臺，用于精密加工與測量。
技術背景
隨著電子信息、生物工程、納米技術等相關高端領域的發展，精密加工與測量技術的重要性日益凸顯。而精密加工與測量技術又依賴與精密加工與精密測量設備。精密加工設備與精密測量設備的性能直接影響加工與測量的質量。高精度，高分辨率，大行程，高響應速度，高剛度的精密加工與測量設備在現代尖端工業生產和科學研究領域內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鍵環節。世界各國均對高精設備投入大量的資金，以期獲得更大的工業效益。韓國漢城大學的Heui jae Park等將壓電陶瓷驅動的微定位工作臺安裝在旋轉電機驅動的宏定位工作臺上，使用激光干涉儀實現兩工作臺的閉環控制位置反饋，實現了較高的定位精度。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合，己用于投影光刻機和電子束曝光機。在國內，西安交通大學采用旋轉電機與滾珠絲杠實現IOOmm的宏驅動，并采用壓電陶瓷致動器實現微定位臺驅動，定位精度為士 lOnm。但滾珠絲杠加螺母副的導向模式存在著諸如響應速度較慢，加工和裝配精度高，修復性差，需和伺服電機配合使用等問題。柔性鉸鏈又存在著加工方法單一，不可更換性，修復性差，行程有限，高度較低等缺陷。因此，設計一款具有結構簡單，高響應速度，高精度，動剛度高，加減速過程短，效率高等優點的位移臺成了各國及各知名院校的重點課題。發明內容
本發明的目的在于提供一種簡易精密位移臺。該平臺為解決傳統位移臺響應速度慢，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與直線導軌實現大行程，快速定位；微動平臺實現小行程，高精度定位。由于所需構件少，平臺結構得以簡化。位移臺由于引入了直線電機和壓電陶瓷驅動器，相較傳統滾珠絲杠模式，大大減少了中間的機械傳動環節，傳動鏈長度縮減為零，從而使得整個平臺在滿足高精度的基本要求下，也具有了高的響應速度，高的剛度等優點。在基座安裝的隔振器可有效的減小外界因素對整個平臺性能的影響。直線光柵尺可實現直線電機的位移反饋，實現位移可控。微動平臺采用整體材料經線切割加工而成，從而避免了裝配誤差，同時保證了尺寸精度，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給、誤差反饋補償和精密測量領域。
該簡易精密位移臺分為基座、隔振器、固定內六角螺釘、直線導軌，內六角緊定螺釘，微動工作臺，壓電陶瓷驅動器，直線光柵尺，直線電機，所述的精密位移臺的驅動部分采用直線電機和壓電陶瓷驅動器，由于驅動元件直接接觸運動部件，使得傳動鏈長度縮減為零，有效的提高了響應速度和整體剛度；同時直線導軌和矩形彈簧片的引入，使得位移臺整體體積減小，結構上大大的簡化了。
所述的精密位移臺的直線電機部分，包括左右兩個直線電機；兩個電機安裝在直線導軌的同側上，采用同步控制，實現整個微動平臺的大行程；在每個直線電機上裝有直線光柵尺，用于位移量的反饋控制，實現兩個直線電機的同步位移控制。
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平臺輸出性能的影響，在一定程度上減小了環境工況對位移臺應用的限制。
所述的微動平臺，采用了矩形彈簧片作為導向元件，壓電陶瓷驅動器作為驅動元件的模式，結構得以簡化，加工方便；通過工作臺兩側平行放置的彈簧片，工作臺可獲得良好的線性位移輸出，并具有良好的彈性復位能力。
本發明通過采用線性驅動模式，有效的減少了傳動環節，使得整體剛度較傳統的滾珠絲杠加螺母副等多環節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，固定內六角螺釘；4，直線導軌；5，內六角緊定螺釘；6， 微動工作臺；7，壓電陶瓷驅動器；8，直線光柵尺；9，直線電機。
具體實施方式
發明的簡易精密位移臺如圖1所示，包括基座1、隔振器2、固定內六角螺釘3、直線導軌4，內六角緊定螺釘5，微動工作臺6，壓電陶瓷驅動器7，直線光柵尺8，直線電機9。
基座1作為整個位移臺的載體，對整個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，對整個平臺性能的影響。
直線導軌4通過固定內六角螺釘3緊固在基座1上，作為大行程運動的導向部件。 直線導軌4上安裝由直線電機9，并與微動平臺6通過內六角緊定螺釘5連接。內六角螺釘對安裝空間要求小，可有效減小各部件的體積。通過導軌4的導向，可實現直線電機9和微動平臺6的無間隙，同步運動。
直線電機9有兩個，分別布于直線導軌4的同端內側上。其上裝有直線光柵尺8， 用于直線電機9的輸出位移量檢測與反饋。可通過直線光柵尺8的反饋數據，實現兩個直線電機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，同時保證了加工精度，縮短了加工時間。工作臺兩側均布著矩形彈簧片， 通過彈簧片的平行對稱布置，構成了平行四桿機構，從而保證了工作臺輸出位移的線性度。 同時，矩形彈簧片也可實現工作臺的位移復位功能，保證了工作臺和壓電陶瓷驅動器的無隙接觸，提高了驅動剛度。微動平臺6內的工作臺上設有螺紋安裝孔，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。壓電陶瓷驅動器具有體積小，響應速度高，剛度高，抗干擾能力強等優點，大大提高了微動位移臺的性能。
本發明中，如選用最小分辨率為0. 001mm，最大行程為50mm的直線電機和最小分辨率為0. 01 μ m,最大行程為0. 2mm的壓電陶瓷驅動器，要實現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個隔振器2固定安裝在所需設備或位置上。然后，通過對兩個直線電機9的同步控制，實現微動平臺6在沿直線導軌4方向上的運動。通過直線光柵尺8的反饋信號，控制直線電機9的位移量Xl=12. 458mm。保持電機輸入位移不變，通過壓電陶瓷驅動器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9的位移輸出量Xl與壓電陶瓷驅動器7的位移輸出量X2之和，于是有X=Xl+ X2=12. 458+0. 00011=12. 45811mm。所需位移量得以實現，且整個過程控制簡單，響應速度快。
權利要求
1.一種簡易精密位移臺，其特征在于，包括基座(1)、隔振器(2)、固定內六角螺釘(3)、 直線導軌(4)，內六角緊定螺釘(5)，微動工作臺(6)，壓電陶瓷驅動器(7)，直線光柵尺(8)， 直線電機(9)；所述基座(1)為整個位移臺的載體，在基座(1)下部安裝的隔振器(2)，兩根直線導軌 (4)通過固定內六角螺釘(3)緊固在基座(1)上，兩個直線電機(9)分別布于直線導軌(4) 的同端內側上，直線電機(9)與微動平臺(6)通過內六角緊定螺釘(5)連接；兩個直線電機 (9)上裝有直線光柵尺(8);通過直線光柵尺(8)的反饋數據，兩個直線電機(9)同步輸出精密位移；通過導軌(4)的導向，直線電機(9)和微動平臺(6)無間隙、同步運動；所述微動工作臺(6)采用“III”字型布置，工作臺的外框通過內六角緊定螺釘(5)與直線電機(9)相連，使直線電機(9)的位移輸出傳遞給微動工作臺(6)；微動工作臺(6)中央的工作臺兩側均布著等長等厚的矩形彈簧片，彈簧片的平行對稱布置構成平行四桿機構； 壓電陶瓷驅動器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； 微動平臺6內的工作臺上設有螺紋安裝孔，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；所述直線導軌(4)采用“工”字型導軌，每個導軌各有兩側，一側通過均布的三個固定內六角螺釘(3)緊固在基座(1)上，另一側則安裝有直線電機(9)。
2.依據權利要求1所述的一種簡易精密位移臺，其特征在于，采用直線電機(9)作為大行程驅動元件，壓電陶瓷驅動器(7 )作為微位移驅動元件，通過二者實現整個工作臺的高響應，高剛度等性能；直線光柵尺(8)實現了直線電機(9)的反饋調節，實現了輸出位移的精確可控。
全文摘要
本發明涉及到一種簡易精密位移臺,包括基座、隔振器、固定內六角螺釘、直線導軌，內六角緊定螺釘，微動工作臺，壓電陶瓷驅動器，直線光柵尺，直線電機。該位移臺為精密一維位移臺。位移臺由于引入了直線電機和壓電陶瓷驅動器，相較傳統滾珠絲杠模式，大大減少了中間的機械傳動環節，傳動鏈長度縮減為零。該位移臺可實現大位移快速定位，小位移精密有效輸出。該平臺具有結構簡單，高響應速度，高精度，動剛度高，加減速過程短，運動安靜噪音低，效率高等優點。該位移臺可用于精密測量與精密加工領域。
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 優先權日2011年11月18日
發明者徐宇藍, 朱俊峰, 李尊棟, 王樹林, 陳文華 申請人:江蘇大學