專利名稱：一種組裝式二維微位移臺(tái)的制作方法
一種組裝式二維微位移臺(tái)技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于精密工程技術(shù)領(lǐng)域，特指一種組裝式二維位移臺(tái)，用于精密加工與測(cè)量。
背景技術(shù)：
高精度和高分辨率的精密位移裝置在現(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(cè)量水平的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?，F(xiàn)有研究中的微位移臺(tái)多采用柔性鉸鏈或者滾珠絲杠加螺母副機(jī)構(gòu)導(dǎo)向。如德國(guó)PI公司的 P73-20平臺(tái)，采用壓電陶瓷致動(dòng)器，柔性鉸鏈導(dǎo)向。韓國(guó)漢城大學(xué)的Heui jae Park等將壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的微定位工作臺(tái)安裝在旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的宏定位工作臺(tái)上，使用激光干涉儀實(shí)現(xiàn)兩工作臺(tái)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(dòng)工作臺(tái)與兩自由度的宏動(dòng)工作臺(tái)結(jié)合，己用于投影光刻機(jī)和電子束曝光機(jī)。在國(guó)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(dòng)，并采用壓電陶瓷致動(dòng)器實(shí)現(xiàn)微定位臺(tái)驅(qū)動(dòng)，定位精度為士 lOnm。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所研制的大行程納米級(jí)精密定位平臺(tái)，由直線電機(jī)實(shí)現(xiàn)大行程的微米級(jí)精度運(yùn)動(dòng)，由壓電陶瓷實(shí)現(xiàn)小范圍的納米級(jí)精度運(yùn)動(dòng)，通過(guò)納米級(jí)光柵傳感器實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。浙江大學(xué)也開展了基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的微動(dòng)平臺(tái)的研究。但滾珠絲杠加螺母副的導(dǎo)向模式存在著諸如加工和裝配精度高，修復(fù)性差，需和伺服電機(jī)配合使用等問(wèn)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，行程有限等缺陷。因此，設(shè)計(jì)一款便于更換零部件，便于修配調(diào)整，有較大行程，加工方便的組裝式微位移臺(tái)成了各知名企業(yè)和院校的重點(diǎn)課題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種組裝式的二維微位移臺(tái)。本發(fā)明解決了采用傳統(tǒng)柔性鉸鏈的位移臺(tái)存在的更換性差，難于修配，行程小等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了工作臺(tái)的二維運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明采用了矩形彈簧片作為導(dǎo)向支撐原件。通過(guò)兩片彈簧片在平臺(tái)兩側(cè)構(gòu)成對(duì)稱的平行四邊形結(jié)構(gòu)，保證平臺(tái)在單方向上輸出位移的線性度。彈簧片通過(guò)內(nèi)六角螺栓固定在基座或過(guò)渡臺(tái)上，能夠保證彈簧片和基座，過(guò)渡臺(tái)，工作臺(tái)的裝配無(wú)間隙。采用內(nèi)外嵌套模式實(shí)現(xiàn)平臺(tái)XY兩方向位移輸出的要求，并在各方向上安裝一個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)原件，分別控制在各相應(yīng)方向上的位移輸出。由于平臺(tái)采用了組裝方式，因此它有了一些相較整體式平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)。如便于修配，可更換失效零部件，有較大行程，零件加工容易，便于按照要求(如剛度，位移行程，最小分辨率等)更換彈簧片和壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，整體體積也有所減小。該平臺(tái)可用于精密加工進(jìn)給、誤差反饋補(bǔ)償和精密測(cè)量領(lǐng)域。
本發(fā)明的二維微位移臺(tái)分為基座，過(guò)渡臺(tái)，工作臺(tái)，導(dǎo)向支撐原件，驅(qū)動(dòng)元件，所述的微位移臺(tái)由分布在垂直方向上的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)兩方向的位移驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)在XY兩垂直方向上的位移輸出；平臺(tái)采用內(nèi)外嵌套模式，外層實(shí)現(xiàn)Y方向的位移輸出，內(nèi)層實(shí)現(xiàn)X方向的位移輸出，且兩方向在控制上是相互獨(dú)立的；內(nèi)層的過(guò)渡臺(tái)與基座，以及工作臺(tái)與過(guò)渡臺(tái)是面面接觸，可有效防止過(guò)渡臺(tái)的旋轉(zhuǎn)；所述的微位移臺(tái)，采用矩形彈簧片作為導(dǎo)向支撐元件；彈簧片的示意圖如圖2所示； 彈簧片兩端的定位孔用來(lái)定位，并通過(guò)內(nèi)六角螺釘固定安裝，防止彈簧片的滑動(dòng)；彈簧片中間的定位孔用來(lái)安裝過(guò)渡臺(tái)或者是工作臺(tái)，保證了過(guò)渡臺(tái)和工作臺(tái)安裝在彈簧片的中間位置，以使過(guò)渡臺(tái)和工作臺(tái)的位移輸出復(fù)合線性要求。
所述的微位移臺(tái)由于采用組裝模式，各零部件都可以根據(jù)工況要求，如位移總行程大小，位移最小分辨率大小，剛度要求，體積要求等進(jìn)行更換各零部件尺寸，然后通過(guò)組裝和調(diào)試，獲得理想的性能要求。
本發(fā)明采用了完全意義上的組裝模式，具有更大的靈活性?？梢愿鶕?jù)具體要求，通過(guò)更換壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，矩形彈簧片，基座，過(guò)渡臺(tái)和工作臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)體積大小，剛度大小，位移行程和位移最小分辨率的變化。同時(shí)，微位移臺(tái)也避免了采用整體式結(jié)構(gòu)遇到的零部件損壞后帶來(lái)的不可修復(fù)的問(wèn)題。


圖1為組裝式二維微位移臺(tái)的三維裝配圖。
圖2為過(guò)渡臺(tái)的三維模型示意圖。
圖3為采用的矩形彈簧片三維示意圖。
圖中，1，基座；2，過(guò)渡臺(tái)；3，工作臺(tái)；4，兩片Y向矩形彈簧片；5，四個(gè)Y向內(nèi)六角螺釘；6，X方向壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器；7，Y方向壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器；8，四個(gè)X向矩形彈簧片；9，兩片X 向內(nèi)六角螺釘。
具體實(shí)施方式
發(fā)明的微位移臺(tái)如圖1所示，包括基座1，過(guò)渡臺(tái)2，工作臺(tái)3，Y向矩形彈簧片4， Y向內(nèi)六角螺釘5，X方向壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器6，Y方向壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器7，X向矩形彈簧片8，X 向內(nèi)六角螺釘9。
基座1作為整個(gè)位移臺(tái)的載體，對(duì)整個(gè)部件起到了安裝支撐的作用。過(guò)渡臺(tái)2通過(guò)Y向矩形彈簧片4和Y向內(nèi)六角螺釘5安裝在基座1上。過(guò)渡臺(tái)2與基座1采用面面接觸方式，限制了過(guò)渡臺(tái)繞Y軸旋轉(zhuǎn)引起的誤差。Y方向壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器7安裝在基座1的卡槽內(nèi)，并通過(guò)過(guò)盈配合加以固定。
過(guò)渡臺(tái)2的三維模型示意圖如圖2所示。工作臺(tái)3通過(guò)X向矩形彈簧片8和X向內(nèi)六角螺釘9安裝在過(guò)渡臺(tái)2上。工作臺(tái)3和過(guò)渡臺(tái)2采用面面接觸方式，限制了工作臺(tái)繞X軸旋轉(zhuǎn)引起的誤差。X方向壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器6安裝在過(guò)渡臺(tái)2的卡槽內(nèi)，并通過(guò)過(guò)盈配合加以固定。
矩形彈簧片的三維視圖，請(qǐng)參見(jiàn)圖3。彈簧片有三個(gè)定位孔，并在加工上保證三個(gè)定位孔是等間距的。通過(guò)兩片Y向矩形彈簧片4或X向矩形彈簧片8得平行安裝，在移動(dòng)臺(tái)兩側(cè)形成了對(duì)稱的平行四邊形結(jié)構(gòu)，使得移動(dòng)臺(tái)只能實(shí)現(xiàn)線性移動(dòng)，而無(wú)側(cè)向偏擺。
微位移臺(tái)工作前，需要進(jìn)行調(diào)試。先將基座1通過(guò)螺紋連接固定在一個(gè)基體上。 再按照位移要求，參照X方向壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器6和Y方向壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器7的技術(shù)參數(shù)，對(duì)其輸入特定電壓。在工作臺(tái)放置測(cè)量探頭，測(cè)量工作臺(tái)的輸出位移是否符合位移要求。若測(cè)得的位移量不理想，說(shuō)明是由于彈簧片的加工或安裝有問(wèn)題，需要進(jìn)行修復(fù)或重新安裝。 若位移量明顯小于理想位移，說(shuō)明是彈簧片在位移方向上的剛度大于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的剛度，可通過(guò)更換彈簧片或者是壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器來(lái)達(dá)到理想要求。減小壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的電壓后，若工作臺(tái)不能復(fù)位，需更換彈簧片，或更換剛度更高的(厚度變大)的彈簧片。通過(guò)工作臺(tái)測(cè)量探頭的測(cè)量反饋，最終可將微位移臺(tái)調(diào)試到理想的工作狀態(tài)。
微位移臺(tái)工作時(shí)，只需要按照位移要求，參照X方向壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器6和Y方向壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器7的技術(shù)參數(shù)，在相應(yīng)方向上的驅(qū)動(dòng)器上施加相應(yīng)的電壓，就能實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)在某一方向上的位移輸出。
權(quán)利要求
1.一種組裝式二維位移臺(tái)，其特征在于，包括基座(1)，過(guò)渡臺(tái)(2)，工作臺(tái)(3)，兩片Y 向矩形彈簧片G)，四個(gè)Y向內(nèi)六角螺釘(5)，X方向壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(6)，Y方向壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(7)，四個(gè)X向矩形彈簧片(8)，兩片X向內(nèi)六角螺釘(9)；基座(1)為矩形平臺(tái)，矩形平臺(tái)一邊設(shè)有凸起的電陶瓷驅(qū)動(dòng)器安裝凸臺(tái)，對(duì)稱的另一邊的兩角設(shè)有凸起的內(nèi)六角螺釘安裝凸臺(tái)，電陶瓷驅(qū)動(dòng)器安裝凸臺(tái)設(shè)有卡槽；所述過(guò)渡臺(tái)( 的形狀與基座(1)相同，設(shè)有電陶瓷驅(qū)動(dòng)器安裝凸臺(tái)與內(nèi)六角螺釘安裝凸臺(tái)內(nèi)側(cè)之間的距離小于基座(1)的電陶瓷驅(qū)動(dòng)器安裝凸臺(tái)與內(nèi)六角螺釘安裝凸臺(tái)內(nèi)側(cè)之間的距離；所述過(guò)渡臺(tái)(2)通過(guò)兩片Y向矩形彈簧片(4)和四個(gè)Y向內(nèi)六角螺釘(5)分別安裝在基座(1)的電陶瓷驅(qū)動(dòng)器安裝凸臺(tái)和內(nèi)六角螺釘安裝凸臺(tái)上，所述過(guò)渡臺(tái)(2)的上下表面與基座(1)的上表面采用面面接觸方式；Y 方向壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(7)安裝在基座(1)的卡槽內(nèi)，并通過(guò)過(guò)盈配合加以固定；所述工作臺(tái)(3)通過(guò)兩片X向矩形彈簧片⑶和四個(gè)X向內(nèi)六角螺釘(9)分別安裝在過(guò)渡臺(tái)(2)的電陶瓷驅(qū)動(dòng)器安裝凸臺(tái)和內(nèi)六角螺釘安裝凸臺(tái)上，所述工作臺(tái)(3)的下表面和過(guò)渡臺(tái)O)的上表面采用面面接觸方式；X方向壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(6)安裝在過(guò)渡臺(tái)( 的卡槽內(nèi)，并通過(guò)過(guò)盈配合加以固定；兩片Y向彈簧片(4)和Y向內(nèi)六角緊定螺釘(5)，兩片X向彈簧片(8) 和X向內(nèi)六角緊定螺釘(9)對(duì)于過(guò)渡臺(tái)(2)和工作臺(tái)(3)分別構(gòu)成了雙側(cè)對(duì)稱平行四桿機(jī)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種組裝式二維位移臺(tái)，其特征在于，所述Y向矩形彈簧片(4)和X向矩形彈簧片(8)分別設(shè)有三個(gè)定位孔，三個(gè)定位孔是等間距的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種組裝式二維位移臺(tái)，其特征在于，通過(guò)基座(1)和過(guò)渡臺(tái)(2)的電陶瓷驅(qū)動(dòng)器安裝凸臺(tái)與內(nèi)六角螺釘安裝凸臺(tái)形成的槽型結(jié)構(gòu)使X方向壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(6)和Y方向壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(7)在同一平面上。
全文摘要
本發(fā)明涉及到一種組裝式二維微動(dòng)位移臺(tái),包括基座、過(guò)渡臺(tái)、工作臺(tái)，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器以及彈簧片。整個(gè)平臺(tái)采用內(nèi)外嵌套模式。工作臺(tái)在兩垂直方向上的運(yùn)動(dòng)分別由安裝在對(duì)應(yīng)位置上的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。由于位移臺(tái)在各方向上結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，工作臺(tái)的輸出位移能達(dá)到良好的線性度。本組裝式二維位移臺(tái)的優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組裝方便，可根據(jù)輸出位移的要求，如最大位移量、最小位移分辨率等，更換壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器及相應(yīng)的彈簧片，便于調(diào)試和維護(hù)，整體尺寸可大可小等。該位移臺(tái)可用于精密測(cè)量與精密加工領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G12B5/00GK102496391SQ20111036703
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)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), 李尊棟, 汪加科, 王樹林, 陳文華 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)