CN102490020B - 一种简易精密位移台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种简易精密位移台，包括基座、隔振器、固定内六角螺钉、直线导轨，内六角紧定螺钉，微动工作台，压电陶瓷驱动器，直线光栅尺，直线电机。该位移台为精密一维位移台。位移台由于引入了直线电机和压电陶瓷驱动器，相较传统滚珠丝杠模式，大大减少了中间的机械传动环节，传动链长度缩减为零。该位移台可实现大位移快速定位，小位移精密有效输出。该平台具有结构简单，高响应速度，高精度，动刚度高，加减速过程短，运动安静噪音低，效率高等优点。该位移台可用于精密测量与精密加工领域。

Description

一种简易精密位移台

技术领域

本发明属于精密工程技术领域，特指一种简易精密位移台，用于精密加工与测量。

背景技术

随着电子信息、生物工程、纳米技术等相关高端领域的发展，精密加工与测量技术的重要性日益凸显。而精密加工与测量技术又依赖与精密加工与精密测量设备。精密加工设备与精密测量设备的性能直接影响加工与测量的质量。高精度，高分辨率，大行程，高响应速度，高刚度的精密加工与测量设备在现代尖端工业生产和科学研究领域内占有极其重要的地位。它是直接影响精密、超精密加工水平和精密测量水平的关键环节。世界各国均对高精设备投入大量的资金，以期获得更大的工业效益。韩国汉城大学的Heui jae Park等将压电陶瓷驱动的微定位工作台安装在旋转电机驱动的宏定位工作台上，使用激光干涉仪实现两工作台的闭环控制位置反馈，实现了较高的定位精度。日本立制作所研制的X-Y-θ三自由度微动工作台与两自由度的宏动工作台结合，己用于投影光刻机和电子束曝光机。在国内，西安交通大学采用旋转电机与滚珠丝杠实现100mm的宏驱动，并采用压电陶瓷致动器实现微定位台驱动，定位精度为±10nm。但滚珠丝杠加螺母副的导向模式存在着诸如响应速度较慢，加工和装配精度高，修复性差，需和伺服电机配合使用等问题。柔性铰链又存在着加工方法单一，不可更换性，修复性差，行程有限，高度较低等缺陷。因此，设计一款具有结构简单，高响应速度，高精度，动刚度高，加减速过程短，效率高等优点的位移台成了各国及各知名院校的重点课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简易精密位移台。该平台为解决传统位移台响应速度慢，刚度较低，大行程与高精度矛盾等问题提出了一种解决方案。

该平台可分为两大部分：直线电机与直线导轨实现大行程，快速定位；微动平台实现小行程，高精度定位。由于所需构件少，平台结构得以简化。位移台由于引入了直线电机和压电陶瓷驱动器，相较传统滚珠丝杠模式，大大减少了中间的机械传动环节，传动链长度缩减为零，从而使得整个平台在满足高精度的基本要求下，也具有了高的响应速度，高的刚度等优点。在基座安装的隔振器可有效的减小外界因素对整个平台性能的影响。直线光栅尺可实现直线电机的位移反馈，实现位移可控。微动平台采用整体材料经线切割加工而成，从而避免了装配误差，同时保证了尺寸精度，使得工作台具有良好的位移输出特性。该平台可用于精密加工进给、误差反馈补偿和精密测量领域。

该简易精密位移台分为基座、隔振器、固定内六角螺钉、直线导轨，内六角紧定螺钉，微动工作台，压电陶瓷驱动器，直线光栅尺，直线电机，所述的精密位移台的驱动部分采用直线电机和压电陶瓷驱动器，由于驱动元件直接接触运动部件，使得传动链长度缩减为零，有效的提高了响应速度和整体刚度；同时直线导轨和矩形弹簧片的引入，使得位移台整体体积减小，结构上大大的简化了。

所述的精密位移台的直线电机部分，包括左右两个直线电机；两个电机安装在直线导轨的同侧上，采用同步控制，实现整个微动平台的大行程；在每个直线电机上装有直线光栅尺，用于位移量的反馈控制，实现两个直线电机的同步位移控制。

所述的精密位移台通过在基座下安装隔振器的方式，有效的减小了外界因素对整个平台输出性能的影响，在一定程度上减小了环境工况对位移台应用的限制。

所述的微动平台，采用了矩形弹簧片作为导向元件，压电陶瓷驱动器作为驱动元件的模式，结构得以简化，加工方便；通过工作台两侧平行放置的弹簧片，工作台可获得良好的线性位移输出，并具有良好的弹性复位能力。

本发明通过采用线性驱动模式，有效的减少了传动环节，使得整体刚度较传统的滚珠丝杠加螺母副等多环节传动模式有了明显的提高；刚度的提高，意味着抗干扰能力的提高。

附图说明

图1为简易精密位移台的三维装配图。

图2为微动平台的三维模型图。

图中，1，基座；2，隔振器；3，固定内六角螺钉；4，直线导轨；5，内六角紧定螺钉；6，微动工作台；7，压电陶瓷驱动器；8，直线光栅尺；9，直线电机。

具体实施方式

发明的简易精密位移台如图1所示，包括基座1、隔振器2、固定内六角螺钉3、直线导轨4，内六角紧定螺钉5，微动工作台6，压电陶瓷驱动器7，直线光栅尺8，直线电机9。

基座1作为整个位移台的载体，对整个部件起到了安装支撑的作用。在基座1下部安装的隔振器2，起到隔振作用，可有效的消除外界因素，特别是外界振动，对整个平台性能的影响。

直线导轨4通过固定内六角螺钉3紧固在基座1上，作为大行程运动的导向部件。直线导轨4上安装由直线电机9，并与微动平台6通过内六角紧定螺钉5连接。内六角螺钉对安装空间要求小，可有效减小各部件的体积。通过导轨4的导向，可实现直线电机9和微动平台6的无间隙，同步运动。

直线电机9有两个，分别布于直线导轨4的同端内侧上。其上装有直线光栅尺8，用于直线电机9的输出位移量检测与反馈。可通过直线光栅尺8的反馈数据，实现两个直线电机9的同步精密位移输出。

微动平台6的三维模型，如图2所示。平台采用整体线切割的方法加工而成，从而避免了装配误差，同时保证了加工精度，缩短了加工时间。工作台两侧均布着矩形弹簧片，通过弹簧片的平行对称布置，构成了平行四杆机构，从而保证了工作台输出位移的线性度。同时，矩形弹簧片也可实现工作台的位移复位功能，保证了工作台和压电陶瓷驱动器的无隙接触，提高了驱动刚度。微动平台6内的工作台上设有螺纹安装孔，可以用于安装测量头或微型刀具等，以用于精密测量与精密加工。

压电陶瓷驱动器7在保证其与工作台无隙接触的情况下，固定安装在微动平台6的卡槽内。压电陶瓷驱动器具有体积小，响应速度高，刚度高，抗干扰能力强等优点，大大提高了微动位移台的性能。

本发明中，如选用最小分辨率为0.001mm，最大行程为50mm的直线电机和最小分辨率为0.01μm,最大行程为0.2mm的压电陶瓷驱动器，要实现12.45811mm的位移输出，其步骤如下：首先，将该简易精密位移台通过4个隔振器2固定安装在所需设备或位置上。然后，通过对两个直线电机9的同步控制，实现微动平台6在沿直线导轨4方向上的运动。通过直线光栅尺8的反馈信号，控制直线电机9的位移量X1=12.458mm。保持电机输入位移不变，通过压电陶瓷驱动器7输入位移量X2=0.11μm=0.00011mm。可知，工作台的输出位移量X为直线电机9的位移输出量X1与压电陶瓷驱动器7的位移输出量X2之和，于是有X=X1+X2=12.458+0.00011=12.45811mm。所需位移量得以实现，且整个过程控制简单，响应速度快。

Claims (1)

1.一种简易精密位移台，其特征在于，包括基座（1）、隔振器（2）、固定内六角螺钉（3）、直线导轨（4），内六角紧定螺钉（5），微动工作台（6），压电陶瓷驱动器（7），直线光栅尺（8），直线电机（9）；

所述基座（1）为整个位移台的载体，在基座（1）下部安装隔振器（2），两根直线导轨（4）通过固定内六角螺钉（3）紧固在基座（1）上，两个直线电机（9）分别布于直线导轨（4）的同端内侧上，直线电机（9）与微动工作台（6）通过内六角紧定螺钉（5）连接；两个直线电机（9）上装有直线光栅尺（8）；通过直线光栅尺（8）的反馈数据，两个直线电机（9）同步输出精密位移；通过导轨（4）的导向，直线电机（9）和微动工作台（6）无间隙、同步运动；

    所述微动工作台（6）采用“Ⅲ”字型布置，工作台的外框通过内六角紧定螺钉（5）与直线电机（9）相连，使直线电机（9）的位移输出传递给微动工作台（6）；微动工作台（6）中央的工作台两侧均布着等长等厚的矩形弹簧片，弹簧片的平行对称布置构成平行四杆机构；压电陶瓷驱动器（7）在保证其与工作台无隙接触的情况下，固定安装在微动工作台（6）的卡槽内；微动工作台（6）内的工作台上设有螺纹安装孔，可以用于安装测量头或微型刀具，以用于精密测量与精密加工；

所述直线导轨（4）采用“工”字型导轨，每个导轨各有两侧，一侧通过均布的三个固定内六角螺钉（3）紧固在基座（1）上，另一侧则安装有直线电机（9）。

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