CN103252761B - 具有角度补偿功能的大行程二维纳米工作台*** - Google Patents

具有角度补偿功能的大行程二维纳米工作台*** Download PDF

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本发明公开了一种具有角度补偿功能的大行程二维纳米工作台***，采用基于压电陶瓷致动器和柔性铰链设计的六自由度微动工作台对大行程二维工作台进行直线定位及角度误差的综合补偿。本发明中，大行程二维工作台采用步进电机结合滚珠丝杠的驱动方式，具有较大的俯仰角、偏摆角、滚转角误差，定位精度在微米级；六自由度微动工作台具有纳米级的直线定位精度和毫秒级的角度定位精度。两者结合，组成了大行程二维纳米工作台***。该***在闭环控制***的控制下通过六自由度微动工作台对大行程二维纳米工作台进行直线定位误差和角度误差的综合补偿，实现了二维大行程纳米定位。

Description

具有角度补偿功能的大行程二维纳米工作台***
技术领域
本发明涉及大范围高精度定位工作台***领域，具体为一种具有角度补偿功能的大行程二维纳米工作台***。
背景技术
在测量***中，工作台不仅需要具有极高的直线定位精度，而且需要尽可能的减小其运动角度误差。工作台的角度误差对其定位误差有着放大作用，尤其在违背阿贝原则的测量***中，因工作台角度误差及阿贝臂引起的阿贝误差更是不可忽略。传统的x-y二维工作台多由两个可单轴运动的工作台叠加而成，导轨的不完善性导致运动台产生俯仰、偏摆和滚摆运动，如果此时两个工作台在空间上存在高度差，则会将导轨的定位误差放大反映到载物台所处的测量平面上。例如堆叠而成的二维测量平台，两导轨运动面不重合，存在S＝5cm的高度差，下层工作台运动倾斜角度为，则给上一层工作台造成的运动定位误差＝250nm，这个误差量级对于纳米测量是不可忽略的。在普通精度测量***中，可以通过软件补偿对此误差进行一定程度的补偿，但是在纳米级测量***中，由于工作台力变形及测量环境的变化，甚至是工件放置位置的不同都会造成工作台的附加微小变形，当测量机行程较大时，单靠补偿很难达到纳米级。为了解决此问题，有研究提出了共平面导轨设计方案，这种导向与测量面的共平面设计，消除了导轨角运动误差和导轨高度差对平台定位误差的放大作用。但是在测量时，对于有一定高度的被测件，工作台的角度误差仍会引入不可忽略的测量误差，并且此误差随着工件的形状及放置位置不同而变化，难以补偿。通过提高工作台导轨的加工精度和装配精度对减小工作台的定位误差和角度偏差有一定的效果，但是在大行程及高精度的要求下，成本极高且难以实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有角度补偿功能的大行程二维纳米工作台***，以解决现有技术存在的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
具有角度补偿功能的大行程二维纳米工作台***，其特征在于：包括有底座、设置在底座上的大行程二维工作台、由大行程二维工作台支撑的六自由度微动工作台、分布在六自由度微动工作台两相邻侧外并互呈90度夹角的两个光学测长测角***，其中：
所述的大行程二维工作台由分别沿X向、Y向设置的两组单轴工作台上下交叉叠加而成，每个单轴工作台以循环滚珠导轨副作为导向元件，以步进电机配合滚珠丝杠为驱动方式，其中位于上部的单轴工作台固定在位于下部的单轴工作台的导轨滑块上；
所述的六自由度微动工作台的驱动元件为压电陶瓷，所用八个压电陶瓷均通过压电陶瓷无应力夹持预紧机构进行夹持和预紧，导向机构为柔性铰链弹性导轨，六自由度微动工作台包括连接板，所述连接板安装在大行程二维工作台中位于上部的单轴工作台的导轨滑块上并刚性相连，连接板上沿Z向设置有四组压电陶瓷驱动单元，四组压电陶瓷驱动单元在连接板上呈中心对称并围成矩形，且矩形的侧边分别与X向、Y向平行，连接板上还支撑有多自由度板，所述多自由度板由外框、设置在外框中的中框和设置在中框中的内基板构成，所述多自由度板通过其内基板固定在四组压电陶瓷驱动单元组成的矩形顶部，且多自由度板侧边与四组压电陶瓷驱动单元组成的矩形边缘平行，两个光学测长测角***分布在多自由度板两相邻的侧边外，多自由度板外框位于其中一个光学测长测角***同侧的框边顶部设置有X轴反射镜调整支架，多自由度板外框位于另一个光学测长测角***同侧的框边顶部设置有Y轴反射镜调整支架，X轴反射镜调整支架与Y轴反射镜调整支架彼此呈90度分布在多自由度板外框顶部，且X轴反射镜调整支架顶部设置有作为X向光学测长测角***靶镜的X轴反射镜、Y轴反射镜调整支架顶部设置有作为Y向光学测长测角***靶镜的Y轴反射镜，X轴反射镜、Y轴反射镜各自对侧的多自由度板外框框边顶部分别安装有反射镜调整支架，反射镜调整支架上分别固定有平衡对侧反射镜重量的配重块，所述X、Y轴反射镜调整支架及X、Y轴反射镜调整支架对侧的配重用的反射镜调整支架在多自由度板外框顶部框接构成框形，且框形中间的多自由度板外框顶部还安装有载物台。
所述的具有角度补偿功能的大行程二维纳米工作台***，其特征在于：所述光学测长测角***分别由光电自准直仪和迈克尔逊激光干涉仪构成。
所述的具有角度补偿功能的大行程二维纳米工作台***，其特征在于：所述压电陶瓷无应力夹持预紧机构包括矩形压电陶瓷、分别无应力夹持在压电陶瓷顶部和底部绝缘陶瓷片上的垫片、嵌在其中一个垫片的锥形孔与固定基板的锥形孔之间的直径3mm的钢球、嵌在另一垫片的锥形孔与预紧螺钉头部锥形孔之间的直径3mm的钢球、预紧螺钉和预紧螺母，垫片的正面加工有滑槽,垫片的背面加工有锥形孔,两个垫片正面相对且使滑槽方向成90度角卡在压电陶瓷两端的绝缘陶瓷片上，使得压电陶瓷的位置被限定，而滑槽的存在使得在预紧螺钉和固定基板的锥形孔由于加工及装配精度低而不同轴时，两垫片可以在装配时沿滑槽方向进行微小滑动以补偿由于预紧螺钉和固定基板的锥形孔由于加工及装配精度低而不同轴时可能引入的附加应力，两垫片的背面、固定基板以及预紧螺钉的前端都加工有锥形孔，直径3mm的钢球分别卡在其中，在对应两锥形孔之间起定位及传递力的作用，压电陶瓷的预紧通过嵌在移动基板中的预紧螺母和预紧螺钉实现，所用螺距为0.35mm。
所述的具有角度补偿功能的大行程二维纳米工作台***，其特征在于：多自由度板采用7075铝合金经线切割加工而成，由内基板、中框和外框构成，内基板和中框之间安装有两个压电陶瓷，两个压电陶瓷的夹持和预紧方式和所述压电陶瓷无应力夹持预紧机构结构一致，内基板和中框之间的两个陶瓷同时伸长时，中框相对于内基板做旋转运动，中框和外框之间沿X方向和沿Y方向分别安装有X方向压电陶瓷和Y方向压电陶瓷，两个压电陶瓷的夹持和预紧方式和所述压电陶瓷无应力夹持预紧机构结构一致，X方向压电陶瓷伸长时，外框相对中框向X方向移动，Y方向压电陶瓷伸长时，外框相对中框向Y方向移动，X方向压电陶瓷和Y方向压电陶瓷同时伸长时，外框相对中框做沿XY方向的合运动，内基板的四周均布有四组Z向压电陶瓷驱动单元固定孔和四个Z向压电陶瓷驱动单元预紧螺钉孔，内基板的外侧四角分别加工有平行板柔性铰链，内基板和中框通过四组平行板柔性铰链相连，中框的框边外四角分别加工有双向平行板柔性铰链，中框和外框通过双向平行板柔性铰链相连，外框的框口四角均布共八个载物台固定孔，外框在外侧和X方向驱动陶瓷、Y方向驱动陶瓷相对的位置分别均布三个反射镜调整支架固定孔，X方向驱动陶瓷、Y方向驱动陶瓷同侧的位置分别均布有两个反射镜调整支架固定孔。
所述的具有角度补偿功能的大行程二维纳米工作台***，其特征在于：所述柔性铰链均为平行板柔性铰链。
所述的具有角度补偿功能的大行程二维纳米工作台***，其特征在于：Z向压电陶瓷驱动单元由基体、设置在基体中的压电陶瓷构成，压电陶瓷的夹持和预紧方式和所述压电陶瓷无应力夹持预紧机构结构一致，其中基体的顶部设有上连接孔，基体的顶部中心开有通孔，基体的底部设有下连接孔，所述基体底部通过安装在下连接孔中的螺栓固定在连接板上，所述基体顶部的上连接孔和多自由度板内基板的Z向压电陶瓷驱动单元固定孔通过螺栓固定在一起，预紧螺母嵌入多自由度板内基板上的Z向压电陶瓷驱动单元预紧螺钉孔中，预紧螺钉从多自由度板上侧旋入，穿过基体顶部中心的通孔，对压电陶瓷进行夹持和预紧。
本发明基于宏微组合驱动方式提出一种大行程二维纳米工作台的设计方案，采用基于压电陶瓷致动器和柔性铰链设计的六自由度微动工作台对宏动工作台进行定位及角度误差的综合补偿，最大限度提高整个工作台***的精度。
本发明的有益效果在于：具有200mm×200mm的大运动范围，成本低廉，控制简单；控制方式简单，无须复杂算法，各自由度之间寄生运动小；具有运动范围大、定位精度高、运动角度误差小、成本低廉的优点。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明大行程二维工作台结构图。
图3为本发明六自由度微动工作台结构图。
图4为本发明压电陶瓷无应力夹持预紧机构。
图5为本发明多自由度板结构图。
图6为本发明Z向压电陶瓷驱动单元结构图。
具体实施方式
参见图1、图2、图3，本发明包括一个底座1，一个大行程二维工作台5，一个六自由度微动工作台3，两套呈90度夹角布置的光学测长测角***2和4；为使工作台定位***的X、Y轴直线定位精度达到纳米级，利用六自由度微动工作台3的直线运动对大行程二维工作台5进行直线定位误差的补偿，为使工作台定位***获得极小的角度误差，通过六自由度微动台3的转角运动对大行程二维工作台5进行角度误差的补偿；
大行程二维工作台5由分别沿X向、Y向设置的两组单轴工作台上下交叉叠加而成，每个单轴工作台以循环滚珠导轨副7作为导向元件，以步进电机6配合滚珠丝杠8作为驱动方式，其中位于上部的单轴工作台固定在位于下部的单轴工作台的导轨滑块10上，叠加之后的大行程二维工作台5行程为200mm×200mm。
六自由度微动工作台3通过转接板11和大行程二维工作台5的位于上部的单轴工作台的导轨滑块9刚性相连，固定于转接板11上的四组Z向压电陶瓷驱动单元12提供工作台沿Z向的升降和绕X轴、Y轴的转动，四组Z向压电陶瓷驱动单元12在连接板11上呈中心对称并围成矩形，且矩形的侧边分别与X向、Y向平行，多自由度板13通过其内基板39固定在四组压电陶瓷驱动单元12组成的矩形顶部，且多自由度板13侧边与四组压电陶瓷驱动单元12组成的矩形边缘平行，两个光学测长测角***2和4分布在多自由度板13两相邻的侧边外，工作台沿X方向和Y方向的平动以及绕Z轴的转动由多自由度板13实现，多自由度板13的内基板39与四组Z向压电陶瓷驱动单元12通过内基板39四周的Z向压电陶瓷驱动单元固定孔38相连，使得四个Z向压电陶瓷驱动单元12组合运动产生的俯仰运动能够传递给多自由度板13，多自由度板13外框41位于其中一个光学测长测角***同侧的框边顶部设置有X轴反射镜调整支架17，多自由度板外框位于另一个光学测长测角***同侧的框边顶部设置有Y轴反射镜调整支架14，X轴反射镜调整支架17与Y轴反射镜调整支架14彼此呈90度分布在多自由度板13的外框41顶部，通过三个螺钉和多自由度板13的外框41相连，具有偏摆角和俯仰角的微调功能，且X轴反射镜调整支架17顶部设置有作为X向光学测长测角***靶镜的X轴反射镜16、Y轴反射镜调整支架14顶部设置有作为Y向光学测长测角***靶镜的Y轴反射镜15，X轴反射镜16、Y轴反射镜15各自对侧的多自由度板外框框边顶部分别安装有反射镜调整支架21和20，反射镜调整支架21和20上分别固定有平衡对侧反射镜重量的配重块22和19，所述X、Y轴反射镜调整支架17和14及X、Y轴反射镜调整支架对侧的配重用的反射镜调整支架21和20在多自由度板外框顶部框接构成框形，且框形中间的多自由度板外框顶部还安装有载物台18，载物台18通过螺钉和多自由板13的外框41相连。
大行程二维工作台5和六自由度微动工作台3采用共用的位置检测***2和4，位置检测***2由光电自准直仪和迈克尔逊激光干涉仪两部分组成，位置检测***4的结构和位置检测***2相同；光电自准直仪用于测量载物台18的俯仰角和偏摆角，迈克尔逊激光干涉仪用于测量载物台18的直线定位误差；位置检测***2和4以固定于六自由度微动工作台3上的两个成90度夹角布置的高精度长条状平面反射镜16和15为靶镜，避免大行程二维工作台5和六自由度微动工作台3分别进行位置测量时因测量基准不统一而引入的累积误差。
参见图4，六自由度微动工作台中的八个压电陶瓷均采用无应力夹持预紧机构进行夹装，两个垫片25和27面对面并使滑槽成90度角卡在压电陶瓷26两端的绝缘陶瓷片上，等效为将压电陶瓷26卡在一个十字滑槽中，使得压电陶瓷26的位置被限定，而滑槽32的存在使得在预紧螺钉31和固定基板23的锥形孔由于加工及装配精度低而不同轴时，两垫片25和27可以在装配时沿滑槽方向进行微小滑动以补偿由于预紧螺钉31和固定基板23的锥形孔由于加工及装配精度低而不同轴时可能引入的附加应力，垫片25和27的背面加工有锥形孔33，固定基板23以及预紧螺钉31的前端同样加工有锥形孔，直径3mm的钢球24和28分别卡在垫片25和固定基板23之间的锥形孔、垫片27和预紧螺钉31前端的锥形孔之间，在对应两锥形孔之间起定位及传递力的作用，压电陶瓷26的预紧通过嵌在移动基板30中的预紧螺母29和预紧螺钉31实现。
参见图3、图5、图6，柔性铰链均为平行板柔性铰链，平行板柔性铰链结构简单，加工方便，无原理误差。
参加图5，多自由度板13采用7075铝合金经线切割加工而成，由内基板39、中框40和外框41构成，内基板39和中框40之间安装有两个压电陶瓷42和44，两个压电陶瓷42和44的夹持和预紧方式和所述压电陶瓷无应力夹持预紧机构结构一致，内基板39和中框40之间的两个压电陶瓷42和44同时伸长时，中框40相对于内基板39做绕Z轴的旋转运动，中框40和外框41之间沿X方向和沿Y方向分别安装有X方向压电陶瓷37和Y方向压电陶瓷34，两个压电陶瓷37和34的夹持和预紧方式和所述压电陶瓷无应力夹持预紧机构结构一致，X方向压电陶瓷37伸长时，外框41相对中框40向X方向移动，Y方向压电陶瓷34伸长时，外框41相对中框40向Y方向移动，X方向压电陶瓷37和Y方向压电陶瓷34同时伸长时，外框41相对中框40做沿XY方向的合运动，内基板39的四周均布有四组Z向压电陶瓷驱动单元固定孔38和四个Z向压电陶瓷驱动单元预紧螺钉孔43，内基板39的外侧四角分别加工有平行板柔性铰链36，内基板39和中框40通过四组平行板柔性铰链36相连，中框40的框边外四角分别加工有双向平行板柔性铰链35，中框40和外框41通过双向平行板柔性铰链35相连，外框41的框口四角均布共八个载物台固定孔45，外框41在外侧和X方向驱动陶瓷37、Y方向驱动陶瓷34相对的位置分别均布三个反射镜调整支架固定孔46，反射镜调整支架固定孔46用于反射镜调整支架17和14的微调与固定，X方向驱动陶瓷37、Y方向驱动陶瓷34同侧的位置分别均布有两个反射镜调整支架固定孔47，用于反射镜调整支架21和20的固定。
参见图6，Z向压电陶瓷驱动单元12由基体55、设置在基体55中的压电陶瓷54构成，压电陶瓷54的夹持预紧方式和所述压电陶瓷无应力夹持预紧机构一致，其中基体55的顶部设有上连接孔49，基体55的顶部中心开有通孔52，基体55的底部设有下连接孔48，所述基体55底部通过安装在下连接孔48中的螺栓固定在连接板11上，所述基体55顶部的上连接孔49和多自由度板13的内基板39的Z向压电陶瓷驱动单元固定孔38通过螺栓固定在一起，预紧螺母嵌入多自由度板13的内基板39上的Z向压电陶瓷驱动单元预紧螺钉孔43中，预紧螺钉51从多自由度板13上方旋入，穿过基体55顶部中心的通孔52，对压电陶瓷54进行夹持和预紧。

Claims (6)

1.具有角度补偿功能的大行程二维纳米工作台***，其特征在于：包括有底座、设置在底座上的大行程二维工作台、由大行程二维工作台支撑的六自由度微动工作台、分布在六自由度微动工作台两相邻侧外并互呈90度夹角的两个光学测长测角***，其中：
所述的大行程二维工作台由分别沿X向、Y向设置的两组单轴工作台上下交叉叠加而成，每个单轴工作台以循环滚珠导轨副作为导向元件，以步进电机配合滚珠丝杠为驱动方式，其中位于上部的单轴工作台固定在位于下部的单轴工作台的导轨滑块上；
所述的六自由度微动工作台的驱动元件为压电陶瓷，所用八个压电陶瓷均通过压电陶瓷无应力夹持预紧机构进行夹持和预紧，导向机构为柔性铰链弹性导轨，六自由度微动工作台包括连接板，所述连接板安装在大行程二维工作台中位于上部的单轴工作台的导轨滑块上并刚性相连，连接板上沿Z向设置有四组压电陶瓷驱动单元，四组压电陶瓷驱动单元在连接板上呈中心对称并围成矩形，且矩形的侧边分别与X向、Y向平行，连接板上还支撑有多自由度板，所述多自由度板由外框、设置在外框中的中框和设置在中框中的内基板构成，所述多自由度板通过其内基板固定在四组压电陶瓷驱动单元组成的矩形顶部，且多自由度板侧边与四组压电陶瓷驱动单元组成的矩形边缘平行，两个光学测长测角***分布在多自由度板两相邻的侧边外，多自由度板外框位于其中一个光学测长测角***同侧的框边顶部设置有X轴反射镜调整支架，多自由度板外框位于另一个光学测长测角***同侧的框边顶部设置有Y轴反射镜调整支架，X轴反射镜调整支架与Y轴反射镜调整支架彼此呈90度分布在多自由度板外框顶部，且X轴反射镜调整支架顶部设置有作为X向光学测长测角***靶镜的X轴反射镜、Y轴反射镜调整支架顶部设置有作为Y向光学测长测角***靶镜的Y轴反射镜，X轴反射镜、Y轴反射镜各自对侧的多自由度板外框框边顶部分别安装有反射镜调整支架，反射镜调整支架上分别固定有平衡对侧反射镜重量的配重块，所述X轴反射镜调整支架、Y轴反射镜调整支架及X轴反射镜调整支架、Y轴反射镜调整支架对侧的配重用的反射镜调整支架在多自由度板外框顶部框接构成框形，且框形中间的多自由度板外框顶部还安装有载物台。
2.根据权利要求1所述的具有角度补偿功能的大行程二维纳米工作台***，其特征在于：所述光学测长测角***分别由光电自准直仪和迈克尔逊激光干涉仪构成。
3.根据权利要求1所述的具有角度补偿功能的大行程二维纳米工作台***，其特征在于：所述压电陶瓷无应力夹持预紧机构包括矩形压电陶瓷、分别无应力夹持在压电陶瓷顶部和底部绝缘陶瓷片上的垫片、嵌在其中一个垫片的锥形孔与固定基板的锥形孔之间的直径3mm的钢球、嵌在另一垫片的锥形孔与预紧螺钉头部锥形孔之间的直径3mm的钢球、预紧螺钉和预紧螺母，垫片的正面加工有滑槽,垫片的背面加工有锥形孔,两个垫片正面相对且使滑槽方向成90度角卡在压电陶瓷两端的绝缘陶瓷片上，使得压电陶瓷的位置被限定，而滑槽的存在使得在预紧螺钉和固定基板的锥形孔由于加工及装配精度低而不同轴时，两垫片在装配时沿滑槽方向进行微小滑动以补偿由于预紧螺钉和固定基板的锥形孔由于加工及装配精度低而不同轴时可能引入的附加应力，两垫片的背面、固定基板以及预紧螺钉的前端都加工有锥形孔，直径3mm的钢球分别卡在其中，在对应两锥形孔之间起定位及传递力的作用，压电陶瓷的预紧通过嵌在移动基板中的预紧螺母和预紧螺钉实现，所用螺距为0.35mm。
4.根据权利要求1所述的具有角度补偿功能的大行程二维纳米工作台***，其特征在于：多自由度板采用7075铝合金经线切割加工而成，由内基板、中框和外框构成，内基板和中框之间安装有两个压电陶瓷，两个压电陶瓷的夹持和预紧方式和所述压电陶瓷无应力夹持预紧机构结构一致，内基板和中框之间的两个陶瓷同时伸长时，中框相对于内基板做旋转运动，中框和外框之间沿X方向和沿Y方向分别安装有X方向压电陶瓷和Y方向压电陶瓷，两个压电陶瓷的夹持和预紧方式和所述压电陶瓷无应力夹持预紧机构结构一致，X方向压电陶瓷伸长时，外框相对中框向X方向移动，Y方向压电陶瓷伸长时，外框相对中框向Y方向移动，X方向压电陶瓷和Y方向压电陶瓷同时伸长时，外框相对中框做沿XY方向的合运动，内基板的四周均布有四组Z向压电陶瓷驱动单元固定孔和四个Z向压电陶瓷驱动单元预紧螺钉孔，内基板的外侧四角分别加工有平行板柔性铰链，内基板和中框通过四组平行板柔性铰链相连，中框的框边外四角分别加工有双向平行板柔性铰链，中框和外框通过双向平行板柔性铰链相连，外框的框口四角均布共八个载物台固定孔，外框在外侧和X方向驱动陶瓷、Y方向驱动陶瓷相对的位置分别均布三个反射镜调整支架固定孔，X方向驱动陶瓷、Y方向驱动陶瓷同侧的位置分别均布有两个反射镜调整支架固定孔。
5.根据权利要求4所述的具有角度补偿功能的大行程二维纳米工作台***，其特征在于：所述柔性铰链均为平行板柔性铰链。
6.根据权利要求1所述的具有角度补偿功能的大行程二维纳米工作台***，其特征在于：Z向压电陶瓷驱动单元由基体、设置在基体中的压电陶瓷构成，压电陶瓷的夹持和预紧方式和所述压电陶瓷无应力夹持预紧机构结构一致，其中基体的顶部设有上连接孔，基体的顶部中心开有通孔，基体的底部设有下连接孔，所述基体底部通过安装在下连接孔中的螺栓固定在连接板上，所述基体顶部的上连接孔和多自由度板内基板的Z向压电陶瓷驱动单元固定孔通过螺栓固定在一起，预紧螺母嵌入多自由度板内基板上的Z向压电陶瓷驱动单元预紧螺钉孔中，预紧螺钉从多自由度板上侧旋入，穿过基体顶部中心的通孔，对压电陶瓷进行夹持和预紧。
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