CN106960690A - 基于圆弧铰链夹持与多自由度解耦的圆柱度仪水平导轨驱动装置 - Google Patents

Abstract

基于圆弧铰链夹持与多自由度解耦的圆柱度仪水平导轨驱动装置属于精密测量与仪器技术领域；该装置包括夹持部件、倾斜角调节部件和转角调节部件，夹持部件呈四面环绕式夹持精密气浮导轨，转角调节部件安装在驱动部件的凹槽内；夹持部件包括矩形框架、支承方向铰链、导向方向铰链、弧形槽、减摩片、紧定螺钉、支承方向调节顶丝和导向方向调节顶丝；倾斜角调节部件包括U型框架、调节铰链、保持架、限位柱和滑块；转角调节部件包括回转轴、上外壳、转接凸台、下外壳、下保持架、上保持架、筒型框架、筒型保持架、调整垫块和底部端盖；本发明解决了精密气浮导轨驱动中的干扰和耦合问题，可建立一种圆柱度仪水平导轨精密驱动装置。

Description

基于圆弧铰链夹持与多自由度解耦的圆柱度仪水平导轨驱动 装置

技术领域

本发明属于精密测量与仪器技术领域，特别涉及一种基于圆弧铰链夹持与多自由度解耦的圆柱度仪水平导轨驱动装置。

背景技术

在精密测量与仪器技术领域，直线基准是精密/超精密测量仪器、试验装备与制造装备中的核心技术之一。影响导轨直线运动精度的因素主要有装配误差和驱动机构的干扰，这就对导轨的装配提出了严峻的挑战，也对驱动力的传递方式提出了更高的要求。

清华大学提出了两自由度运动解耦柔性铰链机构(专利公开号：CN104895913A)，该装置包括柔性铰链支链和刚性连接件，刚性连接件包括位于柔性铰链基体中间部分的终端刚性输出平台和分别位于柔性铰链基体上、下、左、右部分的上端、下端、左端、右端刚性平台；通过该发明的两自由度运动解耦柔性铰链机构可以实现终端各向运动和力之间的解耦，从而有助于提高两自由度运动解耦柔性铰链机构的运动精度，但是该发明只能解决二维平面内的运动解耦问题，使用起来具有一定的局限性。

浙江工业大学提出了一种全解耦动态平衡装置(专利公开号：CN103116362A)，该装置包括基座和工作台，工作台底面安装第一直线导轨，动平台的顶面安装第二直线导轨，十字轴滑块的顶面可滑动地安装在第一直线导轨上，十字轴滑块的底面可滑动地安装在第二直线导轨上；通过该发明的全解耦动态平衡装置可以实现4个自由度的动态解耦，有助于提高相互正交的两个方向上的运动精度。但是该发明通过十字轴滑块作为连接装置，使用这类连接装置时安装误差会附加到导轨的运动精度上，并且十字轴滑块的运动精度低于导轨的运动精度且不具有调节功能。

天津大学提出了一种双弹簧预紧柔性解耦直线电机定位平台(专利公开号：CN103522079A)，该装置包括基座和工作平台，工作平台设有X向驱动机构和Y向驱动机构，X向驱动机构和所述Y向驱动机构的直线电机定子均固定在基座上，Y向定位平台上设有X向工作平台导轨，X向工作平台导轨上设有与其滑动连接的所述工作平台，工作平台通过双弹簧预紧柔性解耦机构与X向定位平台连接。该发明采用直线电机直接驱动运动部件，通过设计双弹簧预紧柔性解耦机构实现定位平台的运动解耦，以高精度的光栅传感器作为末端反馈元件以保证***运动的高速和高精度。但是该发明通过弹簧预紧柔性解耦机构，虽然消除了安装误差，但弹簧预紧后的X向工作平台导轨没用自适应性，不能够滤除X向驱动机构的跳动干扰。

上述解耦装置平台都能够一定程度上解决运动方向上的解耦问题，但上述现有技术存在的共性问题是运动方向上的解耦不够完全。只有同时兼顾安装误差和驱动误差等对导轨直线度的影响，才能解决稳态和动态状态下多自由度解耦问题。为解决上述问题，本发明提出了一种基于圆弧铰链夹持与多自由度解耦的圆柱度仪水平导轨驱动装置。

发明内容

本发明的目的就是针对上述已有技术存在的问题，提出一种基于圆弧铰链夹持与多自由度解耦的圆柱度仪水平导轨驱动装置，同时兼顾安装误差、驱动机构的直线运动误差、驱动力传递带来的跳动干扰三个方面对导轨直线度影响因素，解决了稳态和动态状态下多自由度解耦问题，能够实现直线导轨的高运动精度。上述目的通过以下的技术方案实现：

一种基于圆弧铰链夹持与多自由度解耦的圆柱度仪水平导轨驱动装置，包括夹持部件、倾斜角调节部件和转角调节部件，夹持部件呈四面环绕式夹持精密气浮导轨，转角调节部件安装在下方的驱动部件的凹槽内。

夹持部件包括矩形框架、支承方向铰链、导向方向铰链、弧形槽、减摩片、紧定螺钉、支承方向调节顶丝、导向方向调节顶丝；矩形框架内侧加工有弧形槽，紧定螺钉用以固定矩形框架，减摩片贴在矩形框架的4个内壁上，支承方向调节顶丝作用在支承方向铰链上，导向方向调节顶丝作用在导向方向铰链上；精密气浮导轨安装在矩形框架内，且精密气浮导轨的4个工作面均与减摩片接触。

倾斜角调节部件包括U型框架、调节铰链、保持架、限位柱、滑块、钢珠A；U型框架内安装有限位柱，用以限制滑块的滑动，U型框架与滑块之间为滚动摩擦；保持架上加工有两排圆柱形通孔，通孔内嵌钢珠A；在倾斜角调节部件的上端，U型框架与矩形框架通过螺纹结构连接。

转角调节部件包括回转轴、上外壳、转接凸台、下外壳、下保持架、上保持架、筒型框架、筒型保持架、钢珠B、调整垫块、底部端盖；筒型框架上加工有转接凸台，转接凸台与驱动部件螺纹连接；筒型框架的外侧同心安装有上外壳和下外壳；筒型框架的内侧，由上至下依次同心安装有上保持架、筒型保持架和下保持架；上保持架、下保持架和筒型保持架上均加工有周向均匀分布的圆柱形通孔，通孔内嵌钢珠B；上保持架、筒型保持架和下保持架内侧同心安装有回转轴，回转轴与筒型框架之间为滚动摩擦；回转轴与底部端盖之间安装有调整垫块；在转角调节部件的上端，回转轴与滑块通过螺纹结构连接。

本发明装置具有如下显著特点：

1、本发明装置中转角调节部件中的回转轴与筒型框架周向上为滚动摩擦，实现滚动摩擦的结构由筒型保持架和钢珠B构成，能够消除牵引力传递过程中的Y向扰动。

2、本发明装置中倾斜角调节部件的滑块与U型框架间为滚动摩擦，实现滚动摩擦的结构由保持架和钢珠A构成，能够消除牵引力传递过程中的Z向扰动。

3、本发明装置中夹持部件中，调节支承方向调节顶丝作用在支承方向铰链上的预紧力，可调节气浮导轨的XZ平面倾角；调节导向方向调节顶丝作用在导向方向铰链上的预紧力，可调节气浮导轨的XY平面倾角，能够使气浮导轨与驱动部件的X向运动轨迹线在三维空间内平行。

4、本发明装置中驱动部件为精密气浮导轨提供牵引力；驱动部件与精密气浮导轨之间安装的转角调节部件、倾斜角调节部件和夹持部件能够消除安装误差、驱动机构的直线运动误差、驱动力传递带来的跳动干扰对导轨直线度的影响，解决了稳态和动态状态下多自由度解耦问题，能够实现直线导轨的高运动精度。

本发明装置用途广泛，尤其适用于精密/超精密测量仪器、试验装备与制造装备中水平直线基准的建立。

附图说明

图1为一种基于圆弧铰链夹持与多自由度解耦的圆柱度仪水平导轨驱动装置的结构示意图；

图2为夹持部件的结构示意图；

图3为倾斜角调节部件(附加回转轴)的结构示意图；

图4为转角调节部件(省略回转轴)的结构示意图；

图中：A、夹持部件；B、倾斜角调节部件；C、转角调节部件；D、驱动部件；E、精密气浮导轨；1、矩形框架；2、支承方向铰链；3、导向方向铰链；4、弧形槽；5、减摩片；6、紧定螺钉；7、支承方向调节顶丝；8、导向方向调节顶丝；9、U型框架；10、调节铰链；11、保持架；12、限位柱；13、滑块；14、钢珠A；15、回转轴；16、上外壳；17、转接凸台；18、下外壳；19、下保持架；20、上保持架；21、筒型框架；22、筒型保持架；23、钢珠B；24、调整垫块；25、底部端盖。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。

如图1所示，一种基于圆弧铰链夹持与多自由度解耦的圆柱度仪水平导轨驱动装置,包括夹持部件A、倾斜角调节部件B、转角调节部件C，夹持部件A呈四面环抱式夹持精密气浮导轨E，转角调节部件C安装在下方的驱动部件D的凹槽内；驱动部件D为精密气浮导轨E提供牵引力；倾斜角调节部件B和转角调节部件C安装在精密气浮导轨E与驱动部件D之间，以消除驱动部件D对精密气浮导轨E直线运动精度的影响；驱动部件D在空间内的扰动分为Y向扰动和Z向扰动；倾斜角调节部件B能够消除Z向扰动，即支承方向扰动；转角调节部件C能够消除Y向扰动，即导向方向扰动。

如图2所示，夹持部件A包括矩形框架1、支承方向铰链2、导向方向铰链3、弧形槽4、减摩片5、紧定螺钉6、支承方向调节顶丝7、导向方向调节顶丝8；矩形框架1内侧的4个直角棱处加工有弧形槽4，紧定螺钉6用以固定矩形框架1，减摩片5贴在矩形框架1的4个内壁上，支承方向调节顶丝7作用在支承方向铰链2上，导向方向调节顶丝8作用在导向方向铰链3上；精密气浮导轨E安装在矩形框架1内，且精密气浮导轨E的4个工作面均与减摩片5接触；所述气浮导轨E相对于驱动部件D的X向运动轨迹线的空间夹角分为2个平面倾角，即XY平面和XZ平面的倾角，可通过夹持部件A分别进行调整，使气浮导轨E与驱动部件D的X向运动轨迹线平行；改变支承方向调节顶丝7作用在支承方向铰链2上的预紧力，可调节气浮导轨E的XZ平面倾角；改变导向方向调节顶丝8作用在导向方向铰链3上的预紧力，可调节气浮导轨E的XY平面倾角；由于预紧力改变而造成的矩形框架1扭曲变形，在弧形槽4处得到消解；矩形框架1内侧表面与精密气浮导轨E的工作面之间均安装有减摩片5；减摩片5采用聚四氟乙烯材料。

如图3所示，倾斜角调节部件B包括U型框架9、调节铰链10、保持架11、限位柱12、滑块13、钢珠A14；U型框架9内安装有限位柱12，用以限制滑块13的滑动，U型框架9与滑块13之间采用滚动摩擦方式；保持架11上加工有两排圆柱形通孔，通孔内嵌钢珠A14；在倾斜角调节部件B的上端，U型框架9与矩形框架1通过螺纹结构连接；斜角调节部件B的下端通过滑块13与转角调节部件C的回转轴15刚性连接；U型框架9安装有限位柱12，位于滑块13的X向的两侧；滑块13的Y向的两侧与U型框架9采用滚动摩擦，实现滚动摩擦的结构由保持架11和钢珠A14构成；滑块13和U型框架9之间只能产生XZ平面内的相对倾斜转动，以消除驱动部件D的Z向扰动。

如图4所示，转角调节部件C包括回转轴15、上外壳16、转接凸台17、下外壳18、下保持架19、上保持架20、筒型框架21、筒型保持架22、钢珠B23、调整垫块24、底部端盖25；筒型框架21上加工有转接凸台17，转接凸台17与驱动部件D螺纹连接；筒型框架21的外侧同心安装有上外壳16和下外壳18；筒型框架21的内侧，由上至下依次同心安装有上保持架20、筒型保持架22和下保持架19；上保持架20、下保持架19和筒型保持架22上均加工有周向均匀分布的柱形通孔，通孔内嵌钢珠B23；上保持架20、筒型保持架22和下保持架19内侧同心安装有回转轴15，回转轴15与筒型框架21之间采用滚动摩擦方式；回转轴15与底部端盖25之间安装有调整垫块24；在转角调节部件C的上端，回转轴15的与滑块13通过螺纹结构连接。转角调节部件C安装在驱动部件D上方的凹槽中，并通过转接凸台17与驱动部件D固连；回转轴15与筒型框架21周向上采用滚动摩擦，实现滚动摩擦的结构由筒型保持架22和钢珠B23构成；回转轴15与筒型框架21轴向上采用滚动摩擦，实现滚动摩擦的结构由上保持架20、下保持架19和钢珠B23构成，上外壳16能够固定上保持架20，下外壳能够固定下保持架19，回转轴15与底部端盖25之间安装有调整垫块24，能够调整和固定回转轴15的轴向位置；回转轴15和筒型框架21之间只能产生XY平面内的相对回转运动，以消除驱动部件D的Y向扰动。

一种基于圆弧铰链夹持与多自由度解耦的圆柱度仪水平导轨驱动装置，其夹持部件A能够将精密气浮导轨E与驱动部件D调至空间平行；该装置工作时，夹持部件A、倾斜角调节部件B和转角调节部件C能够将驱动部件D的X向位移传递给精密气浮导轨E，与此同时，倾斜角调节部件B、转角调节部件C能够消除驱动部件D产生的Y向及Z向扰动；精密气浮导轨E在驱动部件D的X向牵引力的作用下，能够达到水平方向的运动精度。

Claims (5)

1.一种基于圆弧铰链夹持与多自由度解耦的圆柱度仪水平导轨驱动装置,其特征在于：该装置包括夹持部件(A)、倾斜角调节部件(B)和转角调节部件(C)，夹持部件(A)呈四面环绕式夹持精密气浮导轨(E)，转角调节部件(C)安装在驱动部件(D)的凹槽内；

夹持部件(A)包括矩形框架(1)、支承方向铰链(2)、导向方向铰链(3)、弧形槽(4)、减摩片(5)、紧定螺钉(6)、支承方向调节顶丝(7)、导向方向调节顶丝(8)；矩形框架(1)内侧加工有弧形槽(4)，紧定螺钉(6)用以固定矩形框架(1)，减摩片(5)贴在矩形框架(1)的4个内壁上，支承方向调节顶丝(7)作用在支承方向铰链(2)上，导向方向调节顶丝(8)作用在导向方向铰链(3)上；精密气浮导轨(E)安装在矩形框架(1)内，且精密气浮导轨(E)的4个工作面均由减摩片(5)压紧；

倾斜角调节部件(B)包括U型框架(9)、调节铰链(10)、保持架(11)、限位柱(12)、滑块(13)、钢珠A(14)；U型框架(9)内安装有限位柱(12)，用以限制滑块(13)的滑动，U型框架(9)与滑块(13)之间为滚动摩擦；保持架(11)上加工有两排圆柱形通孔，通孔内嵌钢珠A(14)；在倾斜角调节部件(B)的上端，U型框架(9)与矩形框架(1)通过螺纹结构连接；

转角调节部件(C)包括回转轴(15)、上外壳(16)、转接凸台(17)、下外壳(18)、下保持架(19)、上保持架(20)、筒型框架(21)、筒型保持架(22)、钢珠B(23)、调整垫块(24)、底部端盖(25)；转接凸台(17)与驱动部件(D)螺纹连接；筒型框架(21)的外侧同心安装有上外壳(16)和下外壳(18)；筒型框架(21)的内侧由上至下依次同心安装有上保持架(20)、筒型保持架(22)和下保持架(19)；上保持架(20)、下保持架(19)和筒型保持架(22)上均加工有周向均匀分布的圆柱形通孔，通孔内嵌钢珠B(23)；上保持架(20)、筒型保持架(22)和下保持架(19)内侧同心安装有回转轴(15)，回转轴(15)与筒型框架(21)之间为滚动摩擦；回转轴(15)与底部端盖(25)之间安装有调整垫块(24)；在转角调节部件(C)的上端，回转轴(15)与滑块(13)通过螺纹结构连接。

2.根据权利要求1所述的基于圆弧铰链夹持与多自由度解耦的圆柱度仪水平导轨驱动装置，其特征在于：所述驱动部件(D)通过转角调节部件(C)、倾斜角调节部件(B)和夹持部件(A)为精密气浮导轨(E)提供牵引力；倾斜角调节部件(B)和转角调节部件(C)安装在精密气浮导轨(E)与驱动部件(D)之间，以消除驱动部件(D)对精密气浮导轨(E)直线运动精度的影响。

3.根据权利要求1所述的基于圆弧铰链夹持与多自由度解耦的圆柱度仪水平导轨驱动装置，其特征在于：所述倾斜角调节部件(B)的上端通过U型框架(9)与夹持部件(A)的矩形框架(1)刚性连接；斜角调节部件(B)的下端通过滑块(13)与转角调节部件(C)的回转轴(15)刚性连接；U型框架(9)安装有限位柱(12)，位于滑块(13)的X向的两侧；滑块(13)的Y向的两侧与U型框架(9)之间为滚动摩擦，实现滚动摩擦的结构由保持架(11)和钢珠A(14)构成。

4.根据权利要求1所述的基于圆弧铰链夹持与多自由度解耦的圆柱度仪水平导轨驱动装置，其特征在于：所述转角调节部件(C)的上端通过回转轴(15)与斜角调节部件(B)的滑块(13)刚性连接；转角调节部件(C)安装在驱动部件(D)上，并通过转接凸台(17)与驱动部件(D)固连；回转轴(15)与筒型框架(21)周向上为滚动摩擦，实现滚动摩擦的结构由筒型保持架(22)和钢珠B(23)构成；回转轴(15)与筒型框架(21)轴向上为滚动摩擦，实现滚动摩擦的结构由上保持架(20)和下保持架(19)构成，上外壳(16)固定上保持架(20)，下外壳(18)固定下保持架(19)，回转轴(15)与底部端盖(25)之间安装有调整垫块(24)，用于调整和固定回转轴(15)的轴向位置。

5.根据权利要求1所述的基于圆弧铰链夹持与多自由度解耦的圆柱度仪水平导轨驱动装置，其特征在于：所述矩形框架(1)的内侧表面与精密气浮导轨(E)的工作面之间安装的减摩片(5)采用聚四氟乙烯材料制作。