CN2904210Y - 大行程高精度二维工作台 - Google Patents

Abstract

大行程高精度二维工作台，其特征是采用复合式磁浮－滑动导轨，设置二维移动工作台的顶部导向面与测量光栅的测量面相重合的结构形式，设置驱动区和工作区二级隔离。本实用新型能同时适应高低速运动、适应高加速度、减小阿贝误差的影响以及能有效隔离拨爪驱动器产生的正压力和振动对工作台的影响。

Description

大行程高精度二维工作台

技术领域：

本实用新型涉及精密机械，更具体地说是应用在纳米级定位精度的精密机械中的二维工作台。

背景技术：

在很多应用场合中，需要具有数十毫米行程、纳米级定位精度的二维工作台。满足大量程高精度的二维工作台大多采用多层结构和多级驱动，首先是以定位精度并不高的步进行电机大行程初级驱动，再通过压电陶瓷的微驱动，实现高精度定位。在结构上，往往有2层到4层，以满足不同方向位移和初级、精级驱动的需要。这样的工作台，导轨面之间及导轨面与工作台面之间均有较大的间距，阿贝误差不容易控制，无法满足微纳米测量和微纳米加工的要求。

以色列生产的基于双模态振动驱动的拨爪式压电驱动器具有交流、脉冲、直流三种驱动模式，行程很大，且改变驱动模式即可实现微驱动，可集初、精驱动于一体，近两年国内外学者以其替代大行程高精度工作台传统的二级驱动模式，以简化工作台的结构。但从可查阅到的文献资料中获知，其采用的结构是将驱动器拨爪直接作用于运动体即工作台，施以很大的正压力，再由39.6KHz的正弦波使拨爪头作正向和横向振动，由此产生驱动运动体移动的摩擦力。因此采用上述直接驱动模式，工作台受力有着极为复杂的动态特性，其增大了工作台运动精度的控制难度，且拨爪头会将振动直接传给工作台，引起工作台的高频振动，这是精密测量和精密加工所不能容忍的。

发明内容：

本实用新型是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种大行程高精度二维工作台。以期能同时适应高低速运动、适应高加速度、减小阿贝误差的影响以及能有效隔离拨爪驱动器产生的正压力和振动对工作台的影响。

本实用新型解决技术问题所采用的技术方案是：

本实用新型的结构特点是：

a、采用复合式磁浮-滑动导轨，是在移动件的底部端面与导轨的支承面之间，同性相对地安装底部永久磁铁副，以所述底部永久磁铁副形成的斥力保持移动件的底部端面与导轨的支承面之间处于非接触状态，并在移动件与导轨的顶部导向面之间形成正压力；以所述移动件与导轨的一侧部端面为侧部导向面，在与所述侧部导向面相对的另一侧部端面上，同性相对地安装侧部永久磁铁副，以所述侧部永久磁铁副形成的斥力保持移动件与导轨在该侧部端面处于非接触状态，并在侧部导向面上形成正压力，测量光栅固定设置在移动件上；

b、设置二维移动工作台的导向面与测量光栅测量面相重合的结构形式，所述二维移动工作台，包括固定设置的外盒、以外盒为导轨沿一维方向移动的内盒，所述移动件是以内盒为导轨，并沿其另一一维方向上移动，测量光栅固定设置在所述移动件上；所述测量光栅的测量面、移动件与内盒之间顶部导向面，以及内盒与外盒之间的顶部导向面三者处在同一个平面上；

c、设置驱动区和工作区二级隔离，所述二级隔离包括驱动台与二维移动工作台相互隔离，设置在驱动台上的拔爪式驱动器通过推杆与二维移动工作台联动，在所述推杆与工作台之间设置柔性铰链。

与已有技术相比，本实用新型的有益效果体现在：

1、滑动导轨导向精度高，且稳定可靠，但因滑动摩擦力的存在，要求的驱动力大，慢速小步距驱动时会出现爬行；磁悬浮导向无摩擦力，要求的驱动力小，易实现慢速小步距驱动，但导向精度不高，满足不了高定位精度的需求。本实用新型设置复合型导轨——磁浮式滑动导轨，仍然采用滑动导轨“面导向”的导向模式，保证稳定可靠的高精度导向，同时通过磁浮力，使导向面处于临界接触状态，从而使滑动摩擦力大幅度降低，减小了驱动力，也减小了慢速驱动时爬行发生的几率。同时，通过永久磁铁实现磁悬浮，避免了电磁铁发热对***的影响。

2、为满足纳米测量精度的要求，必须使阿贝误差的影响减至最小。由于采用的是二维光栅测量***，二维光栅测量面与工作台面平行而不可能重合，因此无法使阿贝误差为零。本实用新型设置了二维导向面与光栅测量面共面的结构形式，且使二维光栅测量面与工作台面的间距为最小，从而实现了“近零阿贝误差”。

3、常规技术中，拨爪式驱动器是采用直接驱动的方式对工作台进行驱动，即拨爪直接作用于工作台的运动件上。该结构一方面因摩擦驱动对导向面产生很大的正压力，使导向精度因磨损而快速损失；另一方面驱动时产生的39.4KHz的高频振动(幅值随着间隙增大而增大)，会严重影响工作台性能的稳定性和定位精度。本实用新型将驱动区与工作区分别固定在不同的底座上，驱动区至工作区的位移传递杆上设计了柔性铰链隔离结构，可有效减小驱动器振动对工作区的影响。

附图说明：

图1为本实用新型结构示意图。

图2为本实用新型单维磁浮式低摩擦滑动导轨结构示意图。

图中标号：1移动件、2导轨、3顶部导向面、4底部永久磁铁副、5侧部导向面、6侧部永久磁铁副、7外盒、8内盒、9测量光栅、10驱动台、11拔爪式驱动器、12推杆、13柔性铰链、14测量面。

以下通过具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

实施例：

参见图2，本实施例中采用复合式磁浮-滑动导轨，是在移动件1的底部端面与导轨2的支承面之间，同性相对地安装底部永久磁铁副4，以底部永久磁铁副4形成的斥力保持移动件1的底部端面与导轨2的支承面之间处于非接触状态，并在移动件1与导轨2的顶部导向面3之间形成正压力；以移动件1与导轨2的一侧部端面为侧部导向面5，在与所述侧部导向面5相对的另一侧部端面上，同性相对地安装侧部永久磁铁副6，以侧部永久磁铁副6形成的斥力保持移动件1与导轨2在该侧部端面处于非接触状态，并在侧部导向面5上形成正压力，测量光栅固定设置在移动件1上；

参见图1、图2，设置二维移动工作台的顶部导向面与测量光栅测量面相重合的结构形式，其中，二维移动工作台，包括固定设置的外盒7、以外盒7为导轨沿一维方向移动的内盒8，移动件1是以内盒8为导轨，并沿其另一一维方向上移动，测量光栅9固定设置在移动件1上；测量光栅9的测量面、移动件1与内盒8之间顶部导向面，以及内盒8与外盒7之间的顶部导向面三者处在同一个平面上。

参见图1，设置驱动区和工作区二级隔离，二级隔离包括驱动台10与二维移动工作台相互隔离，设置在驱动台10上的拔爪式驱动器11通过推杆12与二维移动工作台联动，在推杆12与工作台之间设置柔性铰链13。具体实施中，呈两维设置的拔爪式驱动器11分别通过推杆12及柔性铰链13与外盒7及内盒8联动。在这一结构形式中，拨爪式驱动器11产生的正压力对二维工作台的受力状态及运动特性不产生影响；而工作时产生的高频振动大部分通过拔爪式驱动器11的固定座传走，剩余振动由推杆端部的柔性铰链隔离，从而将拔爪式驱动器的振动对***的影响减至最小；柔性铰链除了能隔离振动，还能减小非轴向驱动力对移动台运动状态的影响。

图2所示，本实施例中，在底部永久磁铁副4中，处在移动件1中的磁铁条为固定设置，处在导轨2中的磁铁条在高度位置上可调，这一结构形式，使永久磁铁副4的间隙得以调整，精确调整可调磁铁的位置，可使导向面处于临界接触状态，从而大大减小摩擦力对运动体运动状态的影响，克服低速运动时的爬行。

由图2还可看出，在本实施例的二维工作台结构上，保证了顶部导向面与测量光栅9的测量面14为共面，由此减小阿贝误差对测量精度及工作台控制精度的影响。

Claims (1)

1、大行程高精度二维工作台，其特征是：

a、采用复合式磁浮-滑动导轨，是在移动件(1)的底部端面与导轨(2)的支承面之间，同性相对地安装底部永久磁铁副(4)，以所述底部永久磁铁副(4)形成的斥力保持移动件(1)的底部端面与导轨(2)的支承面之间处于非接触状态，并在移动件(1)与导轨(2)的顶部导向面(3)之间形成正压力；以所述移动件(1)与导轨(2)的一侧部端面为侧部导向面(5)，在与所述侧部导向面(5)相对的另一侧部端面上，同性相对地安装侧部永久磁铁副(6)，以所述侧部永久磁铁副(6)形成的斥力保持移动件(1)与导轨(2)在该侧部端面处于非接触状态，并在侧部导向面(5)上形成正压力，测量光栅固定设置在移动件(1)上；

b、设置二维移动工作台的顶部导向面与测量光栅(9)的测量面(14)相重合的结构形式，所述二维移动工作台，包括固定设置的外盒(7)、以外盒(7)为导轨沿一维方向移动的内盒(8)，所述移动件(1)是以内盒(8)为导轨，并沿其另一一维方向上移动，测量光栅(9)固定设置在所述移动件(1)上；所述测量光栅(9)的测量面(14)、移动件(1)与内盒(8)之间顶部导向面，以及内盒(8)与外盒(7)之间的顶部导向面三者处在同一个平面上；

c、设置驱动区和工作区二级隔离，所述二级隔离包括驱动台(10)与二维移动工作台相互隔离，设置在驱动台(10)上的拔爪式驱动器(11)通过推杆(12)与二维移动工作台联动，在所述推杆(12)与工作台之间设置柔性铰链(13)。

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