CN101702329A - 一维微位移装置 - Google Patents

Abstract

一维微位移装置，它涉及一种微位移装置。它解决了现有的微位移装置的柔性铰链径向刚度小、径向承载力小，以及难以精确控制输出的问题。一维微位移装置，它的所述连接轴位于基座的工作孔中，前应变片和后应变片平行设置，一号内环与二号内环分别固定在连接轴的两端的台肩内，前端盖和后端盖分别通过一号内环和二号内环与连接轴的台肩连接，一号外环与二号外环分别固定在基座的两端，二号内环与后端盖固定连接。本发明的装置可以广泛适用于在超精密加工中提供误差补偿、精密微量进给等场合。

Description

一维微位移装置

技术领域

本发明涉及一种微位移装置。

背景技术

精密定位技术是精密制造、精密测量和精密驱动中的关键技术之一。高新科学技术研究成果、跨学科综合设计、高精尖技术的应用使精密定位技术正在突破传统的光、机、电框架，广泛应用于微型机械制造、超精密加工、半导体技术、显微镜技术、生物工程、数据存储技术、生命与医疗科学、集成电路制造、光学调整、扫描隧道显微镜、微型零件的操作和装配、半导体制造和设备以及光电等领域中。作为精密定位技术研究中的一个不可缺少的组成部分，微位移装置能够提供具有纳米级分辨率的步进位移，因而受到广泛的关注和应用。

在超精密加工中，微位移装置保证零件尺寸加工精度的重要因素，是位移误差补偿、精密加工和超精密加工所需的重要环节和必要手段。高精度的微位移装置除了具有微量控制切削厚度的功能外，还可以用来进行机床导轨直线度和主轴回转误差的补偿及非对称表面的加工等。微位移装置可以实现刀具或工件的精确、微小位移，进一步提高加工分辨率，尤其在非球曲面超精密加工中，微位移装置可以用于非球面径向的微量进给，用以加工不同的非球面度。

目前，超精密机床上常用的微位移装置主要有如下几种：

1)丝杠导轨副这是一种传统的机械传动式微位移装置，应用最早也较为广泛。这种微位移装置从电机到刀具之间存在如联轴节、丝杠、螺母、轴承、导轨等一系列的中间环节，在运动过程中，这些中间环节引起的塑性变形、摩擦、反向间隙等都限制了机床精度的提高。

2)基于压电陶瓷微位移装置这是一种利用压电陶瓷作为驱动元件的微位移装置。与传统的丝杠导轨微位移装置相比，这种微位移装置具有更高的位移精度，同时具有响应速度高、功耗低等优点，因而受到广泛的关注和应用。但由于其结构形式的限制，这种微位移装置工作范围有限，通常在几微米到几十微米范围内。

3)直线电机直线电机弥补了前两种微位移装置的不足，同时具有高的精度和大的行程。然而，直线电机也存在着一些不足之处，主要表现在以下两个方面：第一、与同容量旋转电机相比，直线电机(主要是感应式直线电机)的效率和功率因数较小，尤其在低速时比较明显。这一方面是因为直线电机的初次级气隙一般都比旋转电机大，因此所需的磁化电流就较大，损耗增加；另一方面，由于直线电机初级铁心两端开断，产生了所谓的端部效应，从而引起波形畸变等问题，其结果也导致损耗增加。但从整个装置或系统来看，采用直线电机可省去中间传动装置，因此系统总效率往往还是比采用旋转电机要高。第二、直线电机特别是直线感应电机的起动推力受电源电压的影响较大，需采取有关措施保证电源的稳定或改变电机的有关特性来减少或消除这种影响。

目前，基于压电陶瓷的微位移装置，其结构方式主要是采用压电陶瓷微位移器作为驱动元件，以柔性铰链作为支承平台。柔性铰链的类型直接影响其性能，按照截面形状，柔性铰链有圆形和矩形两种。圆形截面柔性铰链对材料形状要求特殊且制造过程中精度难以保证，实际应用较少；矩形截面柔性铰链使用广泛，按照切口形状分为直梁形和圆弧形柔性铰链，前者运动精度较差，而后者运动范围很小。为了同时满足运动精度和范围要求，出现了椭圆形柔性铰链和倒圆角直梁形柔性铰链。由于柔性铰链的存在，这种结构方式普遍存在径向刚度小、径向承载力小、存在径向耦合位移误差、以及难以精确控制输出等缺点，极大限制了其进一步的应用。

发明内容

本发明是为了解决现有的微位移装置的柔性铰链径向刚度小、径向承载力小，以及难以精确控制输出的问题，从而提供一种一维微位移装置。

一维微位移装置，它包括基座、前端盖和后端盖，它还包括工作台、前应变片和后应变片和连接轴，所述连接轴位于基座的工作孔中，前应变片由一号外环、应变环和一号内环组成；所述一号内环、应变环和一号外环同轴，且应变环柔性连接在一号外环和一号内环之间；后应变片由二号外环、应变环和后应变内环组成，所述二号内环、应变环和二号外环同轴，且应变环柔性连接在二号外环和二号内环之间；所述前应变片和后应变片平行设置，一号内环与二号内环分别固定在连接轴的两端的台肩内，前端盖和后端盖分别通过一号内环和二号内环与连接轴的两个台肩连接，一号外环与二号外环分别固定在基座的两端。

有益效果：本发明的装置提高了柔性铰链的径向刚度，消除了微位移装置在径向的耦合位移，径向承载力大，实现了精确的位移控制输出；本发明的装置可以广泛适用于在超精密加工中提供误差补偿、精密微量进给等场合。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；图2是本发明具体实施方式七的结构示意图；图3是本发明装置的前应变片结构的等比例放大后的左视图；图4是本发明装置的后应变片结构的等比例放大后的左视图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1、图3和图4说明本具体实施方式，一维微位移装置，一维微位移装置，它包括基座1、前端盖7和后端盖9，它还包括工作台5、前应变片6和后应变片10和连接轴4，所述连接轴4位于基座1的工作孔中，前应变片6由一号外环6-1、应变环20和一号内环6-3组成；所述一号内环6-3、应变环20和一号外环6-1同轴，且应变环20柔性连接在一号外环6-1和一号内环6-3之间；后应变片10由二号外环10-1、应变环20和后应变内环10-3组成，所述二号内环10-3、应变环20和二号外环10-1同轴，且应变环20柔性连接在二号外环10-1和二号内环10-3之间；所述前应变片6和后应变片10平行设置，一号内环6-3与二号内环10-3分别固定在连接轴4的两端的台肩内，前端盖7和后端盖9分别通过一号内环6-3和二号内环10-3与连接轴4的两个台肩连接，一号外环6-1与二号外环10-1分别固定在基座1的两端。

本实施方式中，前应变片6和后应变片10的结构相似，每个应变片上有两个弧形腔组成的同心圆，每个圆周上有周向均布的六个弧形腔孔，每个弧形腔孔的张角为50°，宽度为0.25mm，内外两个圆上的弧形腔在圆周上错开30°，两个圆的直径分别为58mm和65mm。前应变片6为圆环状薄片结构，后应变片10为方形薄片结构。上述两个圆把变形片分为三个部分，小圆里面部分成为内环，两个圆中间部分成为应变环，大圆外面部分成为外环。内环和外环用以连接和固定应变片，使用过程中，内环区域发生弹性变形，从而产生轴向位移输出，并有效避免其他方向的耦合位移误差。两个应变片的外环分别固定连接在基座1的两侧面，两应变片的内环用连接轴连接在一起。两应变片安装后互相平行，这样能有效提高其在垂直于轴线平面内的承载力和刚度。

本实施方式中，通过螺钉将后端盖9与二号内环10-3连接在连接轴4上，并将连接轴4装入基座1的孔中；将二号外环10-1与基座1用螺钉固定连接；将前应变片6、前端盖7与连接轴4用螺钉固定连接，工作台5与前端盖7用螺钉固定连接。精确设计连接轴4的长度、基座1前后两面的距离及平行度等尺寸，用以保证安装后两应变片变形最小并保持平行。完成上面的连接过程后，通过给后端盖9施加一定的推力就能使两个应变片发生变形，从而在工作台5轴线方向上输出位移量。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一维微位移装置的区别在于，它还包括压电陶瓷片11和压电陶瓷片卡座15，所述压电陶瓷片卡座15为大端中心位置开有截面为T形凹槽的台体，所述压电陶瓷片11位于压电陶瓷片卡座15的凹槽中，所述压电陶瓷片11的左端面与后端盖9紧密接触，所述压电陶瓷片11的右端面与压电陶瓷片卡座15的槽底紧密接触；压电陶瓷片卡座15的大端面通过二号外环10-1固定在基座1上。

本实施方式通过给压电陶瓷11施加一定量的电压，使压电陶瓷伸展，推动后端盖9，便可在工作台5端得到相应的位移输出。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式二所述的一维微位移装置的区别在于，它还包括钢球12，所述钢球12位于压电陶瓷片11右端面与压电陶瓷片卡座15的槽底之间。

具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式三所述的一维微位移装置的区别在于，钢球12的直径为4mm。

具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式四所述的一维微位移装置的区别在于，它还包括紧定螺钉13和紧锁螺母14，所述在紧定螺钉13的钉头处加工有凹坑，压电陶瓷片卡座15的小端面上开有通孔，紧锁螺母14固定在压电陶瓷片卡座15的小端面的通孔上，紧定螺钉13通过紧锁螺母14和压电陶瓷片卡座15的通孔旋入电陶瓷片卡座15的凹槽中与钢球12接触，所述钢球12位于紧定螺钉13的钉头处的凹坑中。

本实施方式中，紧定螺钉13采用M5×20(国标号GB70)螺钉，将紧定螺钉的端面磨平，并在端面中心点上加工约1mm深的凹形球坑。参照具体实施方式一所述的安装方式，先将后应变片10与基座1相连接的螺钉卸下，把压电陶瓷11放入压电陶瓷卡座15内孔中，并保持一定的同轴度。再先把锁紧螺母14旋入螺钉14最里端，将螺钉14竖直放置，并将钢球12放置在上断面加工出的凹形球上，将压电陶瓷卡座15竖直放置，并将螺钉14缓慢旋入孔中，直到钢球与压电陶瓷轻轻接触；然后，将压电陶瓷卡座15缓慢放平，并把后应变片10和基座1用螺钉固连；最后，轻轻旋紧螺钉14以施加一定的预紧力，同时旋转锁紧螺母14使之与压电陶瓷卡座15的端面紧靠，以防止螺纹联接松动。安装完成后，通过给压电陶瓷11施加一定量的电压，便可在工作台5端得到相应的位移输出。

具体实施方式六、本具体实施方式与具体实施方式一、二、三、四或五所述的一维微位移装置的区别在于，它还包括前挡板8，所述前挡板8的侧面与基座1的一端侧面固定连接，且一号外环6-1固定在前挡板8与基座1之间。

前档板8通过螺钉与基座1固定连接，用于固定一号外环。

具体实施方式七、结合图4说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式六所述的一维微位移装置的区别在于，前应变片6和后应变片10的厚度均为1.5mm。

本实施方式中在工作台5的一侧边安装光栅尺架2，在基座1的侧面上安装光栅尺读数头3。光栅尺的测量分辨率10nm，通过光栅实时测量微位移系统的输出位移量，反馈给控制系统，控制系统接收光栅尺反馈后，对微位移系统进行位置闭环控制，从而实现对压电陶瓷输出位移的精确控制。

本实施方式中，微位移装置可以在20mm范围内亚微米级的定位精度。

Claims (7)

1.一维微位移装置，它包括基座(1)、前端盖(7)和后端盖(9)，其特征是：它还包括工作台(5)、前应变片(6)和后应变片(10)和连接轴(4)，所述连接轴(4)位于基座(1)的工作孔中，前应变片(6)由一号外环(6-1)、应变环(20)和一号内环(6-3)组成；所述一号内环(6-3)、应变环(20)和一号外环(6-1)同轴，且应变环(20)柔性连接在一号外环(6-1)和一号内环(6-3)之间；后应变片(10)由二号外环(10-1)、应变环(20)和后应变内环(10-3)组成，所述二号内环(10-3)、应变环(20)和二号外环(10-1)同轴，且应变环(20)柔性连接在二号外环(10-1)和二号内环(10-3)之间；所述前应变片(6)和后应变片(10)平行设置，一号内环(6-3)与二号内环(10-3)分别固定在连接轴(4)的两端的台肩内，前端盖(7)和后端盖(9)分别通过一号内环(6-3)和二号内环(10-3)与连接轴(4)的两个台肩连接，一号外环(6-1)与二号外环(10-1)分别固定在基座(1)的两端。

2.根据权利要求1所述的一维微位移装置，其特征在于它还包括压电陶瓷片(11)和压电陶瓷片卡座(15)，所述压电陶瓷片卡座(15)为大端中心位置开有截面为T形凹槽的台体，所述压电陶瓷片(11)位于压电陶瓷片卡座(15)的凹槽中，所述压电陶瓷片(11)的左端面与后端盖(9)紧密接触，所述压电陶瓷片(11)的右端面与压电陶瓷片卡座(15)的槽底紧密接触；压电陶瓷片卡座(15)的大端面通过二号外环(10-1)固定在基座(1)上。

3.根据权利要求2所述的一维微位移装置，其特征在于它还包括钢球(12)，所述钢球(12)位于压电陶瓷片(11)右端面与压电陶瓷片卡座(15)的槽底之间。

4.根据权利要求3所述的一维微位移装置，其特征在于钢球(12)的直径为4mm。

5.根据权利要求4所述的一维微位移装置，其特征在于它还包括紧定螺钉(13)和紧锁螺母(14)，所述在紧定螺钉(13)的钉头处加工有凹坑，压电陶瓷片卡座(15)的小端面上开有通孔，紧锁螺母(14)固定在压电陶瓷片卡座(15)的小端面的通孔上，紧定螺钉(13)通过紧锁螺母(14)和压电陶瓷片卡座(15)的通孔旋入电陶瓷片卡座(15)的凹槽中与钢球(12)接触，所述钢球(12)位于紧定螺钉(13)的钉头处的凹坑中。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的一维微位移装置，其特征在于它还包括前挡板(8)，所述前挡板(8)的侧面与基座(1)的一端侧面固定连接，且一号外环(61)固定在前挡板(8)与基座(1)之间。

7.根据权利要求6所述的一维微位移装置，其特征在于前应变片(6)和后应变片(10)的厚度均为1.5mm。

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