CN102490021A - 一种宏／微二维位移台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种宏／微二维位移台,包括宏动平台、微动平台及液压式驱动器。微动平台固定在宏动平台上。宏动平台采用十字滑块导向,钢球与V型块配合调整,结构简单,无传统导轨侧间隙,稳定性好，便于调整。微动平台采用直角型柔性铰链机构，十字型布局，无堆栈和耦合误差，体积小，线性度好。采用的液压式驱动器具有高刚度，良好的线性度，性能稳定，便于加工等优点。该宏／微平台解决了大行程与高定位精度间的矛盾，整体体积小，定位精度高，线性度好，可用于精密加工、误差补偿和精密测量领域。

Description

一种宏/微二维位移台

技术领域

    本发明属于精密工程技术领域，特指一种可获得大行程，高精度位移二维位移台，用于精密加工与测量。

背景技术

    高精度和高分辨率的精密位移装置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。现有的大行程驱动装置多采用旋转伺服电机驱动加精密滚珠丝杠传动或是直线电机直接驱动的方案，但采用该方案的位移装置的定位精度一般局限在微米级，精度不高；而以压电陶瓷微驱动器为代表的微位移平台，其定位精度能够达到纳米级，但行程通常只能达到几十微米。尽管有些研究中引入了柔性铰链机构，采用杠杆放大原理将行程放大，但效果并不理想，放大倍数越大，杠杆的力臂就要越长，平台整体体积也就越大，同时也会增大X和Y两方向的耦合度误差，并降低了平台的整体刚度，得不偿失。而且常见的基于柔性铰链的微位移平台的设计方案中，多采用将X和Y两个一维平台按照上下堆栈模式（请参见图1-a所示）或内外嵌套模式（请参见图1-b所示）组合起来实现X-Y二维的位移。但这两种模式会分别产生堆栈误差和耦合误差，不利于平台的精确定位和误差的反馈补偿。同时这两种模式还会使平台的整体体积变大，结构变得复杂化。内外嵌套模式还会使得平台的整体刚度降低，不利于系统的稳定性。同时作为微位移平台的常用驱动原件—压电陶瓷驱动器也存在着诸如输出力小、所需驱动电压高、存在磁滞非线性等问题。如何较好地解决大行程和高精度之间的矛盾，实现大行程运动系统的精密定位,如何设计出更稳定有效的微驱动器和位移台已成为当今前沿科学的重点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能解决大行程与高精度矛盾的一种新型宏／微二维位移台及一种新型的基于弹性变形的液压式微驱动器。

该位移台采用宏／微两级驱动。整体体积小，刚度较高。微动平台采用“十”字型布局，理论上无堆栈和耦合误差，X和Y方向同刚度，结构简单。采用的液压式驱动器具有良好的刚度（约为常用同规格压电陶瓷驱动器的2-10倍）、线性度，结构简单，经济实用。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。

     为了实现以上目的，该宏／微二维位移台分为宏动位移台、微动位移台和驱动元件三大部分，所述的宏动位移台X和Y方向的位移总是沿着基体上表面,可有效地减小宏动平台的阿贝误差；导轨采用“钢球+V型槽”模式，与传统的滚珠导轨相较，既起到了导向作用，又起到了联接作用，能够保证宏动平台、十字滑块和基体三者的无隙接触并便于调整；V型槽的对中性保证了十字滑块的线性移动；也可在宏动位移台和基体上开几个矩形槽以降低加工难度、提高加工效率，保证宏动位移台和基体相互运动的公共基准面的平面度，利于减小阿贝误差。

     所述的微动位移台采用“十”字型布局，引入了新型的直角型柔性铰链机构；平台由一整块平板经线切割方法加工而成，结构上关于X和Y方向对称，故平台在X和Y方向上的刚度相同，无堆栈误差和嵌套误差，无耦合误差，无机械摩擦，无需润滑，体积小，刚度高；在微动平台的X和Y方向上分别装有弹簧，其对平台的运动方向上施加一个预紧力，保证平台和驱动器的无隙接触，以及实现平台的有效回程；整个平台结构简单，输入与输出成良好的线性关系。

     所述的驱动元件包括宏动驱动器和微动驱动器两种:宏动驱动器采用固定在宏动平台上的各方向的千分尺直接驱动，故宏动平台的行程理论上由千分尺的有效长度决定，此处设计宏动行程为10mm-20mm；微动驱动器采用固定在微动平台上的新型的基于弹性变形的液压式驱动器驱动，该驱动器是基于前端面薄板在油压下的线弹性变形原理设计而成的，结构简单，刚度大，线性度好，无磁滞现象，抗干扰能力强，定位精度由控制所输入油压的压力表的最小分辨率决定；驱动器精度一般能达到10nm。

     本发明中的宏动平台可通过千分尺实现快速高效定位，通过微驱动器驱动微动平台实现精密进给和误差补偿，从而解决了大行程和精密定位的矛盾问题；由于微动平台采用了新型的“十”字型结构模式，有效地减小了传统的微动平台所固有的堆栈误差或嵌套误差，减小了平台整体尺寸，定位更为精确，性能更为稳定。

附图说明

     图1为采用上下堆栈模式的微位移台示意图；

图2为采用内外嵌套模式的微位移台示意图；

     图3为本发明的一种宏／微二维位移台的三维装配爆炸图；

     图4为采用的新型液压式微驱动器的三维视图

     图5为“钢球+V型槽”模式示意图；

     图6为微动平台及其附件；

     图中，1，微动平台；2，微动平台复位弹簧；3，微动平台挡板；4，宏动平台复位上弹簧；5，宏动平台后挡板；6，宏动平台；7，宏动平台X方向导向钢球；8，十字滑块；9，基体；10，宏动平台复位下弹簧；11，基体后挡板；12，X方向液压油动力源；13，接头及油管；14，液压式微驱动器；15，Y方向液压油动力源；16，X方向调整螺栓；17，半球型衬套；18，Y方向千分尺；19，基体前挡板压块；20，基体前挡板；21，宏动平台前挡板压块；22，宏动平台前挡板；23，X方向千分尺；24，宏动平台Y方向导向钢球；25，Y方向调整螺栓。

具体实施方式

     发明的工作台如图3所示，包括微动平台1、微动平台复位弹簧2、微动平台挡板3、宏动平台复位上弹簧4、宏动平台后挡板5、宏动平台6、宏动平台X方向导向钢球7、十字滑块8、基体9、宏动平台复位下弹簧10、基体后挡板11、X方向液压油动力源12、接头及油管13、液压式微驱动器14、Y方向液压油动力源15、X方向调整螺栓16、半球型衬套17、Y方向千分尺18、基体前挡板压块19、基体前挡板20、宏动平台前挡板压块21、宏动平台前挡板22、X方向千分尺23、宏动平台Y方向导向钢球24、Y方向调整螺栓25。

     宏动平台6通过宏动平台X方向导向钢球7和十字滑块8上V型槽的配合连接在十字滑块8上。十字滑块8通过宏动平台Y方向导向钢球24和基体9上V型槽的配合连接到基体9上。宏动平台X方向导向钢球7、宏动平台Y方向导向钢球24分别安装在半球型衬套17内。可分别通过X方向调整螺栓16和Y方向调整螺栓25推动球型衬套和钢球，来调整钢球和V型槽的配合紧密程度，进而实现十字滑块8和宏动平台6与基体9的无隙接触，也可以实现宏动平台6的自锁。X方向千分尺23由宏动平台前挡板压块21和宏动平台前挡板22固定。Y方向千分尺18由基体前挡板压块19和基体前挡板20固定。X方向千分尺23和Y方向千分尺18分别驱动宏动平台6的单向运动，从而实现宏动平台6的二维运动。宏动平台复位上弹簧4和宏动平台复位下弹簧10分别保证了十字滑块8和X方向千分尺23、十字滑块8和Y方向千分尺18的无隙接触，以及宏动平台6的有效回程。

     微动平台及附件的二维结构示意图，如图6所示。微动平台1通过内六角螺栓固定在宏动平台6上，使得微动平台和宏动平台一起运动。两个相同的液压式驱动器14分别通过内六角螺栓连接在微动平台1的X方向和Y方向上，分别实现微动平台1的X和Y方向上的微位移。在液压式微驱动器14的对称位置上分别装有一个微动平台复位弹簧2，实现液压式微驱动器14和微动十字平台的无隙接触，保证了微动十字平台的有效回程。

     液压式微驱动器14的结构如图4所示。液压式微驱动器14基于薄板变形理论，在材料线弹性范围内，输入与输出成良好的线性关系。由带有油压示数的X方向液压油动力源12或Y方向液压油动力源15向液压式微驱动器14的圆柱形容腔中加入高压油，使得驱动器端面的薄板产生线弹性变形，薄板的中心处发生微位移。由于驱动器端面与微动十字平台紧密接触，所以驱动器得以推动微十字平台实现微位移。

     在本发明中，如选用量程为13mm的千分尺作为宏驱动器，其有效精度为0.01mm。液压式微驱动器的前端壁厚为1mm，内径为14mm，外径为20mm，顶点凸台半径1mm，高度1mm。微动平台1中柔性铰链的最小壁厚为0.8mm,铰链宽度为5mm，高度为10mm，臂长10mm。微动平台十字滑块中心的位移量S (单位μm)与输入驱动器内的油压P（单位MPa）成正比关系，其比例系数为k=0.4μm/MPa。

如果要在X方向实现10.44321mm的位移量，其步骤为：

（1）适当松开X方向调整螺栓16，释放十字滑块8在X 方向的自由度；

（2）手动调节X方向千分尺23旋入10.44mm；

（3）旋紧X方向调整螺栓16，固定十字滑块8；

（4）加油压，使X方向液压油动力源12的油压为8.025MPa油压。此时十字滑块中心将在X方向附加一个微位移△=0.4×8.025=3.21μm，此时，十字滑块中心的位移量即为10.44+0.00321=10.44321mm。

如果要在Y方向实现8.55123mm的位移量，其步骤为：

（1）适当松开Y方向调整螺栓25，释放十字滑块8在Y 方向的自由度；

（2）手动调节Y方向千分尺18旋入8.55mm；

（3）旋紧Y方向调整螺栓25，固定十字滑块8；

（4）加油压，使Y方向液压油动力源15的油压为3.075MPa油压。此时十字滑块中心将在Y方向附加一个微位移△=0.4×3.075=1.23μm，此时，十字滑块中心的位移量即为8.55+0.00123=8.55123mm。

Claims (3)

1.一种宏/微二维位移台,其特征在于，由宏动部分、微动部分和微驱动部分组成，将整个位移量分为粗调和微调两部分；

所述宏/微二维位移台包括微动平台（1）、微动平台复位弹簧（2）、微动平台挡板（3）、宏动平台复位上弹簧（4）、宏动平台后挡板（5）、宏动平台（6）、宏动平台X方向导向钢球（7）、十字滑块（8）、基体（9）、宏动平台复位下弹簧（10）、基体后挡板（11）、X方向液压油动力源(12)、接头及油管(13)、液压式微驱动器(14)、Y方向液压油动力源(15)、X方向调整螺栓（16）、半球型衬套（17）、Y方向千分尺（18）、基体前挡板压块（19）、基体前挡板（20）、宏动平台前挡板压块（21）、宏动平台前挡板（22）、X方向千分尺（23）、宏动平台Y方向导向钢球（24）、Y方向调整螺栓（25）；

所述宏动平台（6）通过宏动平台X方向导向钢球（7）和十字滑块(8)上V型槽的配合连接在十字滑块(8)上；十字滑块(8)通过宏动平台Y方向导向钢球(24)和基体(9)上V型槽的配合连接到基体(9)上；宏动平台X方向导向钢球(7)、宏动平台Y方向导向钢球(24)分别安装在半球型衬套(17)内，分别通过X方向调整螺栓(16)和Y方向调整螺栓(25)推动球型衬套和钢球，调整钢球和V型槽的配合紧密程度，使十字滑块(8)和宏动平台(6)与基体(9)的无隙接触和宏动平台(6)的自锁；X方向千分尺（23）由宏动平台前挡板压块（21）和宏动平台前挡板（22）固定，Y方向千分尺（18）由基体前挡板压块（19）和基体前挡板（20）固定，所述X方向千分尺（23）和Y方向千分尺（18）分别驱动宏动平台（6）的单向运动，使宏动平台(6)作二维运动；宏动平台复位上弹簧(4)和宏动平台复位下弹簧（10）分别使十字滑块（8）和X方向千分尺（23）、十字滑块（8）和Y方向千分尺（18）的无隙接触，以及宏动平台（6）的有效回程；

所述微动平台（1）通过内六角螺栓固定在宏动平台（6）上，使微动平台（1）和宏动平台（6）一起运动；所述微动平台（1）采用“十”字型布局，由同一平板加工而成，整体结构关于X和Y方向分别对称，工作台的四个顶端处分别布置有两个直角型柔性铰链；所述的直角型柔性铰链，采用半圆形切口，采用成90°的双杆复合而成，在双杆上均布有四个半圆形切口，每个顶端处的两个直角型柔性铰链采用镜像对称模式，成“口”字型布置；所述两个相同的液压式驱动器（14）分别通过内六角螺栓连接在微动平台（1）的X方向和Y方向上，分别使微动平台（1）的X和Y方向上的微位移；在液压式微驱动器（14）的对称一侧位置上分别装有一个微动平台复位弹簧（2），使液压式微驱动器（14）和微动十字平台的无隙接触，以及微动十字平台的有效回程。

2.按照权利要求1所述一种宏/微二维位移台，其特征在于，所述微驱动部分包括X方向液压油动力源（12）、接头及油管（13）、液压式微驱动器（14）、Y方向液压油动力源（15）；所述液压式微驱动器（14）由带有油压示数的X方向液压油动力源（12）或Y方向液压油动力源（15）通过接头及油管（13）向液压式微驱动器（14）的圆柱形容腔中加入高压油，使驱动器端面的薄板产生线弹性变形，薄板的中心处发生微位移；驱动器端面与微动十字平台紧密接触，驱动器推动微十字平台微位移。

3.按照权利要求1所述一种宏/微二维位移台，其特征在于，所述液压式微驱动器（14）选用量程为13mm的千分尺作为宏驱动器，其有效精度为0.01mm；所述液压式微驱动器（14）的前端壁厚为1mm，内径为14mm，外径为20mm，顶点凸台半径1mm，高度1mm；

微动平台（1）中柔性铰链的最小壁厚为0.8mm,铰链宽度为5mm，高度为10mm，臂长10mm；微动平台十字滑块中心的位移量S与输入驱动器内的油压P成正比关系，其比例系数为k=0.4μm/MPa。

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