CN102496391A - 一种组装式二维微位移台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种组装式二维微动位移台,包括基座、过渡台、工作台，压电陶瓷驱动器以及弹簧片。整个平台采用内外嵌套模式。工作台在两垂直方向上的运动分别由安装在对应位置上的压电陶瓷驱动器驱动实现。由于位移台在各方向上结构的对称性，工作台的输出位移能达到良好的线性度。本组装式二维位移台的优势在于结构简单，组装方便，可根据输出位移的要求，如最大位移量、最小位移分辨率等，更换压电陶瓷驱动器及相应的弹簧片，便于调试和维护，整体尺寸可大可小等。该位移台可用于精密测量与精密加工领域。

Description

一种组装式二维微位移台

技术领域

    本发明属于精密工程技术领域，特指一种组装式二维位移台，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。现有研究中的微位移台多采用柔性铰链或者滚珠丝杠加螺母副机构导向。如德国PI公司的P73-20平台，采用压电陶瓷致动器，柔性铰链导向。韩国汉城大学的Heui jae Park等将压电陶瓷驱动的微定位工作台安装在旋转电机驱动的宏定位工作台上，使用激光干涉仪实现两工作台的闭环控制位置反馈，实现了较高的定位精度。日本立制作所研制的X-Y-θ三自由度微动工作台与两自由度的宏动工作台结合，己用于投影光刻机和电子束曝光机。在国内，西安交通大学采用旋转电机与滚珠丝杠实现100mm的宏驱动，并采用压电陶瓷致动器实现微定位台驱动，定位精度为±10nm。哈尔滨工业大学机器人研究所研制的大行程纳米级精密定位平台，由直线电机实现大行程的微米级精度运动，由压电陶瓷实现小范围的纳米级精度运动，通过纳米级光栅传感器实现运动。浙江大学也开展了基于压电陶瓷驱动器的微动平台的研究。但滚珠丝杠加螺母副的导向模式存在着诸如加工和装配精度高，修复性差，需和伺服电机配合使用等问题。柔性铰链又存在着加工方法单一，不可更换性，修复性差，行程有限等缺陷。因此，设计一款便于更换零部件，便于修配调整，有较大行程，加工方便的组装式微位移台成了各知名企业和院校的重点课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种组装式的二维微位移台。本发明解决了采用传统柔性铰链的位移台存在的更换性差，难于修配，行程小等问题，实现了工作台的二维运动。

本发明采用了矩形弹簧片作为导向支撑原件。通过两片弹簧片在平台两侧构成对称的平行四边形结构，保证平台在单方向上输出位移的线性度。弹簧片通过内六角螺栓固定在基座或过渡台上，能够保证弹簧片和基座，过渡台，工作台的装配无间隙。采用内外嵌套模式实现平台XY两方向位移输出的要求，并在各方向上安装一个压电陶瓷驱动器作为驱动原件，分别控制在各相应方向上的位移输出。由于平台采用了组装方式，因此它有了一些相较整体式平台的优点。如便于修配，可更换失效零部件，有较大行程，零件加工容易，便于按照要求（如刚度，位移行程，最小分辨率等）更换弹簧片和压电陶瓷驱动器，整体体积也有所减小。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。

    本发明的二维微位移台分为基座，过渡台，工作台，导向支撑原件，驱动元件，所述的微位移台由分布在垂直方向上的压电陶瓷驱动器实现两方向的位移驱动，可以实现工作台在XY两垂直方向上的位移输出；平台采用内外嵌套模式，外层实现Y方向的位移输出，内层实现X方向的位移输出，且两方向在控制上是相互独立的；内层的过渡台与基座，以及工作台与过渡台是面面接触，可有效防止过渡台的旋转；

     所述的微位移台，采用矩形弹簧片作为导向支撑元件；弹簧片的示意图如图2所示；弹簧片两端的定位孔用来定位，并通过内六角螺钉固定安装，防止弹簧片的滑动；弹簧片中间的定位孔用来安装过渡台或者是工作台，保证了过渡台和工作台安装在弹簧片的中间位置，以使过渡台和工作台的位移输出复合线性要求。

     所述的微位移台由于采用组装模式，各零部件都可以根据工况要求，如位移总行程大小，位移最小分辨率大小，刚度要求，体积要求等进行更换各零部件尺寸，然后通过组装和调试，获得理想的性能要求。

     本发明采用了完全意义上的组装模式，具有更大的灵活性。可以根据具体要求，通过更换压电陶瓷驱动器，矩形弹簧片，基座，过渡台和工作台来实现体积大小，刚度大小，位移行程和位移最小分辨率的变化。同时，微位移台也避免了采用整体式结构遇到的零部件损坏后带来的不可修复的问题。

附图说明

     图1为组装式二维微位移台的三维装配图。

     图2为过渡台的三维模型示意图。

     图3为采用的矩形弹簧片三维示意图。

     图中，1，基座；2，过渡台；3，工作台；4，两片Y向矩形弹簧片；5，四个Y向内六角螺钉；6，X方向压电陶瓷驱动器；7，Y方向压电陶瓷驱动器；8，四个X向矩形弹簧片；9，两片X向内六角螺钉。

具体实施方式

    发明的微位移台如图1所示，包括基座1，过渡台2，工作台3，Y向矩形弹簧片4，Y向内六角螺钉5，X方向压电陶瓷驱动器6，Y方向压电陶瓷驱动器7，X向矩形弹簧片8，X向内六角螺钉9。

    基座1作为整个位移台的载体，对整个部件起到了安装支撑的作用。过渡台2通过Y向矩形弹簧片4和Y向内六角螺钉5安装在基座1上。过渡台2与基座1采用面面接触方式，限制了过渡台绕Y轴旋转引起的误差。Y方向压电陶瓷驱动器7安装在基座1的卡槽内，并通过过盈配合加以固定。

     过渡台2的三维模型示意图如图2所示。工作台3通过X向矩形弹簧片8和X向内六角螺钉9安装在过渡台2上。工作台3和过渡台2采用面面接触方式，限制了工作台绕X轴旋转引起的误差。X方向压电陶瓷驱动器6安装在过渡台2的卡槽内，并通过过盈配合加以固定。

     矩形弹簧片的三维视图，请参见图3。弹簧片有三个定位孔，并在加工上保证三个定位孔是等间距的。通过两片Y向矩形弹簧片4或X向矩形弹簧片8得平行安装，在移动台两侧形成了对称的平行四边形结构，使得移动台只能实现线性移动，而无侧向偏摆。

     微位移台工作前，需要进行调试。先将基座1通过螺纹连接固定在一个基体上。再按照位移要求，参照X方向压电陶瓷驱动器6和Y方向压电陶瓷驱动器7的技术参数，对其输入特定电压。在工作台放置测量探头，测量工作台的输出位移是否符合位移要求。若测得的位移量不理想，说明是由于弹簧片的加工或安装有问题，需要进行修复或重新安装。若位移量明显小于理想位移，说明是弹簧片在位移方向上的刚度大于压电陶瓷驱动器的刚度，可通过更换弹簧片或者是压电陶瓷驱动器来达到理想要求。减小压电陶瓷驱动器的电压后，若工作台不能复位，需更换弹簧片，或更换刚度更高的（厚度变大）的弹簧片。通过工作台测量探头的测量反馈，最终可将微位移台调试到理想的工作状态。

微位移台工作时，只需要按照位移要求，参照X方向压电陶瓷驱动器6和Y方向压电陶瓷驱动器7的技术参数，在相应方向上的驱动器上施加相应的电压，就能实现工作台在某一方向上的位移输出。

Claims (3)

1.一种组装式二维位移台，其特征在于，包括基座（1），过渡台（2），工作台(3)，两片Y向矩形弹簧片(4)，四个Y向内六角螺钉(5)，X方向压电陶瓷驱动器(6)，Y方向压电陶瓷驱动器(7)，四个X向矩形弹簧片(8)，两片X向内六角螺钉(9)；基座(1)为矩形平台，矩形平台一边设有凸起的电陶瓷驱动器安装凸台，对称的另一边的两角设有凸起的内六角螺钉安装凸台，电陶瓷驱动器安装凸台设有卡槽；所述过渡台(2)的形状与基座(1)相同，设有电陶瓷驱动器安装凸台与内六角螺钉安装凸台内侧之间的距离小于基座（1）的电陶瓷驱动器安装凸台与内六角螺钉安装凸台内侧之间的距离；所述过渡台（2）通过两片Y向矩形弹簧片（4）和四个Y向内六角螺钉（5）分别安装在基座（1）的电陶瓷驱动器安装凸台和内六角螺钉安装凸台上，所述过渡台（2）的上下表面与基座（1）的上表面采用面面接触方式；Y方向压电陶瓷驱动器（7）安装在基座(1)的卡槽内，并通过过盈配合加以固定；所述工作台(3)通过两片X向矩形弹簧片(8)和四个X向内六角螺钉(9)分别安装在过渡台(2)的电陶瓷驱动器安装凸台和内六角螺钉安装凸台上，所述工作台(3)的下表面和过渡台(2)的上表面采用面面接触方式；X方向压电陶瓷驱动器(6)安装在过渡台(2)的卡槽内，并通过过盈配合加以固定；两片Y向弹簧片(4)和Y向内六角紧定螺钉(5)，两片X向弹簧片(8)和X向内六角紧定螺钉(9)对于过渡台(2)和工作台(3)分别构成了双侧对称平行四杆机构。

2.根据权利要求1所述的一种组装式二维位移台，其特征在于，所述Y向矩形弹簧片(4)和X向矩形弹簧片(8)分别设有三个定位孔，三个定位孔是等间距的。

3.根据权利要求1或2所述的一种组装式二维位移台，其特征在于，通过基座(1)和过渡台(2)的电陶瓷驱动器安装凸台与内六角螺钉安装凸台形成的槽型结构使X方向压电陶瓷驱动器(6)和Y方向压电陶瓷驱动器(7)在同一平面上。

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