CN103273328A - 大行程微驱动精密二维工作台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大行程微驱动精密二维工作台，主要由底座、二维平面内互为垂直的X、Y双向进给装置、以及进给装置顶部工作台面组成，Y向进给装置设置在X向进给装置之上；X向进给装置包括X向大行程进给装置和X向微进给装置，Y向进给装置包括Y向大行程进给装置和Y向微进给装置；Y向大行程进给装置设置于X向微进给装置之上且能随X向微进给装置的进给动作而移动；底座的过渡连接板与机床连接。工作台的微细精密驱动配合大行程位移输出，输出力大、位移分辨率高、位移范围大，在超精密加工中具有广泛的应用前景。配合冷却系统它还避免了长时间精密加工生热影响进给精度的加工困境。

Description

大行程微驱动精密二维工作台

技术领域

本发明涉及一种超磁致微驱动大行程精密二维工作台，主要应用于精密、超精密机械加工过程中的微进给、及机电一体化系统中实现大行程进给并同时要求实现精密微小位移进给的场合。

背景技术

传统的大行程精密工作台一般采用精密丝杆副及滚动（或滑动）导轨、精密螺旋楔块机构、涡轮-凸轮机构、齿轮-杠杆式机构等机械传动式位移驱动器。由于机械摩擦、间隙、爬行等原因，其运动精度、定位精度很难达到亚微米甚至纳米量级。要实现亚微米甚至纳米级的定位，常规的驱动和传动方式不再适合。

目前实际应用较为广泛的超精密微动工作台大多包含柔性铰链机构并以压电陶瓷作为驱动元件，虽然它们具有易实现整体式结构、位移控制精度高、功耗小等优点，但柔性铰链的阻尼、小行程，以及压电陶瓷的迟滞等特性给对工作台性能的提高带来不利的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为克服工作台性能的不足，提供一种结构简单、既可以实现大行程进给又可以实现微细精密进给的大行程微驱动精密二维工作台；输出力大、位移分辨率高、位移范围大，且能够避免长时间精密加工生热影响进给精度。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

大行程微驱动精密二维工作台，其特征在于：主要由底座、二维平面内互为垂直的X、Y双向进给装置、以及进给装置的顶部工作台面组成，Y向进给装置设置在X向进给装置之上；X向进给装置包括X向大行程进给装置和X向微进给装置，Y向进给装置包括Y向大行程进给装置和Y向微进给装置；Y向大行程进给装置设置于X向微进给装置之上且能随X向微进给装置的进给动作而移动；底座的过渡连接板与机床连接；X向微进给装置与Y向微进给装置均为超磁致微进给装置，X向大行程进给装置与Y向大行程进给装置均为精密滚珠丝杆进给装置。

按上述技术方案，过度连接板上设置包含X向精密滚珠丝杠、X向丝杆螺母以及X向伺服电机的X向大行程进给装置，其中，X向丝杆螺母活动套置在X向精密滚珠丝杠上且X向丝杆螺母上固定连接X向微进给装置；X向精密滚珠丝杠的一端安置X向伺服电机；

X向微进给装置的箱体底部与X向丝杠杆螺母固定连接；超磁致微进给装置的箱体内一端设置缠绕有电磁线圈的超磁致伸缩材料棒，超磁致伸缩材料棒与X向丝杆螺母上下平行设置；电磁线圈依靠线圈骨架套在超磁致伸缩材料棒的外围；箱体内电磁线圈两端都由密封盖封闭；电磁线圈与箱体内壁之间设置冷却带，超磁致伸缩材料棒的伸缩自由端抵靠在推杆输出轴头部上并能推动推杆输出轴沿轴向在箱体内微移动；推杆输出轴的尾部外套设调节螺母，调节螺母外螺纹与箱体内壁的螺套的内螺纹相啮合；调节螺母的内侧端台肩与推杆输出轴头部之间的推杆输出轴上套设弹簧；

推杆输出轴的头部凸台穿过箱体顶壁槽口并通过螺钉与Y向大行程进给装置的底部连接，箱体顶壁槽口轴向长度大于推杆输出轴的头部凸台轴向长度，从而使得推杆输出轴的头部凸台能够在箱体顶壁槽口中轴向移动。

按上述技术方案， Y向大行程进给装置包含Y向精密滚珠丝杠、Y向丝杆螺母以及Y向伺服电机，其中，Y向丝杆螺母活动套置在Y向精密滚珠丝杠上且Y向丝杆螺母1上固定连接Y向微进给装置的底部；Y向精密滚珠丝杠的一端安置Y向伺服电机；

Y向微进给装置为结构与X向微进给装置相同的超磁致微进给装置，主要包含推杆输出轴、弹簧、调节螺母、螺套、电磁线圈、冷却带、超磁致伸缩材料棒、线圈骨架，且Y向微进给装置的超磁致伸缩材料棒设置方向与Y向精密滚珠丝杠相平行；Y向微进给装置的推杆输出轴的头部凸台穿过箱体顶壁槽口并通过螺钉与顶部工作台面固定连接，使得顶部工作台面能够随推杆输出轴的微移动而移动。

按上述技术方案，X向微进给装置的推杆输出轴处以及Y向微进给装置的推杆输出轴处均设置微位移传感器，微位移传感器与工业控制计算机信号相连。

本发明的工作原理如下：

X、Y两个运动方向的X向伺服电机、Y向伺服电机分别带动X、Y两方向的X向精密滚珠丝杠、Y向精密滚珠丝杠旋转，将X向精密滚珠丝杠、Y向精密滚珠丝杠的旋转运动通过安装其上的丝杆螺母转换为各自方向上的直线位移运动，使安装在X向丝杠杆螺母上的的X向微进给装置、和安装在Y向丝杠螺母上的Y向微进给装置分别实现各自方向上的大行程直线位移运动。

X、Y两个运动方向的微进给装置（X向微进给装置和Y向微进给装置）均由工业控制计算机控制，以X向微进给装置为例，Y向微进给装置与此相同。X向微进给装置工作原理如下：工业控制计算机控制X向微进给装置的电磁线圈输入信号，产生一个磁场，在该磁场的作用下，超磁致伸缩材料棒产生轴向应变，从而推动X向微进给装置的推杆输出轴的运动，通过预先调节调节螺母、螺套配合压缩弹簧，实现推杆输出轴单向运动输出，可实现单方向的精确微进给，同时Y向微进给装置、X向微进给装置、工作台通过螺栓连接，可实现工作台平面内任意轨迹的微量精确进给；通过流通冷却带内的冷却液使线圈产生的热量得到散失，可避免温度升高而影响超磁致伸缩材料棒因受热膨胀而发生形变，可确保长时间工作的精密微进给。微位移传感器测量出工作台的微位移进给量后，通过相关信号转换电路换成计算机识别的数字信号，输入到计算机，进行反馈控制。

由X、Y两个运动方向的微进给结合两个方向上的大行程直线位移运动，能够合成实现顶部工作台面8在XY二维平面内任意轨迹的进给运动。

与现有的精密加工工作台相比，该发明具有如下优点：

 (1) 在X向和Y向同时采用精密滚珠丝杆装置实现大行程驱动，在各方向上，大行程驱动与超磁致微驱动结合共同实现不同加工精度要求下的进给需求，同时，由X、Y两个运动方向的微进给结合两个方向上的大行程直线位移运动，能够合成实现工作台在XY二维平面内任意轨迹的进给运动。与单方向的进给、以及与仅有的大行程进给工作台相比，本发明的适用性更强，能够兼顾大行程的加工效率同时又能够由微驱动实现微位移满足加工精、输出力大、位移分辨率高、位移范围大的需求，在超精密加工中具有广泛的应用前景。它不但克服了压电陶瓷驱动器叠片结构带来的漂移现象和压电陶瓷在高压下工作带来的防止漏电措施等复杂结构，配合冷却系统它还避免了长时间精密加工生热影响进给精度的加工困境。同时由于本发明的各方向进给装置结构都是模块化连接，结构简单，控制方便。

(2) 本发明的底座采用连接板连接方式实现微进给工作台与现有精密、超精密、各种加工中心溜板的连接，连接方便、可靠，与各种机床互换性好，简单易行。

(3) 在X向和Y向均采用超磁致伸缩材料实现超精密微位移进给，配套冷却系统除去电磁线圈生热对超磁致伸缩材料及系统的影响，控制方便，能够实现超精密微小位移进给，微位移精度达1μ，微位移分辨为0.01μm；同时采用微位移传感器测量X、Y两方向的微位移进给，实现工作台的微位移可控。

附图说明

图1为本发明的大行程微驱动精密二维工作台正视图；

图2为图1的右视图；

图3为本发明大行程微驱动精密二维工作台控制系统原理图。

图中各标记说明： 1-过度连接板； 2-X向伺服电机； 3-X向精密滚珠丝杠； 4-推杆输出轴； 5-弹簧；6-调节螺母；7-螺套；8-顶部工作台面；9-Y向微进给装置； 10-冷却带；11-电磁线圈；12-密封盖； 13-超磁致伸缩材料棒；14-线圈骨架；15-X向丝杠螺母；16-X向微进给装置；17-Y向伺服电机；18-Y向精密滚珠丝杠；19-Y向丝杠螺母；20-工业控制计算机；21-微位移传感器。

具体实施方式

为更好的理解本发明，下面结合附图1-3和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步说明。

如图1、2所示的大行程微驱动精密二维工作台，主要由底座、二维平面内互为垂直的X、Y双向进给装置、以及进给装置顶部的顶部工作台面8组成，Y向进给装置设置在X向进给装置之上。X向进给装置包括X向大行程进给装置和X向微进给装置16，Y向进给装置包括Y向大行程进给装置和Y向微进给装置9；Y向大行程进给装置设置于X向微进给装置16之上且能随X向微进给装置16的进给动作而移动。大行程微驱动精密二维工作台通过底座的过渡连接板1与机床溜板连接杆连接。

如图1和2所示，过度连接板1上设置包含X向精密滚珠丝杠3、X向丝杆螺母15以及X向伺服电机2的X向大行程进给装置，其中，X向丝杆螺母15活动套置在X向精密滚珠丝杠3上且X向丝杆螺母15上固定连接X向微进给装置16；X向精密滚珠丝杠3的一端设置X向伺服电机2；

X向微进给装置16为超磁致微进给装置，超磁致微进给装置的箱体底部与X向丝杠杆螺母15固定连接；超磁致微进给装置的箱体内一端设置缠绕有电磁线圈11的超磁致伸缩材料棒13，超磁致伸缩材料棒13与X向丝杆螺母15上下平行设置；电磁线圈11依靠线圈骨架14套在超磁致伸缩材料棒13的外围；箱体内电磁线圈11两端都由密封盖12封闭。电磁线圈11与箱体内壁之间设置冷却带10，超磁致伸缩材料棒13的伸缩自由端抵靠在推杆输出轴4头部上并能推动推杆输出轴4沿轴向在箱体内微移动；推杆输出轴4的尾部外套设调节螺母6，调节螺母6外螺纹与箱体内壁的螺套7的内螺纹相啮合；调节螺母6的内侧端台肩与推杆输出轴4头部之间的推杆输出轴上套设弹簧5。

推杆输出轴4的头部凸台穿过箱体顶壁槽口并通过螺钉与Y向大行程进给装置的底部连接，箱体顶壁槽口轴向长度大于推杆输出轴4的头部凸台轴向长度，从而使得推杆输出轴4的头部凸台能够在箱体顶壁槽口中轴向移动。

如图2所示， Y向大行程进给装置包含Y向精密滚珠丝杠18、Y向丝杆螺母19以及Y向伺服电机17，其中，Y向丝杆螺母19活动套置在Y向精密滚珠丝杠18上且Y向丝杆螺母19上固定连接Y向微进给装置9的底部；Y向精密滚珠丝杠18的一端设置Y向伺服电机17。Y向精密滚珠丝杠18设置方向与X向丝杆螺母15相垂直。

Y向微进给装置9为结构与X向微进给装置16相同的超磁致微进给装置，如图1顶部所示，不再赘述，主要包含推杆输出轴、弹簧、调节螺母、螺套、电磁线圈、冷却带、超磁致伸缩材料棒、线圈骨架，且Y向微进给装置9的超磁致伸缩材料棒设置方向与Y向精密滚珠丝杠18相平行；Y向微进给装置9的推杆输出轴的头部凸台穿过箱体顶壁槽口并通过螺钉与顶部工作台面8固定连接，使得顶部工作台面8能够随推杆输出轴的微移动而移动。

如图3所示，X向微进给装置16的推杆输出轴4处、与顶部工作台面8连接的Y向微进给装置9处均设置微位移传感器21，微位移传感器21实时测量各处微位移，并通过信号转化与传输装置与工业控制计算机20通讯。

本发明的工作原理如下：

X、Y两个运动方向的X向伺服电机2、Y向伺服电机17分别带动X、Y两方向的X向精密滚珠丝杠3、Y向精密滚珠丝杠18旋转，将X向精密滚珠丝杠3、Y精密向滚珠丝杠18的旋转运动通过各自上的丝杆螺母转换为各自方向上的直线位移运动，使安装在X向丝杠杆螺母15上的的X向微进给装置16、和安装在Y向丝杠螺母19上的Y向微进给装置9分别实现各自方向上的大行程直线位移运动。

X、Y两个运动方向的微进给装置（X向微进给装置16和Y向微进给装置9）均由工业控制计算机20控制，以X向微进给装置16为例，Y向微进给装置9与此相同。X向微进给装置16工作原理如下：工业控制计算机20控制X向微进给装置16的电磁线圈11输入信号，产生一个磁场，在该磁场的作用下，超磁致伸缩材料棒13产生轴向应变，从而推动X向微进给装置16的推杆输出轴4的运动，通过预先调节调节螺母6、螺套7配合压缩弹簧5，实现推杆输出轴4单向运动输出，可实现单方向的弹性精确微进给，同时Y向微进给装置9、X向微进给装置16、顶部工作台面8通过螺栓连接，可实现工作台平面内任意轨迹的微量精确进给；通过流通冷却带10内的冷却液使线圈产生的热量得到散失，可避免温度升高而影响超磁致伸缩材料棒13因受热膨胀而发生形变，可确保长时间工作的精密微进给。微位移传感器21测量出工作台的微位移进给量后，通过相关信号转换电路换成计算机识别的数字信号，输入到计算机，进行反馈控制。

由X、Y两个运动方向的微进给结合两个方向上的大行程直线位移运动，能够合成实现顶部工作台面8在XY二维平面内任意轨迹的进给运动。

以上所揭露的仅为本发明各机构作业运动时的运动过程而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (4)

1.大行程微驱动精密二维工作台，其特征在于：主要由底座、二维平面内互为垂直的X、Y双向进给装置、以及进给装置的顶部工作台面组成，Y向进给装置设置在X向进给装置之上；X向进给装置包括X向大行程进给装置和X向微进给装置，Y向进给装置包括Y向大行程进给装置和Y向微进给装置；Y向大行程进给装置设置于X向微进给装置之上且能随X向微进给装置的进给动作而移动；底座的过渡连接板与机床连接；X向微进给装置与Y向微进给装置均为超磁致微进给装置，X向大行程进给装置与Y向大行程进给装置均为精密滚珠丝杆进给装置。

2.根据权利要求1所述的大行程微驱动精密二维工作台，其特征在于：过度连接板上设置包含X向精密滚珠丝杠、X向丝杆螺母以及X向伺服电机的X向大行程进给装置，其中，X向丝杆螺母活动套置在X向精密滚珠丝杠上且X向丝杆螺母上固定连接X向微进给装置；X向精密滚珠丝杠的一端安置X向伺服电机；

X向微进给装置的箱体底部与X向丝杆螺母固定连接；超磁致微进给装置的箱体内一端设置缠绕有电磁线圈的超磁致伸缩材料棒，超磁致伸缩材料棒与X向丝杆螺母上下平行设置；电磁线圈依靠线圈骨架套在超磁致伸缩材料棒的外围；箱体内电磁线圈两端都由密封盖封闭；电磁线圈与箱体内壁之间设置冷却带，超磁致伸缩材料棒的伸缩自由端抵靠在推杆输出轴头部上并能推动推杆输出轴沿轴向在箱体内微移动；推杆输出轴的尾部外套设调节螺母，调节螺母外螺纹与箱体内壁的螺套的内螺纹相啮合；调节螺母的内侧端台肩与推杆输出轴头部之间的推杆输出轴上套设弹簧；

推杆输出轴的头部凸台穿过箱体顶壁槽口并通过螺钉与Y向大行程进给装置的底部连接，箱体顶壁槽口轴向长度大于推杆输出轴的头部凸台轴向长度，从而使得推杆输出轴的头部凸台能够在箱体顶壁槽口中轴向移动。

3.根据权利要求2所述的大行程微驱动精密二维工作台，其特征在于：Y向大行程进给装置包含Y向精密滚珠丝杠、Y向丝杆螺母以及Y向伺服电机，其中，Y向丝杆螺母活动套置在Y向精密滚珠丝杠上且Y向丝杆螺母1上固定连接Y向微进给装置的底部；Y向精密滚珠丝杠的一端安置Y向伺服电机；

Y向微进给装置为结构与X向微进给装置相同的超磁致伸缩微进给装置，主要包含推杆输出轴、弹簧、调节螺母、螺套、电磁线圈、冷却带、超磁致伸缩材料棒、线圈骨架，且Y向微进给装置的超磁致伸缩材料棒设置方向与Y向精密滚珠丝杠相平行；Y向微进给装置的推杆输出轴的头部凸台穿过箱体顶壁槽口并通过螺钉与顶部工作台固定连接，使得顶部工作台能够随推杆输出轴的微移动而移动。

4.根据权利要求1-3之一所述的大行程微驱动精密二维工作台，其特征在于：X向微进给装置的推杆输出轴处以及Y向微进给装置的推杆输出轴处均设置微位移传感器，微位移传感器与工业控制计算机信号相连。

Images