CN104614254B - 一种微动台刚度测量装置及其刚度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微动台刚度测量装置，用于测量微动台的刚度，微动台包括方形的微动平台、静态框架、柔性铰链，微动台刚度测量装置包括隔震固定平台、与隔震固定平台和静态框架均固定连接的滑轮支架、安装于滑轮支架的定滑轮、有间隙地穿过静态框架预留的通孔并连接于微动平台的平行于微动平台的运动方向的牵引轴、与牵引轴尾端连接并绕过定滑轮的悬空牵引组件，微动平台设有移动标，微动台刚度测量装置还包括可探测移动标的位移采集器。该装置安装方便、操作简单，具有通用性并且施加的力不随微动台的移动而变化使该装置具有高精度。本发明还公开了一种使用上述微动台刚度测量装置对微动台直接施力进行刚度测量的方法。

Description

一种微动台刚度测量装置及其刚度测量方法

技术领域

本发明涉及一种刚度测量装置，尤其涉及一种微动台刚度测量装置。本发明还涉及一种刚度测量方法。

背景技术

柔顺机构组成的微动台包括静态框架和微动平台，两者之间设有间隙并通过柔性铰链连接在一起，是实现超精密工程的关键结构，一般都由柔性铰链进行支撑，利用压电陶瓷等精密动力元件驱动和柔性铰链的弹性变形形成工作台的微动，从而实现纳米级定位。微动台的刚度是一个非常重要的参数，它会直接影响微动台的静动态特性，微动台刚度过小会降低平台整体的固有频率，从而降低其运动速度，运动中产生较大的过冲现象，影响稳定时间及定位精度；如果刚度过大，会减小平台的位移输出，影响平台的可使用范围。可见刚度特性会直接影响微动台的定位精度和重复定位精度，并且会影响微动平台的位移大小，因此实际微动工作台的刚度参数的准确获知非常重要。

获得微动台的刚度可通过理论计算，或者通过计算机仿真，但是这两种方法获得的刚度都是对实际结构进行理想化得出的结果，存在一定误差；刚度还可通过压力传感器以及位移采集系统的实验获得，但是常用的施力方式会因为随着运动平台的移动而出现压力变化或不恒定等问题，导致获取的力存在误差，从而不能准确的计算刚度值，影响微动台的结构优化。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种安装方便、操作简单的具有通用性并且施加的力不随微动台的移动而变化的高精度微动台刚度测量装置及其刚度测量方法。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种微动台刚度测量装置，用于测量微动台的刚度，所述微动台包括方形的微动平台、环绕所述微动平台的静态框架、位于微动平台两侧的连接微动平台与静态框架的两组柔性铰链，所述微动台刚度测量装置包括隔震固定平台、与隔震固定平台和静态框架均固定连接的滑轮支架、安装于滑轮支架的定滑轮、有间隙地穿过静态框架预留的通孔并连接于所述微动平台的平行于所述微动平台运动方向的牵引轴、与所述牵引轴尾端连接并绕过所述定滑轮的可变重量的悬空牵引组件，所述微动平台设有移动标，所述微动台刚度测量装置还包括静态设置的可探测所述微动平台移动标的位移采集器。

作为本发明微动台刚度测量装置的技术方案的一种改进，所述悬空牵引组件包括绕所述定滑轮的柔索、连接所述柔索自由端的托盘、加载于所述托盘的砝码。

作为本发明微动台刚度测量装置的技术方案的一种改进，所述定滑轮的上沿与所述牵引轴的延伸线相切。

作为本发明微动台刚度测量装置的技术方案的一种改进，所述移动标是反射镜，所述位移采集器包括激光头和静态设置于所述隔震固定平台的激光干涉仪。

作为本发明微动台刚度测量装置的技术方案的一种改进，所述滑轮支架包括侧倒的V型架，V型架的一端固定连接于隔震固定平台并与所述静态框架侧面抵触，V型架的另一端固定连接于所述静态框架。

其中，一种使用权利要求1所述的微动台刚度测量装置对微动台直接施力进行刚度测量的方法，其包括以下步骤：

步骤１ 准备重量逐级增大的砝码若干个或者重量相同的砝码若干个，砝码的总重量为微动台的最大受力值之和，其中至少可形成5个以上差别等级；设置托盘盛放砝码并通过柔索连接托盘与牵引轴，柔索绕过定滑轮改变牵引方向；

步骤2 在微动平台安装位移采集器；

步骤3 安装直接施力装置，将滑轮支架固定连接于隔震固定平台和静态框架，将牵引轴穿过静态框架预留的通孔并通过螺纹连接于所述微动平台使其平行于所述微动平台的台面并与通孔周边保持一定间隙，将柔索打结连接于牵引轴尾端并绕过定滑轮连接托盘；

步骤4 将位移采集器的数据清零；

步骤5 将最小重量单位的砝码放置到砝码托盘上，并读取位移采集器采集的位移量；

步骤6 逐级增大砝码重量，直到砝码总重量达到最大，并记录每一个重量值对应的位移数值；

步骤7 逐级减小砝码重量，直到砝码重量为最小，并记录每一个重量值对应的位移数值；

步骤8 对加载和减载的重量、位移进行拟合，可得到微动台的整体刚度。

作为本发明对微动台直接施力进行刚度测量的方法的一种改进，位移采集器是激光干涉仪位移采集器或LVDT位移采集器。

本发明的有益效果在于：通过悬空牵引组件和牵引轴牵拉使其牵引力直接作用到微动平台，由于牵引组件悬空设置，其产生的牵引力不因微动平台的移动而变化，从而精确获取所施加的驱动力，通过位移采集器读取移动标的位移数据，改变牵引力重新读取驱动力和位移，读取多组数据后计算得到微动台的刚度，获得高精度的刚度值，操作简单，安装滑轮支架和牵引轴以及牵引组件即可方便地完成安装，可以通用于不同规格的微动台。

使用上述微动台刚度测量装置对微动台直接施力进行刚度测量的方法，通过悬空设置的牵引组件获得精确的驱动力，该驱动力不因移动平台的位移而变化，通过采集多组受力和位移数据从而算出微动台的整体刚度，结果精确度高，操作简单方便，装置安装方便，对不同规格的微动台具有很好的通用性。

附图说明

图1为本发明一种微动台刚度测量装置实施例的立体结构示意图。

图2为微动台刚度测量装置的正向结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1、图2所示，本发明一种微动台刚度测量装置，用于测量微动台的刚度，所述微动台包括方形的微动平台12、环绕所述微动平台12的静态框架11、连接微动平台12与静态框架11的两组柔性铰链15等，一般共有十二个相同的柔性铰链15成对设置在微动平台12两侧，形成两组柔性铰链导向机构，每组导向机构由六个柔性铰链15成对形成。所述微动台刚度测量装置包括隔震固定平台10、与隔震固定平台10和静态框架11均固定连接的滑轮支架28、安装于滑轮支架28的定滑轮25、有间隙地穿过静态框架11预留的通孔并连接于所述微动平台12的平行于所述微动平台12运动方向的牵引轴21、与所述牵引轴21尾端连接并绕过所述定滑轮25的可变重量的悬空牵引组件，所述静态框架11固定于隔震固定平台10表面上，所述微动平台12设有移动标，所述微动台刚度测量装置还包括静态设置的可探测所述移动标的位移采集器。通过悬空牵引组件和牵引轴21牵拉使其牵引力直接作用到微动平台12，牵引轴21可以通过螺纹孔20连接于微动平台12使得牵引轴与微动平台12的测量平面平行。由于牵引组件中的滑轮的作用，其产生的牵引力不因微动平台12的移动而变化，从而精确获取所施加的驱动力，通过位移采集器读取移动标的位移，改变加载砝码后重新读取位移，读取多组数据后计算得到微动台的刚度，获得高精度的实际的刚度值。该装置具有测量操作简单，安装滑轮支架28和牵引轴21以及牵引组件方便等优点。

其中，所述悬空牵引组件的一种具体实施方案是包括绕设于所述定滑轮25的柔索23、连接于所述柔索23自由端的托盘31、加载于所述托盘31的砝码33，通过标准重量的砝码33的增加或调整从而获得不同的牵引力，可以快速精确得到所施加的牵引力，再结合位移采集器获取的位移进行计算得到微动台的刚度。

滑轮支架28、定滑轮25、牵引轴21、悬空牵引组件共同组成作用力施加机构。其中柔索包括位于定滑轮下侧和后侧的的前段和后段，柔索中间无扭结，柔索穿过定滑轮25上的凹槽，柔索23的前段垂直向下，为施加力方向，柔索后段的的端部与砝码托盘31相连，砝码托盘31上可放置不同规格的砝码33。柔索后段通过柔索结与牵引轴21相连，牵引轴21穿过静态框架11上的通孔22与微动台12相连。牵引轴21与静态框架11的通孔22无接触。定滑轮25中心穿过滑轮轴，滑轮轴通过轴承将定滑轮25固定在滑轮支架28上，滑轮支架28的下端通过螺栓固定在隔振固定平台10上，滑轮支架28的上端通过螺栓固定在静态框架11上。

其中，静态框架11的高度大于微动平台12的高度，确保微动平台12与隔震固定平台10之间不直接接触。柔性铰链15的高度尺寸与微动平台12的高度尺寸相同。微动平台12上可以固定激光干涉仪的反射镜固定台13和反射镜14，反射镜用作移动标以便对位移进行测定，也可安装LVDT位移采集传感器对微动台的位移进行测定。

本发明的刚度测量装置的施力机构采用滑轮结构，改变力的方向，将砝码的重量施加于微动平台运动方向，使作用力成为已知力，从而准确计算刚度。上述装置需要改变施力大小只要加减砝码即可，易于操作。柔索23与定滑轮25组合，使得加载力不随微动平台12的位移而变化，力的大小准确并恒定，确保刚度测量中作用力的误差最小。通过螺栓将滑轮支架28固定在静态框架11以及隔震固定平台10上，可拆卸更换；该结构也可用于其他微动平台的刚度测试场合，具有通用性；松开螺栓即可拆卸滑轮机构，操作简单，该结构成本低，对微动台的影响小；刚度测试系统测得的数据准确，误差小，为机构的精确优化提供依据。

更佳地，所述定滑轮25的上沿与所述牵引轴21的延伸线相切，使得悬空牵引组件的重力经过定滑轮25产生的牵引力的方向与牵引轴21的轴向一致，避免产生其他方向的分力，从而将砝码的重力直接相等地作用在微动平台，直接得到微动平台12所受的作用力。

更佳地，所述移动标是反射镜14，所述位移采集器包括激光头35和静态设置于所述隔震固定平台10的激光干涉仪36，从而可以通过移动标获取微动平台所产生的位移，通过激光干涉所反馈信息读取位移量。

更佳地，所述滑轮支架28包括侧倒的V型架，V型架的一端固定连接于隔震固定平台10并与所述静态框架11侧面抵触，V型架的另一端固定连接于所述静态框架11，通过V型架将隔震固定平台10与静态框架11固定连接，并提供定滑轮25的支撑支架，使得隔震固定平台10与静态框架11、定滑轮25三者的相对位置稳定不变。

其中，一种使用权利要求1所述的微动台刚度测量装置对微动台直接施力进行刚度测量的方法，其包括以下步骤。

步骤１ 准备重量逐级增大的砝码33若干个或者重量相同的砝码若干个，砝码的总重量为微动台的最大受力值之和，其中至少可形成5个以上差别等级；设置托盘31盛放砝码33并通过柔索23连接托盘31与牵引轴21，柔索23绕过定滑轮25改变牵引方向；通过设定并获取多组作用力，并测定在各组作用力下微动平台12所产生的微动即位移，从而得到多组对应数据，得到更多刚度值进行筛选，最终获得更加精确的刚度值。

步骤2 在微动平台12安装位移采集器，用于测定移动平台12在受外界施加侧向作用力所产生的位移。

步骤3 安装直接施力装置，将滑轮支架28固定连接于隔震固定平台10和静态框架11，将牵引轴21穿过静态框架11预留的通孔22并通过螺纹孔20连接于所述微动平台12使其平行于所述微动平台12的台面并与通孔22周边保持一定间隙，将柔索23打结连接于牵引轴21尾端并绕过定滑轮25连接托盘31，构成简单得知所施加作用力的施力结构，可简单快捷地变换所施加的作用力从而快速测定不同作用力下的位移。

步骤4 将位移采集器的数据清零，设定初始状态形成起点，然后开始施加作用力进行测量。

步骤5 将最小重量单位的砝码放置到砝码托盘上，并读取位移采集器采集的位移量，获得第一组作用力和位移数据。

步骤6 逐级增大砝码重量，直到砝码总重量达到最大，并记录每一个重量值对应的位移数值，获取多组作用力和位移数据。

步骤7 逐级减小砝码重量，直到砝码重量为最小，并记录每一个重量值对应的位移数值；增加一倍作用力和位移数据，并可对前述数据进行核对，对偏差过大数据可以剔除。

步骤8 对加载和减载的重量、位移进行拟合，可得到微动台的整体刚度。

通过悬空设置的牵引组件获得精确的驱动力，该驱动力不因移动平台的位移而变化，通过采集多组受力和位移数据从而算出微动台的整体刚度，结果精确度高，操作简单方便，装置安装方便，对不同规格的微动台具有很好的通用性。

更佳地，位移采集器是激光干涉仪位移采集器或LVDT位移采集器，都可以获取移动标的位移。LVDT（Linear Variable Differential Transformer）是线性可变差动变压器缩写，属于直线位移传感器。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，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同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (2)

1.一种微动台刚度测量装置，用于测量微动台的刚度，所述微动台包括方形的微动平台、环绕所述微动平台的静态框架、位于微动平台两侧的连接微动平台与静态框架的两组柔性铰链，其特征在于：所述微动台刚度测量装置包括隔震固定平台、与隔震固定平台和静态框架均固定连接的滑轮支架、安装于滑轮支架的定滑轮、有间隙地穿过静态框架预留的通孔并连接于所述微动平台的平行于所述微动平台运动方向的牵引轴、与所述牵引轴尾端连接并绕过所述定滑轮的可变重量的悬空牵引组件，所述微动平台设有移动标，所述微动台刚度测量装置还包括静态设置的可探测所述微动平台移动标的位移采集器；

所述悬空牵引组件包括绕所述定滑轮的柔索、连接所述柔索自由端的托盘、加载于所述托盘的砝码；

所述定滑轮的上沿与所述牵引轴的延伸线相切；

所述移动标是反射镜，所述位移采集器包括激光头和静态设置于所述隔震固定平台的激光干涉仪；

所述滑轮支架包括侧倒的V型架，V型架的一端固定连接于隔震固定平台并与所述静态框架侧面抵触，V型架的另一端固定连接于所述静态框架。

2.一种使用权利要求1所述的微动台刚度测量装置对微动台直接施力进行刚度测量的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1 准备重量逐级增大的砝码若干个或者重量相同的砝码若干个，砝码的总重量为微动台的最大受力值之和，其中至少可形成5个以上差别等级；设置托盘盛放砝码并通过柔索连接托盘与牵引轴，柔索绕过定滑轮改变牵引方向；

步骤2 在微动平台安装位移采集器；

步骤3 安装直接施力装置，将滑轮支架固定连接于隔震固定平台和静态框架，将牵引轴穿过静态框架预留的通孔并通过螺纹连接于所述微动平台使其平行于所述微动平台的台面并与通孔周边保持一定间隙，将柔索打结连接于牵引轴尾端并绕过定滑轮连接托盘；

步骤4 将位移采集器的数据清零；

步骤5 将最小重量单位的砝码放置到砝码托盘上，并读取位移采集器采集的位移量；

步骤6 逐级增大砝码重量，直到砝码总重量达到最大，并记录每一个重量值对应的位移数值；

步骤7 逐级减小砝码重量，直到砝码重量为最小，并记录每一个重量值对应的位移数值；

步骤8 对加载和减载的重量、位移进行拟合，可得到微动台的整体刚度；所述的位移采集器是激光干涉仪位移采集器或LVDT位移采集器。