CN104681103A - 亚微米级精密升降装置 - Google Patents

Abstract

亚微米级精密升降装置，属于微位移技术领域。具有高灵敏度和灵活性，结构简单、调整方便、能够达到亚微米级精度，且成本低廉。基座上固定有导杆锁紧支架及与X向滚动导轨滑块滑动连接的X向滚动导轨一，基座的安装孔内装有滚珠导套，导杆锁紧支架内固定有导杆锁紧套环，X向滑块与X向滚动导轨滑块一和滑块连接板固接，X向滑块与滚针导向器连接；与X向滚动导轨滑块二滑动连接的X向滚动导轨二与Z向滑块固接，X向滚动导轨滑块二与滑块连接板固接，Z向滑块与升降导杆固接，升降导杆与滚珠导套和导杆锁紧套环相配合；微分头通过安装在微分头支座内的微分头锁紧套环锁紧，微分头通过联轴器与滚针导向器相连。本发明用于亚微米级升降场合。

Description

亚微米级精密升降装置

技术领域

本发明涉及一种亚微米级升降装置 ，属于微位移技术领域。

背景技术

作为精密机械与精密仪器的关键技术之一——微位移技术，近年来随着电子技术、宇航、生物工程等学科的发展而迅速发展起来。尤其随着微电子技术向大规模集成电路和超大规模集成电路方向发展和微机械的研究，微位移机构得到迅猛发展，并得到广泛应用。尤其是在光学与电子工程、精密工程、航天技术、生物工程、微电子系统、纳米技术等领域，人们对于精密机械和精密仪器的分辨率和精度要求越来越高，精密微位移机构作为其核心部件，它的精度极大地制约了精密机械和精密仪器的发展。另外随着科技的发展，将会有更多的领域需要精密的微位移技术，例如：光线对接、微细加工、微型机器人装配等。

目前，常用的精密微位移装置主要有如下几种：

1)直线电机式微位移机构

 直线电机具有任意的调节行程，无限的位移分辨率的优点。在利用空气轴承微步进直线电机作为驱动件产生微位移时，由于简化了系统的结构，从而避免了由于中间环节的弹性变形、间隙、磨损和发热等因素带来的运动误差，故这种微位移机构最明显的优点是响应快、可达到瞬时高加速度和减速度。为此，它的快速进给速度达到2.5m/s以上，几乎在瞬间可加速到几个重力加速度。在高加速度时，通常可产生几个牛顿推力。在常载下可达到1μm以内的重复定位精度。另使用直线电机的伺服系统具有较大的刚度和较小的外形尺寸，在计算机控制的精密车削和磨削加工中得到成功的应用。但是，直线电机目前还存在着成本较高、发热较严重、控制系统较复杂等问题，故应用还受到一定限制。但是，随着科学技术的发展，直线电机的上述问题将得到解决，直线电机式微位移机构将会得到广泛的应用。

2) 机械传动式微位移机构

机械传动式微位移机构主要利用螺旋机构、杠杆机构、楔块机构、凸轮机构、弹性机构以及它们的组合机构实现微位移。机械传动式微位移机构出现最早，技术相对成熟，具有较好的分辨率，但由于机构间隙、摩擦磨损以及爬行等原因，导致精度灵敏度都难以达到高精度的要求。

3) 扭轮摩擦传动式微位移机构

它是利用扭轮摩擦传动来实现微位移的机构。一般的摩擦传动方式，是将驱动摩擦轮展开为直线运动，运动分辨率有限。当将摩擦副的主动轮与从动杆的母线交角从直角减小到一个很小角度时，此时形成的摩擦副即为扭轮摩擦副，而所形成的机构也就称为扭轮摩擦传动式机构。它可以得到很小的导程和纳米级的运动分辨率和定位精度，且有运动平稳、无间隙和无爬行等优点。它可应用于许多超精密传动领域。 一般的扭轮摩擦传动方式是将驱动摩擦轮展开为直线运动，运动分辨率有限。

4) 弹性变形传动式微位移机构

这种机构结构简单，可获得较高的分辨率；定位精度较低。由于输入位移是步进的，故易产生过渡性振荡，不适于要求动态响应的场合，可用于高精度测量技术及光学零件的精密调整机构等。

5) 压电元件式微位移机构

本机构利用压电元件(陶瓷)的逆压电效应来实现微位移。改变输人电压的大小即可得到不同的微位移，避免了机械结构造成的误差，故具有结构简单、尺寸小、分辨率极高(可达纳米级)、发热少、无杂散电磁场、便于遥控、能实现自动微量进给、有较好的动特性和有很高的响应频率(响应时间达100μs)等优点。但是压电陶瓷的缺点是变形量小，即压电微位移器件在施加较高电压时，行程仍很小。且压电材料驱动器激励应变量比较小，一般是300微应变，压电陶瓷的极限不超过700微应变。所以，为在较低电压下产生较大位移量，除采用压电系数大的材料外，大多需要位移放大机构。

综上，截至目前为止，能够输出足够动力的精密微位移装置结构都较为复杂，并涉及到辅助控制系统，成本较高。因此，亟需一种结构简单、调整方便、能够满足高精度要求并且经济成本低廉的精密微位移装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种亚微米级精密升降装置，它具有较高的灵敏度和灵活性，结构简单、调整方便、能够达到亚微米级精度，且成本低廉。

本发明解决上述问题采取的技术方案分别是：

本发明的亚微米级精密升降装置，包括基座、螺旋机构、楔块机构及锁紧机构；所述的螺旋机构包括微分头支座、滚针导向器、联轴器、微分头及微分头锁紧套环；所述的楔块机构包括Z向滑块、X向滚动导轨一、X向滚动导轨滑块一、滑块连接板、X向滑块、X向滚动导轨二及X向滚动导轨滑块二；所述的锁紧机构包括两个滚珠导套、两个导杆锁紧套环、两个导杆锁紧支架及两个升降导杆；

所述的基座上固定有X向滚动导轨一，所述的X向滚动导轨滑块一与X向滚动导轨一滑动连接；基座上设有两个平台，所述的两个平台位于X向滚动导轨一的外侧，两个平台相对于基座的X向中心线对称设置，每个平台上均设有一个安装孔，每个所述的安装孔内匹配装有一个滚珠导套，所述的两个导杆锁紧支架沿X向固定在基座上；每个导杆锁紧支架上端中部设有轴孔，轴孔的侧壁沿轴向开缝，每个轴向开缝的轴孔内分别固定装有一个所述的导杆锁紧套环，导杆锁紧套环与滚珠导套同轴设置；所述的X向滑块的下端面为水平面且与X向滚动导轨滑块一固接，X向滑块的上端面为斜面，X向滑块的斜面与所述的滑块连接板贴合并固接，X向滑块的后端中部与所述的滚针导向器连接；所述的Z向滑块的上端面为水平面，Z向滑块的下端面为斜面，Z向滑块的斜面与所述的X向滚动导轨二贴合且固接，X向滚动导轨二与所述的X向滚动导轨滑块二滑动连接，X向滚动导轨滑块二的下端面与滑块连接板上端面贴合且固接，由Z向滑块和X向滑块组成楔形滑块；Z向滑块下端面与所述的两个升降导杆固接，两个升降导杆各与相对应的滚珠导套和导杆锁紧套环相配合；基座的后端固定有所述的微分头支座，微分头支座上设有安装孔，微分头支座的安装孔内固定有所述的微分头锁紧套环，所述的微分头通过微分头锁紧套环锁紧固定，微分头的输出杆通过联轴器与滚针导向器相连。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

1、本发明通过微分头的直线运动，推动X向滑块沿X向滚动导轨移动，通过相对运动以及Z向的升降导杆和滚珠导套的限制作用把X方向的运动转换为Z方向的运动，工作台面上升。微分头通过一个联轴器和一个滚针导向器于水平滑动的X向滑块相连。在工作台面上升或下降过程中，微分头在伸缩的同时会产生旋转，通过这个联轴器和滚针导向器，可以只将微分头的伸缩运动即X向的运动输出给水平滑动的X向滑块，X向滑块通过X向滚动导轨二与竖直滑动的Z向滑块相连，从而保证将微分头的伸长或收缩实时地传递给工作台面，使其完成上升或下降运动。因此本发明属于机械传动式微位移机构，由楔块机构和螺旋机构组成螺旋微位移机械结构，若采用市面上普通的微分头进行驱动，微分头每转一小格，X向滑块会移动0.01mm ，楔形滑块的斜面斜度为1:10，所以Z向位移分辨率可达1μm，提高了位移分辨率。

2、滚动导轨和滚珠导套相配合使用，提高了装置的灵活性。锁紧螺钉夹紧锁紧导杆锁紧套环的工作位置固定模式，增加了装置的工作可靠性和使用寿命。

3、机构通过一个1:10的斜面将X向的水平运动转化成为Z向的竖直运动，所以可将尾端线性促动器的精度提高十倍。即若尾端固定有一个微米级的线性促动器如微米级的微分头时，通过1:10的斜面便可将装置精度提高到亚微米级。

本发明主要用于亚微米级Z向高度调整。具体应用：若在其上安装超声刀架、快速伺服刀架或者直接安装车刀，可用于高精度的对刀；若安装光纤设备，可用于高精度的光纤对准。

附图说明

图1是本发明的亚微米级精密升降装置的主剖视图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的左视图；

图4是图3的P向视图；

图5是本发明的亚微米级精密升降装置的爆炸视图；

图6是微分头锁紧套环的主视图；

图7是图6的俯视图；

图8是导杆锁紧套环的主视图；

图9是图8的俯视图。

上述图中涉及到的部件名称及标号分别为：

基座1、平台1-1、滚珠导套2、锁紧螺钉3、导杆锁紧套环4、导杆锁紧支架5、升降导杆6、微分头支座7、滚针导向器8、联轴器9、微分头10、微分头锁紧套环11、上保护罩12、下保护罩13、Z向滑块14、X向滚动导轨一15、X向滚动导轨滑块一16、滑块连接板17、X向滑块18、X向滚动导轨二19、X向滚动导轨滑块二20。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

具体实施方式一：如图1~图5所示，亚微米级精密升降装置，包括基座1、螺旋机构、楔块机构及锁紧机构；所述的螺旋机构包括微分头支座7、滚针导向器8、联轴器9、微分头10及微分头锁紧套环11；所述的楔块机构包括Z向滑块14、X向滚动导轨一15、X向滚动导轨滑块一16、滑块连接板17、X向滑块18、X向滚动导轨二19及X向滚动导轨滑块二20；所述的锁紧机构包括两个滚珠导套2、两个导杆锁紧套环4、两个导杆锁紧支架5及两个升降导杆6；

所述的基座1上固定有X向滚动导轨一15，所述的X向滚动导轨滑块一16与X向滚动导轨一15滑动连接；基座1上设有两个平台1-1，所述的两个平台1-1位于X向滚动导轨一15的外侧，两个平台1-1相对于基座1的X向中心线对称设置，每个平台1-1上均设有一个安装孔，每个所述的安装孔内匹配装有一个滚珠导套2，所述的两个导杆锁紧支架5沿X向固定在基座1上；每个导杆锁紧支架5上端中部设有轴孔，轴孔的侧壁沿轴向开缝，每个轴向开缝的轴孔内分别固定装有一个所述的导杆锁紧套环4，导杆锁紧套环4与滚珠导套2同轴设置；所述的X向滑块18的下端面为水平面且与X向滚动导轨滑块一16固接，X向滑块18的上端面为斜面，X向滑块18的斜面与所述的滑块连接板17贴合并固接，X向滑块18的后端中部与所述的滚针导向器8连接；所述的Z向滑块14的上端面为水平面，Z向滑块14的下端面为斜面，Z向滑块14的斜面与所述的X向滚动导轨二19贴合且固接，X向滚动导轨二19与所述的X向滚动导轨滑块二20滑动连接，X向滚动导轨滑块二20的下端面与滑块连接板17上端面贴合且固接（从而与X向滑块18相连，Z向滑块14的斜面与X向滑块18的斜面斜度一致），由Z向滑块14和X向滑块18组成楔形滑块；Z向滑块14下端面与所述的两个升降导杆6固接，两个升降导杆6各与相对应的滚珠导套2和导杆锁紧套环4相配合；基座1的后端固定有所述的微分头支座7，微分头支座7上设有安装孔，微分头支座7的安装孔内固定有所述的微分头锁紧套环11，所述的微分头10通过微分头锁紧套环11锁紧固定，微分头10的输出杆通过联轴器9与滚针导向器8相连。

X向滚动导轨一15、X向滚动导轨滑块一16、X向滚动导轨二19及X向滚动导轨滑块二20均为市场外购件；滚珠导套2、滚针导向器8、联轴器9及微分头10也为市场外购件。

优选的是：如图1所示，所述的X向滑块18的后端中部设有螺纹孔，滚针导向器8与X向滑块18所述的螺纹孔螺纹连接，使得滚针导向器8拆卸方便。

如图6~图9所示，微分头锁紧套环11及导杆锁紧套环4的侧壁上均设有开缝，保证了微分头锁紧套环11紧固在微分头支座7的安装孔内，以及导杆锁紧套环4紧固在导杆锁紧支架5的轴孔内。

具体实施方式二：如图3及图5所示，具体实施方式一所述的亚微米级精密升降装置，所述的导杆锁紧套环4与导杆锁紧支架5之间通过锁紧螺钉3连接将导杆锁紧套环4固定。

具体实施方式三：如图5所示，具体实施方式一所述的亚微米级精密升降装置，所述的亚微米级精密升降装置还包括上保护罩12和下保护罩13；所述的下保护罩13与基座1侧壁固接，所述的楔块机构、锁紧机构以及螺旋机构中的微分头支座7、滚针导向器8、联轴器9、微分头锁紧套环11及微分头10的输出杆均设置在下保护罩13内，下保护罩13的上端设有所述的上保护罩12，所述的上保护罩12与Z向滑块14侧壁固接。该技术方案的效果是：可使装置封闭，防止灰尘进入，且易于维护。

具体实施方式四：如图1所示，具体实施方式一、二或三所述的亚微米级精密升降装置，所述的Z向滑块14的斜面的斜度与X向滑块18的斜面的斜度相同均为1:10。该技术方案的效果是：可保证 Z向位移分辨率达到1μm，提高了位移分辨率。

本发明的工作原理：本发明的基座1上设有两种规格的沉孔，可通过螺钉直接将基座1连接在M8的T形块上，也可将基座1连接到垫高块上后再将基座1与垫高块一起连接在M8的T形块上，进而增加装置的基础高度，以满足不同输出高度的需要。

基座1后端固定有微分头10（X向），微分头10的输出杆会输出两种运动，一种是X向的直线运动，另一种是输出杆的旋转运功，将微分头10的输出杆与联轴器9相连，再将联轴器9与固定在X向滑块18上的滚针导向器8相连，可以只将微分头10的X方向的直线运动（伸长或缩短）实时地传递给X向滑块18，从而使得X向滑块18能够跟随微分头10一同运动。X向滑块18沿X向滚动导轨一15前后移动，通过楔形滑块相对运动以及升降导杆6和滚珠导套2的限制作用把X方向的运动转换为Z方向的运动，工作台面 (即Z向滑块14)上升或下降，从而调整装置高度。当工作台面处于理想工作位置时，将装置两侧的锁紧螺钉3拧紧，导杆锁紧套环4与导杆锁紧支架5锁紧固定，随之工作台面下的升降导杆锁紧固定，使得施加在工作台面上的动态力不会影响装置的定位精度，工作台面保持稳定的Z向位置。微分头10每转一小格X向滑块会移动0.01mm ，楔形滑块的配合面是一个1:10的斜面，所以Z向位移分辨率可达1μm。

本发明中，采用微分头10驱动，此外，还可以将微分头10换成直线电机、线性促动器等其他驱动方式的装置都应涵盖在本发明的保护范围内。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种亚微米级精密升降装置，包括基座(1)、螺旋机构、楔块机构及锁紧机构；其特征是：所述的螺旋机构包括微分头支座(7)、滚针导向器(8)、联轴器(9)、微分头(10)及微分头锁紧套环(11)；所述的楔块机构包括Z向滑块(14)、X向滚动导轨一(15)、X向滚动导轨滑块一(16)、滑块连接板(17)、X向滑块(18)、X向滚动导轨二(19)及X向滚动导轨滑块二(20)；所述的锁紧机构包括两个滚珠导套(2)、两个导杆锁紧套环(4)、两个导杆锁紧支架(5)及两个升降导杆(6)；

所述的基座(1)上固定有X向滚动导轨一(15)，所述的X向滚动导轨滑块一(16)与X向滚动导轨一(15)滑动连接；基座1上设有两个平台(1-1)，所述的两个平台(1-1)位于X向滚动导轨一(15)的外侧，两个平台(1-1)相对于基座(1)的X向中心线对称设置，每个平台(1-1)上均设有一个安装孔，每个所述的安装孔内匹配装有一个滚珠导套(2)，所述的两个导杆锁紧支架(5)沿X向固定在基座(1)上；每个导杆锁紧支架(5)上端中部设有轴孔，轴孔的侧壁沿轴向开缝，每个轴向开缝的轴孔内分别固定装有一个所述的导杆锁紧套环(4)，导杆锁紧套环(4)与滚珠导套(2)同轴设置；所述的X向滑块(18)的下端面为水平面且与X向滚动导轨滑块一(16)固接，X向滑块(18)的上端面为斜面，X向滑块(18)的斜面与所述的滑块连接板(17)贴合并固接，X向滑块(18)的后端中部与所述的滚针导向器(8)连接；所述的Z向滑块(14)的上端面为水平面，Z向滑块(14)的下端面为斜面，Z向滑块(14)的斜面与所述的X向滚动导轨二(19)贴合且固接，X向滚动导轨二(19)与所述的X向滚动导轨滑块二(20)滑动连接，X向滚动导轨滑块二(20)的下端面与滑块连接板(17)上端面贴合且固接，由Z向滑块(14)和X向滑块(18)组成楔形滑块；Z向滑块(14)下端面与所述的两个升降导杆(6)固接，两个升降导杆(6)各与相对应的滚珠导套(2)和导杆锁紧套环(4)相配合；基座(1)的后端固定有所述的微分头支座(7)，微分头支座(7)上设有安装孔，微分头支座(7)的安装孔内固定有所述的微分头锁紧套环(11)，所述的微分头(10)通过微分头锁紧套环(11)锁紧固定，微分头(10)的输出杆通过联轴器(9)与滚针导向器(8)相连。

2.根据权利要求1所述的亚微米级精密升降装置，其特征是：所述的导杆锁紧套环(4)与导杆锁紧支架(5)之间通过锁紧螺钉(3)固定连接。

3.根据权利要求1所述的亚微米级精密升降装置，其特征是：所述的亚微米级精密升降装置还包括上保护罩(12)和下保护罩(13)；所述的下保护罩(13)与基座(1)侧壁固接，所述的楔块机构、锁紧机构以及螺旋机构中的微分头支座(7)、滚针导向器(8)、联轴器(9)、微分头锁紧套环(11)及微分头(10)的输出杆均设置在下保护罩(13)内，下保护罩(13)的上端设有所述的上保护罩(12)，所述的上保护罩(12)与Z向滑块(14)侧壁固接。

4.根据权利要求1、2或3所述的亚微米级精密升降装置，其特征是：所述的Z向滑块(14)的斜面的斜度与X向滑块(18)的斜面的斜度相同均为1:10。