CN106877735A - 一种新型z轴升降平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型Z轴升降平台，包括中空型旋转超声电机组件、升降机构组件和位移传感组件；本发明定位精度高、响应速度快和抗电磁干扰的特点，同时基于超声电机断电自锁的特性，无需附加额外锁定装置来保持位置，克服了电磁电机伺服抖动的问题；系统的整体结构更加简单紧凑、易于小型化，具有更广阔的应用前景。

Description

一种新型Z轴升降平台
技术领域：
本发明涉及一种新型Z轴升降平台。
背景技术：
大行程、高精度、高分辨率的运动平台在近代尖端工业生产和科学研究领域内占有极为重要的地位，其定位精度和行程范围直接影响到生产加工的精度和广度。在生物医学装备、精密光学仪器、微加工和微装配等众多高端装备中，对于高精度多轴运动平台有着很大的应用需求。
在众多的高精度多自由度运动平台的设计中，Z轴升降台的结构设计方式影响着整个系统的占用空间体积的大小。对于多轴运动中的Z轴精密升降运动，多采用步进旋转电机加丝杠的驱动方式。这种驱动方式不可避免地存在着较多的中间运动转换环节和弹性变形，使得平台的实时性较差，可实现的直线运动的定位精度或速度较低。另外，由于电机本身基于电磁效应的工作原理，不可避免的会对工作环境带来电磁干扰。尽管现有丝杠或扭轮等运动转换机构的加工工艺已经比较成熟，但提高传动精度所须付出的代价是巨大的。同时，该种方式在锁定位置时需要额外附加抱紧机构，这使得该种机构更加复杂，不易小型化。另一种方式是采用电磁型直线电机直接驱动。该方式可大大减少旋转电机驱动方式中的运动转换环节，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、磨损等因素带来的运动误差。但由于要克服移动平台本身重力对精度的影响，需要配置相应配重块来平衡升降台本身重力对运动的影响，也需要额外的添加抱紧装置锁定位置，同样使得整体机构较为复杂，难以实现小型化设计。总之，现有的Z轴升降平台大多通过步进电机驱动，其结构复杂，不易小型化，且系统易受磁场干扰，位置保持能力差。同时，实现高的定位精度所需的成本高。
因此，确有必要对现有技术进行改进以解决现有技术之不足。
发明内容：
本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种新型Z轴升降平台。
本发明所采用的技术方案有：一种新型Z轴升降平台，包括中空型旋转超声电机组件：所述中空型旋转超声电机组件包括底座、转子、定子、压电陶瓷、止推轴承、预压力螺母和锁紧螺母，所述定子套设于底座上，压电陶瓷粘贴于定子的下端面上，止推轴承设于底座内，转子转动支承于止推轴承内，且转子的上端伸于底座外，在转子的圆周壁上设有环形凸缘部，该环形凸缘部紧贴于定子的上端面上，预压力螺母和锁紧螺母均安装在转子的一端上，锁紧螺母的一个端面与预压力螺母相抵以防止预压力螺母轴向移动，预压力螺母的另一端支承在止推轴承上以使预压力螺母能随转子同步转动，固定转子，转动预压力螺母，使得螺纹拉动转子，通过调整定子和转子之间的变形量来调节电机轴向预压力；
升降机构组件：所述升降机构组件包括外壳、升降导筒、平台、滚珠、圆柱销和拉力弹簧，所述平台螺纹连接于转子上，外壳固定于底座上，升降导筒固定于平台上，且外壳与升降导筒之间形成有安装腔，滚珠设于该安装腔内，在底座和平台上分别固定连接圆柱销，拉力弹簧的两端连接圆柱销并通过圆柱销拉紧拉力弹簧，继而将平台和底座压紧；
位移传感组件：所述位移传感组件包括光栅尺和位移传感器，光栅尺粘贴在升降导筒上，位移传感器设于外壳上，通过检测光栅尺和位移传感器之间的相对位移变化，实现位移的测量。
进一步地，所述转子的轴心方向上设有螺纹孔。
进一步地，所述平台上设有连接轴，该连接轴的外壁上设有外螺纹，连接轴螺纹连接于转子的螺纹孔内。
进一步地，所述连接轴的轴心方向上设有通孔。
进一步地，所述升降导筒的侧壁上设有第一定位圆弧槽，外壳的侧壁上设有第二定位圆弧槽，滚珠滚动设于第一、二定位圆弧槽内。
本发明具有如下有益效果：本发明定位精度高、响应速度快和抗电磁干扰的特点，同时基于超声电机断电自锁的特性，无需附加额外锁定装置来保持位置，克服了电磁电机伺服抖动的问题；系统的整体结构更加简单紧凑、易于小型化，具有更广阔的应用前景。
附图说明：
图1为本发明的主视图；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明的A-A向视图；
图4为本发明的三维结构图；
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1至图4所示，本发明一种新型Z轴升降平台，包括中空型旋转超声电机组件、升降机构组件和位移传感组件，其中中空型旋转超声电机组件包括底座1、转子7、定子8、压电陶瓷9、止推轴承10、预压力螺母11和锁紧螺母12，定子8套设于底座1上，压电陶瓷9粘贴于定子8的下端面上，止推轴承10设于底座1内，转子7转动支承于止推轴承10内，且转子7的上端伸于底座1外。在转子7的圆周壁上设有环形凸缘部71，该环形凸缘部71紧贴于定子8的上端面上，预压力螺母11和锁紧螺母12均安装在转子7的一端上，锁紧螺母12的一个端面与预压力螺母11相抵以防止预压力螺母11轴向移动，预压力螺母11的另一端支承在止推轴承10上以使预压力螺母11能随转子7同步转动，固定转子7，转动预压力螺母11，使得螺纹拉动转子7，通过调整定子8和转子7之间的变形量来调节电机轴向预压力；
升降机构组件包括外壳2、升降导筒3、平台4、滚珠13、圆柱销15和拉力弹簧16，在转子7的轴心方向上设有螺纹孔，在平台4的中心处设有连接轴41，该连接轴41的轴心方向上设有通孔42，通孔42使得安装在Z轴升降平台上的装置走线更加方便。在连接轴41的外壁上设有外螺纹，连接轴41螺纹连接于转子7的螺纹孔内并形成螺纹传动副，外壳2通过螺钉14固定于底座1上，升降导筒3通过螺钉14固定于平台4上，外壳2与升降导筒3之间形成有安装腔，滚珠13设于该安装腔内。为对滚珠13进行定位，在升降导筒3外侧设置有均匀分布的四个第一定位圆弧槽，在外壳2的侧壁上均匀分布有四个第二定位圆弧槽，滚珠13滚动设于第一定位圆弧槽和第二定位圆弧槽内，第一、二定位圆弧槽能够有效防止滚珠13的脱落，升降导筒3与外壳2之间通过滚珠13实现相对运动，由于滚珠13安装在升降导筒3和外壳2之间的圆弧槽中，限制了升降导筒3和外壳2之间的旋转自由度，最终实现升降导筒3和外壳2之间直线升降运动。为了消除螺纹传动中的间隙，在平台4和底座1上分别安装有圆柱销15，利用圆柱销15将两个拉力弹簧16拉紧，继而将平台4和底座1压紧。
第一定位圆弧槽的圆弧为优弧，其弧长大于半圆，且圆弧槽底部不贯通，在安装和拆卸过程中，可以有效防止滚珠13的脱落，第二定位圆弧槽的圆弧为劣弧，其弧长小于半圆，与滚珠13相配合，用于限制外壳2和升降导筒3之间的转动。
位移传感组件包括光栅尺5和位移传感器6，光栅尺5粘贴在升降导筒3上，位移传感器6设于外壳2上，通过检测光栅尺5和位移传感器6之间的相对位移变化，实现位移的测量。
当施加一定的正弦信号在压电陶瓷9上，激发出定子8上端驱动表面质点的椭圆运动，在摩擦力作用下，驱动转子7产生旋转运动，继而转子7通过螺纹传动的形式带动平台4产生升降运动。
可通过改变施加在压电陶瓷9上的正弦信号的相位改变中空型旋转超声电机的旋转运动方向，继而使平台4产生相反方向的运动。同时，由于升降机构中的滚珠13的存在，使得平台4在升降运动的过程中不会发生旋转。拉力弹簧16通过圆柱销15连接在底座1与平台4之间，可以消除螺纹副之间的间隙，提高系统的传动精度和动、静态刚度。在平台上升或下降的过程中位移传感器6反馈平台4的位置。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种新型Z轴升降平台，其特征在于：包括中空型旋转超声电机组件：所述中空型旋转超声电机组件包括底座(1)、转子(7)、定子(8)、压电陶瓷(9)、止推轴承(10)、预压力螺母(11)和锁紧螺母(12)，所述定子(8)套设于底座(1)上，压电陶瓷(9)粘贴于定子(8)的下端面上，止推轴承(10)设于底座(1)内，转子(7)转动支承于止推轴承(10)内，且转子(7)的上端伸于底座(1)外，在转子(7)的圆周壁上设有环形凸缘部(71)，该环形凸缘部(71)紧贴于定子(8)的上端面上，预压力螺母(11)和锁紧螺母(12)均安装在转子(7)的一端上，且锁紧螺母(12)的一个端面与预压力螺母(11)相抵以防止预压力螺母(11)轴向移动，预压力螺母(11)的另一端支承在止推轴承(10)上以使预压力螺母(11)能随转子(7)同步转动，固定转子(7)，转动预压力螺母(11)，使得螺纹拉动转子(7)，通过调整定子(8)和转子(7)之间的变形量来调节电机轴向预压力；
升降机构组件：所述升降机构组件包括外壳(2)、升降导筒(3)、平台(4)、滚珠(13)、圆柱销(15)和拉力弹簧(16)，所述平台(4)螺纹连接于转子(7)上，外壳(2)固定于底座(1)上，升降导筒(3)固定于平台(4)上，且外壳(2)与升降导筒(3)之间形成有安装腔，滚珠(13)设于该安装腔内，在底座(1)和平台(4)上分别固定连接圆柱销(15)，拉力弹簧(16)的两端连接圆柱销(15)并通过圆柱销(15)拉紧拉力弹簧(16)，继而将平台(4)和底座(1)压紧；
位移传感组件：所述位移传感组件包括光栅尺(5)和位移传感器(6)，光栅尺(5)粘贴在升降导筒(3)上，位移传感器(6)设于外壳(2)上，通过检测光栅尺(5)和位移传感器(6)之间的相对位移变化，实现位移的测量。
2.如权利要求1所述的新型Z轴升降平台，其特征在于:所述转子(7)的轴心方向上设有螺纹孔。
3.如权利要求2所述的新型Z轴升降平台，其特征在于:所述平台(4)上设有连接轴(41)，该连接轴(41)的外壁上设有外螺纹，连接轴(41)螺纹连接于转子(7)的螺纹孔内。
4.如权利要求3所述的新型Z轴升降平台，其特征在于:所述连接轴(41)的轴心方向上设有通孔(42)。
5.如权利要求1所述的新型Z轴升降平台，其特征在于:所述升降导筒(3)的侧壁上设有第一定位圆弧槽，外壳(2)的侧壁上设有第二定位圆弧槽，滚珠(13)滚动设于第一、二定位圆弧槽内。
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