CN108240802A - 一种四自由度微调机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种四自由度微调机构，所述底座上设置有线性无油滑板，所述平动板可滑动的安装在所述线性无油滑板上；所述倾斜调节组件包括倾斜调节件和安装在所述动平台和平动板之间的球状体，所述动平台可围绕所述球状体相对于所述平动板旋转，所述倾斜调节件用于驱动所述动平台围绕所述球状体旋转。本发明提供的四自由度微调机构，通过水平调节组件和倾斜调节组件实现了水平移动和动平台在平动板上的旋转，结构紧凑、占用空间小，上下安装面平整，方便在光学系统检测时设备台面上的安装；该四自由度微调机构，操作时调整方便、快捷、准确，从而提高了工作效率。

Description

一种四自由度微调机构

技术领域

本发明属于精密调节机构的领域，尤其涉及一种四自由度微调机构。

背景技术

现有技术中，对于四自由度微调机构的使用越来越普遍；尤其应用于光机组件集成及光学检测过程中，所检测的光学元件其偏心与倾斜的四自由度微量调整，从而实现检测过程中对待检测元件位置精度的要求，进一步来实现检测的需求。

为了能将所安装的光机组件及待检光学元件准确的调整到指定位置，同时对工装的高度以及最大直径都有严格的要求，所使用的微调机构必须满足以下要求：1、调节机构整体结构紧凑、尺寸满足指标要求；2、调节机构中水平调节和倾斜调节之间避免耦合；3、调节机构调整时应方便省力、快速且有自锁功能；4、调节机构具有一定的承载能力。

现阶段一般的精密机械调节机构虽然可以实现相应维度的调整要求，但其整体尺寸通常较大而且占用较多空间，有时调节自由度之间耦合严重以至于需要反复多次调节才可达到目的，无形之中增加了大量的无用工作量，既浪费了工作量又降低了工作效率；特别是在承受较重的光机组件或者光学元件时，由于所需调整力较大而使得调整难度大幅度的提高，因此一般的精密机械调节机构在节省空间、调节精度及操作性方面并不十分理想。

现有专利中的四自由度调节机构的调节形式十分局限，一般的平动自由度的机构选取，很多专利中以导轨滑块(直线导轨)或滚珠丝杠为主要传动装置。在大行程的调节机构中上述装置可以提升工作效率，但在小行程精密调节机构中，直线导轨或滚珠丝杠的使用，分辨力较低，在空间有限的情况下，不能更大幅度的压缩使用空间；而在现有专利中，竖直方向上的倾斜调节，一般采用球铰，装备比较困难，使用不便，不利于加工和后期操作人员的使用。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一，提供一种外形尺寸紧凑、实用性强、承载能力较大、操作便捷，同时行程小、分辨力更高，能够更大幅度压缩使用空间，并且加工和操作使用方便的四自由度微调机构。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种四自由度微调机构，包括底座、平动板、动平台、水平调节组件和倾斜调节组件，所述平动板可滑动的设置在底座上，所述水平调节组件固定在底座上，所述倾斜调节组件安装在所述动平台上；所述水平调节组件用于驱动所述平动板在所述底座上滑动；所述水平调节组件为两组，两组所述水平调节组件驱动所述平动板沿相互垂直的水平方向移动；所述动平台可旋转的安装在所述平动板上，所述倾斜调节组件用于驱动所述动平台在所述平动板上旋转；所述底座上设置有线性无油滑板，所述平动板可滑动的安装在所述线性无油滑板上；所述倾斜调节组件包括倾斜调节件和安装在所述动平台和平动板之间的球状体，所述动平台可围绕所述球状体相对于所述平动板旋转，所述倾斜调节件用于驱动所述动平台围绕所述球状体旋转。

一些实施例中，所述平动板上设置有可与所述线性无油滑板滑动连接的垫板。

一些实施例中，所述底座上安装有四个平面基准面，线性无油滑板通过螺钉固定在所述平面基准面上。

一些实施例中，所述平动板与底座之间采用台阶螺栓连接，所述台阶螺栓与平动板上螺栓安装孔的内壁之间预留有水平运动间隙。

一些实施例中，所述台阶螺栓与底座之间设置有蝶形垫片。

一些实施例中，所述水平调节组件包括精调节件和复位弹性件，所述精调节件设置在底座上，所述精调节件与所述平动板接触连接，用于驱动所述平动板的水平位移；所述复位弹性件设置在底座上，所述复位弹性件为所述平动板提供一个与精调节件驱动力相反的复位力。

一些实施例中，所述水平调节组件还包括粗调节件，所述粗调节件安装在所述底座上与所述精调节件相对的一侧，所述粗调节件与所述平动板接触连接，用于对平动板进行水平位置调节和定位。

一些实施例中，所述精调节件与平动板之间设置有两点轴导向组件，所述两点轴导向组件包括支座、定位销、衬套和固定片组成；所述固定片与定位销之间固定连接，所述衬套与支座之间过盈配合连接，所述定位销和衬套之间预留有运动间隙，当精调节件驱动平动板移动时，所述精调节件抵靠在所述固定片上；所述定位销为两个，所述定位销在精调节件驱动平动板移动时，与平动板接触并驱动平动板水平移动。

一些实施例中，所述底座上固定安装有把手。

一些实施例中，所述动平台和平动板之间通过台阶螺栓进行连接，所述台阶螺栓与动平台上的螺栓孔的内壁之间预留有运动间隙，所述台阶螺栓与平动板的连接处设置有受力时会产生变形的蝶形垫片。

一些实施例中，所述倾斜调节件包括两个螺纹套件，调节螺纹套件的轴向运动，可带动动平台围绕所述球状体旋转。

一些实施例中，所述动平台上设置有固定销安装位，所述球状体通过固定销安装在所述固定销安装位上。

一些实施例中，所述底座上设置有沉孔，所述沉孔内安装有光学叉丝板支撑座，所述光学叉丝板支撑座上设置有光学十字叉丝硅片。

有益效果：本发明提供的四自由度微调机构，通过水平调节组件和倾斜调节组件实现了水平移动和动平台在平动板上的旋转，结构紧凑、占用空间小，上下安装面平整，方便在光学系统检测时设备台面上的安装；该四自由度微调机构，操作时调整方便、快捷、准确，从而提高了工作效率。同时，采用线性无油滑板代替现有技术中的直线导轨或滚珠丝杠，行程小，但分辨力更高，在空间有限的情况下，能够更大幅度的压缩使用空间；另外，采用倾斜调节件和球状体的配合，代替现有技术中的球铰，在装备和实际使用中更加方便，也更易于加工和后期操作人员的使用。

附图说明

图1是本发明提供的四自由度微调机构的整体结构示意图。

图2是未安装动平台的四自由度微调机构的结构示意图。

图3是未安装动平台和平动板的四自由度微调机构示意图。

图4是四自由度微调机构的一个方向的截面视图。

图5是台阶螺栓与蝶形垫片的配合示意图。

图6是两点轴导向组件结构示意图。

图7是螺纹套件的组成结构示意图。

附图标记：

底座10；把手12；平面基准面13；平动板20；动平台30；台阶螺栓40；蝶形垫片41；精调节件51；粗调节件52；复位弹性件53；两点轴导向组件60；支座61；定位销62；衬套63；固定片64；螺纹套件71；螺纹套件螺母711；螺纹套件螺杆712；球状体72；光学叉丝板支撑座80。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将结合附图1至图7详细说明一下本发明提供的四自由度微调机构。

本发明提供了一种四自由度微调机构，包括底座10、平动板20、动平台30、水平调节组件和倾斜调节组件，平动板20可滑动的设置在底座10上，水平调节组件固定在底座10上，倾斜调节组件安装在动平台30上；所述水平调节组件用于驱动所述平动板20在所述底座10上滑动；所述动平台30可旋转的安装在所述平动板20上，所述倾斜调节组件用于驱动所述动平台30在所述平动板20上旋转；所述底座10上设置有线性无油滑板，所述平动板20可滑动的安装在所述线性无油滑板上；所述倾斜调节组件包括倾斜调节件和安装在所述动平台30和平动板20之间的球状体72，所述动平台30可围绕所述球状体72相对于所述平动板20旋转，所述倾斜调节件用于驱动所述动平台30围绕所述球状体72旋转。

在本发明提供的四自由度微调机构，通过两组水平调节机构，实现平动板20和动平台30在水平方向两个自由度上的位置调节；同时，上述两个自由度在水平方向上相互垂直。另外，通过倾斜调节件与球状体72的配合，实现动平台30相对于平动板20的倾斜调节，以完成在竖直方向上两个自由度的微调。

本发明提供的四自由度微调机构，通过水平调节组件和倾斜调节组件实现了水平移动和动平台30在平动板20上的旋转，结构紧凑、占用空间小，上下安装面平整，方便在光学系统检测时设备台面上的安装；该四自由度微调机构，操作时调整方便、快捷、准确，从而提高了工作效率。同时，采用线性无油滑板代替现有技术中的直线导轨或滚珠丝杠，行程小，但分辨力更高，在空间有限的情况下，能够更大幅度的压缩使用空间；另外，采用倾斜调节件和球状体72的配合，代替现有技术中的球铰，在装备和实际使用中更加方便，也更易于加工和后期操作人员的使用。

一般情况下，上述底座10和外部转台进行螺栓连接，如此，可以带动整个四自由度微调机构在水平方向上旋转。

如图2所示，在本发明的一个实施例中，平动板20上设置有可与线性无油滑板滑动连接的垫板。线性无油滑板设置有底座10的上表面，而垫板设置在平动板20的下表面，如此，平动板20可以通过垫板和线性无油滑板的配合可滑动的安装在底座10上。

在上述实施例中，垫板和线性无油滑板形成一个滑动摩擦的机构，行程约为±1mm，行程需求量小；因此，采用该种运动形式，尽可能的减小了装置的空间，使整体更为紧凑。

进一步，如图3所示，本发明的底座10上安装有四个平面基准面13，线性无油滑板通过螺钉固定在该平面基准面13上。一般情况下，螺钉采用平头螺钉，在实现螺纹连接固定的同时，保证顶端的平整。

如图3所示，本发明一个实施例中，平动板20与底座10之间采用台阶螺栓40连接，同时，台阶螺栓40与平动板20上螺栓安装孔的内壁之间预留有水平运动间隙，用于平动板20的水平移动。上述水平运动间隙的大小，本领域技术人员可以根据系统精度要求进行自行设定。

在上述实施例中，如图5所示，为了形成一个完整的平动机构，减小整体机构的体积，提升紧凑性，台阶螺栓40与底座10之间设置有蝶形垫片41，不仅给平动板20提供了一个水平的自由度，同时避免了采用大尺寸的平动机构。同时，在台阶螺栓40和底座10之间还可以设置大垫圈，进一步稳定两者之间的连接及配合；提供较为稳定的水平位移。

在本发明中，在平动板20受到水平外力的驱动下，平动板20将产生水平方向上的微小位移，由于此时台阶螺栓40与安装孔之间留有一定的间隙，台阶螺栓40与垫圈之间也有一定的间隙，从而可以保证平动板20在外力作用下产生水平方向的微小位移，而不会影响螺母的安装与固定。

如图2所示，水平调节组件包括精调节件51和复位弹性件53(未示出)，精调节件51设置在底座10上，精调节件51与平动板20接触连接，用于驱动平动板20的水平位移；复位弹性件53设置在底座10上，为平动板20提供一个与精调节件51驱动力相反的复位力。复位弹性件53可以是复位弹簧。

其中，精调节件51一般采用精度为±2μm的微分头，用于驱动平动板20做微小的水平位移，而复位弹性件53对平动板20进行反向约束与限制，在精调节件51退回时，复位弹性件53将平动板20拉回至初始位置。

更具体的，水平调节组件包括两个，因此，精调节件51包括两个，复位弹性件53包括两个。如图2所示，在X方向上，设置有一个精调节件51和复位弹性件53，用于实现平动板20在X方向上的位移调节；在Y方向上，设置有另外一个精调节件51和复位弹性件53，用于实现平动板20在Y方向上的位移调节。最终实现平动板20在水平方向上两个自由度的调节。

在此基础上，水平调节组件还包括粗调节件52，粗调节件52安装在底座10上与精调节件51相对的一侧，粗调节件52与平动板20接触连接，用于对平动板20进行水平位置调节和定位。

粗调节件52的设置，是为了避免由于静摩擦力过大而导致平动板20无法被拉动的情况发生，反向设置了粗调节件52，用于对平动板20进行粗略的位置调节和定位。

在本发明中，精调节件51配合复位弹性件53，相对于现有技术中精调节件51与紧定螺母的配合，其限制平动板20的运动位置，在反向调节和定位等工况下都更加便利。为了更进一步优化上述便利，同时还辅以本发明提供的与精调节件51相对设置的粗调节件52。

如图2所示，粗调节件52包括两个，一个在X方向上，另一个在Y方向上；从图中可以看出，在X方向上，精调节件51位于底座10的一侧，而粗调节件52位于与精调节件51相对的一侧；同理，在Y方向上，精调节件51位于底座10的一侧，而粗调节件52位于与精调节件51相对的一侧。

在本发明中，如图4和图6所示，每个精调节件51与平动板20之间设置有两点轴导向组件60，所述两点轴导向组件60包括支座61、定位销62、衬套63和固定片64组成；所述固定片64与定位销62之间固定连接，所述衬套63与支座61之间过盈配合连接，所述定位销62和衬套63之间预留有运动间隙，当精调节件51驱动平动板20移动时，所述精调节件51抵靠在所述固定片64上；所述定位销62为两个，所述定位销62在精调节件51驱动平动板20移动时，与平动板20接触并驱动平动板20水平移动。

在本发明中，定位销62和衬套63之间采用间隙配合，并且可设置为±1.5mm的行程，如此，可进一步为平动板20的行程起到机械限位的作用。

两点轴导向组件60，用于将精调节件51与平动板20之间的单点接触变为两点接触，加上竖直方向上精调节件51的单点基础，符合“三点确定一个平面”的原则，最大程度上保证平动板20在运动过程中的平稳性和准确性。

如图2所示，为了便于底座10的安装和操作，在底座10上固定安装有把手12。本领域技术人员容易理解的，一般情况下，为了便于操作，把手12为两个。

如图1和图5所示，本发明中，动平台30与平动板20之间通过台阶螺栓40进行连接，所述台阶螺栓40与动平台30上的螺栓孔的内壁之间预留有运动间隙，所述台阶螺栓40与平动板20的连接处设置有受力时会产生变形的蝶形垫片41。

台阶螺栓40与动平台30上的螺栓孔的内壁之间预留的运动间隙，为动平台30倾斜调节留有工作空间；同时，采用蝶形垫片41背靠背安装，利用蝶形垫片41在受力后产生的微小变形从而形成动平台30的转动自由度。一般情况下，动平台30和平动板20之间通过4个台阶螺栓40进行连接，以从四个角度对动平台30的旋转进行限位；同时，蝶形垫片41也设置有4片。

在本发明中，如图1所示，动平台30与平动板20之间的旋转位移，实现在Z方向上的自由度调节。

本发明的一个实施例中，如图2和图7所示，倾斜调节件包括两个螺纹套件71，调节螺纹套件71的轴向运动，可带动动平台30围绕球状体72旋转。

上述螺纹套件71包括顶部的螺纹套件螺母711和下部的螺纹套件螺杆712，螺纹套件螺杆712穿过螺纹孔底部固定在平动板20上。而螺纹套件螺母711沉入螺纹孔内，并且和螺纹孔内壁之间留有运动间隙。

两个螺纹套件71沿X方向上设置，球状体72与两个螺纹套件71的连线的垂线在Y方向上，如此，可以实现动平台30在X方向上的倾斜，同时也可以实现动平台30在Y方向上的倾斜，以实现动平台30在竖直方向上的两个倾斜自由度。同理，两个螺纹套件71设置在Y方向上，球状体72与两个螺纹套件71的连线的垂线在X方向上，也是可以的。

上述螺纹套件71可以选择螺距为0.02mm的螺纹套件71。

本发明的另一实施例中，所述动平台30上设置有固定销安装位，所述球状体72通过固定销安装在所述固定销安装位上。

螺纹套件71作为倾斜调节的驱动装置，球状体72安装在动平台30与平动板20之间；当旋转螺纹时，螺纹套件71将带动动平台30做升降运动，进而使得动平台30围绕球状体72中心做旋转运动，为动平台30提供旋转的自由度。

同时，在本发明提供的四自由度微调机构中，底座10安装在可旋转的外部转台上，能够实现在水平方向上旋转的自由度。

在本发明中，如图1所示，底座10上设置有沉孔，所述沉孔内安装有光学叉丝板支撑座80，所述光学叉丝板支撑座上设置有光学十字叉丝硅片。用于光学镜头的校准与定心，在光学接口方面更加完善。

在本发明中，固定销安装位可以设置为三角形，以便于球状体72的安装。同时，球状体72优选常用的钢球。

在平动板20上，设置有多个固定位，用于安装倾斜调节件和固定安装销，对螺纹套件71起到约束自由度的作用。同时，在动平台30上加工有三个沉头孔，台阶螺栓40安装在该沉头孔内，用于连接动平台30和底座10。

在本发明中，上述螺纹套件71包括大尺寸的螺母、1/4″螺纹以及螺纹套等零件组成。采用大尺寸的螺母，可以减小倾斜调节时的作用力，提高了整体的可操作性和便捷性。

在本发明中，调节X方向上的精调节件51，可驱动平动板20在X方向上移动，实现平动板20在X方向上的位移；如图2所示，X方向上的精调节件51在右侧，则可驱动平动板20向左移动。调节Y方向上的精调节件51，可驱动平动板20在Y方向上移动，实现平动板20在X方向上的位移。

如图1所示，两个螺纹套件71沿X方向分隔开设置，如此：同时调节两个螺纹套件71，可驱动动平台30沿Y方向上倾斜；调节其中一个螺纹套件71时，可驱动动平台30沿X方向和Y方向上都有一定的倾斜。

设置在动平台30上的台阶螺栓40，穿过动平台30上的螺栓孔，底部固定在平动板20上；设置在平动板20上的台阶螺栓40，穿过平动板20上的螺栓孔，底部固定在底座10上。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (12)

1.一种四自由度微调机构，其特征在于，包括底座、平动板、动平台、水平调节组件和倾斜调节组件，所述平动板可滑动的设置在底座上，所述水平调节组件固定在底座上，所述倾斜调节组件安装在所述动平台上；所述水平调节组件用于驱动所述平动板在所述底座上滑动；所述水平调节组件为两组，两组所述水平调节组件驱动所述平动板沿相互垂直的水平方向移动；所述动平台可旋转的安装在所述平动板上，所述倾斜调节组件用于驱动所述动平台在所述平动板上旋转；所述底座上设置有线性无油滑板，所述平动板可滑动的安装在所述线性无油滑板上；所述倾斜调节组件包括倾斜调节件和安装在所述动平台和平动板之间的球状体，所述动平台可围绕所述球状体相对于所述平动板旋转，所述倾斜调节件用于驱动所述动平台围绕所述球状体旋转。

2.根据权利要求1所述的四自由度微调机构，其特征在于，所述平动板上设置有可与所述线性无油滑板滑动连接的垫板。

3.根据权利要求1所述的四自由度微调机构，其特征在于，所述底座上安装有四个平面基准面，线性无油滑板通过螺钉固定在所述平面基准面上。

4.根据权利要求1所述的四自由度微调机构，其特征在于，所述平动板与底座之间采用台阶螺栓连接，所述台阶螺栓与平动板上螺栓安装孔的内壁之间预留有水平运动间隙。

5.根据权利要求4所述的四自由度微调机构，其特征在于，所述台阶螺栓与底座之间设置有蝶形垫片。

6.根据权利要求1所述的四自由度微调机构，其特征在于，所述水平调节组件包括精调节件和复位弹性件，所述精调节件设置在底座上，所述精调节件与所述平动板接触连接，用于驱动所述平动板的水平位移；所述复位弹性件设置在底座上，所述复位弹性件为所述平动板提供一个与精调节件驱动力相反的复位力。

7.根据权利要求6所述的四自由度微调机构，其特征在于，所述水平调节组件还包括粗调节件，所述粗调节件安装在所述底座上与所述精调节件相对的一侧，所述粗调节件与所述平动板接触连接，用于对平动板进行水平位置调节和定位。

8.根据权利要求6所述的四自由度微调机构，其特征在于，所述精调节件与平动板之间设置有两点轴导向组件，所述两点轴导向组件包括支座、定位销、衬套和固定片组成；所述固定片与定位销之间固定连接，所述衬套与支座之间过盈配合连接，所述定位销和衬套之间预留有运动间隙，当精调节件驱动平动板移动时，所述精调节件抵靠在所述固定片上；所述定位销为两个，所述定位销在精调节件驱动平动板移动时，与平动板接触并驱动平动板水平移动。

9.根据权利要求1所述的四自由度微调机构，其特征在于，所述动平台和平动板之间通过台阶螺栓进行连接，所述台阶螺栓与动平台上的螺栓孔的内壁之间预留有运动间隙，所述台阶螺栓与平动板的连接处设置有受力时会产生变形的蝶形垫片。

10.根据权利要求1所述的四自由度微调机构，其特征在于，所述倾斜调节件包括两个螺纹套件，调节螺纹套件的轴向运动，可带动动平台围绕所述球状体旋转。

11.根据权利要求1所述的四自由度微调机构，其特征在于，所述动平台上设置有固定销安装位，所述球状体通过固定销安装在所述固定销安装位上。

12.根据权利要求11所述的四自由度微调机构，其特征在于，所述底座上设置有沉孔，所述沉孔内安装有光学叉丝板支撑座，所述光学叉丝板支撑座上设置有光学十字叉丝硅片。