CN108362257B - 一种微球旋转夹持装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微球旋转夹持装置，主要解决现有原子力显微镜测量范围小，满足不了微球的全表面测量的技术问题。本发明技术方案为：一种微球旋转夹持装置，由X轴旋转夹持端、Y轴旋转夹持端、X向微移动平台及Y向微移动平台组成；所述的X轴旋转夹持端与Y轴旋转夹持端分别通过螺钉固定于Y向微移动平台、X向微移动平台。本发明可以实现微球的夹持，并可以将微球按一定的规律旋转一定的角度进行测量，以扩大原子力显微镜在微球表面的测量范围。

Description

一种微球旋转夹持装置
技术领域
本发明涉及微球检测领域，具体涉及一种微球旋转夹持装置。
背景技术
直径数十微米至数毫米的微球广泛用于精密机械、医疗诊断、微机电系统和核聚变科学研究等领域。在精密机械领域，作为精密运动的核心零件，微型滚珠以及球形轴尖有着广泛的应用，其表面质量对运动机构的精度和寿命有着重要的作用；在医疗领域，微球的表面形貌及其浓度与蛋白-微球结合度、检测灵敏度密切相关；在微机电系统中，微纳米测量机的测头作为被测工件几何特征信息的传感器，要求其探球直径在数十至数百微米内，且球度要求控制在数十纳米量级甚至更高；在核聚变科学研究领域，作为热核反应容器的微球称为靶丸，其表面质量决定了激光核聚变打靶实验的成败。因此，对微球表面质量的检测与评价，一直是人们研究的重点。
原子力显微镜可以实现实时测量，具有测量精度高、环境适应性好等优点，因此多采用原子力显微镜对微球表面形貌进行局部检测。由于原子力显微镜测量范围小，满足不了微球的全表面测量。因此需要一种微球旋转夹持装置，将微球按一定的规律旋转一定的角度进行测量，以扩大原子力显微镜在微球表面的测量范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微球旋转夹持装置，主要解决现有原子力显微镜测量范围小，满足不了微球的全表面测量的技术问题。
本发明的技术方案为：一种微球旋转夹持装置，由X轴旋转夹持端、Y轴旋转夹持端、X向微移动平台及Y向微移动平台组成，所述的X轴旋转夹持端与Y轴旋转夹持端分别通过螺钉固定于Y向微移动平台、X向微移动平台。
进一步地，所述的X轴旋转夹持端或Y轴旋转夹持端包括：基座和通过螺钉固定在基座上的外壳，在基座中心设有主轴，主轴穿过外壳且内部中空，主轴左端设有内螺纹和外螺纹，通过内螺纹与中心回转气压接头连接，通过外螺纹与锁紧螺母连接；所述的锁紧螺母通过止推板将止推密珠轴承与轴套压在基座上；所述止推密珠轴承设有滚珠保持架，滚珠保持架上间隔安置有径向滚珠，所述的径向滚珠与主轴轴颈、轴套过盈配合，在主轴的右端外壳凹槽内安置有气浮轴承，气浮轴承一侧设有碳纤维导气管，碳纤维导气管穿过外壳由直通快速气压接头固定，气泵经直通快速气压接头、碳纤维导气管给气浮轴承供气；在基座内侧主轴上套接有振动体，所述的振动体，材料为弹簧钢；一侧通过螺钉与基座固定，边缘处通过环氧树脂黏结环型PZT压电陶瓷，另一侧边缘处布满齿槽与转动体通过摩擦片贴合；所述转动体套接在主轴上，材料为铍青铜，其上固定有摩擦片，通过螺钉与主轴固定在一起；转动体上安装有圆光栅尺传感器，所述圆光栅尺传感器由相连的圆光栅尺和光栅尺读数头构成。
进一步地，所述的Y轴旋转夹持端与X轴旋转夹持端结构相同且垂直分布。
进一步地，所述的X向微移动平台与Y向微移动平台结构相同，采用传统的压电元件式微位移结构。
本发明具有如下优点：
1.利用真空吸附夹持，根据微球不同材料对应的表面强度的不同，选择恰当的吸附力，避免机械夹持装置在夹持时容易损坏微球表面形貌。
2.旋转夹持端具有结构简单、重量轻、易于维修、旋转位置分辨率高等优点；相比传统电机驱动微球旋转，利用压电陶瓷的逆压电效应实现微球旋转，较容易实现微米级、亚微米级、纳米级的位移步进定位精度，且结构精简。
3.旋转夹持端可以实现断电自锁；在没有输入电压激励时，旋转夹持装置存在一个静态保持力矩，可以使微球保持断电前的检测位置。
4.对于旋转主轴设计应用密珠滚动轴承与气浮轴承的方案；主轴轴径、滚珠和轴套三者之间均过盈配合，以消除间隙提高轴系的回转精度与使用寿命。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明X轴旋转夹持端结构示意图。
图3为本发明微球测量过程示意图。
图中：1，X轴旋转夹持端；11，螺钉a，18，螺钉b，122，螺钉c；12，环型PZT压电陶瓷；13，振动体；14，直通快速气压接头；15，圆光栅尺；16，光栅尺读数头；17，碳纤维导气管；19，主轴；110，气浮轴承；111，转动体；112，外壳；113，基座；114，摩擦片；115，轴套；116，径向滚珠；117，滚珠保持架；118，止推密珠轴承；119，止推板；120，中心回转气压接头；121，锁紧螺母；2，Y向微移动平台；3，Y轴旋转夹持端；4，X向微移动平台；5，螺钉d；6，待测微球。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明进行详细说明。
参考图1至图3，本发明一种微球旋转夹持装置主要由X轴旋转夹持端1、Y轴旋转夹持端3、X向微移动平台4及Y向微移动平台2组成，所述的X轴旋转夹持端1与Y轴旋转夹持端3分别通过螺钉5固定于Y向微移动平台2、X向微移动平台4上。
所述的X轴旋转夹持端1与Y轴旋转夹持端3结构相同且垂直分布，基座113和通过螺钉a11固定在基座上的外壳112，在基座中心设有主轴19，主轴19穿过外壳112且内部中空，主轴19左端设有内螺纹和外螺纹，通过内螺纹与中心回转气压接头120连接，中心回转气压接头120与抽气泵连接，产生负压，通过主轴19内部中空通道吸附待测微球6。主轴19通过外螺纹与锁紧螺母121连接；所述的锁紧螺母121通过止推板119将止推密珠轴承118与轴套115压在基座113上，通过调节锁紧螺母121，调节轴向间隙并且可以使转动体111紧紧的压在振动体13上，提高输出力矩；所述止推密珠轴承118设有滚珠保持架117，滚珠保持架117上间隔安置有径向滚珠116，所述的径向滚珠116与主轴轴颈、轴套115过盈配合，消除主轴19在装配时产生的径向间隙；在主轴19的右端外壳凹槽内安置有气浮轴承110，气浮轴承110一侧设有碳纤维导气管17，碳纤维导气管17穿过外壳112由直通快速气压接头14固定，气泵经直通快速气压接头14、碳纤维导气管17给气浮轴承110供气；在基座113内侧主轴19上套接有振动体13，所述的振动体13，材料为弹簧钢；一侧通过螺钉c122与基座113固定，边缘处通过环氧树脂黏结环型PZT压电陶瓷12，利用压电陶瓷的逆压电效应产生微观机械振动，通过弹性性能较好的振动体13共振放大；另一侧边缘处布满齿槽与转动体111通过摩擦片114贴合，振动通过摩擦耦合变换成旋转运动；所述转动体111套接在主轴19上，材料为铍青铜，其上固定有摩擦片114，通过螺钉b18与主轴19固定在一起，进而转动体111带动主轴19回转；转动体111上安装有圆光栅尺传感器，所述圆光栅尺传感器由相连的圆光栅尺15和光栅尺读数头16构成，通过光栅尺读数头16，可以方便获取角度位置信息。
本发明一种微球旋转夹持装置，采用目前常用的微球表面形貌测量方案—“正交大圆法”，在笛卡儿坐标系下的测量过程如下。
X轴旋转夹持端1吸附待测微球6，旋转一周测量第一组（3条）轨迹线；Y轴旋转夹持端3吸附待测微球6，X向微移动平台4沿X轴正半轴移动，旋转一周测量第二组（3条）轨迹线；X向微移动平台4移回原位，X轴旋转夹持端1吸附待测微球6，Y向微移动平台2沿Y轴正半轴移动，X轴旋转夹持端4旋转90度，Y向微移动平台2移回原位，Y轴旋转夹持端3吸附待测微球6，X向微移动平台4沿X轴正半轴移动，Y轴旋转夹持端3旋转一周测量第三组（3条）轨迹线。

Claims (4)

1.一种微球旋转夹持装置，其特征在于，由X轴旋转夹持端、Y轴旋转夹持端、X向微移动平台及Y向微移动平台组成；所述的X轴旋转夹持端与Y轴旋转夹持端分别通过螺钉固定于Y向微移动平台、X向微移动平台；X轴旋转夹持端与Y轴旋转夹持端结构相同，且垂直分布；所述的X轴旋转夹持端或Y轴旋转夹持端包括：基座和通过螺钉固定在基座上的外壳，在基座中心设有主轴，主轴穿过外壳且内部中空，主轴左端设有内螺纹和外螺纹，通过内螺纹与中心回转气压接头连接，通过外螺纹与锁紧螺母连接；所述的锁紧螺母通过止推板将止推密珠轴承与轴套压在基座上；在主轴的右端外壳凹槽内安置有气浮轴承，气浮轴承一侧设有碳纤维导气管，碳纤维导气管穿过外壳由直通快速气压接头固定；在基座内侧主轴上套接有振动体，所述的振动体一侧通过螺钉与基座固定，边缘处通过环氧树脂黏结环型PZT压电陶瓷，另一侧边缘处布满齿槽与转动体通过摩擦片贴合；所述转动体套接在主轴上，转动体固定有摩擦片，摩擦片通过螺钉与主轴固定在一起；转动体上安装有圆光栅尺传感器；所述止推密珠轴承设有滚珠保持架，滚珠保持架上间隔安置有径向滚珠，所述的径向滚珠与主轴轴颈、轴套过盈配合；所述的X向微移动平台与Y向微移动平台结构相同，为压电元件式微位移结构。
2.根据权利要求1所述的一种微球旋转夹持装置，其特征在于，所述圆光栅尺传感器由相连的圆光栅尺和光栅尺读数头构成。
3.根据权利要求1所述的一种微球旋转夹持装置，其特征在于，所述的振动体为弹簧钢件。
4.根据权利要求1所述的一种微球旋转夹持装置，其特征在于，所述的转动体为铍青铜件。
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