CN204269071U - 一种薄型电动二维精密平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种薄型电动二维精密平台，包括上平台、下平台以及联接安装在两者之间且整体呈平板结构的中间连接件，其中中间连接件的上表面与上平台底座表面相互平行，并在两者之间保持间隙用于储存润滑介质；该上表面的两侧还分别设置有沿着X轴方向分布的导轨副，同时通过设置在外侧凹陷区域的X向电机和第一精密螺纹丝杆传动单元，使上平台沿着导轨副在X轴方向上移动。该中间连接件的下表面结构与上表面相类似。通过本实用新型，能够在显著减少平台整体厚度的情况下，在X轴和Y轴两个运动方向上实现高精度和较大量程的直线运动，同时具备结构紧凑、积累误差小、低速运动灵活平稳等特点。

Description

一种薄型电动二维精密平台

技术领域

本实用新型属于精密测量仪器配件技术领域，更具体地，涉及一种薄型电动二维精密平台，其尤其适用于譬如白光干涉仪之类的精密测量仪器。

背景技术

目前，随着纳米技术和表面测量技术的发展，表面形貌测量技术也向着精度更高、速度更快和稳定性更好的方向发展。其中非接触式测量法由于能够轻松地实现器件的零损伤测量，同时在测量精度上也获得了质的变化，因而在近年来正成为研究热点。例如，扫描白光干涉法是相对比较新的一种非接触式表面三维形貌测量方法，其基本工作原理为：由白光光源发出光，再经过凸透镜和反射镜之后照射在分光板，经过分光板分成两束光，其中一束白光照射在被测物体表面反射到分光板上形成测量光束，而另一束白光经过分光板照射到标准镜上，再反射到分光板上形成参考光束；最后参考光束和测量光束在分光板处相交并咋不同的时间产生干涉，出现干涉条纹，投射在CCD数字照相机上面。测量时，需要调整改变微位移平台的角度和位置，使得载物台上的被测物体位置发生改变从而光线发生变化，能够在某个位置满足干涉条件(即两束光的光程差为波长的整数倍)产生干涉条纹。

为了使得测量光束和参考光束在分光板不同时刻形成干涉条纹，一般采用两种方法：第一种方法是驱动参考平面(微位移平台)使得参考光束发生改变；第二种方法是驱动被测物体。微位移工作台是精密定位技术中的一个重要组成部分，不仅作为载物台，还可以提供纳米级分辨率的步进位移，因此在垂直定位计量技术、工作台粗精两级驱动控制技术及三维图像拼接技术，工作台发挥着重要的作用，并且其微位移精度很大程度上决定了测量精度。

现有技术中对微位移工作台的研究主要包括以下方案：天津大学王建林教授设计的三维纳米级微位移工作台，其利用层叠式压电陶瓷作为微位移驱动单元，x，y方向均采用柔性双平行丝杆结构实现运动导向，z轴方向采用柔性八杆堆成联动结构实现运动导向；上海交通大学的汪国宝基于微小设计的一体化思想，把平面多自由度的闭链五杆机构和易于实现尺寸小型化的柔性铰链结合在一起，提出了一种柔性铰链五杆机构，并将其用在微小型机器人的步行机构上；又如，日本的日立集团制作了一种XYθ三自由度微位移工作台，其主要应用于投影光刻机和电子束曝光机，由三个筒状压电晶体驱动，对压电晶体驱动便可以获得三个微动自由度；日本武藏野电气通讯研究所研发了一种用在x射线曝光机上的六个自由度的微动工作台，采用平行弹簧导轨－压电陶瓷微位移驱动；此外，HP公司、Yosemite和Burleigh公司利用不同的方法都制造出了两个或两个以上自由度的微位移系统。

然而，进一步的研究表明，上述现有的微位移工作台设备尤其在以白光干涉仪为典型代表的运用场合下，仍然存在着一些明显的不足或缺陷：1)传动环节过长；2)间隙的存在造成了累积误差；3)设计结构不紧凑，占据空间过大；4)结构及制造工艺复杂，成本高。以华中科技大学精密仪器研发中心研制的WIVS型白光干涉垂直扫描表面形貌测量仪为例，尽管其测量精度已达到纳米级，然而二维工作台的整体厚度就有120mm，其中工作台与下底座的间隙就有80mm等，因此在其结构尺寸设计等方面有必要作出许多改进。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或不足，本实用新型的目的在于提供一种薄型电动二维精密平台，其中通过对整体构造以及关键组件如中层连接块的结构及设置方式进行研究设计，相应能够在平台整体厚度仅为30mm左右的情况下，在X轴和Y轴两个运动方向上实现高精度和较大量程的直线运动，同时具备结构紧凑、积累误差小、低速运动灵活平稳等特点，因而尤其适用于白光干涉仪之类的精密测量运用场合。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种薄型电动二维精密平台，其特征在于，该平台包括上平台、下平台，以及联接安装在上下平台之间且整体呈平板结构的中间连接件，其中：

所述中间连接件的上表面与上平台的底座表面相互平行，并在两者之间保持间隙用于储存润滑介质；该上表面的两侧还分别设置有沿着X轴方向分布的导轨副，其中靠外的两条导轨通过螺钉与所述上平台的底座相固定，靠内的两条导轨则通过螺栓固定在所述中间连接件上；此外，该上表面的一侧还具有向内凹陷的区域，该区域内安装有X向电机，并经由第一螺纹丝杆传动单元带动上平台沿着导轨副在X轴方向上的移动；

所述中间连接件的下表面与下平台的底座表面相互平行，并在两者之间保持间隙用于储存润滑介质；该下表面的两侧还分别设置有沿着Y轴方向分布的导轨副，其中靠外的两条导轨通过螺钉与所述下平台的底座相固定，靠内的两条导轨则通过螺栓固定在所述中间连接件上；此外，该下表面的一侧还具有向内凹陷的区域，该区域内安装有Y向电机，并经由第二螺纹丝杆传动单元带动下平台沿着导轨副在Y轴方向上的移动。

作为进一步优选地，所述沿着X轴方向分布的导轨副和所述沿着Y轴方向分布的导轨副均采用交叉滚子导轨副。

作为进一步优选地，上述二维精密平台的整体厚度被设计为30mm～35mm。

通过本实用新型所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于在工作台的上下底座中间加入了一个中间连接件并对其特定结构和设置方式进行设计，可以将二维平台两个垂直方向上的运动分别置于该连接块上下表面的两个不同位置，该设计在保证精度的前提下尽可能地减小二维平台的尺寸尤其是厚度尺寸，在设计结构上不仅没有因空间缩小造成零部件间的干涉，同时消除了一些不必要的间隙，使平台结构紧凑，从而降低因结构间隙存在而造成的累积误差，且易于制造，成本较低。

附图说明

图1是按照本实用新型的薄型电动二维精密平台的立体结构示意图；

图2是对图1中所示结构旋转90度后所获得的立体示意图；

图3是按照本实用新型的中层连接块的结构示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-中间连接件  2-上平台的底座  3-下平台的底座  4-沿着Y轴方向分布的导轨副  5-沿着X轴方向分布的导轨副  6-螺纹丝杆螺母  7-滚花六角头圆螺母  8-滚花六角头圆螺母  9-转换块  10-电机盖  11-Y向电机  12-X向电机  13-螺纹丝杆螺杆  14-电线

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1和图2分别是按照本实用新型的薄型电动二维精密平台的立体结构示意图，图3则具体显示了其中作为关键组件的中间连接件的结构。下面将参照这些附图来进行具体解释说明。

如图所示的薄型电动二维精密平台主要包括上平台、下平台，以及联安装在上下两个平台之间且整体呈板状结构的中间连接件1；此外，还包括二维平面内互为垂直的X、Y双向进给装置等，其中X向进给装置可设置在Y向进给装置之上。

更具体而言，中间连接件1的上表面A与上平台的底座2表面相互平行，并在两者之间保持间隙用于储存润滑介质；该上表面的两侧也即图中所示的B和C两个位置，还分别设置有沿着X轴方向分布的导轨副5，其中靠外的两条导轨通过螺钉与所述上平台的底座2相固定，靠内的两条导轨则通过螺栓固定在所述中间连接件1上；此外，该上表面的一侧还具有向内凹陷的区域E，该区域E内安装有譬如为E21H4U电机的X向电机12，并经由可设置在区域D处的譬如第一精密螺纹丝杆传动单元带动上平台沿着导轨副5在X轴方向上的移动：其中E处的X向E21H4U电机12带动精密螺纹丝杆螺杆13做圆周运动，通过丝杆的螺旋副可以将螺纹丝杆螺杆13的圆周运动转化为螺纹丝杆螺母6的直线运动，由于丝杆螺母6通过转换块9与平台的上底座2相连接，如此X向E21H4U电机12就可以带动平台的上底座做X向的直线运动。电线14与电源连接，为X向E21H4U电机12提供动能。

本精密平台的下平台底座3可通过螺栓与测量仪器的载物台紧固在一起，而对于中间连接件1的下表面而言，其具备与上表面基本相类似的结构设计。具体而言，下表面与下平台的底座3表面相互平行，并在两者之间保持间隙用于储存润滑介质；该下表面的两侧以及B、C位置还分别设置有沿着Y轴方向分布的导轨副4，其中靠外的两条导轨通过螺钉与所述下平台的底座3相固定，靠内的两条导轨则通过螺栓固定在所述中间连接件1上；此外，该下表面的一侧还同样具有向内凹陷的区域E，该区域E内安装有Y向电机11，并经由可安装在区域D的譬如第二螺纹丝杆传动单元带动下平台沿着导轨副4在Y轴方向上的移动：不同的是由于上平台的底座3已经与仪器固接在一起，此时Y向电机11将会带动中层连接块1以及以上的所有机构沿Y向做直线运动。其传动以及连接方式与平台的上表面2相同，在此不再赘述。

通过以上构思，由X、Y两个运动方向的微进给结合两个方向上大行程直线位移运动，能够合成实现平台的上底座在XY二维平面内任意轨迹的进给运动；该二维平台仅使用了一个中间连接件即可将上下两个平台精密连接在一起，并使得整个平台的整个厚度仅为30mm-35mm，例如34mm。

此外，按照本实用新型的一个优选实施方式，优选采用的是交叉滚子导轨副，由此保证平台沿不同方向上的直线运动以及步进电机来提供动能。交叉滚子导轨滚动摩擦力小，稳定性高，同时有较高的精度，与以往二维平台使用的双轴芯滚轮直线导轨，单轴芯直线导轨相比，是一个很大的改进。通过将步进电机的型号选择为E21H4U，其能够瞬时启动和急速停止且精度误差不累积，同时尺寸可选择范围大，从二十几毫米到一百多毫米的不等。

本实用新型不仅能够实现沿XY两个方向上的直线运动，满足精密测量仪器对精度的要求，同时利用了同一个中层连接块将两个方向的运动集成在一个很小的空间内，在保证测量精度的前提下，该微位移平台结构紧凑，累积误差小，低速运动灵活且平稳，更适合光学测量过程中的微位移。该薄型电功二维平台结构简单，所用的零部件大多为标准件，易于制造和润滑，同时操作简单方便。本发明基于对机械结构设计的经验总结，并从实际测试表明该精密二维平台不仅可以应用于白光干涉仪，同样可以应用于精密测量领域对平台精度和尺寸有严格要求的仪器。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种薄型电动二维精密平台，其特征在于，该平台包括上平台、下平台，以及联接安装在上下平台之间且整体呈平板结构的中间连接件，其中：

所述中间连接件(1)的上表面与上平台的底座(2)表面相互平行，并在两者之间保持间隙用于储存润滑介质；该上表面的两侧还分别设置有沿着X轴方向分布的导轨副(5)，其中靠外的两条导轨通过螺钉与所述上平台的底座(2)相固定，靠内的两条导轨则通过螺栓固定在所述中间连接件(1)上；此外，该上表面的一侧还具有向内凹陷的区域，该区域内安装有X向电机(12)，并经由第一螺纹丝杆传动单元带动上平台沿着导轨副(5)在X轴方向上的移动；

所述中间连接件(2)的下表面与下平台的底座(3)表面相互平行，并在两者之间保持间隙用于储存润滑介质；该下表面的两侧还分别设置有沿着Y轴方向分布的导轨副(4)，其中靠外的两条导轨通过螺钉与所述下平台的底座(3)相固定，靠内的两条导轨则通过螺栓固定在所述中间连接件(1)上；此外，该下表面的一侧还具有向内凹陷的区域，该区域内安装有Y向电机(11)，并经由第二螺纹丝杆传动单元带动下平台沿着导轨副(4)在Y轴方向上的移动。

2.如权利要求1所述的薄型电动二维精密平台，其特征在于，所述沿着X轴方向分布的导轨副(5)和所述沿着Y轴方向分布的导轨副(4)均采用交叉滚子导轨副的形式。

3.如权利要求1或2所述的薄型电动二维精密平台，其特征在于，上述二维精密平台的整体厚度被设计为30mm～35mm。