專利名稱：高精度的Z－θ平臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利涉及一高精度的z-θ平臺(tái)。該平臺(tái)具有一水平的平移軸線(z-軸線)和一與水平的平移軸線平行的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(θ-軸線)。
背景技術(shù)：
平臺(tái)特殊地設(shè)計(jì)用于制造移植在人體內(nèi)的可展開(kāi)的展幅器或其它圓柱形的激光加工的部件。展幅器由諸如不銹鋼、鎳鈦锘(nitanol)或塑料之類的管狀的給料制造，并設(shè)置有復(fù)雜的圓周圖形。用管狀給料加工圖形的過(guò)程包括激光加工，其中，一由CNC控制器控制的z-θ平臺(tái)將給料呈現(xiàn)給一激光束，以便切下管狀給料的部分?？蓞⒁?jiàn)美國(guó)專利6,511,504，其題為“可展開(kāi)的展幅器及其制造方法”，該專利描述了一展幅器的制造過(guò)程。

發(fā)明內(nèi)容
簡(jiǎn)要地說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明，一高精度的z-θ平臺(tái)具有一水平的平移軸線(z-軸線)和一與水平的平移軸線平行的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(θ-軸線)。該z-θ平臺(tái)包括一底板，該底板具有位于一平面內(nèi)的多個(gè)上表面，平行地間隔開(kāi)的線性平移平臺(tái)各具有平行的線性軸承，而軸承表面安裝在離底板的平表面基本上相等的距離處。各個(gè)線性平移平臺(tái)具有無(wú)刷的線性電機(jī)。一機(jī)架通過(guò)線性軸承支承在平行的平移平臺(tái)之間。一轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)容納在機(jī)架內(nèi)，介于平行的平移平臺(tái)之間，該轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)包括一無(wú)刷的轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)具有一軸頸支承的軸，其軸線平行于線性軸承。機(jī)架和轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)具有一垂直的和一水平的重心。通過(guò)施加位于一與機(jī)架的垂直重心相交的水平平面內(nèi)的平移力，使各個(gè)無(wú)刷線性電機(jī)連接到機(jī)架上。
一線性定位的反饋裝置包括一回轉(zhuǎn)器、一激光干涉計(jì)，或一編碼器，該線性定位的反饋裝置可與一個(gè)或兩個(gè)無(wú)刷線性電機(jī)相連。一包括一回轉(zhuǎn)器或編碼器的轉(zhuǎn)動(dòng)反饋裝置可與無(wú)刷轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)相連。
高精度的z-θ平臺(tái)可具有一附連到轉(zhuǎn)子上的流體致動(dòng)的夾持工件的卡盤或夾頭。
轉(zhuǎn)子較佳地呈中空以允許一圓柱形的工件和/或一流體冷卻的外套能通過(guò)其中前進(jìn)或定位在其中。
最為較佳地是，一輔助的加工平臺(tái)是底部的部分且布置成支承支架導(dǎo)向、夾持和沿轉(zhuǎn)子的軸線饋送工件。
根據(jù)一替代的實(shí)施例，高精度的平移平臺(tái)支承兩個(gè)彼此面向的相同的機(jī)架，各機(jī)架承載一相同的轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)。
根據(jù)另一替代實(shí)施例，高精度的z-θ平臺(tái)具有一支承兩個(gè)或多個(gè)相同轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的機(jī)架。
較佳地，機(jī)架和轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的水平重心位于各個(gè)線性電機(jī)之間的中途。
較佳地，各個(gè)線性平臺(tái)包含一線性運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向、交叉滾輪，或空氣軸承。
較佳地，各個(gè)線性電機(jī)在沿線性平移的方向間隔開(kāi)的多個(gè)位置處連接到機(jī)架。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明從下面參照附圖所作的詳細(xì)描述中，將會(huì)明白進(jìn)一步的特征和其它的目的和優(yōu)點(diǎn)，在諸附圖中

圖1是具有一單一轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的根據(jù)本發(fā)明的一z-θ平臺(tái)的立體圖；圖2是具有一雙轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的根據(jù)本發(fā)明的一z-θ平臺(tái)的立體圖；圖3是具有兩個(gè)直線安裝的轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的根據(jù)本發(fā)明的一z-θ平臺(tái)的立體圖；圖4是圖1的z-θ平臺(tái)的平面圖；圖5是沿圖4的線A-A的截面圖，它垂直于θ軸線截取；圖6是沿圖5的線B-B的截面圖，它垂直于θ軸線截取；圖7是圖1的z-θ平臺(tái)的平面圖，其中已移去機(jī)架。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1，圖中示出一適用于制造諸如展幅器之類的精密零件的z-θ平臺(tái)。該平臺(tái)包括一底板10，其設(shè)置有接納螺栓的開(kāi)口11，以便將平臺(tái)固定到一底座上，底座通常是一大塊的花崗巖、鑄鐵或焊接的結(jié)構(gòu)。底板10由金屬、鋼或鋁制造。安裝在底板上的是兩個(gè)平行的線性電機(jī)12和13。安裝在線性電機(jī)之間并被它們承載的是一機(jī)架14，該機(jī)架支承一轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，該電機(jī)具有一平行于線性電機(jī)的平移軸線的軸線。較佳地，z-軸線是水平的或基本上水平的。線性電機(jī)形成z-軸線，而轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)形成z-θ平臺(tái)的θ-軸線。本發(fā)明的一重要特征在于，線性電機(jī)連接到機(jī)架，以對(duì)沿著一平面的表面朝向的機(jī)架施加平移力，該平面包括機(jī)架的垂直的重心或在機(jī)械上盡可能靠近地通過(guò)垂直的重心。以此方式，基本上消除了在一平移運(yùn)動(dòng)之后在一擺動(dòng)的周期期間內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線和z-軸線平面之間的角位移。具體來(lái)說(shuō)，施加平移力所沿著的平面通過(guò)機(jī)架垂直重心的1mm范圍之內(nèi)。轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線可略微懸置在施加平移力的平面的下方。
圖2示出圖1所示的z-θ平臺(tái)的一變體，其中，雙θ平臺(tái)(轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)15A和15B)并排地布置并具有平行的軸線。利用該結(jié)構(gòu)可同時(shí)處理兩個(gè)工件。在圖2中，相同的元件給予與圖1給出的元件相同的標(biāo)號(hào)。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的z-θ平臺(tái)的另一變體，其中，兩個(gè)z-θ平臺(tái)對(duì)齊在相同的底板上。在圖3中，相同的元件給予與圖1給出的元件相同的標(biāo)號(hào)，且復(fù)制的相同元件給予帶有上標(biāo)的相同標(biāo)號(hào)。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于，移動(dòng)零件在平臺(tái)上沿相對(duì)方向移動(dòng)。因此，可平衡掉在加速過(guò)程中產(chǎn)生的力，將傳遞到結(jié)構(gòu)的力減到最小，導(dǎo)致顯著地減少設(shè)定的時(shí)間。
線性電機(jī)12和13較佳地是恒磁線性電機(jī)，例如，由一非接觸沖頭線圈24和一U形槽的稀土磁體軌道22組成的直接驅(qū)動(dòng)的無(wú)刷線性電機(jī)。該設(shè)計(jì)消除了后座、扭振、磨損，以及與球螺桿相關(guān)的維護(hù)保養(yǎng)。該類型的電機(jī)可從美國(guó)賓夕法尼亞州Pittsburgh的Aerotech，Inc.購(gòu)得。
轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)15較佳地是一轉(zhuǎn)動(dòng)的無(wú)刷稀土磁體伺服電機(jī)。它形成直接驅(qū)動(dòng)的θ平臺(tái)的基礎(chǔ)。較佳地，轉(zhuǎn)動(dòng)軸具有一軸向孔并設(shè)置有一空氣操作的夾頭的卡盤。該類型的電機(jī)可從美國(guó)賓夕法尼亞州Pittsburgh的Aerotech，Inc.購(gòu)得。
現(xiàn)參照?qǐng)D4，線性電機(jī)12、13顯示為間隔開(kāi)、平行和定位在底板10上。與電機(jī)相連的是線性電機(jī)導(dǎo)向或軸承，它們例如可具有交叉的滾輪軸承或空氣軸承。轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)15在其自身和線性電機(jī)之間間隔開(kāi)一等距離，并使一轉(zhuǎn)動(dòng)軸線平行于線性電機(jī)。
參照?qǐng)D5，線性電機(jī)由一線性立柱20組成，該立柱用螺栓16栓定在底板10上。線性立柱支承線性軸承的軌道21和U形磁體軌道22。磁體軌道22是一由磁鋼制造的U形槽。它支承稀土恒磁體(未示出)，該磁體布置有交替的北極和南極，它們沿著磁體軌道的長(zhǎng)度在沖頭線圈24處面向內(nèi)。沖頭線圈包括非磁性材料，這樣，不被磁體軌道22所吸引。軸承軌道23騎跨在線性軸承的軌道21上并支承機(jī)架14。沖頭線圈24也固定到機(jī)架14上。如圖5和7所示，位于右側(cè)上的線性電機(jī)具有一與其相連的限位開(kāi)關(guān)25，而位于左側(cè)上的線性電機(jī)具有一編碼器讀取頭26和與其相連的編碼器標(biāo)尺27。如圖5所示，線性電機(jī)對(duì)機(jī)架施加平移力，其中，沖頭附連到機(jī)架上(見(jiàn)圖5中的箭頭A)。
附連到機(jī)架14上并在線性電機(jī)12、13上滑動(dòng)的是一柔性的滑動(dòng)蓋17。該蓋17在滾輪18上滑動(dòng)(見(jiàn)圖6)，滾輪18在線性電機(jī)的每一端處向下導(dǎo)向。
參照?qǐng)D6，現(xiàn)將描述由機(jī)架14承載的轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)15。軸承28和29從與機(jī)架14一體形成的電樞殼35支承轉(zhuǎn)動(dòng)軸30。電樞線圈34以通常的方式固定在電樞殼35上。線圈可以由層疊磁性芯支承，磁性芯具有多個(gè)槽以便接納線圈，或線圈可不由帶槽的芯支承(即，無(wú)槽)。恒磁體33可以通常的方式固定到軸30的外圓柱形表面上。轉(zhuǎn)動(dòng)的編碼器標(biāo)尺43安裝在軸上。轉(zhuǎn)動(dòng)的編碼器讀取頭44附連到電樞殼35。
根據(jù)一特別有利的實(shí)施例，電樞線圈是無(wú)槽的，且軸由鋁或其它重量輕的金屬制成。盡管扭矩/慣量比在此實(shí)施例中較低，但由于無(wú)槽線圈而沒(méi)有榫接導(dǎo)致對(duì)展幅器的制造有極好的θ平臺(tái)。
軸具有一從端到端延伸的孔31。在一特別有利的實(shí)施例中，嵌套在孔31內(nèi)的是一用來(lái)冷卻軸的水套組件32和一夾持在軸內(nèi)的工件。
軸30的孔31在一端處階梯地加寬以形成兩個(gè)圓柱形的座，一個(gè)直徑大于另一個(gè)直徑。一錐形的夾頭卡盤36固定在直徑較小的圓柱形座內(nèi)。一活塞37騎跨在較大直徑的座內(nèi)并可在錐形的夾頭卡盤36上伸縮?；钊?7由彈簧38偏置朝向錐形的夾頭卡盤。旋入到活塞上的是一環(huán)形螺紋的保持帽39，其具有一錐形的內(nèi)輪緣。夾頭40定位成在錐形的夾頭卡盤36內(nèi)滑動(dòng)并通過(guò)保持帽39的錐形內(nèi)輪緣固定就位。根據(jù)一優(yōu)選的實(shí)施例，ER-16系列的夾頭40可提供從0.05mm至10mm的多種規(guī)格。一環(huán)形的集管41固定在電樞殼35。一活塞腔形成在集管41、活塞37和較大直徑座之間。密封45、46、47分別設(shè)置在活塞和大的直徑座之間，軸和集管之間，以及集管和活塞之間。一通道(未示出)與活塞腔連通，而一配件設(shè)置在集管41外面，以便將壓縮空氣供應(yīng)到活塞腔而強(qiáng)制夾頭上的活塞將夾頭擰緊到一工件(未示出)上。在此實(shí)施例中，氣壓使夾頭接合工件；然而，活塞可布置成使氣壓釋放夾頭。
底板10具有至少一個(gè)輔助加工平臺(tái)50、50’(見(jiàn)圖7)，其布置成支承沿轉(zhuǎn)子軸線導(dǎo)向、夾持和饋送工件的支架。
線性電機(jī)和轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)具有相關(guān)的位置反饋裝置。在本文所述的特殊實(shí)施例中，位置反饋由編碼器供應(yīng)。然而，其它的位置反饋裝置包括回轉(zhuǎn)器和激光干涉計(jì)。
增量編碼器通常用作為測(cè)量傳感器。光學(xué)的增量編碼器在一附連到待測(cè)量軸線的光柵處從一燈泡或發(fā)光二極管中透過(guò)光線。光柵通常具有相對(duì)于彼此偏離90度的兩個(gè)軌道(轉(zhuǎn)象差)。一第三軌道上的簡(jiǎn)單標(biāo)記用作為一復(fù)位標(biāo)記(在轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器的情形中，每圈一個(gè)的標(biāo)記)。從光柵反射的光繼續(xù)透過(guò)一十字線或罩，該罩連同光柵一起用作一關(guān)閉器。落入在探測(cè)器上的關(guān)閉的光線導(dǎo)致產(chǎn)生電信號(hào)。這些信號(hào)被放大并作為兩個(gè)求積的放大的正弦波或方波輸出，并在兩個(gè)分開(kāi)的通道上作為信號(hào)SIN和COS輸出。采用簡(jiǎn)單的增量編碼器，通過(guò)計(jì)數(shù)兩個(gè)通道的零交叉(正弦的)或邊緣(方波)，測(cè)量位置。如需要更大精度，則將放大的正弦信號(hào)(SIN和COS)送到一編碼器放大器，那里，中間位置在間隔開(kāi)的時(shí)間間隔處分解。
一編碼器放大器使用SIN和COS信號(hào)在一個(gè)光柵周期(劃線)內(nèi)分解許多位置。例如，相對(duì)于簡(jiǎn)單增量編碼器的四個(gè)相比，該放大器能在一個(gè)光柵周期內(nèi)產(chǎn)生高達(dá)65,000轉(zhuǎn)換。例如，參見(jiàn)題為“標(biāo)定的編碼器放大器”的美國(guó)專利No.6,356,219。從增量編碼器中得到的反饋可用來(lái)控制施加到線圈的每一相的電流以精確地定位平臺(tái)。
由此，詳細(xì)地定義了我們的發(fā)明并特別需要有專利法的保護(hù)，需要由專利證書保護(hù)的內(nèi)容已闡述在附后的權(quán)利要求書內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一高精度的z-θ平臺(tái)，具有一水平的平移軸線(z-軸線)和一與平移軸線平行的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(θ-軸線)，該z-θ平臺(tái)包括一底板，該底板具有位于一平面內(nèi)的多個(gè)上表面；平行地間隔開(kāi)的線性平移平臺(tái)，各具有平行的線性軸承，而軸承表面安裝在離底板的平表面基本上相等的距離處，各個(gè)線性平移平臺(tái)具有一無(wú)刷的線性電機(jī)；一機(jī)架，通過(guò)線性軸承支承在平行的平移平臺(tái)之間；以及一轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)，由機(jī)架承載在平行的平移平臺(tái)之間，所述轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)包括一無(wú)刷的轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)具有一軸頸支承的軸，其軸線平行于線性軸承，機(jī)架和轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)具有一垂直的和一水平的重心，各個(gè)無(wú)刷線性電機(jī)連接到機(jī)架上，以在一與所述垂直重心相交的水平平面內(nèi)施加平移力。
2.如權(quán)利要求1所述的高精度的z-θ平臺(tái)，其特征在于，一線性定位的反饋裝置與一個(gè)無(wú)刷線性電機(jī)相連。
3.如權(quán)利要求1所述的高精度的z-θ平臺(tái)，其特征在于，一線性定位的反饋裝置與各個(gè)無(wú)刷線性電機(jī)相連。
4.如權(quán)利要求1至3之一所述的高精度的z-θ平臺(tái)，其特征在于，一轉(zhuǎn)動(dòng)的反饋裝置與無(wú)刷轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)相連。
5.如權(quán)利要求1至3之一所述的高精度的z-θ平臺(tái)，其特征在于，具有一附連到轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的軸上的流體致動(dòng)的夾持工件的卡盤或夾頭。
6.如權(quán)利要求1至3之一所述的高精度的z-θ平臺(tái)，其特征在于，轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的軸呈中空，以允許一圓柱形的工件和/或一流體冷卻的外套定位在其中。
7.如權(quán)利要求1至3之一所述的高精度的z-θ平臺(tái)，其特征在于，還包括一用于固定支架的輔助的加工平臺(tái)，以便沿轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的軸的軸線導(dǎo)向和饋送工件，并與其軸向地間隔開(kāi)。
8.如權(quán)利要求1所述的高精度的z-θ平臺(tái)，其特征在于，平行的平移平臺(tái)支承兩個(gè)彼此面向的相同的機(jī)架，各機(jī)架承載一相同的轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)。
9.如權(quán)利要求1所述的高精度的z-θ平臺(tái)，其特征在于，機(jī)架支承至少兩個(gè)相同的轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)。
10.如權(quán)利要求1所述的高精度的z-θ平臺(tái)，其特征在于，機(jī)架和轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的水平重心位于各個(gè)線性電機(jī)之間的中途。
12.如權(quán)利要求1所述的高精度的z-θ平臺(tái)，其特征在于，各個(gè)線性平臺(tái)包含一線性運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向、交叉滾輪軸承，或空氣軸承。
13.如權(quán)利要求1所述的高精度的z-θ平臺(tái)，其特征在于，各個(gè)線性電機(jī)在沿線性平移的方向間隔開(kāi)的多個(gè)位置處連接到機(jī)架。
全文摘要
一高精度的z－θ平臺(tái)具有一水平的平移軸線(z－軸線)和一與平移軸線平行的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(θ－軸線)，該z－θ平臺(tái)包括平行地間隔開(kāi)的線性平移平臺(tái)(12、13)，一機(jī)架(14)支承在平行平移的平臺(tái)之間，以及一轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)(15)被機(jī)架支承在平行的平移平臺(tái)之間。各無(wú)刷的線性電機(jī)連接到機(jī)架上，以在一與機(jī)架的垂直重心相交的水平平面內(nèi)施加平移力。
文檔編號(hào)B23Q1/26GK1943095SQ200480042836
公開(kāi)日2007年4月4日 申請(qǐng)日期2004年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月23日
發(fā)明者S·J·博托斯, B·P·歐康納爾 申請(qǐng)人:航空科技股份有限公司