獨(dú)立式五自由度超精密材料原位測(cè)試顯微觀測(cè)臺(tái)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種獨(dú)立式五自由度超精密材料原位測(cè)試顯微觀測(cè)臺(tái)，屬于精密科學(xué)顯微觀測(cè)儀器。該平臺(tái)由X、Y、Z軸精密移動(dòng)組件、X、Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件、X、Y、Z軸柔性鉸鏈?zhǔn)匠芨S組件、超景深觀測(cè)鏡頭組成。X、Y、Z軸精密移動(dòng)組件、X、Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件可分別對(duì)超景深鏡頭距觀測(cè)試件的X、Y、Z方向相對(duì)位置及相對(duì)角度進(jìn)行精密調(diào)整；X、Y、Z軸柔性鉸鏈?zhǔn)匠芨S組件可實(shí)現(xiàn)X、Y、Z方向相對(duì)于載荷下微震動(dòng)中試件的主動(dòng)跟隨,Y軸超精密跟隨組件還可輔助超精神鏡頭變焦。超景深鏡頭用于對(duì)試件圍觀表面形貌進(jìn)行超景深觀測(cè)。優(yōu)點(diǎn)在于：體積精巧、精密驅(qū)動(dòng)、跟隨效果好、集成性高，實(shí)用性強(qiáng)，既可以獨(dú)立使用又可以和其他設(shè)備組合使用。
【專利說明】獨(dú)立式五自由度超精密材料原位測(cè)試顯微觀測(cè)臺(tái)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及精密科學(xué)顯微觀測(cè)儀器，特別涉及一種集超景深顯微觀測(cè)、精密驅(qū)動(dòng)、主動(dòng)跟隨為一體的獨(dú)立式五自由度超精密材料原位測(cè)試顯微觀測(cè)臺(tái)?？舍槍?duì)在不同載荷狀態(tài)下的各類材料提供原位監(jiān)測(cè)，揭示材料在微納米尺度下的力學(xué)特性和損傷機(jī)理，對(duì)于新材料新工藝、精密光學(xué)、半導(dǎo)體技術(shù)、納米工程、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有極為重要的推動(dòng)作用。
【背景技術(shù)】
[0002]材料測(cè)試技術(shù)是材料科學(xué)與工程應(yīng)用的重要手段和方法。所有零部件在實(shí)際使用過程中都不可避免地承受著力或溫度的作用，在一定的使用條件和使用時(shí)間后，材料將發(fā)生變形、磨損、表面麻點(diǎn)等失效現(xiàn)象。顯微觀測(cè)是在失效分析中廣泛使用的技術(shù)，通過對(duì)材料試樣提供痕跡分析、裂紋分析和斷口分析，以獲取材料的基本性能和力學(xué)規(guī)律。
[0003]原位力學(xué)性能測(cè)試是指在微/納米尺度下對(duì)試件材料進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試的過程中，通過光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡以及原子力顯微鏡等儀器對(duì)各種載荷作用下材料及其制品發(fā)生的微觀變形、損傷進(jìn)行全程動(dòng)態(tài)在線監(jiān)測(cè)的一種力學(xué)測(cè)試手段。該技術(shù)從微觀層面揭示了各類材料及其制品的力學(xué)行為、損傷機(jī)理以及載荷的大小、種類與材料性能間的相關(guān)性規(guī)律。
[0004]目前的原位觀測(cè)設(shè)備尚存在一些不足之處:(1)目前的商用顯微鏡難以滿足大行程的鏡頭移動(dòng)能力，對(duì)原位觀測(cè)大型試件存在制約；(2)由于外界環(huán)境的影響，在一些載荷下的試件往往自身處于微震動(dòng)的狀態(tài)，目前的商用顯微鏡難以做到對(duì)試件的同步跟隨，以保證被觀測(cè)區(qū)域的穩(wěn)定成像；(3)掃面電子顯微鏡、原子力顯微鏡等的腔體空間十分有限，難以對(duì)處于宏觀尺度下的試件進(jìn)行原位觀測(cè)。
[0005]因此，設(shè)計(jì)一種具有五自由度大行程、可主動(dòng)跟隨、易于集成的超精密材料原位測(cè)試顯微觀測(cè)臺(tái)具有十分重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種獨(dú)立式五自由度超精密材料原位測(cè)試顯微觀測(cè)臺(tái)，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題。本發(fā)明能夠應(yīng)用于材料微觀形貌觀測(cè)中。通過五自由度精密驅(qū)動(dòng)組件實(shí)現(xiàn)對(duì)超景深鏡頭和被觀測(cè)試件間相對(duì)位置進(jìn)行五自由度精密調(diào)節(jié)；柔性鉸鏈?zhǔn)絏、Y、Z軸超精密跟隨組件可實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三方向相對(duì)于處于微震動(dòng)中觀測(cè)試件的超精密跟隨，使超景深鏡頭和被觀測(cè)試件保持相對(duì)靜止，χ、Y、ζ軸柔性鉸鏈?zhǔn)匠芨S組件可實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三方向相對(duì)于載荷下微震動(dòng)中試件的主動(dòng)跟隨，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同載荷下試件的原位觀測(cè)，軸超精密跟隨組件還可輔助超精神鏡頭變焦；通過超景深鏡頭觀測(cè)，可以得到試件的穩(wěn)定的微觀三維形貌圖像。本發(fā)明可獨(dú)立作為觀測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)試件微觀形貌進(jìn)行觀察；也可安裝于試驗(yàn)機(jī)及其他測(cè)試設(shè)備上，一體化主動(dòng)跟隨載荷下微振動(dòng)中的被測(cè)試件，對(duì)被測(cè)試件的微觀變形、損傷與斷裂過程進(jìn)行實(shí)時(shí)原位觀測(cè)；也可以安裝于機(jī)床上，對(duì)工作中的機(jī)床零部件試試跟隨，在線觀察及測(cè)試，可得到機(jī)床零部件在真實(shí)受力狀態(tài)下微觀三維形貌，為機(jī)床零部件的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。集成性高，實(shí)用性強(qiáng)，既可以獨(dú)立使用又可以和其他設(shè)備組合使用。
[0007]本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
獨(dú)立式五自由度超精密材料原位測(cè)試顯微觀測(cè)臺(tái),包括X軸移動(dòng)組件14、Y軸移動(dòng)組件12、Z軸移動(dòng)組件11、X軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件7、Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件6、X-Y-Z三軸跟隨組件、超景深鏡頭9 ；所述Y軸移動(dòng)組件12安裝于X軸移動(dòng)組件14之上，Z軸移動(dòng)組件11安裝于Y軸移動(dòng)組件12之上；跟隨組件底板I安裝于Z軸移動(dòng)組件11之上，X-Y-Z三軸跟隨組件的Y-Z軸跟隨組件2通過內(nèi)六角螺釘3安裝于跟隨組件底板I之上，X軸跟隨組件5通過跟隨組件連接板(4)與Y-Z軸跟隨組件2連接；Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件6安裝于X軸跟隨組件5之上，X軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件7安裝于Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件6之上；超景深觀測(cè)鏡頭9固定于超景深鏡頭固定塊10的孔中，超景深鏡頭固定塊10通過顯微鏡連接軸8與X軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件7連接。
[0008]所述的X軸移動(dòng)組件14提供精密的X軸方向位移，由伺服電機(jī)30提供動(dòng)力，經(jīng)過減速器29減速后，驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠20輸出直線位移，X軸移動(dòng)組件14通過兩側(cè)的雙滑塊的直線導(dǎo)軌18支撐導(dǎo)向，直線導(dǎo)軌18兩側(cè)分別裝有限位開關(guān)15，用于提示完成行程控制和限位保護(hù)；所述伺服電機(jī)30通過螺釘與減速器29連接，減速器29為行星齒輪減速器，減速比為33，精度為3分；減速器29通過螺釘固定于電機(jī)座28之上，電機(jī)座28固定在X軸底板25相應(yīng)的螺紋孔中；減速器29輸出軸通過聯(lián)軸器27與滾珠絲杠20的端部連接，滾珠絲杠20兩端分別通過EF絲杠座26與EK絲杠座19支撐，EF絲杠座26與EK絲杠座19分別固定在X軸底板25上；彈簧23套在滾珠絲杠20上，兩端分別與絲杠螺母22和EF絲杠座26通過螺釘連接，絲杠螺母22安裝于螺母座21孔中，通過螺釘緊固；直線導(dǎo)軌18上安裝有兩個(gè)滑塊24，以加大對(duì)上層工作臺(tái)的支撐力；直線導(dǎo)軌18通過螺釘緊固于X軸底板25之上；限位開關(guān)15安裝于限位開關(guān)座16上的螺紋孔內(nèi)，使用前后兩個(gè)螺母17將限位開關(guān)15固定在限位開關(guān)座16上，限位開關(guān)座16通過螺絲固定于X軸底板25上。
[0009]所述的伺服電機(jī)30帶有20位編碼器及保持制動(dòng)器，使電機(jī)能夠達(dá)到納米級(jí)的角位移分辨率，并且相對(duì)的移動(dòng)組件具有自鎖能力；z軸移動(dòng)組件11與Y軸移動(dòng)組件12之間的相對(duì)位移通過線位移式光柵尺13檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)Y軸位移的閉環(huán)控制；X、Z軸的位移檢測(cè)原理如前所述。
[0010]所述的Y軸移動(dòng)組件12、Z軸移動(dòng)組件11中的連接方式與X軸方向移動(dòng)組件14相同；所述Z軸移動(dòng)組件11中的Y-Z軸連接板31與Y軸移動(dòng)組件12通過螺釘緊固連接；Z軸底板34通過螺釘與Y-Z軸連接板31相互垂直連接，連接板32與三角板33分別連接在Z軸底板34與Y-Z軸連接板31兩端，起到連接和支撐兩板34，31的作用，并留出了 Z方向傳動(dòng)鏈布置的空間。
[0011]所述的X-Y-Z三軸跟隨組件由Y-Z軸跟隨組件2與X軸方向跟隨組件5組成，所述Y-Z軸方向跟隨組件2與X軸方向跟隨組件5通過L形跟隨組件連接板4連接，使得X向柔性鉸鏈42與Y-Z向柔性鉸鏈35相互垂直；結(jié)合安裝在被觀測(cè)試件附近的電容式位移傳感器可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，Y-Z軸方向跟隨組件2與X軸方向跟隨組件5 —起響應(yīng)可實(shí)現(xiàn)X-Y-Z三軸聯(lián)動(dòng)跟隨。
[0012]所述的Y-Z軸跟隨組件2由Y-Z向柔性鉸鏈35、楔形塊36、壓電陶瓷37組成，所述Y-Z向柔性鉸鏈35通過三個(gè)連接螺釘固定在跟隨組件底板I上；y-ζ向柔性鉸鏈35由兩個(gè)相互垂直的平行四連桿機(jī)構(gòu)組成，Y向平行四連桿機(jī)構(gòu)嵌套在Z向平行四連桿機(jī)構(gòu)之內(nèi)；通過壓電陶瓷37的壓電效應(yīng)提供驅(qū)動(dòng)力，Z向平行四連桿機(jī)構(gòu)由兩個(gè)連接桿部I 38與Y向平行四連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成；Υ向平行四連桿機(jī)構(gòu)由兩個(gè)連接桿部II 40與移動(dòng)部位I 39構(gòu)成；楔形塊36用于調(diào)整壓電陶瓷37與Y-Z向柔性鉸鏈35的間隙，同時(shí)可對(duì)壓電陶瓷37進(jìn)行預(yù)壓。
[0013]所述的X軸跟隨組件5中的X向柔性鉸鏈42通過兩個(gè)連接螺釘固定在跟隨組件連接板4上，驅(qū)動(dòng)原理如前所述，X向柔性鉸鏈42包括一個(gè)X向平行四連桿機(jī)構(gòu)，X向平行四連桿機(jī)構(gòu)由兩個(gè)連接桿部III 43與移動(dòng)部位II 41構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)X軸跟隨。
[0014]所述的X軸移動(dòng)組件14的螺母座21在運(yùn)動(dòng)過程中彈簧23始終處于拉伸狀態(tài)，輔以滾珠絲杠20的滾珠經(jīng)過零間隙預(yù)處理，使得絲杠螺母22在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中消除間隙，提高了X軸移動(dòng)組件14的精度；Y、Z軸的滾珠絲杠消隙方法如前所述。[0015]所述的Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件6的多功能連接板47通過螺釘與X軸跟隨組件5中的移動(dòng)部位II 41連接；轉(zhuǎn)動(dòng)組件由舵機(jī)46提供動(dòng)力,X軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件7與Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件6通過U形連接板45連接，輸出軸方向相互垂直；顯微鏡連接軸8安裝于X軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件7之上，顯微鏡連接軸8與超景深鏡頭固定塊10通過軸孔過盈連接,超景深鏡頭9與超景深鏡頭固定塊10通過軸孔固定連接。
[0016]所述的超景深鏡頭9安裝于五自由度運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的最上端，X、Y、Z軸移動(dòng)組件14，12，11各具有IOOmm的行程能力，位移精度為0.1 μ m，使超景深鏡頭9具有很大的移動(dòng)范圍；X、Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件7，6各具有180°角位移能力，轉(zhuǎn)角精度為0.18°，使超景深鏡頭9能夠?qū)Ρ粶y(cè)試件的不同角度進(jìn)行觀測(cè)；X、Y-Z軸跟隨組件5，2各具有行程為30 μ m、精度為IOnm的超精密微位移能力，使超景深鏡頭9受到外界環(huán)境震動(dòng)時(shí)，具有良好的跟隨響應(yīng)；同時(shí)Y-Z軸跟隨組件2可以為超景深鏡頭9提供輔助變焦；選用的超景深鏡頭9具有很寬的放大范圍，可更換100-1000倍變焦能力、250~2500倍變焦能力、500~5000倍變焦能力的鏡頭；超景深鏡頭9具有較大的景深能力，可得到微觀被觀測(cè)試件三維形貌圖像。
[0017]本發(fā)明的有益效果在于:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有體積精巧、精密驅(qū)動(dòng)、跟隨效果好、易于集成等優(yōu)點(diǎn)。通過五自由度精密驅(qū)動(dòng)組件實(shí)現(xiàn)對(duì)超景深鏡頭和被觀測(cè)試件間相對(duì)位置進(jìn)行五自由度精密調(diào)節(jié)，使得超景深鏡頭具有較大的觀測(cè)范圍；x-Y-z三軸跟隨組件可實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三方向相對(duì)于觀測(cè)試件的超精密跟隨，以得到相對(duì)微震動(dòng)中的試件的清晰微觀圖像；通過超景深鏡頭觀測(cè)，得到試件的穩(wěn)定的微觀三維形貌圖像。本發(fā)明可獨(dú)立作為觀測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)試件微觀形貌進(jìn)行觀察；也可安裝于試驗(yàn)機(jī)及其他測(cè)試設(shè)備上，一體化主動(dòng)跟隨載荷下微振動(dòng)中的被測(cè)試件，對(duì)被測(cè)試件的微觀變形、損傷與斷裂過程進(jìn)行實(shí)時(shí)原位觀測(cè)；也可以安裝于機(jī)床上，對(duì)工作中的機(jī)床零部件試試跟隨，在線觀察及測(cè)試，可得到機(jī)床零部件在真實(shí)受力狀態(tài)下微觀三維形貌，為機(jī)床零部件的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。集成性高，實(shí)用性強(qiáng)，既可以獨(dú)立使用又可以和其他設(shè)備組合使用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]此處所說明的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。[0019]圖1為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明的X軸移動(dòng)組件的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明的Y軸移動(dòng)組件的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明的Z軸移動(dòng)組件的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為本發(fā)明的Y-Z軸跟隨組件的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6為本發(fā)明的X軸跟隨組件的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖7為本發(fā)明的超景深鏡頭及X、Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖中:1、跟隨組件底板；2、Y-Z軸跟隨組件；3、內(nèi)六角螺釘；4、跟隨組件連接板；
5、X軸跟隨組件；6、Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件；7、X軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件；8、顯微鏡連接軸；9、超景深鏡頭；10、超景深鏡頭固定塊；11、Z軸移動(dòng)組件；12、Y軸移動(dòng)組件；13、線位移式光柵尺；14、X軸移動(dòng)組件；15、限位開關(guān)；16、限位開關(guān)座；17、螺母；18、直線導(dǎo)軌；19、EK絲杠座；20、滾珠絲杠；21、螺母座；22、絲杠螺母；23、彈簧；24、滑塊；25、X軸底板；26、EF絲杠座；27、聯(lián)軸器；28、電機(jī)座；29、減速器；30、伺服電機(jī)；31、Y-Z軸連接板；32、連接板；33、三角板；34、Ζ軸底板；35、Y-Z向柔性鉸鏈；36、楔形塊；37、壓電陶瓷；38、連接桿部I ;39、移動(dòng)部位I ;40、連接桿部II ;41、移動(dòng)部位II ;42、Χ向柔性鉸鏈；43、連接桿部III ;44、輸出輪；45、U形連接板；46、舵機(jī)；47、多功能連接板。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容及其【具體實(shí)施方式】。
[0022]參見圖1至圖7所示，本發(fā)明的獨(dú)立式五自由度超精密材料原位測(cè)試顯微觀測(cè)臺(tái)主要由X、Y、Z軸移動(dòng)組件14，12，11、Χ、Ζ軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件7，6、Χ、Υ-Ζ軸柔性鉸鏈?zhǔn)匠芨S組件5，2及超景深觀測(cè)鏡頭9組成。
[0023]所述Y軸移動(dòng)組件12安裝于X軸移動(dòng)組件14之上，Z軸移動(dòng)組件11安裝于Y軸移動(dòng)組件12之上；跟隨組件底板I安裝于Z軸移動(dòng)組件11之上，Y-Z軸跟隨組件2通過內(nèi)六角螺釘3安裝于跟隨組件底板I之上，X軸跟隨組件5通過跟隨組件連接板(4)與Y-Z軸跟隨組件2連接；Ζ軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件6安裝于X軸跟隨組件5之上，X軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件7安裝于Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件6之上；超景深觀測(cè)鏡頭9固定于超景深鏡頭固定塊10的孔中，超景深鏡頭固定塊10通過顯微鏡連接軸8與X軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件7連接。
[0024]所述的Χ、Υ、Ζ軸移動(dòng)組件14，12，11中配備的伺服電機(jī)帶有20位編碼器及保持制動(dòng)器，使電機(jī)能夠達(dá)到納米級(jí)的角位移分辨率，并且相對(duì)的移動(dòng)組件具有自鎖能力。檢測(cè)線位移式光柵尺13用于檢測(cè)Z軸移動(dòng)組件11與Y軸移動(dòng)組件12之間相對(duì)位移，以實(shí)現(xiàn)對(duì)Y軸位移的閉環(huán)控制。X、Z軸的位移檢測(cè)原理如前所述。
[0025]參見圖2所示，所述的X軸移動(dòng)組件14可以提供精密的X軸方向位移，由伺服電機(jī)30提供動(dòng)力，經(jīng)過減速器29減速后，驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠20輸出直線位移，X軸方向精密移動(dòng)組件14依靠?jī)蓚?cè)的雙滑塊導(dǎo)軌18支撐導(dǎo)向，直線導(dǎo)軌18兩側(cè)分別裝有限位開關(guān)15，用于提示完成行程控制和限位保護(hù)。所述的伺服電機(jī)30通過螺釘與減速器29連接，減速器29為行星齒輪減速器，減速比為33，精度為3分；減速器29通過螺釘固定于電機(jī)座28之上，電機(jī)座28固定在X軸底板25相應(yīng)的螺紋孔中；減速器29輸出軸通過聯(lián)軸器27與滾珠絲杠20的端部連接，滾珠絲杠20兩端分別通過EF絲杠座26與EK絲杠座19支撐，EF絲杠座26與EK絲杠座19固定在X軸底板25上；彈簧23套在滾珠絲杠20上，兩端分別與絲杠螺母22和EF絲杠座26通過螺釘連接，絲杠螺母22安裝于螺母座21孔中，通過螺釘緊固；直線導(dǎo)軌18上安裝有兩個(gè)滑塊24，以加大對(duì)上層工作臺(tái)的支撐力；直線導(dǎo)軌18通過螺釘緊固于X軸底板25之上；限位開關(guān)15安裝于限位開關(guān)座16上的螺紋孔內(nèi)，使用前后兩個(gè)螺母17將限位開關(guān)15固定在限位開關(guān)座16上，限位開關(guān)座16通過螺絲固定于X軸底板25上。
[0026]所述的X軸移動(dòng)組件14的螺母座21在運(yùn)動(dòng)過程中彈簧23始終處于拉伸狀態(tài)，輔以滾珠絲杠20的滾珠經(jīng)過零間隙預(yù)處理，使得絲杠螺母22在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中消除間隙，提高了X軸移動(dòng)組件14的精度。Y、Z軸的滾珠絲杠消隙方法如前所述。
[0027]參見圖3及圖4所示，所述的Y軸移動(dòng)組件12、Z軸移動(dòng)組件11中的連接方式與X軸方向移動(dòng)組件14相似。所述的Z軸移動(dòng)組件11中的Y-Z軸連接板31與Y軸移動(dòng)組件12通過螺釘緊固連接；Z軸底板34通過螺釘與Y-Z軸連接板31相互垂直連接，連接板32與三角板33分別連接在Z軸底板34與Y-Z軸連接板31兩端，起到連接和支撐兩板34，31的作用，并留出了 Z方向傳動(dòng)鏈布置的空間。
[0028]參見圖5及6所示，所述的X-Y-Z三軸跟隨組件由Y-Z軸跟隨組件2與X軸方向跟隨組件5組成。所述的Y-Z軸方向跟隨組件2與X軸方向跟隨組件5通過L形跟隨組件連接板4連接，使得X向柔性鉸鏈42與Y-Z向柔性鉸鏈35相互垂直；Y-Z軸方向跟隨組件2與X軸方向跟隨組件5 —起響應(yīng)可實(shí)現(xiàn)X-Y-Z三軸聯(lián)動(dòng)跟隨。
[0029]所述的Y-Z軸跟隨組件2由Y-Z向柔性鉸鏈35、楔形塊36、壓電陶瓷37組成。所述的Y-Z向柔性鉸鏈35通過三個(gè)連接螺釘固定在跟隨組件底板I上；-ζ向柔性鉸鏈35由兩個(gè)相互垂直的平行四連桿機(jī)構(gòu)組成，Y向平行四連桿機(jī)構(gòu)嵌套在Z向平行四連桿機(jī)構(gòu)之內(nèi)；利用壓電陶瓷37的壓電效應(yīng)提供驅(qū)動(dòng)力，Z向平行四連桿機(jī)構(gòu)由兩個(gè)連接桿部I 38與Y向平行四連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成；Υ向平行四連桿機(jī)構(gòu)由兩個(gè)連接桿部II 40與移動(dòng)部位I 39構(gòu)成；楔形塊36用于調(diào)整壓電陶瓷37與Y-Z向柔性鉸鏈35的間隙，并同時(shí)可對(duì)壓電陶瓷37預(yù)壓處理。
[0030]所述的X軸跟隨組件5中的X向柔性鉸鏈42通過兩個(gè)連接螺釘固定在跟隨組件連接板4上，驅(qū)動(dòng)原理如前所述，X向柔性鉸鏈42包括一個(gè)X向平行四連桿機(jī)構(gòu)，X向平行四連桿機(jī)構(gòu)由兩個(gè)連接桿部III 43與移動(dòng)部位II 41構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)X軸跟隨。
[0031]參見圖7所示，所述的Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件6的多功能連接板47通過螺釘與X軸跟隨組件5中的移動(dòng)部位II 41連接；轉(zhuǎn)動(dòng)組件由舵機(jī)46提供動(dòng)力，X軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件7與Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件6通過U形連接板45連接，輸出軸方向相互垂直；顯微鏡連接軸8安裝于X軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件7之上，顯微鏡連接軸8與超景深鏡頭固定塊10通過軸孔過盈連接，超景深鏡頭9與超景深鏡頭固定塊10通過軸孔固定連接。
[0032]所述的超景深鏡頭9安裝于五自由度運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的最上端，X、Y、Z軸移動(dòng)組件14，12，11各具有IOOmm的行 程能力，位移精度為0.1 μ m，使超景深鏡頭9具有很大的移動(dòng)范圍；X、Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件7，6各具有180°角位移能力，轉(zhuǎn)角精度為0.18°，使超景深鏡頭9能夠?qū)Ρ粶y(cè)試件的不同角度進(jìn)行觀測(cè)；X、Y、Z軸跟隨組件5，2各具有行程為30 μ m、精度為IOnm的超精密微位移能力，使超景深鏡頭9受到外界環(huán)境震動(dòng)時(shí)，具有良好的跟隨響應(yīng)；同時(shí)Y-Z軸跟隨組件2可以為超景深鏡頭9提供輔助變焦；選用的超景深鏡頭9具有很寬的放大范圍，可更換100-1000倍變焦能力、250~2500倍變焦能力、500~5000倍變焦能力的鏡頭；超景深鏡頭9具有較大的景深能力，可得到微觀被觀測(cè)試件三維形貌圖像。
[0033]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡對(duì)本發(fā)明所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi) 。
【權(quán)利要求】
1.一種獨(dú)立式五自由度超精密材料原位測(cè)試顯微觀測(cè)臺(tái)，其特征在于:包括X軸移動(dòng)組件(14)、Y軸移動(dòng)組件(12)、Z軸移動(dòng)組件(11)、X軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件(7)、Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件(6)、X-Y-Z三軸跟隨組件、超景深鏡頭(9);所述Y軸移動(dòng)組件(12)安裝于X軸移動(dòng)組件(14)之上，Z軸移動(dòng)組件(11)安裝于Y軸移動(dòng)組件(12)之上；跟隨組件底板(I)安裝于Z軸移動(dòng)組件(11)之上，X-Y-Z三軸跟隨組件的Y-Z軸跟隨組件(2)通過內(nèi)六角螺釘(3)安裝于跟隨組件底板(I)之上，X軸跟隨組件(5)通過跟隨組件連接板(4)與Y-Z軸跟隨組件(2)連接；Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件(6)安裝于X軸跟隨組件(5)之上，X軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件(7)安裝于Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件(6)之上；超景深觀測(cè)鏡頭(9)固定于超景深鏡頭固定塊(10)的孔中，超景深鏡頭固定塊(10)通過顯微鏡連接軸(8)與X軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件(7)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獨(dú)立式五自由度超精密材料原位測(cè)試顯微觀測(cè)臺(tái)，其特征在于:所述的X軸移動(dòng)組件(14)提供精密的X軸方向位移，由伺服電機(jī)(30)提供動(dòng)力，經(jīng)過減速器(29)減速后，驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠(20)輸出直線位移，X軸移動(dòng)組件(14)通過兩側(cè)的雙滑塊的直線導(dǎo)軌(18)支撐導(dǎo)向，直線導(dǎo)軌(18)兩側(cè)分別裝有限位開關(guān)(15)，用于提示完成行程控制和限位保護(hù)；所述伺服電機(jī)(30 )通過螺釘與減速器(29 )連接，減速器(29 )為行星齒輪減速器；減速器(29 )通過螺釘固定于電機(jī)座(28 )之上，電機(jī)座(28 )固定在X軸底板(25 )相應(yīng)的螺紋孔中；減速器(29)輸出軸通過聯(lián)軸器(27)與滾珠絲杠(20)的端部連接，滾珠絲杠(20)兩端分別通過EF絲杠座(26)與EK絲杠座(19)支撐，EF絲杠座(26)與EK絲杠座(19)分別固定在X軸底板(25)上；彈簧(23)套在滾珠絲杠(20)上，兩端分別與絲杠螺母(22)和EF絲杠座(26)通過螺釘連接，絲杠螺母(22)安裝于螺母座(21)孔中，通過螺釘緊固；直線導(dǎo)軌(18)上安裝有兩個(gè)滑塊(24)，以加大對(duì)上層工作臺(tái)的支撐力；直線導(dǎo)軌(18)通過螺釘緊固于X軸底板(25)之上；限位開關(guān)(15)安裝于限位開關(guān)座(16)上的螺紋孔內(nèi)，使用前后兩個(gè)螺母(17)將限位開關(guān)(15)固定在限位開關(guān)座(16)上，限位開關(guān)座(16)通過螺絲固定于X軸底板(25)上。`
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的獨(dú)立式五自由度超精密材料原位測(cè)試顯微觀測(cè)臺(tái)，其特征在于:所述的伺服電機(jī)(30)帶有20位編碼器及保持制動(dòng)器，使電機(jī)能夠達(dá)到納米級(jí)的角位移分辨率，并且相對(duì)的移動(dòng)組件具有自鎖能力；Z軸移動(dòng)組件(11)與Y軸移動(dòng)組件(12)之間的相對(duì)位移通過線位移式光柵尺(13)檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)Y軸位移的閉環(huán)控制；X、Z軸的位移檢測(cè)原理如前所述。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獨(dú)立式五自由度超精密材料原位測(cè)試顯微觀測(cè)臺(tái)，其特征在于:所述的Y軸移動(dòng)組件(12)、Z軸移動(dòng)組件(11)中的連接方式與X軸方向移動(dòng)組件(14)相同；所述Z軸移動(dòng)組件(11)中的Y-Z軸連接板(31)與Y軸移動(dòng)組件(12)通過螺釘緊固連接；Z軸底板(34)通過螺釘與Y-Z軸連接板(31)相互垂直連接，連接板(32)與三角板(33)分別連接在Z軸底板(34)與Y-Z軸連接板(31)兩端，起到連接和支撐兩板(34，31)的作用，并留出了 Z方向傳動(dòng)鏈布置的空間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獨(dú)立式五自由度超精密材料原位測(cè)試顯微觀測(cè)臺(tái)，其特征在于:所述的X-Y-Z三軸跟隨組件由Y-Z軸跟隨組件(2)與X軸方向跟隨組件(5)組成，所述Y-Z軸方向跟隨組件(2)與X軸方向跟隨組件(5)通過跟隨組件連接板(4)連接，使得X向柔性鉸鏈(42)與Y-Z向柔性鉸鏈(35)相互垂直；結(jié)合電容式位移傳感器可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，Y-Z軸方向跟隨組件(2)與X軸方向跟隨組件(5) —起響應(yīng)可實(shí)現(xiàn)X-Y-Z三軸聯(lián)動(dòng)跟隨。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的獨(dú)立式五自由度超精密材料原位測(cè)試顯微觀測(cè)臺(tái)，其特征在于:所述的Y-Z軸跟隨組件(2)由Y-Z向柔性鉸鏈(35)、楔形塊(36)、壓電陶瓷(37)組成，所述Y-Z向柔性鉸鏈(35)通過三個(gè)連接螺釘固定在跟隨組件底板(I)上；Y-Z向柔性鉸鏈(35)由兩個(gè)相互垂直的平行四連桿機(jī)構(gòu)組成，Y向平行四連桿機(jī)構(gòu)嵌套在Z向平行四連桿機(jī)構(gòu)之內(nèi)；通過壓電陶瓷(37)的壓電效應(yīng)提供驅(qū)動(dòng)力，Z向平行四連桿機(jī)構(gòu)由兩個(gè)連接桿部I (38)與Y向平行四連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成；Υ向平行四連桿機(jī)構(gòu)由兩個(gè)連接桿部II (40)與移動(dòng)部位I (39)構(gòu)成；楔形塊(36)用于調(diào)整壓電陶瓷(37)與Y-Z向柔性鉸鏈(35)的間隙，同時(shí)可對(duì)壓電陶瓷(37)進(jìn)行預(yù)壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的獨(dú)立式五自由度超精密材料原位測(cè)試顯微觀測(cè)臺(tái)，其特征在于:所述的X軸跟隨組件(5)中的X向柔性鉸鏈(42)通過兩個(gè)連接螺釘固定在跟隨組件連接板(4)上，X向柔性鉸鏈(42)包括一個(gè)X向平行四連桿機(jī)構(gòu)，X向平行四連桿機(jī)構(gòu)由兩個(gè)連接桿部111(43)與移動(dòng)部位II (41)構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)X軸跟隨。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獨(dú)立式五自由度超精密材料原位測(cè)試顯微觀測(cè)臺(tái)，其特征在于:所述的X軸移動(dòng)組件(14)的螺母座(21)在運(yùn)動(dòng)過程中彈簧(23)始終處于拉伸狀態(tài)，輔以滾珠絲杠(20)的滾珠經(jīng)過零間隙預(yù)處理，使得絲杠螺母(22)在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中消除間隙，提高了 X軸移動(dòng)組件(14)的精度；Y、Z軸的滾珠絲杠消隙方法如前所述。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獨(dú)立式五自由度超精密材料原位測(cè)試顯微觀測(cè)臺(tái)，其特征在于:所述的Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件(6)的多功能連接板(47)通過螺釘與X軸跟隨組件(5)中的移動(dòng)部位II (41)連接；轉(zhuǎn)動(dòng)組件由舵機(jī)(46)提供動(dòng)力，X軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件(7)與Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件(6)通過U形連接板(45)連接，輸出軸方向相互垂直；顯微鏡連接軸(8)安裝于X軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件(7 )之上，顯微鏡連接軸(8 )與超景深鏡頭固定塊(10 )通過軸孔過盈連接，超景深鏡頭(9 )與超景深鏡頭固定塊(10 )通過軸孔固定連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獨(dú)立式五自由度超精密材料原位測(cè)試顯微觀測(cè)臺(tái)，其特征在于:所述的超景深鏡頭(9)安裝于五自由度運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的最上端，X、Y、Z軸移動(dòng)組件(14、12、11)各具有IOOmm的行程能力，位移精度為0.1 μ m，Χ、Ζ軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件(7、6)各具有180°角位移能力，轉(zhuǎn)角精度為0.18°，使超景深鏡頭(9)能夠?qū)Ρ粶y(cè)試件的不同角度進(jìn)行觀測(cè)；Χ、Υ-Ζ軸跟隨組件(5、2)各具有行程為30 μ m、精度為IOnm的超精密微位移能力，使超景深鏡頭(9)受到外界環(huán)境震動(dòng)時(shí)，具有良好的跟隨響應(yīng)；同時(shí)Y-Z軸跟隨組件(2)可以為超景深鏡頭(9)提供輔助變焦；選用的超景深鏡頭(9)具有放大范圍，可更換100-1000倍變焦能力、250-2500倍變焦能力、500-5000倍變焦能力的鏡頭；超景深鏡頭(9)具有景深能力，可得到微觀被觀測(cè)試件三維形貌圖像。
【文檔編號(hào)】G01B11/24GK103499308SQ201310444240
【公開日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2013年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月26日
【發(fā)明者】趙宏偉, 任露泉, 高景, 董曉龍, 邵明坤, 張鵬, 程虹丙, 唐可洪, 范尊強(qiáng), 張志輝, 張富, 朱冰, 鄒青, 裴永茂, 董景石, 張啟勛, 朱玉祥, 李法新, 呼詠, 馬敬春 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)