專利名稱：一種組裝式二維微位移臺的制作方法
一種組裝式二維微位移臺技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于精密工程技術(shù)領(lǐng)域，特指一種組裝式二維位移臺，用于精密加工與測量。
背景技術(shù)：
高精度和高分辨率的精密位移裝置在現(xiàn)代尖端工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)占有極其重要的地位。它是直接影響精密、超精密加工水平和精密測量水平的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?，F(xiàn)有研究中的微位移臺多采用柔性鉸鏈或者滾珠絲杠加螺母副機構(gòu)導(dǎo)向。如德國PI公司的 P73-20平臺，采用壓電陶瓷致動器，柔性鉸鏈導(dǎo)向。韓國漢城大學(xué)的Heui jae Park等將壓電陶瓷驅(qū)動的微定位工作臺安裝在旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動的宏定位工作臺上，使用激光干涉儀實現(xiàn)兩工作臺的閉環(huán)控制位置反饋，實現(xiàn)了較高的定位精度。日本立制作所研制的X-Y-θ三自由度微動工作臺與兩自由度的宏動工作臺結(jié)合，己用于投影光刻機和電子束曝光機。在國內(nèi)，西安交通大學(xué)采用旋轉(zhuǎn)電機與滾珠絲杠實現(xiàn)IOOmm的宏驅(qū)動，并采用壓電陶瓷致動器實現(xiàn)微定位臺驅(qū)動，定位精度為士 lOnm。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人研究所研制的大行程納米級精密定位平臺，由直線電機實現(xiàn)大行程的微米級精度運動，由壓電陶瓷實現(xiàn)小范圍的納米級精度運動，通過納米級光柵傳感器實現(xiàn)運動。浙江大學(xué)也開展了基于壓電陶瓷驅(qū)動器的微動平臺的研究。但滾珠絲杠加螺母副的導(dǎo)向模式存在著諸如加工和裝配精度高，修復(fù)性差，需和伺服電機配合使用等問題。柔性鉸鏈又存在著加工方法單一，不可更換性，修復(fù)性差，行程有限等缺陷。因此，設(shè)計一款便于更換零部件，便于修配調(diào)整，有較大行程，加工方便的組裝式微位移臺成了各知名企業(yè)和院校的重點課題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種組裝式的二維微位移臺。本發(fā)明解決了采用傳統(tǒng)柔性鉸鏈的位移臺存在的更換性差，難于修配，行程小等問題，實現(xiàn)了工作臺的二維運動。
本發(fā)明采用了矩形彈簧片作為導(dǎo)向支撐原件。通過兩片彈簧片在平臺兩側(cè)構(gòu)成對稱的平行四邊形結(jié)構(gòu)，保證平臺在單方向上輸出位移的線性度。彈簧片通過內(nèi)六角螺栓固定在基座或過渡臺上，能夠保證彈簧片和基座，過渡臺，工作臺的裝配無間隙。采用內(nèi)外嵌套模式實現(xiàn)平臺XY兩方向位移輸出的要求，并在各方向上安裝一個壓電陶瓷驅(qū)動器作為驅(qū)動原件，分別控制在各相應(yīng)方向上的位移輸出。由于平臺采用了組裝方式，因此它有了一些相較整體式平臺的優(yōu)點。如便于修配，可更換失效零部件，有較大行程，零件加工容易，便于按照要求(如剛度，位移行程，最小分辨率等)更換彈簧片和壓電陶瓷驅(qū)動器，整體體積也有所減小。該平臺可用于精密加工進給、誤差反饋補償和精密測量領(lǐng)域。
本發(fā)明的二維微位移臺分為基座，過渡臺，工作臺，導(dǎo)向支撐原件，驅(qū)動元件，所述的微位移臺由分布在垂直方向上的壓電陶瓷驅(qū)動器實現(xiàn)兩方向的位移驅(qū)動，可以實現(xiàn)工作臺在XY兩垂直方向上的位移輸出；平臺采用內(nèi)外嵌套模式，外層實現(xiàn)Y方向的位移輸出，內(nèi)層實現(xiàn)X方向的位移輸出，且兩方向在控制上是相互獨立的；內(nèi)層的過渡臺與基座，以及工作臺與過渡臺是面面接觸，可有效防止過渡臺的旋轉(zhuǎn)；所述的微位移臺，采用矩形彈簧片作為導(dǎo)向支撐元件；彈簧片的示意圖如圖2所示； 彈簧片兩端的定位孔用來定位，并通過內(nèi)六角螺釘固定安裝，防止彈簧片的滑動；彈簧片中間的定位孔用來安裝過渡臺或者是工作臺，保證了過渡臺和工作臺安裝在彈簧片的中間位置，以使過渡臺和工作臺的位移輸出復(fù)合線性要求。
所述的微位移臺由于采用組裝模式，各零部件都可以根據(jù)工況要求，如位移總行程大小，位移最小分辨率大小，剛度要求，體積要求等進行更換各零部件尺寸，然后通過組裝和調(diào)試，獲得理想的性能要求。
本發(fā)明采用了完全意義上的組裝模式，具有更大的靈活性?？梢愿鶕?jù)具體要求，通過更換壓電陶瓷驅(qū)動器，矩形彈簧片，基座，過渡臺和工作臺來實現(xiàn)體積大小，剛度大小，位移行程和位移最小分辨率的變化。同時，微位移臺也避免了采用整體式結(jié)構(gòu)遇到的零部件損壞后帶來的不可修復(fù)的問題。


圖1為組裝式二維微位移臺的三維裝配圖。
圖2為過渡臺的三維模型示意圖。
圖3為采用的矩形彈簧片三維示意圖。
圖中，1，基座；2，過渡臺；3，工作臺；4，兩片Y向矩形彈簧片；5，四個Y向內(nèi)六角螺釘；6，X方向壓電陶瓷驅(qū)動器；7，Y方向壓電陶瓷驅(qū)動器；8，四個X向矩形彈簧片；9，兩片X 向內(nèi)六角螺釘。
具體實施方式
發(fā)明的微位移臺如圖1所示，包括基座1，過渡臺2，工作臺3，Y向矩形彈簧片4， Y向內(nèi)六角螺釘5，X方向壓電陶瓷驅(qū)動器6，Y方向壓電陶瓷驅(qū)動器7，X向矩形彈簧片8，X 向內(nèi)六角螺釘9。
基座1作為整個位移臺的載體，對整個部件起到了安裝支撐的作用。過渡臺2通過Y向矩形彈簧片4和Y向內(nèi)六角螺釘5安裝在基座1上。過渡臺2與基座1采用面面接觸方式，限制了過渡臺繞Y軸旋轉(zhuǎn)引起的誤差。Y方向壓電陶瓷驅(qū)動器7安裝在基座1的卡槽內(nèi)，并通過過盈配合加以固定。
過渡臺2的三維模型示意圖如圖2所示。工作臺3通過X向矩形彈簧片8和X向內(nèi)六角螺釘9安裝在過渡臺2上。工作臺3和過渡臺2采用面面接觸方式，限制了工作臺繞X軸旋轉(zhuǎn)引起的誤差。X方向壓電陶瓷驅(qū)動器6安裝在過渡臺2的卡槽內(nèi)，并通過過盈配合加以固定。
矩形彈簧片的三維視圖，請參見圖3。彈簧片有三個定位孔，并在加工上保證三個定位孔是等間距的。通過兩片Y向矩形彈簧片4或X向矩形彈簧片8得平行安裝，在移動臺兩側(cè)形成了對稱的平行四邊形結(jié)構(gòu)，使得移動臺只能實現(xiàn)線性移動，而無側(cè)向偏擺。
微位移臺工作前，需要進行調(diào)試。先將基座1通過螺紋連接固定在一個基體上。 再按照位移要求，參照X方向壓電陶瓷驅(qū)動器6和Y方向壓電陶瓷驅(qū)動器7的技術(shù)參數(shù)，對其輸入特定電壓。在工作臺放置測量探頭，測量工作臺的輸出位移是否符合位移要求。若測得的位移量不理想，說明是由于彈簧片的加工或安裝有問題，需要進行修復(fù)或重新安裝。 若位移量明顯小于理想位移，說明是彈簧片在位移方向上的剛度大于壓電陶瓷驅(qū)動器的剛度，可通過更換彈簧片或者是壓電陶瓷驅(qū)動器來達到理想要求。減小壓電陶瓷驅(qū)動器的電壓后，若工作臺不能復(fù)位，需更換彈簧片，或更換剛度更高的(厚度變大)的彈簧片。通過工作臺測量探頭的測量反饋，最終可將微位移臺調(diào)試到理想的工作狀態(tài)。
微位移臺工作時，只需要按照位移要求，參照X方向壓電陶瓷驅(qū)動器6和Y方向壓電陶瓷驅(qū)動器7的技術(shù)參數(shù)，在相應(yīng)方向上的驅(qū)動器上施加相應(yīng)的電壓，就能實現(xiàn)工作臺在某一方向上的位移輸出。
權(quán)利要求
1.一種組裝式二維位移臺，其特征在于，包括基座(1)，過渡臺(2)，工作臺(3)，兩片Y 向矩形彈簧片G)，四個Y向內(nèi)六角螺釘(5)，X方向壓電陶瓷驅(qū)動器(6)，Y方向壓電陶瓷驅(qū)動器(7)，四個X向矩形彈簧片(8)，兩片X向內(nèi)六角螺釘(9)；基座(1)為矩形平臺，矩形平臺一邊設(shè)有凸起的電陶瓷驅(qū)動器安裝凸臺，對稱的另一邊的兩角設(shè)有凸起的內(nèi)六角螺釘安裝凸臺，電陶瓷驅(qū)動器安裝凸臺設(shè)有卡槽；所述過渡臺( 的形狀與基座(1)相同，設(shè)有電陶瓷驅(qū)動器安裝凸臺與內(nèi)六角螺釘安裝凸臺內(nèi)側(cè)之間的距離小于基座(1)的電陶瓷驅(qū)動器安裝凸臺與內(nèi)六角螺釘安裝凸臺內(nèi)側(cè)之間的距離；所述過渡臺(2)通過兩片Y向矩形彈簧片(4)和四個Y向內(nèi)六角螺釘(5)分別安裝在基座(1)的電陶瓷驅(qū)動器安裝凸臺和內(nèi)六角螺釘安裝凸臺上，所述過渡臺(2)的上下表面與基座(1)的上表面采用面面接觸方式；Y 方向壓電陶瓷驅(qū)動器(7)安裝在基座(1)的卡槽內(nèi)，并通過過盈配合加以固定；所述工作臺(3)通過兩片X向矩形彈簧片⑶和四個X向內(nèi)六角螺釘(9)分別安裝在過渡臺(2)的電陶瓷驅(qū)動器安裝凸臺和內(nèi)六角螺釘安裝凸臺上，所述工作臺(3)的下表面和過渡臺O)的上表面采用面面接觸方式；X方向壓電陶瓷驅(qū)動器(6)安裝在過渡臺( 的卡槽內(nèi)，并通過過盈配合加以固定；兩片Y向彈簧片(4)和Y向內(nèi)六角緊定螺釘(5)，兩片X向彈簧片(8) 和X向內(nèi)六角緊定螺釘(9)對于過渡臺(2)和工作臺(3)分別構(gòu)成了雙側(cè)對稱平行四桿機構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種組裝式二維位移臺，其特征在于，所述Y向矩形彈簧片(4)和X向矩形彈簧片(8)分別設(shè)有三個定位孔，三個定位孔是等間距的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種組裝式二維位移臺，其特征在于，通過基座(1)和過渡臺(2)的電陶瓷驅(qū)動器安裝凸臺與內(nèi)六角螺釘安裝凸臺形成的槽型結(jié)構(gòu)使X方向壓電陶瓷驅(qū)動器(6)和Y方向壓電陶瓷驅(qū)動器(7)在同一平面上。
全文摘要
本發(fā)明涉及到一種組裝式二維微動位移臺,包括基座、過渡臺、工作臺，壓電陶瓷驅(qū)動器以及彈簧片。整個平臺采用內(nèi)外嵌套模式。工作臺在兩垂直方向上的運動分別由安裝在對應(yīng)位置上的壓電陶瓷驅(qū)動器驅(qū)動實現(xiàn)。由于位移臺在各方向上結(jié)構(gòu)的對稱性，工作臺的輸出位移能達到良好的線性度。本組裝式二維位移臺的優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單，組裝方便，可根據(jù)輸出位移的要求，如最大位移量、最小位移分辨率等，更換壓電陶瓷驅(qū)動器及相應(yīng)的彈簧片，便于調(diào)試和維護，整體尺寸可大可小等。該位移臺可用于精密測量與精密加工領(lǐng)域。
文檔編號G12B5/00GK102496391SQ20111036703
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者徐宇藍, 李尊棟, 汪加科, 王樹林, 陳文華 申請人:江蘇大學(xué)