專利名稱：一種宏／微二維位移臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密工程技術(shù)領(lǐng)域，特指一種可獲得大行程，高精度位移二維位移臺(tái)， 用于精密加工與測(cè)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(cè)量水平的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。現(xiàn)有的大行程驅(qū)動(dòng)裝置多采用旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)加精密滾珠絲杠傳動(dòng)或是直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的方案，但采用該方案的位移裝置的定位精度一般局限在微米級(jí)，精度不高；而以壓電陶瓷微驅(qū)動(dòng)器為代表的微位移平臺(tái)，其定位精度能夠達(dá)到納米級(jí)，但行程通常只能達(dá)到幾十微米。 盡管有些研究中引入了柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)，采用杠桿放大原理將行程放大，但效果并不理想，放大倍數(shù)越大，杠桿的力臂就要越長，平臺(tái)整體體積也就越大，同時(shí)也會(huì)增大X和Y兩方向的耦合度誤差，并降低了平臺(tái)的整體剛度，得不償失。而且常見的基于柔性鉸鏈的微位移平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案中，多采用將X和Y兩個(gè)一維平臺(tái)按照上下堆棧模式(請(qǐng)參見圖Ι-a所示)或內(nèi)外嵌套模式(請(qǐng)參見圖l-b所示)組合起來實(shí)現(xiàn)X-Y 二維的位移。但這兩種模式會(huì)分別產(chǎn)生堆棧誤差和耦合誤差，不利于平臺(tái)的精確定位和誤差的反饋補(bǔ)償。同時(shí)這兩種模式還會(huì)使平臺(tái)的整體體積變大，結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜化。內(nèi)外嵌套模式還會(huì)使得平臺(tái)的整體剛度降低，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)作為微位移平臺(tái)的常用驅(qū)動(dòng)原件一壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器也存在著諸如輸出力小、所需驅(qū)動(dòng)電壓高、存在磁滯非線性等問題。如何較好地解決大行程和高精度之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)大行程運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的精密定位，如何設(shè)計(jì)出更穩(wěn)定有效的微驅(qū)動(dòng)器和位移臺(tái)已成為當(dāng)今前沿科學(xué)的重點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能解決大行程與高精度矛盾的一種新型宏/微二維位移臺(tái)及一種新型的基于彈性變形的液壓式微驅(qū)動(dòng)器。該位移臺(tái)采用宏/微兩級(jí)驅(qū)動(dòng)。整體體積小，剛度較高。微動(dòng)平臺(tái)采用“十”字型布局，理論上無堆棧和耦合誤差，X和Y方向同剛度，結(jié)構(gòu)簡單。采用的液壓式驅(qū)動(dòng)器具有良好的剛度(約為常用同規(guī)格壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的2-10倍)、線性度，結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。該平臺(tái)可用于精密加工進(jìn)給、誤差反饋補(bǔ)償和精密測(cè)量領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)以上目的，該宏/微二維位移臺(tái)分為宏動(dòng)位移臺(tái)、微動(dòng)位移臺(tái)和驅(qū)動(dòng)元件三大部分，所述的宏動(dòng)位移臺(tái)X和Y方向的位移總是沿著基體上表面，可有效地減小宏動(dòng)平臺(tái)的阿貝誤差；導(dǎo)軌采用“鋼球+V型槽”模式，與傳統(tǒng)的滾珠導(dǎo)軌相較，既起到了導(dǎo)向作用，又起到了聯(lián)接作用，能夠保證宏動(dòng)平臺(tái)、十字滑塊和基體三者的無隙接觸并便于調(diào)整；V型槽的對(duì)中性保證了十字滑塊的線性移動(dòng)；也可在宏動(dòng)位移臺(tái)和基體上開幾個(gè)矩形槽以降低加工難度、提高加工效率，保證宏動(dòng)位移臺(tái)和基體相互運(yùn)動(dòng)的公共基準(zhǔn)面的平面度，利于減小阿貝誤差。
所述的微動(dòng)位移臺(tái)采用“十”字型布局，引入了新型的直角型柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)；平臺(tái)由一整塊平板經(jīng)線切割方法加工而成，結(jié)構(gòu)上關(guān)于X和Y方向?qū)ΨQ，故平臺(tái)在X和Y方向上的剛度相同，無堆棧誤差和嵌套誤差，無耦合誤差，無機(jī)械摩擦，無需潤滑，體積小，剛度高； 在微動(dòng)平臺(tái)的X和Y方向上分別裝有彈簧，其對(duì)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向上施加一個(gè)預(yù)緊力，保證平臺(tái)和驅(qū)動(dòng)器的無隙接觸，以及實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的有效回程；整個(gè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡單，輸入與輸出成良好的線性關(guān)系。所述的驅(qū)動(dòng)元件包括宏動(dòng)驅(qū)動(dòng)器和微動(dòng)驅(qū)動(dòng)器兩種宏動(dòng)驅(qū)動(dòng)器采用固定在宏動(dòng)平臺(tái)上的各方向的千分尺直接驅(qū)動(dòng)，故宏動(dòng)平臺(tái)的行程理論上由千分尺的有效長度決定，此處設(shè)計(jì)宏動(dòng)行程為10mm-20mm;微動(dòng)驅(qū)動(dòng)器采用固定在微動(dòng)平臺(tái)上的新型的基于彈性變形的液壓式驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)器是基于前端面薄板在油壓下的線彈性變形原理設(shè)計(jì)而成的，結(jié)構(gòu)簡單，剛度大，線性度好，無磁滯現(xiàn)象，抗干擾能力強(qiáng)，定位精度由控制所輸入油壓的壓力表的最小分辨率決定；驅(qū)動(dòng)器精度一般能達(dá)到lOnm。本發(fā)明中的宏動(dòng)平臺(tái)可通過千分尺實(shí)現(xiàn)快速高效定位，通過微驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)精密進(jìn)給和誤差補(bǔ)償，從而解決了大行程和精密定位的矛盾問題；由于微動(dòng)平臺(tái)采用了新型的“十”字型結(jié)構(gòu)模式，有效地減小了傳統(tǒng)的微動(dòng)平臺(tái)所固有的堆棧誤差或嵌套誤差，減小了平臺(tái)整體尺寸，定位更為精確，性能更為穩(wěn)定。


圖1為采用上下堆棧模式的微位移臺(tái)示意圖； 圖2為采用內(nèi)外嵌套模式的微位移臺(tái)示意圖3為本發(fā)明的一種宏/微二維位移臺(tái)的三維裝配爆炸圖； 圖4為采用的新型液壓式微驅(qū)動(dòng)器的三維視5為“鋼球+V型槽”模式示意圖； 圖6為微動(dòng)平臺(tái)及其附件；
圖中，1，微動(dòng)平臺(tái)；2，微動(dòng)平臺(tái)復(fù)位彈簧；3，微動(dòng)平臺(tái)擋板；4，宏動(dòng)平臺(tái)復(fù)位上彈簧； 5，宏動(dòng)平臺(tái)后擋板；6，宏動(dòng)平臺(tái)；7，宏動(dòng)平臺(tái)X方向?qū)蜾撉颍?，十字滑塊；9，基體；10，宏動(dòng)平臺(tái)復(fù)位下彈簧；11，基體后擋板；12，X方向液壓油動(dòng)力源；13，接頭及油管；14，液壓式微驅(qū)動(dòng)器；15，Y方向液壓油動(dòng)力源；16，X方向調(diào)整螺栓；17，半球型襯套；18，Y方向千分尺；19，基體前擋板壓塊；20，基體前擋板；21，宏動(dòng)平臺(tái)前擋板壓塊；22，宏動(dòng)平臺(tái)前擋板； 23，X方向千分尺；24，宏動(dòng)平臺(tái)Y方向?qū)蜾撉颍?5，Y方向調(diào)整螺栓。
具體實(shí)施例方式發(fā)明的工作臺(tái)如圖3所示，包括微動(dòng)平臺(tái)1、微動(dòng)平臺(tái)復(fù)位彈簧2、微動(dòng)平臺(tái)擋板3、 宏動(dòng)平臺(tái)復(fù)位上彈簧4、宏動(dòng)平臺(tái)后擋板5、宏動(dòng)平臺(tái)6、宏動(dòng)平臺(tái)X方向?qū)蜾撉?、十字滑塊8、基體9、宏動(dòng)平臺(tái)復(fù)位下彈簧10、基體后擋板11、X方向液壓油動(dòng)力源12、接頭及油管 13、液壓式微驅(qū)動(dòng)器14、Y方向液壓油動(dòng)力源15、X方向調(diào)整螺栓16、半球型襯套17、Y方向千分尺18、基體前擋板壓塊19、基體前擋板20、宏動(dòng)平臺(tái)前擋板壓塊21、宏動(dòng)平臺(tái)前擋板 22、X方向千分尺23、宏動(dòng)平臺(tái)Y方向?qū)蜾撉驅(qū)Α方向調(diào)整螺栓25。宏動(dòng)平臺(tái)6通過宏動(dòng)平臺(tái)X方向?qū)蜾撉?和十字滑塊8上V型槽的配合連接在十字滑塊8上。十字滑塊8通過宏動(dòng)平臺(tái)Y方向?qū)蜾撉騇和基體9上V型槽的配合連接到基體9上。宏動(dòng)平臺(tái)X方向?qū)蜾撉?、宏動(dòng)平臺(tái)Y方向?qū)蜾撉騇分別安裝在半球型襯套17內(nèi)。可分別通過X方向調(diào)整螺栓16和Y方向調(diào)整螺栓25推動(dòng)球型襯套和鋼球， 來調(diào)整鋼球和V型槽的配合緊密程度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)十字滑塊8和宏動(dòng)平臺(tái)6與基體9的無隙接觸，也可以實(shí)現(xiàn)宏動(dòng)平臺(tái)6的自鎖。X方向千分尺23由宏動(dòng)平臺(tái)前擋板壓塊21和宏動(dòng)平臺(tái)前擋板22固定。Y方向千分尺18由基體前擋板壓塊19和基體前擋板20固定。X方向千分尺23和Y方向千分尺18分別驅(qū)動(dòng)宏動(dòng)平臺(tái)6的單向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)宏動(dòng)平臺(tái)6的二維運(yùn)動(dòng)。宏動(dòng)平臺(tái)復(fù)位上彈簧4和宏動(dòng)平臺(tái)復(fù)位下彈簧10分別保證了十字滑塊8和X方向千分尺23、十字滑塊8和Y方向千分尺18的無隙接觸，以及宏動(dòng)平臺(tái)6的有效回程。微動(dòng)平臺(tái)及附件的二維結(jié)構(gòu)示意圖，如圖6所示。微動(dòng)平臺(tái)1通過內(nèi)六角螺栓固定在宏動(dòng)平臺(tái)6上，使得微動(dòng)平臺(tái)和宏動(dòng)平臺(tái)一起運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)相同的液壓式驅(qū)動(dòng)器14分別通過內(nèi)六角螺栓連接在微動(dòng)平臺(tái)1的X方向和Y方向上，分別實(shí)現(xiàn)微動(dòng)平臺(tái)1的X和Y方向上的微位移。在液壓式微驅(qū)動(dòng)器14的對(duì)稱位置上分別裝有一個(gè)微動(dòng)平臺(tái)復(fù)位彈簧2，實(shí)現(xiàn)液壓式微驅(qū)動(dòng)器14和微動(dòng)十字平臺(tái)的無隙接觸，保證了微動(dòng)十字平臺(tái)的有效回程。液壓式微驅(qū)動(dòng)器14的結(jié)構(gòu)如圖4所示。液壓式微驅(qū)動(dòng)器14基于薄板變形理論， 在材料線彈性范圍內(nèi)，輸入與輸出成良好的線性關(guān)系。由帶有油壓示數(shù)的X方向液壓油動(dòng)力源12或Y方向液壓油動(dòng)力源15向液壓式微驅(qū)動(dòng)器14的圓柱形容腔中加入高壓油，使得驅(qū)動(dòng)器端面的薄板產(chǎn)生線彈性變形，薄板的中心處發(fā)生微位移。由于驅(qū)動(dòng)器端面與微動(dòng)十字平臺(tái)緊密接觸，所以驅(qū)動(dòng)器得以推動(dòng)微十字平臺(tái)實(shí)現(xiàn)微位移。在本發(fā)明中，如選用量程為13mm的千分尺作為宏驅(qū)動(dòng)器，其有效精度為0.01mm。 液壓式微驅(qū)動(dòng)器的前端壁厚為1mm，內(nèi)徑為14mm，外徑為20mm，頂點(diǎn)凸臺(tái)半徑1mm，高度1mm。 微動(dòng)平臺(tái)1中柔性鉸鏈的最小壁厚為0. 8mm,鉸鏈寬度為5mm，高度為10mm，臂長10mm。微動(dòng)平臺(tái)十字滑塊中心的位移量S (單位μπι)與輸入驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的油壓P (單位MPa)成正比關(guān)系，其比例系數(shù)為1 =0.4μπι/ΜΡει。如果要在X方向?qū)崿F(xiàn)10. 44321mm的位移量，其步驟為
(1)適當(dāng)松開X方向調(diào)整螺栓16，釋放十字滑塊8在X方向的自由度；
(2)手動(dòng)調(diào)節(jié)X方向千分尺23旋入10.44mm ；
(3)旋緊X方向調(diào)整螺栓16，固定十字滑塊8；
(4)加油壓，使X方向液壓油動(dòng)力源12的油壓為8.025ΜΙ^油壓。此時(shí)十字滑塊中心將在X方向附加一個(gè)微位移Δ =0. 4X8. 025=3. 21 μ m，此時(shí)，十字滑塊中心的位移量即為 10.44+0. 00321=10. 44321mm。如果要在Y方向?qū)崿F(xiàn)8. 55123mm的位移量，其步驟為
(1)適當(dāng)松開Y方向調(diào)整螺栓25，釋放十字滑塊8在Y方向的自由度；
(2)手動(dòng)調(diào)節(jié)Y方向千分尺18旋入8.55mm ；
(3)旋緊Y方向調(diào)整螺栓25，固定十字滑塊8；
(4)加油壓，使Y方向液壓油動(dòng)力源15的油壓為3.075ΜΙ^油壓。此時(shí)十字滑塊中心將在Y方向附加一個(gè)微位移Δ =0. 4X3. 075=1. 23 μ m,此時(shí)，十字滑塊中心的位移量即為 8. 55+0. 00123=8. 55123mm。
權(quán)利要求
1.一種宏/微二維位移臺(tái)，其特征在于，由宏動(dòng)部分、微動(dòng)部分和微驅(qū)動(dòng)部分組成，將整個(gè)位移量分為粗調(diào)和微調(diào)兩部分；所述宏/微二維位移臺(tái)包括微動(dòng)平臺(tái)(1)、微動(dòng)平臺(tái)復(fù)位彈簧(2)、微動(dòng)平臺(tái)擋板(3)、 宏動(dòng)平臺(tái)復(fù)位上彈簧(4)、宏動(dòng)平臺(tái)后擋板(5)、宏動(dòng)平臺(tái)(6)、宏動(dòng)平臺(tái)X方向?qū)蜾撉?(7)、十字滑塊(8)、基體(9)、宏動(dòng)平臺(tái)復(fù)位下彈簧(10)、基體后擋板(11)、X方向液壓油動(dòng)力源(12)、接頭及油管(13)、液壓式微驅(qū)動(dòng)器(14)、Y方向液壓油動(dòng)力源(15)、X方向調(diào)整螺栓(16)、半球型襯套(17)、Y方向千分尺(18)、基體前擋板壓塊(19)、基體前擋板(20)、 宏動(dòng)平臺(tái)前擋板壓塊(21)、宏動(dòng)平臺(tái)前擋板(22)、X方向千分尺(23)、宏動(dòng)平臺(tái)Y方向?qū)蜾撉?24)、Y方向調(diào)整螺栓(25)；所述宏動(dòng)平臺(tái)(6)通過宏動(dòng)平臺(tái)X方向?qū)蜾撉?7)和十字滑塊(8)上V型槽的配合連接在十字滑塊(8)上；十字滑塊(8)通過宏動(dòng)平臺(tái)Y方向?qū)蜾撉?4)和基體(9)上 V型槽的配合連接到基體(9)上；宏動(dòng)平臺(tái)X方向?qū)蜾撉?7)、宏動(dòng)平臺(tái)Y方向?qū)蜾撉?24)分別安裝在半球型襯套(17)內(nèi)，分別通過X方向調(diào)整螺栓(16)和Y方向調(diào)整螺栓(25)推動(dòng)球型襯套和鋼球，調(diào)整鋼球和V型槽的配合緊密程度，使十字滑塊(8)和宏動(dòng)平臺(tái)(6)與基體(9)的無隙接觸和宏動(dòng)平臺(tái)(6)的自鎖；X方向千分尺(23)由宏動(dòng)平臺(tái)前擋板壓塊(21)和宏動(dòng)平臺(tái)前擋板(22)固定，Y方向千分尺(18)由基體前擋板壓塊(19)和基體前擋板(20)固定，所述X方向千分尺(23)和Y方向千分尺(18)分別驅(qū)動(dòng)宏動(dòng)平臺(tái)(6) 的單向運(yùn)動(dòng)，使宏動(dòng)平臺(tái)(6)作二維運(yùn)動(dòng)；宏動(dòng)平臺(tái)復(fù)位上彈簧(4)和宏動(dòng)平臺(tái)復(fù)位下彈簧 (10)分別使十字滑塊(8)和X方向千分尺(23)、十字滑塊(8)和Y方向千分尺(18)的無隙接觸，以及宏動(dòng)平臺(tái)(6)的有效回程；所述微動(dòng)平臺(tái)(1)通過內(nèi)六角螺栓固定在宏動(dòng)平臺(tái)(6)上，使微動(dòng)平臺(tái)(1)和宏動(dòng)平臺(tái)(6) —起運(yùn)動(dòng)；所述微動(dòng)平臺(tái)(1)采用“十”字型布局，由同一平板加工而成，整體結(jié)構(gòu)關(guān)于X和Y方向分別對(duì)稱，工作臺(tái)的四個(gè)頂端處分別布置有兩個(gè)直角型柔性鉸鏈；所述的直角型柔性鉸鏈，采用半圓形切口，采用成90°的雙桿復(fù)合而成，在雙桿上均布有四個(gè)半圓形切口，每個(gè)頂端處的兩個(gè)直角型柔性鉸鏈采用鏡像對(duì)稱模式，成“ 口 ”字型布置；所述兩個(gè)相同的液壓式驅(qū)動(dòng)器(14)分別通過內(nèi)六角螺栓連接在微動(dòng)平臺(tái)(1)的X方向和Y方向上，分別使微動(dòng)平臺(tái)(1)的X和Y方向上的微位移；在液壓式微驅(qū)動(dòng)器(14)的對(duì)稱一側(cè)位置上分別裝有一個(gè)微動(dòng)平臺(tái)復(fù)位彈簧(2)，使液壓式微驅(qū)動(dòng)器(14)和微動(dòng)十字平臺(tái)的無隙接觸，以及微動(dòng)十字平臺(tái)的有效回程。
2.按照權(quán)利要求1所述一種宏/微二維位移臺(tái)，其特征在于，所述微驅(qū)動(dòng)部分包括X方向液壓油動(dòng)力源(12)、接頭及油管(13)、液壓式微驅(qū)動(dòng)器(14)、Y方向液壓油動(dòng)力源(15); 所述液壓式微驅(qū)動(dòng)器(14)由帶有油壓示數(shù)的X方向液壓油動(dòng)力源(12)或Y方向液壓油動(dòng)力源(15)通過接頭及油管(13)向液壓式微驅(qū)動(dòng)器(14)的圓柱形容腔中加入高壓油，使驅(qū)動(dòng)器端面的薄板產(chǎn)生線彈性變形，薄板的中心處發(fā)生微位移；驅(qū)動(dòng)器端面與微動(dòng)十字平臺(tái)緊密接觸，驅(qū)動(dòng)器推動(dòng)微十字平臺(tái)微位移。
3.按照權(quán)利要求1所述一種宏/微二維位移臺(tái)，其特征在于，所述液壓式微驅(qū)動(dòng)器 (14)選用量程為13mm的千分尺作為宏驅(qū)動(dòng)器，其有效精度為0. Olmm ；所述液壓式微驅(qū)動(dòng)器 (14)的前端壁厚為1mm，內(nèi)徑為14mm，外徑為20mm，頂點(diǎn)凸臺(tái)半徑1mm，高度Imm ；微動(dòng)平臺(tái)(1)中柔性鉸鏈的最小壁厚為0.8mm，鉸鏈寬度為5mm，高度為10mm，臂長10mm;微動(dòng)平臺(tái)十字滑塊中心的位移量S與輸入驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的油壓P成正比關(guān)系，其比例系數(shù)為 k=0. 4ym/MPa。
全文摘要
本發(fā)明涉及到一種宏／微二維位移臺(tái),包括宏動(dòng)平臺(tái)、微動(dòng)平臺(tái)及液壓式驅(qū)動(dòng)器。微動(dòng)平臺(tái)固定在宏動(dòng)平臺(tái)上。宏動(dòng)平臺(tái)采用十字滑塊導(dǎo)向,鋼球與V型塊配合調(diào)整,結(jié)構(gòu)簡單,無傳統(tǒng)導(dǎo)軌側(cè)間隙,穩(wěn)定性好，便于調(diào)整。微動(dòng)平臺(tái)采用直角型柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)，十字型布局，無堆棧和耦合誤差，體積小，線性度好。采用的液壓式驅(qū)動(dòng)器具有高剛度，良好的線性度，性能穩(wěn)定，便于加工等優(yōu)點(diǎn)。該宏／微平臺(tái)解決了大行程與高定位精度間的矛盾，整體體積小，定位精度高，線性度好，可用于精密加工、誤差補(bǔ)償和精密測(cè)量領(lǐng)域。
文檔編號(hào)B23Q1/25GK102490021SQ20111036698
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)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(lán), 李尊棟, 沈春根, 王樹林, 陳文華 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)