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領域
本發明屬于精密工程技術領域，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：
高精度和高分辨率的精密位移裝置在現代尖端工業生產和科學研究領域內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鍵環節。現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導向。如德國PI公司的 P73-20平臺，采用壓電陶瓷致動器，柔性鉸鏈導向。韓國漢城大學的Heui jae Park等將壓電陶瓷驅動的微定位工作臺安裝在旋轉電機驅動的宏定位工作臺上，使用激光干涉儀實現兩工作臺的閉環控制位置反饋，實現了較高的定位精度。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合，己用于投影光刻機和電子束曝光機。在國內，西安交通大學采用旋轉電機與滾珠絲杠實現IOOmm的宏驅動，并采用壓電陶瓷致動器實現微定位臺驅動，定位精度為士 lOnm。哈爾濱工業大學機器人研究所研制的大行程納米級精密定位平臺，由直線電機實現大行程的微米級精度運動，由壓電陶瓷實現小范圍的納米級精度運動，通過納米級光柵傳感器實現運動。浙江大學也開展了基于壓電陶瓷驅動器的微動平臺的研究。但滾珠絲杠加螺母副的導向模式存在著諸如加工和裝配精度高，修復性差，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，修復性差，行程有限等缺陷。因此，設計一款便于更換零部件，便于修配調整，有較大行程，加工方便的組裝式微位移臺成了各知名企業和院校的重點課題。發明內容
本發明的目的在于提供一種組裝式的二維微位移臺。本發明解決了采用傳統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，實現了工作臺的二維運動。
本發明采用了矩形彈簧片作為導向支撐原件。通過兩片彈簧片在平臺兩側構成對稱的平行四邊形結構，保證平臺在單方向上輸出位移的線性度。彈簧片通過內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。采用內外嵌套模式實現平臺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動器作為驅動原件，分別控制在各相應方向上的位移輸出。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域。
本發明的二維微位移臺分為基座，過渡臺，工作臺，導向支撐原件，驅動元件，所述的微位移臺由分布在垂直方向上的壓電陶瓷驅動器實現兩方向的位移驅動，可以實現工作臺在XY兩垂直方向上的位移輸出；平臺采用內外嵌套模式，外層實現Y方向的位移輸出，內層實現X方向的位移輸出，且兩方向在控制上是相互獨立的；內層的過渡臺與基座，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；所述的微位移臺，采用矩形彈簧片作為導向支撐元件；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，然后通過組裝和調試，獲得理想的性能要求。
本發明采用了完全意義上的組裝模式，具有更大的靈活性。可以根據具體要求，通過更換壓電陶瓷驅動器，矩形彈簧片，基座，過渡臺和工作臺來實現體積大小，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構遇到的零部件損壞后帶來的不可修復的問題。


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向內六角螺釘；6，X方向壓電陶瓷驅動器；7，Y方向壓電陶瓷驅動器；8，四個X向矩形彈簧片；9，兩片X 向內六角螺釘。
具體實施方式
發明的微位移臺如圖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向內六角螺釘5，X方向壓電陶瓷驅動器6，Y方向壓電陶瓷驅動器7，X向矩形彈簧片8，X 向內六角螺釘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軸旋轉引起的誤差。Y方向壓電陶瓷驅動器7安裝在基座1的卡槽內，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軸旋轉引起的誤差。X方向壓電陶瓷驅動器6安裝在過渡臺2的卡槽內，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，在移動臺兩側形成了對稱的平行四邊形結構，使得移動臺只能實現線性移動，而無側向偏擺。
微位移臺工作前，需要進行調試。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方向壓電陶瓷驅動器6和Y方向壓電陶瓷驅動器7的技術參數，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動器的剛度，可通過更換彈簧片或者是壓電陶瓷驅動器來達到理想要求。減小壓電陶瓷驅動器的電壓后，若工作臺不能復位，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試到理想的工作狀態。
微位移臺工作時，只需要按照位移要求，參照X方向壓電陶瓷驅動器6和Y方向壓電陶瓷驅動器7的技術參數，在相應方向上的驅動器上施加相應的電壓，就能實現工作臺在某一方向上的位移輸出。
權利要求
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向內六角螺釘(5)，X方向壓電陶瓷驅動器(6)，Y方向壓電陶瓷驅動器(7)，四個X向矩形彈簧片(8)，兩片X向內六角螺釘(9)；基座(1)為矩形平臺，矩形平臺一邊設有凸起的電陶瓷驅動器安裝凸臺，對稱的另一邊的兩角設有凸起的內六角螺釘安裝凸臺，電陶瓷驅動器安裝凸臺設有卡槽；所述過渡臺( 的形狀與基座(1)相同，設有電陶瓷驅動器安裝凸臺與內六角螺釘安裝凸臺內側之間的距離小于基座(1)的電陶瓷驅動器安裝凸臺與內六角螺釘安裝凸臺內側之間的距離；所述過渡臺(2)通過兩片Y向矩形彈簧片(4)和四個Y向內六角螺釘(5)分別安裝在基座(1)的電陶瓷驅動器安裝凸臺和內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 方向壓電陶瓷驅動器(7)安裝在基座(1)的卡槽內，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向內六角螺釘(9)分別安裝在過渡臺(2)的電陶瓷驅動器安裝凸臺和內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方向壓電陶瓷驅動器(6)安裝在過渡臺( 的卡槽內，并通過過盈配合加以固定；兩片Y向彈簧片(4)和Y向內六角緊定螺釘(5)，兩片X向彈簧片(8) 和X向內六角緊定螺釘(9)對于過渡臺(2)和工作臺(3)分別構成了雙側對稱平行四桿機構。
2.根據權利要求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)分別設有三個定位孔，三個定位孔是等間距的。
3.根據權利要求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)的電陶瓷驅動器安裝凸臺與內六角螺釘安裝凸臺形成的槽型結構使X方向壓電陶瓷驅動器(6)和Y方向壓電陶瓷驅動器(7)在同一平面上。
全文摘要
本發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，壓電陶瓷驅動器以及彈簧片。整個平臺采用內外嵌套模式。工作臺在兩垂直方向上的運動分別由安裝在對應位置上的壓電陶瓷驅動器驅動實現。由于位移臺在各方向上結構的對稱性，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勢在于結構簡單，組裝方便，可根據輸出位移的要求，如最大位移量、最小位移分辨率等，更換壓電陶瓷驅動器及相應的彈簧片，便于調試和維護，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 優先權日2011年11月18日
發明者徐宇藍, 李尊棟, 汪加科, 王樹林, 陳文華 申請人:江蘇大學