結(jié)構(gòu)新穎的大行程高精度z軸工作臺的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種結(jié)構(gòu)新穎的大行程高精度Z軸工作臺，包括有底座、第一支架、第二支架、活動支撐桿、工作臺以及精密活動定位臺；該第一支架和第二支架均設(shè)置于底座上；該活動支撐桿可上下活動地設(shè)于第一支架上，該活動支撐桿上固設(shè)有豎向延伸的光柵尺，該第一支架上設(shè)有光柵讀數(shù)頭；該精密活動定位臺可上下活動地設(shè)置于第二支架上，該活動支撐桿的下端與精密活動定位臺固定連接，針對該精密活動定位臺設(shè)有驅(qū)動裝置。藉此，通過將工作臺的中心、光柵尺的中心、光柵讀數(shù)頭的中心以及精密活動定位臺的中心設(shè)置在位于同一直線上，理論上可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的零阿貝誤差，以最大程度地減少了系統(tǒng)的阿貝誤差，滿足微納米測量和微納米加工要求。
【專利說明】結(jié)構(gòu)新穎的大行程高精度Z軸工作臺
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及精密機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域技術(shù)，尤其是指一種結(jié)構(gòu)新穎的大行程高精度Z軸工作臺。
【背景技術(shù)】
[0002]在微型機(jī)械、超精密加工、微型裝配、半導(dǎo)體器件制造及納米技術(shù)等領(lǐng)域，均需要高精度的定位和非常精細(xì)的運(yùn)動，因此微位移驅(qū)動技術(shù)成為這些領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)支持。目前在很多應(yīng)用場合，需要具有數(shù)十毫米行程、納米級定位精度的Z軸工作臺。滿足大量程高精度的Z軸工作臺大多采用多級驅(qū)動。大行程用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，其行程大但定位精度不高；然后再通過壓電陶瓷的微驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)高精度定位。所以結(jié)構(gòu)上，導(dǎo)軌面之間及導(dǎo)軌面與工作臺面之間均有較大的間距，阿貝誤差不容易控制，無法滿足微納米測量和微納米加工的要求。Z軸的驅(qū)動精度較X、Y軸的平面驅(qū)動要低很多，主要是由于往返行程的驅(qū)動不均勻?qū)е?，因此需加配重?，F(xiàn)有工作臺的配重多是采用雙質(zhì)量塊的對稱結(jié)構(gòu)，很難達(dá)到重力平衡，結(jié)構(gòu)也相對復(fù)雜，使得驅(qū)動控制難以均勻平穩(wěn)。此外，傳統(tǒng)Z軸工作臺對驅(qū)動行程的狀態(tài)也沒有必要的傳感器監(jiān)測，因此工作臺配重的狀態(tài)調(diào)整也很難實(shí)時保證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]有鑒于此，本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在之缺失，其主要目的是提供一種結(jié)構(gòu)新穎的大行程高精度Z軸工作臺，其能有效解決現(xiàn)有之Z軸工作臺的阿貝誤差不容易控制而無法滿足微納米測量和微納米加工要求的問題。
[0004]本發(fā)明的另一目的是提供一種結(jié)構(gòu)新穎的大行程高精度Z軸工作臺，其能有效解決現(xiàn)有之Z軸工作臺難達(dá)到重力平衡、結(jié)構(gòu)復(fù)雜并使得驅(qū)動控制難以均勻平穩(wěn)的問題。
[0005]本發(fā)明的再一目的是提供一種結(jié)構(gòu)新穎的大行程高精度Z軸工作臺，其能有效解決現(xiàn)有之Z軸工作臺缺少必要的傳感器監(jiān)測的問題。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下之技術(shù)方案:
[0007]一種結(jié)構(gòu)新穎的大行程高精度Z軸工作臺，包括有底座、第一支架、第二支架、活動支撐桿、工作臺以及精密活動定位臺；該第一支架和第二支架均設(shè)置于底座上；該活動支撐桿可上下活動地設(shè)置于第一支架上，該活動支撐桿上固設(shè)有豎向延伸的光柵尺，該第一支架上設(shè)置有光柵讀數(shù)頭；該工作臺固設(shè)于活動支撐桿的上端；該精密活動定位臺可上下活動地設(shè)置于第二支架上，該活動支撐桿的下端與精密活動定位臺固定連接，針對該精密活動定位臺設(shè)置有帶動精密活動定位臺上下活動的驅(qū)動裝置，該活動支撐桿和工作臺隨精密活動定位臺同步上下活動；以及，該工作臺的中心、光柵尺的中心、光柵讀數(shù)頭的中心以及精密活動定位臺的中心位于同一直線上。
[0008]作為一種優(yōu)選方案，所述精密活動定位臺位于第二支架的一側(cè)，該第二支架的頂部設(shè)置有定滑輪支架，該定滑輪支架的兩側(cè)分別設(shè)置有定滑輪，其中一定滑輪位于精密活動定位臺的正上方，另一定滑輪位于第二支架另一側(cè)的上方，兩定滑輪上設(shè)置有牽引繩，該牽引繩的一端與精密活動定位臺連接，牽引繩的另一端連接有拉力傳感器，該拉力傳感器上垂直吊掛有配重塊。
[0009]作為一種優(yōu)選方案，所述定滑輪支架包括有縱向調(diào)節(jié)塊和橫向調(diào)節(jié)塊；該縱向調(diào)節(jié)塊上設(shè)置有縱向條形孔，一第一調(diào)節(jié)螺栓穿過該縱向條形孔與第二支架固定連接；該橫向調(diào)節(jié)塊上設(shè)置有橫向條形孔，一第二調(diào)節(jié)螺栓穿過該橫向條形孔與縱向調(diào)節(jié)塊固定連接；前述定滑輪分別可轉(zhuǎn)動地設(shè)置有橫向調(diào)節(jié)塊的兩端。
[0010]作為一種優(yōu)選方案，所述配重塊包括有多個500g砝碼、多個100g砝碼以及多個50g砝碼，該多個500g砝碼、多個100g砝碼以及多個50g砝碼由下往上疊合一起。
[0011]作為一種優(yōu)選方案，所述驅(qū)動裝置包括有步進(jìn)電機(jī)以及絲桿螺母機(jī)構(gòu)，該絲桿螺母機(jī)構(gòu)包括有絲桿以及與絲桿螺合的螺母，該絲桿豎向延伸并可轉(zhuǎn)動地設(shè)置于第二支架上，前述精密活動定位臺固定于螺母上，該步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動絲桿轉(zhuǎn)動。
[0012]作為一種優(yōu)選方案，所述第一支架為L型支架，該第一支架通過螺釘固定于底座上。
[0013]作為一種優(yōu)選方案，所述第二支架為L型支架，該第二支架通過螺釘固定于底座上。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)和有益效果，具體而言，由上述技術(shù)方案可知:
[0015]一、通過將工作臺的中心、光柵尺的中心、光柵讀數(shù)頭的中心以及精密活動定位臺的中心設(shè)置在位于同一直線上，理論上可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的零阿貝誤差，以最大程度地減少了系統(tǒng)的阿貝誤差，滿足微納米測量和微納米加工要求。
[0016]二、通過配合利用定滑 輪支架、定滑輪和牽引繩以吊掛配重塊而形成結(jié)構(gòu)簡單的單臂橋式配重設(shè)計，通過有限元Analysis對系統(tǒng)的重心進(jìn)行分析計算，采用單配重結(jié)構(gòu)，使吊臂垂直牽引在系統(tǒng)重心線，且通過定滑輪支架使得配重塊的重心可調(diào)，通過調(diào)整牽引繩前后左右微小距離的移動，使吊臂垂直牽引在系統(tǒng)重心線，從而確保驅(qū)動過程的均勻平穩(wěn)。
[0017]三、通過設(shè)置有拉力傳感器，利用拉力傳感器對驅(qū)動行程的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，以使得工作臺配重的狀態(tài)調(diào)整也得到實(shí)時保證。
[0018]為更清楚地闡述本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征和功效，下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施例來對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明:
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明之較佳實(shí)施例的組裝立體示圖；
[0020]圖2是本發(fā)明之較佳實(shí)施例的主視圖
[0021]圖3是本發(fā)明之較佳實(shí)施例的側(cè)視圖；
[0022]圖4是本發(fā)明之較佳實(shí)施例的俯視圖；
[0023]圖5是圖2中A方向的示意圖。
[0024]附圖標(biāo)識說明:
[0025]10、底座101、螺釘
[0026]102、開槽平端緊定螺釘20、第一支架[0027]30、第二支架40、活動支撐桿
[0028]50、工作臺60、精密活動定位臺
[0029]70、光柵尺80、光柵讀數(shù)頭
[0030]90、驅(qū)動裝置91、步進(jìn)電機(jī)
[0031]92、絲桿螺母機(jī)構(gòu)93、聯(lián)軸器
[0032]10'、定滑輪支架11'、縱向調(diào)節(jié)塊
[0033]12'、橫向調(diào)節(jié)塊13'、第一調(diào)節(jié)螺栓
[0034]14'、第二調(diào)節(jié)螺栓101'、縱向條形孔
[0035]102'、橫向條形孔20'、定滑輪
[0036]30'、牽引繩40'、拉力傳感器
[0037]50'、配重塊51'、500g 砝碼
[0038]52'、100g 砝碼53'、50g 砝碼
【具體實(shí)施方式】
[0039]請參照圖1至圖5所示，其顯示出了本發(fā)明之較佳實(shí)施例的具體結(jié)構(gòu)，包括有底座
10、第一支架20、第二支架3 0、活動支撐桿40、工作臺50以及精密活動定位臺60。
[0040]其中，該第一支架20和第二支架30均設(shè)置于底座10上；在本實(shí)施例中，該第一支架20和第二支架30均為L型支架，該第一支架20和第二支架30均通過螺釘101固定于底座10上，不以為限。
[0041]該活動支撐桿40豎向延伸，該活動支撐桿40可上下活動地設(shè)置于第一支架20上，該活動支撐桿40上固設(shè)有豎向延伸的光柵尺70，該第一支架20上設(shè)置有光柵讀數(shù)頭80，該光柵讀數(shù)頭80通過開槽平端緊定螺釘102固定于第一支架20上。
[0042]該工作臺50固設(shè)于活動支撐桿40的上端。
[0043]該精密活動定位臺60可上下活動地設(shè)置于第二支架30上，該活動支撐桿40的下端與精密活動定位臺60固定連接，針對該精密活動定位臺60設(shè)置有帶動精密活動定位臺60上下活動的驅(qū)動裝置90，該活動支撐桿40和工作臺50隨精密活動定位臺60同步上下活動；具體而言，該驅(qū)動裝置90包括有步進(jìn)電機(jī)91以及絲桿螺母機(jī)構(gòu)92，該絲桿螺母機(jī)構(gòu)92包括有絲桿(圖中未示)以及螺合于絲桿上的螺母(圖中未示)，該絲桿豎向延伸并可轉(zhuǎn)動地設(shè)置于第二支架30上，前述精密活動定位臺60固定于螺母上，該步進(jìn)電機(jī)91通過聯(lián)軸器93帶動絲桿轉(zhuǎn)動，該步進(jìn)電機(jī)91位于絲桿的下方。
[0044]以及，該工作臺50的中心、光柵尺70的中心、光柵讀數(shù)頭80的中心以及精密活動定位臺60的中心位于同一直線上，如此在理論上可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的零阿貝誤差。
[0045]另外，該精密活動定位臺60位于第二支架30的一側(cè)，該第二支架30的頂部設(shè)置有定滑輪支架1(V，該定滑輪支架10'的兩側(cè)分別設(shè)置有定滑輪20'，其中一定滑輪20'位于精密活動定位臺60的正上方，另一定滑輪20'位于第二支架30另一側(cè)的上方，兩定滑輪20'上設(shè)置有牽引繩30'，該牽引繩30'的一端與精密活動定位臺60連接，牽引繩30'的另一端連接有拉力傳感器40'，該拉力傳感器40'上垂直吊掛有配重塊50'。具體而言，該定滑輪支架1(V包括有縱向調(diào)節(jié)塊IP和橫向調(diào)節(jié)塊12';該縱向調(diào)節(jié)塊I廣上設(shè)置有縱向條形孔101'，一第一調(diào)節(jié)螺栓13'穿過該縱向條形孔101'與第二支架30固定連接，以使得縱向調(diào)節(jié)塊Ir固定于第二支架30上；該橫向調(diào)節(jié)塊12'上設(shè)置有橫向條形孔102'，一第二調(diào)節(jié)螺栓14'穿過該橫向條形孔102'與縱向調(diào)節(jié)塊11'固定連接，以使得橫向調(diào)節(jié)塊12'固定于縱向調(diào)節(jié)塊11'上；前述定滑輪20'分別可轉(zhuǎn)動地設(shè)置有橫向調(diào)節(jié)塊12'的兩端。該配重塊50'包括有多個500g砝碼51'、多個IOOg砝碼52'以及多個50g砝碼53'，該多個500g砝碼51'、多個IOOg砝碼52'以及多個50g砝碼53'由下往上疊合一起。
[0046]詳述本實(shí)施例的工作原理如下:
[0047]工作時，由步進(jìn)電機(jī)91通過聯(lián)軸器93帶動絲桿螺母機(jī)構(gòu)92轉(zhuǎn)動，使得精密活動定位臺60在第二支架30上上下活動，該活動支撐桿40、工作臺50和光柵尺70隨精密活動定位臺60同步上下活動，配合利用光柵讀數(shù)頭80可讀取出工作臺50上升或下降的距離。同時，在精密活動定位臺60上升的時候，該配重塊50'在自重的作用下下降，在精密活動定位臺60下降的時候，該配重塊50'在牽引繩30'的牽引下上升，在配重塊50'下降或上升的過程中，利用拉力傳感器40'可對驅(qū)動牽引力的變化進(jìn)行監(jiān)測；并且可同時配合電流傳感器(圖中未示)對工作臺50的驅(qū)動狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，電流傳感器監(jiān)測步進(jìn)電機(jī)91的輸出功率，當(dāng)配重塊50'調(diào)整不好，驅(qū)動力在不同行程中不均勻，將會導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)91輸出功率的變化，而步進(jìn)電機(jī)91驅(qū)動電壓一定，P = UI，可實(shí)時監(jiān)控步進(jìn)電機(jī)91輸出功率變化。
[0048]另外，通過Auto Cad的系統(tǒng)重心計算，可以找到理論上的重心，但與系統(tǒng)實(shí)際的重心還是會有些差距，如圖5所示，這時可以通過調(diào)整縱向調(diào)節(jié)塊11'和橫向調(diào)節(jié)塊12'的固定位置，以此調(diào)整牽引繩30'前后左右微小距離的移動，使吊臂垂直牽引在系統(tǒng)重心線。
[0049]本發(fā)明的設(shè)計重點(diǎn)在于:首先，通過將工作臺的中心、光柵尺的中心、光柵讀數(shù)頭的中心以及精密活動定位臺的中心設(shè)置在位于同一直線上，理論上可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的零阿貝誤差，以最大程度地減少了系統(tǒng)的阿貝誤差，滿足微納米測量和微納米加工要求。其次，通過配合利用定滑輪支架、定滑輪和牽引繩以吊掛配重塊而形成結(jié)構(gòu)簡單的單臂橋式配重設(shè)計，通過有限元Analysis對系統(tǒng)的重心進(jìn)行分析計算，采用單配重結(jié)構(gòu)，使吊臂垂直牽引在系統(tǒng)重心線，且通過定滑輪支架使得配重塊的重心可調(diào)，通過調(diào)整牽引繩前后左右微小距離的移動，使吊臂垂直牽引在系統(tǒng)重心線，從而確保驅(qū)動過程的均勻平穩(wěn)。再者，通過設(shè)置有拉力傳感器，利用拉力傳感器對驅(qū)動行程的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，以使得工作臺配重的狀態(tài)調(diào)整也得到實(shí)時保證。
[0050]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對本發(fā)明的技術(shù)范圍作任何限制，故凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何細(xì)微修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種結(jié)構(gòu)新穎的大行程高精度Z軸工作臺，其特征在于:包括有底座、第一支架、第二支架、活動支撐桿、工作臺以及精密活動定位臺；該第一支架和第二支架均設(shè)置于底座上；該活動支撐桿可上下活動地設(shè)置于第一支架上，該活動支撐桿上固設(shè)有豎向延伸的光柵尺，該第一支架上設(shè)置有光柵讀數(shù)頭；該工作臺固設(shè)于活動支撐桿的上端；該精密活動定位臺可上下活動地設(shè)置于第二支架上，該活動支撐桿的下端與精密活動定位臺固定連接，針對該精密活動定位臺設(shè)置有帶動精密活動定位臺上下活動的驅(qū)動裝置，該活動支撐桿和工作臺隨精密活動定位臺同步上下活動；以及，該工作臺的中心、光柵尺的中心、光柵讀數(shù)頭的中心以及精密活動定位臺的中心位于同一直線上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)新穎的大行程高精度Z軸工作臺，其特征在于:所述精密活動定位臺位于第二支架的一側(cè)，該第二支架的頂部設(shè)置有定滑輪支架，該定滑輪支架的兩側(cè)分別設(shè)置有定滑輪，其中一定滑輪位于精密活動定位臺的正上方，另一定滑輪位于第二支架另一側(cè)的上方，兩定滑輪上設(shè)置有牽引繩，該牽引繩的一端與精密活動定位臺連接，牽引繩的另一端連接有拉力傳感器，該拉力傳感器上垂直吊掛有配重塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)新穎的大行程高精度Z軸工作臺，其特征在于:所述定滑輪支架包括有縱向調(diào)節(jié)塊和橫向調(diào)節(jié)塊；該縱向調(diào)節(jié)塊上設(shè)置有縱向條形孔，一第一調(diào)節(jié)螺栓穿過該縱向條形孔與第二支架固定連接；該橫向調(diào)節(jié)塊上設(shè)置有橫向條形孔，一第二調(diào)節(jié)螺栓穿過該橫向條形孔與縱向調(diào)節(jié)塊固定連接；前述定滑輪分別可轉(zhuǎn)動地設(shè)置有橫向調(diào)節(jié)塊的兩端。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)新穎的大行程高精度Z軸工作臺，其特征在于:所述配重塊包括有多個500g砝碼、多個IOOg砝碼以及多個50g砝碼，該多個500g砝碼、多個IOOg石去碼以及多個50g破碼由下往上疊合一起。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)新穎的大行程高精度Z軸工作臺，其特征在于:所述驅(qū)動裝置包括有步進(jìn)電機(jī)以及絲桿螺母機(jī)構(gòu)，該絲桿螺母機(jī)構(gòu)包括有絲桿以及與絲桿螺合的螺母，該絲桿豎向延伸并可轉(zhuǎn)動地設(shè)置于第二支架上，前述精密活動定位臺固定于螺母上，該步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動絲桿轉(zhuǎn)動。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)新穎的大行程高精度Z軸工作臺，其特征在于:所述第一支架為L型支架，該第一支架通過螺釘固定于底座上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)新穎的大行程高精度Z軸工作臺，其特征在于:所述第二支架為L型支架，該第二支架通過螺釘固定于底座上。
【文檔編號】B23Q17/00GK103506855SQ201310300432
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月17日
【發(fā)明者】范偉, 金花雪, 余卿, 葉瑞芳 申請人:華僑大學(xué)