專利名稱：具有角度補(bǔ)償功能的大行程二維納米工作臺系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大范圍高精度定位工作臺系統(tǒng)領(lǐng)域，具體為一種具有角度補(bǔ)償功能的大行程二維納米工作臺系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在測量系統(tǒng)中，工作臺不僅需要具有極高的直線定位精度，而且需要盡可能的減小其運(yùn)動角度誤差。工作臺的角度誤差對其定位誤差有著放大作用，尤其在違背阿貝原則的測量系統(tǒng)中，因工作臺角度誤差及阿貝臂引起的阿貝誤差更是不可忽略。傳統(tǒng)的χ-y 二維工作臺多由兩個可單軸運(yùn)動的工作臺疊加而成，導(dǎo)軌的不完善性導(dǎo)致運(yùn)動臺產(chǎn)生俯仰、偏擺和滾擺運(yùn)動，如果此時兩個工作臺在空間上存在高度差，則會將導(dǎo)軌的定位誤差放大反映到載物臺所處的測量平面上。例如堆疊而成的二維測量平臺，兩導(dǎo)軌運(yùn)動面不重合，存在S = 5cm的高度差，下層工作臺運(yùn)動傾斜角度為，則給上一層工作臺造成的運(yùn)動定位誤差=250nm，這個誤 差量級對于納米測量是不可忽略的。在普通精度測量系統(tǒng)中，可以通過軟件補(bǔ)償對此誤差進(jìn)行一定程度的補(bǔ)償，但是在納米級測量系統(tǒng)中，由于工作臺力變形及測量環(huán)境的變化，甚至是工件放置位置的不同都會造成工作臺的附加微小變形，當(dāng)測量機(jī)行程較大時，單靠補(bǔ)償很難達(dá)到納米級。為了解決此問題，有研究提出了共平面導(dǎo)軌設(shè)計方案，這種導(dǎo)向與測量面的共平面設(shè)計，消除了導(dǎo)軌角運(yùn)動誤差和導(dǎo)軌高度差對平臺定位誤差的放大作用。但是在測量時，對于有一定高度的被測件，工作臺的角度誤差仍會引入不可忽略的測量誤差，并且此誤差隨著工件的形狀及放置位置不同而變化，難以補(bǔ)償。通過提高工作臺導(dǎo)軌的加工精度和裝配精度對減小工作臺的定位誤差和角度偏差有一定的效果，但是在大行程及高精度的要求下，成本極高且難以實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有角度補(bǔ)償功能的大行程二維納米工作臺系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
具有角度補(bǔ)償功能的大行程二維納米工作臺系統(tǒng)，其特征在于:包括有底座、設(shè)置在底座上的大行程二維工作臺、由大行程二維工作臺支撐的六自由度微動工作臺、分布在六自由度微動工作臺兩相鄰側(cè)外并互呈90度夾角的兩個光學(xué)測長測角系統(tǒng)，其中:
所述的大行程二維工作臺由分別沿X向、Y向設(shè)置的兩組單軸工作臺上下交叉疊加而成，每個單軸工作臺以循環(huán)滾珠導(dǎo)軌副作為導(dǎo)向元件，以步進(jìn)電機(jī)配合滾珠絲杠為驅(qū)動方式，其中位于上部的單軸工作臺固定在位于下部的單軸工作臺的導(dǎo)軌滑塊上；
所述的六自由度微動工作臺的驅(qū)動元件為壓電陶瓷，所用八個壓電陶瓷均通過壓電陶瓷無應(yīng)力夾持預(yù)緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行夾持和預(yù)緊，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)為柔性鉸鏈彈性導(dǎo)軌，六自由度微動工作臺包括連接板，所述連接板安裝在大行程二維工作臺中位于上部的單軸工作臺的導(dǎo)軌滑塊上并剛性相連，連接板上沿Z向設(shè)置有四組壓電陶瓷驅(qū)動單元，四組壓電陶瓷驅(qū)動單元在連接板上呈中心對稱并圍成矩形，且矩形的側(cè)邊分別與X向、Y向平行，連接板上還支撐有多自由度板，所述多自由度板由外框、設(shè)置在外框中的中框和設(shè)置在中框中的內(nèi)基板構(gòu)成，所述多自由度板通過其內(nèi)基板固定在四組壓電陶瓷驅(qū)動單元組成的矩形頂部，且多自由度板側(cè)邊與四組壓電陶瓷驅(qū)動單元組成的矩形邊緣平行，兩個光學(xué)測長測角系統(tǒng)分布在多自由度板兩相鄰的側(cè)邊外，多自由度板外框位于其中一個光學(xué)測長測角系統(tǒng)同側(cè)的框邊頂部設(shè)置有X軸反射鏡調(diào)整支架，多自由度板外框位于另一個光學(xué)測長測角系統(tǒng)同側(cè)的框邊頂部設(shè)置有Y軸反射鏡調(diào)整支架，X軸反射鏡調(diào)整支架與Y軸反射鏡調(diào)整支架彼此呈90度分布在多自由度板外框頂部，且X軸反射鏡調(diào)整支架頂部設(shè)置有作為X向光學(xué)測長測角系統(tǒng)靶鏡的X軸反射鏡、Y軸反射鏡調(diào)整支架頂部設(shè)置有作為Y向光學(xué)測長測角系統(tǒng)靶鏡的Y軸反射鏡，X軸反射鏡、Y軸反射鏡各自對側(cè)的多自由度板外框框邊頂部分別安裝有反射鏡調(diào)整支架，反射鏡調(diào)整支架上分別固定有平衡對側(cè)反射鏡重量的配重塊，所述X、Y軸反射鏡調(diào)整支架及X、Y軸反射鏡調(diào)整支架對側(cè)的配重用的反射鏡調(diào)整支架在多自由度板外框頂部框接構(gòu)成框形，且框形中間的多自由度板外框頂部還安裝有載物臺。所述的具有角度補(bǔ)償功能的大行程二維納米工作臺系統(tǒng)，其特征在于:所述光學(xué)測長測角系統(tǒng)分別由光電自準(zhǔn)直儀和邁克爾遜激光干涉儀構(gòu)成。所述的具有角度補(bǔ)償功能的大行程二維納米工作臺系統(tǒng)，其特征在于:所述壓電陶瓷無應(yīng)力夾持預(yù)緊機(jī)構(gòu)包括矩形壓電陶瓷、分別無應(yīng)力夾持在壓電陶瓷頂部和底部絕緣陶瓷片上的墊片、嵌在其中一個墊片的錐形孔與固定基板的錐形孔之間的直徑3mm的鋼球、嵌在另一墊片的錐形孔與預(yù)緊螺釘頭部錐形孔之間的直徑3mm的鋼球、預(yù)緊螺釘和預(yù)緊螺母，墊片的正面加工有滑槽，墊片的背面加工有錐形孔，兩個墊片正面相對且使滑槽方向成90度角卡在壓電陶瓷兩端的絕緣陶瓷片上，使得壓電陶瓷的位置被限定，而滑槽的存在使得在預(yù)緊螺釘和固定基板的錐形孔由于加工及裝配精度低而不同軸時，兩墊片可以在裝配時沿滑槽方向進(jìn)行微小滑動以補(bǔ)償由于預(yù)緊螺釘和固定基板的錐形孔由于加工及裝配精度低而不同軸時可能引入的附加應(yīng)力，兩墊片的背面、固定基板以及預(yù)緊螺釘?shù)那岸硕技庸び绣F形孔，直徑3mm的鋼球分別卡在其中，在對應(yīng)兩錐形孔之間起定位及傳遞力的作用，壓電陶瓷的預(yù)緊通過嵌在移動基板中的預(yù)緊螺母和預(yù)緊螺釘實現(xiàn)，所用螺距為0.35mmο
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所述的具有角度補(bǔ)償功能的大行程二維納米工作臺系統(tǒng)，其特征在于:多自由度板采用7075鋁合金經(jīng)線切割加工而成，由內(nèi)基板、中框和外框構(gòu)成，內(nèi)基板和中框之間安裝有兩個壓電陶瓷，兩個壓電陶瓷的夾持和預(yù)緊方式和所述壓電陶瓷無應(yīng)力夾持預(yù)緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)一致，內(nèi)基板和中框之間的兩個陶瓷同時伸長時，中框相對于內(nèi)基板做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，中框和外框之間沿X方向和沿Y方向分別安裝有X方向壓電陶瓷和Y方向壓電陶瓷，兩個壓電陶瓷的夾持和預(yù)緊方式和所述壓電陶瓷無應(yīng)力夾持預(yù)緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)一致，X方向壓電陶瓷伸長時，外框相對中框向X方向移動，Y方向壓電陶瓷伸長時，外框相對中框向Y方向移動，X方向壓電陶瓷和Y方向壓電陶瓷同時伸長時，外框相對中框做沿XY方向的合運(yùn)動，內(nèi)基板的四周均布有四組Z向壓電陶瓷驅(qū)動單元固定孔和四個Z向壓電陶瓷驅(qū)動單元預(yù)緊螺釘孔，內(nèi)基板的外側(cè)四角分別加工有平行板柔性鉸鏈，內(nèi)基板和中框通過四組平行板柔性鉸鏈相連，中框的框邊外四角分別加工有雙向平行板柔性鉸鏈，中框和外框通過雙向平行板柔性鉸鏈相連，外框的框口四角均布共八個載物臺固定孔，外框在外側(cè)和X方向驅(qū)動陶瓷、Y方向驅(qū)動陶瓷相對的位置分別均布三個反射鏡調(diào)整支架固定孔，X方向驅(qū)動陶瓷、Y方向驅(qū)動陶瓷同側(cè)的位置分別均布有兩個反射鏡調(diào)整支架固定孔。所述的具有角度補(bǔ)償功能的大行程二維納米工作臺系統(tǒng)，其特征在于:所述柔性鉸鏈均為平行板柔性鉸鏈。所述的具有角度補(bǔ)償功能的大行程二維納米工作臺系統(tǒng)，其特征在于:Z向壓電陶瓷驅(qū)動單元由基體、設(shè)置在基體中的壓電陶瓷構(gòu)成，壓電陶瓷的夾持和預(yù)緊方式和所述壓電陶瓷無應(yīng)力夾持預(yù)緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)一致，其中基體的頂部設(shè)有上連接孔，基體的頂部中心開有通孔，基體的底部設(shè)有下連接孔，所述基體底部通過安裝在下連接孔中的螺栓固定在連接板上，所述基體頂部的上連接孔和多自由度板內(nèi)基板的Z向壓電陶瓷驅(qū)動單元固定孔通過螺栓固定在一起，預(yù)緊螺母嵌入多自由度板內(nèi)基板上的Z向壓電陶瓷驅(qū)動單元預(yù)緊螺釘孔中，預(yù)緊螺釘從多自由度板上側(cè)旋入，穿過基體頂部中心的通孔，對壓電陶瓷進(jìn)行夾持和預(yù)緊。本發(fā)明基于宏微組合驅(qū)動方式提出一種大行程二維納米工作臺的設(shè)計方案，采用基于壓電陶瓷致動器和柔性鉸鏈設(shè)計的六自由度微動工作臺對宏動工作臺進(jìn)行定位及角度誤差的綜合補(bǔ)償，最大限度提高整個工作臺系統(tǒng)的精度。本發(fā)明的有益效果在于:具有200mmX200mm的大運(yùn)動范圍，成本低廉，控制簡單；
控制方式簡單，無須復(fù)雜算法，各自由度之間寄生運(yùn)動?。痪哂羞\(yùn)動范圍大、定位精度高、運(yùn)動角度誤差小、成本低廉的優(yōu)點。


圖1為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明大行程二維工作臺結(jié)構(gòu)圖。圖3為本發(fā)明六自由度微動工作臺結(jié)構(gòu)圖。圖4為本發(fā)明壓電陶瓷無應(yīng)力夾持預(yù)緊機(jī)構(gòu)。圖5為本發(fā)明多自由度板結(jié)構(gòu)圖。圖6為本發(fā)明Z向壓電陶瓷驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式參見圖1、圖2、圖3,本發(fā)明包括一個底座I, 一個大行程二維工作臺5, —個六自由度微動工作臺3，兩套呈90度夾角布置的光學(xué)測長測角系統(tǒng)2和4 ;為使工作臺定位系統(tǒng)的X、Y軸直線定位精度達(dá)到納米級，利用六自由度微動工作臺3的直線運(yùn)動對大行程二維工作臺5進(jìn)行直線定位誤差的補(bǔ)償，為使工作臺定位系統(tǒng)獲得極小的角度誤差，通過六自由度微動臺3的轉(zhuǎn)角運(yùn)動對大行程二維工作臺5進(jìn)行角度誤差的補(bǔ)償；
大行程二維工作臺5由分別沿X向、Y向設(shè)置的兩組單軸工作臺上下交叉疊加而成，每個單軸工作臺以循環(huán)滾珠導(dǎo)軌副7作為導(dǎo)向元件，以步進(jìn)電機(jī)6配合滾珠絲杠8作為驅(qū)動方式，其中位于上部的單軸工作臺固定在位于下部的單軸工作臺的導(dǎo)軌滑塊10上，疊加之后的大行程二維工作臺5行程為200_X200mm。六自由度微動工作臺3通過轉(zhuǎn)接板11和大行程二維工作臺5的位于上部的單軸工作臺的導(dǎo)軌滑塊9剛性相連，固定于轉(zhuǎn)接板11上的四組Z向壓電陶瓷驅(qū)動單元12提供工作臺沿Z向的升降和繞X軸、Y軸的轉(zhuǎn)動，四組Z向壓電陶瓷驅(qū)動單元12在連接板11上呈中心對稱并圍成矩形，且矩形的側(cè)邊分別與X向、Y向平行，多自由度板13通過其內(nèi)基板39固定在四組壓電陶瓷驅(qū)動單元12組成的矩形頂部，且多自由度板13側(cè)邊與四組壓電陶瓷驅(qū)動單元12組成的矩形邊緣平行，兩個光學(xué)測長測角系統(tǒng)2和4分布在多自由度板13兩相鄰的側(cè)邊外，工作臺沿X方向和Y方向的平動以及繞Z軸的轉(zhuǎn)動由多自由度板13實現(xiàn)，多自由度板13的內(nèi)基板39與四組Z向壓電陶瓷驅(qū)動單元12通過內(nèi)基板39四周的Z向壓電陶瓷驅(qū)動單元固定孔38相連，使得四個Z向壓電陶瓷驅(qū)動單元12組合運(yùn)動產(chǎn)生的俯仰運(yùn)動能夠傳遞給多自由度板13，多自由度板13外框41位于其中一個光學(xué)測長測角系統(tǒng)同側(cè)的框邊頂部設(shè)置有X軸反射鏡調(diào)整支架17，多自由度板外框位于另一個光學(xué)測長測角系統(tǒng)同側(cè)的框邊頂部設(shè)置有Y軸反射鏡調(diào)整支架14，X軸反射鏡調(diào)整支架17與Y軸反射鏡調(diào)整支架14彼此呈90度分布在多自由度板13的外框41頂部，通過三個螺釘和多自由度板13的外框41相連，具有偏擺角和俯仰角的微調(diào)功能，且X軸反射鏡調(diào)整支架17頂部設(shè)置有作為X向光學(xué)測長測角系統(tǒng)靶鏡的X軸反射鏡16、Y軸反射鏡調(diào)整支架14頂部設(shè)置有作為Y向光學(xué)測長測角系統(tǒng)靶鏡的Y軸反射鏡15，X軸反射鏡16、Υ軸反射鏡15各自對側(cè)的多自由度板外框框邊頂部 分別安裝有反射鏡調(diào)整支架21和20，反射鏡調(diào)整支架21和20上分別固定有平衡對側(cè)反射鏡重量的配重塊22和19，所述X、Y軸反射鏡調(diào)整支架17和14及Χ、Υ軸反射鏡調(diào)整支架對側(cè)的配重用的反射鏡調(diào)整支架21和20在多自由度板外框頂部框接構(gòu)成框形，且框形中間的多自由度板外框頂部還安裝有載物臺18，載物臺18通過螺釘和多自由板13的外框41相連。大行程二維工作臺5和六自由度微動工作臺3采用共用的位置檢測系統(tǒng)2和4，位置檢測系統(tǒng)2由光電自準(zhǔn)直儀和邁克爾遜激光干涉儀兩部分組成，位置檢測系統(tǒng)4的結(jié)構(gòu)和位置檢測系統(tǒng)2相同；光電自準(zhǔn)直儀用于測量載物臺18的俯仰角和偏擺角，邁克爾遜激光干涉儀用于測量載物臺18的直線定位誤差；位置檢測系統(tǒng)2和4以固定于六自由度微動工作臺3上的兩個成90度夾角布置的高精度長條狀平面反射鏡16和15為靶鏡，避免大行程二維工作臺5和六自由度微動工作臺3分別進(jìn)行位置測量時因測量基準(zhǔn)不統(tǒng)一而引入的累積誤差。參見圖4，六自由度微動工作臺中的八個壓電陶瓷均采用無應(yīng)力夾持預(yù)緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行夾裝，兩個墊片25和27面對面并使滑槽成90度角卡在壓電陶瓷26兩端的絕緣陶瓷片上，等效為將壓電陶瓷26卡在一個十字滑槽中，使得壓電陶瓷26的位置被限定，而滑槽32的存在使得在預(yù)緊螺釘31和固定基板23的錐形孔由于加工及裝配精度低而不同軸時，兩墊片25和27可以在裝配時沿滑槽方向進(jìn)行微小滑動以補(bǔ)償由于預(yù)緊螺釘31和固定基板23的錐形孔由于加工及裝配精度低而不同軸時可能引入的附加應(yīng)力，墊片25和27的背面加工有錐形孔33，固定基板23以及預(yù)緊螺釘31的前端同樣加工有錐形孔，直徑3mm的鋼球24和28分別卡在墊片25和固定基板23之間的錐形孔、墊片27和預(yù)緊螺釘31前端的錐形孔之間，在對應(yīng)兩錐形孔之間起定位及傳遞力的作用，壓電陶瓷26的預(yù)緊通過嵌在移動基板30中的預(yù)緊螺母29和預(yù)緊螺釘31實現(xiàn)。參見圖3、圖5、圖6，柔性鉸鏈均為平行板柔性鉸鏈，平行板柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)簡單，力口
工方便，無原理誤差。參加圖5，多自由度板13采用7075鋁合金經(jīng)線切割加工而成，由內(nèi)基板39、中框40和外框41構(gòu)成，內(nèi)基板39和中框40之間安裝有兩個壓電陶瓷42和44，兩個壓電陶瓷42和44的夾持和預(yù)緊方式和所述壓電陶瓷無應(yīng)力夾持預(yù)緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)一致，內(nèi)基板39和中框40之間的兩個壓電陶瓷42和44同時伸長時，中框40相對于內(nèi)基板39做繞Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，中框40和外框41之間沿X方向和沿Y方向分別安裝有X方向壓電陶瓷37和Y方向壓電陶瓷34，兩個壓電陶瓷37和34的夾持和預(yù)緊方式和所述壓電陶瓷無應(yīng)力夾持預(yù)緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)一致，X方向壓電陶瓷37伸長時，外框41相對中框40向X方向移動，Y方向壓電陶瓷34伸長時，外框41相對中框40向Y方向移動，X方向壓電陶瓷37和Y方向壓電陶瓷34同時伸長時，外框41相對中框40做沿XY方向的合運(yùn)動，內(nèi)基板39的四周均布有四組Z向壓電陶瓷驅(qū)動單元固定孔38和四個Z向壓電陶瓷驅(qū)動單元預(yù)緊螺釘孔43，內(nèi)基板39的外側(cè)四角分別加工有平行板柔性鉸鏈36，內(nèi)基板39和中框40通過四組平行板柔性鉸鏈36相連，中框40的框邊外四角分別加工有雙向平行板柔性鉸鏈35，中框40和外框41通過雙向平行板柔性鉸鏈35相連，外框41的框口四角均布共八個載物臺固定孔45，外框41在外側(cè)和X方向驅(qū)動陶瓷37、Y方向驅(qū)動陶瓷34相對的位置分別均布三個反射鏡調(diào)整支架固定孔46，反射鏡調(diào)整支架固定孔46用于反射鏡調(diào)整支架17和14的微調(diào)與固定，X方向驅(qū)動陶瓷37、Υ方向驅(qū)動陶瓷34同側(cè)的位置分別均布有兩個反射鏡調(diào)整支架固定孔47，用于反射鏡調(diào)整支架21和20的固定。參見圖6，Z向壓電陶瓷驅(qū)動單元12由基體55、設(shè)置在基體55中的壓電陶瓷54構(gòu)成，壓電陶瓷54的夾持預(yù)緊方式和所述壓電陶瓷無應(yīng)力夾持預(yù)緊機(jī)構(gòu)一致，其中基體55的頂部設(shè)有上連接孔49，基體55的頂部中心開有通孔52，基體55的底部設(shè)有下連接孔48，所述基體55底部通過安裝在下連接孔48中的螺栓固定在連接板11上，所述基體55頂部的上連接孔49和多自由度板13的內(nèi)基板39的Z向壓電陶瓷驅(qū)動單元固定孔38通過螺栓固定在一起，預(yù)緊螺母嵌入多自由度板13的內(nèi)基板39上的Z向壓電陶瓷驅(qū)動單元預(yù)緊螺釘孔43中，預(yù)緊螺釘51從多自由度板13上方旋入，穿過基體55頂部中心的通孔52，對壓電陶瓷54進(jìn)行夾持和 預(yù)緊。
權(quán)利要求
1.具有角度補(bǔ)償功能的大行程二維納米工作臺系統(tǒng)，其特征在于包括有底座、設(shè)置在底座上的大行程二維工作臺、由大行程二維工作臺支撐的六自由度微動工作臺、分布在六自由度微動工作臺兩相鄰側(cè)外并互呈90度夾角的兩個光學(xué)測長測角系統(tǒng)，其中 所述的大行程二維工作臺由分別沿X向、Y向設(shè)置的兩組單軸工作臺上下交叉疊加而成，每個單軸工作臺以循環(huán)滾珠導(dǎo)軌副作為導(dǎo)向元件，以步進(jìn)電機(jī)配合滾珠絲杠為驅(qū)動方式，其中位于上部的單軸工作臺固定在位于下部的單軸工作臺的導(dǎo)軌滑塊上； 所述的六自由度微動工作臺的驅(qū)動元件為壓電陶瓷，所用八個壓電陶瓷均通過壓電陶瓷無應(yīng)力夾持預(yù)緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行夾持和預(yù)緊，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)為柔性鉸鏈彈性導(dǎo)軌，六自由度微動工作臺包括連接板，所述連接板安裝在大行程二維工作臺中位于上部的單軸工作臺的導(dǎo)軌滑塊上并剛性相連，連接板上沿Z向設(shè)置有四組壓電陶瓷驅(qū)動單元，四組壓電陶瓷驅(qū)動單元在連接板上呈中心對稱并圍成矩形，且矩形的側(cè)邊分別與X向、Y向平行，連接板上還支撐有多自由度板，所述多自由度板由外框、設(shè)置在外框中的中框和設(shè)置在中框中的內(nèi)基板構(gòu)成，所述多自由度板通過其內(nèi)基板固定在四組壓電陶瓷驅(qū)動單元組成的矩形頂部，且多自由度板側(cè)邊與四組壓電陶瓷驅(qū)動單元組成的矩形邊緣平行，兩個光學(xué)測長測角系統(tǒng)分布在多自由度板兩相鄰的側(cè)邊外，多自由度板外框位于其中一個光學(xué)測長測角系統(tǒng)同側(cè)的框邊頂部設(shè)置有X軸反射鏡調(diào)整支架，多自由度板外框位于另一個光學(xué)測長測角系統(tǒng)同側(cè)的框邊頂部設(shè)置有Y軸反射鏡調(diào)整支架，X軸反射鏡調(diào)整支架與Y軸反射鏡調(diào)整支架彼此呈90度分布在多自由度板外框頂部，且X軸反射鏡調(diào)整支架頂部設(shè)置有作為X向光學(xué)測長測角系統(tǒng)靶鏡的X軸反射鏡、Y軸反射鏡調(diào)整支架頂部設(shè)置有作為Y向光學(xué)測長測角系統(tǒng)靶鏡的Y軸反射鏡，X軸反射鏡、Y軸反射鏡各自對側(cè)的多自由度板外框框邊頂部分別安裝有反射鏡調(diào)整支架，反射鏡調(diào)整支架上分別固定有平衡對側(cè)反射鏡重量的配重塊，所述X、Y軸反射鏡調(diào)整支架及X、Y軸反射鏡調(diào)整支架對側(cè)的配重用的反射鏡調(diào)整支架在多自由度板外框頂部框接構(gòu)成框形，且框形中間的多自由度板外框頂部還安裝有載物臺。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有角度補(bǔ)償功能的大行程二維納米工作臺系統(tǒng)，其特征在于所述光學(xué)測長測角系統(tǒng)分別由光電自準(zhǔn)直儀和邁克爾遜激光干涉儀構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有角度補(bǔ)償功能的大行程二維納米工作臺系統(tǒng)，其特征在于所述壓電陶瓷無應(yīng)力夾持預(yù)緊機(jī)構(gòu)包括矩形壓電陶瓷、分別無應(yīng)力夾持在壓電陶瓷頂部和底部絕緣陶瓷片上的墊片、嵌在其中一個墊片的錐形孔與固定基板的錐形孔之間的直徑3mm的鋼球、嵌在另一墊片的錐形孔與預(yù)緊螺釘頭部錐形孔之間的直徑3mm的鋼球、預(yù)緊螺釘和預(yù)緊螺母，墊片的正面加工有滑槽，墊片的背面加工有錐形孔，兩個墊片正面相對且使滑槽方向成90度角卡在壓電陶瓷兩端的絕緣陶瓷片上，使得壓電陶瓷的位置被限定，而滑槽的存在使得在預(yù)緊螺釘和固定基板的錐形孔由于加工及裝配精度低而不同軸時，兩墊片可以在裝配時沿滑槽方向進(jìn)行微小滑動以補(bǔ)償由于預(yù)緊螺釘和固定基板的錐形孔由于加工及裝配精度低而不同軸時可能引入的附加應(yīng)力，兩墊片的背面、固定基板以及預(yù)緊螺釘?shù)那岸硕技庸び绣F形孔，直徑3mm的鋼球分別卡在其中，在對應(yīng)兩錐形孔之間起定位及傳遞力的作用，壓電陶瓷的預(yù)緊通過嵌在移動基板中的預(yù)緊螺母和預(yù)緊螺釘實現(xiàn)，所用螺距為O. 35_。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有角度補(bǔ)償功能的大行程二維納米工作臺系統(tǒng)，其特征在于多自由度板采用7075鋁合金經(jīng)線切割加工而成，由內(nèi)基板、中框和外框構(gòu)成，內(nèi)基板和中框之間安裝有兩個壓電陶瓷，兩個壓電陶瓷的夾持和預(yù)緊方式和所述壓電陶瓷無應(yīng)力夾持預(yù)緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)一致，內(nèi)基板和中框之間的兩個陶瓷同時伸長時，中框相對于內(nèi)基板做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，中框和外框之間沿X方向和沿Y方向分別安裝有X方向壓電陶瓷和Y方向壓電陶瓷，兩個壓電陶瓷的夾持和預(yù)緊方式和所述壓電陶瓷無應(yīng)力夾持預(yù)緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)一致，X方向壓電陶瓷伸長時,外框相對中框向X方向移動,Y方向壓電陶瓷伸長時,外框相對中框向Y方向移動，X方向壓電陶瓷和Y方向壓電陶瓷同時伸長時，外框相對中框做沿XY方向的合運(yùn)動，內(nèi)基板的四周均布有四組Z向壓電陶瓷驅(qū)動單元固定孔和四個Z向壓電陶瓷驅(qū)動單元預(yù)緊螺釘孔，內(nèi)基板的外側(cè)四角分別加工有平行板柔性鉸鏈，內(nèi)基板和中框通過四組平行板柔性鉸鏈相連，中框的框邊外四角分別加工有雙向平行板柔性鉸鏈，中框和外框通過雙向平行板柔性鉸鏈相連，外框的框口四角均布共八個載物臺固定孔，外框在外側(cè)和X方向驅(qū)動陶瓷、Y方向驅(qū)動陶瓷相對的位置分別均布三個反射鏡調(diào)整支架固定孔，X方向驅(qū)動陶瓷、Y方向驅(qū)動陶瓷同側(cè)的位置分別均布有兩個反射鏡調(diào)整支架固定孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有角度補(bǔ)償功能的大行程二維納米工作臺系統(tǒng)，其特征在于所述柔性鉸鏈均為平行板柔性鉸鏈。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有角度補(bǔ)償功能的大行程二維納米工作臺系統(tǒng)，其特征在于Z向壓電陶瓷驅(qū)動單元由基體、設(shè)置在基體中的壓電陶瓷構(gòu)成，壓電陶瓷的夾持和預(yù)緊方式和所述壓電陶瓷無應(yīng)力夾持預(yù)緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)一致，其中基體的頂部設(shè)有上連接孔，基體的頂部中心開有通孔，基體的底部設(shè)有下連接孔，所述基體底部通過安裝在下連接孔中的螺栓固定在連接板上，所述基體頂部的上連接孔和多自由度板內(nèi)基板的Z向壓電陶瓷驅(qū)動單元固定孔通過螺栓固定在一起，預(yù)緊螺母嵌入多自由度板內(nèi)基板上的Z向壓電陶瓷驅(qū)動單元預(yù)緊螺釘孔中，預(yù)緊螺釘從多自由度板上側(cè)旋入，穿過基體頂部中心的通孔，對壓電陶瓷進(jìn)行夾持和預(yù)緊。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有角度補(bǔ)償功能的大行程二維納米工作臺系統(tǒng)，采用基于壓電陶瓷致動器和柔性鉸鏈設(shè)計的六自由度微動工作臺對大行程二維工作臺進(jìn)行直線定位及角度誤差的綜合補(bǔ)償。本發(fā)明中，大行程二維工作臺采用步進(jìn)電機(jī)結(jié)合滾珠絲杠的驅(qū)動方式，具有較大的俯仰角、偏擺角、滾轉(zhuǎn)角誤差，定位精度在微米級；六自由度微動工作臺具有納米級的直線定位精度和毫秒級的角度定位精度。兩者結(jié)合，組成了大行程二維納米工作臺系統(tǒng)。該系統(tǒng)在閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制下通過六自由度微動工作臺對大行程二維納米工作臺進(jìn)行直線定位誤差和角度誤差的綜合補(bǔ)償，實現(xiàn)了二維大行程納米定位。
文檔編號B25H1/02GK103252761SQ20131015605
公開日2013年8月21日 申請日期2013年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月28日
發(fā)明者黃強(qiáng)先, 張昔峰, 袁鈺, 韓彬, 胡小娟 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)