结构新颖的大行程高精度z轴工作台的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种结构新颖的大行程高精度Z轴工作台，包括有底座、第一支架、第二支架、活动支撑杆、工作台以及精密活动定位台；该第一支架和第二支架均设置于底座上；该活动支撑杆可上下活动地设于第一支架上，该活动支撑杆上固设有竖向延伸的光栅尺，该第一支架上设有光栅读数头；该精密活动定位台可上下活动地设置于第二支架上，该活动支撑杆的下端与精密活动定位台固定连接，针对该精密活动定位台设有驱动装置。藉此，通过将工作台的中心、光栅尺的中心、光栅读数头的中心以及精密活动定位台的中心设置在位于同一直线上，理论上可实现系统的零阿贝误差，以最大程度地减少了系统的阿贝误差，满足微纳米测量和微纳米加工要求。
【专利说明】结构新颖的大行程高精度Z轴工作台
【技术领域】
[0001]本发明涉及精密机械结构设计领域技术，尤其是指一种结构新颖的大行程高精度Z轴工作台。
【背景技术】
[0002]在微型机械、超精密加工、微型装配、半导体器件制造及纳米技术等领域，均需要高精度的定位和非常精细的运动，因此微位移驱动技术成为这些领域的关键技术支持。目前在很多应用场合，需要具有数十毫米行程、纳米级定位精度的Z轴工作台。满足大量程高精度的Z轴工作台大多采用多级驱动。大行程用步进电机驱动，其行程大但定位精度不高；然后再通过压电陶瓷的微驱动，实现高精度定位。所以结构上，导轨面之间及导轨面与工作台面之间均有较大的间距，阿贝误差不容易控制，无法满足微纳米测量和微纳米加工的要求。Z轴的驱动精度较X、Y轴的平面驱动要低很多，主要是由于往返行程的驱动不均匀导致，因此需加配重。现有工作台的配重多是采用双质量块的对称结构，很难达到重力平衡，结构也相对复杂，使得驱动控制难以均匀平稳。此外，传统Z轴工作台对驱动行程的状态也没有必要的传感器监测，因此工作台配重的状态调整也很难实时保证。
【发明内容】
[0003]有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种结构新颖的大行程高精度Z轴工作台，其能有效解决现有之Z轴工作台的阿贝误差不容易控制而无法满足微纳米测量和微纳米加工要求的问题。
[0004]本发明的另一目的是提供一种结构新颖的大行程高精度Z轴工作台，其能有效解决现有之Z轴工作台难达到重力平衡、结构复杂并使得驱动控制难以均匀平稳的问题。
[0005]本发明的再一目的是提供一种结构新颖的大行程高精度Z轴工作台，其能有效解决现有之Z轴工作台缺少必要的传感器监测的问题。
[0006]为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案:
[0007]一种结构新颖的大行程高精度Z轴工作台，包括有底座、第一支架、第二支架、活动支撑杆、工作台以及精密活动定位台；该第一支架和第二支架均设置于底座上；该活动支撑杆可上下活动地设置于第一支架上，该活动支撑杆上固设有竖向延伸的光栅尺，该第一支架上设置有光栅读数头；该工作台固设于活动支撑杆的上端；该精密活动定位台可上下活动地设置于第二支架上，该活动支撑杆的下端与精密活动定位台固定连接，针对该精密活动定位台设置有带动精密活动定位台上下活动的驱动装置，该活动支撑杆和工作台随精密活动定位台同步上下活动；以及，该工作台的中心、光栅尺的中心、光栅读数头的中心以及精密活动定位台的中心位于同一直线上。
[0008]作为一种优选方案，所述精密活动定位台位于第二支架的一侧，该第二支架的顶部设置有定滑轮支架，该定滑轮支架的两侧分别设置有定滑轮，其中一定滑轮位于精密活动定位台的正上方，另一定滑轮位于第二支架另一侧的上方，两定滑轮上设置有牵引绳，该牵引绳的一端与精密活动定位台连接，牵引绳的另一端连接有拉力传感器，该拉力传感器上垂直吊挂有配重块。
[0009]作为一种优选方案，所述定滑轮支架包括有纵向调节块和横向调节块；该纵向调节块上设置有纵向条形孔，一第一调节螺栓穿过该纵向条形孔与第二支架固定连接；该横向调节块上设置有横向条形孔，一第二调节螺栓穿过该横向条形孔与纵向调节块固定连接；前述定滑轮分别可转动地设置有横向调节块的两端。
[0010]作为一种优选方案，所述配重块包括有多个500g砝码、多个100g砝码以及多个50g砝码，该多个500g砝码、多个100g砝码以及多个50g砝码由下往上叠合一起。
[0011]作为一种优选方案，所述驱动装置包括有步进电机以及丝杆螺母机构，该丝杆螺母机构包括有丝杆以及与丝杆螺合的螺母，该丝杆竖向延伸并可转动地设置于第二支架上，前述精密活动定位台固定于螺母上，该步进电机通过联轴器带动丝杆转动。
[0012]作为一种优选方案，所述第一支架为L型支架，该第一支架通过螺钉固定于底座上。
[0013]作为一种优选方案，所述第二支架为L型支架，该第二支架通过螺钉固定于底座上。
[0014]本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知:
[0015]一、通过将工作台的中心、光栅尺的中心、光栅读数头的中心以及精密活动定位台的中心设置在位于同一直线上，理论上可实现系统的零阿贝误差，以最大程度地减少了系统的阿贝误差，满足微纳米测量和微纳米加工要求。
[0016]二、通过配合利用定滑 轮支架、定滑轮和牵引绳以吊挂配重块而形成结构简单的单臂桥式配重设计，通过有限元Analysis对系统的重心进行分析计算，采用单配重结构，使吊臂垂直牵引在系统重心线，且通过定滑轮支架使得配重块的重心可调，通过调整牵引绳前后左右微小距离的移动，使吊臂垂直牵引在系统重心线，从而确保驱动过程的均匀平稳。
[0017]三、通过设置有拉力传感器，利用拉力传感器对驱动行程的状态进行监测，以使得工作台配重的状态调整也得到实时保证。
[0018]为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明:
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本发明之较佳实施例的组装立体示图；
[0020]图2是本发明之较佳实施例的主视图
[0021]图3是本发明之较佳实施例的侧视图；
[0022]图4是本发明之较佳实施例的俯视图；
[0023]图5是图2中A方向的示意图。
[0024]附图标识说明:
[0025]10、底座101、螺钉
[0026]102、开槽平端紧定螺钉20、第一支架[0027]30、第二支架40、活动支撑杆
[0028]50、工作台60、精密活动定位台
[0029]70、光栅尺80、光栅读数头
[0030]90、驱动装置91、步进电机
[0031]92、丝杆螺母机构93、联轴器
[0032]10'、定滑轮支架11'、纵向调节块
[0033]12'、横向调节块13'、第一调节螺栓
[0034]14'、第二调节螺栓101'、纵向条形孔
[0035]102'、横向条形孔20'、定滑轮
[0036]30'、牵引绳40'、拉力传感器
[0037]50'、配重块51'、500g 砝码
[0038]52'、100g 砝码53'、50g 砝码
【具体实施方式】
[0039]请参照图1至图5所示，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构，包括有底座
10、第一支架20、第二支架3 0、活动支撑杆40、工作台50以及精密活动定位台60。
[0040]其中，该第一支架20和第二支架30均设置于底座10上；在本实施例中，该第一支架20和第二支架30均为L型支架，该第一支架20和第二支架30均通过螺钉101固定于底座10上，不以为限。
[0041]该活动支撑杆40竖向延伸，该活动支撑杆40可上下活动地设置于第一支架20上，该活动支撑杆40上固设有竖向延伸的光栅尺70，该第一支架20上设置有光栅读数头80，该光栅读数头80通过开槽平端紧定螺钉102固定于第一支架20上。
[0042]该工作台50固设于活动支撑杆40的上端。
[0043]该精密活动定位台60可上下活动地设置于第二支架30上，该活动支撑杆40的下端与精密活动定位台60固定连接，针对该精密活动定位台60设置有带动精密活动定位台60上下活动的驱动装置90，该活动支撑杆40和工作台50随精密活动定位台60同步上下活动；具体而言，该驱动装置90包括有步进电机91以及丝杆螺母机构92，该丝杆螺母机构92包括有丝杆(图中未示)以及螺合于丝杆上的螺母(图中未示)，该丝杆竖向延伸并可转动地设置于第二支架30上，前述精密活动定位台60固定于螺母上，该步进电机91通过联轴器93带动丝杆转动，该步进电机91位于丝杆的下方。
[0044]以及，该工作台50的中心、光栅尺70的中心、光栅读数头80的中心以及精密活动定位台60的中心位于同一直线上，如此在理论上可实现系统的零阿贝误差。
[0045]另外，该精密活动定位台60位于第二支架30的一侧，该第二支架30的顶部设置有定滑轮支架1(V，该定滑轮支架10'的两侧分别设置有定滑轮20'，其中一定滑轮20'位于精密活动定位台60的正上方，另一定滑轮20'位于第二支架30另一侧的上方，两定滑轮20'上设置有牵引绳30'，该牵引绳30'的一端与精密活动定位台60连接，牵引绳30'的另一端连接有拉力传感器40'，该拉力传感器40'上垂直吊挂有配重块50'。具体而言，该定滑轮支架1(V包括有纵向调节块IP和横向调节块12';该纵向调节块I广上设置有纵向条形孔101'，一第一调节螺栓13'穿过该纵向条形孔101'与第二支架30固定连接，以使得纵向调节块Ir固定于第二支架30上；该横向调节块12'上设置有横向条形孔102'，一第二调节螺栓14'穿过该横向条形孔102'与纵向调节块11'固定连接，以使得横向调节块12'固定于纵向调节块11'上；前述定滑轮20'分别可转动地设置有横向调节块12'的两端。该配重块50'包括有多个500g砝码51'、多个IOOg砝码52'以及多个50g砝码53'，该多个500g砝码51'、多个IOOg砝码52'以及多个50g砝码53'由下往上叠合一起。
[0046]详述本实施例的工作原理如下:
[0047]工作时，由步进电机91通过联轴器93带动丝杆螺母机构92转动，使得精密活动定位台60在第二支架30上上下活动，该活动支撑杆40、工作台50和光栅尺70随精密活动定位台60同步上下活动，配合利用光栅读数头80可读取出工作台50上升或下降的距离。同时，在精密活动定位台60上升的时候，该配重块50'在自重的作用下下降，在精密活动定位台60下降的时候，该配重块50'在牵引绳30'的牵引下上升，在配重块50'下降或上升的过程中，利用拉力传感器40'可对驱动牵引力的变化进行监测；并且可同时配合电流传感器(图中未示)对工作台50的驱动状态进行监测，电流传感器监测步进电机91的输出功率，当配重块50'调整不好，驱动力在不同行程中不均匀，将会导致步进电机91输出功率的变化，而步进电机91驱动电压一定，P = UI，可实时监控步进电机91输出功率变化。
[0048]另外，通过Auto Cad的系统重心计算，可以找到理论上的重心，但与系统实际的重心还是会有些差距，如图5所示，这时可以通过调整纵向调节块11'和横向调节块12'的固定位置，以此调整牵引绳30'前后左右微小距离的移动，使吊臂垂直牵引在系统重心线。
[0049]本发明的设计重点在于:首先，通过将工作台的中心、光栅尺的中心、光栅读数头的中心以及精密活动定位台的中心设置在位于同一直线上，理论上可实现系统的零阿贝误差，以最大程度地减少了系统的阿贝误差，满足微纳米测量和微纳米加工要求。其次，通过配合利用定滑轮支架、定滑轮和牵引绳以吊挂配重块而形成结构简单的单臂桥式配重设计，通过有限元Analysis对系统的重心进行分析计算，采用单配重结构，使吊臂垂直牵引在系统重心线，且通过定滑轮支架使得配重块的重心可调，通过调整牵引绳前后左右微小距离的移动，使吊臂垂直牵引在系统重心线，从而确保驱动过程的均匀平稳。再者，通过设置有拉力传感器，利用拉力传感器对驱动行程的状态进行监测，以使得工作台配重的状态调整也得到实时保证。
[0050]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
【权利要求】
1.一种结构新颖的大行程高精度Z轴工作台，其特征在于:包括有底座、第一支架、第二支架、活动支撑杆、工作台以及精密活动定位台；该第一支架和第二支架均设置于底座上；该活动支撑杆可上下活动地设置于第一支架上，该活动支撑杆上固设有竖向延伸的光栅尺，该第一支架上设置有光栅读数头；该工作台固设于活动支撑杆的上端；该精密活动定位台可上下活动地设置于第二支架上，该活动支撑杆的下端与精密活动定位台固定连接，针对该精密活动定位台设置有带动精密活动定位台上下活动的驱动装置，该活动支撑杆和工作台随精密活动定位台同步上下活动；以及，该工作台的中心、光栅尺的中心、光栅读数头的中心以及精密活动定位台的中心位于同一直线上。
2.根据权利要求1所述的结构新颖的大行程高精度Z轴工作台，其特征在于:所述精密活动定位台位于第二支架的一侧，该第二支架的顶部设置有定滑轮支架，该定滑轮支架的两侧分别设置有定滑轮，其中一定滑轮位于精密活动定位台的正上方，另一定滑轮位于第二支架另一侧的上方，两定滑轮上设置有牵引绳，该牵引绳的一端与精密活动定位台连接，牵引绳的另一端连接有拉力传感器，该拉力传感器上垂直吊挂有配重块。
3.根据权利要求2所述的结构新颖的大行程高精度Z轴工作台，其特征在于:所述定滑轮支架包括有纵向调节块和横向调节块；该纵向调节块上设置有纵向条形孔，一第一调节螺栓穿过该纵向条形孔与第二支架固定连接；该横向调节块上设置有横向条形孔，一第二调节螺栓穿过该横向条形孔与纵向调节块固定连接；前述定滑轮分别可转动地设置有横向调节块的两端。
4.根据权利要求2所述的结构新颖的大行程高精度Z轴工作台，其特征在于:所述配重块包括有多个500g砝码、多个IOOg砝码以及多个50g砝码，该多个500g砝码、多个IOOg石去码以及多个50g破码由下往上叠合一起。
5.根据权利要求1所述的结构新颖的大行程高精度Z轴工作台，其特征在于:所述驱动装置包括有步进电机以及丝杆螺母机构，该丝杆螺母机构包括有丝杆以及与丝杆螺合的螺母，该丝杆竖向延伸并可转动地设置于第二支架上，前述精密活动定位台固定于螺母上，该步进电机通过联轴器带动丝杆转动。
6.根据权利要求1所述的结构新颖的大行程高精度Z轴工作台，其特征在于:所述第一支架为L型支架，该第一支架通过螺钉固定于底座上。
7.根据权利要求1所述的结构新颖的大行程高精度Z轴工作台，其特征在于:所述第二支架为L型支架，该第二支架通过螺钉固定于底座上。
【文档编号】B23Q17/00GK103506855SQ201310300432
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年7月17日 优先权日:2013年7月17日
【发明者】范伟, 金花雪, 余卿, 叶瑞芳 申请人:华侨大学