一种单轴宏微运动装置的制作方法

本发明涉及精密运动平台技术领域，更具体地说，涉及一种单轴宏微运动装置。

背景技术：

平台结构中，宏微复合的运动平台由于具有较好的精度效果、较高的分辨率以及较高的定位精度得到科研人员的广泛认可和研究应用；为获得较高精度的零件，合格的产品，就意味着需要对零件进行检测，现有的对产品的检测更多的是采用光学检测。

而光学系统在工作过程中，成像目标与光学系统的相对位置总是发生变化的，而为了获得更好的成像效果，就需要对运动系统进行对焦，而在运动平台中，对焦的工作往往由z轴系统完成，例如在芯片检测中往往涉及到z轴位移补偿和调焦，而z轴调焦和补偿的宏动与微动结构的同轴度影响着运动生成的直线度，直线度又影响着检测的精度。而现有的z轴运动系统中的宏微复合运动平台具有中间环节复杂或者中间运动误差积累等问题，存在较大的结构间隙和结构误差。

综上所述，如何提供一种误差小的单轴宏微运动装置，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种误差小的单轴宏微运动装置。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种单轴宏微运动装置，包括：台体，所述台体的中央设置有宏动基台，所述宏动基台下方与用于控制所述宏动基台升降的第一动力部连接，所述宏动基台上设置有随所述宏动基台移动的微动基台，所述微动基台与设置于所述宏动基台上的、用于控制所述微动基台升降的第二动力部连接，所述宏动基台的中心线、所述第一动力部的中心线、所述第二动力部的中心线以及所述微动基台的中心线共线。

优选的，所述台体与所述宏动基台通过关于所述宏动基台的中心线对称设置的第一柔性片连接，所述宏动基台与所述微动基台通过关于所述微动基台的中心线对称设置的第二柔性片连接。

优选的，所述第一柔性片与所述第二柔性片的数量均为四片，且所述第一柔性片沿所述宏动基台的外周均匀分布，所述第二柔性片沿所述微动基台的外周均匀分布。

优选的，所述第一柔性片与所述第二柔性片均为直梁型柔性铰链。

优选的，所述第一动力部为音圈电机，所述台体的底部设置有基底，所述音圈电机固定于所述基底上。

优选的，所述第二动力部为压电陶瓷制动器，所述压电陶瓷制动器设置于所述宏动基台底部的固定件内，所述固定件的底部与所述音圈电机连接。

优选的，所述固定件为方形板体，所述方形板体通过第二螺栓与所述宏动基台连接。

优选的，所述基底上设置有光栅尺传感器的标尺光栅，所述固定件上设置有所述光栅尺传感器的读数头，以获取所述宏动基台在竖直方向的位移量。

优选的，所述微动基台以及所述固定件上分别设置有电容传感器的极板，通过两个所述极板间距离的改变量以获取所述微动基台在竖直方向的位移量。

优选的，所述台体包括方形框体，所述宏动基台设置于所述方形框体的中央部分，所述方形框体的底部设置有用于固定的支撑腿。

本发明提供的单轴宏微运动装置，包括：台体，台体的中央设置有宏动基台，宏动基台下方与用于控制宏动基台升降的第一动力部连接，宏动基台上设置有随宏动基台移动的微动基台，微动基台与设置于宏动基台上的、用于控制微动基台升降的第二动力部连接，宏动基台的中心线、第一动力部的中心线、第二动力部的中心线以及微动基台的中心线共线。

其中，由于微动基台设置于宏动基台中央，两者为一体化平台，两者之间配合误差小，当通过第一动力部对宏动基台进行较大尺寸的调整时，微动基台与加工件也会一同运动，而第二动力部用于控制微动基台对加工件进行小尺寸的调整补偿，并且由于宏动基台、第一动力部、第二动力部以及微动基台的中心线共线，减少了位移传递过程中的误差积累，有效提高了单轴宏微运动装置在工作时的线性度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的单轴宏微运动装置的剖视图；

图2为本发明所提供的单轴宏微运动装置的局部结构图；

图3为本发明所提供的单轴宏微运动装置的俯视图；

图4为本发明所提供的单轴宏微运动装置的内部结构图；

图5为图4的局部放大图；

图6为本发明所提供的单轴宏微运动装置的固定件的爆炸图；

图7为本发明所提供的单轴宏微运动装置的轴测图。

图1-7中：

1为基底、100为标尺光栅、101为读数头、102为读数头安装块、110为电容传感器安装台、111为电容传感器；

2为台体、200为支撑腿、210为第一柔性片、220为音圈电机；

3为宏动基台、301为第二柔性片、302为方形板体、303为空腔、304为压电陶瓷制动器、305为螺栓孔、306为第一螺栓、307为第二螺栓；

4为微动基台。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种误差小的单轴宏微运动装置。

请参考图1～7，图1为本发明所提供的单轴宏微运动装置的剖视图；图2为本发明所提供的单轴宏微运动装置的局部结构图；图3为本发明所提供的单轴宏微运动装置的俯视图；图4为本发明所提供的单轴宏微运动装置的内部结构图；图5为图4的局部放大图；图6为本发明所提供的单轴宏微运动装置的固定件的爆炸图；图7为本发明所提供的单轴宏微运动装置的轴测图。

本发明所提供的单轴宏微运动装置，包括：台体2，台体2的中央设置有宏动基台3，宏动基台3下方与用于控制宏动基台3升降的第一动力部连接，宏动基台3上设置有随宏动基台3移动的微动基台4，微动基台4与设置于宏动基台3上的、用于控制微动基台4升降的第二动力部连接，宏动基台3的中心线、第一动力部的中心线、第二动力部的中心线以及微动基台4的中心线共线。

其中，台体2用于固定宏动基台3，以提高宏动基台3移动时的稳定性，台体2的上端面可以是方形框体或者圆形框体等结构，宏动基台3设置于台体2的中央，而宏动基台3的升降由第一动力部控制，其中，升降是指沿某直线移动，并不特指z轴、x轴等某一特定方向，用户可以根据实际需求选择宏动基台3的移动方向，可以理解的是，第一动力部的行程较大，可以控制宏动基台3进行较大数值的位置调整，第一动力部可以采用电机、油缸等动力装置。

宏动基台3上设置有微动基台4，两者为一体化平台，两者之间配合误差小，当通过第一动力部对宏动基台3进行较大尺寸的调整时，微动基台4与加工件也会一同运动，当第一动力部控制宏动基台3升降时，微动基台4也会随宏动基台3一同移动，而在宏动基台3上设置有用于控制控制微动基台4升降的第二动力部，即当第二动力部驱动微动基台4移动时，宏动基台3是不移动的，第二动力部的作用在于控制微动基台4进行较小尺寸的位置调节，即精调。

可以理解的是，将宏动基台3的中心线、第一动力部的中心线、第二动力部的中心线以及微动基台4的中心线共线设置，能够保证宏动基台3与微动基台4工作时的同轴度，减少了位移传递过程中的误差积累，有效提高了单轴宏微运动装置在工作时的线性度。

为了提高单轴宏微运动装置工作时的稳定性，在本具体实施方式中，台体2与宏动基台3通过关于宏动基台3的中心线对称设置的第一柔性片210连接，宏动基台3与微动基台4通过关于微动基台4的中心线对称设置的第二柔性片301连接。

其中，第一柔性片210与第二柔性片301均关于中心线对称布置，是为了避免宏动基台3与微动基台4在升降过程中因受力不均而发生倾斜，可以理解的是，由于采用对称设置，因而第一柔性片210与第二柔性片301的数量均为双数，具体数量可以根据实际情况进行选择。

在上述具体实施方式的基础上，第一柔性片210与第二柔性片301的数量均为四片，且第一柔性片210沿宏动基台3的外周均匀分布，第二柔性片301沿微动基台4的外周均匀分布。

可以理解的是，宏动基台3一般为方形，四片第一柔性片210沿宏动基台3的外周均匀分布，即相邻两片第一柔性片210相互垂直，不相邻的两片第一柔性片210相对设置，同理，微动基台4一般也为方形，四片第二柔性片301沿微动基台4的外周均匀设置，优选的，如图3所示，相对设置的两片第一柔性片210与相对设置的第二柔性片301位于同一直线上，即双重柔性片同轴、同心设置，能够减小宏微运动过程中宏动基台3与微动基台4的偏移。当然，宏动基台3与微动基台4的具体形状尺寸并无特殊限定，可以根据加工件大小进行选择。

在关于第一柔性片210与第二柔性片301的一种具体实施方式中，第一柔性片210与第二柔性片301均为直梁型柔性铰链。

其中，直梁型柔性铰链的运动精度较高，运动行程较小，只能实现微小幅度的转动，且直梁型柔性铰链还具有无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高等优点，因而可以应用在对精度要求较高的装置中，并且直梁型柔性铰链的结构简单，方便进行后续的力学计算，由于第一柔性片210与第二柔性片301随宏动基台3与微动基台4的升降会产生变形，采用直梁型柔性铰链能够具有较长的使用寿命，当然，第一柔性片210与第二柔性片301还可以采用其他的材料和结构，例如太空铝片。

在关于第一动力部的一种具体实施方式中，第一动力部为音圈电机220，台体2的底部设置有基底1，音圈电机220固定于基底1上。

其中，音圈电机220是一种特殊形式的直接驱动电机。具有结构简单体积小、高速、高加速响应快等特性。其工作原理是，通电线圈(导体)放在磁场内就会产生力，力的大小与施加在线圈上的电流成比例，基于此原理制造的音圈电机220运动形式可以为直线或者圆弧。基于安培力原理制造的音圈电机220，是简单的、无方向转换的电磁装置，且可靠性高，能量转换效率越来越多地用在各种直线和旋转运动系统中，加上音圈电机220的快速、平滑、无嵌齿、无滞后响应等特点，使音圈电机220可以很好地应用在需要高速、高加速度、直线力或转矩响应的伺服控制中，因而，音圈电机220能够高速、高精度的控制宏动基台3的升降，由于音圈电机220在工作时会产生一定的震动，因而将音圈电机220固定于基底1上，能够提高单轴宏微运动装置工作时的稳定性，基底1可以采用圆形或者方形等形状的固定支座。当然，第一动力部也还可以采用其他结构形式的动力装置，只要能够保证宏动基台3升降精度的动力装置均可应用于本发明所提供的技术方案中。

第二动力部为压电陶瓷制动器304，压电陶瓷制动器304设置于宏动基台3底部的固定件内，固定件的底部与音圈电机220连接。

其中，压电陶瓷制动器304是利用压电体的压电逆效应进行机电能量转换的电动机。一般由振动件和运动件两部分组成，没有绕组、磁体及绝缘结构。功率密度比普通马达高得多，但输出功率受限制，宜制成轻、薄、短小形式。它的输出多为低速大推力(或力矩)，可实现直接驱动负载。这种电机因内部不存在磁场，机械振动频率在可听范围外，因此对外界的电磁干扰和噪声影响很小。由于一般压电体的能量转换效率较低，且振动或伸缩的幅值很小，主要用于需要微小变位的装置中。

固定件上一般设置有用于放置压电陶瓷制动器304的空腔303，固定件的底部与音圈电机220连接，音圈电机220能够推动固定件以及压电陶瓷制动器304升降，优选的，固定件上设置有螺栓孔305，压电陶瓷制动器304通过第一螺栓306与固定件连接，当然，压电陶瓷制动器304与固定件也还可以采用其他连接方式，例如卡槽连接。

在关于固定件的一种具体实施方式中，固定件为方形板体302，方形板体302通过第二螺栓307与宏动基台3连接。

其中，第二螺栓307可以设置有多个，沿方形板体302的外周均匀设置，即螺栓组，提高方形板体302与宏动基台3连接的稳定性，第二螺栓307的数量以及位置并无特殊限定，可以根据实际情况进行选择。

为了实现宏动基台3升降的闭环控制，在本具体实施方式中，基底1上设置有光栅尺传感器的标尺光栅100，固定件上设置有光栅尺传感器的读数头101，以获取宏动基台3在竖直方向的位移量。

其中，光栅式传感器指采用光栅叠栅条纹原理测量位移的传感器。读数头101相对于标尺光栅100移动时，形成大致按正弦规律分布的明暗相间的叠栅条纹，这些条纹以光栅的相对运动速度移动，并直接照射到光电元件上，在它们的输出端得到一串电脉冲，通过放大、整形、辨向和计数系统产生数字信号输出，直接显示被测的位移量。具体的，当音圈电机220输出位移的时候，推动固定件和微动基台4整体上移，带动读数头101上移，读数头101一般设置于读数头安装块102上，通过读数头101获得平台宏位移的位移量。

为了实现宏动基台3升降的闭环控制，在本具体实施方式中，微动基台4以及固定件上分别设置有电容传感器111的极板，通过两个极板间距离的改变量以获取微动基台4在竖直方向的位移量。

其中，电容式传感器一般由上下极板、绝缘体和衬底构成。当上下极板之间的距离发生一定的变化时，电容量会发生变化，通过测量电路，可把电容量的变化转换为电信号输出，测知电信号的大小，可判断位移量的大小。具体的，电容传感器111一般设置于固定件的电容传感器安装台110上，当压电陶瓷制动器304输出位移时，推动微动基台4进行微位移补偿，电容传感器111时刻记录微动基台4向上的位移量。

在上述具体实施方式的基础上，台体2包括方形框体，宏动基台3设置于方形框体的中央部分，方形框体的底部设置有用于固定的支撑腿200。

可以理解的是，放置音圈电机220需要一定的空间，因而，支撑腿200需要有足够的长度，使音圈电机220能够放置在方形框体与基底1之间，优选的，支撑腿200通过螺栓与基底1连接，当然，也可以采用其他连接方式，例如焊接、胶接，台体2的结构形式也并不局限于上述结构，只要能够固定宏动基台3的台体2结构均可应用于本发明所提供的技术方案中。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的单轴宏微运动装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。