专利名称：高精度的Z－θ平台的制作方法
技术领域：
本专利涉及一高精度的z-θ平台。该平台具有一水平的平移轴线(z-轴线)和一与水平的平移轴线平行的转动轴线(θ-轴线)。
背景技术：
平台特殊地设计用于制造移植在人体内的可展开的展幅器或其它圆柱形的激光加工的部件。展幅器由诸如不锈钢、镍钛锘(nitanol)或塑料之类的管状的给料制造，并设置有复杂的圆周图形。用管状给料加工图形的过程包括激光加工，其中，一由CNC控制器控制的z-θ平台将给料呈现给一激光束，以便切下管状给料的部分。可参见美国专利6,511,504，其题为“可展开的展幅器及其制造方法”，该专利描述了一展幅器的制造过程。
发明内容
简要地说，根据本发明，一高精度的z-θ平台具有一水平的平移轴线(z-轴线)和一与水平的平移轴线平行的转动轴线(θ-轴线)。该z-θ平台包括一底板，该底板具有位于一平面内的多个上表面，平行地间隔开的线性平移平台各具有平行的线性轴承，而轴承表面安装在离底板的平表面基本上相等的距离处。各个线性平移平台具有无刷的线性电机。一机架通过线性轴承支承在平行的平移平台之间。一转动平台容纳在机架内，介于平行的平移平台之间，该转动平台包括一无刷的转动电机，电机具有一轴颈支承的轴，其轴线平行于线性轴承。机架和转动平台具有一垂直的和一水平的重心。通过施加位于一与机架的垂直重心相交的水平平面内的平移力，使各个无刷线性电机连接到机架上。
一线性定位的反馈装置包括一回转器、一激光干涉计，或一编码器，该线性定位的反馈装置可与一个或两个无刷线性电机相连。一包括一回转器或编码器的转动反馈装置可与无刷转动电机相连。
高精度的z-θ平台可具有一附连到转子上的流体致动的夹持工件的卡盘或夹头。
转子较佳地呈中空以允许一圆柱形的工件和/或一流体冷却的外套能通过其中前进或定位在其中。
最为较佳地是，一辅助的加工平台是底部的部分且布置成支承支架导向、夹持和沿转子的轴线馈送工件。
根据一替代的实施例，高精度的平移平台支承两个彼此面向的相同的机架，各机架承载一相同的转动平台。
根据另一替代实施例，高精度的z-θ平台具有一支承两个或多个相同转动平台的机架。
较佳地，机架和转动平台的水平重心位于各个线性电机之间的中途。
较佳地，各个线性平台包含一线性运动导向、交叉滚轮，或空气轴承。
较佳地，各个线性电机在沿线性平移的方向间隔开的多个位置处连接到机架。
附图的简要说明从下面参照附图所作的详细描述中，将会明白进一步的特征和其它的目的和优点，在诸附图中
图1是具有一单一转动平台的根据本发明的一z-θ平台的立体图；图2是具有一双转动平台的根据本发明的一z-θ平台的立体图；图3是具有两个直线安装的转动平台的根据本发明的一z-θ平台的立体图；图4是图1的z-θ平台的平面图；图5是沿图4的线A-A的截面图，它垂直于θ轴线截取；图6是沿图5的线B-B的截面图，它垂直于θ轴线截取；图7是图1的z-θ平台的平面图，其中已移去机架。
具体实施例方式
参照图1，图中示出一适用于制造诸如展幅器之类的精密零件的z-θ平台。该平台包括一底板10，其设置有接纳螺栓的开口11，以便将平台固定到一底座上，底座通常是一大块的花岗岩、铸铁或焊接的结构。底板10由金属、钢或铝制造。安装在底板上的是两个平行的线性电机12和13。安装在线性电机之间并被它们承载的是一机架14，该机架支承一转动电机，该电机具有一平行于线性电机的平移轴线的轴线。较佳地，z-轴线是水平的或基本上水平的。线性电机形成z-轴线，而转动电机形成z-θ平台的θ-轴线。本发明的一重要特征在于，线性电机连接到机架，以对沿着一平面的表面朝向的机架施加平移力，该平面包括机架的垂直的重心或在机械上尽可能靠近地通过垂直的重心。以此方式，基本上消除了在一平移运动之后在一摆动的周期期间内的转动电机的转动轴线和z-轴线平面之间的角位移。具体来说，施加平移力所沿着的平面通过机架垂直重心的1mm范围之内。转动转子的转动轴线可略微悬置在施加平移力的平面的下方。
图2示出图1所示的z-θ平台的一变体，其中，双θ平台(转动电机15A和15B)并排地布置并具有平行的轴线。利用该结构可同时处理两个工件。在图2中，相同的元件给予与图1给出的元件相同的标号。
图3示出根据本发明的z-θ平台的另一变体，其中，两个z-θ平台对齐在相同的底板上。在图3中，相同的元件给予与图1给出的元件相同的标号，且复制的相同元件给予带有上标的相同标号。该结构的优点在于，移动零件在平台上沿相对方向移动。因此，可平衡掉在加速过程中产生的力，将传递到结构的力减到最小，导致显著地减少设定的时间。
线性电机12和13较佳地是恒磁线性电机，例如，由一非接触冲头线圈24和一U形槽的稀土磁体轨道22组成的直接驱动的无刷线性电机。该设计消除了后座、扭振、磨损，以及与球螺杆相关的维护保养。该类型的电机可从美国宾夕法尼亚州Pittsburgh的Aerotech，Inc.购得。
转动电机15较佳地是一转动的无刷稀土磁体伺服电机。它形成直接驱动的θ平台的基础。较佳地，转动轴具有一轴向孔并设置有一空气操作的夹头的卡盘。该类型的电机可从美国宾夕法尼亚州Pittsburgh的Aerotech，Inc.购得。
现参照图4，线性电机12、13显示为间隔开、平行和定位在底板10上。与电机相连的是线性电机导向或轴承，它们例如可具有交叉的滚轮轴承或空气轴承。转动的电机15在其自身和线性电机之间间隔开一等距离，并使一转动轴线平行于线性电机。
参照图5，线性电机由一线性立柱20组成，该立柱用螺栓16栓定在底板10上。线性立柱支承线性轴承的轨道21和U形磁体轨道22。磁体轨道22是一由磁钢制造的U形槽。它支承稀土恒磁体(未示出)，该磁体布置有交替的北极和南极，它们沿着磁体轨道的长度在冲头线圈24处面向内。冲头线圈包括非磁性材料，这样，不被磁体轨道22所吸引。轴承轨道23骑跨在线性轴承的轨道21上并支承机架14。冲头线圈24也固定到机架14上。如图5和7所示，位于右侧上的线性电机具有一与其相连的限位开关25，而位于左侧上的线性电机具有一编码器读取头26和与其相连的编码器标尺27。如图5所示，线性电机对机架施加平移力，其中，冲头附连到机架上(见图5中的箭头A)。
附连到机架14上并在线性电机12、13上滑动的是一柔性的滑动盖17。该盖17在滚轮18上滑动(见图6)，滚轮18在线性电机的每一端处向下导向。
参照图6，现将描述由机架14承载的转动电机15。轴承28和29从与机架14一体形成的电枢壳35支承转动轴30。电枢线圈34以通常的方式固定在电枢壳35上。线圈可以由层叠磁性芯支承，磁性芯具有多个槽以便接纳线圈，或线圈可不由带槽的芯支承(即，无槽)。恒磁体33可以通常的方式固定到轴30的外圆柱形表面上。转动的编码器标尺43安装在轴上。转动的编码器读取头44附连到电枢壳35。
根据一特别有利的实施例，电枢线圈是无槽的，且轴由铝或其它重量轻的金属制成。尽管扭矩/惯量比在此实施例中较低，但由于无槽线圈而没有榫接导致对展幅器的制造有极好的θ平台。
轴具有一从端到端延伸的孔31。在一特别有利的实施例中，嵌套在孔31内的是一用来冷却轴的水套组件32和一夹持在轴内的工件。
轴30的孔31在一端处阶梯地加宽以形成两个圆柱形的座，一个直径大于另一个直径。一锥形的夹头卡盘36固定在直径较小的圆柱形座内。一活塞37骑跨在较大直径的座内并可在锥形的夹头卡盘36上伸缩。活塞37由弹簧38偏置朝向锥形的夹头卡盘。旋入到活塞上的是一环形螺纹的保持帽39，其具有一锥形的内轮缘。夹头40定位成在锥形的夹头卡盘36内滑动并通过保持帽39的锥形内轮缘固定就位。根据一优选的实施例，ER-16系列的夹头40可提供从0.05mm至10mm的多种规格。一环形的集管41固定在电枢壳35。一活塞腔形成在集管41、活塞37和较大直径座之间。密封45、46、47分别设置在活塞和大的直径座之间，轴和集管之间，以及集管和活塞之间。一通道(未示出)与活塞腔连通，而一配件设置在集管41外面，以便将压缩空气供应到活塞腔而强制夹头上的活塞将夹头拧紧到一工件(未示出)上。在此实施例中，气压使夹头接合工件；然而，活塞可布置成使气压释放夹头。
底板10具有至少一个辅助加工平台50、50’(见图7)，其布置成支承沿转子轴线导向、夹持和馈送工件的支架。
线性电机和转动电机具有相关的位置反馈装置。在本文所述的特殊实施例中，位置反馈由编码器供应。然而，其它的位置反馈装置包括回转器和激光干涉计。
增量编码器通常用作为测量传感器。光学的增量编码器在一附连到待测量轴线的光栅处从一灯泡或发光二极管中透过光线。光栅通常具有相对于彼此偏离90度的两个轨道(转象差)。一第三轨道上的简单标记用作为一复位标记(在转动编码器的情形中，每圈一个的标记)。从光栅反射的光继续透过一十字线或罩，该罩连同光栅一起用作一关闭器。落入在探测器上的关闭的光线导致产生电信号。这些信号被放大并作为两个求积的放大的正弦波或方波输出，并在两个分开的通道上作为信号SIN和COS输出。采用简单的增量编码器，通过计数两个通道的零交叉(正弦的)或边缘(方波)，测量位置。如需要更大精度，则将放大的正弦信号(SIN和COS)送到一编码器放大器，那里，中间位置在间隔开的时间间隔处分解。
一编码器放大器使用SIN和COS信号在一个光栅周期(划线)内分解许多位置。例如，相对于简单增量编码器的四个相比，该放大器能在一个光栅周期内产生高达65,000转换。例如，参见题为“标定的编码器放大器”的美国专利No.6,356,219。从增量编码器中得到的反馈可用来控制施加到线圈的每一相的电流以精确地定位平台。
由此，详细地定义了我们的发明并特别需要有专利法的保护，需要由专利证书保护的内容已阐述在附后的权利要求书内。
权利要求
1.一高精度的z-θ平台，具有一水平的平移轴线(z-轴线)和一与平移轴线平行的转动轴线(θ-轴线)，该z-θ平台包括一底板，该底板具有位于一平面内的多个上表面；平行地间隔开的线性平移平台，各具有平行的线性轴承，而轴承表面安装在离底板的平表面基本上相等的距离处，各个线性平移平台具有一无刷的线性电机；一机架，通过线性轴承支承在平行的平移平台之间；以及一转动平台，由机架承载在平行的平移平台之间，所述转动平台包括一无刷的转动电机，电机具有一轴颈支承的轴，其轴线平行于线性轴承，机架和转动平台具有一垂直的和一水平的重心，各个无刷线性电机连接到机架上，以在一与所述垂直重心相交的水平平面内施加平移力。
2.如权利要求1所述的高精度的z-θ平台，其特征在于，一线性定位的反馈装置与一个无刷线性电机相连。
3.如权利要求1所述的高精度的z-θ平台，其特征在于，一线性定位的反馈装置与各个无刷线性电机相连。
4.如权利要求1至3之一所述的高精度的z-θ平台，其特征在于，一转动的反馈装置与无刷转动电机相连。
5.如权利要求1至3之一所述的高精度的z-θ平台，其特征在于，具有一附连到转动电机的轴上的流体致动的夹持工件的卡盘或夹头。
6.如权利要求1至3之一所述的高精度的z-θ平台，其特征在于，转动电机的轴呈中空，以允许一圆柱形的工件和/或一流体冷却的外套定位在其中。
7.如权利要求1至3之一所述的高精度的z-θ平台，其特征在于，还包括一用于固定支架的辅助的加工平台，以便沿转动电机的轴的轴线导向和馈送工件，并与其轴向地间隔开。
8.如权利要求1所述的高精度的z-θ平台，其特征在于，平行的平移平台支承两个彼此面向的相同的机架，各机架承载一相同的转动平台。
9.如权利要求1所述的高精度的z-θ平台，其特征在于，机架支承至少两个相同的转动平台。
10.如权利要求1所述的高精度的z-θ平台，其特征在于，机架和转动平台的水平重心位于各个线性电机之间的中途。
12.如权利要求1所述的高精度的z-θ平台，其特征在于，各个线性平台包含一线性运动导向、交叉滚轮轴承，或空气轴承。
13.如权利要求1所述的高精度的z-θ平台，其特征在于，各个线性电机在沿线性平移的方向间隔开的多个位置处连接到机架。
全文摘要
一高精度的z－θ平台具有一水平的平移轴线(z－轴线)和一与平移轴线平行的转动轴线(θ－轴线)，该z－θ平台包括平行地间隔开的线性平移平台(12、13)，一机架(14)支承在平行平移的平台之间，以及一转动平台(15)被机架支承在平行的平移平台之间。各无刷的线性电机连接到机架上，以在一与机架的垂直重心相交的水平平面内施加平移力。
文档编号B23Q1/26GK1943095SQ200480042836
公开日2007年4月4日 申请日期2004年10月28日 优先权日2004年4月23日
发明者S·J·博托斯, B·P·欧康纳尔 申请人:航空科技股份有限公司