一种X-Z长行程高速扫描装置的制作方法

本申请涉及检测设备技术领域，尤其涉及一种x-z长行程高速扫描装置。

背景技术：

随着科学技术的发展与进步，高端精密检测仪器得到迅速发展，推动着未来光学、电子、信息产业的前进，与此同时，也对精密运动设备与高端精密仪器的极限高精能力提出了挑战。

精密检测仪器的性能好坏取决于仪器中的核心设备，即精密定位模块的性能精度，而精密检测仪器在工作过程中，其运动模块的定位精度在很大程度上受振动影响。目前的精密扫描仪器的精确定位方式，是对垂直运动进行定位的宏运动平台直接叠加运动平台，且微运动平台采用垂直运动的压电陶瓷配合柔性铰链驱动方式，虽然能够达到一定的检测精度要求，但是，采用柔性铰链叠加机构会给运动平台产生较大的误差，且压电陶瓷在驱动柔性铰链时会产生较大的振动，使得运动平台的运动稳定性较低。

技术实现要素：

本申请提供了一种x-z长行程高速扫描装置，用于解决现有的精密扫描仪器采用柔性铰链叠加机构会给运动平台产生较大的误差，且压电陶瓷在驱动柔性铰链时会产生较大的振动，使得运动平台的运动稳定性较低的技术问题。

本申请提供了一种x-z长行程高速扫描装置，包括：宏运动平台、微运动平台和斜面滑块增力机构；

所述微运动平台包括：z轴微动平台、预紧螺母、推杆、高钢弹簧、压电陶瓷和微动底座；

所述微动底座设有第一圆柱孔和第二圆柱孔，所述第一圆柱孔和所述第二圆柱孔连通，所述第一圆柱孔的第一孔径小于所述第二圆柱孔的第二孔径；

所述微动底座固定在所述斜面滑块增力机构的上锲形块上；

所述压电陶瓷设置于所述第一圆柱孔内，所述压电陶瓷的上端与所述推杆接触；

所述高钢弹簧套在所述推杆的外围；

所述预紧螺母、所述推杆和所述高钢弹簧均设置在所述第二圆柱孔内；

所述预紧螺母通过所述第二圆柱孔的内螺纹对所述高钢弹簧施加预紧力；

所述推杆通过螺栓与所述z轴微动平台固定连接；

所述宏运动平台通过所述斜面滑块增力机构与所述微运动平台连接，所述斜面滑块增力机构将所述宏运动平台的x轴方向的水平宏运动，转换为z轴方向的竖直宏运动，所述微运动平台对所述z轴方向的位移进行定位精度补偿。

优选地，所述斜面滑块增力机构包括：下锲形块、所述上锲形块和交叉滚子导轨；

所述上锲形块和所述下锲形块通过所述交叉滚子导轨连接。

优选地，所述宏运动平台包括：z轴光栅尺、支撑架、z轴导轨、z轴滑块、隔振台、宏动底座、基底、x轴光栅尺读数头连接件、x轴光栅尺读数头、x轴光栅尺、x轴滑轨、驱动组件、x轴滑块、x轴宏动平台、斜面滑块增力机构和z轴宏动光栅尺读数头；

所述微运动平台还包括：z轴微动光栅尺读数头和z轴光栅尺读数头连接件；

所述宏动底座安装在所述隔振台上；

所述基底和所述支撑架均安装在所述宏动底座上；

所述x轴滑轨的数量为两个，分别安装在所述基底的两个平行边；

所述x轴滑轨上设置有所述x轴滑块，所述x轴滑块与所述x轴宏动平台固定连接；

所述驱动组件与所述x轴宏动平台固定连接；

所述z轴光栅尺安装在所述支撑架上；

所述z轴导轨的数量为两个，平行安装在所述支撑架上；

所述z轴滑块安装在所述z轴导轨上，与所述斜面滑块增力机构的上锲形块固定连接；

所述x轴光栅尺设置在所述基底的与x轴方向平行的侧边；

所述x轴光栅尺读数头通过所述x轴光栅尺读数头连接件与所述x轴宏动平台连接；

所述z轴光栅尺读数头通过所述z轴光栅尺读数头连接件与所述z轴微动平台连接。

优选地，所述隔振台为大理石隔振台。

优选地，所述基底为π型结构。

优选地，所述驱动组件包括：直线电机、直线电机定子和直线电机动子；

所述直线电机定子和所述直线电机动子安装在所述基底的中部，所述直线电机动子与所述x轴宏动平台固定连接。

优选地，所述x-z长行程高速扫描装置还包括：控制器；

所述控制器与所述x轴光栅尺读数头、所述z轴宏动光栅尺读数头、所述z轴微动光栅尺读数头、所述压电陶瓷连接，用于获取所述x轴光栅尺读数头反馈的x轴宏运动位移信号，获取所述z轴宏动光栅尺读数头反馈的z轴宏运动位移信号通过所述x轴宏运动位移信号和所述z轴宏运动位移信号计算出定位偏差，控制所述微运动平台对所述定位偏差进行精度补偿。

优选地，所述x-z长行程高速扫描装置还包括：数据采集器；

所述数据采集器与所述控制器连接，用于获取所述微运动平台的振动信号，并将所述振动信号发送给所述控制器。

优选地，所述下锲形块和所述上锲形块内部挖空。

优选地，所述控制器还用于控制所述压电陶瓷启动减振功能。

从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：

本申请中提供的一种x-z长行程高速扫描装置，包括：宏运动平台、微运动平台和斜面滑块增力机构；宏运动平台在宏动底座上做x轴方向的水平运动，斜面滑块增力机构将宏运动平台的x轴方向的水平宏运动，转换为z轴方向的竖直宏运动，采用压电陶瓷和高钢弹簧相互配合，压电陶瓷能够实现纳米级别的精度控制，通过控制高钢弹簧的微小形变能够实现微运动平台的高精度位移补偿，并且通过压电陶瓷的减振功能，对微运动平台施加反向运动作用力，能够实现对微运动平台的快速减振，保证微运动平台的稳定快速运行，解决了现有的精密扫描仪器采用柔性铰链叠加机构会给运动平台产生较大的误差，且压电陶瓷在驱动柔性铰链时会产生较大的振动，使得运动平台的运动稳定性较低的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请实施例中提供的一种x-z长行程高速扫描装置的整体结构示意图；

图2为本申请实施例中提供的一种x-z长行程高速扫描装置的爆炸图；

图3为本申请实施例中提供的一种x-z长行程高速扫描装置的微运动平台的爆炸图；

图4为本申请实施例中提供的一种x-z长行程高速扫描装置工作流程示意图；

其中，附图标记为：

1、z轴微动光栅尺读数头；2、z轴光栅尺；3、支撑架；4、z轴导轨；5、z轴滑块；6、隔振台；7、宏动底座；8、基底；9、x轴光栅尺读数头连接件；10、x轴光栅尺读数头；11、x轴光栅尺；12、x轴滑轨；13、直线电机动子；14、直线电机定子；15、x轴滑块；16、x轴宏动平台；17、下楔形块；18、交叉滚子导轨；19、上楔形块；20、微运动平台；21、z轴光栅尺读数头连接件；22、z轴宏动光栅尺读数头；23、螺栓；24、z轴微动平台；25、预紧螺母；26、推杆；27、高钢弹簧；28、压电陶瓷；29、微动底座。

具体实施方式

本实申请实施例公开了一种x-z长行程高速扫描装置，用于解决现有的精密扫描仪器采用柔性铰链叠加机构会给运动平台产生较大的误差，且压电陶瓷在驱动柔性铰链时会产生较大的振动，使得运动平台的运动稳定性较低的技术问题。

请参阅图1至图3，本申请提供了一种x-z长行程高速扫描装置的一个实施例，本申请实施例提供的x-z长行程高速扫描装置，包括：宏运动平台、微运动平台20和斜面滑块增力机构；

微运动平台20包括：z轴微动平台24、预紧螺母25、推杆26、高钢弹簧27、压电陶瓷28和微动底座29；

微动底座29设有第一圆柱孔和第二圆柱孔，第一圆柱孔和第二圆柱孔连通，第一圆柱孔的第一孔径小于第二圆柱孔的第二孔径；

微动底座29固定在斜面滑块增力机构的上锲形块19上；

压电陶瓷28设置于第一圆柱孔内，压电陶瓷28的上端与推杆26接触；

高钢弹簧27套在推杆26的外围；

预紧螺母25、推杆26和高钢弹簧27均设置在第二圆柱孔内；

预紧螺母25通过第二圆柱孔的内螺纹对高钢弹簧27施加预紧力；

推杆26通过螺栓23与z轴微动平台24固定连接；

宏运动平台通过斜面滑块增力机构与微运动平台20连接，斜面滑块增力机构将宏运动平台的x轴方向的水平宏运动，转换为z轴方向的竖直宏运动，微运动平台20对z轴方向的位移进行定位精度补偿。

需要说明的是，本申请实施例中的微运动平台的工作方式是，压电陶瓷28被施加一定电压后开始工作，对推杆26施加竖直方向作用力，接着推杆26带动z轴微动平台24实现z轴竖直方向的微位移，即实现被压缩预紧的高钢弹簧27发生微小形变。

本申请实施例中提供的一种x-z长行程高速扫描装置，包括：宏运动平台、微运动平台20和斜面滑块增力机构；宏运动平台在宏动底座7上做x轴方向的水平运动，斜面滑块增力机构将宏运动平台的x轴方向的水平宏运动，转换为z轴方向的竖直宏运动，采用压电陶瓷28和高钢弹簧27相互配合，压电陶瓷28能够实现纳米级别的精度控制，通过控制高钢弹簧27的微小形变能够实现微运动平台20的高精度位移补偿，并且通过压电陶瓷28的减振功能，对微运动平台20施加反向运动作用力，能够实现对微运动平台20的快速减振，保证微运动平台20的稳定快速运行，解决了现有的精密扫描仪器采用柔性铰链叠加机构会给运动平台产生较大的误差，且压电陶瓷在驱动柔性铰链时会产生较大的振动，使得运动平台的运动稳定性较低的技术问题。

以上是本申请提供的一种x-z长行程高速扫描装置的一个实施例，以下是本申请提供的一种x-z长行程高速扫描装置的另一个实施例。

请参阅图1至图4，本申请提供了一种x-z长行程高速扫描装置的另一个实施例，本申请实施例提供的x-z长行程高速扫描装置，包括：宏运动平台、微运动平台20和斜面滑块增力机构；

微运动平台20包括：z轴微动平台24、预紧螺母25、推杆26、高钢弹簧27、压电陶瓷28和微动底座29；

微动底座29设有第一圆柱孔和第二圆柱孔，第一圆柱孔和第二圆柱孔连通，第一圆柱孔的第一孔径小于第二圆柱孔的第二孔径；

微动底座29固定在斜面滑块增力机构的上锲形块19上；

压电陶瓷28设置于第一圆柱孔内，压电陶瓷28的上端与推杆26接触；

高钢弹簧27套在推杆26的外围；

预紧螺母25、推杆26和高钢弹簧27均设置在第二圆柱孔内；

预紧螺母25通过第二圆柱孔的内螺纹对高钢弹簧27施加预紧力；

推杆26通过螺栓23与z轴微动平台24固定连接；

宏运动平台通过斜面滑块增力机构与微运动平台20连接，斜面滑块增力机构将宏运动平台的x轴方向的水平宏运动，转换为z轴方向的竖直宏运动，微运动平台20对z轴方向的位移进行定位精度补偿。

需要说明的是，本申请实施例中，微运动平台20的微位移功能的实现，是通过压电陶瓷28与高钢弹簧27的相互配合来实现的，高钢弹簧27在预紧螺母25的作用下，被预紧螺母25施加了一定的预紧力，使得高钢弹簧27在初始时态就为压缩状态，对压电陶瓷28施加一定的电压之后，在压电陶瓷28的作用下，高钢弹簧27会产生微小变形，从而达到所需的微位移量，实现微运动的定位精度补偿。采用压电陶瓷28加高钢弹簧27来实现高精度的微位移，可避免实用柔性机构导致系统刚度下降、非线性复杂度高和误差放大的问题，能够提高系统的固有频率，实现高性能运动。

进一步地，斜面滑块增力机构包括：下锲形块17、上锲形块19和交叉滚子导轨18；

上锲形块19和下锲形块17通过交叉滚子导轨18连接。

需要说明的是，本申请实施例中，通过交叉滚子导轨18实现上锲形块19和下锲形块17的连接，下锲形块17与x轴宏动平台16连接，当x轴宏动平台16发生x轴宏运动时，下锲形块17给予了上锲形块19向左(或向右)的作用力和斜面上的摩檫力，上锲形块19的斜面受到该作用力之后，会产生竖直方向上的合力，使得上锲形块19产生竖直方向上的宏运动。

进一步地，宏运动平台包括：z轴光栅尺2、支撑架3、z轴导轨4、z轴滑块5、隔振台6、宏动底座7、基底8、x轴光栅尺读数头连接件9、x轴光栅尺读数头10、x轴光栅尺11、x轴滑轨12、驱动组件、x轴滑块15、x轴宏动平台16、斜面滑块增力机构和z轴宏动光栅尺读数头22；

微运动平台20还包括：z轴微动光栅尺读数头1和z轴光栅尺读数头连接件21；

宏动底座7安装在隔振台6上；

基底8和支撑架3均安装在宏动底座7上；

x轴滑轨12的数量为两个，分别安装在基底8的两个平行边；

x轴滑轨12上设置有x轴滑块15，x轴滑块15与x轴宏动平台16固定连接；

驱动组件与x轴宏动平台16固定连接；

z轴光栅尺2安装在支撑架3上；

z轴导轨4的数量为两个，平行安装在支撑架3上；

z轴滑块5安装在z轴导轨4上，与斜面滑块增力机构的上锲形块19固定连接；

x轴光栅尺11设置在基底8的与x轴方向平行的侧边；

x轴光栅尺读数头10通过x轴光栅尺读数头连接件9与x轴宏动平台16连接；

z轴光栅尺读数头22通过z轴光栅尺读数头连接件21与z轴微动平台24连接。

进一步地，隔振台6为大理石隔振台。

需要说明的是，本申请实施例中，隔振台6为大理石隔振台，具有初步减振的效果。

进一步地，基底8为π型结构。

进一步地，驱动组件包括：直线电机、直线电机定子14和直线电机动子13；

直线电机定子14和直线电机动子13安装在基底8的中部，直线电机动子13与x轴宏动平台固定连接。

进一步地，x-z长行程高速扫描装置还包括：控制器；

控制器与x轴光栅尺读数头10、z轴宏动光栅尺读数头22、z轴微动光栅尺读数头1、压电陶瓷28连接，用于获取x轴光栅尺读数头10反馈的x轴宏运动位移信号，获取z轴宏动光栅尺读数头22反馈的z轴宏运动位移信号通过x轴宏运动位移信号和z轴宏运动位移信号计算出定位偏差，控制微运动平台20对定位偏差进行精度补偿。

需要说明的是，本申请实施例中，宏运动平台实现大行程、高速运动的功能过程可以是：通过控制器输入位移信号，控制直线电机工作，带动宏运动平台沿x轴水平方向做大行程、高速的x轴宏运动，再通过安装在宏运动平台的斜面滑块增力机构，将x轴宏运动转换为z轴竖直方向的宏运动，在宏运动结束后，，x轴光栅尺读数头10检测到x轴宏运动位移信号，并发送给控制器，z轴宏动光栅尺读数头22检测到x轴宏运动位移信号，也发送给控制器，控制器根据x轴宏运动位移信号和z轴宏运动位移信号计算出定位偏差，控制器输出相应的电压到压电陶瓷28，控制压电陶瓷28工作，驱动压电陶瓷28压缩高钢弹簧27进行微运动，使得微运动平台20对定位偏差进行精度补偿。

进一步地，x-z长行程高速扫描装置还包括：数据采集器；

数据采集器与控制器连接，用于获取微运动平台20的振动信号，并将振动信号发送给控制器。

进一步地，下锲形块17和上锲形块19内部挖空。

需要说明的是，本申请实施例中，将下锲形块17和上锲形块19内部挖空，能够减轻锲形块的质量，达到轻载易推动的效果，有利于微动平台的高速运动。

进一步地，控制器还用于控制压电陶瓷28启动减振功能。

需要说明的是，往往高速的宏运动总会带来较大的振动，使得平台最终平稳时间较长，本申请实施例中，在x轴宏运动转换呈z轴的宏运动的全过程中，数据采集器采集到微运动平台20的振动信号传输给控制器，控制器计算得出加速度信号，输出相应的指令，给压电陶瓷28输入一定的电压，让压电陶瓷28处于减振功能状态，此时压电陶瓷28将会施加平台运动反方向的力，使得平台快速减振。

为了更好地对本申请实施例中的x-z长行程高速扫描装置的工作过程进行说明，请参阅图1至图4，当微运动平台20需要z轴方向位移量为p时，可将其运动分解微宏运动位移p1和微运动位移p2，其中，宏运动位移又包括x轴向水平宏运动位移p1x和z轴竖直宏运动位移p1z，微运动平台20的定位精度由压电陶瓷28的微进给保证。首先由直线顶级驱动进给x轴向水平宏运动位移p1x，通过x轴光栅尺读数头10反馈x轴水平方向宏运动位置信号n1x，通过位置信号的比较与闭环反馈控制，实现平台的x轴向水平宏运动。在x轴向宏运动的同时，z轴微动平台24因为上下锲形块的存在，使得x轴向的水平宏运动位移p1x转换成为z轴向的竖直宏运动位移p1z，同理，z轴宏运动光栅尺读数头22将检测并反馈z轴向的竖直宏运动位移信号n1z，通过位置信号的比较与闭环反馈控制，再次控制平台的x轴向水平宏运动，最终以此达到控制z轴向的竖直宏运动位移量。

在运动平台的高速加减速的x(z)轴向运动中，平台的振动信号通过数据采集器实时提取，f1是实时分析振动信号所得到的平台振动主频率，当运动平台减速时，必然在高速运动情况下产生较大的振动，当主频率f1超过预定阈值频率f0，则启动安装在微运动平台20里的压电陶瓷28的减振功能，对平台施加反向运动的作用力，实现平台的快速减振。当宏运动接近行程终点，即p1z-n1z<＝e1(e1为宏运动的位置精度)成立时，若平台的振动频率f1仍然大于平台稳定时要求的频率f0，则压电陶瓷28继续进行减振；当f1<＝f0成立时，系统进行压电陶瓷28的功能切换和光栅信号的切换，启动微运动平台20的微驱动功能，并同时读取z轴光栅尺2的位置读数，微运动由压电陶瓷28驱动，其闭环位置控制的位置信号也是由具有高分辨率的z轴光栅尺2提供，将z轴光栅尺2的位置信号n2z和终点位置p进行比较，通过高精度位置闭环控制，最终实现纳米级别的微定位。

本申请实施例中提供的x-z长行程高速扫描装置，具有运动平稳、定位精度高、使用方便的有益效果,能更好地应用于如细胞结构扫描、白光干涉仪检测、光学对位仪器、微机电系统封装组装、生物医学机器人等前沿领域中。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。