大口径光栅超短行程纳米级精度解耦拼接的机械装置的制造方法
【专利摘要】大口径光栅超短行程纳米级精度解耦拼接的机械装置，目的是为解决大口径光栅拼接无法实现纳米级精度多自由度解耦调整的问题。多自由度的调整由三个运动平台实现，柔性支柱与两个压电陶瓷驱动器一连接着第一、二平台，两个压电陶瓷驱动器一的伸缩各控制着第一平台的X、Y方向的转动；第二平台通过两个弹性片簧和两个压电陶瓷驱动器二与第三平台连接，第二平台内悬浮于第三平台内，两个压电陶瓷驱动器二可以调节X方向平动和Z方向转动；第三平台与大理石底座之间有一个压电陶瓷驱动器三负责Y方向平动。本发明能实现光栅在?0.05～+0.05mm超短行程范围内的精密调整，并能实现光栅10纳米的平动拼接精度。本发明用于大口径光栅拼接的高精度多自由度解耦调整。
【专利说明】
大口径光栅超短行程纳米级精度解輔拼接的机械装置
技术领域
[0001 ]本发明设及一种大口径光栅解禪拼接的机械装置，具体为一种大口径光栅实现超 短行程条件下纳米级精度解禪拼接的机械装置。
【背景技术】
[0002] 近些年来，随着科学技术的不断发展进步，特别是一些大型高技术工程项目的陆 续开展，如天文物理学方面的需要，同步福射工程的需要，激光聚变装置项目的需要，对衍 射光栅的技术性能提出了更高的要求。而且，能否获取适用的大面积衍射光栅，已经成为影 响运些大型高技术工程项目成败的关键。同时，由于运些大工程项目对大面积衍射光栅的 迫切需要，使研制大面积衍射光栅成为国际光栅领域的重大课题之一。
[0003] 光栅拼接技术是国防和民用领域中十分重要的关键技术，国外起步比国内早，但 在一定程度上对我国实施了技术封锁。目前，国内尚未有大口径光栅超短行程实现纳米级 精度解禪拼接的实质应用。因而，研制开发相关的机械装置对此技术的发展是迫切必要的。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为解决大口径光栅拼接无法实现纳米级精度多自由度解禪调整 的问题，提供一种大口径光栅超短行程纳米级精度解禪拼接的机械装置。
[0005] 实现上述目的，本发明的技术方案是：
[0006] 大口径光栅超短行程纳米级精度解禪拼接的机械装置，它包括大理石基座、光栅、 两个光栅座及Ξ个运动平台；所述的Ξ个运动平台分别是第一运动平台、第二运动平台及 第Ξ运动平台；所述的第一运动平台包括第一平台及两个压电陶瓷驱动器一;所述的第二 运动平台包括第二平台、一个柔性支柱、两个弹性片黃及两个压电陶瓷驱动器二;所述的第 Ξ运动平台包括第Ξ平台及压电陶瓷驱动器Ξ;所述的大理石基座包括大理石底座、Ξ块 光栅座支撑板及两块侣合金板;所述的Ξ块光栅座支撑板分别是光栅座支撑板一、光栅座 支撑板二和光栅座支撑板Ξ，所述的两块侣合金板分别是侣合金板一和侣合金板二;所述 的光栅由两个光栅单体左右并排相贴靠设置构成，位于左侧的光栅单体为动光栅，位于右 侧的光栅单体为静光栅；
[0007] 所述的动光栅和静光栅均安装于所对应的光栅座上，安装有静光栅的光栅座的下 端连接固定于光栅座支撑板Ξ上表面，安装有动光栅的光栅座的下端连接固定于第一平台 上表面;所述的柔性支柱及两个压电陶瓷驱动器一均设置在第一平台与第二平台之间，所 述的第二平台位于第一平台的下方，柔性支柱上的两个柔性较链W及两个压电陶瓷驱动器 一均同时与第一平台与第二平台连接，从而实现光栅在Χ、γ两个方向转动自由度的拼接;所 述的第Ξ平台为口字型结构，第二平台悬浮于第Ξ平台的槽口内，所述的第二平台通过两 个弹性片黃和两个压电陶瓷驱动器二与第Ξ平台连接，所述的第Ξ平台连接固定在大理石 底座上表面，所述的光栅座支撑板一放置在大理石底座上表面，所述的光栅座支撑板二贴 靠放置在大理石底座的右侧面上，光栅座支撑板一和光栅座支撑板二平行放置，且二者顶 部对齐，底部不在同一水平面上，侣合金板一与光栅座支撑板一的前侧面及大理石底座的 前侧面连接，光栅座支撑板二与大理石底座右侧面连接，侣合金板二与光栅座支撑板一和 光栅座支撑板二连接，且侣合金板二设置在侣合金板一的正上方;所述的光栅座支撑板Ξ 与光栅座支撑板一和光栅座支撑板二的上表面连接，所述的压电陶瓷驱动器Ξ的两端与第 Ξ平台及光栅座支撑板二连接。
[0008] 本发明相对于现有技术的有益效果是:本发明具有行程短、结构紧凑、调整方便、 操作灵活、无禪合自由度、可实现纳米级精度等优点，本发明用于大口径光栅拼接的高精度 多自由度解禪调整，可W实现拼接后的光栅在空间五个自由度(了、F、J、f、方向 上的多自由度高精度姿态调整。
【附图说明】
[0009] 图1是本发明的整体结构的轴测图；
[0010] 图2是本发明的整体结构的主视图；
[0011] 图3是图2的M-M剖视图；
[0012] 图4是本装置的光栅和光栅座的连接方式的局部剖视图；
[0013] 图5是本发明的整体结构的仰视图；
[0014] 图6是本发明的整体结构的右视图的局部视图；
[0015] 图7是本发明的整体结构的左视图；
[0016] 图8是图1的A处局部放大图；
[0017] 图9是图1的B处局部放大图；
[0018] 图10是图1的C处局部放大图；
[0019] 图11是图2的D处局部放大图；
[0020] 图12是图2的E处局部放大图；
[0021] 图13是图2的F处局部放大图；
[0022] 图14是图2的G处局部放大图；
[0023] 图15是图3的Η处局部放大图；
[0024] 图16是图3的I处局部放大图；
[0025] 图17是图7的J处局部放大图；
[0026] 图18是图7的Κ处局部放大图。
[0027] 图中：光栅座支撑板二1、压电陶瓷驱动器Ξ2、弹黃垫圈3、螺纹套4、光栅座支撑板 一 5、弹性片黃6、大理石底座7、第二平台8、压电陶瓷驱动器二9、压电陶瓷驱动器一 10、第Ξ 平台11、柔性支柱12、第一平台13、光栅座14、凸台14-1、侣合金板二15、橡胶压块16、光栅 17、光栅单体17-1、侣合金板一 18、光栅座支撑板Ξ19。
[0028] 图中各坐标指向说明，坐标巧旨向：指由本发明装置的与光栅17的刻线方向平行向 上的方向；坐标X的指向：垂直于光栅17表面的方向；坐标Υ的指向：两个光栅17并排的方向； 相关坐标方向指示参见图1中指示。
【具体实施方式】
[0029 ]
【具体实施方式】一:如图1~图18所示，本实施方式披露了一种大口径光栅超短行程 纳米级精度解禪拼接的机械装置，它包括大理石基座、光栅17、两个光栅座14及Ξ个运动平 台；所述的Ξ个运动平台分别是第一运动平台、第二运动平台及第Ξ运动平台；所述的第一 运动平台包括第一平台13及两个压电陶瓷驱动器一 10;所述的第二运动平台包括第二平台 8、一个柔性支柱12、两个弹性片黃6及两个压电陶瓷驱动器二9;所述的第Ξ运动平台包括 第Ξ平台11及压电陶瓷驱动器Ξ2;所述的大理石基座包括大理石底座7、Ξ块光栅座支撑 板及两块侣合金板;所述的Ξ块光栅座支撑板分别是光栅座支撑板一 5、光栅座支撑板二1 和光栅座支撑板Ξ19,所述的两块侣合金板分别是侣合金板一 18和侣合金板二15;所述的 光栅17由两个光栅单体17-1左右并排相贴靠设置构成(构成拼接的光栅17)，位于左侧的光 栅单体17-1为动光栅，位于右侧的光栅单体17-1为静光栅；
[0030] 所述的动光栅和静光栅均安装于所对应的光栅座14上，安装有静光栅的光栅座14 的下端(通过螺钉Ξ)连接固定于光栅座支撑板Ξ19上表面，安装有动光栅的光栅座14的下 端(通过螺钉四）连接固定于第一平台13上表面;所述的柔性支柱12及两个压电陶瓷驱动器 一 10均设置在第一平台13与第二平台8之间，所述的第二平台8位于第一平台13的下方，柔 性支柱12上的两个柔性较链W及两个压电陶瓷驱动器一 10均同时与第一平台13与第二平 台8连接，从而实现光栅17在Χ、Υ两个方向转动自由度（X、Γ)的拼接;所述的第Ξ平台11 为口字型结构，第二平台8悬浮于第Ξ平台11的槽口内，所述的第二平台8通过两个弹性片 黃6和两个压电陶瓷驱动器二9与第Ξ平台11连接，所述的第Ξ平台11(通过螺钉五)连接固 定在大理石底座7上表面，所述的光栅座支撑板一 5放置在大理石底座7上表面，所述的光栅 座支撑板二1贴靠放置在大理石底座7的右侧面上，光栅座支撑板一 5和光栅座支撑板二1平 行放置，且二者顶部对齐，底部不在同一水平面上，侣合金板一 18与光栅座支撑板一 5的前 侧面及大理石底座7的前侧面(通过螺钉六)连接，光栅座支撑板二1与大理石底座7右侧面 (通过螺钉屯)连接，侣合金板二15与光栅座支撑板一 5和光栅座支撑板二1(通过螺钉八)连 接，且侣合金板二15设置在侣合金板一 18的正上方;所述的光栅座支撑板Ξ19与光栅座支 撑板一 5和光栅座支撑板二1的上表面连接，所述的压电陶瓷驱动器Ξ2的两端与第Ξ平台 11及光栅座支撑板二1连接(第Ξ平台11在压电陶瓷驱动器Ξ2的驱动下，在大理石底座7上 沿Υ向平动，从而实现光栅17在Υ向上平动的拼接）。
[0031] 由于第Ξ平台11是口字形且四个交角处的旋转刚度被削弱，相当于变成一个平行 四杆机构，所W压电陶瓷驱动器Ξ2的输出力相当于对口字形施加了一个旋转力矩，会产生 Z方向的平动(Z)，但Z方向的平动为光栅17的刻线方向，对拼接要求没有影响，所W本装置 可W实现光栅17五个自由度的解禪调整。
[0032]
【具体实施方式】二：如图1、图2、图4、图7、图8、图11及图17所示，【具体实施方式】一所 述的大口径光栅超短行程纳米级精度解禪拼接的机械装置，每个所述的光栅单体17-1的上 下表面沿光栅单体17-1的纵向（即左右方向）各加工有一个凹槽，设置在两个光栅单体17-1 上表面的两个凹槽相对设置，设置在两个光栅单体17-1下表面的两个凹槽相对设置，每个 所述的凹槽内均紧固设置有两个橡胶压块16;每个所述的光栅座14的上端和下端分别设有 两个凸台14-1，每个光栅座14上的四个所述的凸台14-1均向光栅座14的前侧突出，每个所 述的凸台14-1对应一个所述的橡胶压块16,每个橡胶压块16与对应的凸台14-1通过紧固件 (紧固件为螺钉九)把紧(橡胶压块16下部发生弹性变形，W使橡胶压块16与光栅单体17-1 压紧;橡胶压块16的厚度略大于光栅单体17-1的凹槽宽度。安装后，每个光栅单体17-1通过 四个橡胶压块16共同作用使光栅单体17-1横向紧固）。
【具体实施方式】 [0033] Ξ:如图1、图2及图7所示，一所述的大口径光栅超短 行程纳米级精度解禪拼接的机械装置，所述的柔性支柱12轴屯、线设置在第一平台13及之上 零件总体的重屯、线处。柔性支柱12起主要支撑作用，目的是为了避免压电陶瓷承受预压或 拉力。
[0034]
【具体实施方式】四：如图1、图2、图7、图8及图10所示，【具体实施方式】一所述的大口径 光栅超短行程纳米级精度解禪拼接的机械装置，所述的柔性支柱12的两端各设置有一个柔 性较链，柔性支柱12两端通过两个所述的柔性较链与第一平台13和第二平台8(通过螺栓） 连接。
【具体实施方式】 [0035] 五:如图1~图3及图10所示，一所述的大口径光栅超 短行程纳米级精度解禪拼接的机械装置，所述的两个弹性片黃6的其中一个弹性片黃6的两 端与第二平台8的左侧面及第Ξ平台11的槽左侧面(通过螺钉十)连接，两个弹性片黃6的另 一个弹性片黃6的两端与第二平台8的右侧面及第Ξ平台11的槽右侧面(通过螺钉十一)连 接(使得第Ξ平台11为具有柔性较链的结构，第二平台8不与第Ξ平台11接触），且两个弹性 片黃6对称设置，所述的两个压电陶瓷驱动器二9的一端均与第二平台8的后侧面(通过螺钉 十二)连接，两个压电陶瓷驱动器二9的另一端均与第Ξ平台11的槽后侧面(通过螺钉十Ξ) 连接，两个压电陶瓷驱动器二9对偶布置(两个对偶布置的压电陶瓷驱动器二9共同作用实 现光栅17沿X向的平动（了）和Z向转动（7 ))。
【具体实施方式】 [0036] 六:如图1~图3、图15及图16所示，一所述的大口径光 栅超短行程纳米级精度解禪拼接的机械装置，所述的大理石底座7的前侧面和右侧面分别 加工有多个光孔，每个所述的光孔内粘接有一个具有螺纹孔的螺纹套4,所述的光栅座支撑 板一 5上加工有多个螺纹孔，光栅座支撑板一 5上的多个螺纹孔与大理石底座7的前侧面上 的多个光孔一一对应且分别同轴设置，所述的侣合金板一 18上加工有多个通孔，侣合金板 一 18上的多个通孔与大理石底座7前侧面上的多个光孔一一对应且分别同轴设置，侣合金 板一 18的每个通孔内装有螺钉一，侣合金板一 18通过螺钉一与光栅座支撑板一 5上对应的 螺纹孔及大理石底座前侧面上对应的光孔内的螺纹套4螺纹连接;所述的光栅座支撑板二1 上加工有多个沉头孔，光栅座支撑板二1上的多个沉头孔与大理石底座7的右侧面上的多个 光孔一一对应且分别同轴设置，光栅座支撑板二1的每个沉头孔内装有螺钉二，螺钉二与沉 头孔之间装有弹黃垫圈3,光栅座支撑板二1通过螺钉二与大理石底座7右侧面对应的光孔 内的螺纹套4螺纹连接。
[0037] 本发明适用于口径300mm x400mm的光栅。
[0038] 本发明要求光栅17在进行拼接之前由预装配实现初步安装(预装配是指将静光栅 与各类机械零件全部装配好，静光栅与动光栅的相对位置误差在±50wii范围内，然后将动 光栅与静光栅进行高精度拼接），安装后的压电陶瓷驱动器(是指压电陶瓷驱动器二9和压 电陶瓷驱动器Ξ2)可W实现-0.05~+0.05mm超短行程范围内的精密调整。
[0039] 由于采用了两个压电陶瓷驱动器二9,并结合两个弹性片黃6W及柔性支柱12上的 柔性较链结构，光栅17可W实现10纳米的平动拼接精度。
[0040] 虽然本发明已W较佳实施例披露如上，然而并非用W限定本发明的，本领域技术 人员还可w在本发明精神内做其他变化，w及应用到本发明未提及的领域中，当然，运些依 据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。
【主权项】
1. 一种大口径光栅超短行程纳米级精度解耦拼接的机械装置，其特征在于：它包括大 理石基座、光栅（17)、两个光栅座（14)及三个运动平台；所述的三个运动平台分别是第一运 动平台、第二运动平台及第三运动平台；所述的第一运动平台包括第一平台（13)及两个压 电陶瓷驱动器一（10);所述的第二运动平台包括第二平台（8)、一个柔性支柱（12)、两个弹 性片簧(6)及两个压电陶瓷驱动器二(9);所述的第三运动平台包括第三平台（11)及压电陶 瓷驱动器三(2);所述的大理石基座包括大理石底座（7)、三块光栅座支撑板及两块铝合金 板;所述的三块光栅座支撑板分别是光栅座支撑板一 (5 )、光栅座支撑板二（1)和光栅座支 撑板三（19)，所述的两块铝合金板分别是铝合金板一（18)和铝合金板二（15);所述的光栅 (17)由两个光栅单体(17-1)左右并排相贴靠设置构成，位于左侧的光栅单体（17-1)为动光 栅，位于右侧的光栅单体(17-1)为静光栅； 所述的动光栅和静光栅均安装于所对应的光栅座（14)上，安装有静光栅的光栅座（14) 的下端连接固定于光栅座支撑板三(19)上表面，安装有动光栅的光栅座（14)的下端连接固 定于第一平台（13)上表面;所述的柔性支柱（12)及两个压电陶瓷驱动器一（10)均设置在第 一平台（13)与第二平台（8)之间，所述的第二平台（8)位于第一平台（13)的下方，柔性支柱 (12)上的两个柔性铰链以及两个压电陶瓷驱动器一（10)均同时与第一平台（13)与第二平 台（8)连接，从而实现光栅（17)在X、Y两个方向转动自由度的拼接;所述的第三平台（11)为 口字型结构，第二平台（8)悬浮于第三平台（11)的槽口内，所述的第二平台（8)通过两个弹 性片簧(6)和两个压电陶瓷驱动器二(9)与第三平台（11)连接，所述的第三平台（11)连接固 定在大理石底座(7)上表面，所述的光栅座支撑板一 (5)放置在大理石底座(7)上表面，所述 的光栅座支撑板二（1)贴靠放置在大理石底座(7)的右侧面上，光栅座支撑板一 (5)和光栅 座支撑板二（1)平行放置，且二者顶部对齐，底部不在同一水平面上，铝合金板一（18)与光 栅座支撑板一 (5)的前侧面及大理石底座(7)的前侧面连接，光栅座支撑板二（1)与大理石 底座(7)右侧面连接，铝合金板二（15)与光栅座支撑板一 (5)和光栅座支撑板二（1)连接，且 铝合金板二（15)设置在铝合金板一（18)的正上方;所述的光栅座支撑板三（19)与光栅座支 撑板一 (5)和光栅座支撑板二（1)的上表面连接，所述的压电陶瓷驱动器三(2)的两端与第 三平台（11)及光栅座支撑板二（1)连接。2. 根据权利要求1所述的大口径光栅超短行程纳米级精度解耦拼接的机械装置，其特 征在于:每个所述的光栅单体(17-1)的上下表面沿光栅单体（17-1)的纵向各加工有一个凹 槽，设置在两个光栅单体（17-1)上表面的两个凹槽相对设置，设置在两个光栅单体（17-1) 下表面的两个凹槽相对设置，每个所述的凹槽内均紧固设置有两个橡胶压块（16);每个所 述的光栅座（14)的上端和下端分别设有两个凸台（14-1)，每个光栅座（14)上的四个所述的 凸台（14-1)均向光栅座（14)的前侧突出，每个所述的凸台（14-1)对应一个所述的橡胶压块 (16)，每个橡胶压块(16)与对应的凸台（14-1)通过紧固件把紧。3. 根据权利要求1所述的大口径光栅超短行程纳米级精度解耦拼接的机械装置，其特 征在于:所述的柔性支柱(12)轴心线设置在第一平台（13)及之上零件总体的重心线处。4. 根据权利要求1所述的大口径光栅超短行程纳米级精度解耦拼接的机械装置，其特 征在于:所述的柔性支柱（12)的两端各设置有一个柔性铰链，柔性支柱（12)两端通过两个 所述的柔性铰链与第一平台（13)和第二平台（8)连接。5. 根据权利要求1所述的大口径光栅超短行程纳米级精度解耦拼接的机械装置，其特 征在于:所述的两个弹性片簧(6)的其中一个弹性片簧(6)的两端与第二平台（8)的左侧面 及第三平台（11)的槽左侧面连接，两个弹性片簧(6)的另一个弹性片簧(6)的两端与第二平 台（8)的右侧面及第三平台（11)的槽右侧面连接，且两个弹性片簧(6)对称设置，所述的两 个压电陶瓷驱动器二(9)的一端均与第二平台（8)的后侧面连接，两个压电陶瓷驱动器二 (9)的另一端均与第三平台（11)的槽后侧面连接，两个压电陶瓷驱动器二(9)对偶布置。6.根据权利要求1所述的大口径光栅超短行程纳米级精度解耦拼接的机械装置，其特 征在于:所述的大理石底座(7)的前侧面和右侧面分别加工有多个光孔，每个所述的光孔内 粘接有一个具有螺纹孔的螺纹套(4)，所述的光栅座支撑板一 (5)上加工有多个螺纹孔，光 栅座支撑板一 (5)上的多个螺纹孔与大理石底座(7)的前侧面上的多个光孔一一对应且分 别同轴设置，所述的铝合金板一（18)上加工有多个通孔，铝合金板一（18)上的多个通孔与 大理石底座（7)前侧面上的多个光孔一一对应且分别同轴设置，铝合金板一（18)的每个通 孔内装有螺钉一，铝合金板一（18)通过螺钉一与光栅座支撑板一 (5)上对应的螺纹孔及大 理石底座前侧面上对应的光孔内的螺纹套(4)螺纹连接;所述的光栅座支撑板二（1)上加工 有多个沉头孔，光栅座支撑板二（1)上的多个沉头孔与大理石底座(7)的右侧面上的多个光 孔一一对应且分别同轴设置，光栅座支撑板二（1)的每个沉头孔内装有螺钉二，螺钉二与沉 头孔之间装有弹簧垫圈（3)，光栅座支撑板二（1)通过螺钉二与大理石底座(7)右侧面对应 的光孔内的螺纹套(4)螺纹连接。
【文档编号】G12B5/00GK106067327SQ201610352556
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年5月25日 公开号201610352556.6, CN 106067327 A, CN 106067327A, CN 201610352556, CN-A-106067327, CN106067327 A, CN106067327A, CN201610352556, CN201610352556.6
【发明人】白清顺, 沈荣琦, 何欣, 赵航, 张英杰, 张庆春
【申请人】哈尔滨工业大学