亚微米级精密升降装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种亚微米级升降装置，属于微位移技术领域。
【背景技术】
[0002]作为精密机械与精密仪器的关键技术之一——微位移技术，近年来随着电子技术、宇航、生物工程等学科的发展而迅速发展起来。尤其随着微电子技术向大规模集成电路和超大规模集成电路方向发展和微机械的研宄，微位移机构得到迅猛发展，并得到广泛应用。尤其是在光学与电子工程、精密工程、航天技术、生物工程、微电子系统、纳米技术等领域，人们对于精密机械和精密仪器的分辨率和精度要求越来越高，精密微位移机构作为其核心部件，它的精度极大地制约了精密机械和精密仪器的发展。另外随着科技的发展，将会有更多的领域需要精密的微位移技术，例如:光线对接、微细加工、微型机器人装配等。
[0003]目前，常用的精密微位移装置主要有如下几种:
I)直线电机式微位移机构
直线电机具有任意的调节行程，无限的位移分辨率的优点。在利用空气轴承微步进直线电机作为驱动件产生微位移时，由于简化了系统的结构，从而避免了由于中间环节的弹性变形、间隙、磨损和发热等因素带来的运动误差，故这种微位移机构最明显的优点是响应快、可达到瞬时高加速度和减速度。为此，它的快速进给速度达到2.5m/s以上，几乎在瞬间可加速到几个重力加速度。在高加速度时，通常可产生几个牛顿推力。在常载下可达到Iym以内的重复定位精度。另使用直线电机的伺服系统具有较大的刚度和较小的外形尺寸，在计算机控制的精密车削和磨削加工中得到成功的应用。但是，直线电机目前还存在着成本较高、发热较严重、控制系统较复杂等问题，故应用还受到一定限制。但是，随着科学技术的发展，直线电机的上述问题将得到解决，直线电机式微位移机构将会得到广泛的应用。
[0004]2)机械传动式微位移机构
机械传动式微位移机构主要利用螺旋机构、杠杆机构、楔块机构、凸轮机构、弹性机构以及它们的组合机构实现微位移。机械传动式微位移机构出现最早，技术相对成熟，具有较好的分辨率，但由于机构间隙、摩擦磨损以及爬行等原因，导致精度灵敏度都难以达到高精度的要求。
[0005]3)扭轮摩擦传动式微位移机构
它是利用扭轮摩擦传动来实现微位移的机构。一般的摩擦传动方式，是将驱动摩擦轮展开为直线运动，运动分辨率有限。当将摩擦副的主动轮与从动杆的母线交角从直角减小到一个很小角度时，此时形成的摩擦副即为扭轮摩擦副，而所形成的机构也就称为扭轮摩擦传动式机构。它可以得到很小的导程和纳米级的运动分辨率和定位精度，且有运动平稳、无间隙和无爬行等优点。它可应用于许多超精密传动领域。一般的扭轮摩擦传动方式是将驱动摩擦轮展开为直线运动，运动分辨率有限。
[0006]4)弹性变形传动式微位移机构
这种机构结构简单，可获得较高的分辨率；定位精度较低。由于输入位移是步进的，故易产生过渡性振荡，不适于要求动态响应的场合，可用于高精度测量技术及光学零件的精密调整机构等。
[0007]5)压电元件式微位移机构
本机构利用压电元件(陶瓷)的逆压电效应来实现微位移。改变输人电压的大小即可得到不同的微位移，避免了机械结构造成的误差，故具有结构简单、尺寸小、分辨率极高(可达纳米级)、发热少、无杂散电磁场、便于遥控、能实现自动微量进给、有较好的动特性和有很高的响应频率(响应时间达10ys)等优点。但是压电陶瓷的缺点是变形量小，即压电微位移器件在施加较高电压时，行程仍很小。且压电材料驱动器激励应变量比较小，一般是300微应变，压电陶瓷的极限不超过700微应变。所以，为在较低电压下产生较大位移量，除采用压电系数大的材料外，大多需要位移放大机构。
[0008]综上，截至目前为止，能够输出足够动力的精密微位移装置结构都较为复杂，并涉及到辅助控制系统，成本较高。因此，亟需一种结构简单、调整方便、能够满足高精度要求并且经济成本低廉的精密微位移装置。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是提供一种亚微米级精密升降装置，它具有较高的灵敏度和灵活性，结构简单、调整方便、能够达到亚微米级精度，且成本低廉。
[0010]本发明解决上述问题采取的技术方案分别是:
本发明的亚微米级精密升降装置，包括基座、螺旋机构、楔块机构及锁紧机构；所述的螺旋机构包括微分头支座、滚针导向器、联轴器、微分头及微分头锁紧套环；所述的楔块机构包括Z向滑块、X向滚动导轨一、X向滚动导轨滑块一、滑块连接板、X向滑块、X向滚动导轨二及X向滚动导轨滑块二 ；所述的锁紧机构包括两个滚珠导套、两个导杆锁紧套环、两个导杆锁紧支架及两个升降导杆；
所述的基座上固定有X向滚动导轨一，所述的X向滚动导轨滑块一与X向滚动导轨一滑动连接；基座上设有两个平台，所述的两个平台位于X向滚动导轨一的外侧，两个平台相对于基座的X向中心线对称设置，每个平台上均设有一个安装孔，每个所述的安装孔内匹配装有一个滚珠导套，所述的两个导杆锁紧支架沿X向固定在基座上；每个导杆锁紧支架上端中部设有轴孔，轴孔的侧壁沿轴向开缝，每个轴向开缝的轴孔内分别固定装有一个所述的导杆锁紧套环，导杆锁紧套环与滚珠导套同轴设置；所述的X向滑块的下端面为水平面且与X向滚动导轨滑块一固接，X向滑块的上端面为斜面，X向滑块的斜面与所述的滑块连接板贴合并固接，X向滑块的后端中部与所述的滚针导向器连接；所述的Z向滑块的上端面为水平面，Z向滑块的下端面为斜面，Z向滑块的斜面与所述的X向滚动导轨二贴合且固接，X向滚动导轨二与所述的X向滚动导轨滑块二滑动连接，X向滚动导轨滑块二的下端面与滑块连接板上端面贴合且固接，由Z向滑块和X向滑块组成楔形滑块；z向滑块下端面与所述的两个升降导杆固接，两个升降导杆各与相对应的滚珠导套和导杆锁紧套环相配合；基座的后端固定有所述的微分头支座，微分头支座上设有安装孔，微分头支座的安装孔内固定有所述的微分头锁紧套环，所述的微分头通过微分头锁紧套环锁紧固定，微分头的输出杆通过联轴器与滚针导向器相连。
[0011]本发明相对于现有技术的有益效果是: 1、本发明通过微分头的直线运动，推动X向滑块沿X向滚动导轨移动，通过相对运动以及Z向的升降导杆和滚珠导套的限制作用把X方向的运动转换为Z方向的运动，工作台面上升。微分头通过一个联轴器和一个滚针导向器于水平滑动的X向滑块相连。在工作台面上升或下降过程中，微分头在伸缩的同时会产生旋转，通过这个联轴器和滚针导向器，可以只将微分头的伸缩运动即X向的运动输出给水平滑动的X向滑块，X向滑块通过X向滚动导轨二与竖直滑动的Z向滑块相连，从而保证将微分头的伸长或收缩实时地传递给工作台面，使其完成上升或下降运动。因此本发明属于机械传动式微位移机构，由楔块机构和螺旋机构组成螺旋微位移机械结构，若采用市面上普通的微分头进行驱动，微分头每转一小格，X向滑块会移动0.0lmm，楔形滑块的斜面斜度为1:10，所以Z向位移分辨率可达I μπι，提高了位移分辨率。
[0012]2、滚动导轨和滚珠导套相配合使用，提高了装置的灵活性。锁紧螺钉夹紧锁紧导杆锁紧套环的工作位置固定模式，增加了装置的工作可靠性和使用寿命。
[0013]3、机构通过一个1:10的斜面将X向的水平运动转化成为Z向的竖直运动，所以可将尾端线性促动器的精度提高十倍。即若尾端固定有一个微米级的线性促动器如微米级的微分头时，通过1:10的斜面便可将装置精度提高到亚微米级。
[0014]本发明主要用于亚微米级Z向高度调整。具体应用:若在其上安装超声刀架、快速伺服刀架或者直接安装车刀，可用于高精度的对刀；若安装光纤设备，可用于高精度的光纤对准。
【附图说明】
[0015]图1是本发明的亚微米级精密升降装置的主剖视图；
图2是图1的俯视图；
图3是图1的左视图；
图4是图3的P向视图；
图5是本发明的亚微米级精密升降装置的爆炸视图；
图6是微分头锁紧套环的主视图；
图7是图6的俯视图；
图8是导杆锁紧套环的主视图；
图9是图8的俯视图。
[0016]上述图中涉及到的部件名称及标号分别为:
基座1、平台1-1、滚珠导套2、锁紧螺钉3、导杆锁紧套环4、导杆锁紧支架5、升降导杆
6、微分头支座7、滚针导向器8、联轴器9、微分头10、微分头锁紧套环11、上保护罩12、下保护罩13、Ζ向滑块14、Χ向滚动导轨一 15、Χ向滚动导轨滑块一 16、滑块连接板17、Χ向滑块18、X向滚动导轨二 19、X向滚动导轨滑块二 20。
【具体实施方式】
[0017]下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
[0018]【具体实施方式】一:如图1~图5所示，亚微米级精密升降装置，包括基座1、螺旋机构、楔块机构及锁紧机构；所述的螺旋机构包括微分头支座7、滚针导向器8、联轴器9、微分头10及微分头锁紧套环11 ;所述的楔块机构包括Z向滑块14、X向滚动导轨一 15、X向滚动导轨滑块一 16、滑块连接板17、X向滑块18、X向滚动导轨二 19及X向滚动导轨滑块二20 ;所述的锁紧机构包括两个滚珠导套2、两个导杆锁紧套环4、两个导杆锁紧支架5及两个升降导杆6 ；
所述的基座I上固定有X向滚动