精密一维旋转及二维倾斜工作台.pdf

本发明公开了一种一维旋转及二维倾斜工作台，包括底座、底层板、中层板、上层板及调整机构和驱动部分。其下层板和上层板分别在相互正交的方向上实现工作台倾斜，而中层板则在与上述两个正交方向垂直的平面内实现工作台较大范围的旋转。底座和下层板之间通过转动副、楔形滑块、弹簧实现联结，底板上固定直线导轨，楔形滑块支撑下层板；下层板和中层板之间通过弧形导轨和中心转轴实现旋转和联结；中层板和上层板之间同样采用转动副、楔形滑块和弹簧实现联结，中层板上固定直线导轨，楔形滑块支撑上层板。调整机构包括粗调整和精调整结构。本发明可以实现工作台一维旋转及二维倾斜的工作需要，并能在较大的空间调整范围内实现亚角秒量级的角度定位。

1、  一种精密一维旋转及二维倾斜工作台，其特征在于：包括底座、底层板、中层板、上层板及调整机构和驱动部分，该底座和下层板之间通过转动副、楔形滑块、弹簧实现联结，底板上固定直线导轨，楔形滑块支撑下层板；下层板和中层板之间通过弧形导轨实现旋转和联结；中层板和上层板之间采用转动副、楔形滑块和弹簧实现联结，中层板上固定直线导轨，楔形滑块支撑上层板。

2、  根据权利要求1所述的精密一维旋转及二维倾斜工作台，其特征在于：该调整机构包括用于粗调整的螺纹调整副结构和用于精调整的压电陶瓷结构；驱动部分包括手柄或步进电机、驱动器、压电陶瓷、压电陶瓷驱动电路、信号处理电路、控制电路、控制计算机。

3、  根据权利要求1所述的精密一维旋转及二维倾斜工作台，其特征在于：所述的底座一侧对称固定两个转动副和下层板柱面体相连，在底座的另一侧中心位置固定直线导轨，直线导轨滑块为楔形滑块；楔形滑块和下层板上另一侧的柱面体线接触；两个转动副和一个楔形滑块对下层板构成三点支撑；在底座和下层板的对称中心线上，固定两根预紧拉伸弹簧，使下层板一侧通过两个转动副和底座紧密联结，而下层板另一侧的柱面体紧紧贴合在楔形滑块上。

4、  根据权利要求1所述的精密一维旋转及二维倾斜工作台，其特征在于：
所述的中层板和下层板之间通过两个弧形导轨及中心转轴实现联结；两个弧形导轨分别固定在下层板的两端，导轨上放置滑块，并固定在中层板上；中层板通过两端弧形导轨上的滑块实现支撑，并可以围绕中心转轴旋转。

5、  根据权利要求1所述的精密一维旋转及二维倾斜工作台，其特征在于：在中层板上一侧对称固定两个转动副，上层板通过两个转动副实现旋转；在中层板的另一侧中心位置固定直线导轨，导轨滑块为楔形滑块，沿导轨直线进给；楔形滑块和上层板上另一侧的柱面体线接触；两个转动副和一个楔形滑块对上层板构成三点支撑；在中层板和上层板的对称中心线上，固定两根预紧拉伸弹簧，使上层板通过一侧对称固定的两个转动副紧密联结在中层板上，而上层板另一侧的柱面体紧紧贴合在楔形滑块上。

6、  根据权利要求2所述的精密一维旋转及二维倾斜工作台，其特征在于：该压电陶瓷放置在拉伸薄壁弹簧内，拉伸薄壁弹簧固定在压电陶瓷盒内；压电陶瓷的一端固定钢球，钢球紧紧顶住楔形滑块或中层板连杆；压电陶瓷的另一端和螺纹调整副相连；该螺纹调整副包括螺杆和螺杆支架，螺杆分为螺纹区和光杆锁紧区，螺杆支架固定在底座或下层板或中层板上；螺纹区和螺杆支架上的螺纹配合并实现螺杆固定，光杆锁紧区通过锁紧机构实现螺纹副锁死。

7、  根据权利要求1所述的精密一维旋转及二维倾斜工作台，其特征在于：中层板的调整机构包括压电陶瓷和螺纹调整副，以及压缩弹簧、伸缩销和伸缩销支架；伸缩销支架固定在下层板上，内置压缩弹簧；伸缩销放置在伸缩销支架内，一端紧紧顶住中层板连杆，另一端则顶住压缩弹簧。

8、  根据权利要求1所述的精密一维旋转及二维倾斜工作台，其特征在于：所述的底座和下层板之间以及中层板和上层板之间的两个转动副的结构形式包括：
采用两个V型块固定在底座/中层板上，下层板/上层板上固定两个柱面体，柱面体放置在V型块的V型槽内，下层板/上层板通过柱面体在两个V型槽内转动实现倾斜；或
在底座/中层板上固定两个凸起并在凸起上开转轴销孔，下层板/上层板对应错开固定两个凸起并开转轴销孔，再通过转轴销将下层板/上层板和底座/中层板联结起来，下层板/上层板利用转轴销转动实现倾斜；或
在底座/中层板上固定铰接母体，下层板/上层板固定铰接体，通过接母体和铰接体铰接的方式实现下层板/上层板和底座/中层板相连，下层板/上层板通过铰接处转动实现倾斜。

9、  根据权利要求2所述的精密一维旋转及二维倾斜工作台，其特征在于：
该用于粗调整的螺纹调整副结构的驱动源为手柄或者步进电机；控制计算机通过I/O控制电路连接控制步进电机驱动器，控制计算机输出端通过D/A转换电路与压电陶瓷高压驱动电路连接。

10、  根据权利要求1至9中任一所述的精密一维旋转及二维倾斜工作台，其特征在于：
还包括开环或闭环控制系统，经信号处理和控制电路和控制计算机相连，对工作台的旋转角度实现实时反馈和修正。

精密一维旋转及二维倾斜工作台
技术领域
本发明涉及一种精密角度调整工作台，特别是空间粗调整、精调整的一维旋转及二维倾斜定位工作台结构。
背景技术
精密角度调整工作台在精密机械加工、光学元件调整、微机电系统、生物医学等领域有着广泛的应用。如何在紧凑的可调整空间内实现不同范围和精度要求的三维角度定位是旋转工作台研制的难点和关键问题。目前，精密调整技术发展迅速，纳米定位技术已经广泛应用于精密调整机构中，如光学移相干涉、自适应调整技术、电致伸缩微位移移动机构等。纳米定位技术结合传统的丝杆传动或螺纹传动等机械装置可以满足不同调整精度和调整范围的空间方位变化需求，实现个性化和多样化的计量测试及结构位置调整需要。
在传统的工业生产中，角度调整常采用角度调整样件或者类似塞规等调整工具，这种方法可靠性差且调整精度低。在现有的机械加工等工业领域中，大范围旋转工作台一般采用刻线方法计量旋转角度，难以实现高精度的精密定位，而且移动速度慢，多为一维角度调整；而常见的精密旋转机构多集中在一个或者两个自由度的调整，同时存在旋转范围小的缺陷。在先技术[1](中国发明专利，公开号：1716456A)给出了长行程、纳米级一维移动工作台结构，类似的原理可以用于旋转工作台，但是这种装置传动结构复杂，难以在紧凑的空间内实现多自由度角度测量，而且通用性差，一般仅用在某些特殊的测量领域。在先技术[2](the Newport Resource，Mot ion Control：Manual Rotation Stagesand Motorized Rotation Stages.2006/2007，P.901-914)描述了多种型号的旋转及倾斜旋转工作台，可以实现旋转及倾斜多自由度使用要求，但是这些工作台多用于小型光学元件对准、共面及正交等调整，旋转自由度调整范围较小，承载能力有限，且多采用手动调整，难以实现精密的角度定位。在先技术[3](中国发明专利，公开号：CN1669744A)给出了六自由度精密定位工作台，可以实现纳米级定位精度，但是该机构采用柔性铰接的联结方式，实际运动时存在耦合，难以实现精密定位。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术的不足，提出一种可以进行一维旋转及二维倾斜工作台，可以在较大的调整范围内实现亚角秒量级精度的角度定位。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种三维旋转及倾斜工作台，包括底座、底层板、中层板、上层板及调整机构和驱动部分。其主要特点是下层板和上层板分别在相互正交的方向上实现-1°～1°小范围倾斜，而中层板则在与上述两个正交方向垂直的平面内实现-5°至+5°较大范围旋转。底座和下层板之间通过转动副、楔形滑块、弹簧实现联结，底板上固定直线导轨，楔形滑块支撑下层板；下层板和中层板之间通过弧形导轨实现旋转和联结；中层板和上层板之间同样采用转动副、楔形滑块和弹簧实现联结，中层板上固定直线导轨，楔形滑块支撑上层板。调整机构由螺纹调整副和精密调整组件构成，分别用于粗调整和精调整。驱动部分包括手柄或步进电机、驱动器、压电陶瓷、压电陶瓷驱动电路、信号处理电路、控制电路、控制计算机。所述的底座一侧对称固定两个转动副和下层板柱面体相连，在底座的另一侧中心位置固定直线导轨，直线导轨滑块为楔形滑块。楔形滑块和下层板上另一侧的柱面体线接触。楔形滑块在调整机构的作用下可以在直线导轨上滑动，顶升下层板，并使下层板绕两个转动副倾斜。两个转动副和一个楔形滑块对下层板构成三点支撑。在底座和下层板的对称中心线上，固定两根预紧拉伸弹簧，使下层板一侧通过两个转动副和底座紧密联结，而下层板另一侧的柱面体紧紧贴合在楔形滑块上。
所述的中层板和下层板之间通过两个弧形导轨及中心转轴实现联结。两个弧形导轨分别固定在下层板的两端，导轨上放置滑块，并固定在中层板上。中层板通过两端弧形导轨上的滑块实现支撑，并可以围绕中心转轴旋转。
所述的中层板和上层板的结构形式与底座和下层板的联结形式相似。在中层板上一侧对称固定两个转动副，上层板通过两个转动副实现旋转。在中层板的另一侧中心位置固定直线导轨，导轨滑块为楔形滑块，沿导轨直线进给。楔形滑块和上层板上另一侧的柱面体线接触。两个转动副和一个楔形滑块对上层板构成三点支撑。在中层板和上层板的对称中心线上，固定两根预紧拉伸弹簧，使上层板通过一侧对称固定的两个转动副紧密联结在中层板上，而上层板另一侧的柱面体紧紧贴合在楔形滑块上。
所述的调整机构包括精调整和粗调整，分别由精密调整组件和螺纹调整副组成。精密调整组件包括拉伸薄壁弹簧、压电陶瓷盒、钢球组成。精调整驱动源为压电陶瓷。压电陶瓷放置在拉伸薄壁弹簧内，拉伸薄壁弹簧固定在压电陶瓷盒内。压电陶瓷的一端固定钢球，钢球紧紧顶住楔形滑块(或中层板连杆)。压电陶瓷的另一端和螺纹调整副相连。螺纹调整副用于粗调整，包括螺杆和螺杆支架，螺杆分为螺纹区和光杆锁紧区，螺杆支架固定在底座(或下层板、中层板)上。螺纹区和螺杆支架上的螺纹配合并实现螺杆固定。光杆锁紧区通过锁紧机构实现螺纹副锁死。
所述中层板的调整机构除了上述的压电陶瓷和螺纹调整副，还包括压缩弹簧、伸缩销和伸缩销支架。伸缩销支架固定在下层板上，内置压缩弹簧。伸缩销放置在伸缩销支架内，一端紧紧顶住中层板连杆，另一端则顶住压缩弹簧。
所述的底座和下层板之间(中层板和上层板之间同样)的两个转动副可以有三种不同的结构形式：第一种形式是采用两个V型块固定在底座(中层板)上，下层板(上层板)上固定两个柱面体，柱面体放置在V型块的V型槽内，下层板(上层板)通过柱面体在两个V型槽内转动实现倾斜；第二种形式在底座(中层板)上固定两个凸起并在凸起上开转轴销孔，下层板(上层板)对应错开固定两个凸起并开转轴销孔，再通过转轴销将下层板(上层板)和底座(中层板)联结起来，下层板(上层板)利用转轴销转动实现倾斜；第三种形式在底座(中层板)上固定铰接母体，下层板(上层板)固定铰接体，通过接母体和铰接体铰接的方式实现下层板(上层板)和底座(中层板)相连，下层板(上层板)通过铰接处转动实现倾斜。
所述的粗调整驱动源为手柄或者步进电机，本发明所述的粗调整相应为手动调节或者电动调节。所述的精调整驱动源为压电陶瓷。
所述驱动部分为步进电机(或手柄)、驱动器、控制电路、压电陶瓷、信号处理电路、控制计算机组成。控制计算机通过I/O控制电路控制步进电机驱动器，驱动步进电机转动。计算机输出端通过D/A转换电路与压电陶瓷高压驱动电路连接。
所述驱动部分可以做成开环或闭环控制系统。在闭环控制系统中，工作台上放置角度传感装置(如干涉测量系统、光栅测量系统等)，经信号处理和控制电路和计算机相连，可以对工作台的旋转角度实现实时闭环反馈和修正。
本发明的技术效果如下：
1.下层板和上层板分别通过楔形滑块进给在正交方向倾斜工作台。
调整机构驱动楔形滑块在直线导轨上进给。楔形滑块顶升下层板(上层板)柱面体，下层板(上层板)通过另一侧的两个转动副旋转，实现下层板(上层板)的倾斜。由于工作台倾斜方向几何尺寸远大于楔形滑块顶升位移，存在百倍量级的杠杆比，而顶升位移在纳米量级到毫米量级变化，所以工作台可以在较大范围内实现亚角秒量级的倾斜要求，同时承载能力也得到很大的提高。
2.中层板通过两端弧形导轨实现绕中心轴旋转。
调整机构驱动中层板连杆旋转，中层板通过滑块绕中心转轴在弧形导轨上滑动，可以在较大的旋转范围内实现工作台的旋转运动。调整机构的旋转力臂可以达到100毫米，甚至更大，增强了工作台克服滑动摩擦的能力并可实现较高的旋转精度。
3.粗调整和精调整分别由粗调整驱动源(步进电机或手柄)和精调整驱动源(压电陶瓷)实现。
粗调整时，驱动源控制螺杆在螺杆支架内旋转进给，推动压电陶瓷盒顶进楔形滑块或中层板连杆，实现工作台的倾斜或旋转，粗调整总行程可以达到20mm。粗调整完毕，通过光杆锁紧区锁紧螺纹副。精调整时，通过控制电路接通压电陶瓷，实现纳米级微位移进给，精调整总进给形成可以达到30微米。
4.本发明驱动部分可以采用开环或闭环系统。
采用开环系统时，根据工作台的旋转或倾斜要求，直接控制驱动源或压电陶瓷推动工作台旋转或倾斜。闭环控制时，工作台上放置角度传感装置给出工作台的实际旋转或倾斜角度，通过计算机与输入量进行比较得出误差值，再通过经信号处理和控制电路驱动步进电机或压电陶瓷进给，实现对工作台旋转或倾斜角度的实时修正。
本发明的技术优点：
相对在先技术，本发明旋转自由度调整范围大，倾斜结构采用大杠杆比结构设计，承载能力强，调整精度高。驱动部分采用压电陶瓷微位移机构配合螺纹副调整，精调整和粗调整相结合，调整范围大，精调整采用薄壁弹簧结构，动态响应性好。本发明整体结构紧凑简单，调整方便，虽然采用三层模块式叠加，但是由于任一维角度调节仅在一个模块内完成，且采用刚性接触，传动链简单，减少了误差累积。本发明适合于较大范围高精度三维角度调整场合使用，配合XYZ位移工作台，可以实现六自由度精密调整需要。
附图说明
图1是本发明精密三维旋转倾斜工作台的一实施例的主视图。
图2是图1所示实施例A-A处的剖视图。
图3是图1所示实施例B-B处的剖视图。
图4是图1所示实施例中调整机构局部视图。
图5本发明一实施例的信号处理和控制电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明精密三维旋转倾斜工作台作进一步说明。
先请参阅图1、图2和图3，由图可见，本发明主要包括底座1、下层板2、中层板3、上层板4、调整机构和驱动部分等。
底座1一侧对称固定两个转动副和下层板2相连，下层板2通过转动副实现旋转。在底座1的另一侧中心位置固定直线导轨25，导轨滑块为楔形滑块26。楔形滑块26和下层板2上的柱面体29线接触连接。楔形滑块26在调整机构的作用下可以在直线导轨25上滑动，顶升下层板2，并使下层板2绕另一侧的两个转动副转动。两个转动副和一个楔形滑块26对下层板2构成三点支撑。在底座1和下层板2的对称中心线上，固定两根预紧拉伸弹簧7、8，使下层板2一侧通过两个转动副和底座1紧密联结，而下层板柱面体29紧紧贴合在楔形滑块26上。调整机构驱动楔形滑块26在直线导轨25上进给。楔形滑块26顶升下层板柱面体29，下层板2通过两个转动副旋转，实现工作台Z-Z方向的倾斜。
中层板3和下层板2之间通过两个弧形导轨5、14及中心转轴13实现联结。两个弧形导轨5、14分别固定在下层板2的两端，弧形导轨5、14上放置滑块6、15，并固定在中层板3上。中层板3通过两端弧形导轨5、14上的滑块6、15及中心转轴13实现支撑，并可以围绕中心转轴13旋转。调整机构和伸缩销支架23固定在下层板2上，伸缩销22置于伸缩销支架23内，伸缩销支架23内置压缩弹簧24。调整机构驱动中层板连杆21旋转，同时伸缩销22拉伸或压紧压缩弹簧24，中层板3绕中心转轴13在弧形导轨5、14上滑动，可以在较大旋转范围内实现工作台的X-X方向旋转运动。
在中层板3上一侧对称固定两个转动副，在中层板3的另一侧中心位置固定直线导轨27，导轨滑块为楔形滑块20。楔形滑块20和上层板4另一侧的柱面体11线接触连接。两个转动副和一个楔形滑块20对上层板4构成三点支撑。在中层板3和上层板4的对称中心线上，固定两根预紧拉伸弹簧9、28，使上层板4通过一侧对称固定的两个转动副紧密联结在中层板3上，而上层板另一侧的柱面体11紧紧贴合在楔形滑块20上。调整机构驱动楔形滑块20在直线导轨27上进给。楔形滑块20顶升上层板圆柱面体11，上层板4通过两个转动副旋转，实现工作台Y-Y方向的倾斜。
本实施例所述转动副为V型块16、18、12、30和柱面体17、19、10、31，柱面体17、19、10、31在V型块16、18、12、30的V型槽内通过线接触转动。
图4所示为图1实施例的调整机构。工作台Y-Y和Z-Z两个方向的倾斜调整由调整机构推动楔形滑块20(26)实现，工作台X-X方向旋转调整由调整机构推动中层板连杆21实现。调整机构由压电陶瓷35和螺纹调整副组成。压电陶瓷35放置在拉伸薄壁弹簧34内，整体固定在压电陶瓷盒33内。压电陶瓷35的一端固定钢球32，钢球32紧紧顶住楔形块20(26)(或中层板连杆21)。压电陶瓷35的另一端和螺纹调整副相连。螺纹调整副包括螺杆36和螺杆支架37，螺杆分为螺纹区和光杆锁紧区，螺杆支架37固定在底座1(或下层板2、中层板3)上。螺纹区和螺杆支架37上的螺纹配合并实现螺杆36固定。光杆锁紧区通过锁紧机构38实现螺纹副锁死。粗调整时，驱动源39控制螺杆36在螺杆支架37内旋转进给，推动压电陶瓷盒33顶进楔形滑块20(26)或连杆21，实现工作台的倾斜或旋转。粗调整完毕，通过光杆锁进区锁紧螺纹副。精调整时，通过控制电路接通压电陶瓷35，实现调整机构纳米级微位移进给。
图1实施例所述的驱动源为手动调节。
图5是一实施例的信号处理和控制电路，采用闭环控制系统。驱动部分为步进电机45、压电陶瓷33、控制计算机40、信号处理和控制电路组成。控制计算机40通过I/O控制电路43控制步进电机驱动器44，驱动步进电机45转动，实现粗调整。控制计算机40输出端通过D/A转换电路41与压电陶瓷高压驱动电路42连接，控制压电陶瓷33微位移进给，实现精调整。工作台上放置角度传感装置46给出工作台的实际旋转或倾斜角度，并经过信号处理与控制电路47反馈给控制计算机40，与输入量进行比较得出误差值，闭环实现对工作台旋转或倾斜角度的实时修正。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。