[发明专利]亚微米级精密升降装置

说明书

技术领域

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

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究，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。

目前，常用的精密微位移装置主要有如下几种：

1)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1μm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。

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。

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。

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。

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100μs)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。

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

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。

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；