大口径光栅超短行程纳米级精度解耦拼接的机械装置 |
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| 申请号 | CN201610352556.6 | 申请日 | 2016-05-25 | 公开(公告)号 | CN106067327A | 公开(公告)日 | 2016-11-02 |
| 申请人 | 哈尔滨工业大学; | 发明人 | 白清顺; 沈荣琦; 何欣; 赵航; 张英杰; 张庆春; | ||||
| 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。 | ||||||
| 权利要求 | 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； |
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| 说明书全文 | 大口径光栅超短行程纳米级精度解耦拼接的机械装置技术领域[0001] 本发明涉及一种大口径光栅解耦拼接的机械装置，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耦拼接的机械装置。 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，同步辐射工程的需要，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，已经成为影响这些大型高技术工程项目成败的关键。同时，由于这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耦拼接的实质应用。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耦调整的问题，提供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。 [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耦拼接的机械装置，它包括大理石基座、光栅、两个光栅座及三个运动平台；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、两个弹性片簧及两个压电陶瓷驱动器二；所述的第三运动平台包括第三平台及压电陶瓷驱动器三；所述的大理石基座包括大理石底座、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、光栅座支撑板二和光栅座支撑板三，所述的两块铝合金板分别是铝合金板一和铝合金板二；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三上表面，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铰链以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X、Y两个方向转动自由度的拼接；所述的第三平台为口字型结构，第二平台悬浮于第三平台的槽口内，所述的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，所述的第三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，铝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，铝合金板二与光栅座支撑板一和光栅座支撑板二连接，且铝合金板二设置在铝合金板一的正上方；所述的光栅座支撑板三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三的两端与第三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、无耦合自由度、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耦调整，可以实现拼接后的光栅在空间五个自由度 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H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K处局部放大图。 [0027] 图中：光栅座支撑板二1、压电陶瓷驱动器三2、弹簧垫圈3、螺纹套4、光栅座支撑板一5、弹性片簧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、第三平台11、柔性支柱12、第一平台13、光栅座14、凸台14-1、铝合金板二15、橡胶压块16、光栅17、光栅单体17-1、铝合金板一18、光栅座支撑板三19。 [0028] 图中各坐标指向说明，坐标Z指向：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Y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耦拼接的机械装置，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(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(通过螺钉三)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(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(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，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(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(通过螺钉七)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(通过螺钉八)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(第三平台11在压电陶瓷驱动器三2的驱动下，在大理石底座7上沿Y向平动，从而实现光栅17在Y向上平动 的拼接)。 [0031] 由于第三平台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，所以压电陶瓷驱动器三2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 ，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，所以本装置可以实现光栅17五个自由度的解耦调整。 [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耦拼接的机械装置，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，以使橡胶压块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)。 [0033] 具体实施方式三：如图1、图2及图7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耦拼接的机械装置，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。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耦拼接的机械装置，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(通过螺栓)连接。 [0035] 具体实施方式五：如图1～图3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耦拼接的机械装置，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(通过螺钉十)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(通过螺钉十一)连接(使得第三平台11为具有柔性铰链的结构，第二平台8不与第三平台11接触)，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(通过螺钉十二)连接，两个压电陶瓷驱动器二9的另一端均与第三平台11的槽后侧面(通过螺钉十三)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 和Z向转动 )。 [0036] 具体实施方式六：如图1～图3、图15及图16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耦拼接的机械装置，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。 [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±50μm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和压电陶瓷驱动器三2)可以实现-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，并结合两个弹性片簧6以及柔性支柱12上的柔性铰链结构，光栅17可以实现10纳米的平动拼接精度。 [0040] 虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明的，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这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。 |
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