一种基于直驱式气浮平台的二级宏微相机镜头调焦装置转让专利
申请号 : CN202310441412.8
文献号 : CN116381892B
文献日 : 2023-12-12
发明人 : 马平 , 丁恒 , 赵宏达 , 王兴华
申请人 : 广东工业大学
摘要 :
本发明公开一种基于直驱式气浮平台的二级宏微相机镜头调焦装置，包括宏动与微动调焦系统两级运动装置，其中调焦装置包括Z向宏动运动系统、Z向微动调焦系统、Y向微动调焦系统，宏动运动系统由平板直线电机、管型直线电机、管型弹性平衡装置、气体静压气浮平台组成，微动调焦系统由微动台底座、压电陶瓷促动器、微动柔性铰链、微动工作台、工业相机镜头组成；本发明公开的调焦装置具有宏微两级调焦功能，通过气体静压气浮平台与直线电机的快速运动捕捉目标进行粗调焦，利用压电促动器与柔性铰链完成微调焦功能，实现二级调焦技术的大范围、(56)对比文件廖能解等.上下料桁架机器人控制系统设计.机械设计与制造.2020,(第12期),171-175.Su, Liying等.Macro-to-micropositioning and auto focusing for fullyautomated single cellmicroinjection.MICROSYSTEM TECHNOLOGIES-MICRO-AND NANOSYSTEMS-INFORMATION STORAGEAND PROCESSING SYSTEMS.2021,第27卷(第1期),11-21.
权利要求 :
1.一种基于直驱式气浮平台的二级宏微相机镜头调焦装置，安装在气体静压气浮平台Y轴（2）上，其特征在于：包括底座（10），所述底座（10）安装在所述气体静压气浮平台Y轴（2）上；
Z向宏动运动系统，所述底座（10）上安装有所述Z向宏动运动系统，所述Z向宏动运动系统可以实现工业相机镜头（15）在Z方向上的宏动调焦；
微动调焦系统，微动调焦系统包括Z向微动调焦系统和Y向微动调焦系统，且所述Z向微动调焦系统安装在所述Z向宏动运动系统上方，所述Y向微动调焦系统安装在所述Z向微动调焦系统上方，所述Z向微动调焦系统和所述Y向微动调焦系统采用刚性臂与柔性臂相结合的结构，所述Z向微动调焦系统和所述Y向微动调焦系统分别可以实现Z方向和Y方向的微运动调焦；
所述Z向微动调焦系统包括滑接在所述底座（10）上的微动工作台（13），所述微动工作台（13）上固接有微动台底座（14），所述微动台底座（14）上固接有Z向微动柔性铰链（16），所述微动台底座（14）与Z向微动柔性铰链（16）内固接有Z向压电陶瓷促动器（17），所述Z向压电陶瓷促动器（17）的顶部可以通过压电效应推动所述Z向微动柔性铰链（16）进行纳米级运动，进而完成在 Z轴方向上的微动调焦；所述Z向微动柔性铰链（16）上设置有所述工业相机镜头（15）；
所述Y向微动调焦系统包括固定安装在所述微动工作台（13）上的Y向微动柔性铰链（20）和Y向压电陶瓷安装座（24），所述Y向压电陶瓷安装座（24）内固接有Y向压电陶瓷促动器（19），所述Y向微动柔性铰链（20）和微动台底座（14）固接，所述Y向压电陶瓷促动器（19）通过推动所述微动台底座（14）的侧面使所述微动台底座（14）进行Y方向的微动位移，从而使所述微动台底座（14）上的工业相机镜头（15）产生Y方向的微动调焦；
所述微动工作台（13）上固接有两个Y向微动导轨（23），所述微动台底座（14）固接在两个Y向微动导轨（23）上，完成Z向微动工作台的安装，通过两个所述Y向微动导轨（23），Z向微动工作台可以进行Y方向的微向运动；
所述微动台底座（14）包括本体（141），所述本体（141）底部开设有两个第一槽口（142），两个所述第一槽口（142）与两个所述Y向微动导轨（23）对应设置；
所述本体（141）的顶部开设有一圆柱定位槽（143），所述Z向压电陶瓷促动器（17）设置在所述圆柱定位槽（143）内；
所述本体（141）顶部设置有两个第二槽口（144），且两个所述第二槽口（144）对称设置在所述圆柱定位槽（143）的两侧，所述第二槽口（144）与所述Z向微动柔性铰链（16）随形设置；
所述本体（141）中部开设有第三槽口（145），所述第三槽口（145）内固定有Z向微动导轨（25）。
2.根据权利要求1的基于直驱式气浮平台的二级宏微相机镜头调焦装置，其特征在于：
所述Z向微动柔性铰链（16）包括第一刚性臂（161），所述第一刚性臂（161）两侧对称设置有两个第二刚性臂（162），所述第一刚性臂（161）的两侧壁与第二刚性臂（162）之间分别固接有两个桥式柔性铰链（163），所述第一刚性臂（161）的底部与Z向微动导轨（25）固接，所述Z向微动导轨（25）固接在第三槽口（145）上，所述第一刚性臂（161）上开设有凹槽，所述凹槽与圆柱定位槽（143）对应设置，所述Z向压电陶瓷促动器（17）嵌设在凹槽和圆柱定位槽（143）形成的腔体内；两个所述第二刚性臂（162）分别固接在两个所述第二槽口（144）上。
3.根据权利要求1的基于直驱式气浮平台的二级宏微相机镜头调焦装置，其特征在于：
所述Y向微动柔性铰链（20）包括内圈刚性臂（201）和外圈刚性臂（202），所述内圈刚性臂（201）固接在微动工作台（13）上，所述外圈刚性臂（202）的侧面与微动台底座（14）侧面固接，所述内圈刚性臂（201）的两侧壁与外圈刚性臂（202）的内侧壁之间分别固接有两个S型柔性铰链（203），四个所述S型柔性铰链（203）两两对称设置。
4.根据权利要求1的基于直驱式气浮平台的二级宏微相机镜头调焦装置，其特征在于：
所述Z向宏动运动系统包括固接在底座（10）上的支撑导轨副组、管型直线电机（9）和管型弹性平衡装置（12），所述微动工作台（13）滑接在所述支撑导轨副组上，所述支撑导轨副组分别与所述管型直线电机（9）和管型弹性平衡装置（12）交错设置；
所述支撑导轨副组包括固接在微动工作台（13）上的导轨副Ⅰ（11A）和导轨副Ⅱ（11B），所述管型直线电机（9）安装在所述导轨副Ⅰ（11A）和导轨副Ⅱ（11B）之间，所述管型弹性平衡装置（12）接近所述导轨副Ⅰ（11A）安装。
5.根据权利要求4的基于直驱式气浮平台的二级宏微相机镜头调焦装置，其特征在于：
所述导轨副Ⅰ（11A）和导轨副Ⅱ（11B）的端部设置有弹性防撞限位块组，所述弹性防撞限位块组包括固接在微动工作台（13）上的弹性防撞限位块Ⅰ（18A）、弹性防撞限位块Ⅱ（18B）、弹性防撞限位块Ⅲ（18C）和弹性防撞限位块Ⅳ（18D），所述弹性防撞限位块Ⅰ（18A）和弹性防撞限位块Ⅳ（18D）固接在导轨副Ⅰ（11A）的两端部，所述弹性防撞限位块Ⅱ（18B）和弹性防撞限位块Ⅲ（18C）固接在导轨副Ⅱ（11B）的两端部。
6.根据权利要求1的基于直驱式气浮平台的二级宏微相机镜头调焦装置，其特征在于：
所述Z向微动柔性铰链（16）上固接有安装座（22），所述工业相机镜头（15）嵌设在所述安装座（22）上。
说明书 :
一种基于直驱式气浮平台的二级宏微相机镜头调焦装置
技术领域
[0001] 本发明涉及工业相机镜头调焦装置技术领域，特别是涉及一种基于直驱式气浮平台的二级宏微相机镜头调焦装置。
背景技术
[0002] 相机镜头调焦在工业应用中需要根据不同的距离适当的进行焦距的调节，有时需要根据工件的特性选择不同的相机镜头，而在更换相机镜头后需要对镜头焦距进行调节以
使相机的成像更加清晰。相机镜头调焦主流技术分别为丝杠螺母调焦、凸轮调焦、齿轮调焦等。常用的方法是通过圆柱凸轮套筒来实现，通过圆柱凸轮套筒相对于镜筒的旋转，实现镜筒的直线运动，需要多头螺纹的配合，会增加摩擦力和磨损；还有可能会出现镜筒松动或者卡死的情况。现有技术虽然调焦种类繁多，但是均不能实现二级调焦技术的大范围、高速、高效、高精度、高稳定性的调焦，无法较好的提高工业测量的精度和效率。
使相机的成像更加清晰。相机镜头调焦主流技术分别为丝杠螺母调焦、凸轮调焦、齿轮调焦等。常用的方法是通过圆柱凸轮套筒来实现，通过圆柱凸轮套筒相对于镜筒的旋转，实现镜筒的直线运动，需要多头螺纹的配合，会增加摩擦力和磨损；还有可能会出现镜筒松动或者卡死的情况。现有技术虽然调焦种类繁多，但是均不能实现二级调焦技术的大范围、高速、高效、高精度、高稳定性的调焦，无法较好的提高工业测量的精度和效率。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种基于直驱式气浮平台的二级宏微相机镜头调焦装置，以解决上述现有技术存在的问题，本发明公开的调焦装置具有宏微两级调焦功能，通过气体
静压气浮平台与直线电机的快速捕捉目标进行粗调焦，利用压电促动器与柔性铰链完成微
调焦功能，宏动运动系统能够以1m/s的速度进行运动，微动调焦系统最高精度可达到20nm，充分结合了气体静压气浮平台、平板式直线电机、管型直线电机、压电促动器与柔性铰链的优势，配合伺服控制技术，能够快速，高精度，高稳定的完成工业相机镜头的调焦功能。
静压气浮平台与直线电机的快速捕捉目标进行粗调焦，利用压电促动器与柔性铰链完成微
调焦功能，宏动运动系统能够以1m/s的速度进行运动，微动调焦系统最高精度可达到20nm，充分结合了气体静压气浮平台、平板式直线电机、管型直线电机、压电促动器与柔性铰链的优势，配合伺服控制技术，能够快速，高精度，高稳定的完成工业相机镜头的调焦功能。
[0004] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于直驱式气浮平台的二级宏微相机镜头调焦装置，安装在气体静压气浮平台Y轴上，包括底座，所述底座安装在所述气体静压气浮平台Y轴上；
[0005] Z向宏动运动系统，所述底座上安装有Z向宏动运动系统，所述Z向宏动运动系统可以实现工业相机镜头在Z方向上的宏动调焦；
[0006] 微动调焦系统，所述微动调焦系统包括Z向微动调焦系统和Y向微动调焦系统，且所述Z向微动调焦系统安装在所述Z向宏动运动系统上方，所述Y向微动调焦系统安装在所
述Z向微动调焦系统上方，所述Z向微动调焦系统和Y向微动调焦系统采用刚性臂与柔性臂
相结合的结构，所述Z向微动调焦系统和Y向微动调焦系统分别可以实现Z方向和Y方向的微
运动调焦。
述Z向微动调焦系统上方，所述Z向微动调焦系统和Y向微动调焦系统采用刚性臂与柔性臂
相结合的结构，所述Z向微动调焦系统和Y向微动调焦系统分别可以实现Z方向和Y方向的微
运动调焦。
[0007] 优选的，所述Z向微动调焦系统包括滑接在所述底座上的微动工作台，所述微动工作台上固接有微动台底座，所述微动底座上固接有Z向微动柔性铰链，所述Z向微动柔性铰
链内固接有Z向压电陶瓷促动器，所述Z向压电陶瓷促动器的顶部可以通过压电效应推动所
述Z向微动柔性铰链进行纳米级运动，进而完成在Z轴方向上的微动调焦；所述Z向微动柔性铰链上设置有工业相机镜头。
链内固接有Z向压电陶瓷促动器，所述Z向压电陶瓷促动器的顶部可以通过压电效应推动所
述Z向微动柔性铰链进行纳米级运动，进而完成在Z轴方向上的微动调焦；所述Z向微动柔性铰链上设置有工业相机镜头。
[0008] 优选的，所述Y向微动调焦系统包括固定安装在所述微动工作台上的Y向微动柔性铰链和Y向压电陶瓷安装座，所述Y向压电陶瓷安装座内固接有Y向压电陶瓷促动器，所述Y
向微动柔性铰链和微动台底座固接，所述Y向压电陶瓷促动器通过推动所述微动台底座的
侧面使所述微动台底座进行Y方向的微动位移，从而使所述微动台底座上的工业相机镜头
产生Y方向的微动调焦；
向微动柔性铰链和微动台底座固接，所述Y向压电陶瓷促动器通过推动所述微动台底座的
侧面使所述微动台底座进行Y方向的微动位移，从而使所述微动台底座上的工业相机镜头
产生Y方向的微动调焦；
[0009] 所述微动工作台上固接有两个Y向微动导轨，所述微动台底座固接在两个所述Y向微动导轨上，完成Z向微动工作台的安装，通过两个所述Y向微动导轨，所述Z向微动工作台可以进行Y方向的微向运动。
[0010] 优选的，所述Y向压电陶瓷促动器和Y向微动柔性铰链与所述微动台底座垂直设置。
[0011] 优选的，所述微动台底座包括本体，所述本体底部开设有两个第一槽口，两个所述第一槽口与两个所述Y向微动导轨对应设置；
[0012] 所述本体的顶部开设有一圆柱定位槽，所述Z向压电陶瓷促动器设置在所述圆柱定位槽内；
[0013] 所述本体顶部设置有两个第二槽口，且两个所述第二槽口对称设置在所述圆柱定位槽的两侧，所述第二槽口与所述Z向微动柔性铰链随形设置；
[0014] 所述本体中部开设有第三槽口，所述第三槽口内固定有Z向微动导轨。
[0015] 优选的，所述Z向微动柔性铰链包括第一刚性臂，所述第一刚性臂两侧对称设置有两个第二刚性臂，所述第一刚性臂的两侧壁与所述第二刚性臂之间分别固接有两个桥式柔
性铰链，所述第一刚性臂的底部与Z向微动导轨固接，所述Z向微动导轨固接在第三槽口上，所述第一刚性臂上开设有凹槽，所述凹槽与所述圆柱定位槽对应设置，所述Z向微动柔性铰链嵌设在所述凹槽和所述圆柱定位槽形成的腔体内。
性铰链，所述第一刚性臂的底部与Z向微动导轨固接，所述Z向微动导轨固接在第三槽口上，所述第一刚性臂上开设有凹槽，所述凹槽与所述圆柱定位槽对应设置，所述Z向微动柔性铰链嵌设在所述凹槽和所述圆柱定位槽形成的腔体内。
[0016] 优选的，所述Y向微动柔性铰链包括内圈刚性臂和外圈刚性臂，所述内圈刚性臂固接在所述微动工作台上，所述外圈刚性臂的一侧与所述Y向压电陶瓷促动器固接，所述外圈刚性臂的侧面与所述微动台底座侧面固接，所述内圈刚性臂的两侧壁与所述外圈刚性臂的
内侧壁之间分别固接有两个S型柔性铰链，四个所述S型柔性铰链两两对称设置。
内侧壁之间分别固接有两个S型柔性铰链，四个所述S型柔性铰链两两对称设置。
[0017] 优选的，所述Z向宏动运动系统包括固接在所述底座上的支撑导轨副组、管型直线电机和管型弹性平衡装置，所述微动工作台滑接在所述支撑导轨副组上，所述支撑导轨副
组分别与管型直线电机和管型弹性平衡装置交错设置；
组分别与管型直线电机和管型弹性平衡装置交错设置；
[0018] 所述支撑导轨副组包括固接在所述微动工作台上的导轨副Ⅰ和导轨副Ⅱ，所述管型直线电机安装在所述导轨副Ⅰ和导轨副Ⅱ之间，所述管型弹性平衡装置接近所述导轨副Ⅰ安装。
[0019] 优选的，所述导轨副Ⅰ和导轨副Ⅱ的端部设置有弹性防撞限位块组，所述弹性防撞限位块组包括固接在所述微动工作台上的弹性防撞限位块Ⅰ、弹性防撞限位块Ⅱ、弹性防撞限位块Ⅲ和弹性防撞限位块Ⅳ，所述弹性防撞限位块Ⅰ和弹性防撞限位块Ⅳ固接在所述导轨副Ⅰ的两端部，所述弹性防撞限位块Ⅱ和弹性防撞限位块Ⅲ固接在所述导轨副Ⅱ的两端
部。
部。
[0020] 优选的，所述Z向微动柔性铰链上固接有安装座，所述工业相机镜头嵌设在所述安装座上。
[0021] 本发明公开了以下技术效果：本发明公开的相机镜头调焦装置采用宏微二级调焦方式进行调焦，其中测量工件装在X轴气体静压气浮平台上，气体静压气浮平台Y轴配合直
线电机可以实现工业相机镜头在Y方向上的一级宏动粗调焦，Z向宏动运动系统可以实现工
业相机镜头在Z方向上的宏动调焦，能够高速，稳定的完成镜头的一级调焦；同时，本发明还公开有Z向微动调焦系统和Y向微动调焦系统，Z向微动调焦系统和Y向微动调焦系统采用刚
性臂与柔性臂相结合的结构，Z向微动调焦系统和Y向微动调焦系统分别可以实现Z方向和Y
方向的微运动调焦，完成了工业相机镜头二级精微调焦，总体来说，本发明公开的调焦装置实现二级调焦技术的大范围、高速、高加速度、高精度、高稳定性的调焦，能够提高工业测量的精度和效率。
线电机可以实现工业相机镜头在Y方向上的一级宏动粗调焦，Z向宏动运动系统可以实现工
业相机镜头在Z方向上的宏动调焦，能够高速，稳定的完成镜头的一级调焦；同时，本发明还公开有Z向微动调焦系统和Y向微动调焦系统，Z向微动调焦系统和Y向微动调焦系统采用刚
性臂与柔性臂相结合的结构，Z向微动调焦系统和Y向微动调焦系统分别可以实现Z方向和Y
方向的微运动调焦，完成了工业相机镜头二级精微调焦，总体来说，本发明公开的调焦装置实现二级调焦技术的大范围、高速、高加速度、高精度、高稳定性的调焦，能够提高工业测量的精度和效率。
附图说明
[0022] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施
例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023] 图1为本发明中调焦装置安装在气浮平台的轴测示意图；
[0024] 图2为本发明的结构轴测示意图；
[0025] 图3为本发明的Y向微动柔性铰链结构图；
[0026] 图4为本发明的Z向微动柔性铰链结构图；
[0027] 图5为本发明的微动台底座结构图；
[0028] 图6为本发明的结构爆炸图；
[0029] 其中，1‑气体静压气浮平台X轴；2‑气体静压气浮平台Y轴；3‑Z轴；4‑三角立柱；5‑Y轴平板式直线电机；6‑X轴底座；7‑X轴平板式直线电机；8‑Y轴底座；9‑管型直线电机；10‑底座；11A‑导轨副Ⅰ；11B‑导轨副Ⅱ；12‑管型弹性平衡装置；13‑微动工作台；14‑微动台底座；141‑本体；142‑第一槽口；143‑圆柱定位槽；144‑第二槽口；145‑第三槽口；15‑工业相机镜头；16‑Z向微动柔性铰链；161‑第一刚性臂；162‑第二刚性臂；163‑桥式柔性铰链；17‑Z向压电陶瓷促动器；18A‑弹性防撞限位块Ⅰ；18B‑弹性防撞限位块Ⅱ；18C‑弹性防撞限位块Ⅲ；
18D‑弹性防撞限位块Ⅳ；19‑Y向压电陶瓷促动器；20‑Y向微动柔性铰链；201‑内圈刚性臂；
202‑外圈刚性臂；203‑S型柔性铰链；21‑连接板；22‑安装座；23‑Y向微动导轨；24‑Y向压电陶瓷安装座；25‑Z向微动导轨。
18D‑弹性防撞限位块Ⅳ；19‑Y向压电陶瓷促动器；20‑Y向微动柔性铰链；201‑内圈刚性臂；
202‑外圈刚性臂；203‑S型柔性铰链；21‑连接板；22‑安装座；23‑Y向微动导轨；24‑Y向压电陶瓷安装座；25‑Z向微动导轨。
具体实施方式
[0030] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0032] 参照图1‑6，本发明提供一种基于直驱式气浮平台的二级宏微相机镜头调焦装置，安装在气体静压气浮平台Y轴2上，包括底座10，底座10安装在气体静压气浮平台Y轴2上，其中底座10通过连接板21垂直安装在气体静压气浮平台Y轴2上，当气体静压气浮平台Y轴2上的直线电机带动其在Y方向上运动时，连接板21随着气体静压气浮平台Y轴2正方向运动，再配合气体静压气浮平台X轴1联动，从而实现工业相机镜头15寻找目标并定位，实现了工业
相机镜头15自动调焦的一级粗调焦运动控制，形成大行程的一级相机镜头调焦；
相机镜头15自动调焦的一级粗调焦运动控制，形成大行程的一级相机镜头调焦；
[0033] Z向宏动运动系统，底座10上安装有Z向宏动运动系统，Z向宏动运动系统可以实现工业相机镜头15在Z方向上的宏动调焦；
[0034] 微动调焦系统，微动调焦系统包括Z向微动调焦系统和Y向微动调焦系统，且Z向微动调焦系统安装在Z向宏动运动系统上方，Y向微动调焦系统安装在Z向微动调焦系统上方，Z向微动调焦系统和Y向微动调焦系统采用刚性臂与柔性臂相结合的结构，Z向微动调焦系
统和Y向微动调焦系统分别可以实现Z方向和Y方向的微运动调焦。
统和Y向微动调焦系统分别可以实现Z方向和Y方向的微运动调焦。
[0035] 具体的，如图1所示，气体静压气浮平台包括底部安装座(图中未显示)，底部安装座的两侧固接有三角立柱4，底部安装座上固接有X轴底座6，X轴底座6上固接有X轴平板式
直线电机7，为了节省安装空间且方便安装X轴平板式直线电机7，X轴底座6上开设有凹形结构，X轴平板式直线电机7嵌设在凹形结构内，但其两侧的结构要高于中间的结构，这样两侧高出中间的结构具有导向作用，使得气体静压气浮平台X轴1所在的X轴平台能够实现质心
驱动，提高X轴的驱动精度和运动的稳定性，X轴平板式直线电机7上输出轴上固接有气体静压气浮平台X轴1，气体静压气浮平台X轴1的两端与X轴底座6的两端滑接，两个三角立柱4之间固接有Y轴底座8，Y轴底座8上滑接有气体静压气浮平台Y轴2，Y轴底座8上设置有凹形结
构，凹形结构内嵌设有Y轴平板式直线电机5，同样可以节省安装空间，同样采用两侧高出中间的结构，其也是具有导向作用，使得气体静压气浮平台Y轴2所在的Y轴平台能实现质心驱动，提高Y轴的驱动精度和运动的稳定性，气体静压气浮平台Y轴2上固接有管型直线电机9
的Z轴3，其中气体静压气浮平台的三角立柱4、气体静压气浮平台的Y轴底座8形成固定式龙门结构，气体静压气浮平台X轴1和气体静压气浮平台Y轴2采用固定式龙门结构，不仅使气
体静压气浮平台X轴1和气体静压气浮平台Y轴2运动时不会相互影响，而且定龙门横梁上的
气体静压气浮平台Y轴上安装具有工业相机的带圆筒管型直线电机9驱动的Z轴3，可以实现
气体静压气浮平台X轴1、气体静压气浮平台Y轴和Z轴三轴联动。装置在使用时，气体静压气浮平台X轴1和气体静压气浮平台Y轴上的XY静压气浮导轨(图中未显示)能在X、Y方向的运
动台下形成气膜，可以消除机械传动摩擦，使气体静压气浮平台Y轴2带动Z轴3的工业相机
镜头15高速的捕捉到位于气体静压气浮平台X轴1上的被检测目标；再者，本申请公开的技
术方案中包括有Z向宏动运动系统，这样便可以保证对工业相机镜头15在X向、Y向和Z向三
个方向的一级宏动粗调焦；本申请还公开有Z向微动调焦系统和Y向微动调焦系统，其中Z向微动调焦系统和Y向微动调焦系统采用刚性臂与柔性臂相结合的结构，Z向微动调焦系统和
Y向微动调焦系统分别可以实现Z方向和Y方向的微运动调焦，实现工业相机镜头15在Y向和
Z向两个方向上的二级微调焦，本装置采用宏微二级调焦的方式，配合独特的刚性臂与柔性臂相结合的二维驱动的微动台结构，能够实现二级调焦技术的大范围、高速、高加速度、高精度、高稳定性的调焦，能够提高工业测量的精度和效率。
直线电机7，为了节省安装空间且方便安装X轴平板式直线电机7，X轴底座6上开设有凹形结构，X轴平板式直线电机7嵌设在凹形结构内，但其两侧的结构要高于中间的结构，这样两侧高出中间的结构具有导向作用，使得气体静压气浮平台X轴1所在的X轴平台能够实现质心
驱动，提高X轴的驱动精度和运动的稳定性，X轴平板式直线电机7上输出轴上固接有气体静压气浮平台X轴1，气体静压气浮平台X轴1的两端与X轴底座6的两端滑接，两个三角立柱4之间固接有Y轴底座8，Y轴底座8上滑接有气体静压气浮平台Y轴2，Y轴底座8上设置有凹形结
构，凹形结构内嵌设有Y轴平板式直线电机5，同样可以节省安装空间，同样采用两侧高出中间的结构，其也是具有导向作用，使得气体静压气浮平台Y轴2所在的Y轴平台能实现质心驱动，提高Y轴的驱动精度和运动的稳定性，气体静压气浮平台Y轴2上固接有管型直线电机9
的Z轴3，其中气体静压气浮平台的三角立柱4、气体静压气浮平台的Y轴底座8形成固定式龙门结构，气体静压气浮平台X轴1和气体静压气浮平台Y轴2采用固定式龙门结构，不仅使气
体静压气浮平台X轴1和气体静压气浮平台Y轴2运动时不会相互影响，而且定龙门横梁上的
气体静压气浮平台Y轴上安装具有工业相机的带圆筒管型直线电机9驱动的Z轴3，可以实现
气体静压气浮平台X轴1、气体静压气浮平台Y轴和Z轴三轴联动。装置在使用时，气体静压气浮平台X轴1和气体静压气浮平台Y轴上的XY静压气浮导轨(图中未显示)能在X、Y方向的运
动台下形成气膜，可以消除机械传动摩擦，使气体静压气浮平台Y轴2带动Z轴3的工业相机
镜头15高速的捕捉到位于气体静压气浮平台X轴1上的被检测目标；再者，本申请公开的技
术方案中包括有Z向宏动运动系统，这样便可以保证对工业相机镜头15在X向、Y向和Z向三
个方向的一级宏动粗调焦；本申请还公开有Z向微动调焦系统和Y向微动调焦系统，其中Z向微动调焦系统和Y向微动调焦系统采用刚性臂与柔性臂相结合的结构，Z向微动调焦系统和
Y向微动调焦系统分别可以实现Z方向和Y方向的微运动调焦，实现工业相机镜头15在Y向和
Z向两个方向上的二级微调焦，本装置采用宏微二级调焦的方式，配合独特的刚性臂与柔性臂相结合的二维驱动的微动台结构，能够实现二级调焦技术的大范围、高速、高加速度、高精度、高稳定性的调焦，能够提高工业测量的精度和效率。
[0036] 进一步优化方案，Z向微动调焦系统包括滑接在底座10上的微动工作台13，微动工作台13上固接有微动台底座14，微动台底座14上固接有Z向微动柔性铰链16，Z向微动柔性
铰链16内固接有Z向压电陶瓷促动器17，Z向压电陶瓷促动器17的顶部可以通过压电效应推
动Z向微动柔性铰链16进行纳米级运动，进而完成在Z轴3方向上的微动调焦；Z向微动柔性
铰链16上设置有工业相机镜头15，其中Z向微动柔性铰链16上固接有安装座22，工业相机镜头15嵌设在安装座22上，安装座22通过螺栓锁附在在Z向微动柔性铰链16上。
铰链16内固接有Z向压电陶瓷促动器17，Z向压电陶瓷促动器17的顶部可以通过压电效应推
动Z向微动柔性铰链16进行纳米级运动，进而完成在Z轴3方向上的微动调焦；Z向微动柔性
铰链16上设置有工业相机镜头15，其中Z向微动柔性铰链16上固接有安装座22，工业相机镜头15嵌设在安装座22上，安装座22通过螺栓锁附在在Z向微动柔性铰链16上。
[0037] 更进一步说，Y向微动调焦系统包括固定安装在微动工作台13上的Y向微动柔性铰链20和Y向压电陶瓷安装座24，Y向微动柔性铰链20和Y向压电陶瓷安装座24固接，Y向压电
陶瓷促动器19通过推动微动台底座14的侧面使微动台底座14进行Y方向的微动位移，从而
使微动台底座14上的工业相机镜头15产生Y方向的微动调焦；
陶瓷促动器19通过推动微动台底座14的侧面使微动台底座14进行Y方向的微动位移，从而
使微动台底座14上的工业相机镜头15产生Y方向的微动调焦；
[0038] 微动工作台13上固接有两个Y向微动导轨23，微动台底座14固接在两个Y向微动导轨23上，完成Z向微动调焦系统的安装，通过两个Y向微动导轨23，Z向微动调焦系统可以进行Y方向的微向运动。
[0039] 再进一步说，Y向压电陶瓷促动器19和Y向微动柔性铰链20与微动台底座14垂直设置。
[0040] 具体的，如图2所示，其中安装时，先将微动工作台13滑接在Z向宏动运动系统上，再将Y向微动导轨23固接在微动工作台13上，将微动台底座14设置在Y向微动导轨23上，将Z向微动柔性铰链16的第二刚性臂162固定安装在微动台底座14上，第二刚性臂162固定安装在Z向微动导轨25上，Z向微动导轨25固定安装在微动台底座14的凹槽内，Z向微动柔性铰链
16和微动台底座14之间形成的空间内安装有Z向压电陶瓷促动器17，当需要进行Z向微动调
焦时，Z向压电陶瓷促动器17通电产生压电效应，这样便可以推动Z向微动柔性铰链16运动，其通过变形使得Z向微动柔性铰链16在Z方向进行纳米级的运动，这样便可以带动工业相机
镜头15进行Z方向微动调焦；当需要进行Y方向的微动调焦时，Y向压电陶瓷促动器19通电便产生压电效应，进而使得Y向微动柔性铰链20发生变形，同时由于Y向压电陶瓷促动器19和Y向微动柔性铰链20与微动台底座14呈垂直设置，Y向压电陶瓷促动器19通过推动微动台底
座14的侧面使微动台底座14进行Y方向的微动位移，从而使微动台底座14上的工业相机镜
头15产生Y方向的微动调焦。Z向微动柔性铰链16与Y向微动柔性铰链20采用刚性臂和柔性
臂相结合的结构，能够产生纳米尺度的弹性微小变形，并由于其自回复的特性，消除了传动过程中的空程和机械摩擦，能获得超高的位移分辨率。再者Z向压电陶瓷促动器17与Y向压
电陶瓷促动器19，具有大出力、高谐振频率、高精度等特点，可以执行千赫兹以上的高频激励振动，可以产生纳米尺度的微小位移；Z向压电陶瓷促动器17作为动力源，使Z向微动柔性铰链16产生纳米尺度的变形，通过Z向微动导轨25形成Z向纳尺度的位移；Y向压电陶瓷促动器19作为动力源，推动微动台底座14使Y向微动柔性铰链20产生纳米尺度的变形，通过两个Y向微动导轨23形成Y轴纳米尺度的位移。两者联合运动即可产生Y,Z两轴的最高20nm精度
的位移。
16和微动台底座14之间形成的空间内安装有Z向压电陶瓷促动器17，当需要进行Z向微动调
焦时，Z向压电陶瓷促动器17通电产生压电效应，这样便可以推动Z向微动柔性铰链16运动，其通过变形使得Z向微动柔性铰链16在Z方向进行纳米级的运动，这样便可以带动工业相机
镜头15进行Z方向微动调焦；当需要进行Y方向的微动调焦时，Y向压电陶瓷促动器19通电便产生压电效应，进而使得Y向微动柔性铰链20发生变形，同时由于Y向压电陶瓷促动器19和Y向微动柔性铰链20与微动台底座14呈垂直设置，Y向压电陶瓷促动器19通过推动微动台底
座14的侧面使微动台底座14进行Y方向的微动位移，从而使微动台底座14上的工业相机镜
头15产生Y方向的微动调焦。Z向微动柔性铰链16与Y向微动柔性铰链20采用刚性臂和柔性
臂相结合的结构，能够产生纳米尺度的弹性微小变形，并由于其自回复的特性，消除了传动过程中的空程和机械摩擦，能获得超高的位移分辨率。再者Z向压电陶瓷促动器17与Y向压
电陶瓷促动器19，具有大出力、高谐振频率、高精度等特点，可以执行千赫兹以上的高频激励振动，可以产生纳米尺度的微小位移；Z向压电陶瓷促动器17作为动力源，使Z向微动柔性铰链16产生纳米尺度的变形，通过Z向微动导轨25形成Z向纳尺度的位移；Y向压电陶瓷促动器19作为动力源，推动微动台底座14使Y向微动柔性铰链20产生纳米尺度的变形，通过两个Y向微动导轨23形成Y轴纳米尺度的位移。两者联合运动即可产生Y,Z两轴的最高20nm精度
的位移。
[0041] 进一步优化方案，微动台底座14包括本体141，本体141底部开设有两个第一槽口142，两个第一槽口142与两个Y向微动导轨23对应设置；
[0042] 本体141的顶部开设有一圆柱定位槽143，Z向压电陶瓷促动器17设置在圆柱定位槽143内；
[0043] 本体141顶部设置有两个第二槽口144，且两个第二槽口144对称设置在圆柱定位槽143的两侧，第二槽口144与Z向微动柔性铰链16随形设置；
[0044] 本体141中部开设有第三槽口145，所述第三槽口145内固定有Z向微动导轨25。
[0045] 更进一步说，Z向微动柔性铰链16包括第一刚性臂161，第一刚性臂161两侧对称设置有两个第二刚性臂162，第一刚性臂161的两侧壁与第二刚性臂162之间分别固接有两个
桥式柔性铰链163，第一刚性臂161的底部与本体141顶部固接，第一刚性臂161上开设有凹
槽，凹槽与圆柱定位槽143对应设置，Z向微动柔性铰链16嵌设在凹槽和圆柱定位槽143形成的腔体内。
桥式柔性铰链163，第一刚性臂161的底部与本体141顶部固接，第一刚性臂161上开设有凹
槽，凹槽与圆柱定位槽143对应设置，Z向微动柔性铰链16嵌设在凹槽和圆柱定位槽143形成的腔体内。
[0046] 具体的，如图5所示，其底部开有两个第一槽口142，可以将其安装在一对平行的Y轴微动导轨上，完成精密的Y轴微动位移；其中间有两个圆柱定位槽143，可以精确安装Z向压电陶瓷促动器17，确保Z向压电陶瓷促动器17出力点能够准确位于Z向微动柔性铰链16中
间刚性臂的中央；其两端有两个第二槽口144，第二槽口144为L型槽口，可以将Z向微动柔性铰链16进行准确定位，保证安装的精度和便捷性；其中部有一个第三槽口145，用来安装Z向微动导轨，与Z向微动柔性铰链16进行连接，确保Z向微动柔性铰链16运动的精度。
间刚性臂的中央；其两端有两个第二槽口144，第二槽口144为L型槽口，可以将Z向微动柔性铰链16进行准确定位，保证安装的精度和便捷性；其中部有一个第三槽口145，用来安装Z向微动导轨，与Z向微动柔性铰链16进行连接，确保Z向微动柔性铰链16运动的精度。
[0047] 如图4所示，其中Z向微动柔性铰链16采用7075铝合金，强度高；左右两个第二刚性臂162使用螺栓锁附在微动台底座14上，确保Z向微动柔性铰链16不会有大范围运动，左右两个两个第二刚性臂162通过四个桥式柔性铰链163与中间的第一刚性臂161进行连接。中
间的第一刚性臂161安装安装座22，中间的第一刚性臂161上开设有凹槽，配合微动台底座
14的圆柱定位槽143准确安装Z向压电陶瓷促动器17，使Z向压电陶瓷促动器17的出力点准
确位于中间第一刚性臂161的中央，只产生Z向的微动位移，消除Y向的偏转，中间第一刚性臂161的Z向微动位移传递到四个桥式柔性铰链163上产生形变来完成精确的纳米级位移。
对称结构能够使四个桥式柔性铰链163产生平动稳定的输出位移；采用四个桥式柔性铰链
163连接三个刚性臂的设计，无中间传动机构，能够消除掉机械摩擦；利用四个桥式柔性铰链163的形变能够获得超高的位移分辨率。
间的第一刚性臂161安装安装座22，中间的第一刚性臂161上开设有凹槽，配合微动台底座
14的圆柱定位槽143准确安装Z向压电陶瓷促动器17，使Z向压电陶瓷促动器17的出力点准
确位于中间第一刚性臂161的中央，只产生Z向的微动位移，消除Y向的偏转，中间第一刚性臂161的Z向微动位移传递到四个桥式柔性铰链163上产生形变来完成精确的纳米级位移。
对称结构能够使四个桥式柔性铰链163产生平动稳定的输出位移；采用四个桥式柔性铰链
163连接三个刚性臂的设计，无中间传动机构，能够消除掉机械摩擦；利用四个桥式柔性铰链163的形变能够获得超高的位移分辨率。
[0048] 进一步优化方案，Y向微动柔性铰链20包括内圈刚性臂201和外圈刚性臂202，内圈刚性臂201固接在微动工作台13上，外圈刚性臂202的侧面与微动台底座14侧面固接，内圈
刚性臂201的两侧壁与外圈刚性臂202的内侧壁之间分别固接有两个S型柔性铰链203，四个
S型柔性铰链203两两对称设置。
刚性臂201的两侧壁与外圈刚性臂202的内侧壁之间分别固接有两个S型柔性铰链203，四个
S型柔性铰链203两两对称设置。
[0049] 具体的，如图3所示，其中Y向微动柔性铰链20采用7075铝合金，强度高。S型柔性铰链203两两对称设置，同时采用四个S行柔性铰链连接内外圈两个刚性臂，内圈刚性臂201使用螺栓锁附在微动台工作台上，确保Y向微动柔性铰链20不会有大范围运动，外圈刚性臂202通过螺栓锁附在微动台底座14侧面，Y轴微动位移作用在外圈刚性臂202上，内圈刚性臂
201不动，由四个S型柔性铰链203产生形变，使外圈刚性臂202产生相对运动，输出Y轴精密的纳米级位移；同时S型柔性铰链203在拐角处进行圆角处理，防止应力集中，提高强度。对称结构能够使四个S型柔性铰链203产生平动稳定的输出位移；采用四个S型柔性铰链203连
接内外刚性臂的设计，无中间传动机构，能够消除掉机械摩擦；使用四个S型柔性铰链203可以消除Z方向的干涉运动，输出精确的Y向运动。
201不动，由四个S型柔性铰链203产生形变，使外圈刚性臂202产生相对运动，输出Y轴精密的纳米级位移；同时S型柔性铰链203在拐角处进行圆角处理，防止应力集中，提高强度。对称结构能够使四个S型柔性铰链203产生平动稳定的输出位移；采用四个S型柔性铰链203连
接内外刚性臂的设计，无中间传动机构，能够消除掉机械摩擦；使用四个S型柔性铰链203可以消除Z方向的干涉运动，输出精确的Y向运动。
[0050] 进一步优化方案，Z向宏动运动系统包括固接在底座10上的支撑导轨副组、管型直线电机9和管型弹性平衡装置12，微动工作台13滑接在支撑导轨副组上，支撑导轨副组分别与管型直线电机9和管型弹性平衡装置12交错设置；
[0051] 支撑导轨副组包括固接在微动工作台13上的导轨副Ⅰ11A和导轨副Ⅱ11B，管型直线电机9安装在导轨副Ⅰ11A和导轨副Ⅱ11B之间，管型弹性平衡装置12接近导轨副Ⅰ11A安
装。
装。
[0052] 具体的，如图2所示，其中采用管型直线电机9进行驱动，动态响应性能和定位精度高，可以执行高频、高速、高精度的运动控制，并搭配导轨副Ⅰ11A和导轨副Ⅱ11B与管型弹性平衡装置12，可以精确的完成Z方向的宏动调焦功能。且管型弹性平衡装置12可以保证掉电后整个Z轴3宏微平台能够自动回归原点，保证安全性；管型直线电机9放于导轨副Ⅰ11A和导轨副Ⅱ11B之间，导轨副Ⅰ11A和导轨副Ⅱ11B为精密直线导轨，且两侧的导轨副Ⅰ11A和导轨副Ⅱ11B对称放置，管型直线电机9没有横向开断造成的边界处磁场的削弱，磁场沿周向均匀分布，电磁力均匀，运动时稳定。其中管型直线电机9为圆筒管型直线电机9，Z轴3采用圆筒管型直线电机9进行质心精密驱动，可以使Z轴3宏运动更加稳定。采用管型弹性平衡装置
12平衡Z轴3和微动调焦系统的重力，在平衡状态和不通电状态下，Z轴3的重力和弹性力保
持平衡，保证Z轴3的位置精度和稳定性，不通电状态下，Z轴3和微动装置的安全和稳定。
12平衡Z轴3和微动调焦系统的重力，在平衡状态和不通电状态下，Z轴3的重力和弹性力保
持平衡，保证Z轴3的位置精度和稳定性，不通电状态下，Z轴3和微动装置的安全和稳定。
[0053] 更进一步说，导轨副Ⅰ11A和导轨副Ⅱ11B的端部设置有弹性防撞限位块组，弹性防撞限位块组包括固接在微动工作台13上的弹性防撞限位块Ⅰ18A、弹性防撞限位块Ⅱ18B、弹性防撞限位块Ⅲ18C和弹性防撞限位块Ⅳ18D，弹性防撞限位块Ⅰ18A和弹性防撞限位块Ⅳ18D固接在导轨副Ⅰ11A的两端部，弹性防撞限位块Ⅱ18B和弹性防撞限位块Ⅲ18C固接在导
轨副Ⅱ11B的两端部。
轨副Ⅱ11B的两端部。
[0054] 具体的，如图2所示，当微动工作平台进行运动时，使微动工作平台保持在正常运动范围内，并起到减震作用。
[0055] 本发明公开的基于气浮平台的垂直面二维宏微运动平台结构，为宏微运动领域的各种需求提供基础，利用直线电机具有较大行程与较高精度等优点作为宏运动的驱动，作
为一级粗调焦装置。然后结合压电陶瓷促动器和柔性铰链的微运动平台的高精度、高分辨
率等优点作为微补偿作为二级微调焦驱动。以此解决一次调焦精度不高的问题，从而实现
高精密镜头调焦技术方案。以实现从粗调节工业相机镜头15到精细调节工业相机镜头15的
二级调焦机构，使相机成像更加清晰，调焦范围更加广泛。适用于高精度、大行程、精微调焦且需要多次调焦的复杂视觉系统需要
为一级粗调焦装置。然后结合压电陶瓷促动器和柔性铰链的微运动平台的高精度、高分辨
率等优点作为微补偿作为二级微调焦驱动。以此解决一次调焦精度不高的问题，从而实现
高精密镜头调焦技术方案。以实现从粗调节工业相机镜头15到精细调节工业相机镜头15的
二级调焦机构，使相机成像更加清晰，调焦范围更加广泛。适用于高精度、大行程、精微调焦且需要多次调焦的复杂视觉系统需要
[0056] 具体的，本发明公开的调焦装置中X、Y向宏动运动系统由直线电机驱动的气体静压气浮平台组成，采用固定式龙门结构，使气体静压气浮平台X和气体静压气浮平台Y轴能
够实现大行程、高速、高加速度、精密运动，隔振性好、运行稳定性强；X、Y轴底座采用凹型结构，能够节省电机安装空间并兼具导向功能，同时使气体静压气浮平台X和气体静压气浮平台Y轴实现质心驱动，提高驱动精度和运动的稳定性；Z轴采用管型直线电机，管型弹性平衡装置和精密直线导轨，管型直线电机磁场沿周向均匀分布，电磁力均匀，采用质心精密驱动使运动稳定；管型弹性平衡装置能平衡Z轴的载荷，保证Z轴运行的平稳性，不会在掉电后因重力跌落，安全性高。同时气体静压气浮平台X和气体静压气浮平台Y轴能够高速，稳定的完成镜头的一级调焦。
够实现大行程、高速、高加速度、精密运动，隔振性好、运行稳定性强；X、Y轴底座采用凹型结构，能够节省电机安装空间并兼具导向功能，同时使气体静压气浮平台X和气体静压气浮平台Y轴实现质心驱动，提高驱动精度和运动的稳定性；Z轴采用管型直线电机，管型弹性平衡装置和精密直线导轨，管型直线电机磁场沿周向均匀分布，电磁力均匀，采用质心精密驱动使运动稳定；管型弹性平衡装置能平衡Z轴的载荷，保证Z轴运行的平稳性，不会在掉电后因重力跌落，安全性高。同时气体静压气浮平台X和气体静压气浮平台Y轴能够高速，稳定的完成镜头的一级调焦。
[0057] 本发明公开的微动调焦系统采用独特刚性臂与柔性臂相结合的结构，能够实现压电促动器的准确定位安装，保证压电促动器出力点的准确性；Z向微动调焦系统和Y向微动
调焦系统的柔性铰链采用对称结构，能平动稳定的输出位移；微动柔性铰链独特的柔性臂
结构，能够使微动结构不会产生大行程位移，精确输出纳米级的位移；Y向微动柔性铰链采用S型结构加圆角，可以消除Z向位移并降低应力集中；采用柔性铰链结构无中间传动机构，能够消除掉机械摩擦，利用柔性铰链的形变能够获得超高的位移分辨率；采用独特的定位
结构，能够准确安装微型精密导轨，柔性铰链。整个微动调焦系统的二级精微调焦的行程为
80μm，精度可达到20nm。同时在宏动运动系统进行粗调焦的同时，微动调焦系统也可同时进行预调焦，待宏动运动系统无法提高调焦精度后，微动调焦系统进行最后的纳米级补偿调
焦，即可完成整个两级调焦工作。宏微运动系统的同时驱动，可以大幅减少调焦时间，提高调焦的效率和精度。
调焦系统的柔性铰链采用对称结构，能平动稳定的输出位移；微动柔性铰链独特的柔性臂
结构，能够使微动结构不会产生大行程位移，精确输出纳米级的位移；Y向微动柔性铰链采用S型结构加圆角，可以消除Z向位移并降低应力集中；采用柔性铰链结构无中间传动机构，能够消除掉机械摩擦，利用柔性铰链的形变能够获得超高的位移分辨率；采用独特的定位
结构，能够准确安装微型精密导轨，柔性铰链。整个微动调焦系统的二级精微调焦的行程为
80μm，精度可达到20nm。同时在宏动运动系统进行粗调焦的同时，微动调焦系统也可同时进行预调焦，待宏动运动系统无法提高调焦精度后，微动调焦系统进行最后的纳米级补偿调
焦，即可完成整个两级调焦工作。宏微运动系统的同时驱动，可以大幅减少调焦时间，提高调焦的效率和精度。
[0058] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0059] 以上的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的
各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。