專(zhuān)利名稱(chēng)：二自由度平動(dòng)并聯(lián)高帶寬微動(dòng)平臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微納測(cè)量與加工技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器和柔性鉸鏈的二自由度平動(dòng)高帶寬并聯(lián)微動(dòng)平臺(tái)。
背景技術(shù)：
采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器及柔性鉸鏈的二自由度微動(dòng)平臺(tái)具有高精度、高分辨率、二維運(yùn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，因而在微機(jī)電系統(tǒng)、超精密測(cè)量、微納米加工、掃描探針顯微鏡、光學(xué)元件制造及生物醫(yī)學(xué)工程等微納技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。而目前大多數(shù)的納米測(cè)量、納米制造等過(guò)程對(duì)于速度要求越來(lái)越高，例如對(duì)于原子力顯微鏡的掃描頻率，要求達(dá)到幾kHz ;再如 在大規(guī)模的納米制造過(guò)程中，對(duì)于加工速度及效率的要求不斷提高，微動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)頻率要求可達(dá)到數(shù)kHz。因此，發(fā)明具有高精度、高分辨率，同時(shí)又具有高帶寬特性的二自由度微動(dòng)平臺(tái)具有重要的意義。微動(dòng)平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)的低固有頻率是限制閉環(huán)控制帶寬的關(guān)鍵因素，因此提高微動(dòng)平臺(tái)的固有頻率對(duì)于實(shí)現(xiàn)高帶寬微動(dòng)平臺(tái)具有較大意義。目前在國(guó)內(nèi)，有部分學(xué)者在做微動(dòng)平臺(tái)的研究工作，但是都沒(méi)有提出具有高帶寬特性的微動(dòng)平臺(tái)。例如中國(guó)申請(qǐng)?zhí)?00510023219. 4，公開(kāi)號(hào)CN1644329A，名稱(chēng)為“微型二維解耦工作臺(tái)”的專(zhuān)利申請(qǐng)，公開(kāi)了一種微型二維解耦工作臺(tái)，但該微動(dòng)平臺(tái)的固有頻率較低，且構(gòu)型復(fù)雜，加工成本較高；再如中國(guó)申請(qǐng)?zhí)?00710114743. 1，公開(kāi)號(hào)CN101176995A，名稱(chēng)為“一種具有冗余支鏈的二平動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)”的專(zhuān)利申請(qǐng)，提供了一種具有冗余支鏈的二平動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)，但是該結(jié)構(gòu)中由于柔性鉸鏈的剛度較小，因此也不可避免產(chǎn)生了固有頻率較低的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供了一種二自由度平動(dòng)并聯(lián)高帶寬微動(dòng)平臺(tái)，基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器和柔性鉸鏈微動(dòng)平臺(tái)，依靠在鉸鏈中加入的矩形模塊的特殊改進(jìn)達(dá)到高剛度特征從而實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的高固有頻率的特性。同時(shí)依靠雙平行鉸鏈的導(dǎo)向功能及整體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，達(dá)到基本消除兩軸耦合及寄生位移的功能，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的
二維平動(dòng)。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器、微動(dòng)平臺(tái)主體、傳感器夾具、非接觸式電容傳感器，微動(dòng)平臺(tái)主體包括兩個(gè)方向的驅(qū)動(dòng)支鏈、輔助支鏈、工作平臺(tái)以及固定機(jī)架，其中兩個(gè)方向的驅(qū)動(dòng)支鏈與輔助支鏈兩兩對(duì)稱(chēng)分布在工作平臺(tái)四周的X方向和Y方向上。所述的驅(qū)動(dòng)支鏈包括一級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈、二級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈，其中一級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈兩端與固定機(jī)架固連，二級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈包括兩個(gè)端部加倒角的柔性鉸鏈，一端與一級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈通過(guò)一級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈中間凸起的矩形模塊連接，另一端與工作平臺(tái)固連。
所述的輔助支鏈包括一級(jí)輔助支鏈、二級(jí)輔助支鏈，其中一級(jí)輔助支鏈兩端與固定機(jī)架固連，二級(jí)輔助支鏈包括兩個(gè)端部加倒角的柔性鉸鏈，一端與一級(jí)輔助支鏈通過(guò)一級(jí)輔助支鏈中間凸起的矩形模塊連接，另一端與工作平臺(tái)固連。所述的工作平臺(tái)四個(gè)方向分別與X、Y兩個(gè)方向的二級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈及二級(jí)輔助支鏈連接。 所述的固定機(jī)架分 與X、Y兩個(gè)方向的一級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈及一級(jí)輔助支鏈固連。所述的驅(qū)動(dòng)支鏈、輔助支鏈、工作平臺(tái)及機(jī)架等都是采用一體式結(jié)構(gòu)，即在一塊金屬材料板上，采用先進(jìn)加工工藝加工而成，無(wú)需裝配，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，有效避免了裝配誤差的產(chǎn)生，滿(mǎn)足了高精度的要求。所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器嵌入在微動(dòng)平臺(tái)主體的安裝槽內(nèi)，頭部與一級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈的中間部分接觸，施加力直接作用在驅(qū)動(dòng)支鏈上，而其底部與固定機(jī)架通過(guò)螺紋固連安裝。所述的非接觸式電容傳感器安裝在傳感器夾具的安裝孔內(nèi)，并通過(guò)錐形銷(xiāo)緊固。所述的傳感器夾具通過(guò)螺紋固連安裝在微動(dòng)平臺(tái)的固定機(jī)架上，以使非接觸式位移傳感器檢測(cè)工作平臺(tái)的位移。本發(fā)明通過(guò)以下方式進(jìn)行工作以X方向運(yùn)動(dòng)為例，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器施加力于X方向一級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈，使其向X方向運(yùn)動(dòng)，由于X向二級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈軸向剛度較大，從而帶動(dòng)工作平臺(tái)、Y方向二級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈、Y方向二級(jí)輔助支鏈及X向二級(jí)輔助支鏈一起朝X方向運(yùn)動(dòng)，其中Y方向二級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈與Y方向二級(jí)輔助支鏈產(chǎn)生協(xié)調(diào)變形；由于X向二級(jí)輔助支鏈的軸向剛度較大，因而帶動(dòng)X向一級(jí)輔助支鏈產(chǎn)生協(xié)調(diào)變形。由于X向一級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈與一級(jí)輔助支鏈軸向剛度較大，因而工作平臺(tái)的位移基本與壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的輸出位移即X方向一級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈中間矩形模塊的位移基本相等。本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比，具有以下有益效果
(I)、本發(fā)明對(duì)于鉸鏈做出特殊改進(jìn)，一級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈及一級(jí)輔助支鏈中間加入矩形模塊，大幅度提高了鉸鏈的剛度；并通過(guò)減小工作平臺(tái)的質(zhì)量，使得微動(dòng)平臺(tái)固有頻率得到大幅度提高，前兩階固有頻率均達(dá)到8. 2KHZ。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的微動(dòng)平臺(tái)，該微動(dòng)平臺(tái)固有頻率提高了數(shù)倍。(2)、本發(fā)明采用雙平行鉸鏈，并通過(guò)鉸鏈的特殊改進(jìn)提高了一級(jí)鉸鏈的剛度，利用整體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，基本消除了兩軸耦合及寄生位移。(3)、本發(fā)明相對(duì)于串聯(lián)機(jī)構(gòu)具有高剛度、無(wú)累積誤差、兩方向動(dòng)力學(xué)特性相同、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明同時(shí)具有控制算法簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)。


圖I為本發(fā)明的二自由度平動(dòng)并聯(lián)高帶寬微動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意 圖2為微動(dòng)平臺(tái)X方向機(jī)構(gòu)變形原理示意 圖3為微動(dòng)平臺(tái)、壓電陶瓷、電容傳感器及其傳感器夾具裝配示意 圖4為微動(dòng)平臺(tái)前六階模態(tài)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。如圖1，2，3所示，本發(fā)明實(shí)施例包括壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器24、微動(dòng)平臺(tái)主體26、傳感器夾具27、非接觸式電容傳感器28，微動(dòng)平臺(tái)主體26包括兩個(gè)相同的驅(qū)動(dòng)支鏈I和3、及其對(duì)應(yīng)兩個(gè)相同的輔助支鏈5和7，工作平臺(tái)6以及固定機(jī)架9，其中兩個(gè)方向的驅(qū)動(dòng)支鏈I和3、兩個(gè)方向的輔助支鏈5和7兩兩對(duì)稱(chēng)分布在工作平臺(tái)的四周。所述的驅(qū)動(dòng)支鏈I包括一級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈11、二級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈10，其中一級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈11兩端與固定機(jī)架9固連，二級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈10包括兩個(gè)端部加倒角的柔性鉸鏈13和14，13 和14 一端與一級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈11通過(guò)一級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈11中間凸起的矩形模塊12連接，另一端與工作平臺(tái)6固連。所述的輔助支鏈5包括一級(jí)輔助支鏈18、二級(jí)輔助支鏈17，其中一級(jí)輔助支鏈18兩端與固定機(jī)架9固連，二級(jí)輔助支鏈17包括兩個(gè)端部加倒角的柔性鉸鏈20和21，二級(jí)輔助支鏈17—端與一級(jí)輔助支鏈18通過(guò)一級(jí)輔助支鏈18中間凸起的矩形模塊19連接，另一端與工作平臺(tái)6固連。所述的工作平臺(tái)6四個(gè)方向分別與X、Y兩個(gè)方向的二級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈10和15、及二級(jí)輔助支鏈17和22連接。所述的固定機(jī)架9分別與X、Y兩個(gè)方向的一級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈11和16、及一級(jí)輔助支鏈18和23固連。所述的驅(qū)動(dòng)支鏈I和3、輔助支鏈5和7、工作平臺(tái)6及固定機(jī)架9等都是采用一體式結(jié)構(gòu)，即在一塊金屬材料板上，采用先進(jìn)加工工藝加工而成，無(wú)需裝配，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，有效避免了裝配誤差的產(chǎn)生，滿(mǎn)足了高精度的要求。所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器24嵌入在微動(dòng)平臺(tái)主體26的安裝槽內(nèi)，頭部與一級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈11的中間部分接觸，施加力直接作用在驅(qū)動(dòng)支鏈上，而其底部與固定機(jī)架9通過(guò)螺紋固連安裝。所述的非接觸式電容傳感器28安裝在傳感器夾具27的安裝孔內(nèi)，并通過(guò)錐形銷(xiāo)25緊固。所述的傳感器夾具27通過(guò)螺紋2、4、8固連安裝在微動(dòng)平臺(tái)的固定機(jī)架9上，以使非接觸式位移傳感器28檢測(cè)工作平臺(tái)6的位移。如圖1，2所示，本實(shí)例通過(guò)以下方式進(jìn)行工作以X方向?yàn)槔?，壓電陶瓷?qū)動(dòng)器24施加力于X方向一級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈11，由于X方向二級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈10的軸向剛度較大，從而帶動(dòng)工作平臺(tái)6、Y方向二級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈15、Y方向二級(jí)輔助支鏈22及X向二級(jí)輔助支鏈17—起朝X方向運(yùn)動(dòng)，其中Y方向二級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈15與Y方向二級(jí)輔助支鏈22產(chǎn)生協(xié)調(diào)變形；由于X向二級(jí)輔助支鏈17的軸向剛度較大，因而帶動(dòng)X向一級(jí)輔助支鏈18產(chǎn)生協(xié)調(diào)變形。由于X向二級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈10與二級(jí)輔助支鏈17軸向剛度較大，因而工作平臺(tái)6的位移基本與壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器24的輸出位移即X方向一級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈中間矩形模塊12的位移基本相等，此種情況下，工作平臺(tái)6產(chǎn)生X方向位移。如圖1，2所示，當(dāng)只有X方向的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器24產(chǎn)生位移時(shí)，由于系統(tǒng)采用雙平行四桿機(jī)構(gòu)15和22、特殊改進(jìn)的鉸鏈機(jī)構(gòu)11和18，以及整體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，所以工作平臺(tái)在Y方向無(wú)輸出耦合位移。又由于在Y方向一級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈16與一級(jí)輔助支鏈23中間部分加入矩形模塊，因此使得一級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈16與一級(jí)輔助支鏈23的剛度大大增加，而遠(yuǎn)大于Y方向二級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈15與二級(jí)輔助支鏈22的剛度，從而當(dāng)X方向壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)情況下二級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈15與二級(jí)輔助支鏈22產(chǎn)生協(xié)調(diào)變形時(shí)，一級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈16與一級(jí)輔助支鏈23基本無(wú)變形，因此大大減少了作用在一級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈16中間部分的壓電陶瓷承受彎矩或者側(cè)向力，避免了壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的損壞。同時(shí)一級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈16與一級(jí)輔助支鏈23的基本無(wú)變形也使得X方向與Y方向的耦合大大減小。如圖1，4所示，微動(dòng)平臺(tái)采用在一級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈11、16及一級(jí)輔助支鏈18、23中間部分加入矩形模塊，并加寬一級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈11、16及一級(jí)輔助支鏈18、23，使其剛度大大增力口，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于二級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈10、15及二級(jí)輔助支鏈17、22，并通過(guò)控制工作平臺(tái)6的質(zhì)量，使得微動(dòng)平臺(tái)的固有頻率處于較高值如圖4中(a)、(b)所示，前兩階固有頻率反映平面內(nèi)特性，分別為8269Hz和8281Hz ;后幾階固有頻率反映平面外的特性，其中第三階反映在Z 軸的振動(dòng)特性，圖4中(c)所示，為10551Hz，圖4中(d)、(e)、(f)所示第四階、第五階及第六階固有頻率分別反映微動(dòng)平臺(tái)繞X，Y，Z軸旋轉(zhuǎn)特性，分別為20558ΗΖ、20571Ηζ、21031Ηζ。平面外的高固有頻率使得微動(dòng)平臺(tái)在工作時(shí)，工作平臺(tái)6保持良好的平動(dòng)特性，不會(huì)具有轉(zhuǎn)動(dòng)角度。因而微動(dòng)平臺(tái)具有較高的動(dòng)態(tài)特性，便于控制。
權(quán)利要求
1.一種二自由度平動(dòng)并聯(lián)高帶寬微動(dòng)平臺(tái)，包括微動(dòng)平臺(tái)主體、安裝在微動(dòng)平臺(tái)主體上的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器和傳感器夾具，安裝在傳感器夾具上的非接觸式電容傳感器，其特征在于，所述微動(dòng)平臺(tái)主體包括工作平臺(tái)、固定機(jī)架以及對(duì)稱(chēng)分布于工作平臺(tái)四周兩個(gè)相互垂直的X、Y方向上的兩級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈及其對(duì)應(yīng)的兩級(jí)輔助支鏈，所述驅(qū)動(dòng)支鏈及其對(duì)應(yīng)的輔助支鏈相向分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的二自由度平動(dòng)并聯(lián)高帶寬微動(dòng)平臺(tái)，其特征在于，所述的兩級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈為一級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈和二級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈，其中一級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈兩端與固定機(jī)架固連，二級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈包括兩個(gè)端部加倒角的柔性鉸鏈，所述柔性鉸鏈一端與一級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈通過(guò)一級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈中間凸起的矩形模塊連接，另一端與工作平臺(tái)固連。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的二自由度平動(dòng)并聯(lián)高帶寬微動(dòng)平臺(tái)，其特征在于，所述的兩級(jí)輔助支鏈為一級(jí)輔助支鏈和二級(jí)輔助支鏈，其中一級(jí)輔助支鏈兩端與固定機(jī)架固連，二級(jí)輔助支鏈包括兩個(gè)端部加倒角的柔性鉸鏈，所述柔性鉸鏈一端與一級(jí)輔助支鏈通過(guò)一級(jí)輔助支鏈中間凸起的矩形模塊連接，另一端與工作平臺(tái)固連。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的二自由度平動(dòng)并聯(lián)高帶寬微動(dòng)平臺(tái)，其特征在于，所述的工作平臺(tái)X、Y兩個(gè)方向分別與對(duì)應(yīng)方向的二級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈及二級(jí)輔助支鏈連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的二自由度平動(dòng)并聯(lián)高帶寬微動(dòng)平臺(tái)，其特征在于，所述的固定機(jī)架分別與X、Y兩個(gè)方向的一級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈及一級(jí)輔助支鏈固連。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的二自由度平動(dòng)并聯(lián)高帶寬微動(dòng)平臺(tái)，其特征在于，所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器嵌入在微動(dòng)平臺(tái)主體的安裝槽內(nèi)，頭部與一級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈的中間部分接觸，施加力直接作用在驅(qū)動(dòng)支鏈上，而其底部與固定機(jī)架通過(guò)螺紋固連安裝。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的二自由度平動(dòng)并聯(lián)高帶寬微動(dòng)平臺(tái)，其特征在于，所述的非接觸式電容傳感器安裝在傳感器夾具的安裝孔內(nèi)，并通過(guò)錐形銷(xiāo)緊固。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的二自由度平動(dòng)并聯(lián)高帶寬微動(dòng)平臺(tái)，其特征在于，所述的傳感器夾具通過(guò)螺紋固連安裝在微動(dòng)平臺(tái)的固定機(jī)架上。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的二自由度平動(dòng)并聯(lián)高帶寬微動(dòng)平臺(tái)，其特征在于，所述的驅(qū)動(dòng)支鏈、輔助支鏈、工作平臺(tái)及固定機(jī)架采用一體式結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種二自由度平動(dòng)并聯(lián)高帶寬微動(dòng)平臺(tái),基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器和柔性鉸鏈的微動(dòng)平臺(tái)，包括壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器、微動(dòng)平臺(tái)主體、傳感器夾具、非接觸式電容傳感器，微動(dòng)平臺(tái)主體包括驅(qū)動(dòng)支鏈及其對(duì)應(yīng)的輔助支鏈、工作平臺(tái)以及固定機(jī)架，其中，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)支鏈與其對(duì)應(yīng)的輔助支鏈兩兩對(duì)稱(chēng)分布在工作平臺(tái)四周。本發(fā)明采用雙平行四桿結(jié)構(gòu)及對(duì)稱(chēng)約束結(jié)構(gòu)，使其寄生位移及累積誤差減少。微動(dòng)平臺(tái)改進(jìn)了鉸鏈結(jié)構(gòu)，在一級(jí)驅(qū)動(dòng)支鏈中間加入矩形模塊，大大提高了結(jié)構(gòu)剛度，使系統(tǒng)具有高固有頻率，從而實(shí)現(xiàn)微動(dòng)平臺(tái)的二維高帶寬平動(dòng)特性。
文檔編號(hào)B23Q1/44GK102962683SQ20121047757
公開(kāi)日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月22日
發(fā)明者李春霞, 朱利民, 谷國(guó)迎, 楊梅菊, 賴(lài)?yán)诮?申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)