專利名稱：具有抑振功能的超精密微動(dòng)工作平臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超精密定位、抑振裝置，是一種具有抑振功能的超精密微動(dòng)工作平臺(tái)。
背景技術(shù)：
高精度和高分辨率的精密微動(dòng)工作臺(tái)系統(tǒng)在近代尖端工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)占有極其重要的地位。它是直接影響精密、超精密切削加工水平、精密測(cè)量水平及超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)水平的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。從七十年代后期起，微電子技術(shù)向大規(guī)模集成電路(LSI)和超大規(guī)模集成電路(VLSI)方向發(fā)展，隨著集成度的提高，線條越來越微細(xì)化，目前CPU的線寬已縮小到0.13um，對(duì)與之相應(yīng)的工藝設(shè)備(如圖形發(fā)生器、分步重復(fù)照相機(jī)、光刻機(jī)、電子束和X射線及其檢測(cè)設(shè)備等)提出了更高的要求，要求這些設(shè)備的定位精度為線寬的1/3～1/5，即納米級(jí)的精度。在精密光學(xué)設(shè)備的制造中，如用金剛石車刀直接車削大型天文望遠(yuǎn)鏡的拋物面反射鏡時(shí)，要求加工出幾何精度高于1/10光波波長(zhǎng)的表面，即幾何形狀誤差小于0.05um。在生物、醫(yī)學(xué)工程的研究中，需要對(duì)細(xì)胞進(jìn)行搬動(dòng)、分離、組合，對(duì)DNA分子進(jìn)行拉伸并固定到隔膜上，對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行操作和生成薄膜結(jié)構(gòu)等等。這些都需要采用超高精度的能作快速運(yùn)動(dòng)的微位移工作臺(tái)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，更多的其他領(lǐng)域也越來越迫切需要微動(dòng)系統(tǒng)，例如，腦外科手術(shù)、光纖對(duì)接、微細(xì)加工、微型機(jī)器人裝配等。納米技術(shù)被認(rèn)為是21世紀(jì)的科技前沿，作為關(guān)鍵技術(shù)之一的納米定位技術(shù)將左右著各學(xué)科納米技術(shù)的發(fā)展。而納米定位技術(shù)的核心也正是能實(shí)現(xiàn)精密微位移的微動(dòng)工作臺(tái)。從隔振、抑振方面來看，現(xiàn)在大多數(shù)使用的方式是給工作臺(tái)加一個(gè)基礎(chǔ)，此基礎(chǔ)具有一定的隔振效果，對(duì)外界給系統(tǒng)的干擾進(jìn)行隔離，使得工作臺(tái)處于相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境中。但是工作臺(tái)上的儀器儀表主體在工作時(shí)，比如執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)等，或多或少會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，此種干擾信號(hào)會(huì)在內(nèi)部對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的精度產(chǎn)生影響，而這種信號(hào)不能通過上述所用的基礎(chǔ)隔振的方法來消除，所以很有必要在系統(tǒng)內(nèi)的工作平臺(tái)上增加一個(gè)用于消除自身干擾信號(hào)的抑振裝置，從而來得到真正意義的高精度定位、抑振的精密系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有抑振功能的超精密微動(dòng)工作平臺(tái)，以柔性鉸鏈為導(dǎo)軌來傳遞壓電驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的位移，使本工作平臺(tái)具有定位精度高、抑振效果好的特性。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案它包括1)在金屬平板兩邊的Y方向上分別開有一條相向?qū)ΨQ的敞框形直通槽，兩個(gè)敞框形直通槽的兩短邊分別有兩個(gè)向內(nèi)凸出的乳狀直通槽，在金屬平板兩邊的X方向上分別對(duì)稱開有兩個(gè)為一組的兩組向外凸出的乳狀直通槽，并相互連通，分別與兩敞框形直通槽兩短邊的兩個(gè)向內(nèi)凸出的乳狀直通槽相對(duì)應(yīng)，分別形成四個(gè)Y向柔性鉸鏈臂和八個(gè)Y向柔性鉸鏈，X方向的兩組乳狀直通槽中間還開有通槽，兩個(gè)Y向壓電驅(qū)動(dòng)器的前后部分別套上Y向驅(qū)動(dòng)器前套和后套，前套的頂端頂在Y向驅(qū)動(dòng)器定位槽中，用裝在Y向驅(qū)動(dòng)器預(yù)緊螺孔內(nèi)的螺釘頂在后套上固定，形成Y向工作平臺(tái)；2)位于Y向工作平臺(tái)內(nèi)的金屬平板兩邊的X方向上分別開有一條相向?qū)ΨQ的敞框形直通槽，兩個(gè)敞框形直通槽的兩短邊分別有兩個(gè)向內(nèi)凸出的乳狀直通槽，在金屬平板兩邊的Y方向上分別對(duì)稱開有兩個(gè)為一組的兩組向外凸出的乳狀直通槽，并相互連通，分別與兩敞框形直通槽兩短邊的兩個(gè)向內(nèi)凸出的乳狀直通槽相對(duì)應(yīng)，分別形成四個(gè)X向柔性鉸鏈臂和八個(gè)X向柔性鉸鏈，Y方向的兩組乳狀直通槽中間還開有通槽，兩個(gè)X向壓電驅(qū)動(dòng)器的前后部分別套上X向驅(qū)動(dòng)器前套和后套，前套的頂端頂在X向驅(qū)動(dòng)器定位槽中，用裝在X向驅(qū)動(dòng)器預(yù)緊螺孔內(nèi)的螺釘頂在后套上固定，形成X向工作平臺(tái)。
所說的前套為兩邊成120°中部挖空的三角形前套；后套為中部挖空，底部為平面的圓柱形后套。
金屬平板的厚度為15-25mm；材料為鋁板或銅板。
本發(fā)明與背景技術(shù)相比具有的有益效果是1)此種結(jié)構(gòu)具有較高的固有頻率，使得結(jié)構(gòu)的頻響特性較好，X、Y向工作平臺(tái)的一階、二階、三階固有頻率分別為180、230和260Hz；2)每個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)器均配又前套和后套，分別由預(yù)緊螺釘預(yù)緊，安裝后不存在間隙，并能使驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力通過前端120°的定位槽完全沿正方向作用，同時(shí)可以方便安裝。
3)采用了柔性鉸鏈為位移輸出導(dǎo)軌，X向工作平臺(tái)鑲嵌在Y向工作平臺(tái)之中形成鑲嵌結(jié)構(gòu)，加上X、Y兩維上各由兩個(gè)相對(duì)的壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雙驅(qū)動(dòng)器形式，其中一個(gè)用于定位，另一個(gè)用于抑振，大大提高了定位精度，可達(dá)到納米級(jí)精度；4)由于所用壓電驅(qū)動(dòng)器具有較高的響應(yīng)速度，使得本結(jié)構(gòu)階躍響應(yīng)快，階躍響應(yīng)時(shí)間在0.1秒左右；5)采用相對(duì)方向上雙壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，采用閉環(huán)控制，使得結(jié)構(gòu)抑振效果好，對(duì)一般小幅值的干擾信號(hào)，可減小到原來的5％以下；本發(fā)明可用于高精度、超高精度的切削加工定位，圖形發(fā)生器、分步重復(fù)照相機(jī)、光刻機(jī)、電子束和X射線及其檢測(cè)設(shè)備等精密儀器設(shè)備的抑振、減振。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是未安裝壓電驅(qū)動(dòng)器的工作平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖2的A-A剖視圖；圖4是柔性鉸鏈前套結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是柔性鉸鏈后套結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明工作原理示意圖。圖中1平臺(tái)邊框 2平臺(tái)安裝螺孔 3Y向柔性鉸鏈臂 4Y向柔性鉸鏈5Y向工作平臺(tái) 6X向柔性鉸鏈 7X向柔性鉸鏈臂 8X向工作平臺(tái)9位移輸出平臺(tái)固定螺孔 10X向驅(qū)動(dòng)器前套 11X向驅(qū)動(dòng)器定位槽12X向壓電驅(qū)動(dòng)器 13X向驅(qū)動(dòng)器后套 14X向驅(qū)動(dòng)器預(yù)緊螺孔15Y向驅(qū)動(dòng)器定位槽 16Y向驅(qū)動(dòng)器前套 17Y向壓電驅(qū)動(dòng)器18Y向驅(qū)動(dòng)器后套 19Y向驅(qū)動(dòng)器預(yù)緊螺孔 20X向抑振驅(qū)動(dòng)器21Y向抑振驅(qū)動(dòng)器 22位移傳感器 23測(cè)振傳感器a、a′二次儀表 b、b′A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器 c、c′D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器d計(jì)算機(jī) e驅(qū)動(dòng)電源具體實(shí)施方式
如圖1、2、3所示，本發(fā)明包括1)在金屬平板1兩邊的Y方向上分別開有一條相向?qū)ΨQ的敞框形直通槽，兩個(gè)敞框形直通槽的兩短邊分別有兩個(gè)向內(nèi)凸出的乳狀直通槽，在金屬平板兩邊的X方向上分別對(duì)稱開有兩個(gè)為一組的兩組向外凸出的乳狀直通槽，并相互連通，分別與兩敞框形直通槽兩短邊的兩個(gè)向內(nèi)凸出的乳狀直通槽相對(duì)應(yīng)，分別形成四個(gè)Y向柔性鉸鏈臂3和八個(gè)Y向柔性鉸鏈4，X方向的兩組乳狀直通槽中間還開有通槽，兩個(gè)Y向壓電驅(qū)動(dòng)器17的前后部分別套上Y向驅(qū)動(dòng)器前套16和后套18，前套16的頂端頂在Y向驅(qū)動(dòng)器定位槽15中，用裝在Y向驅(qū)動(dòng)器預(yù)緊螺孔19內(nèi)的螺釘頂在后套18上固定，形成Y向工作平臺(tái)5；2)位于Y向工作平臺(tái)5內(nèi)的金屬平板1兩邊的X方向上分別開有一條相向?qū)ΨQ的敞框形直通槽，兩個(gè)敞框形直通槽的兩短邊分別有兩個(gè)向內(nèi)凸出的乳狀直通槽，并相互連通，在金屬平板兩邊的Y方向上分別對(duì)稱開有兩個(gè)為一組的兩組向外凸出的乳狀直通槽，分別與兩敞框形直通槽兩短邊的兩個(gè)向內(nèi)凸出的乳狀直通槽相對(duì)應(yīng)，分別形成四個(gè)X向柔性鉸鏈臂7和八個(gè)X向柔性鉸鏈6，Y方向的兩組乳狀直通槽中間還開有通槽，兩個(gè)X向壓電驅(qū)動(dòng)器12的前后部分別套上X向驅(qū)動(dòng)器前套10和后套13，前套10的頂端頂在X向驅(qū)動(dòng)器定位槽11中，用裝在X向驅(qū)動(dòng)器預(yù)緊螺孔14內(nèi)的螺釘頂在后套13上固定，形成X向工作平臺(tái)8。在X向工作平臺(tái)8上開有位移輸出平臺(tái)固定螺孔9。
如圖4、5所示的前套為兩邊成120°中部挖空的三角形前套；后套為底部為平面的圓柱形后套。
金屬平臺(tái)1根據(jù)所需要求設(shè)計(jì)，一般厚度為15-25mm；在四周開有安裝螺孔2；材料為鋁板或銅板等彈性材料。
本發(fā)明通過線切割技術(shù)在一塊金屬基體材料上加工出通槽，在通槽處形成彈性支點(diǎn)而與基體加工后剩余部分形成整個(gè)裝置，即采用柔性鉸鏈的導(dǎo)軌形式。整個(gè)機(jī)構(gòu)在加工過程中保證嚴(yán)格的中心對(duì)稱，一定程度上減小了加工誤差對(duì)導(dǎo)向定位精度和抑振效果的影響，機(jī)構(gòu)對(duì)環(huán)境誤差不敏感。它是一種復(fù)合平行四桿結(jié)構(gòu)，具有導(dǎo)向精度高、無間隙、導(dǎo)軌定位分辨率高、加工精度易于保證、不需要裝配等優(yōu)點(diǎn)。
下面結(jié)合附圖1、6對(duì)本裝置的工作原理及部分功用作詳細(xì)描述。
擰在驅(qū)動(dòng)器預(yù)緊螺孔14、19的預(yù)緊螺釘，可以調(diào)節(jié)壓X、Y向壓電驅(qū)動(dòng)器12、17的初始驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí)，位移傳感器22檢測(cè)X向、Y向輸出的位移量，通過二次儀表a轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電壓量，用計(jì)算機(jī)d通過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器b對(duì)此電壓量分別進(jìn)行采樣，與工作任務(wù)要求的初始設(shè)定位移值進(jìn)行比較，再通過某種控制算法(一般為常用的PID控制算法)進(jìn)行比較、運(yùn)算，得出相應(yīng)的電壓值，經(jīng)過D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器c和驅(qū)動(dòng)電源e把此信號(hào)分別傳輸給X、Y向的壓電驅(qū)動(dòng)器12、17，使兩個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)器12、17作出相應(yīng)的位移輸出，移動(dòng)工作臺(tái)進(jìn)行定位。壓電驅(qū)動(dòng)器12、17在預(yù)緊力的作用下，把輸出的位移毫無損失地通過驅(qū)動(dòng)器前套10、16沿正方向傳送給工作平臺(tái)5、8，工作平臺(tái)5、8分別由組柔性鉸鏈6、4支撐，在力的作用下，柔性鉸鏈6、4處受到彎曲應(yīng)力，產(chǎn)生相應(yīng)的角位移，相應(yīng)的柔性鉸鏈臂7、3將此角位移轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)方向上的位移，使對(duì)應(yīng)維的工作臺(tái)動(dòng)作。用柔性鉸鏈作為位移傳遞的導(dǎo)軌，具有無間隙、無摩擦、免潤(rùn)滑、不發(fā)熱等優(yōu)點(diǎn)，再加上良好的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，使壓電驅(qū)動(dòng)器12、17輸出的位移能以很高的精度轉(zhuǎn)化成最終平臺(tái)的位移輸出，且能保證整個(gè)系統(tǒng)的分辨率。
同時(shí)，測(cè)振傳感器23檢測(cè)X向、Y向輸出位的振動(dòng)量，通過二次儀表a′轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電壓量，用計(jì)算機(jī)d通過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器b′對(duì)此電壓量分別進(jìn)行采樣，再通過某種控制算法進(jìn)行比較、運(yùn)算，得出相應(yīng)的電壓值，經(jīng)過D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器c′和驅(qū)動(dòng)電源e把此信號(hào)分別傳輸給X、Y向的壓電驅(qū)動(dòng)器20、21，使兩個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)器20、21作出相應(yīng)的位移輸出，移動(dòng)工作臺(tái)進(jìn)行抑振。
權(quán)利要求
1.一種具有抑振功能的超精密微動(dòng)工作平臺(tái)，其特征在于1)在金屬平板(1)兩邊的Y方向上分別開有一條相向?qū)ΨQ的敞框形直通槽，兩個(gè)敞框形直通槽的兩短邊分別有兩個(gè)向內(nèi)凸出的乳狀直通槽，在金屬平板兩邊的X方向上分別對(duì)稱開有兩個(gè)為一組的兩組向外凸出的乳狀直通槽，并相互連通，分別與兩敞框形直通槽兩短邊的兩個(gè)向內(nèi)凸出的乳狀直通槽相對(duì)應(yīng)，分別形成四個(gè)Y向柔性鉸鏈臂(3)和八個(gè)Y向柔性鉸鏈(4)，X方向的兩組乳狀直通槽中間還開有通槽，兩個(gè)Y向壓電驅(qū)動(dòng)器(17)的前后部分別套上Y向驅(qū)動(dòng)器前套(16)和后套(18)，前套(16)的頂端頂在Y向驅(qū)動(dòng)器定位槽(15)中，用裝在Y向驅(qū)動(dòng)器預(yù)緊螺孔(19)內(nèi)的螺釘頂在后套(18)上固定，形成Y向工作平臺(tái)(5)；2)位于Y向工作平臺(tái)(5)內(nèi)的金屬平板(1)兩邊的X方向上分別開有一條相向?qū)ΨQ的敞框形直通槽，兩個(gè)敞框形直通槽的兩短邊分別有兩個(gè)向內(nèi)凸出的乳狀直通槽，在金屬平板兩邊的Y方向上分別對(duì)稱開有兩個(gè)為一組的兩組向外凸出的乳狀直通槽，并相互連通，分別與兩敞框形直通槽兩短邊的兩個(gè)向內(nèi)凸出的乳狀直通槽相對(duì)應(yīng)，分別形成四個(gè)X向柔性鉸鏈臂(7)和八個(gè)X向柔性鉸鏈(6)，Y方向的兩組乳狀直通槽中間還開有通槽，兩個(gè)X向壓電驅(qū)動(dòng)器(17)的前后部分別套上X向驅(qū)動(dòng)器前套(10)和后套(13)，前套(10)的頂端頂在X向驅(qū)動(dòng)器定位槽(11)中，用裝在X向驅(qū)動(dòng)器預(yù)緊螺孔(14)內(nèi)的螺釘頂在后套(13)上固定，形成X向工作平臺(tái)(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的一種具有抑振功能的超精密微動(dòng)工作平臺(tái)，其特征在于所說的前套為兩邊成120°中部挖空的三角形前套；后套為中部挖空，底部為平面的圓柱形后套。
3.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的一種具有抑振功能的超精密微動(dòng)工作平臺(tái)，其特征在于金屬平板(1)的厚度為15-25mm；材料為鋁板或銅板。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有抑振功能的超精密微動(dòng)工作平臺(tái)。在金屬平板上的X、Y方向上開有通槽，形成柔性鉸鏈臂和柔性鉸鏈的Y向工作平臺(tái)；位于Y向工作平臺(tái)內(nèi)的金屬平板的X、Y方向上開有另一通槽，形成柔性鉸鏈臂和柔性鉸鏈的X向工作平臺(tái)，在X、Y向的工作平臺(tái)上分別對(duì)稱裝有一對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器。它是一種復(fù)合平行四桿結(jié)構(gòu)，具有導(dǎo)向精度高、無間隙、導(dǎo)軌定位分辨率高、加工精度易于保證、不需要裝配等優(yōu)點(diǎn)。在同一方向上采用雙驅(qū)動(dòng)器形式，且兩維工作平臺(tái)構(gòu)成鑲嵌形式，消除了相互之間的位移耦合，使整個(gè)微動(dòng)系統(tǒng)具有很高的定位精度和較好的抑振效果。本發(fā)明可用于高精度、超高精度的切削加工定位，同時(shí)適用精密儀器設(shè)備的抑振、減振。
文檔編號(hào)G01B21/00GK1445052SQ0311645
公開日2003年10月1日 申請(qǐng)日期2003年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月14日
發(fā)明者魏燕定, 黃金永, 呂永桂 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)