專利名稱：一種立方體形并聯(lián)解耦六自由度微動(dòng)工作臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種六自由度微動(dòng)工作臺(tái)。
技術(shù)背景微納米技術(shù)的快速發(fā)展引發(fā)了新一輪技術(shù)革命，微納級(jí)的微動(dòng)平臺(tái)在納 米器件和結(jié)構(gòu)的制作、半導(dǎo)體光刻、微機(jī)械、超精密加工、生物細(xì)胞操縱、 微裝配、光纖對(duì)接等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。高精度的六自由度微動(dòng)平臺(tái)由 于可以實(shí)現(xiàn)空間六個(gè)自由度的超精密定位，因此具有大量的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合。 目前雖然提出了一些六自由度微動(dòng)機(jī)構(gòu)，但是存在著平臺(tái)輸出的自由度相互 之間存在運(yùn)動(dòng)耦合或者整個(gè)機(jī)構(gòu)體積較大等缺點(diǎn)。例如三支鏈型六自由度微 動(dòng)機(jī)構(gòu)(或機(jī)器人)、單層結(jié)構(gòu)八桿微動(dòng)工作臺(tái)等由于其機(jī)構(gòu)的固有特性存在 運(yùn)動(dòng)耦合的缺點(diǎn)。六自由度并聯(lián)解耦微動(dòng)機(jī)器人雖能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)解耦，但是其 體積較大，不能應(yīng)用于安裝空間小的場(chǎng)合。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有六自由度微動(dòng)機(jī)構(gòu)存在著平臺(tái)輸出的自由 度相互之間存在運(yùn)動(dòng)耦合或整個(gè)機(jī)構(gòu)體積較大的問(wèn)題，提供一種立方體形并 聯(lián)解耦六自由度微動(dòng)工作臺(tái)。本發(fā)明由底座、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和六個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈組成，底座由第一平板1、第二平板8和第三平板16組成，第一平板1 的Q端與第二平板8的R端連接為一體，第三平板16的P端與第一平板1 的N端連接為一體，第三平板16的T端與第二平板8的S端連接為一體， 第一平板1與第二平板8相互垂直設(shè)置，第三平板16分別與第一平板1和 第二平板8相互垂直設(shè)置；運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由第四平板6、第五平板13和第六平 板20組成，第四平板6的G端與第五平板13的H端連接為一體，第六平 板20的L端與第四平板6的M端連接為一體，第六平板20的J端與第五 平板13的K端連接為一體，第四平板6和第五平板13相互垂直設(shè)置，第 六平板20分別與第四平板6和第五平板13相互垂直設(shè)置；第一平板1和第 五平板13相互平行設(shè)置，第二平板8和第六平板20相互平行設(shè)置，第三平板16和第四平板6相互平行設(shè)置；第一壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈4和第二壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈15相互平行設(shè)置，第一壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈4的第一端5和第二 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈15的第一端7分別與第四平板6相連接，第一壓電陶瓷 驅(qū)動(dòng)支鏈4的第二端19和第二壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈15的第二端17分別與第 三平板16相連接；第三壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈3和第四壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈21 相互平行設(shè)置，第三壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈3的第一端2和第四壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支 鏈21的第一端22分別與第一平板1相連接，第三壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈3的第 二端9和第四壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈21的第二端14分別與第五平板13相連接; 第五壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈24和第六壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈11相互平行設(shè)置，第五 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈24的第一端23和第六壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈11的第一端18 分別與第六平板20相連接，第五壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈24的第二端12和第六 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈11的第二端10分別與第二平板8相連接；所述每個(gè)壓電 陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈均由第一柔性鉸鏈41、直線微位移運(yùn)動(dòng)副42、壓電疊層作動(dòng) 器44和第二柔性鉸鏈45組成，第一柔性鉸鏈41與直線微位移運(yùn)動(dòng)副42 的一端連接為一體，第二柔性鉸鏈45與直線微位移運(yùn)動(dòng)副42的另一端連接 為一體，直線微位移運(yùn)動(dòng)副42的中間開有通透的空間43，壓電疊層作動(dòng)器 44設(shè)置在所述通透的空間43內(nèi)并與直線微位移運(yùn)動(dòng)副42固定連接。本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和底座分別由三個(gè)垂直平面組成，即相當(dāng)于正方體六 個(gè)平面中三個(gè)具有公共頂點(diǎn)平面的組合體。六個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈并聯(lián)于底 座和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)之間，輸出直線微位移運(yùn)動(dòng)，六個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈分成三組， 每組包括兩個(gè)相互平行、對(duì)稱布置的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈，三組之間兩兩相互 垂直布置。本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)具有六個(gè)自由度，由于采用正交布置，所以能 實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)六個(gè)自由度之間的解耦，運(yùn)動(dòng)精度高。另外平臺(tái)和底座都為立 方體半表面，相互扣在一起使整個(gè)機(jī)構(gòu)呈正方體形狀，六個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支 鏈處于正方體之中，所以結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，適用于對(duì)微動(dòng)臺(tái)精度、體 積有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場(chǎng)合。


圖l是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3 是底座的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4是壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈的結(jié)構(gòu)示意圖，圖5是微動(dòng)工作臺(tái)的坐標(biāo)系設(shè)置圖，圖6是壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
具體實(shí)施方式
一(參見圖1 圖3)本實(shí)施方式由底座、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和六個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈組成，底座由第一平板1、第二平板8和第三平板16 組成，第一平板1的Q端與第二平板8的R端連接為一體，第三平板16的 P端與第一平板1的N端連接為一體，第三平板16的T端與第二平板8的 S端連接為一體，第一平板l與第二平板8相互垂直設(shè)置，第三平板16分 別與第一平板1和第二平板8相互垂直設(shè)置；運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由第四平板6、第五 平板13和第六平板20組成，第四平板6的G端與第五平板13的H端連接 為一體，第六平板20的L端與第四平板6的M端連接為一體，第六平板 20的J端與第五平板13的K端連接為一體，第四平板6和第五平板13相 互垂直設(shè)置，第六平板20分別與第四平板6和第五平板13相互垂直設(shè)置； 第一平板1和第五平板13相互平行設(shè)置，第二平板8和第六平板20相互平 行設(shè)置，第三平板16和第四平板6相互平行設(shè)置；第一壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈 4和第二壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈15相互平行設(shè)置，第一壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈4的 第一端5和第二壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈15的第一端7分別與第四平板6相連接， 第一壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈4的第二端19和第二壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈15的第二端 17分別與第三平板16相連接；第三壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈3和第四壓電陶瓷驅(qū) 動(dòng)支鏈21相互平行設(shè)置，第三壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈3的第一端2和第四壓電 陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈21的第一端22分別與第一平板1相連接，第三壓電陶瓷驅(qū)動(dòng) 支鏈3的第二端9和第四壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈21的第二端14分別與第五平板 13相連接；第五壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈24和第六壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈11相互平 行設(shè)置，第五壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈24的第一端23和第六壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈 11的第一端18分別與第六平板20相連接，第五壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈24的第 二端12和第六壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈11的第二端10分別與第二平板8相連接; 所述每個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈均由第一柔性鉸鏈41、直線微位移運(yùn)動(dòng)副42、 壓電疊層作動(dòng)器44和第二柔性鉸鏈45組成，第一柔性鉸鏈41與直線微位 移運(yùn)動(dòng)副42的一端連接為一體，第二柔性鉸鏈45與直線微位移運(yùn)動(dòng)副42 的另一端連接為一體，直線微位移運(yùn)動(dòng)副42的中間開有通透的空間43，壓電疊層作動(dòng)器44設(shè)置在所述通透的空間43內(nèi)并與直線微位移運(yùn)動(dòng)副42固 定連接。所述直線微位移運(yùn)動(dòng)副42為柔性鉸鏈八桿機(jī)構(gòu)式移動(dòng)副。所述第 一柔性鉸鏈41和第二柔性鉸鏈45均為球鉸型柔性鉸鏈。所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和底 座的材質(zhì)為40Cr合金鋼，由40Cr合金鋼整體方料通過(guò)粗銑、精銑加工成型。 如圖5所示，在正方體中心建立平臺(tái)的連體坐標(biāo)系O-XYZ，設(shè)參考坐 標(biāo)系O'-X'Y'Z'固連在底座上，并與初始位置時(shí)的連體坐標(biāo)系O-XYZ重合。 六個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈的微位移矢量為<formula>formula see original document page 7</formula>，即<formula>formula see original document page 7</formula> ,其中下標(biāo)0表示驅(qū)動(dòng)支鏈的初始長(zhǎng)度。設(shè)微動(dòng)臺(tái)對(duì)應(yīng)的廣義微位移輸出為Aq:[Ax，Ay,Az,Aa，Ap,AY]t，平臺(tái)的齊次坐標(biāo)變換矩陣r可以用勿的分量來(lái)表示<formula>formula see original document page 7</formula>由于平臺(tái)六條運(yùn)動(dòng)支鏈布置的對(duì)稱性，上鉸點(diǎn)間距|ab|=|cd|=|ef|，同 時(shí)也等于下鉸點(diǎn)間距|AB| = |CD| = |EF| ， 因此設(shè) |ab| =|cd|=|ef|=|AB| =|CD|=|EF|=2r 。并設(shè)初始位置時(shí)，各支鏈的初始長(zhǎng)度為1 。 則連體系中上鉸點(diǎn)的齊次坐標(biāo)為<formula>formula see original document page 7</formula>固定參考系中下鉸點(diǎn)的齊次坐標(biāo)為:<formula>formula see original document page 8</formula>列出第一個(gè)支鏈的長(zhǎng)度表達(dá)式為(lrf-xl)2 = (1+/^)2，其中g(shù)和x分別表示a和A點(diǎn)的齊次坐標(biāo)矢量。上式具體展開為<formula>formula see original document page 8</formula>上式進(jìn)一步寫成 ,<formula>formula see original document page 8</formula>將上式展開、化簡(jiǎn)并忽略含有<formula>formula see original document page 8</formula>等二階無(wú)窮上式兩邊同時(shí)減去l2，再同除以l得同理可以求得其它微驅(qū)動(dòng)支鏈的微位移為<formula>formula see original document page 8</formula><formula>formula see original document page 8</formula>由以上各式可以求出平臺(tái)輸出的廣義微位移:<formula>formula see original document page 9</formula>上式可以簡(jiǎn)寫成Aq二JAl，其中J為機(jī)構(gòu)雅可比矩陣。由J可知微動(dòng)平臺(tái) 在X向微位移Ax只和X向布置的微驅(qū)動(dòng)支鏈E-e、 F-f的微位移有關(guān)。同樣 Y向微位移Ay只和Y向布置的微驅(qū)動(dòng)支鏈C-c、 D-d的微位移有關(guān)，而Z 向微位移Az只和Z向布置的微驅(qū)動(dòng)支鏈A-a、 B-b的微位移有關(guān)，按照上述 方式驅(qū)動(dòng)就能實(shí)現(xiàn)X、 Y、 Z運(yùn)動(dòng)的解耦。所述壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈的材質(zhì)為65Mn彈簧鋼。采用整體式結(jié)構(gòu)，先采 用精車加工兩側(cè)柔性鉸鏈，然后采用線切割技術(shù)加工出柔性鉸鏈八桿機(jī)構(gòu)式 移動(dòng)副，壓電疊層作動(dòng)器44在測(cè)量定位后用膠(Ja-103膠粘劑)粘接在柔 性鉸鏈八桿機(jī)構(gòu)式移動(dòng)副的通透的空間43內(nèi)。
具體實(shí)施方式
二(參見圖1、圖4)本實(shí)施方式所述第二柔性鉸鏈45均為虎克鉸型柔性鉸鏈。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三底座采用組裝方式，即構(gòu)成底座的第一平板l、第二 平板8和第三平板16各自獨(dú)立加工，然后采用螺釘連接組裝在一起，其它 與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
四運(yùn)動(dòng)平臺(tái)采用組裝方式，即構(gòu)成運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的第四平板6、第五平板13和第六平板20分別獨(dú)立加工，然后采用螺釘連接組裝在一起，其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
五壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈采用分體式結(jié)構(gòu)，第一柔性鉸鏈41、直線微位移運(yùn)動(dòng)副42、第二柔性鉸鏈45各自獨(dú)立加工，然后通過(guò)膠粘 (Ja-103膠粘劑)等方式組裝在一起，其它與具體實(shí)施方式
一相同。
權(quán)利要求
1、一種立方體形并聯(lián)解耦六自由度微動(dòng)工作臺(tái)，它由底座、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和六個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈組成，其特征在于底座由第一平板(1)、第二平板(8)和第三平板(16)組成，第一平板(1)的Q端與第二平板(8)的R端連接為一體，第三平板(16)的P端與第一平板(1)的N端連接為一體，第三平板(16)的T端與第二平板(8)的S端連接為一體，第一平板(1)與第二平板(8)相互垂直設(shè)置，第三平板(16)分別與第一平板(1)和第二平板(8)相互垂直設(shè)置；運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由第四平板(6)、第五平板(13)和第六平板(20)組成，第四平板(6)的G端與第五平板(13)的H端連接為一體，第六平板(20)的L端與第四平板(6)的M端連接為一體，第六平板(20)的J端與第五平板(13)的K端連接為一體，第四平板(6)和第五平板(13)相互垂直設(shè)置，第六平板(20)分別與第四平板(6)和第五平板(13)相互垂直設(shè)置；第一平板(1)和第五平板(13)相互平行設(shè)置，第二平板(8)和第六平板(20)相互平行設(shè)置，第三平板(16)和第四平板(6)相互平行設(shè)置；第一壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈(4)和第二壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈(15)相互平行設(shè)置，第一壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈(4)的第一端(5)和第二壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈(15)的第一端(7)分別與第四平板(6)相連接，第一壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈(4)的第二端(19)和第二壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈(15)的第二端(17)分別與第三平板(16)相連接；第三壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈(3)和第四壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈(21)相互平行設(shè)置，第三壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈(3)的第一端(2)和第四壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈(21)的第一端(22)分別與第一平板(1)相連接，第三壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈(3)的第二端(9)和第四壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈(21)的第二端(14)分別與第五平板(13)相連接；第五壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈(24)和第六壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈(11)相互平行設(shè)置，第五壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈(24)的第一端(23)和第六壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈(11)的第一端(18)分別與第六平板(20)相連接，第五壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈(24)的第二端(12)和第六壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈(11)的第二端(10)分別與第二平板(8)相連接；所述每個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈均由第一柔性鉸鏈(41)、直線微位移運(yùn)動(dòng)副(42)、壓電疊層作動(dòng)器(44)和第二柔性鉸鏈(45)組成，第一柔性鉸鏈(41)與直線微位移運(yùn)動(dòng)副(42)的一端連接為一體，第二柔性鉸鏈(45)與直線微位移運(yùn)動(dòng)副(42)的另一端連接為一體，直線微位移運(yùn)動(dòng)副(42)的中間開有通透的空間(43)，壓電疊層作動(dòng)器(44)設(shè)置在所述通透的空間(43)內(nèi)并與直線微位移運(yùn)動(dòng)副(42)固定連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種立方體形并聯(lián)解耦六自由度微動(dòng)工作臺(tái)， 其特征在于所述直線微位移運(yùn)動(dòng)副(42)為柔性鉸鏈八桿機(jī)構(gòu)式移動(dòng)副。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種立方體形并聯(lián)解耦六自由度微動(dòng)工作臺(tái)， 其特征在于所述第一柔性鉸鏈(41)和第二柔性鉸鏈(45)均為球鉸型柔 性鉸鏈。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種立方體形并聯(lián)解耦六自由度微動(dòng)工作臺(tái)， 其特征在于所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和底座的材質(zhì)為40Cr合金鋼。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種立方體形并聯(lián)解耦六自由度微動(dòng)工作臺(tái)， 其特征在于所述壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈的材質(zhì)為65Mn彈簧鋼。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種立方體形并聯(lián)解耦六自由度微動(dòng)工作臺(tái)， 其特征在于所述第二柔性鉸鏈(45)均為虎克鉸型柔性鉸鏈。
全文摘要
一種立方體形并聯(lián)解耦六自由度微動(dòng)工作臺(tái)，它涉及一種微動(dòng)工作臺(tái)。本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有六自由度微動(dòng)機(jī)構(gòu)存在著平臺(tái)的輸出的自由度相互之間運(yùn)動(dòng)存在耦合和整個(gè)機(jī)構(gòu)體積較大的問(wèn)題。本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和底座分別由三個(gè)垂直平面組成，相當(dāng)于正方體六個(gè)平面中三個(gè)具有公共頂點(diǎn)平面的組合體。即平臺(tái)和底座都為立方體半表面，且相互扣在一起使整個(gè)機(jī)構(gòu)呈正方體形狀，六個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈并聯(lián)于底座和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)之間，輸出直線微位移運(yùn)動(dòng)，本發(fā)明具有六個(gè)自由度，由于采用正交布置，所以能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)自由度之間的解耦，運(yùn)動(dòng)精度高。另外六個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)支鏈處于正方體之中，所以結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，適用于對(duì)微動(dòng)臺(tái)精度、體積有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場(chǎng)合。
文檔編號(hào)G12B5/00GK101246751SQ20081006415
公開日2008年8月20日 申請(qǐng)日期2008年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月21日
發(fā)明者強(qiáng) 關(guān), 岳永恒, 強(qiáng) 趙 申請(qǐng)人:東北林業(yè)大學(xué)