專利名稱：一種Z-θx-θy三自由度抗彎矩高精度工作臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種精密機械技術(shù)中微驅(qū)動和微定位的工作臺機構(gòu)，具體涉及一種Z- Θ X- Θ y三自由度亞微米級精度、抗一定彎矩、無耦合運動的工作臺，可用于精密測量、生物醫(yī)學(xué)、微電子器件制造等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微定位、微操作技術(shù)是高精密儀器的基礎(chǔ)之一，在超精密檢測領(lǐng)域(如掃描探針式顯微鏡)、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域(如細胞內(nèi)藥物注射)等，有著廣泛的應(yīng)用和需求。目前該 技術(shù)多以壓電陶瓷(PZT)作為驅(qū)動器，使其柔性結(jié)構(gòu)或彈性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彈性變形，以此實現(xiàn)微定位。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利號200810038553. 0，發(fā)明名稱X-Y-Z三自由度串聯(lián)式納米級微定位工作。該專利公開了一種使工作臺沿X-Y-Z三個方向水平平移的實現(xiàn)方法。此機構(gòu)采用壓電陶瓷驅(qū)動器，并分別采用x、Y、z三個位移放大器，同時各運動工作臺按順序依次連接，使得該工作臺各自由度之間運動無耦合，并可擴大行程。此外，中國專利號200510098315. 5，發(fā)明名稱Χ-Υ-Θ三自由度微動工作臺。該專利公開了一種可使工作臺沿X、Y方向水平平移，并繞Θ向旋轉(zhuǎn)的實現(xiàn)方法。上述兩種工作臺，前者均以軸向平移為主，缺乏旋轉(zhuǎn)自由度；而后者也僅能繞一個軸向旋轉(zhuǎn)。此外，由于該類微動結(jié)構(gòu)多以壓電陶瓷為驅(qū)動器，而壓電陶瓷不能承受過大的彎矩，因此當(dāng)微定位工作臺存在一定彎矩時，可能降低微定位工作臺精度，甚至損壞壓電陶瓷驅(qū)動器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明技術(shù)解決問題針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可實現(xiàn)Z- θ X- Θ y三自由度無耦合運動、亞微米級精度、并可承載一定彎矩的微定位工作臺。本發(fā)明技術(shù)方案是一種Z- θ X- Θ y三自由度抗彎矩高精度工作臺，其特征在于包括壓電陶瓷驅(qū)動器螺釘、壓電陶瓷驅(qū)動器端蓋、壓電陶瓷驅(qū)動器端蓋螺釘、壓電陶瓷驅(qū)動器、圓筒、圓形片工作臺、彈性頂緊機構(gòu)端蓋、彈性頂緊機構(gòu)端蓋螺釘、彈性頂緊機構(gòu)頂絲及彈性頂緊機構(gòu)；其中，在圓形片工作臺的一側(cè)設(shè)有3支壓電陶瓷驅(qū)動器，壓電陶瓷驅(qū)動器為圓周均布，壓電陶瓷驅(qū)動器的工作端與圓形片工作臺緊密接觸；壓電陶瓷驅(qū)動器的固定端通過壓電陶瓷驅(qū)動器螺釘與壓電陶瓷驅(qū)動器端蓋緊密固定；圓形片工作臺的另一側(cè)，與壓電陶瓷驅(qū)動器相對應(yīng)的位置設(shè)有3支彈性頂緊機構(gòu)，每支彈性頂緊機構(gòu)通過彈性頂緊機構(gòu)頂絲定位在彈性頂緊機構(gòu)端蓋上；壓電陶瓷驅(qū)動器端蓋和彈性頂緊機構(gòu)端蓋分別通過壓電陶瓷驅(qū)動器端蓋螺釘和彈性頂緊機構(gòu)端蓋螺釘與外筒緊密固定；圓形片工作臺與圓筒相接觸面為球面，圓形片工作臺與圓筒為微間隙配合。所述圓形片工作臺與圓筒相接觸面為球面,且球面直徑略小于圓筒內(nèi)徑。所述彈性頂緊機構(gòu)為彈簧機構(gòu)、柔性鉸鏈機構(gòu)或彈性片機構(gòu)。
本發(fā)明的原理本發(fā)明以一塊圓形片為工作臺；圓形片置放在一圓筒內(nèi)，并與圓筒微間隙配合；圓形片與圓筒的配合面為球面，可實現(xiàn)圓形片工作臺在圓筒內(nèi)的轉(zhuǎn)動、平移；圓形片工作臺一端面設(shè)置3支圓周均布的壓電陶瓷作為驅(qū)動器；圓形片工作臺另一端面與驅(qū)動器對應(yīng)位置設(shè)有彈性頂緊機構(gòu)，該彈性頂緊機構(gòu)使得圓形片工作臺緊貼壓電陶瓷驅(qū)動器；即實現(xiàn)了以3支壓電陶瓷驅(qū)動器作為3點確定工作臺面的定位。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于(I)本發(fā)明在制造時，圓筒內(nèi)徑根據(jù)圓形片外徑配研，兩者直徑間隙可小于I μ m(半徑間隙可小于O. 5 μ m);同時，圓形片與圓筒的配合面為球面，可在圓筒內(nèi)自由平移、滾動、旋轉(zhuǎn)。(2)本發(fā)明中，工作臺三個自由度的運動與壓電陶瓷驅(qū)動器伸長量構(gòu)成函數(shù)關(guān)系，該函數(shù)關(guān)系滿足解析幾何學(xué)中三點確定一平面的理論，便于對工作臺進行控制。(3)本發(fā)明中，當(dāng)工作臺承受彎矩時，工作臺存在以工作臺與外筒的接觸點為中·心、繞其旋轉(zhuǎn)的趨勢；根據(jù)力學(xué)平衡理論，工作臺兩個端面受到的6個軸向力(3個壓電陶瓷的驅(qū)動力和3個彈性頂緊機構(gòu)的壓力)將以該接觸點為中心，形成防翻的合力矩，保持工作臺的平衡。其中，3支驅(qū)動器不需要承受彎矩，只需承受軸向力，因此該工作臺既可承載一定的彎矩，又避免了壓電陶瓷被彎矩破壞。(4)本發(fā)明中，工作臺面為一塊圓形片，當(dāng)工作臺上的器件需要穿線或光學(xué)貫穿等時，工作臺面也可設(shè)置為一塊圓環(huán)，便于操作和使用；此外，工作臺面可在圓形片基礎(chǔ)上外伸出其它所需結(jié)構(gòu)。


圖1是本發(fā)明的Z- θ X- Θ y三自由度抗彎矩高精度工作臺整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的圓形片工作臺，其中左為主視圖，右為側(cè)視圖；圖3是本發(fā)明的圓形片工作臺運動或定位的幾何模型；圖4是本發(fā)明的抗彎矩示意圖。其中1、壓電陶瓷驅(qū)動器螺釘；2、壓電陶瓷驅(qū)動器端蓋；3、壓電陶瓷驅(qū)動器端蓋螺釘；4壓電陶瓷驅(qū)動器；5、圓筒；6、圓形片工作臺；7、彈性頂緊機構(gòu)端蓋；8、彈性頂緊機構(gòu)端蓋螺釘；9、彈性頂緊機構(gòu)頂絲；10、彈性頂緊機構(gòu)；11、圓形片工作臺錐形坑；12、圓形片工作臺連接螺紋孔；13、圓形片工作臺連接螺釘；14、圓形片工作臺承載物體。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。如圖1所示，本實例包含一塊圓形片工作臺6，在圓形片工作臺6的一側(cè)設(shè)有3支壓電陶瓷驅(qū)動器4。壓電陶瓷驅(qū)動器為圓周均布，其工作端與圓形片工作臺6緊密接觸；其固定端通過壓電陶瓷驅(qū)動器螺釘I與壓電陶瓷驅(qū)動器端蓋2緊定。工作臺的另一側(cè)，與壓電陶瓷驅(qū)動器4相對應(yīng)的位置設(shè)有3支彈性頂緊機構(gòu)10，彈性頂緊機構(gòu)10通過彈性頂緊機構(gòu)頂絲9定位在彈性頂緊機構(gòu)端蓋7上。壓電陶瓷驅(qū)動器端蓋2和彈性頂緊機構(gòu)端蓋7分別通過壓電陶瓷驅(qū)動器端蓋螺釘3和彈性頂緊機構(gòu)端蓋螺釘8與圓筒5緊定。圓形片工作臺6與圓筒5相接觸面為球面，兩者微間隙配合。如圖2所示，圓形片工作臺6正反兩面各有3個圓周均布的圓形片工作臺錐形坑11，用以與壓電陶瓷驅(qū)動器4或頂緊機構(gòu)10定位。圓形片工作臺還設(shè)有6個圓周均布的圓形片工作臺連接螺紋孔12，用于與外界物體相連。圓形片工作臺6與圓筒5相配合的面為球面，其球面直徑略小于圓筒5內(nèi)徑。為了提高本工作臺的精度，本工作臺還可以包括一個計算機，所述的計算機用于輸出電壓信號給3支壓電陶瓷驅(qū)動器4，并控制壓電陶瓷驅(qū)動器4的伸長量。本發(fā)明的工作過程如下如圖1、圖2所示，3支彈性頂緊機構(gòu)10將施加一定的壓緊力，使得圓形片工作臺6與3支壓電陶瓷驅(qū)動器4的頂點緊密接觸；當(dāng)計算機控制3支壓電陶瓷驅(qū)動器4的伸長或縮短時，圓形片工作臺6將隨著與壓電陶瓷驅(qū)動器4的3個接觸點移動。 根據(jù)幾何學(xué)理論，圓形片工作臺6運動規(guī)律如下請參見圖3，圖中1、I1、III為分別為3支均布壓電陶瓷驅(qū)動器4的軸向伸長量，a、b為接觸點的距離，則Z- θ X— Θ y三自由度的變化為
Γ ^ Ι + Π + fflZ =-;
3
. ,21 - (II 十 III )、θχ = tan(----)
2a .
「 ,Π-ΙΙΙΘν = tan(-) >.>
b式中Z —圓形片工作臺6延Z軸方向平移量；θ X —圓形片工作臺6繞X軸方向旋轉(zhuǎn)量；Θ y —圓形片工作臺6繞Y軸方向旋轉(zhuǎn)量。當(dāng)1、I1、111為極小量時，Θ X、Θ y可簡化為
「 ^ Λ 21-(11 + 111)θχ ----;
2α
「 Λ π-1IIOy -。
b請參見圖4，圓形片工作臺承載物體14通過圓形片工作臺連接螺釘13連接在圓形片工作臺6上，當(dāng)圓形片工作臺承載物體14受到重力或外力時，將產(chǎn)生以圓形片工作臺6與圓筒5相接觸點為軸心的彎矩M ；3支壓電陶瓷驅(qū)動器4和3支頂緊機構(gòu)10將產(chǎn)生軸向力，該軸向力將形成以圓形片工作臺6與圓筒5相接觸點為軸心的合力矩，以平衡彎矩M。因此，本發(fā)明可承載一定的彎矩；而壓電陶瓷驅(qū)動器4將不承受彎矩，避免了被彎矩損壞。總之，本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，可實現(xiàn)Z- θ X- Θ y三自由度亞微米級精度的無耦合運動，并可承載一定彎矩載荷。本發(fā)明未詳細闡述部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種Z- Θ X- Θ y三自由度抗彎矩高精度工作臺，其特征在于包括壓電陶瓷驅(qū)動器螺釘(I)、壓電陶瓷驅(qū)動器端蓋(2)、壓電陶瓷驅(qū)動器端蓋螺釘(3)、壓電陶瓷驅(qū)動器(4)、圓筒(5)、圓形片工作臺(6)、彈性頂緊機構(gòu)端蓋(7)、彈性頂緊機構(gòu)端蓋螺釘(8)、彈性頂緊機構(gòu)頂絲(9)及彈性頂緊機構(gòu)(10)；其中，在圓形片工作臺(6)的一側(cè)設(shè)有3支壓電陶瓷驅(qū)動器(4)，壓電陶瓷驅(qū)動器(4)為圓周均布，壓電陶瓷驅(qū)動器(4)的工作端與圓形片工作臺(6)緊密接觸；壓電陶瓷驅(qū)動器(4)的固定端通過壓電陶瓷驅(qū)動器螺釘(I)與壓電陶瓷驅(qū)動器端蓋(2)緊密固定；圓形片工作臺(6)的另一側(cè)，與壓電陶瓷驅(qū)動器(4)相對應(yīng)的位置設(shè)有3支彈性頂緊機構(gòu)(10)，每支彈性頂緊機構(gòu)(10)通過彈性頂緊機構(gòu)頂絲(9)定位在彈性頂緊機構(gòu)端蓋(7)上；壓電陶瓷驅(qū)動器端蓋(2)和彈性頂緊機構(gòu)端蓋(7)分別通過壓電陶瓷驅(qū)動器端蓋螺釘(3)和彈性頂緊機構(gòu)端蓋螺釘(8)與外筒(5)緊密固定；圓形片工作臺(6)與圓筒(5)相接觸面為球面，圓形片工作臺(6)與圓筒(5)為微間隙配合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Z-Θ X- Θ 7三自由度抗彎矩高精度工作臺，其特征在于所述圓形片工作臺(6)與圓筒(5)相接觸面為球面，且球面直徑略小于圓筒(5)內(nèi)徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Z-θ X- Θ y三自由度抗彎矩高精度工作臺，其特征在于所述彈性頂緊機構(gòu)(10)為彈簧機構(gòu)、柔性鉸鏈機構(gòu)或彈性片機構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Z-θ X- Θ y三自由度抗彎矩高精度工作臺，其特征在于為了提高所述Z- θ X- Θ y三自由度抗彎矩高精度工作臺的精度，Z- Θ X- Θ y三自由度抗彎矩高精度還包括一個計算機，所述的計算機用于輸出電壓信號給3支壓電陶瓷驅(qū)動器(4)，并控制壓電陶瓷驅(qū)動器(4)的伸長量。
全文摘要
一種Z-θx-θy三自由度抗彎矩高精度工作臺，包括壓電陶瓷驅(qū)動器螺釘、壓電陶瓷驅(qū)動器端蓋、壓電陶瓷驅(qū)動器端蓋螺釘、壓電陶瓷驅(qū)動器、外筒、工作臺、彈性頂緊機構(gòu)端蓋、彈性頂緊機構(gòu)端蓋螺釘、彈性頂緊機構(gòu)頂絲、彈性頂緊機構(gòu)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，可實現(xiàn)Z-θx-θy三自由度亞微米級精度的無耦合運動，并可承載一定彎矩載荷。
文檔編號G12B9/08GK103000231SQ20121033130
公開日2013年3月27日 申請日期2012年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月10日
發(fā)明者譚大川, 翟嘉, 吳永前, 張燦 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所