專利名稱：一種Z-θx-θy三自由度納米級(jí)精度兩體式工作臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種精密機(jī)械技術(shù)中微驅(qū)動(dòng)和微定位的工作臺(tái)機(jī)構(gòu)，具體涉及一種Z- Θ X- Θ y三自由度納米級(jí)精度的無稱合運(yùn)動(dòng)或定位工作臺(tái)，該機(jī)構(gòu)采用柔性結(jié)構(gòu)與工作臺(tái)兩體式結(jié)構(gòu)；具有良好的加工工藝性；可用于光學(xué)儀器、精密測(cè)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(cè)領(lǐng)域(如掃描探針式顯微鏡、納米變形與位移檢測(cè)器)、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域(如細(xì)胞內(nèi)藥物注射、神經(jīng)手術(shù))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(dòng)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(shí)現(xiàn)微定位。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利號(hào)200810038553. 0，發(fā)明名稱X-Y-Z三自由度串聯(lián)式納米級(jí)微定位工作。該專利公開了一種使工作臺(tái)沿X-Y-Z三個(gè)方向水平平移的實(shí)現(xiàn)方法。此機(jī)構(gòu)采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，并分別采用x、Y、z三個(gè)位移放大器，同時(shí)各運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)按順序依次連接，使得該工作臺(tái)各自由度之間運(yùn)動(dòng)無耦合，并可擴(kuò)大行程。此外，中國專利號(hào)200510098315. 5，發(fā)明名稱Χ-Υ-Θ三自由度微動(dòng)工作臺(tái)。該專利公開了一種可使工作臺(tái)沿X、Y方向水平平移，并繞Θ向旋轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)方法。上述兩種工作臺(tái)，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(gè)軸向旋轉(zhuǎn)。此外，該類工作臺(tái)與柔性結(jié)構(gòu)為一體式，其加工難度大；并且著力點(diǎn)固定，容易產(chǎn)生有害力矩，導(dǎo)致工作臺(tái)變形。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明技術(shù)解決問題針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可實(shí)現(xiàn)Z- θ X- Θ y三自由度無耦合高速運(yùn)動(dòng)或定位、納米級(jí)精度、具有良好工藝性，工作臺(tái)面變形度低的工作臺(tái)。本發(fā)明技術(shù)解決方案一種Z-Qx-QyHg由度納米級(jí)精度兩體式工作臺(tái)，包括壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器螺釘、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器端蓋、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器端蓋螺釘、外筒、柔性鉸鏈與外筒螺釘、柔性鉸鏈、柔性鉸鏈與工作臺(tái)螺釘、工作臺(tái)；其中，工作臺(tái)一面圓周均布三支柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)，并通過柔性鉸鏈與工作臺(tái)螺釘使柔性鉸鏈與工作臺(tái)相連接；柔性鉸鏈通過柔性鉸鏈與外筒螺釘與外筒相連接；工作臺(tái)另一面圓周均布三支壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器與工作臺(tái)接觸位置對(duì)應(yīng)于柔性鉸鏈與工作臺(tái)連接處；壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器通過壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器螺釘將其固定在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器端蓋上；通過壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器端蓋螺釘，將端蓋固定在外筒上。本發(fā)明的原理本發(fā)明以壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)器；三支柔性鉸鏈圓周均布與工作臺(tái)螺釘連接，且連接位置與壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器相對(duì)應(yīng)；當(dāng)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器伸長時(shí)，將引起柔性鉸鏈變形，帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)或定位。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(I)本發(fā)明中，柔性鉸鏈與工作臺(tái)采用兩體式結(jié)構(gòu)，可分開加工，具有良好的加工工藝性；(2)本發(fā)明中，柔性鉸鏈與工作臺(tái)采用兩體式結(jié)構(gòu)，二者可采用不同的材料，可單獨(dú)提升或降低某部件剛度；(3)本發(fā)明中，柔性鉸鏈與工作臺(tái)采用兩體式結(jié)構(gòu)，可按需更換柔性鉸鏈，以獲得不同性能的運(yùn)動(dòng)或定位性能；(4)本發(fā)明中，柔性鉸鏈與工作臺(tái)采用兩體式結(jié)構(gòu)，柔性鉸鏈與工作臺(tái)的連接點(diǎn)可按需設(shè)計(jì)，以防止有害力矩。


圖Ia是本發(fā)明的Z- θ X- Θ y三自由度納米級(jí)精度兩體式工作臺(tái)的主視圖；圖Ib是本發(fā)明的Z- θ X- Θ y三自由度納米級(jí)精度兩體式工作臺(tái)的側(cè)視圖；圖2是本發(fā)明的工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)或定位的幾何模型；圖3a是本發(fā)明的工作原理簡(jiǎn)圖；圖3b是本發(fā)明的軸向力學(xué)原理圖；圖4a是傳統(tǒng)一體式工作臺(tái)的主視圖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；圖4b是傳統(tǒng)一體式工作臺(tái)的工作原理簡(jiǎn)圖；圖4c是傳統(tǒng)一體式工作臺(tái)的軸向力學(xué)原理圖；其中1、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器；2、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器螺釘；3、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器端蓋；4、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器端蓋螺釘；5、外筒；6、柔性鉸鏈與外筒螺釘；7、柔性鉸鏈；8、柔性鉸鏈與工作臺(tái)螺釘；9、工作臺(tái)。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(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程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。如圖Ia和圖Ib所示，本發(fā)明實(shí)例包括壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器I、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器螺釘
2、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器端蓋3、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器端蓋螺釘4、外筒5、柔性鉸鏈與外筒螺釘6、柔性鉸鏈7、柔性鉸鏈與工作臺(tái)螺釘8和工作臺(tái)9 ;其中，工作臺(tái)9 一面圓周均布三支柔性鉸鏈7，并通過柔性鉸鏈與工作臺(tái)螺釘8使柔性鉸鏈7與工作臺(tái)9相連接；柔性鉸鏈7通過柔性鉸鏈與外筒螺釘6與外筒5相連接；在工作臺(tái)9另一面圓周均布三支壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器I作為驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)或定位的機(jī)構(gòu)，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器I與工作臺(tái)9接觸位置對(duì)應(yīng)于柔性鉸鏈7與工作臺(tái)9連接處；壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器I通過壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器螺釘2將其固定在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器端蓋3上；通過壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器端蓋螺釘4，將端蓋固定在外筒5上。本發(fā)明的工作過程如下請(qǐng)參見圖Ia和圖Ib，三支柔性鉸鏈7將施加一定的預(yù)緊力，使得工作臺(tái)9與三支壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器I的頂點(diǎn)緊密接觸；當(dāng)計(jì)算機(jī)控制三支壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器I的伸長或縮短時(shí)，工作臺(tái)9將隨著與壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器I的三個(gè)接觸點(diǎn)移動(dòng)。
根據(jù)幾何學(xué)理論，工作臺(tái)9運(yùn)動(dòng)規(guī)律如下請(qǐng)參見圖2，圖中I、II、III分別為三支均布?jí)弘娞沾沈?qū)動(dòng)器I的軸向伸長量，a、b
為接觸點(diǎn)的距離，則Z- θ X — - Θ y三自由度的變化為
權(quán)利要求
1.一種Z- 0 X- 0 y三自由度納米級(jí)精度兩體式工作臺(tái)，其特征在于包括壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(I)、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器螺釘(2)、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器端蓋(3)、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器端蓋螺釘(4 )、外筒(5 )、柔性鉸鏈與外筒螺釘(6 )、柔性鉸鏈(J)、柔性鉸鏈與工作臺(tái)螺釘(8 )、工作臺(tái)(9);所述柔性鉸鏈(7)與工作臺(tái)(9)采用兩體式結(jié)構(gòu)，可分開加工； 其中，工作臺(tái)(9) 一面圓周均布三支柔性鉸鏈(7)，并通過柔性鉸鏈與工作臺(tái)螺釘(8)使柔性鉸鏈(7)與工作臺(tái)(9)相連接；柔性鉸鏈(7)通過柔性鉸鏈與外筒螺釘(6)與外筒(5)相連接；工作臺(tái)(9)另一面圓周均布三支壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(1)，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(I)與工作臺(tái)(9)接觸位置對(duì)應(yīng)于柔性鉸鏈(7)與工作臺(tái)(9)連接處；壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(I)通過壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器螺釘(2)將其固定在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器端蓋(3)上；通過壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器端蓋螺釘(4)，將端蓋固定在外筒(5)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的Z-0 X- 0 y三自由度納米級(jí)精度兩體式工作臺(tái)，其特征在于所述柔性鉸鏈(7)與工作臺(tái)(9)采用兩體式結(jié)構(gòu)時(shí)能夠采用不同的材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的Z-0 X- 0 y三自由度納米級(jí)精度兩體式工作臺(tái)，其特征在于所述柔性鉸鏈(7)與工作臺(tái)(9)采用兩體式結(jié)構(gòu)時(shí)，其中柔性鉸鏈(7)能夠按需更換柔性鉸鏈，以獲得不同性能的運(yùn)動(dòng)或定位性能。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的Z-0 X- 0 y三自由度納米級(jí)精度兩體式工作臺(tái)，其特征在于所述柔性鉸鏈(7)與工作臺(tái)(9)采用兩體式結(jié)構(gòu)時(shí)，其中柔性鉸鏈(7)與工作臺(tái)(9)的連接點(diǎn)能夠按需設(shè)計(jì)，以防止有害力矩。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種Z-θx-θy三自由度納米級(jí)精度兩體式工作臺(tái)，包括壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器螺釘、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器端蓋、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器端蓋螺釘、外筒、柔性鉸鏈與外筒螺釘、柔性鉸鏈、柔性鉸鏈與工作臺(tái)螺釘、工作臺(tái)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，可實(shí)現(xiàn)Z-θx-θy三自由度納米級(jí)精度的無耦合運(yùn)動(dòng)或定位，由于采用了柔性機(jī)構(gòu)與工作臺(tái)兩體式的結(jié)構(gòu)，使得加工工藝性更好；且二者可采用不同的材料，以加強(qiáng)或降低某部分剛度；此外，柔性機(jī)構(gòu)對(duì)工作臺(tái)的著力點(diǎn)可按需設(shè)計(jì)，防止有害力矩產(chǎn)生。
文檔編號(hào)G12B5/00GK102969031SQ20121053264
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月12日
發(fā)明者翟嘉, 譚大川, 吳永前, 張燦 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所