專利名稱：16桿二維無(wú)耦合微位移工作臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，涉及ー種無(wú)耦合運(yùn)動(dòng)的柔性鉸鏈工作臺(tái)，具體涉及ー種基于電致伸縮器件和雙層柔性鉸鏈對(duì)稱結(jié)構(gòu)的ニ維無(wú)耦合運(yùn)動(dòng)微位移工作臺(tái)。
背景技術(shù)：
微位移技術(shù)是精密機(jī)械與精密儀器的關(guān)鍵技術(shù)之ー，近年 來(lái)隨著微電子技術(shù)、宇航、生物工程等學(xué)科的發(fā)展而迅速地發(fā)展起來(lái)。微位移工作臺(tái)在微機(jī)電系統(tǒng)、掃描探測(cè)顯微鏡、超精密加工、光學(xué)元件制造以及生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，具有納米級(jí)精度的微位移工作臺(tái)是其核心部件。同時(shí)ニ維微位移工作臺(tái)是研究三維微位移工作臺(tái)的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)ニ維微位移工作臺(tái)，關(guān)鍵是解決運(yùn)動(dòng)耦合問(wèn)題以及運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題，即ニ個(gè)方向的驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)能各自獨(dú)立且能精確定位。目前大多數(shù)ニ維微位移工作臺(tái)采用ー維運(yùn)動(dòng)的垂直疊加或者以串聯(lián)嵌套式結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)ニ維運(yùn)動(dòng)，但是這種微位移工作臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，不便于工作臺(tái)的微型化，而且會(huì)產(chǎn)生累積誤差影響工作臺(tái)的精度。同時(shí)現(xiàn)有ニ維微位移工作臺(tái)未考慮結(jié)構(gòu)剛度對(duì)微位移系統(tǒng)行程及運(yùn)動(dòng)精度的影響。因此，為克服以上缺點(diǎn)，研制具有高精度、無(wú)耦合、定位精確、剛度適用的對(duì)稱整體式ニ維微位移工作臺(tái)對(duì)于實(shí)際應(yīng)用具有較大的意義。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有ニ維微位移工作臺(tái)存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，不便于工作臺(tái)的微型化的問(wèn)題，本發(fā)明提供ー種16桿ニ維無(wú)耦合微位移工作臺(tái)。本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題可以采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)
16桿ニ維無(wú)耦合微位移工作臺(tái)包括基板1，基板I中部設(shè)有貫通的空腔，所述空腔中部設(shè)有工作臺(tái)6，工作臺(tái)6的周邊分別均布連接著八根內(nèi)層柔性鉸鏈桿5的一端，且兩根內(nèi)層柔性鉸鏈桿5并列組成一組，共組成四組，每組兩根內(nèi)層柔性鉸鏈桿5的另一端分別連接著驅(qū)動(dòng)支座3的內(nèi)端，且其中兩組內(nèi)層柔性鉸鏈桿5沿X方向?qū)ΨQ分布，另兩組內(nèi)層柔性鉸鏈桿5沿Y方向?qū)ΨQ分布；每個(gè)驅(qū)動(dòng)支座3的兩側(cè)分別連接著外層柔性鉸鏈桿2的一端，兩側(cè)的外層柔性鉸鏈桿2的另一端分別連接著基板I上空腔的側(cè)壁，兩側(cè)的外層柔性鉸鏈桿2在同一直線上，且垂直于驅(qū)動(dòng)支座3內(nèi)端的ー組內(nèi)層柔性鉸鏈桿5 ;與每個(gè)驅(qū)動(dòng)支座3外端對(duì)應(yīng)的所述空腔的側(cè)壁上分別設(shè)有凹槽7，所述空腔的側(cè)壁上共有四個(gè)凹槽7，其中相鄰的兩個(gè)凹槽7內(nèi)分別設(shè)有電致伸縮器件4，電致伸縮器件4的一端與驅(qū)動(dòng)支座3的外端接觸，另一端與凹槽7的側(cè)壁接觸。所述工作臺(tái)6為正方形板狀，每ー側(cè)邊中部分別連接著兩根并列的內(nèi)層柔性鉸鏈桿5的一端。所述驅(qū)動(dòng)支座3為矩形板狀，其內(nèi)側(cè)面與一組兩根內(nèi)層柔性鉸鏈桿5的另一端連接，兩側(cè)面分別連接著外層柔性鉸鏈桿2的一端，外側(cè)面與所述空腔的凹槽7對(duì)應(yīng)。所述電致伸縮器件4型號(hào)為PAS005或PAS020，行程20 μ m ;或者型號(hào)為PAS009、或 PAS040，行程 40μπι。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益技術(shù)效果體現(xiàn)在以下方面
1、本發(fā)明工作臺(tái)采用16根柔性鉸鏈桿形成雙層柔性鉸鏈桿對(duì)稱一體化結(jié)構(gòu)，依靠外層柔性鉸鏈桿與內(nèi)層柔性鉸鏈桿的無(wú)耦合運(yùn)動(dòng)特性、剛度特性、工作臺(tái)整體無(wú)裝配結(jié)構(gòu)特性，可消除耦合運(yùn)動(dòng)，提高精度，具有無(wú)間隙、無(wú)摩擦、靈敏度高的特點(diǎn)，同時(shí)由于連接工作臺(tái)和驅(qū)動(dòng)支座的內(nèi)層柔性鉸鏈桿每ー組由2根相互平行的柔性鉸鏈桿構(gòu)成，因此內(nèi)層剛度較好、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，因而適用于大行程、中載、定位精度較高的微位移系統(tǒng)；
2、本發(fā)明工作臺(tái)以電致伸縮器件作為驅(qū)動(dòng)元件，可實(shí)現(xiàn)ー維或者ニ維無(wú)耦合微位移運(yùn)動(dòng)，輸出位移與輸入位移成線性關(guān)系。由于兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)之間無(wú)耦合，相互獨(dú)立，且電致伸縮器件不隨工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，從而提高了工作臺(tái)的定位精度，便于控制；
3、本發(fā)明工作臺(tái)整體可采用線切割加工方法一次切割完成，無(wú)裝配元件，消除了由于裝配而產(chǎn)生的誤差，具有較高的精度；
4、本發(fā)明工作臺(tái)結(jié)構(gòu)緊湊，便于微型化。


圖I為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖I的俯視圖。圖3為X、Y方向機(jī)構(gòu)變形示意簡(jiǎn)圖。上圖中序號(hào)基板I、外層柔性鉸鏈桿2、驅(qū)動(dòng)支座3、電致伸縮器件4、內(nèi)層柔性鉸鏈桿5、工作臺(tái)6、凹槽7。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)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。參見圖I和圖2，16桿ニ維無(wú)耦合微位移工作臺(tái)包括基板1，基板I中部設(shè)有貫通的空腔，空腔中部設(shè)有工作臺(tái)6，工作臺(tái)6為正方形板狀，工作臺(tái)6的周邊分別均布連接著八根內(nèi)層柔性鉸鏈桿5的一端，每ー側(cè)邊中部分別連接著兩根并列的內(nèi)層柔性鉸鏈桿5的一端，兩根并列內(nèi)層柔性鉸鏈桿5組成ー組，共組成四組。每組兩根內(nèi)層柔性鉸鏈桿5的另一端分別連接著驅(qū)動(dòng)支座3的內(nèi)端，且其中兩組內(nèi)層柔性鉸鏈桿5沿X方向?qū)ΨQ分布，另兩組內(nèi)層柔性鉸鏈桿5沿Y方向?qū)ΨQ分布。驅(qū)動(dòng)支座3為矩形板狀，每個(gè)驅(qū)動(dòng)支座3的兩側(cè)面分別連接著外層柔性鉸鏈桿2的一端，兩側(cè)的外層柔性鉸鏈桿2的另一端分別連接著基板I上空腔的側(cè)壁，兩側(cè)的外層柔性鉸鏈桿2在同一直線上，且垂直于驅(qū)動(dòng)支座3內(nèi)端的一組內(nèi)層柔性鉸鏈桿5 ;與每個(gè)驅(qū)動(dòng)支座3外端面對(duì)應(yīng)的所述空腔的側(cè)壁上分別設(shè)有凹槽7，所述空腔的側(cè)壁上共有四個(gè)凹槽7，其中相鄰的兩個(gè)凹槽7內(nèi)分別設(shè)有電致伸縮器件4，電致伸縮器件4的一端與驅(qū)動(dòng)支座3的外端接觸，另一端與凹槽7的側(cè)壁接觸。電致伸縮器件4為Thorlabs公司生產(chǎn)的20 μ m行程PAS020驅(qū)動(dòng)器(根據(jù)凹槽7深度和工作臺(tái)最大行程要求可以選擇20 μ m行程PAS005驅(qū)動(dòng)器，或者40 μ m行程PAS009驅(qū)動(dòng)器或PAS040驅(qū)動(dòng)器)，且不隨工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。上述機(jī)構(gòu)(電致伸縮器件除外)是在基板上用線切割方法一次裝夾加工出來(lái)的整體式無(wú)裝配對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所有的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)都由柔性鉸鏈構(gòu)成。
本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)ー維或者ニ維無(wú)耦合運(yùn)動(dòng)，本實(shí)施例通過(guò)以下方式進(jìn)行工作
ー維運(yùn)動(dòng)時(shí)以輸出X方向運(yùn)動(dòng)為例，電致伸縮器件4施加カ于X方向，驅(qū)動(dòng)X+方向的
驅(qū)動(dòng)支座3向X-方向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)X方向的兩組內(nèi)層柔性鉸鏈桿5與工作臺(tái)6同時(shí)向X-方向運(yùn)動(dòng)，Y方向的兩組外層柔性鉸鏈桿2在X-方向外力作用下也同時(shí)向X-方向運(yùn)動(dòng)，由于內(nèi)、外層柔性鉸鏈桿均采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在Y方向的位移相互抵消，因此工作臺(tái)6在向X —方向位移吋，不存在Y方向的耦合運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了 X方向的無(wú)耦合微位移輸出。由于本發(fā)明采用整體對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此Y方向的一維運(yùn)動(dòng)與X方向的一維運(yùn)動(dòng)一祥，不存在耦合現(xiàn)象。ニ維運(yùn)動(dòng)時(shí)，如圖3所示，以輸出Χ-、Υ_方向運(yùn)動(dòng)為例，Χ+、Υ+位置的電致伸縮器件4分別施加カ于X-方向和Y-方向，驅(qū)動(dòng)X+方向和Y+方向的驅(qū)動(dòng)支座3同時(shí)向X-方向和Y-方向運(yùn)動(dòng)。由于采用整體對(duì)稱結(jié)構(gòu)，X+位置的電致伸縮器件使X方向的兩組內(nèi)層柔性鉸鏈桿和Y方向的兩組外層柔性鉸鏈桿向X-方向平移ー個(gè)微小位移，而X方向的兩組外層柔性鉸鏈桿保持不動(dòng)；同理，Y+位置的電致伸縮器件使Y方向的兩組內(nèi)層柔性鉸鏈桿和X方向的兩組外層柔性鉸鏈桿向Y-方向平移ー個(gè)微小位移，而Y方向的兩組外層柔性鉸鏈 桿保持不動(dòng)；從而使X方向上的驅(qū)動(dòng)支座與工作臺(tái)6沒有沿Y方向的相對(duì)移動(dòng)，Y方向上的驅(qū)動(dòng)支座與工作臺(tái)6沒有沿X方向的相對(duì)移動(dòng)，工作臺(tái)在Χ、Υ兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，互不干渉，解決了運(yùn)動(dòng)耦合問(wèn)題。保證了工作臺(tái)的精確度，實(shí)現(xiàn)了工作臺(tái)的ニ維無(wú)耦合微位移運(yùn)動(dòng)。
權(quán)利要求
1.16桿ニ維無(wú)耦合微位移工作臺(tái)，包括基板(1)，其特征在于所述基板(I)中部設(shè)有貫通的空腔，所述空腔中部設(shè)有工作臺(tái)(6)，工作臺(tái)(6)的周邊分別均布連接著八根內(nèi)層柔性鉸鏈桿(5)的一端，且兩根內(nèi)層柔性鉸鏈桿(5)并列組成ー組，共組成四組，每組兩根內(nèi)層柔性鉸鏈桿(5)的另一端分別連接著驅(qū)動(dòng)支座(3)的內(nèi)端，且其中兩組內(nèi)層柔性鉸鏈桿(5)沿X方向?qū)ΨQ分布，另兩組內(nèi)層柔性鉸鏈桿(5)沿Y方向?qū)ΨQ分布；每個(gè)驅(qū)動(dòng)支座(3)的兩側(cè)分別連接著外層柔性鉸鏈桿(2)的一端，兩側(cè)的外層柔性鉸鏈桿(2)的另一端分別連接著基板(I)上空腔的側(cè)壁，兩側(cè)的外層柔性鉸鏈桿(2)在同一直線上，且垂直于驅(qū)動(dòng)支座(3)內(nèi)端的ー組內(nèi)層柔性鉸鏈桿(5);與每個(gè)驅(qū)動(dòng)支座(3)外端對(duì)應(yīng)的所述空腔的側(cè)壁上分別設(shè)有凹槽(7)，所述空腔的側(cè)壁上共有四個(gè)凹槽(7)，其中相鄰的兩個(gè)凹槽(7)內(nèi)分別設(shè)有電致伸縮器件(4)，電致伸縮器件(4)的一端與驅(qū)動(dòng)支座(3)的外端接觸，另一端與凹槽(7)的側(cè)壁接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的16桿ニ維無(wú)耦合微位移工作臺(tái)，其特征在于所述工作臺(tái)(6)為正方形板狀，每ー側(cè)邊中部分別連接著兩根并列的內(nèi)層柔性鉸鏈桿(5)的一端。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的16桿ニ維無(wú)耦合微位移工作臺(tái)，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)支座(3)為矩形板狀，其內(nèi)側(cè)面與一組兩根內(nèi)層柔性鉸鏈桿(5)的另一端連接，兩側(cè)面分別連接著外層柔性鉸鏈桿(2)的一端，外側(cè)面與所述空腔的凹槽(7)對(duì)應(yīng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的16桿ニ維無(wú)耦合微位移工作臺(tái)，其特征在于所述電致伸縮器件(4)型號(hào)為PAS005或PAS020，行程20 μ m ;或者型號(hào)為PAS009、或PAS040，行程40 μ m。
全文摘要
本發(fā)明涉及16桿二維無(wú)耦合微位移工作臺(tái)。該工作臺(tái)包括基板、外層柔性鉸鏈桿、驅(qū)動(dòng)支座、電致伸縮器件、內(nèi)層柔性鉸鏈桿、工作臺(tái)，四組均布的內(nèi)層柔性鉸鏈桿一端連接工作臺(tái)，另一端連接驅(qū)動(dòng)支座，驅(qū)動(dòng)支座通過(guò)外層柔性鉸鏈桿連接到基板上，驅(qū)動(dòng)支座與基板凹槽之間設(shè)有電致伸縮器件，電致伸縮器件的一端頂在驅(qū)動(dòng)支座的外端，另一端頂緊凹槽的側(cè)壁。本發(fā)明采用16根柔性鉸鏈桿形成雙層柔性鉸鏈桿對(duì)稱一體化結(jié)構(gòu)，整體采用線切割加工方法一次切割完成，無(wú)裝配元件，可實(shí)現(xiàn)輸出位移與輸入位移成正比的獨(dú)立、無(wú)耦合一維或者二維運(yùn)動(dòng)，具有分辨率高、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，適用于大行程、中載、定位精度較高的微機(jī)電系統(tǒng)、掃描探測(cè)顯微鏡、超精密加工等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G12B3/00GK102664045SQ20121015225
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月17日
發(fā)明者張海巖, 沈健, 陳東 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)