CN101286369B - X-y-z三自由度串联式纳米级微定位工作台 - Google Patents

X-y-z三自由度串联式纳米级微定位工作台 Download PDF

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一种X-Y-Z三自由度串联式纳米级微定位工作台,包括:基座、运动平台、X向位移放大器、Y向位移放大器、Z向位移放大器,所述基座、Z向位移放大器、Y向位移放大器、X向位移放大器、动平台依次连接,形成串联结构,各个自由度之间分别控制位移,其中X向位移放大器和Y向位移放大器结构相同。本发明结构紧凑,输出行程范围大,运动平台上的一点可以到达行程范围内的任意一点,可运用于各种有严格的空间限制,较大的位移需求的场合。

Description

X-Y-Z三自由度串联式纳米级微定位工作台
技术领域
本发明涉及一种微机械技术中微定位和微操作的工作台机构,具体涉及一种X-Y-Z三自由度串联式纳米级微定位平台,可应用于电子器件制造、生物医学、精密测量等领域。
背景技术
微定位、微操作技术是微机电***(MEMS)技术重要的研究内容,它能为纳米测量、纳米操作、纳米装配提供必要的技术和设备。目前已经有许多微定位工作台,大多都是用压电陶瓷(PZT)作为驱动器,压电陶瓷具有刚度大,输出推力大,频响快,位移分辨率和精度高等许多优点,但单位长度输出位移小,所以由其驱动的工作台行程通常也很小;多自由度工作台的自由度之间有耦合,造成控制复杂;工作台结构不够紧凑,尺寸太大,整个工作台需要占用较大的空间。
经对现有技术的文献检索发现,中国专利号:200420103170.4名称:一种平面三自由度精密定位平台。该专利公开了一种三自由度精密定位平台的实现方法。此机构包括三个位移放大机构及其三个位移传感器沿输出平台中心向外呈120度角分布,在一个平面内运动。由于此专利只设计了一级放大,并且三个柔性机构放在同一平面中,行程很小。它采用并联结构,三个自由度间有耦合。此外,中国专利号:01202336.1.名称:三自由度超精密自动定位平台,该专利中也采用了三个一级位移放大机构,三个机构采用并联结构,输出运动方向均为竖直方向。所述两种定位平台中,前者只有水平方向的运动自由度,后者只有竖直方向的自由度,受此限制下运动平台上一点不能够到达空间任意位置,此外三自由度并联耦合也给控制带来了困难。
发明内容
本发明针对现有技术的不足,提供了一种X-Y-Z三自由度串联式纳米级微定位工作台,设计了两种多级放大机构,都可以实现小体积内的较大放大倍数,三个自由度形成串联结构,没有耦合。本发明结构紧凑,输出行程范围大,运动平台上的一点可以到达行程范围内的任意一点,可运用于各种有严格的空间限制,较大的位移需求的场合。
本发明是通过以下技术方案实现的:
本发明包括:基座、运动平台、X向位移放大器、Y向位移放大器、Z向位移放大器。这里X、Y、Z指的是笛卡尔直角坐标系的三个坐标轴方向。基座、Z向位移放大器、Y向位移放大器、X向位移放大器、动平台按顺序依次连接,形成串联结构,各个自由度之间无耦合,可以分别控制位移,控制过程简易。运动平台的输出位移为各个位移放大器的位移矢量和。
所述X向位移放大器和Y向位移放大器结构相同,均包括:四根刚性直杆联接成的矩形结构框架、矩形内部的两根刚性直杆、一个压电陶瓷驱动器、一个微调螺钉。组成矩形结构框架的刚性直杆作为这个矩形的四条边,相邻边以柔性铰链联接。其中一条长边作为本方向位移放大器的固定边,其对边作为运动输出边。固定边向矩形内部伸出一L字形的刚架,此刚架与矩形固定边为同一个刚体。刚架和固定边之间的空间容纳压电陶瓷驱动器。压电陶瓷驱动器的后端面被从刚架的螺纹孔旋入的微调螺钉顶住,前端面顶住矩形结构框架内部的一根刚性直杆中间部位的弧形顶尖,此刚性直杆作为本方向的第一级位移放大,其一端用柔性铰链和矩形固定边联接,另一端用柔性铰链与矩形结构框架内的另一根刚性直杆的中间部位联接,此受联接的刚性直杆作为本方向的第二级位移放大,其一端用柔性铰链与L字形刚架的端部联接,另一端用柔性铰链和矩形固定边的一条邻边联接。此邻边作为本方向的第三级位移放大。
所述Z向位移放大器包括:四根刚性直杆联接成的矩形结构框架、一个直角三角形构件、一个陶瓷驱动器、一个微调螺钉。组成矩形结构框架的刚性直杆作为这个矩形的四条边,相邻边以柔性铰链联接。其中一条短边作为本方向位移放大器的固定边,其对边作为运动输出边。固定边向矩形内部伸出一倒∏形的刚架,此刚架与矩形固定边为同一个刚体。倒∏形刚架里面的空间容纳压电陶瓷驱动器。压电陶瓷驱动器的后端面被从刚架的螺纹孔旋入的微调螺钉顶住,前端面顶住三角形构件一条直角边的中间部位的弧形顶尖。此刚性直角三角形构件作为本方向的第一级位移放大,其直角顶点与刚架的端部以柔性铰链联接,它的另一条直角边的端部和矩形固定边的一条邻边以柔性铰链联接。此邻边作为本方向的第二级位移放大。
X向位移放大器和Y向位移放大器运动时:矩形框水平放置。矩形框内的与压电陶瓷驱动器接触的刚性直杆以它和矩形固定边的联接柔铰作为支点,压电陶瓷驱动器推动时这根刚性直杆围绕支点转动,从而推动矩形内部的另一根刚性直杆,此受推动的刚性直杆以它和支撑梁的联接柔铰作为支点,受推动时围绕这个支点转动,从而推动与它联接的矩形短边。此矩形短边以其和固定边的联接柔铰作为支点,受到推动时围绕此支点转动,从而带动矩形运动输出边做平行于固定边的运动。X向位移放大器和Y向位移放大器都是三级位移放大。
Z向位移放大器运动时:矩形框竖直放置,固定边和运动输出边处于竖直方向。直角三角形以直角处的柔铰作为支点,压电陶瓷驱动器推动一条直角边,使三角形绕支点转动,另一条直角边向上运动,推动运动固定边的一条邻边。这条邻边以其和固定边的联接柔铰作为支点,受直角三角形推动时围绕此支点转动,从而带动矩形运动输出边作竖直方向运动。Z向位移放大器是两级位移放大。
所述放大机构的转动副均使用结构紧凑、无机械摩擦、无间隙的柔性铰链副,设计上应确保所有柔性铰链运动副主要受力为拉力,避免过大的剪切变形以确保放大机构的刚度足够高。
各个方向的位移放大器均使用相同的层叠压电陶瓷驱动器驱动,驱动器后端被一微调螺钉顶住,微调螺钉作用是调节松紧度,施加预应力,调节运动平台初位移。
与现有技术相比,本发明的特点是:多级位移放大,在很小的体积内(可小于45×45×44mm)能完成很大的行程输出(可大于100×100×100μm);所有转动副采用柔性铰链,无机械摩擦;自由度之间无耦合;采用压电陶瓷驱动器,分辨率高(纳米级)。
附图说明
图1为X-Y-Z三自由度串联式纳米级微定位工作台的立体视图;
图2为Z向位移放大器的左视图;
图3为Y向位移放大器的俯视图;
图4为X向位移放大器的立体视图;
其中:1-基座;2-Z向位移放大器;3-Y向位移放大器;4-X向位移放大器;5-运动平台;6-第一刚性直杆,7-第二刚性直杆,8-第三刚性直杆,13-第四刚性直杆,14-第五刚性直杆,15-第六刚性直杆,17-第七刚性直杆,20-第八刚性直杆,21-第九刚性直杆,22-第十刚性直杆,23-第十一刚性直杆,25-第十二刚性直杆,28-第十三刚性直杆,29-第十四刚性直杆,30-第十五刚性直杆,31-第十六刚性直杆;12-倒∏形刚架;18-第一L字形刚架;26-第二L字形刚架;9-直角三角形构件;10-第一压电陶瓷驱动器;19-第二压电陶瓷驱动器,27-第三压电陶瓷驱动器;11-Z向微调螺钉;16-Y向微调螺钉;24-X向微调螺钉。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示,本实施例包括基座1,Z向位移放大器2,Y向位移放大器3,X向位移放大器4,运动平台5,以上各部分按顺序依次连接,形成串联结构。
如图2,Z向位移放大器2包括:第一刚性直杆6、第二刚性直杆7、第三刚性直杆8、第四刚性直杆13联接成的矩形结构框架,从第一刚性直杆6伸出的倒∏形刚架12,直角三角形构件9,第一陶瓷驱动器10,一个微调螺钉11。第一刚性直杆6为固定部件(固定在基座1上),第四刚性直杆13为运动输出部件。Z向位移放大器2采用两级放大,第一级为直角三角形构件9,直角处柔性铰链为转动支点;第二级为第三刚性直杆8,其转动支点为第三刚性直杆8和第一刚性直杆6联接的柔性铰链。第一压电陶瓷驱动器10的前端面与直角三角形构件9线接触,Z向微调螺钉11从倒∏形刚架12的螺纹孔旋入,顶住第一压电陶瓷驱动器10的后端面。
如图3,Y向位移放大器3包括:由第五刚性直杆14、第六刚性直杆15、第七刚性直杆17、第十刚性直杆22联接成的矩形结构框架,从第五刚性直杆14伸出的第一L字形刚架18,矩形内部的第八刚性直杆20、第九刚性直杆21,第二压电陶瓷驱动器19、Y向微调螺钉16。第七刚性直杆17为固定部件(固定在Z向位移放大器2的运动输出边13上),第六刚性直杆15为运动输出部件。Y向位移放大器3采用三级放大机构:第八刚性直杆20、第九刚性直杆21、第十刚性直杆22,它们平行排列,相邻放大级的刚性直杆用柔性铰链-杆-柔性铰链结构联接。这些刚性直杆的一端为柔性铰链转动副结构,作为转动支点。这些放大刚性直杆的支点柔性铰链横向布置,避免竖直向布置时柔性铰链剪切变形过大而降低位移放大器的刚性。Y向微调螺钉16从第一L字形刚架18的螺纹孔旋入,顶住第二压电陶瓷驱动器19的后端面。
如图4,X向位移放大器4包括:由第十一刚性直杆23、第十二刚性直杆25、第十三刚性直杆25、第十六刚性直杆31联接成的矩形结构框架,从第十二刚性直杆25伸出的第二L字形刚架26,矩形内部的第十四刚性直杆29、第十五刚性直杆30,一个压电陶瓷驱动器27、一个微调螺钉24。第十二刚性直杆25为固定部件(固定在Y向位移放大器3的运动输出边15上),第十三刚性直杆25为运动输出部件。X向位移放大器4采用三级放大机构:第十四刚性直杆29、第十五刚性直杆30、第十六刚性直杆31,它们平行排列,相邻放大级的刚性直杆用柔性铰链-杆-柔性铰链结构联接。这些刚性直杆的一端为柔性铰链转动副结构,作为转动支点。这些放大刚性直杆的支点柔性铰链横向布置,避免竖直向布置时柔性铰链剪切变形过大而降低位移放大器的刚性。微调螺钉24从第二L字形刚架26的螺纹孔旋入,顶住第三压电陶瓷驱动器27的后端面。
串联联接:Z向位移放大器2的第一刚性直杆6用螺钉固定于基座1上,Y向位移放大器3的第七刚性直杆17用螺钉固定于Z向位移放大器2的第四刚性直杆13上,X向位移放大器4的第十二刚性直杆25用螺钉固定于Y向位移放大器3的第六刚性直杆15上,运动平台5用螺钉固定于X向位移放大器4的第十三刚性直杆25上。
工作时,如果给X向位移放大器4的第三压电陶瓷驱动器27加驱动电压,第三压电陶瓷驱动器27伸长,伸长量经过三级放大后,使X向位移放大器4的第十三刚性直杆25相对于第十二刚性直杆25作X方向平移运动,从而带动运动平台5作X方向运动;如果给Y向位移放大器3的第二压电陶瓷驱动器19加驱动电压,第二压电陶瓷驱动器19伸长,伸长量经过三级放大后,使Y向位移放大器3的第六刚性直杆15相对于第七刚性直杆17作Y方向平移运动,从而带动运动X向位移放大器4和运动平台5作Y方向运动;如果给Z向位移放大器2的第一压电陶瓷驱动器10加驱动电压,第一压电陶瓷驱动器10伸长,伸长量经过两级放大机构后,使Z向位移放大器4的第四刚性直杆13相对于第一刚性直杆6作Z方向平移运动,从而带动Y向位移放大器3、X向位移放大器4和运动平台5作Z方向运动。三个自由度无耦合,三个方向的行程均正比于对应驱动器的驱动电压,可分别控制。
本实施例所选用驱动器尺寸A×B×L=5×5×18mm,100V驱动电压下位移15±10%μm,120V驱动电压下达最大位移18±10%μm,刚度50N/μm)。
本实施例中的位移放大器的主体部分可以线切割加工,材料为铝合金,整个微动工作台加工简易,装配精度要求低,制造成本低廉。

Claims (5)

1.一种X-Y-Z三自由度串联式纳米级微定位工作台,其特征在于,包括:基座、运动平台、X向位移放大器、Y向位移放大器、Z向位移放大器,所述基座、Z向位移放大器、Y向位移放大器、X向位移放大器、运动平台依次连接,形成串联结构,各个自由度之间分别控制位移,其中:
所述X向位移放大器和Y向位移放大器结构相同,均包括:四根刚性直杆联接成的矩形结构框架、矩形内部的两根刚性直杆、一个压电陶瓷驱动器、一个微调螺钉;组成矩形结构框架的刚性直杆作为这个矩形的四条边,相邻边以柔性铰链联接;其中一条长边作为本方向位移放大器的固定边,其对边作为运动输出边;固定边向矩形内部伸出一L字形的刚架,此刚架与矩形固定边为同一个刚体;刚架和固定边之间的空间容纳压电陶瓷驱动器;压电陶瓷驱动器的后端面被从刚架的螺纹孔旋入的微调螺钉顶住,前端面顶住矩形结构框架内部的一根刚性直杆中间部位的弧形顶尖,此刚性直杆作为本方向的第一级位移放大,其一端用柔性铰链和矩形固定边联接,另一端用柔性铰链与矩形结构框架内的另一根刚性直杆的中间部位联接,此受联接的刚性直杆作为本方向的第二级位移放大,其一端用柔性铰链与L字形刚架的端部联接,另一端用柔性铰链和矩形固定边的一条邻边联接;此邻边作为本方向的第三级位移放大;
所述Z向位移放大器包括:四根刚性直杆联接成的矩形结构框架、一个直角三角形构件、一个陶瓷驱动器、一个微调螺钉;组成矩形结构框架的刚性直杆作为这个矩形的四条边,相邻边以柔性铰链联接;其中一条短边作为本方向位移放大器的固定边,其对边作为运动输出边;固定边向矩形内部伸出一倒∏形的刚架,此刚架与矩形固定边为同一个刚体;倒∏形刚架里面的空间容纳压电陶瓷驱动器;压电陶瓷驱动器的后端面被从刚架的螺纹孔旋入的微调螺钉顶住,前端面顶住三角形构件一条直角边的中间部位的弧形顶尖;此刚性直角三角形构件作为本方向的第一级位移放大,其直角顶点与刚架的端部以柔性铰链联接,它的另一条直角边的端部和矩形固定边的一条邻边以柔性铰链联接;此邻边作为本方向的第二级位移放大。
2.根据权利要求1所述的X-Y-Z三自由度串联式纳米级微定位工作台,其特征是,所述X向位移放大器的压电陶瓷驱动器上加驱动电压后,压电陶瓷驱动器伸长,伸长量经过三级放大后,使X向位移放大器的运动输出边相对于固定边作X方向平移运动,从而带动运动平台作X方向运动。
3.根据权利要求1所述的X-Y-Z三自由度串联式纳米级微定位工作台,其特征是,所述Y向位移放大器的压电陶瓷驱动器上加驱动电压后,压电陶瓷驱动器伸长,伸长量经过三级放大后,使Y向位移放大器的运动输出边相对于固定边作Y方向平移运动,从而带动X向位移放大器和运动平台作Y方向运动。
4.根据权利要求1所述的X-Y-Z三自由度串联式纳米级微定位工作台,其特征是,所述Z向位移放大器的压电陶瓷驱动器上加上驱动电压后,压电陶瓷驱动器伸长,伸长量经过两级放大机构后,使Z向位移放大器的运动输出边相对于固定边作Z方向平移运动,从而带动Y向位移放大器、X向位移放大器和运动平台作Z方向运动。
5.根据权利要求1所述的X-Y-Z三自由度串联式纳米级微定位工作台,其特征是,所述的X、Y、Z方向的行程均正比于对应驱动器的驱动电压。
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