CN2621876Y - 基于压电驱动器的二维超精密定位、抑振微动工作平台 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于压电驱动器的二维超精密定位、抑振微动工作平台。在金属平板上的X、Y方向上开有通槽，形成柔性铰链臂和柔性铰链的Y向工作平台；位于Y向工作平台内的金属平板的X、Y方向上开有另一通槽，形成柔性铰链臂和柔性铰链的X向工作平台，在X、Y向的工作平台上分别对称装有一对压电驱动器。它是一种复合平行四杆结构，具有导向精度高、无间隙、导轨定位分辨率高、加工精度易于保证、不需要装配等优点。在同一方向上采用双驱动器形式，且两维工作平台构成镶嵌形式，消除了相互之间的位移耦合，使整个微动***具有很高的定位精度和较好的抑振效果。本实用新型可用于高精度、超高精度的切削加工定位，同时适用精密仪器设备的抑振、减振。
Description
技术领域
本实用新型涉及超精密定位、抑振装置，是一种基于压电驱动器的二维超精密定位、抑振微动工作平台。
背景技术
高精度和高分辨率的精密微动工作台***在近代尖端工业生产和科学研究领域内占有极其重要的地位。它是直接影响精密、超精密切削加工水平、精密测量水平及超大规模集成电路生产水平的关键环节。从七十年代后期起，微电子技术向大规模集成电路(LSI)和超大规模集成电路(VLSI)方向发展，随着集成度的提高，线条越来越微细化，目前CPU的线宽已缩小到0.13um，对与之相应的工艺设备(如图形发生器、分步重复照相机、光刻机、电子束和X射线及其检测设备等)提出了更高的要求，要求这些设备的定位精度为线宽的1/3～1/5，即纳米级的精度。在精密光学设备的制造中，如用金刚石车刀直接车削大型天文望远镜的抛物面反射镜时，要求加工出几何精度高于1/10光波波长的表面，即几何形状误差小于0.05um。在生物、医学工程的研究中，需要对细胞进行搬动、分离、组合，对DNA分子进行拉伸并固定到隔膜上，对蛋白质分子进行操作和生成薄膜结构等等。这些都需要采用超高精度的能作快速运动的微位移工作台。随着科学技术的发展，更多的其他领域也越来越迫切需要微动***，例如，脑外科手术、光纤对接、微细加工、微型机器人装配等。纳米技术被认为是21世纪的科技前沿，作为关键技术之一的纳米定位技术将左右着各学科纳米技术的发展。而纳米定位技术的核心也正是能实现精密微位移的微动工作台。从隔振、抑振方面来看，现在大多数使用的方式是给工作台加一个基础，此基础具有一定的隔振效果，对外界给***的干扰进行隔离，使得工作台处于相对稳定的环境中。但是工作台上的仪器仪表主体在工作时，比如执行机构的运动等，或多或少会产生振动，此种干扰信号会在内部对整个***的精度产生影响，而这种信号不能通过上述所用的基础隔振的方法来消除，所以很有必要在***内的工作平台上增加一个用于消除自身干扰信号的抑振装置，从而来得到真正意义的高精度定位、抑振的精密***。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种基于压电驱动器的二维超精密定位、抑振微动工作平台，以柔性铰链为导轨来传递压电驱动器产生的位移，使本工作平台具有定位精度高、抑振效果好的特性。
本实用新型采用的技术方案它包括：
1)在金属平板两边的Y方向上分别开有一条相向对称的敞框形直通槽，两个敞框形直通槽的两短边分别有两个向内凸出的乳状直通槽，在金属平板两边的X方向上分别对称开有两个为一组的两组向外凸出的乳状直通槽，并相互连通，分别与两敞框形直通槽两短边的两个向内凸出的乳状直通槽相对应，分别形成四个Y向柔性铰链臂和八个Y向柔性铰链，X方向的两组乳状直通槽中间还开有通槽，两个Y向压电驱动器的前后部分别套上Y向驱动器前套和后套，前套的顶端顶在Y向驱动器定位槽中，用装在Y向驱动器预紧螺孔内的螺钉顶在后套上固定，形成Y向工作平台；
2)位于Y向工作平台内的金属平板两边的X方向上分别开有一条相向对称的敞框形直通槽，两个敞框形直通槽的两短边分别有两个向内凸出的乳状直通槽，在金属平板两边的Y方向上分别对称开有两个为一组的两组向外凸出的乳状直通槽，并相互连通，分别与两敞框形直通槽两短边的两个向内凸出的乳状直通槽相对应，分别形成四个X向柔性铰链臂和八个X向柔性铰链，Y方向的两组乳状直通槽中间还开有通槽，两个X向压电驱动器的前后部分别套上X向驱动器前套和后套，前套的顶端顶在X向驱动器定位槽中，用装在X向驱动器预紧螺孔内的螺钉顶在后套上固定，形成X向工作平台。
所说的前套为两边成120°中部挖空的三角形前套；后套为中部挖空，底部为平面的圆柱形后套。
金属平板的厚度为15-25mm；材料为铝板或铜板。
本实用新型与背景技术相比具有的有益效果是：
1)此种结构具有较高的固有频率，使得结构的频响特性较好，X、Y向工作平台的一阶、二阶、三阶固有频率分别为180、230和260Hz；
2)每个压电驱动器均配又前套和后套，分别由预紧螺钉预紧，安装后不存在间隙，并能使驱动器产生的驱动力通过前端120°的定位槽完全沿正方向作用，同时可以方便安装。
3)采用了柔性铰链为位移输出导轨，X向工作平台镶嵌在Y向工作平台之中形成镶嵌结构，加上X、Y两维上各由两个相对的压电驱动器驱动，实现双驱动器形式，其中一个用于定位，另一个用于抑振，大大提高了定位精度，可达到纳米级精度；
4)由于所用压电驱动器具有较高的响应速度，使得本结构阶跃响应快，阶跃响应时间在0.1秒左右；
5)采用相对方向上双压电驱动器驱动，采用闭环控制，使得结构抑振效果好，对一般小幅值的干扰信号，可减小到原来的5％以下；
本实用新型可用于高精度、超高精度的切削加工定位，图形发生器、分步重复照相机、光刻机、电子束和X射线及其检测设备等精密仪器设备的抑振、减振。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是未安装压电驱动器的工作平台结构示意图；
图3是图2的A-A剖视图；
图4是柔性铰链前套结构示意图；
图5是柔性铰链后套结构示意图；
图6是本实用新型工作原理示意图。图中：
1平台边框 2平台安装螺孔 3 Y向柔性铰链臂 4 Y向柔性铰链
5 Y向工作平台 6 X向柔性铰链 7 X向柔性铰链臂 8 X向工作平台
9位移输出平台固定螺孔 10 X向驱动器前套 11 X向驱动器定位槽
12 X向压电驱动器 13 X向驱动器后套 14 X向驱动器预紧螺孔
15 Y向驱动器定位槽 16 Y向驱动器前套 17 Y向压电驱动器
18 Y向驱动器后套 19 Y向驱动器预紧螺孔 20 X向抑振驱动器
21 Y向抑振驱动器 22位移传感器 23测振传感器
a、a′二次仪表 b、b′A/D模数转换器 c、c′D/A数模转换器
d计算机 e驱动电源
具体实施方式
如图1、2、3所示，本实用新型包括：
1)在金属平板1两边的Y方向上分别开有一条相向对称的敞框形直通槽，两个敞框形直通槽的两短边分别有两个向内凸出的乳状直通槽，在金属平板两边的X方向上分别对称开有两个为一组的两组向外凸出的乳状直通槽，并相互连通，分别与两敞框形直通槽两短边的两个向内凸出的乳状直通槽相对应，分别形成四个Y向柔性铰链臂3和八个Y向柔性铰链4，X方向的两组乳状直通槽中间还开有通槽，两个Y向压电驱动器17的前后部分别套上Y向驱动器前套16和后套18，前套16的顶端顶在Y向驱动器定位槽15中，用装在Y向驱动器预紧螺孔19内的螺钉顶在后套18上固定，形成Y向工作平台5；
2)位于Y向工作平台5内的金属平板1两边的X方向上分别开有一条相向对称的敞框形直通槽，两个敞框形直通槽的两短边分别有两个向内凸出的乳状直通槽，并相互连通，在金属平板两边的Y方向上分别对称开有两个为一组的两组向外凸出的乳状直通槽，分别与两敞框形直通槽两短边的两个向内凸出的乳状直通槽相对应，分别形成四个X向柔性铰链臂7和八个X向柔性铰链6，Y方向的两组乳状直通槽中间还开有通槽，两个X向压电驱动器12的前后部分别套上X向驱动器前套10和后套13，前套10的顶端顶在X向驱动器定位槽11中，用装在X向驱动器预紧螺孔14内的螺钉顶在后套13上固定，形成X向工作平台8。在X向工作平台8上开有位移输出平台固定螺孔9。
如图4、5所示的前套为两边成120°中部挖空的三角形前套；后套为底部为平面的圆柱形后套。
金属平台1根据所需要求设计，一般厚度为15-25mm；在四周开有安装螺孔2；材料为铝板或铜板等弹性材料。
本实用新型通过线切割技术在一块金属基体材料上加工出通槽，在通槽处形成弹性支点而与基体加工后剩余部分形成整个装置，即采用柔性铰链的导轨形式。整个机构在加工过程中保证严格的中心对称，一定程度上减小了加工误差对导向定位精度和抑振效果的影响，机构对环境误差不敏感。它是一种复合平行四杆结构，具有导向精度高、无间隙、导轨定位分辨率高、加工精度易于保证、不需要装配等优点。
下面结合附图1、6对本装置的工作原理及部分功用作详细描述。
拧在驱动器预紧螺孔14、19的预紧螺钉，可以调节压X、Y向压电驱动器12、17的初始驱动力。当***开始工作时，位移传感器22检测X向、Y向输出的位移量，通过二次仪表a转化成相应的电压量，用计算机d通过A/D模数转换器b对此电压量分别进行采样，与工作任务要求的初始设定位移值进行比较，再通过某种控制算法(一般为常用的PID控制算法)进行比较、运算，得出相应的电压值，经过D/A数模转换器c和驱动电源e把此信号分别传输给X、Y向的压电驱动器12、17，使两个压电驱动器12、17作出相应的位移输出，移动工作台进行定位。压电驱动器12、17在预紧力的作用下，把输出的位移毫无损失地通过驱动器前套10、16沿正方向传送给工作平台5、8，工作平台5、8分别由组柔性铰链6、4支撑，在力的作用下，柔性铰链6、4处受到弯曲应力，产生相应的角位移，相应的柔性铰链臂7、3将此角位移转换成对应方向上的位移，使对应维的工作台动作。用柔性铰链作为位移传递的导轨，具有无间隙、无摩擦、免润滑、不发热等优点，再加上良好的结构对称性，使压电驱动器12、17输出的位移能以很高的精度转化成最终平台的位移输出，且能保证整个***的分辨率。
同时，测振传感器23检测X向、Y向输出位的振动量，通过二次仪表a′转化成相应的电压量，用计算机d通过A/D模数转换器b′对此电压量分别进行采样，再通过某种控制算法进行比较、运算，得出相应的电压值，经过D/A数模转换器c′和驱动电源e把此信号分别传输给X、Y向的压电驱动器20、21，使两个压电驱动器20、21作出相应的位移输出，移动工作台进行抑振。
Claims (3)
1.一种基于压电驱动器的二维超精密定位、抑振微动工作平台，其特征在于：
1)在金属平板(1)两边的Y方向上分别开有一条相向对称的敞框形直通槽，两个敞框形直通槽的两短边分别有两个向内凸出的乳状直通槽，在金属平板两边的X方向上分别对称开有两个为一组的两组向外凸出的乳状直通槽，并相互连通，分别与两敞框形直通槽两短边的两个向内凸出的乳状直通槽相对应，分别形成四个Y向柔性铰链臂(3)和八个Y向柔性铰链(4)，X方向的两组乳状直通槽中间还开有通槽，两个Y向压电驱动器(17)的前后部分别套上Y向驱动器前套(16)和后套(18)，前套(16)的顶端顶在Y向驱动器定位槽(15)中，用装在Y向驱动器预紧螺孔(19)内的螺钉顶在后套(18)上固定，形成Y向工作平台(5)；
2)位于Y向工作平台(5)内的金属平板(1)两边的X方向上分别开有一条相向对称的敞框形直通槽，两个敞框形直通槽的两短边分别有两个向内凸出的乳状直通槽，在金属平板两边的Y方向上分别对称开有两个为一组的两组向外凸出的乳状直通槽，并相互连通，分别与两敞框形直通槽两短边的两个向内凸出的乳状直通槽相对应，分别形成四个X向柔性铰链臂(7)和八个X向柔性铰链(6)，Y方向的两组乳状直通槽中间还开有通槽，两个X向压电驱动器(17)的前后部分别套上X向驱动器前套(10)和后套(13)，前套(10)的顶端顶在X向驱动器定位槽(11)中，用装在X向驱动器预紧螺孔(14)内的螺钉顶在后套(13)上固定，形成X向工作平台(8)。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电驱动器的二维超精密定位、抑振微动工作平台，其特征在于：所说的前套为两边成120°中部挖空的三角形前套；后套为中部挖空，底部为平面的圆柱形后套。
3.根据权利要求1所述的一种基于压电驱动器的二维超精密定位、抑振微动工作平台，其特征在于：金属平板(1)的厚度为15-25mm；材料为铝板或铜板。
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