CN101441319B - 大行程平面三自由度精密微动装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种大行程平面三自由度精密微动装置及其控制方法，包括控制器，压电驱动器电源，工作平台，依次设在工作平台下方的光学透镜和二维光电位置灵敏探测器；工作平台的外框内设有平动平台，平动平台内设有可转动的载物台，控制器通过光学透镜和二维光电位置灵敏探测器检测载物台的位移，并与预设的位移量进行对比，得出需要的控制电压，然后通过压电驱动器电源驱动相应的平动驱动器或转动驱动器工作，形成反馈控制，使载物台实现前后左右平动和绕中心转动三个自由度。柔性铰链均呈对称布置，有利于消除运动方向上的耦合，且工作行程大、定位精度高、运动无间隙；整个系统结构紧凑，可实现微米级到亚微米级的运动控制，易于实现小型化。

Description

大行程平面三自由度精密微动装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种大行程精密微动装置及其控制方法，尤其是涉及一种适用于生物细胞显微操作系统载物台或显微镜载物台的大行程平面三自由度精密微动平台。

背景技术

微动技术是精密制造、精密测量和精密驱动中的关键技术之一，广泛应用在超精密加工、半导体技术、显微镜技术、生物工程等要求具有微、纳米级位移及定位的技术领域内。微动技术作为关键技术之一，在近代尖端工业生产和科学研究占有极其重要的地位。随着微机电技术、半导体技术、生物技术、精密光电技术等高新技术获得了迅猛发展，对精密微动技术有了更高的要求。如在生物工程领域，生物细胞的尺寸一般在1-100um之间，对细胞进行诸如切割、注射，细胞内器官(核、染色体、基因)的转移、重组等操作，必须要求微操作手的位移和定位达到亚微米级精度；在显微技术中，原子力显微镜，扫描隧道显微镜等载物台的位移和定位精度也必须达到亚微米级。目前大多使用圆弧柔性铰链构建微位移工作台，由于受铰链变形量的限制，使得整个平台的运动范围受到限制；另外，采用位移耦合方式来实现平台的转动自由度，增加了控制系统的复杂性；在检测方法方面，使用接触式测量或者光栅传感器测量，受到安装空间的限制，使用光杠杆法测量又使得检测系统过于复杂。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术中的不足之处，提供一种结构简单，安装空间小，使用方便的大行程平面三自由度精密微动平台。

为实现上述目的，本发明的大行程平面三自由度精密微动装置，包括控制器，驱动电源，还包括工作平台、依次设在工作平台下方的光学透镜和二维光电位置灵敏探测器；其中工作平台的外框内设有可沿前后左右方向运动的平动平台，平动平台内设有可绕其中心转动的载物台，载物台下部的对角线方向对称布置有两个半导体激光器；在工作平台的外框两侧面中部各开有一个其中心线相互垂直的螺纹孔，两个螺纹孔内分别设有顶在平动平台上的平动驱动器；在工作平台的外框前后相对的两个面的对角上各开有一个穿透平动平台的孔，孔内设有分别顶在载物台对角上的转动驱动器。

所述的平动平台的四个角与外框之间由呈S形的平板柔性铰链相连接；所述的载物台四个面的中部与平动平台之间由圆弧柔性铰链相连接；所述的平动驱动器和转动驱动器均由半圆柱形推块和与其相连的压电驱动器构成；所述的光学透镜和二维光电位置灵敏探测器与工作平台分别设在相对静止的支架上。

本发明的大行程平面三自由度精密微动装置的控制方法：启动控制器，控制压电驱动器电源工作，控制器将预设的载物台的平动位移量和转动位移量转换成电压信号，由压电驱动器电源将电压信号放大，驱动平动驱动器使平动平台作前后左右运动，同时驱动转动驱动器使载物台作旋转运动，此时，设在载物台下部的半导体激光器发出的光线透过设在其下方的光学透镜，由设在光学透镜下方的二维光电位置灵敏探测器接收，将载物台的位置信号反馈到控制器中，再由控制器处理之后去控制压电驱动器电源，实现闭环控制。

有益效果：在工作平台的外框内采用四个呈S形对称布置的平板柔性铰链构成双平行四杆机构，避免了因圆弧柔性铰链变形量有限对平台位移量造成的影响，大大增加了微动平台的运动范围，且利用平行四杆机构的特性使沿左右和前后方向的位移耦合降到最小；采用镶嵌方式组成具有转动自由度的载物台，消除了平动和转动的耦合，且转动驱动器与平台作用点的连线通过载物台的中心，使载物台绕中心转动；驱动器推块与平台接触部分采用圆柱面，保证了压电驱动器的输出力与平台接触面相垂直；采用两个二维光电位置灵敏探测器探测载物台的位移和转角，实现前后左右的平动和绕载物台中心转动的三个自由度运动的非接触测量。柔性铰链均呈对称结构布置，有利于消除运动方向上的位移耦合，且工作行程大、定位精度高、运动无间隙；整个系统结构紧凑，可实现微米级到亚微米级的运动控制，且有利于减小安装空间，使平台微型化。适用于生物细胞显微操作系统载物台或显微镜的载物台，整个平台可采用一块金属平板切割而成，加工工艺简单、精度易于保证、无需装配。总体结构简单，使用方便，运动范围较大，具有广泛的实用性。

附图说明

图1是本发明的结构主视图；

图2是本发明的工作平台结构俯视图；

图3是本发明的工作平台微动原理示意图；

图4是本发明的工作平台微动计算原理示意图；

图5是本发明的微动平台控制方法示意框图。

图中：1-支架，2-工作平台，3、4-光学透镜，6、5-二维光电位置灵敏探测器，7-外框，8-S形平板柔性铰链，9-平动平台，10-转动驱动器安装孔，11、17-紧定螺钉，12、16-转动驱动器，13-圆弧柔性铰链，14-载物台，20、15-半导体激光器，18、21-平动驱动器，19-驱动器推块，22-控制器，23-压电驱动器电源。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：

图1所示，工作平台2、光学透镜3、4和二维光电位置灵敏探测器6、5分别安装在支架1上，工作平台2装在顶层，光学透镜3、4装在中层，二维光电位置灵敏探测器6、5装在底层；顶层到中层的距离小于光学透镜3、4的焦距，中层到底层的距离大于光学透镜3、4的焦距；半导体激光器20、光学透镜3和二维光电位置灵敏探测器6在同一轴线上；半导体激光器15、光学透镜4和二维光电位置灵敏探测器5在同一轴线上。

图2所示，工作平台2的外框7内设有平动平台9，平动平台9内设有载物台14，工作平台2的外框7的两个侧面中部各开有一个其中心线相互垂直的螺纹孔，两个螺纹孔内设有分别顶在平动平台9上的平动驱动器18、21，平动驱动器18、21可驱动平动平台9作前后左右运动；平动平台9的四个角与外框7之间由呈S形的平板柔性铰链8相连接。在工作平台2的外框7前后相对的两个面的对角上各开有一个穿透平动平台9的孔，孔内设有转动驱动器12、16，转动驱动器12、16分别顶在载物台14的对角上，且转动驱动器12、16与载物台14接触点的连线通过载物台14的中心，平动驱动器18、21和转动驱动器12、16均由半圆柱形推块19和与其相连的型号为WTYD压电驱动器构成。工作时，驱动载物台14绕其中心转动；载物台14的四个面的中部与平动平台9之间由圆弧柔性铰链13相连接，平动驱动器18、21和转动驱动器12、16均由半圆柱形的驱动器推块19和与其相连的陶瓷压电驱动器构成，驱动器推块19与平台接触部分为圆柱面的一条母线，驱动器与平台之间的预紧力分别由紧定螺钉11、17来调整，半导体激光器20、15对称布置在载物台14的对角线上。平板柔性铰链8和圆弧柔性铰链13的大小及厚度取决于工作平台2的大小。

图3所示，平动驱动器18、21动作，使工作平台2的载物台14从M点移动到N点，半导体激光器20发出的光通过光学透镜3，由二维光电位置灵敏探测器6接收所成放大的像M′到N′。

图4所示，转动驱动器12、16动作时，二维光电位置灵敏探测器5、6分别检测到半导体激光器15、20的像从n移动到n′和m移动到m′，根据向量nn′和mm′即可计算出载物台14的平动运动量和转动运动量。

图5所示，由驱动系统、位置检测系统和控制器22组构成一套闭环反馈控制系统。驱动系统包括压电驱动电源23，平动驱动器18、21和转动驱动器12、16；位置检测系统包括二维光电位置灵敏探测器6、5，光学透镜3、4和半导体激光器20、15；工作时，启动控制器22，控制压电驱动器电源23开始工作，控制器22将预设的载物台14的平动位移量和转动量转换成对应的电压信号，由电压驱动器电源23将电压信号放大，驱动平动驱动器18、21使平动平台9产生前后左右方向的运动，并驱动转动驱动器12、16使载物台14产生绕中心转动；安装在载物台14上的半导体激光器20、15发出的光经光学透镜3、4后由二维光电位置灵敏探测器6、5接收，并将位移信息转换成相应的电流信号，输出到控制器22，控制器22将电流信号转换成位移量，与预设的平动位移量和转动量进行比较、运算，得出所需控制电压，再控制压电驱动器电源23，驱动平动驱动器18、21和转动驱动器12、16工作。

Claims (6)

1.一种大行程平面三自由度精密微动装置，包括控制器(22)，压电驱动器电源(23)，其特征在于：还包括工作平台(2)、依次设在工作平台(2)下方的光学透镜(3、4)和二维光电位置灵敏探测器(6、5)；其中工作平台(2)的外框(7)内设有可沿前后左右方向运动的平动平台(9)，平动平台(9)内设有可绕其中心转动的载物台(14)，载物台(14)下部的对角线方向对称布置有两个半导体激光器(20、15)；在工作平台(2)的外框(7)两侧面中部各开有一个其中心线相互垂直的螺纹孔，两个螺纹孔内分别设有顶在平动平台(9)上的平动驱动器(18、21)；在工作平台(2)的外框(7)前后相对的两个面的对角上各开有一个穿透平动平台(9)的孔，孔内设有分别顶在载物台(14)对角上的转动驱动器(12、16)。

2.根据权利要求1所述的大行程平面三自由度精密微动装置，其特征在于：所述的平动平台(9)的四个角与外框(7)之间由呈S形的平板柔性铰链(8)相连接。

3.根据权利要求1所述的大行程平面三自由度精密微动装置，其特征在于：所述的载物台(14)四个面的中部与平动平台(9)之间由圆弧柔性铰链(13)相连接。

4.根据权利要求1所述的大行程平面三自由度精密微动装置，其特征在于：所述的平动驱动器(18、21)和转动驱动器(12、16)均由半圆柱形推块(19)和与其相连的压电驱动器构成。

5.根据权利要求1所述的大行程平面三自由度精密微动装置，其特征在于：所述的光学透镜(3、4)和二维光电位置灵敏探测器(6、5)与工作平台(2)分别设在相对静止的支架(1)上。

6.根据权利要求1所述的大行程平面三自由度精密微动装置的控制方法，其特征在于：启动控制器(22)，控制压电驱动器电源(23)工作，控制器(22)将预设的载物台(14)的平动位移量和转动量转换成对应的电压信号，由压电驱动器电源(23)将电压信号放大，驱动平动驱动器(18、21)使平动平台(9)作前后左右运动，并驱动转动驱动器(12、16)使载物台(14)作旋转运动，此时，设在载物台(14)下部的半导体激光器(20、15)发出的光线透过设在其下方的光学透镜(3、4)，由设在光学透镜(3、4)下方的二维光电位置灵敏探测器(6、5)接收，将载物台(14)的位置信号反馈到控制器(22)中，再由控制器(22)处理后控制压电驱动器电源(23)，实现闭环控制。

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