CN102664045A - 16杆二维无耦合微位移工作台 - Google Patents

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沈健
陈东
张海岩
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Abstract

本发明涉及16杆二维无耦合微位移工作台。该工作台包括基板、外层柔性铰链杆、驱动支座、电致伸缩器件、内层柔性铰链杆、工作台，四组均布的内层柔性铰链杆一端连接工作台，另一端连接驱动支座，驱动支座通过外层柔性铰链杆连接到基板上，驱动支座与基板凹槽之间设有电致伸缩器件，电致伸缩器件的一端顶在驱动支座的外端，另一端顶紧凹槽的侧壁。本发明采用16根柔性铰链杆形成双层柔性铰链杆对称一体化结构，整体采用线切割加工方法一次切割完成，无装配元件，可实现输出位移与输入位移成正比的独立、无耦合一维或者二维运动，具有分辨率高、结构紧凑的优点，适用于大行程、中载、定位精度较高的微机电系统、扫描探测显微镜、超精密加工等领域。

Description

16杆二维无耦合微位移工作台
技术领域
本发明属于微机电系统技术领域，涉及一种无耦合运动的柔性铰链工作台，具体涉及一种基于电致伸缩器件和双层柔性铰链对称结构的二维无耦合运动微位移工作台。
背景技术
微位移技术是精密机械与精密仪器的关键技术之一, 近年来随着微电子技术、宇航、生物工程等学科的发展而迅速地发展起来。微位移工作台在微机电系统、扫描探测显微镜、超精密加工、光学元件制造以及生物医学工程等领域有广泛的应用，具有纳米级精度的微位移工作台是其核心部件。同时二维微位移工作台是研究三维微位移工作台的基础。设计二维微位移工作台，关键是解决运动耦合问题以及运动控制问题，即二个方向的驱动运动能各自独立且能精确定位。目前大多数二维微位移工作台采用一维运动的垂直叠加或者以串联嵌套式结构来实现二维运动，但是这种微位移工作台结构复杂、体积庞大，不便于工作台的微型化，而且会产生累积误差影响工作台的精度。同时现有二维微位移工作台未考虑结构刚度对微位移系统行程及运动精度的影响。因此，为克服以上缺点，研制具有高精度、无耦合、定位精确、刚度适用的对称整体式二维微位移工作台对于实际应用具有较大的意义。
发明内容
为了克服现有二维微位移工作台存在的结构复杂、体积庞大，不便于工作台的微型化的问题，本发明提供一种16杆二维无耦合微位移工作台。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
16杆二维无耦合微位移工作台包括基板1，基板1中部设有贯通的空腔，所述空腔中部设有工作台6，工作台6的周边分别均布连接着八根内层柔性铰链杆5的一端，且两根内层柔性铰链杆5并列组成一组，共组成四组，每组两根内层柔性铰链杆5的另一端分别连接着驱动支座3的内端，且其中两组内层柔性铰链杆5沿X方向对称分布，另两组内层柔性铰链杆5沿Y方向对称分布；每个驱动支座3的两侧分别连接着外层柔性铰链杆2的一端，两侧的外层柔性铰链杆2的另一端分别连接着基板1上空腔的侧壁，两侧的外层柔性铰链杆2在同一直线上，且垂直于驱动支座3内端的一组内层柔性铰链杆5；与每个驱动支座3外端对应的所述空腔的侧壁上分别设有凹槽7，所述空腔的侧壁上共有四个凹槽7，其中相邻的两个凹槽7内分别设有电致伸缩器件4，电致伸缩器件4的一端与驱动支座3的外端接触，另一端与凹槽7的侧壁接触。
所述工作台6为正方形板状，每一侧边中部分别连接着两根并列的内层柔性铰链杆5的一端。
所述驱动支座3为矩形板状，其内侧面与一组两根内层柔性铰链杆5的另一端连接，两侧面分别连接着外层柔性铰链杆2的一端，外侧面与所述空腔的凹槽7对应。
所述电致伸缩器件4型号为PAS005或PAS020，行程20μm；或者型号为PAS009、或PAS040，行程40μm。
与已有技术相比，本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1、本发明工作台采用16根柔性铰链杆形成双层柔性铰链杆对称一体化结构，依靠外层柔性铰链杆与内层柔性铰链杆的无耦合运动特性、刚度特性、工作台整体无装配结构特性，可消除耦合运动，提高精度，具有无间隙、无摩擦、灵敏度高的特点，同时由于连接工作台和驱动支座的内层柔性铰链杆每一组由2根相互平行的柔性铰链杆构成，因此内层刚度较好、运动平稳，因而适用于大行程、中载、定位精度较高的微位移系统；
2、本发明工作台以电致伸缩器件作为驱动元件，可实现一维或者二维无耦合微位移运动，输出位移与输入位移成线性关系。由于两个方向的运动之间无耦合，相互独立，且电致伸缩器件不随工作台运动，从而提高了工作台的定位精度，便于控制；
3、本发明工作台整体可采用线切割加工方法一次切割完成，无装配元件，消除了由于装配而产生的误差，具有较高的精度；
4、本发明工作台结构紧凑，便于微型化。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为图1的俯视图。
图3为X、Y方向机构变形示意简图。
上图中序号：基板1、外层柔性铰链杆2、驱动支座3、电致伸缩器件4、内层柔性铰链杆5、工作台6、凹槽7。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做详细说明，本实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。
参见图1和图2，16杆二维无耦合微位移工作台包括基板1，基板1中部设有贯通的空腔，空腔中部设有工作台6，工作台6为正方形板状，工作台6的周边分别均布连接着八根内层柔性铰链杆5的一端，每一侧边中部分别连接着两根并列的内层柔性铰链杆5的一端，两根并列内层柔性铰链杆5组成一组，共组成四组。每组两根内层柔性铰链杆5的另一端分别连接着驱动支座3的内端，且其中两组内层柔性铰链杆5沿X方向对称分布，另两组内层柔性铰链杆5沿Y方向对称分布。驱动支座3为矩形板状，每个驱动支座3的两侧面分别连接着外层柔性铰链杆2的一端，两侧的外层柔性铰链杆2的另一端分别连接着基板1上空腔的侧壁，两侧的外层柔性铰链杆2在同一直线上，且垂直于驱动支座3内端的一组内层柔性铰链杆5；与每个驱动支座3外端面对应的所述空腔的侧壁上分别设有凹槽7，所述空腔的侧壁上共有四个凹槽7，其中相邻的两个凹槽7内分别设有电致伸缩器件4，电致伸缩器件4的一端与驱动支座3的外端接触，另一端与凹槽7的侧壁接触。电致伸缩器件4为Thorlabs公司生产的20μm行程PAS020驱动器（根据凹槽7深度和工作台最大行程要求可以选择20μm行程PAS005驱动器，或者40μm行程PAS009驱动器或PAS040驱动器），且不随工作台运动。上述机构（电致伸缩器件除外）是在基板上用线切割方法一次装夹加工出来的整体式无装配对称结构，所有的转动点都由柔性铰链构成。
本发明可实现一维或者二维无耦合运动，本实施例通过以下方式进行工作：
一维运动时：以输出X方向运动为例，电致伸缩器件4施加力于X方向，驱动X+方向的驱动支座3向X-方向运动，此时X方向的两组内层柔性铰链杆5与工作台6同时向X-方向运动，Y方向的两组外层柔性铰链杆2在X-方向外力作用下也同时向X-方向运动，由于内、外层柔性铰链杆均采用对称结构，在Y方向的位移相互抵消，因此工作台6在向X－方向位移时，不存在Y方向的耦合运动，实现了X方向的无耦合微位移输出。由于本发明采用整体对称结构设计，因此Y方向的一维运动与X方向的一维运动一样，不存在耦合现象。
二维运动时，如图3所示，以输出X-、Y-方向运动为例， X+、Y+位置的电致伸缩器件4分别施加力于X-方向和Y-方向，驱动X+方向和Y+方向的驱动支座3同时向X-方向和Y-方向运动。由于采用整体对称结构，X+位置的电致伸缩器件使X方向的两组内层柔性铰链杆和Y方向的两组外层柔性铰链杆向X-方向平移一个微小位移，而X方向的两组外层柔性铰链杆保持不动；同理，Y+位置的电致伸缩器件使Y方向的两组内层柔性铰链杆和X方向的两组外层柔性铰链杆向Y-方向平移一个微小位移，而Y方向的两组外层柔性铰链杆保持不动；从而使X方向上的驱动支座与工作台6没有沿Y方向的相对移动，Y方向上的驱动支座与工作台6没有沿X方向的相对移动，工作台在X、Y两个方向上的运动相互独立，互不干涉，解决了运动耦合问题。保证了工作台的精确度，实现了工作台的二维无耦合微位移运动。

Claims (4)

1.16杆二维无耦合微位移工作台，包括基板（1），其特征在于：所述基板（1）中部设有贯通的空腔，所述空腔中部设有工作台（6），工作台（6）的周边分别均布连接着八根内层柔性铰链杆（5）的一端，且两根内层柔性铰链杆（5）并列组成一组，共组成四组，每组两根内层柔性铰链杆（5）的另一端分别连接着驱动支座（3）的内端，且其中两组内层柔性铰链杆（5）沿X方向对称分布，另两组内层柔性铰链杆（5）沿Y方向对称分布；每个驱动支座（3）的两侧分别连接着外层柔性铰链杆（2）的一端，两侧的外层柔性铰链杆（2）的另一端分别连接着基板（1）上空腔的侧壁，两侧的外层柔性铰链杆（2）在同一直线上，且垂直于驱动支座（3）内端的一组内层柔性铰链杆（5）；与每个驱动支座（3）外端对应的所述空腔的侧壁上分别设有凹槽（7），所述空腔的侧壁上共有四个凹槽（7），其中相邻的两个凹槽（7）内分别设有电致伸缩器件（4），电致伸缩器件（4）的一端与驱动支座（3）的外端接触，另一端与凹槽（7）的侧壁接触。
2.根据权利要求1所述的16杆二维无耦合微位移工作台，其特征在于：所述工作台（6）为正方形板状，每一侧边中部分别连接着两根并列的内层柔性铰链杆（5）的一端。
3.根据权利要求1所述的16杆二维无耦合微位移工作台，其特征在于：所述驱动支座（3）为矩形板状，其内侧面与一组两根内层柔性铰链杆（5）的另一端连接，两侧面分别连接着外层柔性铰链杆（2）的一端，外侧面与所述空腔的凹槽（7）对应。
4.根据权利要求1所述的16杆二维无耦合微位移工作台，其特征在于：所述电致伸缩器件（4）型号为PAS005或PAS020，行程20μm；或者型号为PAS009、或PAS040，行程40μm。
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