CN102969031A - 一种Z-θx-θy三自由度纳米级精度两体式工作台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Z-θx-θy三自由度纳米级精度两体式工作台，包括：压电陶瓷驱动器、压电陶瓷驱动器螺钉、压电陶瓷驱动器端盖、压电陶瓷驱动器端盖螺钉、外筒、柔性铰链与外筒螺钉、柔性铰链、柔性铰链与工作台螺钉、工作台。本发明结构紧凑，可实现Z-θx-θy三自由度纳米级精度的无耦合运动或定位，由于采用了柔性机构与工作台两体式的结构，使得加工工艺性更好；且二者可采用不同的材料，以加强或降低某部分刚度；此外，柔性机构对工作台的着力点可按需设计，防止有害力矩产生。

Description

一种Z-θx-θy三自由度纳米级精度两体式工作台

技术领域

本发明涉及一种精密机械技术中微驱动和微定位的工作台机构，具体涉及一种Z-θx-θy三自由度纳米级精度的无耦合运动或定位工作台，该机构采用柔性结构与工作台两体式结构；具有良好的加工工艺性；可用于光学仪器、精密测量、生物医学、微电子器件制造等领域。

背景技术

微定位、微操作技术是高精密仪器的基础之一，在超精密检测领域（如：扫描探针式显微镜、纳米变形与位移检测器）、生物医学领域（如：细胞内药物注射、神经手术）等，有着广泛的应用和需求。目前该技术多以压电陶瓷（PZT）作为驱动器，使其柔性结构或弹性结构产生弹性变形，以此实现微定位。

经过对现有技术的文献检索发现，中国专利号：200810038553.0，发明名称：X-Y-Z三自由度串联式纳米级微定位工作。该专利公开了一种使工作台沿X-Y-Z三个方向水平平移的实现方法。此机构采用压电陶瓷驱动器，并分别采用X、Y、Z三个位移放大器，同时各运动工作台按顺序依次连接，使得该工作台各自由度之间运动无耦合，并可扩大行程。此外，中国专利号：200510098315.5，发明名称：X-Y-θ三自由度微动工作台。该专利公开了一种可使工作台沿X、Y方向水平平移，并绕θ向旋转的实现方法。上述两种工作台，前者均以轴向平移为主，缺乏旋转自由度；而后者也仅能绕一个轴向旋转。此外，该类工作台与柔性结构为一体式，其加工难度大；并且着力点固定，容易产生有害力矩，导致工作台变形。

发明内容

本发明技术解决问题：针对上述现有技术的不足，提供一种可实现Z-θx-θy三自由度无耦合高速运动或定位、纳米级精度、具有良好工艺性，工作台面变形度低的工作台。

本发明技术解决方案：一种Z-θx-θy三自由度纳米级精度两体式工作台，包括：压电陶瓷驱动器、压电陶瓷驱动器螺钉、压电陶瓷驱动器端盖、压电陶瓷驱动器端盖螺钉、外筒、柔性铰链与外筒螺钉、柔性铰链、柔性铰链与工作台螺钉、工作台；

其中，工作台一面圆周均布三支柔性铰链机构，并通过柔性铰链与工作台螺钉使柔性铰链与工作台相连接；柔性铰链通过柔性铰链与外筒螺钉与外筒相连接；工作台另一面圆周均布三支压电陶瓷驱动器，压电陶瓷驱动器与工作台接触位置对应于柔性铰链与工作台连接处；压电陶瓷驱动器通过压电陶瓷驱动器螺钉将其固定在压电陶瓷驱动器端盖上；通过压电陶瓷驱动器端盖螺钉，将端盖固定在外筒上。

本发明的原理：本发明以压电陶瓷作为驱动器；三支柔性铰链圆周均布与工作台螺钉连接，且连接位置与压电陶瓷驱动器相对应；当压电陶瓷驱动器伸长时，将引起柔性铰链变形，带动工作台运动或定位。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明中，柔性铰链与工作台采用两体式结构，可分开加工，具有良好的加工工艺性；

（2）本发明中，柔性铰链与工作台采用两体式结构，二者可采用不同的材料，可单独提升或降低某部件刚度；

（3）本发明中，柔性铰链与工作台采用两体式结构，可按需更换柔性铰链，以获得不同性能的运动或定位性能；

（4）本发明中，柔性铰链与工作台采用两体式结构，柔性铰链与工作台的连接点可按需设计，以防止有害力矩。

附图说明

图1a是本发明的Z-θx-θy三自由度纳米级精度两体式工作台的主视图；

图1b是本发明的Z-θx-θy三自由度纳米级精度两体式工作台的侧视图；

图2是本发明的工作台运动或定位的几何模型；

图3a是本发明的工作原理简图；

图3b是本发明的轴向力学原理图；

图4a是传统一体式工作台的主视图结构简图；

图4b是传统一体式工作台的工作原理简图；

图4c是传统一体式工作台的轴向力学原理图；

其中：1、压电陶瓷驱动器；2、压电陶瓷驱动器螺钉；3、压电陶瓷驱动器端盖；4、压电陶瓷驱动器端盖螺钉；5、外筒；6、柔性铰链与外筒螺钉；7、柔性铰链；8、柔性铰链与工作台螺钉；9、工作台。

具体实施方式

以下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1a和图1b所示，本发明实例包括：压电陶瓷驱动器1、压电陶瓷驱动器螺钉2、压电陶瓷驱动器端盖3、压电陶瓷驱动器端盖螺钉4、外筒5、柔性铰链与外筒螺钉6、柔性铰链7、柔性铰链与工作台螺钉8和工作台9；其中，工作台9一面圆周均布三支柔性铰链7，并通过柔性铰链与工作台螺钉8使柔性铰链7与工作台9相连接；柔性铰链7通过柔性铰链与外筒螺钉6与外筒5相连接；在工作台9另一面圆周均布三支压电陶瓷驱动器1作为驱动工作台运动或定位的机构，压电陶瓷驱动器1与工作台9接触位置对应于柔性铰链7与工作台9连接处；压电陶瓷驱动器1通过压电陶瓷驱动器螺钉2将其固定在压电陶瓷驱动器端盖3上；通过压电陶瓷驱动器端盖螺钉4，将端盖固定在外筒5上。

本发明的工作过程如下：

请参见图1a和图1b，三支柔性铰链7将施加一定的预紧力，使得工作台9与三支压电陶瓷驱动器1的顶点紧密接触；当计算机控制三支压电陶瓷驱动器1的伸长或缩短时，工作台9将随着与压电陶瓷驱动器1的三个接触点移动。

根据几何学理论，工作台9运动规律如下：

请参见图2，图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别为三支均布压电陶瓷驱动器1的轴向伸长量，a、b为接触点的距离，则Z-θx一-θy三自由度的变化为：

$Z=\frac{I+\mathrm{II}+\mathrm{III}}{3};$

$\mathrm{\θx}=\tan \left(\frac{2I-(\mathrm{II}+\mathrm{III})}{2a}\right);$

$\mathrm{\θy}=\tan \left(\frac{\mathrm{II}-\mathrm{III}}{b}\right).$

式中：

Z-圆形片工作台9延Z轴方向平移量；

θx-圆形片工作台9绕X轴方向旋转量；

θy-圆形片工作台9绕Y轴方向旋转量。

当Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为极小量时，θx、θy可简化为：

$\mathrm{\θx}\≈\frac{2I-(\mathrm{II}+\mathrm{III})}{2a};$

$\mathrm{\θy}\≈\frac{\mathrm{II}-\mathrm{III}}{b}.$

请参见图3a和图3b，柔性铰链7通过螺钉紧固在工作台9上，其连接点可按需选取，一般情况下，连接点与压电陶瓷驱动器1位于同一轴线上。

请参见图4a、图4b和4c，传统一体式工作台的柔性铰链与工作台面联合为一体，一般情形下，柔性铰链与工作台连接点位于工作台边缘，压电陶瓷驱动器位于工作台内，二者难以在在同一轴线上。

如图3a、图3b、图4a、图4b、图4c所示，一体式工作台的铰链力将导致工作台整体翘曲变形和接触点局部挤压变形，而两体式工作台两面力载荷作用点对称，仅仅接触点局部挤压变形，不会产生整体翘曲变形；同时，两体式工作台中，柔性铰链和工作台可采用不同材料，如采用高刚度的工作台，在同等外力载荷下，可减小工作台的局部挤压变形；此外，两体式结构更容易加工制造，具备良好的加工工艺性。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种Z-θx-θy三自由度纳米级精度两体式工作台，其特征在于包括：压电陶瓷驱动器（1）、压电陶瓷驱动器螺钉（2）、压电陶瓷驱动器端盖（3）、压电陶瓷驱动器端盖螺钉（4）、外筒（5）、柔性铰链与外筒螺钉（6）、柔性铰链（7）、柔性铰链与工作台螺钉（8）、工作台（9）；所述柔性铰链（7）与工作台（9）采用两体式结构，可分开加工；

其中，工作台（9）一面圆周均布三支柔性铰链（7），并通过柔性铰链与工作台螺钉（8）使柔性铰链（7）与工作台（9）相连接；柔性铰链（7）通过柔性铰链与外筒螺钉（6）与外筒（5）相连接；工作台（9）另一面圆周均布三支压电陶瓷驱动器（1），压电陶瓷驱动器（1）与工作台（9）接触位置对应于柔性铰链（7）与工作台（9）连接处；压电陶瓷驱动器（1）通过压电陶瓷驱动器螺钉（2）将其固定在压电陶瓷驱动器端盖（3）上；通过压电陶瓷驱动器端盖螺钉（4），将端盖固定在外筒（5）上。

2.根据权利要求1所述的Z-θx-θy三自由度纳米级精度两体式工作台，其特征在于：所述柔性铰链（7）与工作台（9）采用两体式结构时能够采用不同的材料。

3.根据权利要求1所述的Z-θx-θy三自由度纳米级精度两体式工作台，其特征在于：所述柔性铰链（7）与工作台（9）采用两体式结构时，其中柔性铰链（7）能够按需更换柔性铰链，以获得不同性能的运动或定位性能。

4.根据权利要求1所述的Z-θx-θy三自由度纳米级精度两体式工作台，其特征在于：所述柔性铰链（7）与工作台（9）采用两体式结构时，其中柔性铰链（7）与工作台（9）的连接点能够按需设计，以防止有害力矩。

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