CN103000231B - 一种Z-θx-θy三自由度抗弯矩高精度工作台 - Google Patents

Abstract

一种Z-θx-θy三自由度抗弯矩高精度工作台，包括：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、压电陶瓷驱动器、外筒、工作台、弹性顶紧机构端盖、弹性顶紧机构端盖螺钉、弹性顶紧机构顶丝、弹性顶紧机构。本发明结构紧凑，可实现Z-θx-θy三自由度亚微米级精度的无耦合运动，并可承载一定弯矩载荷。

Description

一种Z-θx-θy三自由度抗弯矩高精度工作台

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三自由度亚微米级精度、抗一定弯矩、无耦合运动的工作台，可用于精密测量、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）、生物医学领域（如：细胞内药物注射）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，由于该类微动结构多以压电陶瓷为驱动器，而压电陶瓷不能承受过大的弯矩，因此当微定位工作台存在一定弯矩时，可能降低微定位工作台精度，甚至损坏压电陶瓷驱动器。

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三自由度无耦合运动、亚微米级精度、并可承载一定弯矩的微定位工作台。

本发明技术方案是：一种Z-θx-θy三自由度抗弯矩高精度工作台，其特征在于包括：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、压电陶瓷驱动器、圆筒、圆形片工作台、弹性顶紧机构端盖、弹性顶紧机构端盖螺钉、弹性顶紧机构顶丝及弹性顶紧机构；

其中，在圆形片工作台的一侧设有3支压电陶瓷驱动器，压电陶瓷驱动器为圆周均布，压电陶瓷驱动器的工作端与圆形片工作台紧密接触；压电陶瓷驱动器的固定端通过压电陶瓷驱动器螺钉与压电陶瓷驱动器端盖紧密固定；圆形片工作台的另一侧，与压电陶瓷驱动器相对应的位置设有3支弹性顶紧机构，每支弹性顶紧机构通过弹性顶紧机构顶丝定位在弹性顶紧机构端盖上；压电陶瓷驱动器端盖和弹性顶紧机构端盖分别通过压电陶瓷驱动器端盖螺钉和弹性顶紧机构端盖螺钉与外筒紧密固定；圆形片工作台与圆筒相接触面为球面，圆形片工作台与圆筒为微间隙配合。

所述圆形片工作台与圆筒相接触面为球面，且球面直径略小于圆筒内径。

所述弹性顶紧机构为弹簧机构、柔性铰链机构或弹性片机构。

本发明的原理：本发明以一块圆形片为工作台；圆形片置放在一圆筒内，并与圆筒微间隙配合；圆形片与圆筒的配合面为球面，可实现圆形片工作台在圆筒内的转动、平移；圆形片工作台一端面设置3支圆周均布的压电陶瓷作为驱动器；圆形片工作台另一端面与驱动器对应位置设有弹性顶紧机构，该弹性顶紧机构使得圆形片工作台紧贴压电陶瓷驱动器；即实现了以3支压电陶瓷驱动器作为3点确定工作台面的定位。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明在制造时，圆筒内径根据圆形片外径配研，两者直径间隙可小于1μm（半径间隙可小于0.5μm）；同时，圆形片与圆筒的配合面为球面，可在圆筒内自由平移、滚动、旋转。

（2）本发明中，工作台三个自由度的运动与压电陶瓷驱动器伸长量构成函数关系，该函数关系满足解析几何学中三点确定一平面的理论，便于对工作台进行控制。

（3）本发明中，当工作台承受弯矩时，工作台存在以工作台与外筒的接触点为中心、绕其旋转的趋势；根据力学平衡理论，工作台两个端面受到的6个轴向力（3个压电陶瓷的驱动力和3个弹性顶紧机构的压力）将以该接触点为中心，形成防翻的合力矩，保持工作台的平衡。其中，3支驱动器不需要承受弯矩，只需承受轴向力，因此该工作台既可承载一定的弯矩，又避免了压电陶瓷被弯矩破坏。

（4）本发明中，工作台面为一块圆形片，当工作台上的器件需要穿线或光学贯穿等时，工作台面也可设置为一块圆环，便于操作和使用；此外，工作台面可在圆形片基础上外伸出其它所需结构。

附图说明

图1是本发明的Z-θx-θy三自由度抗弯矩高精度工作台整体结构示意图；

图2是本发明的圆形片工作台，其中左为主视图，右为侧视图；

图3是本发明的圆形片工作台运动或定位的几何模型；

图4是本发明的抗弯矩示意图。

其中：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压电陶瓷驱动器；5、圆筒；6、圆形片工作台；7、弹性顶紧机构端盖；8、弹性顶紧机构端盖螺钉；9、弹性顶紧机构顶丝；10、弹性顶紧机构；11、圆形片工作台锥形坑；12、圆形片工作台连接螺纹孔；13、圆形片工作台连接螺钉；14、圆形片工作台承载物体。

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1所示，本实例包含一块圆形片工作台6，在圆形片工作台6的一侧设有3支压电陶瓷驱动器4。压电陶瓷驱动器为圆周均布，其工作端与圆形片工作台6紧密接触；其固定端通过压电陶瓷驱动器螺钉1与压电陶瓷驱动器端盖2紧定。工作台的另一侧，与压电陶瓷驱动器4相对应的位置设有3支弹性顶紧机构10，弹性顶紧机构10通过弹性顶紧机构顶丝9定位在弹性顶紧机构端盖7上。压电陶瓷驱动器端盖2和弹性顶紧机构端盖7分别通过压电陶瓷驱动器端盖螺钉3和弹性顶紧机构端盖螺钉8与圆筒5紧定。圆形片工作台6与圆筒5相接触面为球面，两者微间隙配合。

如图2所示，圆形片工作台6正反两面各有3个圆周均布的圆形片工作台锥形坑11，用以与压电陶瓷驱动器4或顶紧机构10定位。圆形片工作台还设有6个圆周均布的圆形片工作台连接螺纹孔12，用于与外界物体相连。圆形片工作台6与圆筒5相配合的面为球面，其球面直径略小于圆筒5内径。

为了提高本工作台的精度，本工作台还可以包括一个计算机，所述的计算机用于输出电压信号给3支压电陶瓷驱动器4，并控制压电陶瓷驱动器4的伸长量。

本发明的工作过程如下：

如图1、图2所示，3支弹性顶紧机构10将施加一定的压紧力，使得圆形片工作台6与3支压电陶瓷驱动器4的顶点紧密接触；当计算机控制3支压电陶瓷驱动器4的伸长或缩短时，圆形片工作台6将随着与压电陶瓷驱动器4的3个接触点移动。

根据几何学理论，圆形片工作台6运动规律如下：

请参见图3，图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为分别为3支均布压电陶瓷驱动器4的轴向伸长量，a、b为接触点的距离，则Z-θx--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6延Z轴方向平移量；

θx—圆形片工作台6绕X轴方向旋转量；

θy—圆形片工作台6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4，圆形片工作台承载物体14通过圆形片工作台连接螺钉13连接在圆形片工作台6上，当圆形片工作台承载物体14受到重力或外力时，将产生以圆形片工作台6与圆筒5相接触点为轴心的弯矩M；3支压电陶瓷驱动器4和3支顶紧机构10将产生轴向力，该轴向力将形成以圆形片工作台6与圆筒5相接触点为轴心的合力矩，以平衡弯矩M。因此，本发明可承载一定的弯矩；而压电陶瓷驱动器4将不承受弯矩，避免了被弯矩损坏。

总之，本发明结构紧凑，可实现Z-θx-θy三自由度亚微米级精度的无耦合运动，并可承载一定弯矩载荷。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (3)

1.一种Z-θx-θy三自由度抗弯矩高精度工作台，其特征在于包括：压电陶瓷驱动器螺钉(1)、压电陶瓷驱动器端盖(2)、压电陶瓷驱动器端盖螺钉(3)、压电陶瓷驱动器(4)、圆筒(5)、圆形片工作台(6)、弹性顶紧机构端盖(7)、弹性顶紧机构端盖螺钉(8)、弹性顶紧机构顶丝(9)及弹性顶紧机构(10)；

其中，在圆形片工作台(6)的一侧设有3支压电陶瓷驱动器(4)，压电陶瓷驱动器(4)为圆周均布，压电陶瓷驱动器(4)的工作端与圆形片工作台(6)紧密接触；压电陶瓷驱动器(4)的固定端通过压电陶瓷驱动器螺钉(1)与压电陶瓷驱动器端盖(2)紧密固定；圆形片工作台(6)的另一侧，与压电陶瓷驱动器(4)相对应的位置设有3支弹性顶紧机构(10)，每支弹性顶紧机构(10)通过弹性顶紧机构顶丝(9)定位在弹性顶紧机构端盖(7)上；压电陶瓷驱动器端盖(2)和弹性顶紧机构端盖(7)分别通过压电陶瓷驱动器端盖螺钉(3)和弹性顶紧机构端盖螺钉(8)与圆筒(5)紧密固定；圆形片工作台(6)与圆筒(5)相接触面为球面，且球面直径略小于圆筒(5)内径。

2.根据权利要求1所述的Z-θx-θy三自由度抗弯矩高精度工作台，其特征在于：所述弹性顶紧机构(10)为弹簧机构、柔性铰链机构或弹性片机构。

3.根据权利要求1所述的Z-θx-θy三自由度抗弯矩高精度工作台，其特征在于：为了提高所述Z-θx-θy三自由度抗弯矩高精度工作台的精度，Z-θx-θy三自由度抗弯矩高精度工作台还包括一个计算机，所述的计算机用于输出电压信号给3支压电陶瓷驱动器(4)，并控制压电陶瓷驱动器(4)的伸长量。