CN104595642A - 一种二自由度压电驱动纳米定位平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二自由度压电驱动纳米定位平台，包括：XY运动平台本体通过X轴方向的全柔顺机构、Y轴方向的全柔顺机构以及十字花型XY解耦机构与基座连接；XY运动平台本体和基座的侧面分别安装有检查其X方向和Y方向运动的激光尺平面反射镜，激光尺平面反射镜分别与检测X、Y方向的激光尺读数头配合共同完成纳米定位平台两个自由度运动的检测与反馈；压电陶瓷驱动器分别镶嵌在X轴方向的全柔顺机构和Y轴方向的全柔顺机构中。本发明有益效果：利用柔性铰链作为运动副，通过其微形变来传递和解耦运动，减小了装配过程中引入的间隙误差，提高了运动传递的精确性。

Description

一种二自由度压电驱动纳米定位平台

技术领域

本发明涉及一种纳米精密定位工作台，特别是一种可应用于纳米光刻、扫描成像、量子功能材料制备、生物医学工程、微机电系统等高精度定位场合，可提供精密平面定位和跟踪的二自由度并联纳米定位工作台。

背景技术

近年来，微电子器件和集成化芯片加工技术，扫描显微成像技术，量子材料制备技术，生物医学工程技术等高精尖技术蓬勃发展，其系统所能达到的精度和性能在很大程度上依赖于其纳米移定位子系统的精度和性能。为了提高系统的总体精度和加工效率，扩展其功能，十分有必要设计一套可实现纳米级精度精密轨迹跟踪和运动操控的具有广泛应用领域的纳米移定位系统。

随着纳米光刻技术、扫描隧道显微镜、原子力显微镜、微机电系统等技术的发展，纳米移定位平台也有了长足的发展。在已有技术中，大多数移定位平台采用压电陶瓷驱动器驱动，带有放大机构的和解耦结构的串并联结构。并联结构相对于串联结构具有高刚度、高负载承载力、高速度和高定位精度等显著优势，但同时难于解耦。压电陶瓷驱动器驱动相较于传统驱动方式具有控制精度高、响应快、驱动力大、驱动功率低和工作频率宽等优点，但难以达到很大的行程。纳米定位平台中采用的放大机构通常包括传统杠杆放大和桥式放大机构，杠杆放大刚度高，为了达到较大的放大倍数必然会增大空间构型；桥式放大具有较大的放大比，但是刚度小，负载承载力过小。现有的设计平台，不能在大刚度和大行程，大放大比和小整体构型，高精度和易于解耦等条件之间得到很好的折中，基于已有技术的不足，研制具有新型机构形式和控制方法的高精度、大行程、高刚度、良好解耦性的纳米移定位系统，具有重要的理论意义和工程实用价值。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种二自由度压电驱动纳米定位平台，该定位平台响应迅速、定位精确，移动行程大，并可以实现实时跟踪特定平面轨迹的任务。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种二自由度压电驱动纳米定位平台，包括：基座、X轴方向的全柔顺机构、Y轴方向的全柔顺机构、十字花型XY解耦机构、XY运动平台本体、压电陶瓷驱动器以及激光尺平面反射镜；

所述XY运动平台本体通过X轴方向的全柔顺机构、Y轴方向的全柔顺机构以及十字花型XY解耦机构与所述基座连接；

所述XY运动平台本体和基座的侧面分别安装有检查其X方向和Y方向运动的激光尺平面反射镜，所述激光尺平面反射镜分别与检测X、Y方向的激光尺读数头配合共同完成纳米定位平台两个自由度运动的检测与反馈；

所述压电陶瓷驱动器分别镶嵌在X轴方向的全柔顺机构和Y轴方向的全柔顺机构中，用于驱动XY运动平台本体的二维运动。

所述十字花型XY解耦机构采用全柔性设计，由铰链折叠成中心对称的双层十字花结构，布置在XY运动平台本体的四角，用于实现XY运动平台本体在X、Y两个方向的平移解耦。

所述X轴方向的全柔顺机构包括：两组沿X轴方向布置且关于Y轴对称的第一复合平行四杆导向机构和第二复合平行四杆导向机构以及两组沿X轴方向布置关于Y轴对称的第一L型对称杠杆放大机构和第二L型对称杠杆放大机构；

所述第一复合平行四杆导向机构与第一L型对称杠杆放大机构铰接，第二复合平行四杆导向机构与第二L型对称杠杆放大机构铰接。

XY运动平台本体在X轴方向上的左右两边分别通过柔性铰链与两组对称的第一复合平行四杆导向机构和第二复合平行四杆导向机构的顶端相连；所述第一复合平行四杆导向机构和第二复合平行四杆导向机构的尾端分别通过柔性铰链与所述第一L型对称杠杆放大机构和第二L型对称杠杆放大机构的顶端相连；所述第一L型对称杠杆放大机构和第二L型对称杠杆放大机构的四个L型转折处分别通过旋转的柔性铰链与基座连接。

所述第二L型对称杠杆放大机构的两个L臂的尾端分别通过圆形铰链与导向块连接；两个导向块中分别放置契型块，导向块与契型块的斜边接触，契型块的平边与定位对中块的平边相接触；所述定位对中块分别通过其锥面与第一压电陶瓷驱动器的两个半球面相切；所述导向块右侧开有螺孔，用于通过螺钉压紧契型块，保证所述第一压电陶瓷驱动器的固定与预紧。

所述Y轴方向的全柔顺机构包括：两组沿Y轴方向布置关于X轴对称的第三复合平行四杆导向机构和第四复合平行四杆导向机构以及两组沿Y轴方向布置关于X轴对称的第三L型对称杠杆放大机构和第四L型对称杠杆放大机构；

所述第三复合平行四杆导向机构与第三L型对称杠杆放大机构铰接，第四复合平行四杆导向机构与第四L型对称杠杆放大机构铰接。

XY运动平台本体在Y轴方向的上下两边分别通过柔性铰链与两组对称的第三复合平行四杆导向机构和第四复合平行四杆导向机构的顶端相连；所述第三复合平行四杆导向机构和第四复合平行四杆导向机构的尾端通过柔性铰链分别与所述第三L型对称杠杆放大机构和第四L型对称杠杆放大机构的顶端相连；所述第三L型对称杠杆放大机构和第四L型对称杠杆放大机构的四个L型转折处分别通过旋转的柔性铰链与基座连接。

所述第四L型对称杠杆放大机构的两个L臂的尾端分别通过圆形铰链与导向块连接；两个导向块中分别放置契型块，导向块与契型块的斜边接触，契型块的平边与定位对中块的平边相接触；所述定位对中块分别通过其锥面与第二压电陶瓷驱动器的两个半球面相切；所述导向块右侧开有螺孔，用于通过螺钉压紧契型块，保证所述第二压电陶瓷驱动器的固定与预紧。

所述定位对中块用于实现压电陶瓷驱动器的定位、对中和保护；定位对中块为在长方形块中嵌入锥形面，所述锥形面与压电陶瓷驱动器的半球面配合，保证压电陶瓷驱动器的半球面在所述锥形面中小幅度地调整，且始终保持对中位置。

本发明的有益效果是：

1)本发明利用柔性铰链作为运动副，通过其微形变来传递和解耦运动，与传统的机械运动传递方式相比，减小了装配过程中引入的间隙误差，并不受运动传递过程中摩擦的影响，大大提高了运动传递的精确性。

2)本发明采用L型对称放大杠杆，与传统的杠杆放大相比，具有对称性，可以成功的消除XY两个方向的交叉耦合；有效地设计L型对称放大杠杆的参数，可以达到较大的位移放大比；在具有同等放大倍数的情况下，空间利用率更高。

3)本发明提出的十字花型XY解耦机构可以有效的消除XY两个方向的交叉耦合，四角对称的布置可以大大提高平台运动的稳定性和精确度，并对系统固有频率的提高具有十分显著的效果。

4)采用契型块和定位对中块组合设计，解决了压电陶瓷驱动器的安装问题，拆装方便，利于实现预紧调整；锥面的定位对中块设计，实现了半球形头的压电陶瓷驱动器的定位和对中，提高装配精度，防止压电陶瓷驱动器受剪切力而击穿，起到了良好的保护作用。

5)运动部件整体采用对称布置，减小了结构不对称造成的运动交叉耦合。

6)整个系统部件相配合成功实现了较大行程的平面运动，具有纳米级的定位精度，并保持了较高的固有频率和可靠性。平台采用6061铝-T2材料，经过线切割一体化技术加工完成，避免其他工序引入造成的误差损失，并可成功用于高真空状态，满足系统对于超高精度定位和跟踪功能的要求。

附图说明

图1为发明整体示意图；

图2为微动台主体结构图；

图3为发明装配结构图；

图4为微动台放大原理图；

图5(a)为十字花型XY解耦机构平面示意图；

图5(b)为十字花型XY解耦机构立体示意图；

图6为压电陶瓷驱动器安装结构示意图；

其中，1、基座，2、L型对称放大杠杆，3、复合平行四杆导向机构，4、十字花型XY解耦机构，5、XY运动平台本体，6、压电陶瓷驱动器，7、激光尺平面反射镜及镜架；

21、第一L型对称杠杆放大机构，22、第二L型对称杠杆放大机构，23、第三L型对称杠杆放大机构，24、第四L型对称杠杆放大机构，31、第一复合平行四杆导向机构，32、第二复合平行四杆导向机构，33、第三复合平行四杆导向机构，34、第四复合平行四杆导向机构，41、第一十字花型XY解耦机构，42、第二十字花型XY解耦机构，43、第三十字花型XY解耦机构，44、第四十字花型XY解耦机构；

61、第一压电陶瓷驱动器，611、第一压电陶瓷驱动器第一半球面，612、第一压电陶瓷驱动器的第二半球面，62、第二压电陶瓷驱动器，621、第二压电陶瓷驱动器的第一半球面，622、第二压电陶瓷驱动器的第二半球面；

71、第一激光尺反射镜及镜架，72、第二激光尺反射镜及镜架，73、第三激光尺反射镜及镜架，74、第四激光尺反射镜及镜架；

101、第一导向块，102、第二导向块，103、第三导向块，104、第四导向块，111、第一契型块，112、第二契型块，121、第一定位对中块，122、第二定位对中块，123、第三定位对中块，124、第四定位对中块，131、第一平头锁紧螺钉；

221、第二L型对称杠杆放大机构的第一L臂，222、第二L型对称杠杆放大机构的第二L臂，241、第四L型对称杠杆放大机构的第一L臂，242、第四L型对称杠杆放大机构的第二L臂。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

如图1和图2所示，本发明是一种基于压电陶瓷驱动器驱动的，在XY方向上并联解耦的微动纳米移定位平台，包括基座1、L型对称放大杠杆2、复合平行四杆导向机构3、十字花型XY解耦机构4、XY运动平台本体5、压电陶瓷驱动器6、激光尺平面反射镜及镜架7。

XY运动平台本体5和基座1通过X轴方向的全柔顺机构、Y轴方向的全柔顺机构、四角对称的第一十字花型XY解耦机构41、第二十字花型XY解耦机构42、第三十字花型XY解耦机构43、第四十字花型XY解耦机构44连接。

X轴方向的全柔顺机构包括：两组沿X方向布置关于Y轴对称的第一复合平行四杆导向机构31、第二复合平行四杆导向机构32，两组沿X轴方向布置关于Y轴对称的第一L型对称杠杆放大机构21、第二L型对称杠杆放大机构22。

Y轴方向的全柔顺机构包括：两组沿Y方向布置关于X轴对称的第三复合平行四杆导向机构33、第四复合平行四杆导向机构34、两组沿Y轴方向布置关于X轴对称的第三L型对称杠杆放大机构23、第四L型对称杠杆放大机构24。

XY运动平台本体5在X方向上的左右两边通过圆形柔性铰链与两组对称的第一复合平行四杆导向机构31、第二复合平行四杆导向机构32的顶端相连；两组对称的第一复合平行四杆导向机构31、第二复合平行四杆导向机构32的尾端通过圆形铰链分别与上下两边对称的第一L型对称杠杆放大机构21、第二L型对称杠杆放大机构22的顶端相连；上下两边对称的第一L型对称杠杆放大机构21、第二L型对称杠杆放大机构22的四个L型转折处分别通过旋转的柔性铰链与基座相连接。

XY运动平台本体5在Y方向上的上下两边通过圆形柔性铰链与两组对称的第三复合平行四杆导向机构33、第四复合平行四杆导向机构34的顶端相连；两组对称的第三复合平行四杆导向机构33、第四复合平行四杆导向机构34的尾端通过圆形铰链分别与上下两边对称的所述第三L型对称杠杆放大机构23、第四L型对称杠杆放大机构24的顶端相连；上下两边对称的第三L型对称杠杆放大机构23、第四L型对称杠杆放大机构24的四个L型转折处分别通过旋转的柔性铰链与基座相连接。

如图3所示，第二L型对称杠杆放大机构的第一L臂221的尾端通过圆形铰链和第一导向块101相连；第一导向块101中放置第一契型块111，并通过第一契型块的斜边相接触；第一契型块111的平边与第一定位对中块121的平边相接触；第一定位对中块121通过其锥面与第一压电陶瓷驱动器61的第一半球面611相切；第一导向块右侧101开有螺孔，通过第一平头锁紧螺钉131压紧第一契型块111，保证第一压电陶瓷驱动器61的固定与预紧；

第二L型对称杠杆放大机构的第二L臂222的尾端通过圆形铰链和第二导向块102相连；第二导向块102中放置第二定位对中块122并与其平边相接触；第二定位对中块122通过其锥面与第一压电陶瓷驱动器61的第二半球面612相切。

第四L型对称杠杆放大机构的第一L臂241的尾端通过圆形铰链和第三导向块103相连；第三导向块103中放置第二契型块112，并通过第二契型块112的斜边相接触；第二契型块112的平边与第三定位对中块123的平边相接触；第三定位对中块123通过其锥面与第二压电陶瓷驱动器62的第一半球面621相切；第三导向块103下侧开有螺孔，通过第二平头锁紧螺钉132压紧第二契型块112，保证第二压电陶瓷驱动器62的固定与预紧；

第四L型对称杠杆放大机构的第二L臂242的尾端通过圆形铰链和第四导向块104相连；第四导向块104中放置第四定位对中块124并与其平边相接触；第四定位对中块124通过其锥面与第二压电陶瓷驱动器62的第二半球面622相切。

定位对中块是为了完成压电陶瓷驱动器的定位、对中和保护而设计的，在一块长方形块中嵌入锥形面的设计，使得压电陶瓷驱动器的半球面可以在其中小幅度地调整，但始终保持对中位置，驱动过程中不会引起因压电陶瓷驱动器的侧向力而造成电流击穿。

XY运动平台本体5的左侧面安装有检查X方向运动的动第一激光尺反射镜及镜架71；XY运动平台本体5的上侧面安装有检查Y方向运动的动第三激光尺反射镜及镜架73；

基座1的左侧面安装有检查X方向运动的定第二激光尺反射镜及镜架72；基座1的左侧面安装有检查Y方向运动的定第四激光尺反射镜及镜架74；

第一激光尺反射镜及镜架71、第二激光尺反射镜及镜架72、第三激光尺反射镜及镜架73以及第四激光尺反射镜及镜架74分别与检测X、Y方向的激光尺读数头互相配合共同完成纳米移定位平台两个自由度运动的检测与反馈。

如图4所示，XY运动平台本体的X方向直线运动由第一压电陶瓷驱动器61驱动，其产生的Y方向的直线位移通过L型对称杠杆放大机构的位移方向变换作用，变换为X方向的位移；XY运动平台本体的Y方向直线运动由第二压电陶瓷驱动器62驱动，产生的X方向的直线位移通过L型对称杠杆放大机构的位移方向变换作用，变换为Y方向的位移；并且由于L型对称杠杆放大机构特殊结构设计，使得输入端到支点的距离远远小于输出端到支点的距离，因此在较小的结构空间的限制下达到了较大的放大比，进而实现了平台的大行程。又由于L型对称杠杆放大机构的对称设计，使得在位移方向变换的过程中不会造成像普通杠杆放大过程中出现的XY方向的耦合。复合平行四杆导向机构的设计在传递该方向直线平移运动的同时，尽量减小对另一方向运动传递的干扰，减小其位移传递损失。结构稳定性好。

如图5所示，本发明中创新地使用了十字花型XY解耦机构，该解耦机构采用全柔性设计，由长细的铰链折叠成中心对称的双层十字花结构，布置在XY运动平台本体的四角，由每个十字花结构的内角延伸出三角渐宽结构连接XY运动平台本体，由每个十字花结构的外角延伸出直角结构连接基座，该结构的使用大大提高了平台整体的刚度和稳定性，并且不妨碍平台在XY两个方向上的运动，自身设计属于中心对称，也不会造成平台移动时XY方向的耦合。

图6展示了压电陶瓷驱动器的安装结构，由图可以看出，压电陶瓷驱动器的两个对称半球头分别与定位对中块的锥面相切。通过契型块压紧镶嵌在X、Y方向的全柔顺机构中，起到驱动XY运动平台本体二维运动的效果；这样的设计使得初始安装的过程中球面可以在锥面中调整对心，得到良好的安装定位精度；而在使用过程中，由于杠杆的放大过程必定产生杠杆倾斜，但是锥面和球面之间的配合可以实时调整，使得压电陶瓷驱动器始终在其轴线方向均匀受力，避免了由于受力不均匀而造成的压电陶瓷驱动器弯曲，甚至击穿损坏，达到良好的保护效果。

平台的整体设计中，在没有压电陶瓷驱动器的两侧，同样布置着复合平行四杆导向机构和L型对称杠杆放大机构，使得发明整体在XY两个方向上是完全对称的，避免了由于不对称造成的结构耦合。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种二自由度压电驱动纳米定位平台，其特征是，包括：基座、X轴方向的全柔顺机构、Y轴方向的全柔顺机构、十字花型XY解耦机构、XY运动平台本体、压电陶瓷驱动器以及激光尺平面反射镜；

所述XY运动平台本体通过X轴方向的全柔顺机构、Y轴方向的全柔顺机构以及十字花型XY解耦机构与所述基座连接；

所述XY运动平台本体和基座的侧面分别安装有检查其X方向和Y方向运动的激光尺平面反射镜，所述激光尺平面反射镜分别与检测X、Y方向的激光尺读数头配合共同完成纳米定位平台两个自由度运动的检测与反馈；

所述压电陶瓷驱动器分别镶嵌在X轴方向的全柔顺机构和Y轴方向的全柔顺机构中，用于驱动XY运动平台本体的二维运动。

2.如权利要求1所述的一种二自由度压电驱动纳米定位平台，其特征是，所述十字花型XY解耦机构采用全柔性设计，由铰链折叠成中心对称的双层十字花结构，布置在XY运动平台本体的四角，用于实现XY运动平台本体在X、Y两个方向的平移解耦。

3.如权利要求1所述的一种二自由度压电驱动纳米定位平台，其特征是，所述X轴方向的全柔顺机构包括：两组沿X轴方向布置且关于Y轴对称的第一复合平行四杆导向机构和第二复合平行四杆导向机构以及两组沿X轴方向布置关于Y轴对称的第一L型对称杠杆放大机构和第二L型对称杠杆放大机构；

所述第一复合平行四杆导向机构与第一L型对称杠杆放大机构铰接，第二复合平行四杆导向机构与第二L型对称杠杆放大机构铰接。

4.如权利要求3所述的一种二自由度压电驱动纳米定位平台，其特征是，XY运动平台本体在X轴方向上的左右两边分别通过柔性铰链与两组对称的第一复合平行四杆导向机构和第二复合平行四杆导向机构的顶端相连；所述第一复合平行四杆导向机构和第二复合平行四杆导向机构的尾端分别通过柔性铰链与所述第一L型对称杠杆放大机构和第二L型对称杠杆放大机构的顶端相连；所述第一L型对称杠杆放大机构和第二L型对称杠杆放大机构的四个L型转折处分别通过旋转的柔性铰链与基座连接。

5.如权利要求3所述的一种二自由度压电驱动纳米定位平台，其特征是，所述第二L型对称杠杆放大机构的两个L臂的尾端分别通过圆形铰链与导向块连接；两个导向块中分别放置契型块，导向块与契型块的斜边接触，契型块的平边与定位对中块的平边相接触；所述定位对中块分别通过其锥面与第一压电陶瓷驱动器的两个半球面相切；所述导向块右侧开有螺孔，用于通过螺钉压紧契型块，保证所述第一压电陶瓷驱动器的固定与预紧。

6.如权利要求1所述的一种二自由度压电驱动纳米定位平台，其特征是，所述Y轴方向的全柔顺机构包括：两组沿Y轴方向布置关于X轴对称的第三复合平行四杆导向机构和第四复合平行四杆导向机构以及两组沿Y轴方向布置关于X轴对称的第三L型对称杠杆放大机构和第四L型对称杠杆放大机构；

所述第三复合平行四杆导向机构与第三L型对称杠杆放大机构铰接，第四复合平行四杆导向机构与第四L型对称杠杆放大机构铰接。

7.如权利要求6所述的一种二自由度压电驱动纳米定位平台，其特征是，XY运动平台本体在Y轴方向的上下两边分别通过柔性铰链与两组对称的第三复合平行四杆导向机构和第四复合平行四杆导向机构的顶端相连；所述第三复合平行四杆导向机构和第四复合平行四杆导向机构的尾端通过柔性铰链分别与所述第三L型对称杠杆放大机构和第四L型对称杠杆放大机构的顶端相连；所述第三L型对称杠杆放大机构和第四L型对称杠杆放大机构的四个L型转折处分别通过旋转的柔性铰链与基座连接。

8.如权利要求6所述的一种二自由度压电驱动纳米定位平台，其特征是，所述第四L型对称杠杆放大机构的两个L臂的尾端分别通过圆形铰链与导向块连接；两个导向块中分别放置契型块，导向块与契型块的斜边接触，契型块的平边与定位对中块的平边相接触；所述定位对中块分别通过其锥面与第二压电陶瓷驱动器的两个半球面相切；所述导向块右侧开有螺孔，用于通过螺钉压紧契型块，保证所述第二压电陶瓷驱动器的固定与预紧。

9.如权利要求5或8所述的一种二自由度压电驱动纳米定位平台，其特征是，所述定位对中块用于实现压电陶瓷驱动器的定位、对中和保护；定位对中块为在长方形块中嵌入锥形面，所述锥形面与压电陶瓷驱动器的半球面配合，保证压电陶瓷驱动器的半球面在所述锥形面中小幅度地调整，且始终保持对中位置。