CN106739504B - 一种基于柔性铰链的五自由度精密对准机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔性铰链的五自由度精密对准机构，其包括有支撑组件(1)、检测组件(2)、两二自由度XY平台(3)、Z轴直线导向平台(4)、X轴转动平台(5)、Z轴转动平台(6)和安装面板(7)。两二自由度XY平台(3)上设计两组Scott‑Russell机构和杠杆机构组合的放大机构，用来增大XY平台两个方向上的输出位移。Z轴直线导向平台(4)上设计两组平行四边形机构以增大直线平台的输出导向性能，减少寄生误差，提高运动精度。X轴转动平台(5)考虑到绕X方向的偏转运动的转动中心需要落在被测件的中心，因此，该运动的转动中心为具备远程转动特性。对Z轴转动平台(6)采用蝴蝶铰的构型，能够获得更大的输出角度和更稳定的转动输出，减少了运动误差。

Description

一种基于柔性铰链的五自由度精密对准机构

技术领域

本发明涉及一种应用于喷墨式卷对卷印刷电子设备中的对准机构。更特别地说，是指一种基于柔性铰链的五自由度精密对准机构。

背景技术

印刷电子技术是一种利用传统印刷技术在多种衬底上制造电子元器件或者系统的一门技术。与一般的印刷工艺不同，印刷电子技术需要能够印刷具有多层结构特性的功能型器件，对于这类器件而言，层与层之间的套准精度(Overlay Accuracy)至关重要，套准精度的高低将直接影响电子器件的性能。要印刷这样的器件，就需要一套精密对准系统来实现层与层间的套准。在现今高端的印刷电子设备中，一套超精密的对准系统不可或缺，且越来越显示其重要性。

对于喷墨式卷对卷印刷电子设备而言，喷印环节是整个印刷单元的最后一个环节，如何在这一环节提高套准精度对于提高印刷电子设备整体性能具有重要意义。喷墨头与薄膜上图案的对准是一个空间五自由度的误差消除问题，这些误差包括：喷墨头相对图案的距离，喷墨头与图案的位置偏差，以及喷墨头相对薄膜的倾斜偏差。因此，对应这五个自由度上可能产生的误差，一套高性能的喷印系统需要的对准机构也应该具有相应五个方向的运动对准能力，才能有效的补偿误差，实现高精密对准。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于喷墨式多层卷对卷印刷电子设备的、基于柔性铰链的五自由度定位对准机构。本发明五自由度定位对准机构采用串并联结合的设计的方式，部件采用电火花线切割一体化加工，避免了运动部件装配的过程，减少了由此引入的误差。本发明以两二自由度XY平台(3)、Z轴直线导向平台(4)、X轴转动平台(5)和Z轴转动平台(6)四个主要部分，形成对输出端的五个自由度的解耦定位对准运动。

两自由度XY平台是由两个压电陶瓷驱动的可以实现两个方向解耦运动的柔性定位平台。考虑到压电陶瓷行程小、推力大的特点，为了满足对准机构移动范围的需要，XY平台采用了Scott-Russell机构和杠杆机构共同组成的两级位移放大机构来增大XY平台两个方向上的输出位移。放大机构是由圆弧缺口型柔性铰链组成，XY平台的运动部分由簧片型柔性铰链组成，其中双簧片实现输入解耦而柔性平行四边形机构起导向作用，另外，中间部位的双平行四边形导向机构起导向和输出解耦的作用。Z向直线导向机构由两组平行四边形机构组成，以增大直线平台的导向性能，减少寄生误差，提高运动精度。Z向直线导向机构采用的是音圈电机驱动，考虑到音圈电机行程较大而输出力较小，因此，机构采用的簧片型柔性铰链，以得到较小的机构运动刚度。为了保证运动的稳定，提高运动的精度，对准机构在该自由度上的运动由两个相同的部分组成。该机构由压电陶瓷驱动，通过两个远程转动机构相同方向的转动。对准机构的Z轴转动平台是基于蝴蝶铰的构型设计的。由于簧片型铰链组成的蝴蝶铰构型转动刚度低，容易受到干扰，因此，在簧片的中部厚度进行加强，以得到合适的转动刚度，保证机构的稳定性。另外，为了得到精度较高的运动控制，该机构的驱动选用的是压电陶瓷，也就是说是在小范围内将压电陶瓷的直线输出转化为对准机构的转动。

本发明设计的五自由度精密对准机构的优点在于：

1.该发明所有运动机构均采用一体化设计，通过电火花线切割加工，避免了一个自由度方向上运动机构装配过程可能出现的误差。驱动器根据具体需要选择具有高输出力、高分辨率的压电陶瓷和具有大行程、高响应速度的音圈电机驱动器，保证了在不同自由度机构构型设计和运动需要的情况下对准机构都有较高精度的位移或角度输出；其中，压电陶瓷的预紧方式根据构型需要采用螺钉预紧和弹簧预紧，同时压电陶瓷和音圈电机均固定于机构内部，可以使对准机构更紧凑。

2.针对压电陶瓷驱动器的行程小的特点，设计采用Scott-Russell机构和杠杆机构共同组成的两级位移放大机构来增大输出位移，在保证输出精度的前提下，可以获得较大的位移输出。

3.相比单一的杠杆放大机构，Scott-Russell机构和杠杆机构组成的两级位移放大机构具有更大的输出刚度和更大的位移放大倍数，因此在驱动柔性机构时可以获得更大的输出位移。

4.机构均采用对称式设计，包括双平行四边形机构和部件的对称布置等，避免了由于温度等外界因素的变化对机构的影响，提高机构的对准定位精度。

5.机构采用串并联结合的设计方式，实现了在设计的五个自由度方向上的解耦运动输出，避免了各个自由度方向上对准过程中的相互干扰，提高了机构对准定位的精度。

6.运动传递机构采用柔性机构，也即柔性元件的弹性变形来实现，避免了传统刚性机构本身无法避免的间隙、摩擦以及润滑等方面的影响，有效地保证了对准机构的对准精度。

附图说明

图1是本发明基于柔性铰链的五自由度精密对准机构的结构图。

图1A是本发明基于柔性铰链的五自由度精密对准机构的另一视角结构图。

图1B是未装配外部支撑的五自由度精密对准机构的结构图。

图1C是本发明对准机构中Z轴直线导向平台与X轴转动平台的装配图。

图1D是本发明对准机构中Z轴直线导向平台与两自由度XY平台的装配图。

图2是本发明检测组件的结构图。

图3是本发明两自由度XY平台的结构图。

图3A是本发明两自由度XY平台的另一视角结构图。

图3B是本发明两自由度XY平台的图片。

图3C是本发明两自由度XY平台中凸起柔性单元的正视图。

图3D是本发明两自由度XY平台中凸起柔性单元的左视图。

图3E是本发明两自由度XY平台中凸起柔性单元的俯视图。

图3F是本发明两自由度XY平台中凸起柔性单元的立体图。

图3G是本发明两自由度XY平台的俯视图。

图4是本发明Z轴直线导向机构的结构图。

图4A是本发明Z轴直线导向机构中DA导向本体的正视图。

图4B是本发明Z轴直线导向机构中DB导向本体的正视图。

图5是本发明X轴转动组件的结构图。

图5A是本发明X轴转动组件中EA运动传递机构的正视。

图6是本发明Z轴转动组件的结构图。

图6A是本发明Z轴转动组件的另一视角结构图。

图6B是本发明Z轴转动组件的分解图。

图6C是本发明Z轴转动组件中Z轴转动平台的结构图。

图6D是本发明Z轴转动组件中Z轴转动平台的正视图。

图6E是本发明Z轴转动组件中Z轴转动输入件的正视图。

图6F是本发明Z轴转动组件中Z轴转动输入件的结构图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

参见图1、图1A、图1B所示，本发明设计了一种应用于喷墨式卷对卷印刷电子设备中的、基于柔性铰链的五自由度精密对准机构，该五自由度精密对准机构包括有支撑组件1、检测组件2、两二自由度XY平台3、Z轴直线导向平台4、X轴转动平台5、Z轴转动平台6和安装面板7。

被试件2C为十字结构体，被试件2C的X轴方向的梁位于BA竖直支撑板2A的BA开口槽2A1与BB竖直支撑板2B的BB开口槽2B1中；被试件2C的连接端2C1固定在Z轴转动平台6A的Z轴中心圆台6A1的底部。

在本发明中，五自由度是指XYZ三个方向的移动、绕X轴的转动和绕Z轴的转动。

本发明设计的五自由度精密对准机构为了减少装配误差，柔性铰链通过电火花线切割的方式一体化加工，材料为7075铝合金。柔性铰链采用圆弧型柔性铰链和簧片型柔性铰链。

支撑组件1

参见图1、图1A、图1B所示，支撑组件1包括有AA竖直支撑板1A、AB竖直支撑板1B、AA横向支撑板1C和AB横向支撑板1D。

其中，AA竖直支撑板1A与AB竖直支撑板1B结构相同；AA竖直支撑板1A上设有AA减重孔1A1；AB竖直支撑板1B上设有AB减重孔1B1。AA竖直支撑板1A的AA减重孔1A1的上端部上固定有AA横向支撑板1C的一端，AB竖直支撑板1B的AB减重孔1B1的上端部上固定有AA横向支撑板1C的另一端。AA横向支撑板1C的中部固定在CB支架3-2上。

AA竖直支撑板1A与AB竖直支撑板1B平行放置；且AA竖直支撑板1A的下端固定在安装面板7上，AA竖直支撑板1A的上端端部固定有AB横向支撑板1D的一端；AB竖直支撑板1B的下端固定在安装面板7上，AB竖直支撑板1B的上端端部固定有AB横向支撑板1D的另一端。AB横向支撑板1D的中部固定在CC支架3-3、CA支架3-1和CD支架3-4上。

检测组件2

参见图2所示，检测组件2包括有三个电容传感器(图中示出了电容传感器的探头)、BA竖直支撑板2A和BB竖直支撑板2B。其中，BA竖直支撑板2A与BB竖直支撑板2B结构相同。

BA竖直支撑板2A的上端设有BA开口槽2A1，BA开口槽2A1上设有用于放置电容传感器探头的沿Z轴方向设置的BI通孔(图中未示出)；所述BA开口槽2A1的两边是BA支臂2A2与BB支臂2A3；BA支臂2A2上设有用于安装A电容传感器探头2D的BA通孔2A2A和BB通孔2A2B；所述BA通孔2A2A沿Y轴方向设置；所述BB通孔2A2B沿X轴方向设置。BB支臂2A3上设有用于安装电容传感器探头的BC通孔2A3A和BD通孔2A3B；所述BC通孔2A3A沿Y轴方向设置；所述BD通孔2A3B沿X轴方向设置。在图2中，A电容传感器探头2D是固定在沿Y轴方向设置的BA通孔2A2A中。

BB竖直支撑板2B的上端设有BB开口槽2B1，BB开口槽2B1上设有用于放置C电容传感器探头2F的BJ通孔2B1A，BJ通孔2B1A沿Z轴方向设置；所述BB开口槽2B1的两边是BC支臂2B2与BD支臂2B3；BC支臂2B2上设有用于安装B电容传感器探头2E的BE通孔2B2A和BF通孔2B2B；所述BE通孔2B2A沿Y轴方向设置；所述BF通孔2B2B沿X轴方向设置。BD支臂2B3上设有用于安装电容传感器探头的BG通孔2B3A和BH通孔2B3B；所述BG通孔2B3A沿Y轴方向设置；所述BH通孔2B3B沿X轴方向设置。在图2中，B电容传感器探头2E是固定在沿X轴方向设置的BF通孔2B2B中。

在本发明中，电容传感器选用的性能参数为：分辨率4纳米、最大测量范围250微米和测量线性度不低于0.1％。

两自由度XY平台及支架

参见图1B、图1D、图3、图3A所示，两自由度XY平台3是由两个压电陶瓷驱动的可以实现两个方向解耦运动的柔性定位平台。考虑到压电陶瓷驱动器(3-5、3-6)行程小、推力大的特点，为了满足对准机构移动范围的需要，两自由度XY平台3采用了Scott-Russell机构和杠杆机构共同组成的两级位移放大机构来增大两自由度XY平台3两个方向上的输出位移。Scott-Russell机构和杠杆机构是由圆弧缺口型柔性铰链组成。两自由度XY平台3的运动部分由簧片型柔性铰链组成，其中CA簧片3A14和CB簧片3A15(配合对称设置的CC簧片3A16和CD簧片3A17)实现输入解耦，而柔性CA平行四边形导向机构3A13(配合对称设置的CB平行四边形导向机构3A18)起导向作用。两两对称设置的双平行四边形导向机构(3A31、3A32、3A33和3A34)起导向和输出解耦的作用。

参见图1B、图1D、图3、图3A、图3B所示，两自由度XY平台3为采用线切割技术加工成的一体结构件。通过线切割技术使得两自由度XY平台3上设有刚性的CA固定板3A、CB固定板3C、CC固定板3D、CA输入板3E、CB输入板3F、输出板3B、CA矩形通孔3G和CB矩形通孔3H，以及柔性单元。所述CA矩形通孔3G用于放置CA压电陶瓷驱动器3-5，CA压电陶瓷驱动器3-5的输出端与CA输入板3E的端部接触，CA压电陶瓷驱动器3-5的另一端通过CA预紧螺钉3-51顶紧，CA预紧螺钉3-51穿过两自由度XY平台3侧边上的通孔。所述CB矩形通孔3H用于放置CB压电陶瓷驱动器3-6，CB压电陶瓷驱动器3-6的输出端与CB输入板3F的端部接触，CB压电陶瓷驱动器3-6的另一端通过CB预紧螺钉3-61顶紧，CB预紧螺钉3-61穿过两自由度XY平台3相邻侧边上的通孔。所述柔性单元包括有X轴方向的柔性单元、Y轴方向的柔性单元和凸起柔性单元；X轴方向的柔性单元和Y轴方向的柔性单元设置在CA固定板3A上；凸起柔性单元设置在输出板3B的上下。

参见图3B、图3G所示，两自由度XY平台3的外部切割构型有结构相同的X轴方向的柔性单元和Y轴方向的柔性单元；

所述X轴方向的柔性单元包括有CA杠杆放大机构3A11、第一Scott-Russell机构3A12、CA平行四边形导向机构3A13、CA簧片3A14、CB簧片3A15、CC簧片3A16、CD簧片3A17、CB平行四边形导向机构3A18；从驱动力输入至输出顺次设置为CA杠杆放大机构3A11、第一Scott-Russell机构3A12、CA平行四边形导向机构3A13、CA簧片3A14和CB簧片3A15，为了满足输出板3B的平衡解耦，设置对称的CB平行四边形导向机构3A18与CA平行四边形导向机构3A13、平行放置的CC簧片3A16和CD簧片3A17与CA簧片3A14和CB簧片3A15达到X轴方向的柔性单元平衡解耦。

所述Y轴方向的柔性单元包括有CB杠杆放大机构3A21、第二Scott-Russell机构3A22、CC平行四边形导向机构3A23、CE簧片3A24、CF簧片3A25、CG簧片3A26、CH簧片3A27、CD平行四边形导向机构3A28；从驱动力输入至输出顺次设置为CB杠杆放大机构3A21、第二Scott-Russell机构3A22、CC平行四边形导向机构3A23、CE簧片3A24和CF簧片3A25，为了满足输出板3B的平衡解耦，设置对称的CD平行四边形导向机构3A28与CC平行四边形导向机构3A23、平行放置的CG簧片3A26和CH簧片3A27与CE簧片3A24和CF簧片3A25达到Y轴方向的柔性单元平衡解耦。

其中，输出板3B的四边(A边、B边、C边和D边，所述A边与C边为相对边，所述B边与D边为相对边)分别与平行放置的两个簧片接合，位于输出板3B四边的簧片结构是相同的。即输出板3B的A边与平行放置的CA簧片3A14与CB簧片3A15接合，输出板3B的B边与平行放置的CG簧片3A26与CH簧片3A27接合，输出板3B的C边与平行放置的CC簧片3A16与CD簧片3A17接合，输出板3B的D边与平行放置的CE簧片3A24与CF簧片3A25接合。

参见图3B、图3C、图3D、图3E、图3F所示，两自由度XY平台3的内部切割构型为凸起柔性单元；所述凸起柔性单元包括有CA双平行四边形导向机构3A31、CB双平行四边形导向机构3A32、CC双平行四边形导向机构3A33和CD双平行四边形导向机构3A34；CA双平行四边形导向机构3A31与CB双平行四边形导向机构3A32的结构相同(如图3C、图3F所示)；CC双平行四边形导向机构3A33与CD双平行四边形导向机构3A34的结构相同(如图3D、图3F所示)。

参见图1B、图1D、图3、图3A所示，两自由度XY平台3的CA固定板3A的上面板上固定有平行放置的CA支架3-1的底部、CC支架3-3的底部和CD支架3-4的底部；CA支架3-1的另一端固定在CB固定板3C与AB横向支撑板1D之间；CC支架3-3的另一端与CD支架3-4的另一端固定在AB横向支撑板1D上；两自由度XY平台3的CC固定板3D的下面板上固定有CB支架3-2的底部，CB支架3-2的另一端固定在AA横向支撑板1C上。平行放置的CA支架3-1、CC支架3-3和CD支架3-4的一端固定有AB横向支撑板1D，CB支架3-2的一端固定有AA横向支撑板1C。在本发明中，4个支架的设计是为了与支撑组件1的稳定固定。

Z轴直线导向组件4

参见图1C、图4、图4A所示，Z轴直线导向平台4包括有DA导向本体4A、DB导向本体4B、DA支架4C和音圈电机4D。其中，DA导向本体4A与DB导向本体4B的结构相同。音圈电机4D的定子固定在DA支架4C上，音圈电机4D的动子固定在EA支架5C上。DA支架4C固定在平行放置的DA导向本体4A与DB导向本体4B之间。DA导向本体4A与DB导向本体4B的顶部固定在两自由度XY平台3的底部。

参见图4A所示，DA导向本体4A采用线切割技术加工。DA导向本体4A上设有DA固定板4A1、DA输出板4A2、DA平行四边形导向机构4A3和DB平行四边形导向机构4A4。所述DA固定板4A1的一边面板上设有供DA螺钉4E穿过的DA通孔4A11，所述DA固定板4A1的另一边面板上设有供DB螺钉4F穿过的DB通孔4A12；穿过DA通孔4A11后的DA螺钉4E螺纹连接在DA支架4C一端面的螺纹孔中；穿过DB通孔4A12后的DB螺钉4F螺纹连接在DA支架4C一端面的螺纹孔中；通过DA螺钉4E和DB螺钉4F实现了DA导向本体4A的DA固定板4A1与DA支架4C一端的固定。

参见图4B所示，DB导向本体4B上设有DB固定板4B1、DB输出板4B2、DC平行四边形导向机构4B3和DD平行四边形导向机构4B4。所述DB固定板4B1的一边面板上设有供DC螺钉4G穿过的DC通孔4B11，所述DB固定板4B1的另一边面板上设有供DD螺钉4H穿过的DD通孔4B12；穿过DC通孔4B11后的DC螺钉4G螺纹连接在DA支架4C另一端面的螺纹孔中；穿过DD通孔4B12后的DD螺钉4H螺纹连接在DA支架4C另一端面的螺纹孔中；通过DC螺钉4G和DD螺钉4H实现了DB导向本体4B的DB固定板4B1与DA支架4C另一端的固定。

在本发明中，DA导向本体4A与DB导向本体4B的运动是相同且同时完成的，即音圈电机4D推动EA支架5C沿Z轴方向移动，EA支架5C的运动带动了DA导向本体4A的DA输出板4A2沿Z轴方向移动，在两个平行四边形导向机构(4A3、4A4)作用下，保证所述DA输出板4A2沿Z轴作直线运动。音圈电机4D推动EA支架5C沿Z轴方向移动，EA支架5C的运动带动了DB导向本体4B上的DB输出板4B2沿Z轴方向移动，在两个平行四边形导向机构(4B3、4B4)作用下，保证所述DB输出板4B2沿Z轴作直线运动。

在本发明中，Z向直线导向机构4由两组平行四边形导向机构(4A3与4A4和4B3与4B4)组成，以增大直线平台的导向性能，减少寄生误差，提高运动精度。Z向直线导向机构4采用的是音圈电机驱动，考虑到音圈电机行程较大而输出力较小，因此，导向机构采用的簧片型平行四边形柔性铰链，以得到较小的机构运动刚度。

X轴转动组件5

参见图1C、图5、图5A所示，X轴转动平台5包括有EA运动传递机构5A、EB运动传递机构5B、EA支架5C、EA预紧弹簧心轴5D、EB预紧弹簧心轴5E、EA预紧弹簧5F、EB预紧弹簧5G、EA压电陶瓷驱动器5H和EB压电陶瓷驱动器5I。其中，第一X轴转动平台5A与第二X轴转动平台5B的结构相同。EA支架5C为十字结构，即EA支架5C上设有EA支臂5C1、EB支臂5C2、EC支臂5C3和ED支臂5C4；EA支臂5C1上设有供EE螺钉5C5穿过的通孔，EB支臂5C2上设有供EF螺钉5C6穿过的通孔，EA支架5C的中部设有供EG螺钉5C7穿过的通孔。通过EE螺钉5C5使DA支架5C的EA支臂5C1与DA导向本体4A的DA输出板4A2的底部固定。通过EF螺钉5C6使DA支架5C的EB支臂5C2与DB导向本体4B的DB输出板4B2的底部固定。通过EG螺钉5C7使音圈电机4D固定在EA支架5C上。

参见图5A所示，EA运动传递机构5A上设有多个圆弧型铰链、EA固定板5A1、EA输出板5A2、EA刚性梁5A3、EB刚性梁5A6、EC刚性梁5A7、ED刚性梁5A8、EE刚性梁5A9、EA矩形通孔5A4和EB矩形通孔5A5。EA矩形通孔5A4内安装有EA压电陶瓷驱动器5H，EA压电陶瓷驱动器5H的输出端与EA刚性梁5A3的端面接触。EB矩形通孔5A5内放置有EA预紧弹簧5F，且EA预紧弹簧5F套接在EA预紧弹簧心轴5D上，EA预紧弹簧心轴5D螺纹连接在EB刚性梁5A6的EA螺纹孔5A61中，且伸入EB矩形通孔5A5内。EA固定板5A1上设有供EA螺钉5A-31穿过的通孔，通过EA螺钉5A-31实现EA运动传递机构5A与EA支架5C的EC支臂5C3固定。EA输出板5A2上设有供EB螺钉5A-32穿过的通孔，通过EB螺钉5A-32实现EA运动传递机构5A与Z轴转动组件6中的Z轴转动平台6A一端固定。

在本发明中，EA运动传递机构5A上的每个圆弧型铰链是由两个圆形切缝构成。参见图5A所示，第一个圆弧型铰链的变形点记为EA变形点5A-1；第二个圆弧型铰链的变形点记为EB变形点5A-2；第三个圆弧型铰链的变形点记为EC变形点5A-3；第四个圆弧型铰链的变形点记为ED变形点5A-11；第五个圆弧型铰链的变形点记为EE变形点5A-12；第六个圆弧型铰链的变形点记为EF变形点5A-13；第七个圆弧型铰链的变形点记为EG变形点5A-21；第八个圆弧型铰链的变形点记为EH变形点5A-22；第九个圆弧型铰链的变形点记为EI变形点5A31。在本发明中，EA运动传递机构5A为平行四边形运程运动机构，因此EA虚拟转动中心点5A-23设置在所述EA运动传递机构5A的EA输出板5A2的下方。连接EA变形点5A-1与EE变形点5A-12构成线段A，连接EB变形点5A-2与EH变形点5A-22构成线段B，连接EC变形点5A-3与EA虚拟转动中心点5A-23构成线段C，连接ED变形点5A-11与EE变形点5A-12构成线段D，连接EE变形点5A-12与EH变形点5A-22构成线段E，连接EF变形点5A-13与EA虚拟转动中心点5A-23构成线段F，使得线段A、线段B、线段D和线段E形成一个平行四边形柔性驱动机构；使得线段B、线段C、线段E和线段F形成另一个平行四边形柔性驱动机构。

EA运动传递机构5A的运动关系：EA压电陶瓷驱动器5H的驱动下推动EA刚性梁5A3运动，通过EI变形点5A31推动EB刚性梁5A6绕EG变形点5A-12转动，于是EA变形点5A-1和ED变形点5A-11也绕EG变形点5A-12转动，依据平行四边形运程运动机构的运动原理，EB变形点5A-2和EE变形点5A-12以及EC刚性梁5A7绕EH变形点5A-22转动，EC变形点5A-3和EF变形点5A-13以及EA输出板5A2绕EA虚拟转动中心点5A-23转动，最后将运动传递到Z轴转动组件6的Z轴转动平台6A上，最终带动被试件2C轮动。

参见图1C、图5所示，EB运动传递机构5B上的固定板上设有供EC螺钉5B-31穿过的通孔，通过EC螺钉5B-31实现EB运动传递机构5B与EA支架5C的ED支臂5C4固定。EB运动传递机构5B上的输出板上设有供ED螺钉5B-32穿过的通孔，通过ED螺钉5B-32实现EB运动传递机构5B与Z轴转动组件6中的Z轴转动平台6A另一端固定。

在本发明中，X轴转动平台5是基于平行四边形远程运动机构的运动原理，其通过两个对称分布的平行四边形机构组成。这种结构可以使输出端绕着机构外虚拟点转动，为了保证运动的稳定，提高运动的精度，对准机构在该自由度(绕X轴的转动)上的运动由两个相同的EA运动传递机构5A、EB运动传递机构5B组成。该机构由压电陶瓷驱动，通过两个远程转动机构相同方向的转动带动虚拟点转动。

Z轴转动组件6

参见图6、图6A、图6B所示，Z轴转动组件6包括有Z轴转动平台6A、Z轴转动输入件6B、F压电陶瓷驱动器6C、F预紧弹簧6D和F预紧弹簧心轴6E。

参见图6C、图6D所示，Z轴转动平台6A为采用线切割技术加工而成的一体结构件。Z轴转动平台6A的中部是Z轴中心圆台6A1、FA动平台6A11和FB动平台6A12；沿Z轴中心圆台6A1的外圆周均匀分布有FA簧片6A3、FB簧片6A4、FC簧片6A5和FD簧片6A6，FA簧片6A3与FB簧片6A4的一端是FA动平台6A11，FC簧片6A5与FD簧片6A6的一端是FB动平台6A12。Z轴中心圆台6A1上设有放置FB螺钉62的FC螺纹孔6A-3，以及放置BA螺钉2C2的FD螺纹孔6A-4，Z轴转动平台6A的Z轴中心圆台6A1底部固定有被试件的连接端。

参见图6C、图6D所示，Z轴转动平台6A的四边为两两对称设置有FA安装台6A2A和FB安装台6A2B、FA限位台6A2C和FC限位台6A2D；FA限位台6A2C与FA动平台6A11之间设有FE簧片6A7和FF簧片6A8，且FE簧片6A7与FF簧片6A8位于FA簧片6A3与FB簧片6A4之间；FC限位台6A2D与FB动平台6A12之间设有FG簧片6A9和FH簧片6A10，且FG簧片6A9与FH簧片6A10位于FC簧片6A5与FD簧片6A6之间。

参见图6B、图6D、图6E所示，Z轴转动输入件6B上设有Z轴转动块6B1和Z轴本体6B8；

所述Z轴本体6B8上设有FA通孔6B4、FC通孔6B6和FA螺纹孔6B7，FA螺钉61穿过FA通孔6B4后螺纹连接在FA安装台6A2A的FA螺纹孔6A-1中，FC螺钉63穿过FC通孔6B6后螺纹连接在FB安装台6A2B的FB螺纹孔6A-2中，FA螺纹孔6B7用于放置预紧弹簧心轴6E；Z轴本体6B8的底部与Z轴转动平台6A的上部之间设有FA运动间隙6F，在F压电陶瓷驱动器6C提供的驱动力条件下，通过Z轴转动输入件6B传递到Z轴转动平台6A的Z轴中心圆台6A1上的运动不受Z轴本体6B8的干涉。

所述Z轴转动块6B1上设有FB通孔6B5、FA圆弧型铰链6B1A和FB圆弧型铰链6B1B；FB螺钉62穿过FB通孔6B5后螺纹连接在Z轴中心圆台6A1的FC螺纹孔6A-3中；当通过FB螺钉62将Z轴转动输入件6B与Z轴转动平台6A固定后，使得Z轴转动块6B1作为了Z轴转动中心。

在本发明中，Z轴转动平台6A的Z轴中心圆台6A1的转动中心点记为O₁(如图6D)，Z轴转动输入件6B的变形点记为O₂(如图6E，即设置在FA圆弧型铰链6B1A上)。F压电陶瓷驱动器6C的输出端与Z轴转动块6B1的一端面接触，使得F压电陶瓷驱动器6C的输出运动通过FB圆弧型铰链6B1B带动FA圆弧型铰链6B1A绕着所述FA圆弧型铰链6B1A与Z轴中心圆台6A1重合(O₁与O₂重合)的转动中心转动。由于F压电陶瓷驱动器6C的输出位移较小，为了保证Z轴转动组件6的输出转动角足够大，Z轴转动输入件6B可以使F压电陶瓷驱动器6C的直线输出离转动中心点O₂较近，从而获得足够大的转动角度输出。同时FB圆弧型铰链6B1B可以避免Z轴转动块6B1在变形点O₂转动过程中对F压电陶瓷驱动器6C产生侧向偏移，保证F压电陶瓷驱动器6C输出端与Z轴转动块6B1的端面始终接触。

Z轴转动输入件6B的两端通过螺钉(61、63)固定安装在Z轴转动平台6A的FA安装台6A2A与FB安装台6A2B上，Z轴转动输入件6B的Z轴转动块6B1通过FB螺钉62与Z轴转动平台6A的Z轴中心圆台6A1固定。

在本发明中，Z轴转动平台6A是基于蝴蝶铰的构型设计的。由于簧片型铰链组成的蝴蝶铰构型转动刚度低，容易受到干扰，因此，在簧片的中部厚度进行加强，以得到合适的转动刚度，保证Z轴转动平台6A的稳定性。另外，为了得到精度较高的运动控制，该Z轴转动平台6A的驱动选用的是压电陶瓷驱动器，也就是说是在小范围内将压电陶瓷驱动器的直线输出转化为对准机构的转动。

安装面板7

参见图1、图1A所示，安装面板7上设有多个限位安装孔7A，通过限位安装孔7A一方面实现将支撑组件1中的AA竖直支撑板1A的一端和AB竖直支撑板1B的一端固定在安装面板7上，通过限位安装孔7A另一方面实现将检测组件2中的BA竖直支撑板2A的一端和BB竖直支撑板2B的一端固定在安装面板7上。

在本发明中，限位安装孔7A的设计是为了辅助对准机构在安装面板7的XY平面内的位置约束。

本发明设计的基于柔性铰链的五自由度精密对准机构，两自由度XY平台3在300N(压电陶瓷驱动器驱动)输入力作用下，可以产生171.29微米的输出位移，同时在两自由度XY平台3的解耦性能可以很好，没有出现有影响的干扰运动；Z轴直线导向平台4在20N(音圈电机驱动)输入力的作用下，可以产生205.32微米的输出位移；X轴转动平台5和Z轴转动平台6都是按照设计的转动中心转动，并且分别在150N(压电陶瓷驱动器驱动)输入力和120N(压电陶瓷驱动器驱动)输入力的作用下，其输出转角分别可以达到0.502度和0.824度。

本发明设计了一种基于柔性铰链的五自由度精密对准机构，所要解决的是喷墨式卷对卷印刷电子设备中的对准误差补偿的技术问题；在深入了解了喷墨式卷对卷印刷电子生产工艺过程后，对多层套准误差来源进行了深入分析。针对多层套准误差导致生产效率受损，产品质量失效等问题，通过引入五自由度柔性对准机构来主动补偿对准误差。利用柔性单元的高精度运动、压电陶瓷和音圈电机驱动器的高位移分辨率，将对准误差始终控制在5～10微米。

Claims (5)

1.一种基于柔性铰链的五自由度精密对准机构，其特征在于：对准机构包括有支撑组件(1)、检测组件(2)、两自由度XY平台(3)、Z轴直线导向平台(4)、X轴转动平台(5)、Z轴转动平台(6)和安装面板(7)；

支撑组件(1)包括有AA竖直支撑板(1A)、AB竖直支撑板(1B)、AA横向支撑板(1C)和AB横向支撑板(1D)；其中，AA竖直支撑板(1A)与AB竖直支撑板(1B)结构相同；AA竖直支撑板(1A)的AA减重孔(1A1)的上端部上固定有AA横向支撑板(1C)的一端，AB竖直支撑板(1B)的AB减重孔(1B1)的上端部上固定有AA横向支撑板(1C)的另一端；AA横向支撑板(1C)的中部固定在CB支架(3-2)上；AA竖直支撑板(1A)与AB竖直支撑板(1B)平行放置；且AA竖直支撑板(1A)的下端固定在安装面板(7)上，AA竖直支撑板(1A)的上端端部固定有AB横向支撑板(1D)的一端；AB竖直支撑板(1B)的下端固定在安装面板(7)上，AB竖直支撑板(1B)的上端端部固定有AB横向支撑板(1D)的另一端；AB横向支撑板(1D)的中部固定在CC支架(3-3)、CA支架(3-1)和CD支架(3-4)上；

检测组件(2)包括有三个电容传感器、BA竖直支撑板(2A)和BB竖直支撑板(2B)；其中，BA竖直支撑板(2A)与BB竖直支撑板(2B)结构相同；BA竖直支撑板(2A)的上端设有BA开口槽(2A1)，BA开口槽(2A1)上设有用于放置电容传感器探头的沿Z轴方向设置的BI通孔；BA开口槽(2A1)的两边是BA支臂(2A2)与BB支臂(2A3)；BA支臂(2A2)上设有用于安装A电容传感器探头(2D)的BA通孔(2A2A)和BB通孔(2A2B)；所述BA通孔(2A2A)沿Y轴方向设置；所述BB通孔(2A2B)沿X轴方向设置；A电容传感器探头(2D)是固定在沿Y轴方向设置的BA通孔(2A2A)中；BB竖直支撑板(2B)的上端设有BB开口槽(2B1)，BB开口槽(2B1)上设有用于放置C电容传感器探头(2F)的BJ通孔(2B1A)，BJ通孔(2B1A)沿Z轴方向设置；BB开口槽(2B1)的两边是BC支臂(2B2)与BD支臂(2B3)；BC支臂(2B2)上设有用于安装B电容传感器探头(2E)的BE通孔(2B2A)和BF通孔(2B2B)；所述BE通孔(2B2A)沿Y轴方向设置；所述BF通孔(2B2B)沿X轴方向设置；B电容传感器探头(2E)是固定在沿X轴方向设置的BF通孔(2B2B)中；

两自由度XY平台(3)上设有刚性的CA固定板(3A)、CB固定板(3C)、CC固定板(3D)、CA输入板(3E)、CB输入板(3F)、输出板(3B)、CA矩形通孔(3G)和CB矩形通孔(3H)，以及柔性单元；

所述柔性单元包括有X轴方向的柔性单元、Y轴方向的柔性单元和凸起柔性单元；X轴方向的柔性单元和Y轴方向的柔性单元设置在CA固定板(3A)上；凸起柔性单元设置在输出板(3B)的上下；

所述CA矩形通孔(3G)用于放置CA压电陶瓷驱动器(3-5)，CA压电陶瓷驱动器(3-5)的输出端与CA输入板(3E)的端部接触，CA压电陶瓷驱动器(3-5)的另一端通过CA预紧螺钉(3-51)顶紧；

所述CB矩形通孔(3H)用于放置CB压电陶瓷驱动器(3-6)，CB压电陶瓷驱动器(3-6)的输出端与CB输入板(3F)的端部接触，CB压电陶瓷驱动器(3-6)的另一端通过CB预紧螺钉(3-61)顶紧；

所述X轴方向的柔性单元包括有CA杠杆放大机构(3A11)、第一Scott-Russell机构(3A12)、CA平行四边形导向机构(3A13)、CA簧片(3A14)、CB簧片(3A15)、CC簧片(3A16)、CD簧片(3A17)和CB平行四边形导向机构(3A18)；从驱动力输入至输出顺次设置为CA杠杆放大机构(3A11)、第一Scott-Russell机构(3A12)、CA平行四边形导向机构(3A13)、CA簧片(3A14)和CB簧片(3A15)；

所述Y轴方向的柔性单元包括有CB杠杆放大机构(3A21)、第二Scott-Russell机构(3A22)、CC平行四边形导向机构(3A23)、CE簧片(3A24)、CF簧片(3A25)、CG簧片(3A26)、CH簧片(3A27)和CD平行四边形导向机构(3A28)；从驱动力输入至输出顺次设置为CB杠杆放大机构(3A21)、第二Scott-Russell机构(3A22)、CC平行四边形导向机构(3A23)、CE簧片(3A24)和CF簧片(3A25)；

输出板(3B)的A边与平行放置的CA簧片(3A14)与CB簧片(3A15)接合，输出板(3B)的B边与平行放置的CG簧片(3A26)与CH簧片(3A27)接合，输出板(3B)的C边与平行放置的CC簧片(3A16)与CD簧片(3A17)接合，输出板(3B)的D边与平行放置的CE簧片(3A24)与CF簧片(3A25)接合；

所述凸起柔性单元包括有CA双平行四边形导向机构(3A31)、CB双平行四边形导向机构(3A32)、CC双平行四边形导向机构(3A33)和CD双平行四边形导向机构(3A34)；CA双平行四边形导向机构(3A31)与CB双平行四边形导向机构(3A32)的结构相同；CC双平行四边形导向机构(3A33)与CD双平行四边形导向机构(3A34)的结构相同；

两自由度XY平台(3)的CA固定板(3A)的上面板上固定有平行放置的CA支架(3-1)的底部、CC支架(3-3)的底部与CD支架(3-4)的底部；CA支架(3-1)的另一端固定在CB固定板(3C)与AB横向支撑板(1D)之间；CC支架(3-3)的另一端与CD支架(3-4)的另一端固定在AB横向支撑板(1D)上；两自由度XY平台(3)的CC固定板(3D)的下面板上固定有CB支架(3-2)的底部，CB支架(3-2)的另一端固定在AA横向支撑板(1C)上；

Z轴直线导向平台(4)包括有DA导向本体(4A)、DB导向本体(4B)、DA支架(4C)和音圈电机(4D)；其中，DA导向本体(4A)与DB导向本体(4B)的结构相同；音圈电机(4D)的定子固定在DA支架(4C)上，音圈电机(4D)的动子固定在EA支架(5C)上；DA支架(4C)固定在平行放置的DA导向本体(4A)与DB导向本体(4B)之间；DA导向本体(4A)与DB导向本体(4B)的顶部固定在两自由度XY平台(3)的底部；

DA导向本体(4A)上设有DA固定板(4A1)、DA输出板(4A2)、DA平行四边形导向机构(4A3)和DB平行四边形导向机构(4A4)；所述DA固定板(4A1)的一边面板上设有供DA螺钉(4E)穿过的DA通孔(4A11)，所述DA固定板(4A1)的另一边面板上设有供DB螺钉(4F)穿过的DB通孔(4A12)；穿过DA通孔(4A11)后的DA螺钉(4E)螺纹连接在DA支架(4C)一端面的螺纹孔中；穿过DB通孔(4A12)后的DB螺钉(4F)螺纹连接在DA支架(4C)一端面的螺纹孔中；通过DA螺钉(4E)和DB螺钉(4F)实现了DA导向本体(4A)的DA固定板(4A1)与DA支架(4C)一端的固定；

DB导向本体(4B)上设有DB固定板(4B1)、DB输出板(4B2)、DC平行四边形导向机构(4B3)和DD平行四边形导向机构(4B4)；所述DB固定板(4B1)的一边面板上设有供DC螺钉(4G)穿过的DC通孔(4B11)，所述DB固定板(4B1)的另一边面板上设有供DD螺钉(4H)穿过的DD通孔(4B12)；穿过DC通孔(4B11)后的DC螺钉(4G)螺纹连接在DA支架(4C)另一端面的螺纹孔中；穿过DD通孔(4B12)后的DD螺钉(4H)螺纹连接在DA支架(4C)另一端面的螺纹孔中；通过DC螺钉(4G)和DD螺钉(4H)实现了DB导向本体(4B)的DB固定板(4B1)与DA支架(4C)另一端的固定；

X轴转动平台(5)包括有EA运动传递机构(5A)、EB运动传递机构(5B)、EA支架(5C)、EA预紧弹簧心轴(5D)、EB预紧弹簧心轴(5E)、EA预紧弹簧(5F)、EB预紧弹簧(5G)、EA压电陶瓷驱动器(5H)和EB压电陶瓷驱动器(5I)；其中，第一X轴转动平台(5A)与第二X轴转动平台(5B)的结构相同；EA支架(5C)上设有EA支臂(5C1)、EB支臂(5C2)、EC支臂(5C3)和ED支臂(5C4)；EA支臂(5C1)上设有供EE螺钉(5C5)穿过的通孔，EB支臂(5C2)上设有供EF螺钉(5C6)穿过的通孔，EA支架(5C)的中部设有供EG螺钉(5C7)穿过的通孔；通过EE螺钉(5C5)使DA支架(5C)的EA支臂(5C1)与DA导向本体(4A)的DA输出板(4A2)的底部固定；通过EF螺钉(5C6)使DA支架5C的EB支臂(5C2)与DB导向本体(4B)的DB输出板(4B2)的底部固定；通过EG螺钉(5C7)使音圈电机(4D)固定在EA支架(5C)上；

EA运动传递机构(5A)上设有多个圆弧型铰链、EA固定板(5A1)、EA输出板(5A2)、EA刚性梁(5A3)、EB刚性梁(5A6)、EC刚性梁(5A7)、ED刚性梁(5A8)、EE刚性梁(5A9)、EA矩形通孔(5A4)和EB矩形通孔(5A5)；EA矩形通孔(5A4)内安装有EA压电陶瓷驱动器(5H)，EA压电陶瓷驱动器(5H)的输出端与EA刚性梁(5A3)的端面接触；EB矩形通孔(5A5)内放置有EA预紧弹簧(5F)，且EA预紧弹簧(5F)套接在EA预紧弹簧心轴(5D)上，EA预紧弹簧心轴(5D)螺纹连接在EB刚性梁(5A6)的EA螺纹孔(5A61)中，且伸入EB矩形通孔(5A5)内；EA固定板(5A1)上设有供EA螺钉(5A-31)穿过的通孔，通过EA螺钉(5A-31)实现EA运动传递机构(5A)与EA支架(5C)的EC支臂(5C3)固定；EA输出板(5A2)上设有供EB螺钉(5A-32)穿过的通孔，通过EB螺钉(5A-32)实现EA运动传递机构(5A)与Z轴转动组件(6)中的Z轴转动平台(6A)一端固定；

EB运动传递机构(5B)上的固定板上设有供EC螺钉(5B-31)穿过的通孔，通过EC螺钉(5B-31)实现EB运动传递机构(5B)与EA支架(5C)的ED支臂(5C4)固定；EB运动传递机构(5B)上的输出板上设有供ED螺钉(5B-32)穿过的通孔，通过ED螺钉(5B-32)实现EB运动传递机构(5B)与Z轴转动组件(6)中的Z轴转动平台(6A)另一端固定；

Z轴转动组件(6)包括有Z轴转动平台(6A)、Z轴转动输入件(6B)、F压电陶瓷驱动器(6C)、F预紧弹簧(6D)和F预紧弹簧心轴(6E)；

Z轴转动平台(6A)的中部是Z轴中心圆台(6A1)、FA动平台(6A11)和FB动平台(6A12)；沿Z轴中心圆台(6A1)的外圆周均匀分布有FA簧片(6A3)、FB簧片(6A4)、FC簧片(6A5)和FD簧片(6A6)，FA簧片(6A3)与FB簧片(6A4)的一端是FA动平台(6A11)，FC簧片(6A5)与FD簧片(6A6)的一端是FB动平台(6A12)；Z轴中心圆台(6A1)上设有放置FB螺钉(62)的FC螺纹孔(6A-3)，以及放置BA螺钉(2C2)的FD螺纹孔(6A-4)，Z轴转动平台(6A)的Z轴中心圆台(6A1)底部固定有被试件的连接端；

Z轴转动平台(6A)上设置有FA安装台(6A2A)和FB安装台(6A2B)、FA限位台(6A2C)和FC限位台(6A2D)；FA限位台(6A2C)与FA动平台(6A11)之间设有FE簧片(6A7)和FF簧片(6A8)，且FE簧片(6A7)与FF簧片(6A8)位于FA簧片(6A3)与FB簧片(6A4)之间；FC限位台(6A2D)与FB动平台(6A12)之间设有FG簧片(6A9)和FH簧片(6A10)，且FG簧片(6A9)与FH簧片(6A10)位于FC簧片(6A5)与FD簧片(6A6)之间；

Z轴转动输入件(6B)上设有Z轴转动块(6B1)和Z轴本体(6B8)；所述Z轴本体(6B8)上设有FA通孔(6B4)、FC通孔(6B6)和FA螺纹孔(6B7)，FA螺钉(61)穿过FA通孔(6B4)后螺纹连接在FA安装台(6A2A)的FA螺纹孔(6A-1)中，FC螺钉(63)穿过FC通孔(6B6)后螺纹连接在FB安装台(6A2B)的FB螺纹孔(6A-2)中，FA螺纹孔(6B7)用于放置预紧弹簧心轴(6E)；Z轴本体(6B8)的底部与Z轴转动平台(6A)的上部之间设有FA运动间隙(6F)；所述Z轴转动块(6B1)上设有FB通孔(6B5)、FA圆弧型铰链(6B1A)和FB圆弧型铰链(6B1B)；FB螺钉(62)穿过FB通孔(6B5)后螺纹连接在Z轴中心圆台(6A1)的FC螺纹孔(6A-3)中；当通过FB螺钉(62)将Z轴转动输入件(6B)与Z轴转动平台(6A)固定后，使得Z轴转动块(6B1)作为了Z轴转动中心；

安装面板(7)上设有多个限位安装孔(7A)，通过限位安装孔(7A)一方面实现将支撑组件(1)中的AA竖直支撑板(1A)的一端和AB竖直支撑板(1B)的一端固定在安装面板(7)上，通过限位安装孔(7A)另一方面实现将检测组件(2)中的BA竖直支撑板(2A)的一端和BB竖直支撑板(2B)的一端固定在安装面板(7)上。

2.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的五自由度精密对准机构，其特征在于：五自由度是指XYZ三个方向的移动、绕X轴的转动和绕Z轴的转动。

3.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的五自由度精密对准机构，其特征在于：柔性铰链采用圆弧型柔性铰链和簧片型柔性铰链。

4.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的五自由度精密对准机构，其特征在于：对准机构为铝合金材质。

5.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的五自由度精密对准机构，其特征在于：对准机构能够将对准误差控制在5～10微米。