CN113659867A - 一种含三级位移放大机构的探针微进给平台及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于探针微进给平台技术领域，尤其涉及一种含三级位移放大机构的探针微进给平台及工作方法。包括基座Ⅰ、基座Ⅱ、压电陶瓷、双平行板导向机构和柔性位移放大机构；压电陶瓷设在基座Ⅰ内侧中心处，压电陶瓷下方设有螺纹连接为一体的盖形螺母和预紧螺栓，压电陶瓷的下端与盖形螺母的球面接触；预紧螺栓下方与基座Ⅱ的顶部接触；双平行板导向机构包括位于压电陶瓷顶部的输入块，双平行板导向机构的左右两侧与基座Ⅰ连接；双平行板导向机构沿压电陶瓷轴向产生的变形，将压电陶瓷压紧在输入块下；柔性位移放大机构包括左右对称布置的SR机构、杠杆机构与双Z型机构，扩大了压电陶瓷输出位移，实现了探针安装台的大行程平移进给。
Description
技术领域
本发明属于探针微进给平台技术领域，尤其涉及一种含三级位移放大机构的探针微进给平台及工作方法。
背景技术
表面微纳米结构加工是微纳领域的一个重要方向。相比于光刻、纳米压印等微纳技术，基于探针的微纳加工技术具有柔性好、成本低、控制简单等优势，因此在微纳加工领域占有重要地位，而探针的精密进给是实现微纳加工的必要条件。原子力显微镜作为微纳加工的常用设备，其探针进给功能主要通过压电陶瓷直接驱动悬臂梁实现，但是受制于压电陶瓷尺寸，探针进给行程一般较小。此外，悬臂梁沿轴向和横向的刚度差异较大，不利于保证加工精度。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种含三级位移放大机构的探针微进给平台及工作方法。
为了实现上述目的，本申请的技术方案如下：
一种含三级位移放大机构的探针微进给平台，包括基座Ⅰ、基座Ⅱ、压电陶瓷、双平行板导向机构和柔性位移放大机构；
所述压电陶瓷设在基座Ⅰ内侧中心处，压电陶瓷下方设有螺纹连接为一体的盖形螺母和预紧螺栓，所述压电陶瓷的下端与盖形螺母的球面接触；所述预紧螺栓下方与基座Ⅱ的顶部接触；
所述双平行板导向机构包括位于压电陶瓷顶部的输入块，所述双平行板导向机构的左右两侧与基座Ⅰ连接；双平行板导向机构沿压电陶瓷轴向产生的变形，将压电陶瓷压紧在输入块下。
所述柔性位移放大机构包括左右对称布置的SR机构、杠杆机构与双Z型机构；SR机构可以将压电陶瓷的单向输出位移转换为同一直线上大小相等、方向相反的两路输出位移，并对压电陶瓷的输出位移进行了放大，是第一级位移放大机构；两个杠杆机构左右对称布置，将其各自中间位置的输入位移放大，是第二级位移放大机构；双Z型机构促使探针安装台产生垂直方向位移，是第三级位移放大机构。
进一步的，所述SR机构顶端与所述输入块通过柔性铰链B连接，所述SR机构下方内侧与所述基座Ⅰ通过柔性铰链A连接，所述SR机构下方外侧与连接块Ⅰ通过柔性铰链D连接，所述SR机构中间位置设有柔性铰链C；
SR机构的第一级位移放大倍数为：
式中，lAB为转动副A与转动副B的距离，lAD为转动副A与转动副D的距离。
进一步的，所述连接块Ⅰ是SR机构的输出端，并作为输入端将压电陶瓷的输出位移通过柔性铰链F传递至杠杆机构的中间位置。
进一步的，所述杠杆机构的一端通过柔性铰链E与基座Ⅱ柔性连接，另一端通过柔性铰链G与连接块Ⅱ柔性连接；
杠杆机构的第二级位移放大倍数为：
式中，lGE为转动副G与转动副E的距离,lFE为转动副F与转动副E的距离，θ为转动副E、转动副F连线与转动副D、转动副F连线的夹角。
进一步的，所述连接块Ⅱ上方设有平行式柔性支撑机构，所述平行式柔性支撑机构的上端与所述基座Ⅱ连接。
进一步的，所述连接块Ⅱ是杠杆机构的输出端，并作为输入端将位移传递至两个连接块Ⅱ之间的双Z型机构。
进一步的，两个双Z型机构左右对称布置，两个双Z型机构的一端分别连接一个连接块Ⅱ，探针安装台居中的连接在两个双Z型机构的另一端。
更进一步的，上述含三级位移放大机构的探针微进给平台的工作方法，包括如下步骤：
S1、使用辅助手段使盖形螺母保持静止，并使用改锥通过预紧通孔拧转预紧螺栓，使盖形螺母和预紧螺栓产生相对转动，轴向预紧压电陶瓷；
S2、对压电陶瓷施加一定电压，压电陶瓷会沿预紧螺栓轴向产生相应的形变，并输出位移至所述输入块；所述双平行板导向机构对输入块进行导向，保证压电陶瓷输出直线位移；
S3、所述输入块通过柔性铰链将位移传递至SR机构，SR机构可以将压电陶瓷的单向输出位移转换为同一直线上大小相等、方向相反的两路输出位移，并对压电陶瓷的输出位移进行了放大，是对位移的第一级放大；
S4、SR机构将放大后的位移输出至所述连接块Ⅰ，两个杠杆机构再将其各自中间位置的输入位移放大，并传递至连接块Ⅱ，是对位移的第二级放大；
S5、两个连接块Ⅱ将两个大小相等、方向相反的位移同时作用在左右对称的双Z型机构的输入端，双Z型机构将位移进行第三级放大并输出至探针安装台，使探针安装台产生垂直方向的位移；
双Z型机构的第三级位移放大倍数为：
式中，CZin为双Z型机构输入端的柔度矩阵，具体为阶矩阵，
中的i、j为矩阵CZin的第i行j列元素。
柔性位移放大机构的总位移放大倍数为AMP＝AMP1×AMP2×AMP3。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
通过SR机构、杠杆机构与双Z型机构三级放大，扩大了压电陶瓷输出位移，实现了探针安装台的大行程平移进给；通过双平行板导向机构，可以提高左右两个SR机构的稳定性；通过平行式柔性支撑机构，可以提高双Z型机构稳定性，并保证其输入为平移运动，提高探针安装台的运动精度；在探针安装台与基座Ⅰ上设有连通的预紧通孔，通过此孔拧转预紧螺栓，实现预紧螺栓与盖形螺母的相对转动，便于实现压电陶瓷的预紧。
附图说明
图1为本发明的微进给平台结构示意图；
图2为本发明的柔性机构结构示意图；
图3为本发明的运动学示意图。
图中：
1、压电陶瓷，2、盖形螺母、3、预紧螺栓、4、柔性位移放大机构、41、固定孔、42、输入块、43、双平行板导向机构、44、SR机构、45、基座Ⅰ、46、杠杆机构、47、连接块Ⅰ、48、平行式柔性支撑机构、49、连接块Ⅱ、410、双Z型机构、411、探针安装台、412、基座Ⅱ、413、柔性铰链G、414、柔性铰链F、415、柔性铰链D、416、柔性铰链E、417、柔性铰链A、418、柔性铰链C、419、柔性铰链B、5、预紧通孔、61、转动副A、62、转动副B、63、转动副C、64、转动副D、65、转动副E、66、转动副F、67、转动副G。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步描述：
实施例：
如附图1至附图3所示：
本发明提供了一种含三级位移放大机构的探针微进给平台，具体包括基座Ⅰ45、基座Ⅱ412、压电陶瓷1、双平行板导向机构43和柔性位移放大机构4；
所述压电陶瓷1设在基座Ⅰ45内侧中心处，压电陶瓷1下方设有螺纹连接为一体的盖形螺母2和预紧螺栓3，所述压电陶瓷1的下端与盖形螺母2的球面接触，可以避免压电陶瓷1承受弯矩；所述预紧螺栓3下方与基座Ⅱ412的顶部接触。实际操作时，使用辅助手段使盖形螺母2保持静止，并使用改锥通过预紧通孔5拧转预紧螺栓3，使盖形螺母2和预紧螺栓3产生相对转动，实现盖形螺母2轴向挤压压电陶瓷1，达到预紧目的。
所述双平行板导向机构43包括位于压电陶瓷1顶部的输入块42，所述双平行板导向机构43的左右两侧与基座Ⅰ45连接，保证压电陶瓷1输出直线位移，不产生左右两侧的偏移，提高机构稳定性；双平行板导向机构43沿压电陶瓷轴向产生的变形，将压电陶瓷1压紧在输入块42下。
所述柔性位移放大机构4包括左右对称布置的SR机构44、杠杆机构46与双Z型机构410。所述SR机构44顶端与所述输入块42通过柔性铰链B419连接，所述SR机构44下方内侧与所述基座Ⅰ45通过柔性铰链A417连接，所述SR机构44下方外侧与连接块Ⅰ47通过柔性铰链D415连接，所述SR机构44中间位置设有柔性铰链C418。所述连接块Ⅰ47通过柔性铰链F414连接在所述杠杆机构46中间位置。SR机构44可以将压电陶瓷1的单向输出位移转换为同一直线上大小相等、方向相反的两路输出位移，并对压电陶瓷1的输出位移进行了放大，是第一级位移放大机构。第一级位移放大倍数计算公式为：
式中，lAB为转动副A61与转动副B62的距离，lAD为转动副A61与转动副D64的距离。
所述连接块Ⅰ47是SR机构44的输出端，并作为输入端将压电陶瓷1的输出位移通过柔性铰链F414传递至杠杆机构46的中间位置。所述杠杆机构46的一端通过柔性铰链E416与基座Ⅱ412柔性连接，另一端通过柔性铰链G413与连接块Ⅱ49柔性连接。两个杠杆机构46左右对称布置，将其各自中间位置的输入位移放大，并传递至连接块Ⅱ49，是柔性机构的第二级位移放大机构。
第二级位移放大倍数计算公式为
式中，lGE为转动副G67与转动副E65的距离,lFE为转动副F66与转动副E65的距离，θ6为转动副E65、转动副F66连线与转动副D64、转动副F66连线的夹角。
所述连接块Ⅱ49上方设有平行式柔性支撑机构48，所述平行式柔性支撑机构48的上端与所述基座Ⅱ412连接。所述平行式柔性支撑机构48可以避免连接块Ⅱ49产生转动，保证了连接块Ⅱ49的平移运动。
所述连接块Ⅱ49是杠杆机构46的输出端，并作为输入端将位移传递至两个连接块Ⅱ49之间的双Z型机构410。两个双Z型机构410左右对称布置，两个双Z型机构410的一端分别连接一个连接块Ⅱ49，探针安装台411居中的连接在两个双Z型机构410的另一端。两个大小相等、方向相反的位移同时作用在左右对称的双Z型机构410的输入端，双Z型机构410促使探针安装台411产生垂直方向位移，是对位移进行的第三级放大。
第三级位移放大倍数计算公式为：
式中，CZin为双Z型机构410输入端的柔度矩阵，具体为6阶矩阵，
中的i、j为矩阵CZin的第i行j列元素。
根据上述分析，柔性位移放大机构4的总位移放大倍数为
AMP＝AMP1×AMP2×AMP3。
上述含三级位移放大机构的探针微进给平台的工作方法包括如下步骤：
S1、使用辅助手段使盖形螺母2保持静止，并使用改锥通过预紧通孔5拧转预紧螺栓3，使盖形螺母2和预紧螺栓3产生相对转动，轴向预紧压电陶瓷1；
S2、对压电陶瓷1施加一定电压，压电陶瓷1会沿预紧螺栓3轴向产生相应的形变，并输出位移至所述输入块42；所述双平行板导向机构43对输入块42进行导向，保证压电陶瓷1输出直线位移；
S3、所述输入块42通过柔性铰链将位移传递至SR机构44，SR机构44可以将压电陶瓷1的单向输出位移转换为同一直线上大小相等、方向相反的两路输出位移，并对压电陶瓷1的输出位移进行了放大，是对位移的第一级放大；
S4、SR机构44将放大后的位移输出至所述连接块Ⅰ47，两个杠杆机构46再将其各自中间位置的输入位移放大，并传递至连接块Ⅱ49，是对位移的第二级放大；
S5、两个大小相等、方向相反的位移同时作用在左右对称的双Z型机构410的输入端，双Z型机构410将位移进行第三级放大并输出至探针安装台411，使探针安装台411产生垂直方向的位移。
利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种含三级位移放大机构的探针微进给平台，其特征在于：包括基座Ⅰ、基座Ⅱ、压电陶瓷、双平行板导向机构和柔性位移放大机构；
所述压电陶瓷设在基座Ⅰ内侧中心处，压电陶瓷下方设有螺纹连接为一体的盖形螺母和预紧螺栓，所述压电陶瓷的下端与盖形螺母的球面接触；所述预紧螺栓下方与基座Ⅱ的顶部接触；
所述双平行板导向机构包括位于压电陶瓷顶部的输入块，所述双平行板导向机构的左右两侧与基座Ⅰ连接；双平行板导向机构沿压电陶瓷轴向产生的变形，将压电陶瓷压紧在输入块下。所述柔性位移放大机构包括左右对称布置的SR机构、杠杆机构与双Z型机构；SR机构可以将压电陶瓷的单向输出位移转换为同一直线上大小相等、方向相反的两路输出位移，并对压电陶瓷的输出位移进行了放大，是第一级位移放大机构；两个杠杆机构左右对称布置，将其各自中间位置的输入位移放大，是第二级位移放大机构；双Z型机构促使探针安装台产生垂直方向位移，是第三级位移放大机构。
2.如权利要求1所述的含三级位移放大机构的探针微进给平台，其特征在于：所述SR机构顶端与所述输入块通过柔性铰链B连接，所述SR机构下方内侧与所述基座Ⅰ通过柔性铰链A连接，所述SR机构下方外侧与连接块Ⅰ通过柔性铰链D连接，所述SR机构中间位置设有柔性铰链C；
SR机构的第一级位移放大倍数为：
式中，lAB为转动副A与转动副B的距离，lAD为转动副A与转动副D的距离。
3.如权利要求2所述的含三级位移放大机构的探针微进给平台，其特征在于：所述连接块Ⅰ是SR机构的输出端，并作为输入端将压电陶瓷的输出位移通过柔性铰链F传递至杠杆机构的中间位置。
4.如权利要求3所述的含三级位移放大机构的探针微进给平台，其特征在于：所述杠杆机构的一端通过柔性铰链E与基座Ⅱ柔性连接，另一端通过柔性铰链G与连接块Ⅱ柔性连接；
杠杆机构的第二级位移放大倍数为：
式中，lGE为转动副G与转动副E的距离,lFE为转动副F与转动副E的距离，θ为转动副E、转动副F连线与转动副D、转动副F连线的夹角。
5.如权利要求1所述的含三级位移放大机构的探针微进给平台，其特征在于：所述连接块Ⅱ上方设有平行式柔性支撑机构，所述平行式柔性支撑机构的上端与所述基座Ⅱ连接。
6.如权利要求1所述的含三级位移放大机构的探针微进给平台，其特征在于：所述连接块Ⅱ是杠杆机构的输出端，并作为输入端将位移传递至两个连接块Ⅱ之间的双Z型机构。
7.如权利要求1所述的含三级位移放大机构的探针微进给平台，其特征在于：两个双Z型机构左右对称布置，两个双Z型机构的一端分别连接一个连接块Ⅱ，探针安装台居中的连接在两个双Z型机构的另一端。
8.如权利要求4所述的含三级位移放大机构的探针微进给平台的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、使用辅助手段使盖形螺母保持静止，并使用改锥通过预紧通孔拧转预紧螺栓，使盖形螺母和预紧螺栓产生相对转动，轴向预紧压电陶瓷；
S2、对压电陶瓷施加一定电压，压电陶瓷会沿预紧螺栓轴向产生相应的形变，并输出位移至所述输入块；所述双平行板导向机构对输入块进行导向，保证压电陶瓷输出直线位移；
S3、所述输入块通过柔性铰链将位移传递至SR机构，SR机构可以将压电陶瓷的单向输出位移转换为同一直线上大小相等、方向相反的两路输出位移，并对压电陶瓷的输出位移进行了放大，是对位移的第一级放大；
S4、SR机构将放大后的位移输出至所述连接块Ⅰ，两个杠杆机构再将其各自中间位置的输入位移放大，并传递至连接块Ⅱ，是对位移的第二级放大；
S5、两个连接块Ⅱ将两个大小相等、方向相反的位移同时作用在左右对称的双Z型机构的输入端，双Z型机构将位移进行第三级放大并输出至探针安装台，使探针安装台产生垂直方向的位移；
双Z型机构的第三级位移放大倍数为：
式中，CZin为双Z型机构输入端的柔度矩阵，具体为阶矩阵，
中的i、j为矩阵CZin的第i行j列元素。
柔性位移放大机构的总位移放大倍数为AMP＝AMP1×AMP2×AMP3。
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