CN1202937C - 具有抑振功能的超精密微动工作平台 - Google Patents

具有抑振功能的超精密微动工作平台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有抑振功能的超精密微动工作平台。在金属平板上的X、Y方向上开有开通的直槽，形成柔性铰链臂和柔性铰链的Y向工作平台；位于Y向工作平台内的金属平板的X、Y方向上开有另一开通的直槽，形成柔性铰链臂和柔性铰链的X向工作平台，在X、Y向的工作平台上分别对称装有一对压电驱动器。它是一种复合平行四杆结构，具有导向精度高、无间隙、导轨定位分辨率高、加工精度易于保证、不需要装配等优点。在同一方向上采用双驱动器形式，且两维工作平台构成镶嵌形式，消除了相互之间的位移耦合，使整个微动系统具有很高的定位精度和较好的抑振效果。本发明可用于高精度、超高精度的切削加工定位，同时适用精密仪器设备的抑振、减振。

Description

具有抑振功能的超精密微动工作平台
                          技术领域
本发明涉及超精密定位、抑振装置，是一种具有抑振功能的超精密微动工作平台。
                          背景技术
高精度和高分辨率的精密微动工作台系统在近代尖端工业生产和科学研究领域内占有极其重要的地位。它是直接影响精密、超精密切削加工水平、精密测量水平及超大规模集成电路生产水平的关键环节。从七十年代后期起，微电子技术向大规模集成电路(LSI)和超大规模集成电路(VLSI)方向发展，随着集成度的提高，线条越来越微细化，目前CPU的线宽已缩小到0.13um，对与之相应的工艺设备(如图形发生器、分步重复照相机、光刻机、电子束和X射线及其检测设备等)提出了更高的要求，要求这些设备的定位精度为线宽的1/3～1/5，即纳米级的精度。在精密光学设备的制造中，如用金刚石车刀直接车削大型天文望远镜的抛物面反射镜时，要求加工出几何精度高于1/10光波波长的表面，即几何形状误差小于0.05um。在生物、医学工程的研究中，需要对细胞进行搬动、分离、组合，对DNA分子进行拉伸并固定到隔膜上，对蛋白质分子进行操作和生成薄膜结构等等。这些都需要采用超高精度的能作快速运动的微位移工作台。随着科学技术的发展，更多的其他领域也越来越迫切需要微动系统，例如，脑外科手术、光纤对接、微细加工、微型机器人装配等。纳米技术被认为是21世纪的科技前沿，作为关键技术之一的纳米定位技术将左右着各学科纳米技术的发展。而纳米定位技术的核心也正是能实现精密微位移的微动工作台。从隔振、抑振方面来看，现在大多数使用的方式是给工作台加一个基础，此基础具有一定的隔振效果，对外界给系统的干扰进行隔离，使得工作台处于相对稳定的环境中。但是工作台上的仪器仪表主体在工作时，比如执行机构的运动等，或多或少会产生振动，此种干扰信号会在内部对整个系统的精度产生影响，而这种信号不能通过上述所用的基础隔振的方法来消除，所以很有必要在系统内的工作平台上增加一个用于消除自身干扰信号的抑振装置，从而来得到真正意义的高精度定位、抑振的精密系统。
                           发明内容
本发明的目的在于提供一种具有抑振功能的超精密微动工作平台，以柔性铰链为导轨来传递压电驱动器产生的位移，使本工作平台具有定位精度高、抑振效果好的特性。
本发明采用的技术方案它包括：
1)在金属平板两边的Y方向上分别开有一条相向对称的呈 形开通的直槽，两个呈
Figure C0311645100042
形开通的直槽上、下的两短边分别有两个向内凸出的开通的直槽，在金属平板两边的X方向上分别对称开有两个为一组的两组向外凸出的开通的直槽，并相互连通，分别与呈 形开通的直槽上、下两短边的两个向内凸出的开通的直槽相对应，分别形成四个Y向柔性铰链臂和八个Y向柔性铰链，X方向的两组向外凸出的开通的直槽中间还开有能装压电驱动器的开通的槽，两个Y向压电驱动器的前后部分别套上Y向驱动器前套和后套，前套的顶端顶在Y向驱动器定位槽中，用装在Y向驱动器预紧螺孔内的螺钉顶在后套上固定，形成Y向工作平台；
2)位于Y向工作平台内的金属平板两边的X方向上分别开有一条相向对称的呈 形开通的直槽，两个呈
Figure C0311645100045
形开通的直槽左、右的两短边分别有两个向内凸出的开通的直槽，在金属平板两边的Y方向上分别对称开有两个为一组的两组向外凸出的开通的直槽，并相互连通，分别与呈 形开通的直槽左、右两短边的两个向内凸出的开通的直槽相对应，分别形成四个X向柔性铰链臂和八个X向柔性铰链，Y方向的两组向外凸出的开通的直槽中间还能装压电驱动器的开通的槽，两个X向压电驱动器的前后部分别套上X向驱动器前套和后套，前套的顶端顶在X向驱动器定位槽中，用装在X向驱动器预紧螺孔内的螺钉顶在后套上固定，形成X向工作平台。
所述的前套为顶部两边成120°的楔形面，楔形面顶部与驱动器定位槽相配，后部为挖空的圆柱形与压电驱动器顶部相配；所说的后套为圆柱形后套，前部为挖空的圆柱形与压电驱动器底部相配，底部为平面与驱动器预紧螺钉相接触。
金属平板的厚度为15-25mm；材料为铝板或铜板。
本发明与背景技术相比具有的有益效果是：
1)此种结构具有较高的固有频率，使得结构的频响特性较好，X、Y向工作平台的一阶、二阶、三阶固有频率分别为180、230和260Hz；
2)每个压电驱动器均配有前套和后套，分别由预紧螺钉预紧，安装后不存在间隙，并能使驱动器产生的驱动力通过前端120°的定位槽完全沿正方向作用，同时可以方便安装；
3)采用了柔性铰链为位移输出导轨，X向工作平台镶嵌在Y向工作平台之中形成镶嵌结构，加上X、Y两维上各由两个相对的压电驱动器驱动，实现双驱动器形式，其中一个用于定位，另一个用于抑振，大大提高了定位精度，可达到纳米级精度；
4)由于所用压电驱动器具有较高的响应速度，使得本结构阶跃响应快，阶跃响应时间在0.1秒左右；
5)采用相对方向上双压电驱动器驱动，采用闭环控制，使得结构抑振效果好，对一般小幅值的干扰信号，可减小到原来的5％以下；
本发明可用于高精度、超高精度的切削加工定位，图形发生器、分步重复照相机、光刻机、电子束和X射线及其检测设备等精密仪器设备的抑振、减振。
                         附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是未安装压电驱动器的工作平台结构示意图：
图3是图2的A-A剖视图；
图4是柔性铰链前套结构示意图；
图5是柔性铰链后套结构示意图；
图6是本发明工作原理示意图。
图中：
1平台边框  2平台安装螺孔  3 Y向柔性铰链臂  4 Y向柔性铰链
5 Y向工作平台  6 X向柔性铰链  7 X向柔性铰链臂  8 X向工作平台
9位移输出平台固定螺孔  10 X向驱动器前套  11 X向驱动器定位槽
12 X向压电驱动器  13 X向驱动器后套  14 X向驱动器预紧螺孔
15 Y向驱动器定位槽  16 Y向驱动器前套  17 Y向压电驱动器
18 Y向驱动器后套  19 Y向驱动器预紧螺孔  20 X向压电驱动器
21 Y向压电驱动器  22位移传感器  23测振传感器
a、a′二次仪表  b、b′A/D模数转换器    c、c′D/A数模转换器
d计算机  e驱动电源
                  具体实施方式
如图1、2、3所示，本发明包括：
1)在金属平板1两边的Y方向上分别开有一条相向对称的呈
Figure C0311645100051
形开通的直槽，两个呈 形开通的直槽上、下的两短边分别有两个向内凸出的开通的直槽，在金属平板两边的X方向上分别对称开有两个为一组的两组向外凸出的开通的直槽，并相互连通，分别与呈
Figure C0311645100061
形开通的直槽上、下两短边的两个向内凸出的开通的直槽相对应，分别形成四个Y向柔性铰链臂3和八个Y向柔性铰链4，X方向的两组向外凸出的开通的直槽中间还开有能装压电驱动器的开通的槽，两个Y向压电驱动器17、21的前后部分别套上Y向驱动器前套16和后套18，前套16的顶端顶在Y向驱动器定位槽l5中，用装在Y向驱动器预紧螺孔19内的螺钉顶在后套18上固定，形成Y向工作平台5；
2)位于Y向工作平台5内的金属平板1两边的X方向上分别开有一条相向对称的呈
Figure C0311645100062
形开通的直槽，两个呈 形开通的直槽左、右的两短边分别有两个向内凸出的开通的直槽，在金属平板两边的Y方向上分别对称开有两个为一组的两组向外凸出的开通的直槽，并相互连通，分别与呈
Figure C0311645100064
形开通的直槽左、右两短边的两个向内凸出的开通的直槽相对应，分别形成四个X向柔性铰链臂7和八个X向柔性铰链6，Y方向的两组向外凸出的开通的直槽中间还能装压电驱动器的开通的槽，两个X向压电驱动器12、20的前后部分别套上X向驱动器前套10和后套13，前套10的顶端顶在X向驱动器定位槽1l中，用装在X向驱动器预紧螺孔14内的螺钉顶在后套13上固定，形成X向工作平台8。在X向工作平台8上开有位移输出平台固定螺孔9。
如图4、5所示的前套10、16为顶部两边成120°的楔形面，楔形面顶部与驱动器定位槽11、15相配，后部为挖空的圆柱形与压电驱动器顶部相配：所说的后套13、18为圆柱形后套，前部为挖空的圆柱形与压电驱动器底部相配，底部为平面与驱动器预紧螺钉相接触。
金属平台1根据所需要求设计，一般厚度为15-25mm；在四周开有安装螺孔2；材料为铝板或铜板等弹性材料。
本发明通过线切割技术在一块金属基体材料上加工出通槽，在通槽处形成弹性支点而与基体加工后剩余部分形成整个装置，即采用柔性铰链的导轨形式。整个机构在加工过程中保证严格的中心对称，一定程度上减小了加工误差对导向定位精度和抑振效果的影响，机构对环境误差不敏感。它是一种复合平行四杆结构，具有导向精度高、无间隙、导轨定位分辨率高、加工精度易于保证、不需要装配等优点。
下面结合附图1、6对本装置的工作原理及部分功用作详细描述。
拧在驱动器预紧螺孔14、19的预紧螺钉，可以调节压X、Y向压电驱动器12、17的初始驱动力。当系统开始工作时，位移传感器22检测X向、Y向输出的位移量，通过二次仪表a转化成相应的电压量，用计算机d通过A/D模数转换器b对此电压量分别进行采样，与工作任务要求的初始设定位移值进行比较，再通过某种控制算法(一般为常用的PID控制算法)进行比较、运算，得出相应的电压值，经过D/A数模转换器c和驱动电源e把此信号分别传输给X、Y向的压电驱动器12、17，使两个压电驱动器12、17作出相应的位移输出，移动工作台进行定位。压电驱动器12、17在预紧力的作用下，把输出的位移毫无损失地通过驱动器前套10、16沿正方向传送给工作平台5、8，工作平台5、8分别由两组柔性铰链6、4支撑，在力的作用下，柔性铰链6、4处受到弯曲应力，产生相应的角位移，相应的柔性铰链臂7、3将此角位移转换成对应方向上的位移，使对应方向的工作台动作。用柔性铰链作为位移传递的导轨，具有无间隙、无摩擦、免润滑、不发热等优点，再加上良好的结构对称性，使压电驱动器12、17输出的位移能以很高的精度转化成最终平台的位移输出，且能保证整个系统的分辨率。
同时，测振传感器23检测X向、Y向输出位移振动量，通过二次仪表a′转化成相应的电压量，用计算机d通过A/D模数转换器b′对此电压量分别进行采样，再通过某种控制算法进行比较、运算，得出相应的电压值，经过D/A数模转换器c′和驱动电源e把此信号分别传输给X、Y向的压电驱动器20、21，使两个压电驱动器20、21作出相应的位移输出，移动工作台进行抑振。

Claims (3)

1.一种具有抑振功能的超精密微动工作平台，其特征在于：
1)在金属平板(1)两边的Y方向上分别开有一条相向对称的呈 形开通的直槽，两个呈
Figure C031164510002C2
形开通的直槽上、下的两短边分别有两个向内凸出的开通的直槽，在金属平板两边的X方向上分别对称开有两个为一组的两组向外凸出的开通的直槽，并相互连通，分别与呈 形开通的直槽上、下两短边的两个向内凸出的开通的直槽相对应，分别形成四个Y向柔性铰链臂(3)和八个Y向柔性铰链(4)，X方向的两组向外凸出的开通的直槽中间还开有能装压电驱动器的开通的槽，两个Y向压电驱动器(17、21)的前后部分别套上Y向驱动器前套(16)和后套(18)，前套(16)的顶端顶在Y向驱动器定位槽(15)中，用装在Y向驱动器预紧螺孔(19)内的螺钉顶在后套(18)上固定，形成Y向工作平台(5)；
2)位于Y向工作平台(5)内的金属平板(1)两边的X方向上分别开有一条相向对称的呈
Figure C031164510002C4
形开通的直槽，两个呈
Figure C031164510002C5
形开通的直槽左、右的两短边分别有两个向内凸出的开通的直槽，在金属平板两边的Y方向上分别对称开有两个为一组的两组向外凸出的开通的直槽，并相互连通，分别与呈 形开通的直槽左、右两短边的两个向内凸出的开通的直槽相对应，分别形成四个X向柔性铰链臂(7)和八个X向柔性铰链(6)，Y方向的两组向外凸出的开通的直槽中间还能装压电驱动器的开通的槽，两个X向压电驱动器(12、20)的前后部分别套上X向驱动器前套(10)和后套(13)，前套(10)的顶端顶在X向驱动器定位槽(11)中，用装在X向驱动器预紧螺孔(14)内的螺钉顶在后套(13)上固定，形成X向工作平台(8)。
2.根据权利要求1所述的一种具有抑振功能的超精密微动工作平台，其特征在于：所述的前套(10、16)为顶部两边成120°的楔形面，楔形面顶部与驱动器定位槽(11、15)相配，后部为挖空的圆柱形与压电驱动器顶部相配；所说的后套(13、18)为圆柱形后套，前部为挖空的圆柱形与压电驱动器底部相配，底部为平面与驱动器预紧螺钉相接触。
3.根据权利要求1所述的一种具有抑振功能的超精密微动工作平台，其特征在于：金属平板(1)的厚度为15-25mm；材料为铝板或铜板。
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