Z-θx-θy三自由度高同軸度抗彎扭矩納米級精度工作檯的製作方法

2023-10-19 03:32:52 2

專利名稱：Z-θx-θy三自由度高同軸度抗彎扭矩納米級精度工作檯的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種精密機械技術中微驅動和微定位的工作檯機構，具體涉及一種Z- Θ X- Θ y三自由度納米級精度的無耦合運動或定位工作檯，該工作檯可承載一定的彎矩、扭矩載荷；並可通過定心修切加工工藝提高工作檯上承載物與工作檯外圓等的同軸度，可用於光學儀器、精密測量、生物醫學、微電子器件製造等領域。
背景技術：
微定位、微操作技術是高精密儀器的基礎之一，在超精密檢測領域(如掃描探針式顯微鏡)、生物醫學領域(如細胞內藥物注射)等，有著廣泛的應用和需求。目前該技術多以壓電陶瓷(PZT)作為驅動器，使其柔性結構或彈性結構產生彈性變形，以此實現微定位。經過對現有技術的文獻檢索發現，中國專利號200810038553. 0，發明名稱 X-Y-Z三自由度串聯式納米級微定位工作。該專利公開了一種使工作檯沿X-Y-Z三個方向水平平移的實現方法。此機構採用壓電陶瓷驅動器，並分別採用x、Y、z三個位移放大器，同時各運動工作檯按順序依次連接，使得該工作檯各自由度之間運動無耦合，並可擴大行程。此外，中國專利號200510098315. 5，發明名稱Χ-Υ-Θ三自由度微動工作檯。該專利公開了一種可使工作檯沿X、Y方向水平平移，並繞Θ向旋轉的實現方法。上述兩種工作檯，前者均以軸向平移為主，缺乏旋轉自由度；而後者也僅能繞一個軸向旋轉。此外，由於該類微動結構多以壓電陶瓷為驅動器，而壓電陶瓷不能承受過大的彎矩，因此當微定位工作檯存在一定彎矩、扭矩時，可能降低微定位工作檯精度，甚至損壞壓電陶瓷驅動器。

發明內容
本發明技術解決問題針對上述現有技術的不足，提供一種可實現Z- θ X- Θ y三自由度無耦合運動或定位、納米級精度、並可承載一定的彎矩和扭矩的微動工作檯。本發明技術解決方案Ζ- θ X- Θ y三自由度高同軸度抗彎扭矩納米級精度工作檯，包括壓電陶瓷驅動器螺釘、壓電陶瓷驅動器端蓋、壓電陶瓷驅動器端蓋螺釘、壓電陶瓷驅動器、外筒、三柔性鉸鏈圓形片工作檯連接螺釘和具有三個柔性鉸鏈的三柔性鉸鏈圓形片工作檯；其中，三柔性鉸鏈圓形片工作檯通過三柔性鉸鏈圓形片工作檯連接螺釘與外筒連接；在三柔性鉸鏈圓形片工作檯的一側設有三支壓電陶瓷驅動器；壓電陶瓷驅動器為圓周均布，壓電陶瓷驅動器的工作端與三柔性鉸鏈圓形片工作檯緊密接觸；壓電陶瓷驅動器的固定端通過壓電陶瓷驅動器螺釘與壓電陶瓷驅動器端蓋連接。所述三柔性鉸鏈圓形片工作檯中的三個柔性鉸鏈沿工作檯的圓周均布。本發明的原理本發明以一塊三柔性鉸鏈圓形片為工作檯；三柔性鉸鏈圓形片工作檯置放在一外筒內，並通過螺釘與圓筒連接；三柔性鉸鏈圓形片工作檯一端面設置三支圓周均布的壓電陶瓷作為驅動器，三柔性鉸鏈圓形片工作檯中的三個柔性鉸鏈提供預緊力，使得圓形片緊貼壓電陶瓷驅動器；即實現了以三支壓電陶瓷驅動器作為三點確定工作檯面的定位。本發明與現有技術相比的優點在於(I)本發明中，工作檯三個自由度的運動與壓電陶瓷驅動器伸長量構成函數關係，該函數關係滿足解析幾何學中三點確定一平面的理論，便於對工作檯進行控制。(2)本發明中，調整柔性鉸鏈的結構尺寸，可增減3支柔性鉸鏈彈性變形所產生的預緊力，當預緊力合適時，可提高工作檯運動或定位精度。(3)本發明中，當工作檯上連有承載物時，可通過定心修切方式，使得承載物中心軸與工作檯外圓同軸，進而保證承載物與外筒的同軸度。(4)本發明中，當工作檯承受彎矩、扭矩時，三個柔性鉸鏈將產生反方向力矩，以此平衡彎矩、扭矩載荷；而三支驅動器不需要承受彎矩，只需承受軸向力；因此該工作檯既可承載一定的彎矩，又避免了壓電陶瓷被彎矩破壞。 (5)本發明中，工作檯結構簡單，主要依靠三支驅動器伸縮以及三支柔性鉸鏈的彈性變形產生的預緊力實現三點定面，其結構簡單可靠，便於加工。


圖Ia是本發明的Z-0x-0y三自由度高同軸度抗彎扭矩納米級精度工作檯的主視圖，圖Ib是本發明的Z- θ X- Θ y三自由度高同軸度抗彎扭矩納米級精度工作檯的側視圖；圖2是本發明的三柔性鉸鏈圓形片工作檯，其中a為主視圖，b為側視圖；圖3是本發明的三柔性鉸鏈圓形片工作檯運動或定位的幾何模型；圖4是本發明的定心修切模型；圖5是本發明的抗彎矩、扭矩示意圖。其中1、壓電陶瓷驅動器螺釘；2、壓電陶瓷驅動器端蓋；3、壓電陶瓷驅動器端蓋螺釘；4壓電陶瓷驅動器；5、外筒；6、三柔性鉸鏈圓形片工作檯連接螺釘；7、三柔性鉸鏈圓形片工作檯；8、三柔性鉸鏈圓形片工作檯連接螺孔；9、三柔性鉸鏈圓形片工作檯錐形坑；10、柔性鉸鏈；11、承載物連接螺釘；12、承載物。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。如圖I所示，本發明實例包含一塊三柔性鉸鏈圓形片工作檯7，工作檯7通過三柔性鉸鏈圓形片工作檯連接螺釘6與外筒5連接。在三柔性鉸鏈圓形片工作檯7的一側設有3支壓電陶瓷驅動器4。壓電陶瓷驅動器為圓周均布，其工作端與三柔性鉸鏈圓形片工作檯7緊密接觸；其固定端通過壓電陶瓷驅動器螺釘I與壓電陶瓷驅動器端蓋2連接。本發明的工作過程如下請參見圖I和圖2，三支柔性鉸鏈10將施加一定的預緊力，使得三柔性鉸鏈圓形片工作檯7與三支壓電陶瓷驅動器4的頂點緊密接觸；當計算機控制三支壓電陶瓷驅動器4的伸長或縮短時，三柔性鉸鏈圓形片工作檯7將隨著與壓電陶瓷驅動器4的三個接觸點移動。根據幾何學理論，三柔性鉸鏈圓形片工作檯7運動規律如下請參見圖3，圖中I、II、111分別為三支均布壓電陶瓷驅動器4的軸向伸長量，a、b為接觸點的距離，則Z- θ X— Θ y三自由度的變化為
權利要求
1.Z- θ Χ- Θ y三自由度高同軸度抗彎扭矩納米級精度工作檯，其特徵在於包括壓電陶瓷驅動器螺釘(I)、壓電陶瓷驅動器端蓋(2)、壓電陶瓷驅動器端蓋螺釘(3)、壓電陶瓷驅動器(4)、外筒(5)、三柔性鉸鏈圓形片工作檯連接螺釘(6)和具有三個柔性鉸鏈的三柔性鉸鏈圓形片工作檯(7); 其中，三柔性鉸鏈圓形片工作檯(7)通過三柔性鉸鏈圓形片工作檯連接螺釘(6)與外筒(5)連接；在三柔性鉸鏈圓形片工作檯(7)的一側設有三支壓電陶瓷驅動器(4);壓電陶瓷驅動器(4)為圓周均布，壓電陶瓷驅動器(4)的工作端與三柔性鉸鏈圓形片工作檯(7)緊密接觸；壓電陶瓷驅動器(4)的固定端通過壓電陶瓷驅動器螺釘(I)與壓電陶瓷驅動器端蓋(2)連接。
2.根據權利要求I所述的Z-θ χ- Θ y三自由度高同軸度抗彎扭矩納米級精度工作檯，其特徵在於所述三柔性鉸鏈圓形片工作檯(7)中的三個柔性鉸鏈沿工作檯的圓周均布。
全文摘要
本發明公開了一種Z-θx-θy三自由度高同軸度抗彎扭矩納米級精度工作檯，包括壓電陶瓷驅動器螺釘、壓電陶瓷驅動器端蓋、壓電陶瓷驅動器端蓋螺釘、壓電陶瓷驅動器、外筒、三柔性鉸鏈圓形片工作檯連接螺釘、三柔性鉸鏈圓形片工作檯。本發明結構緊湊，可實現Z-θx-θy三自由度納米級精度的無耦合運動或定位，同時可承載一定彎矩、扭矩載荷；並可通過定心修切加工工藝，提高工作檯上承載物與工作檯外圓或內孔的同軸度。
文檔編號G12B5/00GK102881337SQ201210331240
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月10日 優先權日2012年9月10日
發明者翟嘉, 譚大川, 吳永前, 張燦 申請人:中國科學院光電技術研究所