無耦合運動的二維微位移工作檯的製作方法

2023-10-31 03:32:12 1

專利名稱：無耦合運動的二維微位移工作檯的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種無耦合運動的柔性鉸鏈工作檯，具體是一種基於電致伸縮器件和雙層柔性鉸鏈對稱結構的二維無耦合運動微位移工作檯，屬於微機電系統技術領域。
背景技術：
微位移技術是精密機械與精密儀器的關鍵技術之一，近年來隨著微電子技術、宇航、生物工程等學科的發展而迅速地發展起來。微位移工作檯在微機電系統、掃描探測顯微鏡、超精密加工、光學元件製造以及生物醫學工程等領域有廣泛的應用，具有納米級精度的微位移工作檯是其核心部件。同時二維微位移工作檯是研究三維微位移工作檯的基礎。設計二維微位移工作檯，關鍵是解決運動耦合問題，即二個方向的驅動運動能各自獨立。目前大多數二維微位移工作檯採用一維運動的垂直疊加或者以串聯嵌套式結構來實現二維運動。研製高精度、無耦合的對稱整體式二維微位移工作檯對於實際應用具有較大的意義。

發明內容
本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種無耦合運動的二維微位移工作檯，採用雙層柔性鉸鏈杆對稱結構設計，依靠外層柔性鉸鏈杆與內層雙平行柔性鉸鏈杆的無耦合運動特性、剛度特性以及工作檯整體無裝配結構特性，實現獨立、無耦合的二維運動。本發明所解決的技術問題可以採用以下技術方案來實現本發明無耦合運動的二維微位移工作檯包括基板、外層柔性鉸鏈杆、驅動支座、 電致伸縮器件、內層柔性鉸鏈杆、工作檯；所述工作檯沿X、Y方向對稱分布有四個工作檯凸緣；所述驅動支座用於連接基板與工作檯，包括一個驅動支座跨梁和位於支座跨梁兩側的驅動支座側板，驅動支座通過外層柔性鉸鏈杆與基板連接，通過內層柔性鉸鏈杆與工作檯連接，所述內層柔性鉸鏈杆一端連接在驅動支座側板的內側面，另一端連接在工作檯凸緣兩側；所述電致伸縮器件有兩個，其中X、Y方向各一個，所述電致伸縮器件一端頂緊工作檯的凸緣，另一端頂在驅動支座跨梁上。本發明的結構特點也在於所述外層柔性鉸鏈杆、驅動支座、內層柔性鉸鏈杆、工作檯與基板是一體的，整體為對稱無裝配結構，所有轉動點由柔性鉸鏈構成。所述內層柔性鉸鏈杆有四組，分別沿X、Y方向平行對稱分布，每一組由四(偶數) 根相互平行的柔性鉸鏈杆構成，分別連接在驅動支座側板與工作檯凸緣上。所述電致伸縮器件有兩個，其中X、Y方向各一個，可分布在X+Y+、X+Y-、X-Y+或者 X-Y-方向上，所述電致伸縮器件一端頂緊工作檯的凸緣，另一端頂在驅動支座跨梁上。
所述無耦合運動的二維微位移工作檯為對稱整體結構，可採用線切割加工方法一次切割完成，無裝配元件。本發明通過對稱布置的外層柔性鉸鏈杆消除內層工作檯的耦合運動，外層柔性鉸鏈杆的數量根據剛性要求決定。與已有技術相比，本發明有益效果體現在I、工作檯以電致伸縮器件作為驅動元件，可實現一維或者二維無耦合微位移運動，輸出位移與輸入位移成線性關係。由於兩個方向的運動之間無耦合，相互獨立，從而提高了工作檯的定位精度，便於控制。2、工作檯採用內、外層雙柔性鉸鏈杆對稱結構設計，可消除耦合運動，提高精度， 具有無間隙、無摩擦、靈敏度高的特點。3、工作檯整體可採用線切割加工方法一次切割完成，無裝配元件，消除了由於裝配而產生的誤差，具有較高的精度。4、工作檯結構緊湊，便於微型化。


圖I為本發明實施例的結構示意圖。圖2為X、Y方向機構變形示意簡圖。圖3為工作檯示意簡圖。圖4為驅動支座示意簡圖。如圖1、3、4所示，本發明機構主要包括基板I、外層柔性鉸鏈杆2、驅動支座3、電致伸縮器件4、內層柔性鉸鏈杆5、工作檯6。其中，工作檯有四個均布的凸緣7，驅動支座包括驅動支座側板8、驅動支座跨梁9。
具體實施例方式下面對本發明的實施例做詳細說明，本實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 4所示，本發明設有基板I、外層柔性鉸鏈杆2、驅動支座3、電致伸縮器件 4、內層柔性鉸鏈杆5、工作檯6。工作檯6連接在四組沿X、Y方向兩兩對稱分布的內層柔性鉸鏈杆5的一端上，內層柔性鉸鏈杆5的另一端固定在驅動支座側板8上，驅動支座3通過外層柔性鉸鏈杆2連接到基板I上，驅動支座3中間設有電致伸縮器件4，電致伸縮器件4 一端頂緊工作檯凸緣7，另一端頂在驅動支座跨梁9上。工作檯6有四個均布的凸緣7，驅動支座3包括兩個驅動支座側板8和一個驅動支座跨梁9 ;外層柔性鉸鏈杆2有四個，沿X、 Y方向平行對稱分布，分別連接在基板I、驅動支座跨梁9中間位置上；內層柔性鉸鏈杆5有四組，分別沿X、Y方向平行對稱分布，每組由四根相互平行的柔性鉸鏈杆構成，分別連接在驅動支座側板8與工作檯凸緣7上；電致伸縮器件4有兩個，其中X+、Y+方向各一個，電致伸縮器件4 一端頂緊工作檯凸緣7，另一端頂在驅動支座跨梁9上。上述所有機構(電致伸縮器件除外)是在基板上用線切割方法一次裝夾加工出來的整體式無裝配對稱結構，所有的轉動點都由柔性鉸鏈構成。本發明可實現一維或者二維無耦合運動，本實例通過以下方式進行工作
一維運動時以輸出X方向運動為例，電致伸縮器件4施加力於X方向，驅動工作檯6向X-方向運動，此時X方向的二組八根內層柔性鉸鏈杆5同時向X-方向運動，Y方向的二根外層柔性鉸鏈杆2在X-方向外力作用下也同時向X-方向運動，由於內、外層柔性鉸鏈杆均採用對稱結構，在Y方向的位移相互抵消，因此工作檯6在向X-方向位移時，不存在 Y方向的耦合運動，實現了 X方向的無耦合微位移輸出。由於本發明採用整體對稱結構設計，因此Y方向的一維運動與X方向的一維運動一樣,不存在I禹合現象。二維運動時，如圖2所示，以輸出X-、Y-方向運動為例，X+、Y+位置的電致伸縮器件分別施加力於X-方向和Y-方向，驅動工作檯6同時向X-方向和Y-方向運動。由於米用整體對稱結構，X+位置的電致伸縮器件使X方向的八根內層柔性鉸鏈杆和Y方向的二根外層柔性鉸鏈杆向X-方向平移一個微小位移，而Y方向的八根內層柔性鉸鏈杆和X方向的二根外層柔性鉸鏈杆保持不動；同理，Y+位置的電致伸縮器件使Y方向的八根內層柔性鉸鏈杆和X方向的二根外層柔性鉸鏈杆向Y-方向平移一個微小位移,而X方向的八根內層柔性鉸鏈杆和Y方向的二根外層柔性鉸鏈杆保持不動；從而使X方向上的驅動支座與工作檯 6沒有沿Y方向的相對移動，Y方向上的驅動支座與工作檯6沒有沿X方向的相對移動，工作檯在X、Y 二個方向上的運動相互獨立，互不幹涉，解決了運動耦合問題。保證了工作檯的精確度，實現了工作檯的二維無耦合微位移運動。
權利要求
1.無耦合運動的二維微位移工作檯，包括基板(I)、外層柔性鉸鏈杆(2)、驅動支座(3)、電致伸縮器件(4)、內層柔性鉸鏈杆(5)、工作檯(6)，所述工作檯(6)沿X、Y方向對稱分布有四個工作檯凸緣(7)；所述驅動支座(3)用於連接基板(I)與工作檯￠)，包括一個驅動支座跨梁(9)和位於支座跨梁兩側的驅動支座側板(8)，驅動支座(3)通過外層柔性鉸鏈杆(2)與基板(I)連接，通過內層柔性鉸鏈杆(5)與工作檯連接，所述內層柔性鉸鏈杆(5) —端連接驅動支座側板(8)，另一端連接工作檯凸緣；所述電致伸縮器件(4)有兩個，其中X、Y方向各一個，所述電致伸縮器件(4) 一端頂緊工作檯的凸緣(7)，另一端頂在驅動支座跨梁(9)上。
2.根據權利要求I所述的無耦合運動的二維微位移工作檯，其特徵在於所述外層柔性鉸鏈杆(2)、驅動支座(3)、內層柔性鉸鏈杆(5)、工作檯(6)與基板(I)是一體的，整體為對稱無裝配結構，所有轉動點由柔性鉸鏈構成。
3.根據權利要求I所述的無耦合運動的二維微位移工作檯，其特徵在於所述內層柔性鉸鏈杆(5)有四組，分別沿Χ、Υ方向平行對稱分布，每一組由四根相互平行的柔性鉸鏈杆構成，分別連接在驅動支座側板(8)與工作檯凸緣(7)上。
全文摘要
無耦合運動的二維微位移工作檯，包括基板、外層柔性鉸鏈杆、驅動支座、電致伸縮器件、內層柔性鉸鏈杆、工作檯，四組沿X、Y方向對稱分布的內層柔性鉸鏈杆一端連接工作檯，另一端連接驅動支座，驅動支座通過外層柔性鉸鏈杆連接到基板上，驅動支座中間設有電致伸縮器件，電致伸縮器件一端頂緊工作檯的凸緣，另一端頂在驅動支座上。本發明採用雙層柔性鉸鏈杆對稱結構一體化設計，整體採用線切割加工方法一次切割完成，無裝配元件，可實現輸出位移與輸入位移成正比的獨立、無耦合一維或者二維運動，具有無耦合、解析度高、結構緊湊的特點，可應用於微機電系統、掃描探測顯微鏡、超精密加工、光學元件製造以及生物醫學工程等領域。
文檔編號B25H1/00GK102581828SQ20121003019
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月10日 優先權日2012年2月10日
發明者任興亮, 俞濤, 張海巖, 沈健, 陳東 申請人:合肥工業大學