16桿二維無耦合微位移工作檯的製作方法

2023-07-08 12:43:51

專利名稱：16桿二維無耦合微位移工作檯的製作方法
技術領域：
本發明屬於微機電系統技術領域，涉及ー種無耦合運動的柔性鉸鏈工作檯，具體涉及ー種基於電致伸縮器件和雙層柔性鉸鏈對稱結構的ニ維無耦合運動微位移工作檯。
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ー，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。同時ニ維微位移工作檯是研究三維微位移工作檯的基礎。設計ニ維微位移工作檯，關鍵是解決運動耦合問題以及運動控制問題，即ニ個方向的驅動運動能各自獨立且能精確定位。目前大多數ニ維微位移工作檯採用ー維運動的垂直疊加或者以串聯嵌套式結構來實現ニ維運動，但是這種微位移工作檯結構複雜、體積龐大，不便於工作檯的微型化，而且會產生累積誤差影響工作檯的精度。同時現有ニ維微位移工作檯未考慮結構剛度對微位移系統行程及運動精度的影響。因此，為克服以上缺點，研製具有高精度、無耦合、定位精確、剛度適用的對稱整體式ニ維微位移工作檯對於實際應用具有較大的意義。

發明內容
為了克服現有ニ維微位移工作檯存在的結構複雜、體積龐大，不便於工作檯的微型化的問題，本發明提供ー種16桿ニ維無耦合微位移工作檯。本發明所解決的技術問題可以採用以下技術方案來實現
16桿ニ維無耦合微位移工作檯包括基板1，基板I中部設有貫通的空腔，所述空腔中部設有工作檯6，工作檯6的周邊分別均布連接著八根內層柔性鉸鏈杆5的一端，且兩根內層柔性鉸鏈杆5並列組成一組，共組成四組，每組兩根內層柔性鉸鏈杆5的另一端分別連接著驅動支座3的內端，且其中兩組內層柔性鉸鏈杆5沿X方向對稱分布，另兩組內層柔性鉸鏈杆5沿Y方向對稱分布；每個驅動支座3的兩側分別連接著外層柔性鉸鏈杆2的一端，兩側的外層柔性鉸鏈杆2的另一端分別連接著基板I上空腔的側壁，兩側的外層柔性鉸鏈杆2在同一直線上，且垂直於驅動支座3內端的ー組內層柔性鉸鏈杆5 ;與每個驅動支座3外端對應的所述空腔的側壁上分別設有凹槽7，所述空腔的側壁上共有四個凹槽7，其中相鄰的兩個凹槽7內分別設有電致伸縮器件4，電致伸縮器件4的一端與驅動支座3的外端接觸，另一端與凹槽7的側壁接觸。所述工作檯6為正方形板狀，每ー側邊中部分別連接著兩根並列的內層柔性鉸鏈杆5的一端。所述驅動支座3為矩形板狀，其內側面與一組兩根內層柔性鉸鏈杆5的另一端連接，兩側面分別連接著外層柔性鉸鏈杆2的一端，外側面與所述空腔的凹槽7對應。所述電致伸縮器件4型號為PAS005或PAS020，行程20 μ m ;或者型號為PAS009、或 PAS040，行程 40μπι。與已有技術相比，本發明的有益技術效果體現在以下方面
1、本發明工作檯採用16根柔性鉸鏈杆形成雙層柔性鉸鏈杆對稱一體化結構，依靠外層柔性鉸鏈杆與內層柔性鉸鏈杆的無耦合運動特性、剛度特性、工作檯整體無裝配結構特性，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，同時由於連接工作檯和驅動支座的內層柔性鉸鏈杆每ー組由2根相互平行的柔性鉸鏈杆構成，因此內層剛度較好、運動平穩，因而適用於大行程、中載、定位精度較高的微位移系統；
2、本發明工作檯以電致伸縮器件作為驅動元件，可實現ー維或者ニ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，且電致伸縮器件不隨工作檯運動，從而提高了工作檯的定位精度，便於控制；
3、本發明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、本發明工作檯結構緊湊，便於微型化。


圖I為本發明結構示意圖。圖2為圖I的俯視圖。圖3為X、Y方向機構變形示意簡圖。上圖中序號基板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、凹槽7。
具體實施例方式下面結合附圖，通過實施例對本發明做詳細說明，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。參見圖I和圖2，16桿ニ維無耦合微位移工作檯包括基板1，基板I中部設有貫通的空腔，空腔中部設有工作檯6，工作檯6為正方形板狀，工作檯6的周邊分別均布連接著八根內層柔性鉸鏈杆5的一端，每ー側邊中部分別連接著兩根並列的內層柔性鉸鏈杆5的一端，兩根並列內層柔性鉸鏈杆5組成ー組，共組成四組。每組兩根內層柔性鉸鏈杆5的另一端分別連接著驅動支座3的內端，且其中兩組內層柔性鉸鏈杆5沿X方向對稱分布，另兩組內層柔性鉸鏈杆5沿Y方向對稱分布。驅動支座3為矩形板狀，每個驅動支座3的兩側面分別連接著外層柔性鉸鏈杆2的一端，兩側的外層柔性鉸鏈杆2的另一端分別連接著基板I上空腔的側壁，兩側的外層柔性鉸鏈杆2在同一直線上，且垂直於驅動支座3內端的一組內層柔性鉸鏈杆5 ;與每個驅動支座3外端面對應的所述空腔的側壁上分別設有凹槽7，所述空腔的側壁上共有四個凹槽7，其中相鄰的兩個凹槽7內分別設有電致伸縮器件4，電致伸縮器件4的一端與驅動支座3的外端接觸，另一端與凹槽7的側壁接觸。電致伸縮器件4為Thorlabs公司生產的20 μ m行程PAS020驅動器(根據凹槽7深度和工作檯最大行程要求可以選擇20 μ m行程PAS005驅動器，或者40 μ m行程PAS009驅動器或PAS040驅動器)，且不隨工作檯運動。上述機構(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。
本發明可實現ー維或者ニ維無耦合運動，本實施例通過以下方式進行工作
ー維運動時以輸出X方向運動為例，電致伸縮器件4施加カ於X方向，驅動X+方向的
驅動支座3向X-方向運動，此時X方向的兩組內層柔性鉸鏈杆5與工作檯6同時向X-方向運動，Y方向的兩組外層柔性鉸鏈杆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 —方向位移吋，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方向的一維運動一祥，不存在耦合現象。ニ維運動時，如圖3所示，以輸出Χ-、Υ_方向運動為例，Χ+、Υ+位置的電致伸縮器件4分別施加カ於X-方向和Y-方向，驅動X+方向和Y+方向的驅動支座3同時向X-方向和Y-方向運動。由於採用整體對稱結構，X+位置的電致伸縮器件使X方向的兩組內層柔性鉸鏈杆和Y方向的兩組外層柔性鉸鏈杆向X-方向平移ー個微小位移，而X方向的兩組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方向的兩組內層柔性鉸鏈杆和X方向的兩組外層柔性鉸鏈杆向Y-方向平移ー個微小位移，而Y方向的兩組外層柔性鉸鏈 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Χ、Υ兩個方向上的運動相互獨立，互不幹渉，解決了運動耦合問題。保證了工作檯的精確度，實現了工作檯的ニ維無耦合微位移運動。
權利要求
1.16桿ニ維無耦合微位移工作檯，包括基板(1)，其特徵在於所述基板(I)中部設有貫通的空腔，所述空腔中部設有工作檯(6)，工作檯(6)的周邊分別均布連接著八根內層柔性鉸鏈杆(5)的一端，且兩根內層柔性鉸鏈杆(5)並列組成ー組，共組成四組，每組兩根內層柔性鉸鏈杆(5)的另一端分別連接著驅動支座(3)的內端，且其中兩組內層柔性鉸鏈杆(5)沿X方向對稱分布，另兩組內層柔性鉸鏈杆(5)沿Y方向對稱分布；每個驅動支座(3)的兩側分別連接著外層柔性鉸鏈杆(2)的一端，兩側的外層柔性鉸鏈杆(2)的另一端分別連接著基板(I)上空腔的側壁，兩側的外層柔性鉸鏈杆(2)在同一直線上，且垂直於驅動支座(3)內端的ー組內層柔性鉸鏈杆(5);與每個驅動支座(3)外端對應的所述空腔的側壁上分別設有凹槽(7)，所述空腔的側壁上共有四個凹槽(7)，其中相鄰的兩個凹槽(7)內分別設有電致伸縮器件(4)，電致伸縮器件(4)的一端與驅動支座(3)的外端接觸，另一端與凹槽(7)的側壁接觸。
2.根據權利要求I所述的16桿ニ維無耦合微位移工作檯，其特徵在於所述工作檯(6)為正方形板狀，每ー側邊中部分別連接著兩根並列的內層柔性鉸鏈杆(5)的一端。
3.根據權利要求I所述的16桿ニ維無耦合微位移工作檯，其特徵在於所述驅動支座(3)為矩形板狀，其內側面與一組兩根內層柔性鉸鏈杆(5)的另一端連接，兩側面分別連接著外層柔性鉸鏈杆(2)的一端，外側面與所述空腔的凹槽(7)對應。
4.根據權利要求I所述的16桿ニ維無耦合微位移工作檯，其特徵在於所述電致伸縮器件(4)型號為PAS005或PAS020，行程20 μ m ;或者型號為PAS009、或PAS040，行程40 μ m。
全文摘要
本發明涉及16桿二維無耦合微位移工作檯。該工作檯包括基板、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，四組均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，驅動支座與基板凹槽之間設有電致伸縮器件，電致伸縮器件的一端頂在驅動支座的外端，另一端頂緊凹槽的側壁。本發明採用16根柔性鉸鏈杆形成雙層柔性鉸鏈杆對稱一體化結構，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，具有解析度高、結構緊湊的優點，適用於大行程、中載、定位精度較高的微機電系統、掃描探測顯微鏡、超精密加工等領域。
文檔編號G12B3/00GK102664045SQ20121015225
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月17日 優先權日2012年5月17日
發明者張海巖, 沈健, 陳東 申請人:合肥工業大學