專利名稱：無耦合運動的二維微位移工作臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無耦合運動的柔性鉸鏈工作臺，具體是一種基于電致伸縮器件和雙層柔性鉸鏈對稱結(jié)構(gòu)的二維無耦合運動微位移工作臺，屬于微機電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微位移技術(shù)是精密機械與精密儀器的關(guān)鍵技術(shù)之一，近年來隨著微電子技術(shù)、宇航、生物工程等學(xué)科的發(fā)展而迅速地發(fā)展起來。微位移工作臺在微機電系統(tǒng)、掃描探測顯微鏡、超精密加工、光學(xué)元件制造以及生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，具有納米級精度的微位移工作臺是其核心部件。同時二維微位移工作臺是研究三維微位移工作臺的基礎(chǔ)。設(shè)計二維微位移工作臺，關(guān)鍵是解決運動耦合問題，即二個方向的驅(qū)動運動能各自獨立。目前大多數(shù)二維微位移工作臺采用一維運動的垂直疊加或者以串聯(lián)嵌套式結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)二維運動。研制高精度、無耦合的對稱整體式二維微位移工作臺對于實際應(yīng)用具有較大的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種無耦合運動的二維微位移工作臺，采用雙層柔性鉸鏈桿對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計，依靠外層柔性鉸鏈桿與內(nèi)層雙平行柔性鉸鏈桿的無耦合運動特性、剛度特性以及工作臺整體無裝配結(jié)構(gòu)特性，實現(xiàn)獨立、無耦合的二維運動。本發(fā)明所解決的技術(shù)問題可以采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)本發(fā)明無耦合運動的二維微位移工作臺包括基板、外層柔性鉸鏈桿、驅(qū)動支座、 電致伸縮器件、內(nèi)層柔性鉸鏈桿、工作臺；所述工作臺沿X、Y方向?qū)ΨQ分布有四個工作臺凸緣；所述驅(qū)動支座用于連接基板與工作臺，包括一個驅(qū)動支座跨梁和位于支座跨梁兩側(cè)的驅(qū)動支座側(cè)板，驅(qū)動支座通過外層柔性鉸鏈桿與基板連接，通過內(nèi)層柔性鉸鏈桿與工作臺連接，所述內(nèi)層柔性鉸鏈桿一端連接在驅(qū)動支座側(cè)板的內(nèi)側(cè)面，另一端連接在工作臺凸緣兩側(cè)；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臺的凸緣，另一端頂在驅(qū)動支座跨梁上。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特點也在于所述外層柔性鉸鏈桿、驅(qū)動支座、內(nèi)層柔性鉸鏈桿、工作臺與基板是一體的，整體為對稱無裝配結(jié)構(gòu)，所有轉(zhuǎn)動點由柔性鉸鏈構(gòu)成。所述內(nèi)層柔性鉸鏈桿有四組，分別沿X、Y方向平行對稱分布，每一組由四(偶數(shù)) 根相互平行的柔性鉸鏈桿構(gòu)成，分別連接在驅(qū)動支座側(cè)板與工作臺凸緣上。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臺的凸緣，另一端頂在驅(qū)動支座跨梁上。
所述無耦合運動的二維微位移工作臺為對稱整體結(jié)構(gòu)，可采用線切割加工方法一次切割完成，無裝配元件。本發(fā)明通過對稱布置的外層柔性鉸鏈桿消除內(nèi)層工作臺的耦合運動，外層柔性鉸鏈桿的數(shù)量根據(jù)剛性要求決定。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在I、工作臺以電致伸縮器件作為驅(qū)動元件，可實現(xiàn)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(guān)系。由于兩個方向的運動之間無耦合，相互獨立，從而提高了工作臺的定位精度，便于控制。2、工作臺采用內(nèi)、外層雙柔性鉸鏈桿對稱結(jié)構(gòu)設(shè)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、工作臺整體可采用線切割加工方法一次切割完成，無裝配元件，消除了由于裝配而產(chǎn)生的誤差，具有較高的精度。4、工作臺結(jié)構(gòu)緊湊，便于微型化。


圖I為本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為X、Y方向機構(gòu)變形示意簡圖。圖3為工作臺示意簡圖。圖4為驅(qū)動支座示意簡圖。如圖1、3、4所示，本發(fā)明機構(gòu)主要包括基板I、外層柔性鉸鏈桿2、驅(qū)動支座3、電致伸縮器件4、內(nèi)層柔性鉸鏈桿5、工作臺6。其中，工作臺有四個均布的凸緣7，驅(qū)動支座包括驅(qū)動支座側(cè)板8、驅(qū)動支座跨梁9。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例做詳細說明，本實例在以本發(fā)明技術(shù)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(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。如圖I 4所示，本發(fā)明設(shè)有基板I、外層柔性鉸鏈桿2、驅(qū)動支座3、電致伸縮器件 4、內(nèi)層柔性鉸鏈桿5、工作臺6。工作臺6連接在四組沿X、Y方向兩兩對稱分布的內(nèi)層柔性鉸鏈桿5的一端上，內(nèi)層柔性鉸鏈桿5的另一端固定在驅(qū)動支座側(cè)板8上，驅(qū)動支座3通過外層柔性鉸鏈桿2連接到基板I上，驅(qū)動支座3中間設(shè)有電致伸縮器件4，電致伸縮器件4 一端頂緊工作臺凸緣7，另一端頂在驅(qū)動支座跨梁9上。工作臺6有四個均布的凸緣7，驅(qū)動支座3包括兩個驅(qū)動支座側(cè)板8和一個驅(qū)動支座跨梁9 ;外層柔性鉸鏈桿2有四個，沿X、 Y方向平行對稱分布，分別連接在基板I、驅(qū)動支座跨梁9中間位置上；內(nèi)層柔性鉸鏈桿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桿構(gòu)成，分別連接在驅(qū)動支座側(cè)板8與工作臺凸緣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 一端頂緊工作臺凸緣7，另一端頂在驅(qū)動支座跨梁9上。上述所有機構(gòu)(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(jié)構(gòu)，所有的轉(zhuǎn)動點都由柔性鉸鏈構(gòu)成。本發(fā)明可實現(xiàn)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施加力于X方向，驅(qū)動工作臺6向X-方向運動，此時X方向的二組八根內(nèi)層柔性鉸鏈桿5同時向X-方向運動，Y方向的二根外層柔性鉸鏈桿2在X-方向外力作用下也同時向X-方向運動，由于內(nèi)、外層柔性鉸鏈桿均采用對稱結(jié)構(gòu)，在Y方向的位移相互抵消，因此工作臺6在向X-方向位移時，不存在 Y方向的耦合運動，實現(xiàn)了 X方向的無耦合微位移輸出。由于本發(fā)明采用整體對稱結(jié)構(gòu)設(shè)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(xiàn)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于X-方向和Y-方向，驅(qū)動工作臺6同時向X-方向和Y-方向運動。由于米用整體對稱結(jié)構(gòu)，X+位置的電致伸縮器件使X方向的八根內(nèi)層柔性鉸鏈桿和Y方向的二根外層柔性鉸鏈桿向X-方向平移一個微小位移，而Y方向的八根內(nèi)層柔性鉸鏈桿和X方向的二根外層柔性鉸鏈桿保持不動；同理，Y+位置的電致伸縮器件使Y方向的八根內(nèi)層柔性鉸鏈桿和X方向的二根外層柔性鉸鏈桿向Y-方向平移一個微小位移,而X方向的八根內(nèi)層柔性鉸鏈桿和Y方向的二根外層柔性鉸鏈桿保持不動；從而使X方向上的驅(qū)動支座與工作臺 6沒有沿Y方向的相對移動，Y方向上的驅(qū)動支座與工作臺6沒有沿X方向的相對移動，工作臺在X、Y 二個方向上的運動相互獨立，互不干涉，解決了運動耦合問題。保證了工作臺的精確度，實現(xiàn)了工作臺的二維無耦合微位移運動。
權(quán)利要求
1.無耦合運動的二維微位移工作臺，包括基板(I)、外層柔性鉸鏈桿(2)、驅(qū)動支座(3)、電致伸縮器件(4)、內(nèi)層柔性鉸鏈桿(5)、工作臺(6)，所述工作臺(6)沿X、Y方向?qū)ΨQ分布有四個工作臺凸緣(7)；所述驅(qū)動支座(3)用于連接基板(I)與工作臺￠)，包括一個驅(qū)動支座跨梁(9)和位于支座跨梁兩側(cè)的驅(qū)動支座側(cè)板(8)，驅(qū)動支座(3)通過外層柔性鉸鏈桿(2)與基板(I)連接，通過內(nèi)層柔性鉸鏈桿(5)與工作臺連接，所述內(nèi)層柔性鉸鏈桿(5) —端連接驅(qū)動支座側(cè)板(8)，另一端連接工作臺凸緣；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) 一端頂緊工作臺的凸緣(7)，另一端頂在驅(qū)動支座跨梁(9)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無耦合運動的二維微位移工作臺，其特征在于所述外層柔性鉸鏈桿(2)、驅(qū)動支座(3)、內(nèi)層柔性鉸鏈桿(5)、工作臺(6)與基板(I)是一體的，整體為對稱無裝配結(jié)構(gòu)，所有轉(zhuǎn)動點由柔性鉸鏈構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無耦合運動的二維微位移工作臺，其特征在于所述內(nèi)層柔性鉸鏈桿(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桿構(gòu)成，分別連接在驅(qū)動支座側(cè)板(8)與工作臺凸緣(7)上。
全文摘要
無耦合運動的二維微位移工作臺，包括基板、外層柔性鉸鏈桿、驅(qū)動支座、電致伸縮器件、內(nèi)層柔性鉸鏈桿、工作臺，四組沿X、Y方向?qū)ΨQ分布的內(nèi)層柔性鉸鏈桿一端連接工作臺，另一端連接驅(qū)動支座，驅(qū)動支座通過外層柔性鉸鏈桿連接到基板上，驅(qū)動支座中間設(shè)有電致伸縮器件，電致伸縮器件一端頂緊工作臺的凸緣，另一端頂在驅(qū)動支座上。本發(fā)明采用雙層柔性鉸鏈桿對稱結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計，整體采用線切割加工方法一次切割完成，無裝配元件，可實現(xiàn)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、分辨率高、結(jié)構(gòu)緊湊的特點，可應(yīng)用于微機電系統(tǒng)、掃描探測顯微鏡、超精密加工、光學(xué)元件制造以及生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)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(yōu)先權(quán)日2012年2月10日
發(fā)明者任興亮, 俞濤, 張海巖, 沈健, 陳東 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)