專利名稱：16桿二維無耦合微位移工作臺的制作方法
技術領域：
本發明屬于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臺，具體涉及ー種基于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臺。
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。微位移工作臺在微機電系統、掃描探測顯微鏡、超精密加工、光學元件制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臺是其核心部件。同時ニ維微位移工作臺是研究三維微位移工作臺的基礎。設計ニ維微位移工作臺，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臺采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臺結構復雜、體積龐大，不便于工作臺的微型化，而且會產生累積誤差影響工作臺的精度。同時現有ニ維微位移工作臺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，研制具有高精度、無耦合、定位精確、剛度適用的對稱整體式ニ維微位移工作臺對于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臺存在的結構復雜、體積龐大，不便于工作臺的微型化的問題，本發明提供ー種16桿ニ維無耦合微位移工作臺。本發明所解決的技術問題可以采用以下技術方案來實現
16桿ニ維無耦合微位移工作臺包括基板1，基板I中部設有貫通的空腔，所述空腔中部設有工作臺6，工作臺6的周邊分別均布連接著八根內層柔性鉸鏈桿5的一端，且兩根內層柔性鉸鏈桿5并列組成一組，共組成四組，每組兩根內層柔性鉸鏈桿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桿5沿X方向對稱分布，另兩組內層柔性鉸鏈桿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桿2的一端，兩側的外層柔性鉸鏈桿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桿2在同一直線上，且垂直于驅動支座3內端的ー組內層柔性鉸鏈桿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。所述工作臺6為正方形板狀，每ー側邊中部分別連接著兩根并列的內層柔性鉸鏈桿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桿5的另一端連接，兩側面分別連接著外層柔性鉸鏈桿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、本發明工作臺采用16根柔性鉸鏈桿形成雙層柔性鉸鏈桿對稱一體化結構，依靠外層柔性鉸鏈桿與內層柔性鉸鏈桿的無耦合運動特性、剛度特性、工作臺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，同時由于連接工作臺和驅動支座的內層柔性鉸鏈桿每ー組由2根相互平行的柔性鉸鏈桿構成，因此內層剛度較好、運動平穩，因而適用于大行程、中載、定位精度較高的微位移系統；
2、本發明工作臺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系。由于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臺運動，從而提高了工作臺的定位精度，便于控制；
3、本發明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生的誤差，具有較高的精度；
4、本發明工作臺結構緊湊，便于微型化。


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、外層柔性鉸鏈桿2、驅動支座3、電致伸縮器件4、內層柔性鉸鏈桿5、工作臺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臺包括基板1，基板I中部設有貫通的空腔，空腔中部設有工作臺6，工作臺6為正方形板狀，工作臺6的周邊分別均布連接著八根內層柔性鉸鏈桿5的一端，每ー側邊中部分別連接著兩根并列的內層柔性鉸鏈桿5的一端，兩根并列內層柔性鉸鏈桿5組成ー組，共組成四組。每組兩根內層柔性鉸鏈桿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桿5沿X方向對稱分布，另兩組內層柔性鉸鏈桿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桿2的一端，兩側的外層柔性鉸鏈桿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桿2在同一直線上，且垂直于驅動支座3內端的一組內層柔性鉸鏈桿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深度和工作臺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)，且不隨工作臺運動。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施加カ于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桿5與工作臺6同時向X-方向運動，Y方向的兩組外層柔性鉸鏈桿2在X-方向外力作用下也同時向X-方向運動，由于內、外層柔性鉸鏈桿均采用對稱結構，在Y方向的位移相互抵消，因此工作臺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。由于本發明采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分別施加カ于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。由于采用整體對稱結構，X+位置的電致伸縮器件使X方向的兩組內層柔性鉸鏈桿和Y方向的兩組外層柔性鉸鏈桿向X-方向平移ー個微小位移，而X方向的兩組外層柔性鉸鏈桿保持不動；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桿和X方向的兩組外層柔性鉸鏈桿向Y-方向平移ー個微小位移，而Y方向的兩組外層柔性鉸鏈 桿保持不動；從而使X方向上的驅動支座與工作臺6沒有沿Y方向的相對移動，Y方向上的驅動支座與工作臺6沒有沿X方向的相對移動，工作臺在Χ、Υ兩個方向上的運動相互獨立，互不干渉，解決了運動耦合問題。保證了工作臺的精確度，實現了工作臺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臺，包括基板(1)，其特征在于所述基板(I)中部設有貫通的空腔，所述空腔中部設有工作臺(6)，工作臺(6)的周邊分別均布連接著八根內層柔性鉸鏈桿(5)的一端，且兩根內層柔性鉸鏈桿(5)并列組成ー組，共組成四組，每組兩根內層柔性鉸鏈桿(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桿(5)沿X方向對稱分布，另兩組內層柔性鉸鏈桿(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桿(2)的一端，兩側的外層柔性鉸鏈桿(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桿(2)在同一直線上，且垂直于驅動支座(3)內端的ー組內層柔性鉸鏈桿(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臺，其特征在于所述工作臺(6)為正方形板狀，每ー側邊中部分別連接著兩根并列的內層柔性鉸鏈桿(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臺，其特征在于所述驅動支座(3)為矩形板狀，其內側面與一組兩根內層柔性鉸鏈桿(5)的另一端連接，兩側面分別連接著外層柔性鉸鏈桿(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臺，其特征在于所述電致伸縮器件(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臺。該工作臺包括基板、外層柔性鉸鏈桿、驅動支座、電致伸縮器件、內層柔性鉸鏈桿、工作臺，四組均布的內層柔性鉸鏈桿一端連接工作臺，另一端連接驅動支座，驅動支座通過外層柔性鉸鏈桿連接到基板上，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。本發明采用16根柔性鉸鏈桿形成雙層柔性鉸鏈桿對稱一體化結構，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，具有分辨率高、結構緊湊的優點，適用于大行程、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