一种二自由度压电驱动纳米定位平台的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种纳米精密定位工作台，特别是一种可应用于纳米光刻、扫描成像、量子功能材料制备、生物医学工程、微机电系统等高精度定位场合，可提供精密平面定位和跟踪的二自由度并联纳米定位工作台。
【背景技术】
[0002]近年来，微电子器件和集成化芯片加工技术，扫描显微成像技术，量子材料制备技术，生物医学工程技术等高精尖技术蓬勃发展，其系统所能达到的精度和性能在很大程度上依赖于其纳米移定位子系统的精度和性能。为了提高系统的总体精度和加工效率，扩展其功能，十分有必要设计一套可实现纳米级精度精密轨迹跟踪和运动操控的具有广泛应用领域的纳米移定位系统。
[0003]随着纳米光刻技术、扫描隧道显微镜、原子力显微镜、微机电系统等技术的发展，纳米移定位平台也有了长足的发展。在已有技术中，大多数移定位平台采用压电陶瓷驱动器驱动，带有放大机构的和解耦结构的串并联结构。并联结构相对于串联结构具有高刚度、高负载承载力、高速度和高定位精度等显著优势，但同时难于解耦。压电陶瓷驱动器驱动相较于传统驱动方式具有控制精度高、响应快、驱动力大、驱动功率低和工作频率宽等优点，但难以达到很大的行程。纳米定位平台中采用的放大机构通常包括传统杠杆放大和桥式放大机构，杠杆放大刚度高，为了达到较大的放大倍数必然会增大空间构型；桥式放大具有较大的放大比，但是刚度小，负载承载力过小。现有的设计平台，不能在大刚度和大行程，大放大比和小整体构型，高精度和易于解耦等条件之间得到很好的折中，基于已有技术的不足，研制具有新型机构形式和控制方法的高精度、大行程、高刚度、良好解耦性的纳米移定位系统，具有重要的理论意义和工程实用价值。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种二自由度压电驱动纳米定位平台，该定位平台响应迅速、定位精确，移动行程大，并可以实现实时跟踪特定平面轨迹的任务。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0006]一种二自由度压电驱动纳米定位平台，包括:基座、X轴方向的全柔顺机构、Y轴方向的全柔顺机构、十字花型XY解耦机构、XY运动平台本体、压电陶瓷驱动器以及激光尺平面反射镜；
[0007]所述XY运动平台本体通过X轴方向的全柔顺机构、Y轴方向的全柔顺机构以及十字花型XY解耦机构与所述基座连接；
[0008]所述XY运动平台本体和基座的侧面分别安装有检查其X方向和Y方向运动的激光尺平面反射镜，所述激光尺平面反射镜分别与检测X、Y方向的激光尺读数头配合共同完成纳米定位平台两个自由度运动的检测与反馈；
[0009]所述压电陶瓷驱动器分别镶嵌在X轴方向的全柔顺机构和Y轴方向的全柔顺机构中，用于驱动XY运动平台本体的二维运动。
[0010]所述十字花型XY解耦机构采用全柔性设计，由铰链折叠成中心对称的双层十字花结构，布置在XY运动平台本体的四角，用于实现XY运动平台本体在Χ、γ两个方向的平移解耦。
[0011]所述X轴方向的全柔顺机构包括:两组沿X轴方向布置且关于Y轴对称的第一复合平行四杆导向机构和第二复合平行四杆导向机构以及两组沿X轴方向布置关于Y轴对称的第一 L型对称杠杆放大机构和第二 L型对称杠杆放大机构；
[0012]所述第一复合平行四杆导向机构与第一 L型对称杠杆放大机构铰接，第二复合平行四杆导向机构与第二 L型对称杠杆放大机构铰接。
[0013]XY运动平台本体在X轴方向上的左右两边分别通过柔性铰链与两组对称的第一复合平行四杆导向机构和第二复合平行四杆导向机构的顶端相连；所述第一复合平行四杆导向机构和第二复合平行四杆导向机构的尾端分别通过柔性铰链与所述第一 L型对称杠杆放大机构和第二 L型对称杠杆放大机构的顶端相连；所述第一 L型对称杠杆放大机构和第二 L型对称杠杆放大机构的四个L型转折处分别通过旋转的柔性铰链与基座连接。
[0014]所述第二 L型对称杠杆放大机构的两个L臂的尾端分别通过圆形铰链与导向块连接；两个导向块中分别放置契型块，导向块与契型块的斜边接触，契型块的平边与定位对中块的平边相接触；所述定位对中块分别通过其锥面与第一压电陶瓷驱动器的两个半球面相切；所述导向块右侧开有螺孔，用于通过螺钉压紧契型块，保证所述第一压电陶瓷驱动器的固定与预紧。
[0015]所述Y轴方向的全柔顺机构包括:两组沿Y轴方向布置关于X轴对称的第三复合平行四杆导向机构和第四复合平行四杆导向机构以及两组沿Y轴方向布置关于X轴对称的第三L型对称杠杆放大机构和第四L型对称杠杆放大机构；
[0016]所述第三复合平行四杆导向机构与第三L型对称杠杆放大机构铰接，第四复合平行四杆导向机构与第四L型对称杠杆放大机构铰接。
[0017]XY运动平台本体在Y轴方向的上下两边分别通过柔性铰链与两组对称的第三复合平行四杆导向机构和第四复合平行四杆导向机构的顶端相连；所述第三复合平行四杆导向机构和第四复合平行四杆导向机构的尾端通过柔性铰链分别与所述第三L型对称杠杆放大机构和第四L型对称杠杆放大机构的顶端相连；所述第三L型对称杠杆放大机构和第四L型对称杠杆放大机构的四个L型转折处分别通过旋转的柔性铰链与基座连接。
[0018]所述第四L型对称杠杆放大机构的两个L臂的尾端分别通过圆形铰链与导向块连接；两个导向块中分别放置契型块，导向块与契型块的斜边接触，契型块的平边与定位对中块的平边相接触；所述定位对中块分别通过其锥面与第二压电陶瓷驱动器的两个半球面相切；所述导向块右侧开有螺孔，用于通过螺钉压紧契型块，保证所述第二压电陶瓷驱动器的固定与预紧。
[0019]所述定位对中块用于实现压电陶瓷驱动器的定位、对中和保护；定位对中块为在长方形块中嵌入锥形面，所述锥形面与压电陶瓷驱动器的半球面配合，保证压电陶瓷驱动器的半球面在所述锥形面中小幅度地调整，且始终保持对中位置。
[0020]本发明的有益效果是:
[0021]I)本发明利用柔性铰链作为运动副，通过其微形变来传递和解耦运动，与传统的机械运动传递方式相比，减小了装配过程中引入的间隙误差，并不受运动传递过程中摩擦的影响，大大提尚了运动传递的精确性。
[0022]2)本发明采用L型对称放大杠杆，与传统的杠杆放大相比，具有对称性，可以成功的消除XY两个方向的交叉耦合；有效地设计L型对称放大杠杆的参数，可以达到较大的位移放大比；在具有同等放大倍数的情况下，空间利用率更高。
[0023]3)本发明提出的十字花型XY解耦机构可以有效的消除XY两个方向的交叉耦合，四角对称的布置可以大大提尚平台运动的稳定性和精确度，并对系统固有频率的提尚具有十分显著的效果。
[0024]4)采用契型块和定位对中块组合设计，解决了压电陶瓷驱动器的安装问题，拆装方便，利于实现预紧调整；锥面的定位对中块设计，实现了半球形头的压电陶瓷驱动器的定位和对中，提高装配精度，防止压电陶瓷驱动器受剪切力而击穿，起到了良好的保护作用。
[0025]5)运动部件整体采用对称布置，减小了结构不对称造成的运动交叉耦合。
[0026]6)整个系统部件相配合成功实现了较大行程的平面运动，具有纳米级的定位精度，并保持了较高的固有频率和可靠性。平台采用6061铝-T2材料，经过线切割一体化技术加工完成，避免其他工序引入造成的误差损失，并可成功用于高真空状态，满足系统对于超尚精度定位和跟