一种具有双位移放大的大行程快速响应x-y微动工作台的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微纳测量与加工技术领域的装置，尤其涉及一种具有双位移放大的大行程快速响应X-Y微动工作台。
【背景技术】
[0002]微纳定位技术是现代闻新科技和现代工业中的一项关键技术，在精密制造、超精测量和微操纵等诸多领域有着广泛的应用。近年来，对微纳定位技术提出了大行程、高精度、小体积和快速响应等更高的要求，其中对定位精度和分辨率的要求达到了纳米量级。
[0003]微纳定位技术的水平反映了一个国家的科技发展状况和综合实力，各国政府纷纷投入大量人力和物力。开展微纳定位技术的相关研究，对促进我国先进制造、超精密加工与测量、生物医学工程、国防军工等高新技术行业的快速发展有着重大而深远的意义。微纳定位工作台及其测控系统作为核心部分直接决定了整个应用系统的精度、效率及适应性，对其关键技术开展研究成为当务之急。
[0004]中国专利CN 103225728 A提出了一种压电陶瓷驱动的二维并联微动平台。该定位平台采用柔性铰链的二级放大机构和复合平行四杆导向机构难以加工，且柔性铰链要比杆的刚度小很多，导致放大机构尺寸过大；两级位移放大机构还会使得最终的输出力成倍下降，进而平台带负载能力也会下降；多次采用柔性铰链机构实现运动传递会使得系统运动精度迅速下降，系统带宽缩小，系统较难实现高速精确定位。
[0005]中国专利CN 102962683 A提出了一种二自由度平动并联高带宽微动平台，该平台的二维高带宽平动特性牺牲了位置传感器的安装位置和平台的可用面积；系统中未增加位移放大机构，无法实现大行程运动。
[0006]中国专利CN 10176995 A提出了一种具有冗余支链的二平动微动平台，该工作台的设计使得整个工作台的利用面积很小，空白面积很大；而且两侧的刚度差距很大，在施加单一方向力的时候，平台在另一侧会发生明显的偏转，导致附加角位移的出现；平台过大，未经过任何减重处理，会使得整体运动平台各个位置位移不一致，从而影响定位精度，同时也会导致压电陶瓷的驱动能力降低，系统动态特性较差。
[0007]中国专利CN 103411106 A提出了一种嵌套式菱形放大二维精密定位平台，该方案相对于运动平台的尺寸，驱动和放大机构的尺寸过小，若未经过任何减重处理的话会导致系统的驱动能力和动态特性下降；而且运动平台过大会导致运动平台各个位置的位移不一致；此种依靠四个边的拉伸变形产生位移放大的平行四边形位移放大机构的位移放大系数呈现非线性，没有确定系数；系统呈现不对称结构，会导致平台固有频率降低。
[0008]鉴于上述专利中提出的微动平台存在的一些问题，本专利设计一种具有双位移放大的大行程快速响应X-Y微动工作台，该工作台具有载物台利用面积大、带负载能力强、固有频率高、响应速度快、运动行程大、结构对称等诸多特点，通过对工作台的设计与优化，使其定位准确性、可靠性、快速响应以及稳定性较类似X-Y微动平台更加优越。
【发明内容】
[0009]针对现有技术不足，提供一种具有双位移放大机构的大行程X-Y微动工作台，该平台结构合理、性能优越，采用双位移放大机构并联实现位移放大，不仅减少放大机构所占空间，提高载物台可利用面积，而且提高位移放大机构输出力，使得系统带负载能力大大增强，对称的结构保证该微动平台具有较高的固有频率，位移传感器放置在两个平行板柔性铰链之间，使得该平台具有结构紧凑，体积小，精度高，响应速度快等优点。
[0010]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:本发明提供的一种具有双位移放大的大行程快速响应X-Y微动工作台，其特征在于，它主要包括底座、运动平台、顶盖、调平螺钉、压电陶瓷、载物台、电容位移传感器以及内六角头螺钉。其中调平螺钉安装在底座的四个边角，底座上面是运动平台，运动平台上面是顶盖，底座、运动平台和顶盖三者用四个螺钉固定在一起，第一压电陶瓷安装在第一平行四边形位移放大机构中，用第一锁紧螺钉锁紧固定，第二压电陶瓷安装在第二平行四边形位移放大机构中，用第二锁紧螺钉锁紧固定，第三压电陶瓷安装在第三平行四边形位移放大机构中，用第三锁紧螺钉锁紧固定，第四压电陶瓷安装在第四平行四边形位移放大机构中，用第四锁紧螺钉锁紧固定，第一电容位移传感器安装在载物台右侧、第一倒圆角直梁型柔性铰链和第二倒圆角直梁型柔性铰链之间，第三电容位移传感器安装在载物台右侧、第三倒圆角直梁型柔性铰链和第四倒圆角直梁型柔性铰链之间。
[0011]所述X-Y微动工作台包括X方向运动和Y方向运动。其中，所述X-Y微动工作台的X方向包括第一平行四边形位移放大机构，第二平行四边形位移放大机构，第一倒圆角直梁型柔性铰链，第二倒圆角直梁型柔性铰链，第一平行板柔性铰链，第二平行板柔性铰链，其中第一平行四边形位移放大机构和第二平行四边形位移放大机构平行放置，两者左侧均采用具有大圆角的固定凸台与运动平台机架相连；第一平行四边形位移放大机构和第二平行四边形位移放大机构右侧与载物台采用具有大圆角的固定凸台与运动平台机架相连；第一倒圆角直梁型柔性铰链和第二倒圆角直梁型柔性铰链水平放置，两者的左侧均与载物台右侧相连；第一倒圆角直梁型柔性铰链与第一平行板柔性铰链垂直连接；第二倒圆角直梁型柔性铰链与第二平行板柔性铰链垂直连接。
[0012]所述X-Y微动工作台的Y方向包括第三平行四边形位移放大机构，第四平行四边形位移放大机构，第三倒圆角直梁型柔性铰链，第四倒圆角直梁型柔性铰链，第三平行板柔性铰链，第四平行板柔性铰链，其中第三平行四边形位移放大机构和第四平行四边形位移放大机构平行放置，两者上侧均采用具有大圆角的固定凸台与运动平台机架相连；第三平行四边形位移放大机构和第四平行四边形位移放大机构下侧与载物台采用具有大圆角的固定凸台与运动平台机架相连；第三倒圆角直梁型柔性铰链和第四倒圆角直梁型柔性铰链水平放置，两者的上侧均与载物台下侧相连；第三倒圆角直梁型柔性铰链与第三平行板柔性铰链垂直连接；第四倒圆角直梁型柔性铰链与第四平行板柔性铰链垂直连接。
[0013]所述第一平行四边形位移放大机构包括第一放大机构第一边、第一放大机构第二边，第一放大机构第三边，第一放大机构第四边，第一放大机构第一压电陶瓷安装座，第一放大机构第二压电陶瓷安装座，第一放大机构第一柔性铰链，第一放大机构第二柔性铰链，第一放大机构第三柔性铰链，第一放大机构第四柔性铰链，第一放大机构第五柔性铰链，第一放大机构第六柔性铰链，第一放大机构第七柔性铰链，第一放大机构第八柔性铰链，其中第一放大机构第一边通过第一放大机构第一柔性铰链与凸台连接，通过第一放大机构第二柔性铰链与第一放大机构第一压电陶瓷安装座相连，第一放大机构第一压电陶瓷安装座通过第一放大机构第三柔性铰链与第一放大机构第二边连接，第一放大机构第二边通过第一放大机构第四柔性铰链与凸台连接，凸台通过第一放大机构第五柔性铰链与第一放大机构第四边连接，第一放大机构第四边通过第一放大机构第六柔性铰链与第一放大机构第二压电陶瓷安装座连接，第一放大机构第二压电陶瓷安装座连接通过第一放大机构第七柔性铰链与第一放大机构第四边连接，第一放大机构第四边通过第一放大机构第八柔性铰链与凸台连接。
[0014]所述第二平行四边形位移放大机构，第三平行四边形位移放大机构，第四平行四边形位移放大机构，与第一平行四边形位移放大机构组成和连接类似，在此不再赘述。
[0015]所述运动平台第一锁紧螺钉，第二锁紧螺钉、第三锁紧螺钉、第四锁紧螺钉与平台基座正对处分别有一个通孔，用于从基座外侧锁紧螺钉。
[0016]所述运动平台要求的性能指标包括:安装空间在90mm*90mm、分辨率10nm、定位时间小于30sο
[0017]所述运动平台仿真后的性能包括:最大应力出现在第四平行四边形位移放大机构的第八柔性铰链处，为455.057249N/mm'2,小于材料的屈服应力505 N/mm'2 ;拖动平台最大位移为138 μ m,耦合位移为3.185 μ m,耦合度为2.31%。
[0018]所述底座、运动平台、顶盖材料为铝合金7075-T651，采用精密线切割机床采用慢走丝切割完成。
[0019]所述底座上还设有压电陶瓷信号线出口。
[0020]所述运动平台上四个角有螺钉通孔，用于连接顶盖和底座。
[0021]本