专利名称：Z-θx-θy三自由度高同轴度抗弯扭矩纳米级精度工作台的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种精密机械技术中微驱动和微定位的工作台机构，具体涉及一种Z- Θ X- Θ y三自由度纳米级精度的无耦合运动或定位工作台，该工作台可承载一定的弯矩、扭矩载荷；并可通过定心修切加工工艺提高工作台上承载物与工作台外圆等的同轴度，可用于光学仪器、精密测量、生物医学、微电子器件制造等领域。
背景技术：
微定位、微操作技术是高精密仪器的基础之一，在超精密检测领域(如扫描探针式显微镜)、生物医学领域(如细胞内药物注射)等，有着广泛的应用和需求。目前该技术多以压电陶瓷(PZT)作为驱动器，使其柔性结构或弹性结构产生弹性变形，以此实现微定位。经过对现有技术的文献检索发现，中国专利号200810038553. 0，发明名称 X-Y-Z三自由度串联式纳米级微定位工作。该专利公开了一种使工作台沿X-Y-Z三个方向水平平移的实现方法。此机构采用压电陶瓷驱动器，并分别采用x、Y、z三个位移放大器，同时各运动工作台按顺序依次连接，使得该工作台各自由度之间运动无耦合，并可扩大行程。此外，中国专利号200510098315. 5，发明名称Χ-Υ-Θ三自由度微动工作台。该专利公开了一种可使工作台沿X、Y方向水平平移，并绕Θ向旋转的实现方法。上述两种工作台，前者均以轴向平移为主，缺乏旋转自由度；而后者也仅能绕一个轴向旋转。此外，由于该类微动结构多以压电陶瓷为驱动器，而压电陶瓷不能承受过大的弯矩，因此当微定位工作台存在一定弯矩、扭矩时，可能降低微定位工作台精度，甚至损坏压电陶瓷驱动器。
发明内容
本发明技术解决问题针对上述现有技术的不足，提供一种可实现Z- θ X- Θ y三自由度无耦合运动或定位、纳米级精度、并可承载一定的弯矩和扭矩的微动工作台。本发明技术解决方案Ζ- θ X- Θ y三自由度高同轴度抗弯扭矩纳米级精度工作台，包括压电陶瓷驱动器螺钉、压电陶瓷驱动器端盖、压电陶瓷驱动器端盖螺钉、压电陶瓷驱动器、外筒、三柔性铰链圆形片工作台连接螺钉和具有三个柔性铰链的三柔性铰链圆形片工作台；其中，三柔性铰链圆形片工作台通过三柔性铰链圆形片工作台连接螺钉与外筒连接；在三柔性铰链圆形片工作台的一侧设有三支压电陶瓷驱动器；压电陶瓷驱动器为圆周均布，压电陶瓷驱动器的工作端与三柔性铰链圆形片工作台紧密接触；压电陶瓷驱动器的固定端通过压电陶瓷驱动器螺钉与压电陶瓷驱动器端盖连接。所述三柔性铰链圆形片工作台中的三个柔性铰链沿工作台的圆周均布。本发明的原理本发明以一块三柔性铰链圆形片为工作台；三柔性铰链圆形片工作台置放在一外筒内，并通过螺钉与圆筒连接；三柔性铰链圆形片工作台一端面设置三支圆周均布的压电陶瓷作为驱动器，三柔性铰链圆形片工作台中的三个柔性铰链提供预紧力，使得圆形片紧贴压电陶瓷驱动器；即实现了以三支压电陶瓷驱动器作为三点确定工作台面的定位。本发明与现有技术相比的优点在于(I)本发明中，工作台三个自由度的运动与压电陶瓷驱动器伸长量构成函数关系，该函数关系满足解析几何学中三点确定一平面的理论，便于对工作台进行控制。(2)本发明中，调整柔性铰链的结构尺寸，可增减3支柔性铰链弹性变形所产生的预紧力，当预紧力合适时，可提高工作台运动或定位精度。(3)本发明中，当工作台上连有承载物时，可通过定心修切方式，使得承载物中心轴与工作台外圆同轴，进而保证承载物与外筒的同轴度。(4)本发明中，当工作台承受弯矩、扭矩时，三个柔性铰链将产生反方向力矩，以此平衡弯矩、扭矩载荷；而三支驱动器不需要承受弯矩，只需承受轴向力；因此该工作台既可承载一定的弯矩，又避免了压电陶瓷被弯矩破坏。 (5)本发明中，工作台结构简单，主要依靠三支驱动器伸缩以及三支柔性铰链的弹性变形产生的预紧力实现三点定面，其结构简单可靠，便于加工。
图Ia是本发明的Z-0x-0y三自由度高同轴度抗弯扭矩纳米级精度工作台的主视图，图Ib是本发明的Z- θ X- Θ y三自由度高同轴度抗弯扭矩纳米级精度工作台的侧视图；图2是本发明的三柔性铰链圆形片工作台，其中a为主视图，b为侧视图；图3是本发明的三柔性铰链圆形片工作台运动或定位的几何模型；图4是本发明的定心修切模型；图5是本发明的抗弯矩、扭矩示意图。其中1、压电陶瓷驱动器螺钉；2、压电陶瓷驱动器端盖；3、压电陶瓷驱动器端盖螺钉；4压电陶瓷驱动器；5、外筒；6、三柔性铰链圆形片工作台连接螺钉；7、三柔性铰链圆形片工作台；8、三柔性铰链圆形片工作台连接螺孔；9、三柔性铰链圆形片工作台锥形坑；10、柔性铰链；11、承载物连接螺钉；12、承载物。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。如图I所示，本发明实例包含一块三柔性铰链圆形片工作台7，工作台7通过三柔性铰链圆形片工作台连接螺钉6与外筒5连接。在三柔性铰链圆形片工作台7的一侧设有3支压电陶瓷驱动器4。压电陶瓷驱动器为圆周均布，其工作端与三柔性铰链圆形片工作台7紧密接触；其固定端通过压电陶瓷驱动器螺钉I与压电陶瓷驱动器端盖2连接。本发明的工作过程如下请参见图I和图2，三支柔性铰链10将施加一定的预紧力，使得三柔性铰链圆形片工作台7与三支压电陶瓷驱动器4的顶点紧密接触；当计算机控制三支压电陶瓷驱动器4的伸长或缩短时，三柔性铰链圆形片工作台7将随着与压电陶瓷驱动器4的三个接触点移动。根据几何学理论，三柔性铰链圆形片工作台7运动规律如下请参见图3，图中I、II、111分别为三支均布压电陶瓷驱动器4的轴向伸长量，a、b为接触点的距离，则Z- θ X— Θ y三自由度的变化为
权利要求
1.Z- θ Χ- Θ y三自由度高同轴度抗弯扭矩纳米级精度工作台，其特征在于包括压电陶瓷驱动器螺钉(I)、压电陶瓷驱动器端盖(2)、压电陶瓷驱动器端盖螺钉(3)、压电陶瓷驱动器(4)、外筒(5)、三柔性铰链圆形片工作台连接螺钉(6)和具有三个柔性铰链的三柔性铰链圆形片工作台(7); 其中，三柔性铰链圆形片工作台(7)通过三柔性铰链圆形片工作台连接螺钉(6)与外筒(5)连接；在三柔性铰链圆形片工作台(7)的一侧设有三支压电陶瓷驱动器(4);压电陶瓷驱动器(4)为圆周均布，压电陶瓷驱动器(4)的工作端与三柔性铰链圆形片工作台(7)紧密接触；压电陶瓷驱动器(4)的固定端通过压电陶瓷驱动器螺钉(I)与压电陶瓷驱动器端盖(2)连接。
2.根据权利要求I所述的Z-θ χ- Θ y三自由度高同轴度抗弯扭矩纳米级精度工作台，其特征在于所述三柔性铰链圆形片工作台(7)中的三个柔性铰链沿工作台的圆周均布。
全文摘要
本发明公开了一种Z-θx-θy三自由度高同轴度抗弯扭矩纳米级精度工作台，包括压电陶瓷驱动器螺钉、压电陶瓷驱动器端盖、压电陶瓷驱动器端盖螺钉、压电陶瓷驱动器、外筒、三柔性铰链圆形片工作台连接螺钉、三柔性铰链圆形片工作台。本发明结构紧凑，可实现Z-θx-θy三自由度纳米级精度的无耦合运动或定位，同时可承载一定弯矩、扭矩载荷；并可通过定心修切加工工艺，提高工作台上承载物与工作台外圆或内孔的同轴度。
文档编号G12B5/00GK102881337SQ201210331240
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月10日 优先权日2012年9月10日
发明者翟嘉, 谭大川, 吴永前, 张灿 申请人:中国科学院光电技术研究所