一種具有雙位移放大的大行程快速響應(yīng)x-y微動(dòng)工作臺(tái)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微納測(cè)量與加工技術(shù)領(lǐng)域的裝置，尤其涉及一種具有雙位移放大的大行程快速響應(yīng)X-Y微動(dòng)工作臺(tái)。
【背景技術(shù)】
[0002]微納定位技術(shù)是現(xiàn)代聞新科技和現(xiàn)代工業(yè)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在精密制造、超精測(cè)量和微操縱等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，對(duì)微納定位技術(shù)提出了大行程、高精度、小體積和快速響應(yīng)等更高的要求，其中對(duì)定位精度和分辨率的要求達(dá)到了納米量級(jí)。
[0003]微納定位技術(shù)的水平反映了一個(gè)國(guó)家的科技發(fā)展?fàn)顩r和綜合實(shí)力，各國(guó)政府紛紛投入大量人力和物力。開(kāi)展微納定位技術(shù)的相關(guān)研究，對(duì)促進(jìn)我國(guó)先進(jìn)制造、超精密加工與測(cè)量、生物醫(yī)學(xué)工程、國(guó)防軍工等高新技術(shù)行業(yè)的快速發(fā)展有著重大而深遠(yuǎn)的意義。微納定位工作臺(tái)及其測(cè)控系統(tǒng)作為核心部分直接決定了整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的精度、效率及適應(yīng)性，對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展研究成為當(dāng)務(wù)之急。
[0004]中國(guó)專(zhuān)利CN 103225728 A提出了一種壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的二維并聯(lián)微動(dòng)平臺(tái)。該定位平臺(tái)采用柔性鉸鏈的二級(jí)放大機(jī)構(gòu)和復(fù)合平行四桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)難以加工，且柔性鉸鏈要比桿的剛度小很多，導(dǎo)致放大機(jī)構(gòu)尺寸過(guò)大；兩級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)還會(huì)使得最終的輸出力成倍下降，進(jìn)而平臺(tái)帶負(fù)載能力也會(huì)下降；多次采用柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)傳遞會(huì)使得系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)精度迅速下降，系統(tǒng)帶寬縮小，系統(tǒng)較難實(shí)現(xiàn)高速精確定位。
[0005]中國(guó)專(zhuān)利CN 102962683 A提出了一種二自由度平動(dòng)并聯(lián)高帶寬微動(dòng)平臺(tái)，該平臺(tái)的二維高帶寬平動(dòng)特性犧牲了位置傳感器的安裝位置和平臺(tái)的可用面積；系統(tǒng)中未增加位移放大機(jī)構(gòu)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大行程運(yùn)動(dòng)。
[0006]中國(guó)專(zhuān)利CN 10176995 A提出了一種具有冗余支鏈的二平動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)，該工作臺(tái)的設(shè)計(jì)使得整個(gè)工作臺(tái)的利用面積很小，空白面積很大；而且兩側(cè)的剛度差距很大，在施加單一方向力的時(shí)候，平臺(tái)在另一側(cè)會(huì)發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致附加角位移的出現(xiàn)；平臺(tái)過(guò)大，未經(jīng)過(guò)任何減重處理，會(huì)使得整體運(yùn)動(dòng)平臺(tái)各個(gè)位置位移不一致，從而影響定位精度，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)能力降低，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性較差。
[0007]中國(guó)專(zhuān)利CN 103411106 A提出了一種嵌套式菱形放大二維精密定位平臺(tái)，該方案相對(duì)于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的尺寸，驅(qū)動(dòng)和放大機(jī)構(gòu)的尺寸過(guò)小，若未經(jīng)過(guò)任何減重處理的話會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力和動(dòng)態(tài)特性下降；而且運(yùn)動(dòng)平臺(tái)過(guò)大會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)平臺(tái)各個(gè)位置的位移不一致；此種依靠四個(gè)邊的拉伸變形產(chǎn)生位移放大的平行四邊形位移放大機(jī)構(gòu)的位移放大系數(shù)呈現(xiàn)非線性，沒(méi)有確定系數(shù)；系統(tǒng)呈現(xiàn)不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)固有頻率降低。
[0008]鑒于上述專(zhuān)利中提出的微動(dòng)平臺(tái)存在的一些問(wèn)題，本專(zhuān)利設(shè)計(jì)一種具有雙位移放大的大行程快速響應(yīng)X-Y微動(dòng)工作臺(tái)，該工作臺(tái)具有載物臺(tái)利用面積大、帶負(fù)載能力強(qiáng)、固有頻率高、響應(yīng)速度快、運(yùn)動(dòng)行程大、結(jié)構(gòu)對(duì)稱等諸多特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，使其定位準(zhǔn)確性、可靠性、快速響應(yīng)以及穩(wěn)定性較類(lèi)似X-Y微動(dòng)平臺(tái)更加優(yōu)越。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種具有雙位移放大機(jī)構(gòu)的大行程X-Y微動(dòng)工作臺(tái)，該平臺(tái)結(jié)構(gòu)合理、性能優(yōu)越，采用雙位移放大機(jī)構(gòu)并聯(lián)實(shí)現(xiàn)位移放大，不僅減少放大機(jī)構(gòu)所占空間，提高載物臺(tái)可利用面積，而且提高位移放大機(jī)構(gòu)輸出力，使得系統(tǒng)帶負(fù)載能力大大增強(qiáng)，對(duì)稱的結(jié)構(gòu)保證該微動(dòng)平臺(tái)具有較高的固有頻率，位移傳感器放置在兩個(gè)平行板柔性鉸鏈之間，使得該平臺(tái)具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，精度高，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。
[0010]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:本發(fā)明提供的一種具有雙位移放大的大行程快速響應(yīng)X-Y微動(dòng)工作臺(tái)，其特征在于，它主要包括底座、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、頂蓋、調(diào)平螺釘、壓電陶瓷、載物臺(tái)、電容位移傳感器以及內(nèi)六角頭螺釘。其中調(diào)平螺釘安裝在底座的四個(gè)邊角，底座上面是運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上面是頂蓋，底座、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和頂蓋三者用四個(gè)螺釘固定在一起，第一壓電陶瓷安裝在第一平行四邊形位移放大機(jī)構(gòu)中，用第一鎖緊螺釘鎖緊固定，第二壓電陶瓷安裝在第二平行四邊形位移放大機(jī)構(gòu)中，用第二鎖緊螺釘鎖緊固定，第三壓電陶瓷安裝在第三平行四邊形位移放大機(jī)構(gòu)中，用第三鎖緊螺釘鎖緊固定，第四壓電陶瓷安裝在第四平行四邊形位移放大機(jī)構(gòu)中，用第四鎖緊螺釘鎖緊固定，第一電容位移傳感器安裝在載物臺(tái)右側(cè)、第一倒圓角直梁型柔性鉸鏈和第二倒圓角直梁型柔性鉸鏈之間，第三電容位移傳感器安裝在載物臺(tái)右側(cè)、第三倒圓角直梁型柔性鉸鏈和第四倒圓角直梁型柔性鉸鏈之間。
[0011]所述X-Y微動(dòng)工作臺(tái)包括X方向運(yùn)動(dòng)和Y方向運(yùn)動(dòng)。其中，所述X-Y微動(dòng)工作臺(tái)的X方向包括第一平行四邊形位移放大機(jī)構(gòu)，第二平行四邊形位移放大機(jī)構(gòu)，第一倒圓角直梁型柔性鉸鏈，第二倒圓角直梁型柔性鉸鏈，第一平行板柔性鉸鏈，第二平行板柔性鉸鏈，其中第一平行四邊形位移放大機(jī)構(gòu)和第二平行四邊形位移放大機(jī)構(gòu)平行放置，兩者左側(cè)均采用具有大圓角的固定凸臺(tái)與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)機(jī)架相連；第一平行四邊形位移放大機(jī)構(gòu)和第二平行四邊形位移放大機(jī)構(gòu)右側(cè)與載物臺(tái)采用具有大圓角的固定凸臺(tái)與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)機(jī)架相連；第一倒圓角直梁型柔性鉸鏈和第二倒圓角直梁型柔性鉸鏈水平放置，兩者的左側(cè)均與載物臺(tái)右側(cè)相連；第一倒圓角直梁型柔性鉸鏈與第一平行板柔性鉸鏈垂直連接；第二倒圓角直梁型柔性鉸鏈與第二平行板柔性鉸鏈垂直連接。
[0012]所述X-Y微動(dòng)工作臺(tái)的Y方向包括第三平行四邊形位移放大機(jī)構(gòu)，第四平行四邊形位移放大機(jī)構(gòu)，第三倒圓角直梁型柔性鉸鏈，第四倒圓角直梁型柔性鉸鏈，第三平行板柔性鉸鏈，第四平行板柔性鉸鏈，其中第三平行四邊形位移放大機(jī)構(gòu)和第四平行四邊形位移放大機(jī)構(gòu)平行放置，兩者上側(cè)均采用具有大圓角的固定凸臺(tái)與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)機(jī)架相連；第三平行四邊形位移放大機(jī)構(gòu)和第四平行四邊形位移放大機(jī)構(gòu)下側(cè)與載物臺(tái)采用具有大圓角的固定凸臺(tái)與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)機(jī)架相連；第三倒圓角直梁型柔性鉸鏈和第四倒圓角直梁型柔性鉸鏈水平放置，兩者的上側(cè)均與載物臺(tái)下側(cè)相連；第三倒圓角直梁型柔性鉸鏈與第三平行板柔性鉸鏈垂直連接；第四倒圓角直梁型柔性鉸鏈與第四平行板柔性鉸鏈垂直連接。
[0013]所述第一平行四邊形位移放大機(jī)構(gòu)包括第一放大機(jī)構(gòu)第一邊、第一放大機(jī)構(gòu)第二邊，第一放大機(jī)構(gòu)第三邊，第一放大機(jī)構(gòu)第四邊，第一放大機(jī)構(gòu)第一壓電陶瓷安裝座，第一放大機(jī)構(gòu)第二壓電陶瓷安裝座，第一放大機(jī)構(gòu)第一柔性鉸鏈，第一放大機(jī)構(gòu)第二柔性鉸鏈，第一放大機(jī)構(gòu)第三柔性鉸鏈，第一放大機(jī)構(gòu)第四柔性鉸鏈，第一放大機(jī)構(gòu)第五柔性鉸鏈，第一放大機(jī)構(gòu)第六柔性鉸鏈，第一放大機(jī)構(gòu)第七柔性鉸鏈，第一放大機(jī)構(gòu)第八柔性鉸鏈，其中第一放大機(jī)構(gòu)第一邊通過(guò)第一放大機(jī)構(gòu)第一柔性鉸鏈與凸臺(tái)連接，通過(guò)第一放大機(jī)構(gòu)第二柔性鉸鏈與第一放大機(jī)構(gòu)第一壓電陶瓷安裝座相連，第一放大機(jī)構(gòu)第一壓電陶瓷安裝座通過(guò)第一放大機(jī)構(gòu)第三柔性鉸鏈與第一放大機(jī)構(gòu)第二邊連接，第一放大機(jī)構(gòu)第二邊通過(guò)第一放大機(jī)構(gòu)第四柔性鉸鏈與凸臺(tái)連接，凸臺(tái)通過(guò)第一放大機(jī)構(gòu)第五柔性鉸鏈與第一放大機(jī)構(gòu)第四邊連接，第一放大機(jī)構(gòu)第四邊通過(guò)第一放大機(jī)構(gòu)第六柔性鉸鏈與第一放大機(jī)構(gòu)第二壓電陶瓷安裝座連接，第一放大機(jī)構(gòu)第二壓電陶瓷安裝座連接通過(guò)第一放大機(jī)構(gòu)第七柔性鉸鏈與第一放大機(jī)構(gòu)第四邊連接，第一放大機(jī)構(gòu)第四邊通過(guò)第一放大機(jī)構(gòu)第八柔性鉸鏈與凸臺(tái)連接。
[0014]所述第二平行四邊形位移放大機(jī)構(gòu)，第三平行四邊形位移放大機(jī)構(gòu)，第四平行四邊形位移放大機(jī)構(gòu)，與第一平行四邊形位移放大機(jī)構(gòu)組成和連接類(lèi)似，在此不再贅述。
[0015]所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)第一鎖緊螺釘，第二鎖緊螺釘、第三鎖緊螺釘、第四鎖緊螺釘與平臺(tái)基座正對(duì)處分別有一個(gè)通孔，用于從基座外側(cè)鎖緊螺釘。
[0016]所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)要求的性能指標(biāo)包括:安裝空間在90mm*90mm、分辨率10nm、定位時(shí)間小于30sο
[0017]所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)仿真后的性能包括:最大應(yīng)力出現(xiàn)在第四平行四邊形位移放大機(jī)構(gòu)的第八柔性鉸鏈處，為455.057249N/mm'2,小于材料的屈服應(yīng)力505 N/mm'2 ;拖動(dòng)平臺(tái)最大位移為138 μ m,耦合位移為3.185 μ m,耦合度為2.31%。
[0018]所述底座、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、頂蓋材料為鋁合金7075-T651，采用精密線切割機(jī)床采用慢走絲切割完成。
[0019]所述底座上還設(shè)有壓電陶瓷信號(hào)線出口。
[0020]所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上四個(gè)角有螺釘通孔，用于連接頂蓋和底座。
[0021]本