專利名稱：微型二維解耦工作臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微操作機(jī)器人系統(tǒng)中的一個(gè)部件，具體地說(shuō)，涉及一種二維微動(dòng)工作臺(tái)。
背景技術(shù)：
二維整體式解耦微工作臺(tái)是研究三維整體式解耦微工作臺(tái)的基礎(chǔ)，同時(shí)三維整體式解耦微工作臺(tái)是微操作機(jī)器人系統(tǒng)的一個(gè)重要的基礎(chǔ)性部件，所以對(duì)二維整體式解耦微工作臺(tái)的研究對(duì)于研究微操作系統(tǒng)具有重要的意義。我國(guó)一些科研機(jī)構(gòu)做了一些這方面的研究，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)的一些科研人員就研制開(kāi)發(fā)出了一個(gè)二維微動(dòng)工作臺(tái)(《光學(xué)精密工程》Vol2004.4 No.1004-924x (2002)02-0143-05)。但是，這種整體式微動(dòng)工作臺(tái)，因?yàn)檎w式的結(jié)構(gòu)，使x和y方向上的運(yùn)動(dòng)互相干擾，因而影響了運(yùn)動(dòng)精度。
國(guó)內(nèi)專利(申請(qǐng)?zhí)?1202336.1)涉及的是一種三自由度超精密自動(dòng)定位平臺(tái)，在實(shí)際應(yīng)用中有如下缺點(diǎn)1.壓電陶瓷直接與外部平臺(tái)相連。這樣當(dāng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，壓電陶瓷端也隨之發(fā)生擺動(dòng)，從而導(dǎo)致壓電陶瓷輸入的位移從一開(kāi)始就有耦合誤差。
2.這個(gè)機(jī)構(gòu)沒(méi)有放大結(jié)構(gòu)，由于壓電陶瓷的輸入位移變化幅度很小，從而導(dǎo)致這個(gè)定位平臺(tái)的工作范圍很小。
3.這個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)部分實(shí)質(zhì)相當(dāng)于一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)，這種機(jī)構(gòu)可以輸出直線位移，但是它同時(shí)也無(wú)法避免地會(huì)產(chǎn)生耦合誤差。而這個(gè)機(jī)構(gòu)沒(méi)有采取一些措施去消除或者減少這些耦合誤差。
4.它的三個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是非整體式的，它必須通過(guò)螺紋連接。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種能夠消除耦合誤差的二維微動(dòng)工作臺(tái)。
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種微型二維解耦工作臺(tái)，包括壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器、X向杠桿放大機(jī)構(gòu)、Y向杠桿放大機(jī)構(gòu)、Y向運(yùn)動(dòng)框架以及工作臺(tái)，所述工作臺(tái)通過(guò)柔性鉸鏈連接在X向杠桿放大機(jī)構(gòu)上，所述X向杠桿放大機(jī)構(gòu)串聯(lián)在Y向運(yùn)動(dòng)框架上，所述Y向運(yùn)動(dòng)框架通過(guò)柔性鉸鏈連接在Y向杠桿放大機(jī)構(gòu)上，所述工作臺(tái)還通過(guò)一組解耦直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與Y向運(yùn)動(dòng)框架相連接，所述Y向運(yùn)動(dòng)框架還通過(guò)一組解耦直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與基板相連接。
壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過(guò)X向杠桿放大機(jī)構(gòu)可驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，而壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過(guò)Y向杠桿放大機(jī)構(gòu)可驅(qū)動(dòng)Y向運(yùn)動(dòng)框架、X向杠桿放大機(jī)構(gòu)和工作臺(tái)一起運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)杠桿放大機(jī)構(gòu)的放大，工作臺(tái)可以獲得較大的工作空間；同時(shí)由于Y向運(yùn)動(dòng)框架和工作臺(tái)上各連接了一組解耦直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，因此X向杠桿放大機(jī)構(gòu)使工作臺(tái)只產(chǎn)生X向位移，Y向杠桿放大機(jī)構(gòu)使工作臺(tái)只產(chǎn)生Y向位移。這樣，工作臺(tái)既能產(chǎn)生二維運(yùn)動(dòng)，又可消除耦合誤差，提高了運(yùn)動(dòng)精度。
作為上述技術(shù)方案的一種優(yōu)選方案，所述X向杠桿放大機(jī)構(gòu)、Y向杠桿放大機(jī)構(gòu)、Y向運(yùn)動(dòng)框架、工作臺(tái)以及解耦直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)都是與基板一體的整體式結(jié)構(gòu)，所有連接點(diǎn)由整體式柔性鉸鏈構(gòu)成。這些所有的結(jié)構(gòu)都可在一塊金屬材料上采用先進(jìn)加工工藝加工而成，無(wú)需裝配，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，體積小，又保證了整個(gè)工作臺(tái)的精密度。
作為對(duì)上述優(yōu)選方案的進(jìn)一步優(yōu)化，所述壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器通過(guò)一個(gè)輸出端和一根連桿與杠桿放大機(jī)構(gòu)的輸入端通過(guò)柔性鉸鏈連接，所述輸出端是一個(gè)能夠產(chǎn)生預(yù)緊力并能在壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)下變形的柔性彈簧結(jié)構(gòu)，所述輸出端與連桿也都是與基板一體的整體式結(jié)構(gòu)，連接點(diǎn)由整體式柔性鉸鏈構(gòu)成。這樣的結(jié)構(gòu)，便于壓電陶瓷的安裝固定，柔性彈簧結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的預(yù)緊力可以保證壓電陶瓷與輸出端的良好接觸，避免了由于裝配的原因?qū)е聣弘娞沾刹荒芡耆怪备軛U放大機(jī)構(gòu)輸入端的現(xiàn)象。輸出端與杠桿放大機(jī)構(gòu)之間的連桿可以避免因杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)而導(dǎo)致壓電陶瓷不能完全垂直杠桿放大機(jī)構(gòu)輸入端的現(xiàn)象。
為了保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在Y方向上可增加了一組解耦直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)作為輔助支撐，使所述Y向運(yùn)動(dòng)框架通過(guò)左右兩邊的兩組解耦直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與基板相連接。
上述技術(shù)方案中，所述解耦直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)是由一根橫連桿與四根豎連桿通過(guò)柔性鉸鏈連接而成的兩個(gè)平行四連桿機(jī)構(gòu)，其中外側(cè)的兩根豎連桿的下端通過(guò)柔性鉸鏈連接在基座上，中間的兩根豎連桿的下端通過(guò)柔性鉸鏈連接在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上。這種結(jié)構(gòu)可以使運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)只產(chǎn)生一維直線位移。


圖1是本發(fā)明的微型二維解耦工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明中一種解耦直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是圖2所示解耦直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用原理圖。
圖4是本發(fā)明中壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的輸出端的結(jié)構(gòu)放大圖。
圖5是圖4所示輸出端的機(jī)構(gòu)原理圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
如圖1所示，工作臺(tái)6通過(guò)一個(gè)連桿通過(guò)柔性鉸鏈連接在X向杠桿放大機(jī)構(gòu)4上，X向杠桿放大機(jī)構(gòu)4的輸入端通過(guò)連桿3與壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器1的輸出端2通過(guò)柔性鉸鏈連接，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的輸出端2是一個(gè)柔性彈簧結(jié)構(gòu)，它可以將壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器1夾緊。上述X向杠桿放大機(jī)構(gòu)串聯(lián)在Y向運(yùn)動(dòng)框架7上，工作臺(tái)6的一個(gè)側(cè)面通過(guò)解耦直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)5也連接在Y向運(yùn)動(dòng)框架7上，Y向運(yùn)動(dòng)框架7通過(guò)一個(gè)連桿通過(guò)柔性鉸鏈連接在Y向杠桿放大機(jī)構(gòu)8上，Y向杠桿放大機(jī)構(gòu)8的輸入端也通過(guò)一根連桿3連接在另一個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器1的輸出端2上，所述Y向運(yùn)動(dòng)框架7在左右兩邊各有一組解耦直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)5與基板9相連接，除壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器1之外，上述所有機(jī)構(gòu)均是在基板上加工出來(lái)的整體式結(jié)構(gòu)，所有的連接點(diǎn)都由整體式柔性鉸鏈構(gòu)成。
如圖2所示，解耦直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)5包括基座51、橫連桿52、兩根外側(cè)豎連桿53和兩中間豎連桿54，中間的兩根豎連桿54連接在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，它們構(gòu)成兩個(gè)平行四連桿機(jī)構(gòu)，本發(fā)明中中間的兩根豎連桿54連接在工作臺(tái)6或者Y向運(yùn)動(dòng)框架7上。圖3表示出了這兩個(gè)平行四連桿機(jī)構(gòu)的作用原理本機(jī)構(gòu)的變形過(guò)程從理論上分為兩個(gè)階段，首先假定中間連桿不動(dòng)，外側(cè)連桿向右變形一定角度，此時(shí)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)向下移動(dòng)了一個(gè)距離δ1，如圖3的左邊所示。同時(shí)外側(cè)連桿的變形量已經(jīng)達(dá)到，它不再變形。對(duì)于中間連桿來(lái)說(shuō)這時(shí)外力還存在，因此它也必須變形，在外力的作用下，中間連桿以橫連桿為支點(diǎn)向右變形，這時(shí)工作臺(tái)又向上移動(dòng)了距離δ2，如圖3的右邊所示。由于前后兩個(gè)階段四根連桿的變形角度相等、方向相反，所以前后兩次工作臺(tái)的移動(dòng)距離也應(yīng)該相等，即δ1＝δ2，從而最終保證運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)只在一個(gè)方向上有位移輸出，達(dá)到消除耦合誤差的目的。
圖4是一個(gè)壓電陶瓷的固定機(jī)構(gòu)，通過(guò)一個(gè)柔性彈簧結(jié)構(gòu)靠自身的彈性力實(shí)現(xiàn)固定。其作用原理如圖5所示，柔性彈簧結(jié)構(gòu)既能靠其自身的彈性力固定壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，又能在壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)下輸出位移。
權(quán)利要求
1.一種微型二維解耦工作臺(tái)，包括壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(1)、X向杠桿放大機(jī)構(gòu)(4)、Y向杠桿放大機(jī)構(gòu)(8)、Y向運(yùn)動(dòng)框架(7)以及工作臺(tái)(6)，其特征在于所述工作臺(tái)(6)通過(guò)柔性鉸鏈連接在X向杠桿放大機(jī)構(gòu)(4)上，所述X向杠桿放大機(jī)構(gòu)(4)串聯(lián)在Y向運(yùn)動(dòng)框架(7)上，所述Y向運(yùn)動(dòng)框架(7)通過(guò)柔性鉸鏈連接在Y向杠桿放大機(jī)構(gòu)(8)上，所述工作臺(tái)(6)還通過(guò)一組解耦直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)(5)與Y向運(yùn)動(dòng)框架(7)相連接，所述Y向運(yùn)動(dòng)框架(7)還通過(guò)一組解耦直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)(5)與基板(9)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工作臺(tái)，其特征在于所述X向杠桿放大機(jī)構(gòu)(4)、Y向杠桿放大機(jī)構(gòu)(8)、Y向運(yùn)動(dòng)框架(7)、工作臺(tái)(6)以及解耦直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)(5)都是與基板(9)一體的整體式結(jié)構(gòu)，所有連接點(diǎn)由整體式柔性鉸鏈構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工作臺(tái)，其特征在于所述壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(1)通過(guò)一個(gè)輸出端(2)和一根連桿(3)與杠桿放大機(jī)構(gòu)(4，8)的輸入端通過(guò)柔性鉸鏈連接，所述輸出端(2)是一個(gè)能夠產(chǎn)生預(yù)緊力并能在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(1)的驅(qū)動(dòng)下變形的柔性彈簧結(jié)構(gòu)，所述輸出端(2)與連桿(3)也都是與基板(9)一體的整體式結(jié)構(gòu)，連接點(diǎn)由整體式柔性鉸鏈構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工作臺(tái)，其特征在于所述Y向運(yùn)動(dòng)框架(7)通過(guò)左右兩邊的兩組解耦直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)(5)與基板(9)相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的工作臺(tái)，其特征在于所述解耦直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)(5)是由一根橫連桿(52)與四根豎連桿(53，54)通過(guò)柔性鉸鏈連接而成的兩個(gè)平行四連桿機(jī)構(gòu)，其中外側(cè)的兩根豎連桿(53)的下端通過(guò)柔性鉸鏈連接在基座(51)上，中間的兩根豎連桿(54)的下端通過(guò)柔性鉸鏈連接在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種微型二維解耦工作臺(tái)，包括壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器、X向杠桿放大機(jī)構(gòu)、Y向杠桿放大機(jī)構(gòu)、Y向運(yùn)動(dòng)框架以及工作臺(tái)，所述工作臺(tái)通過(guò)柔性鉸鏈連接在X向杠桿放大機(jī)構(gòu)上，所述X向杠桿放大機(jī)構(gòu)串聯(lián)在Y向運(yùn)動(dòng)框架上，所述Y向運(yùn)動(dòng)框架通過(guò)柔性鉸鏈連接在Y向杠桿放大機(jī)構(gòu)上，所述工作臺(tái)還通過(guò)一組解耦直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與Y向運(yùn)動(dòng)框架相連接，所述Y向運(yùn)動(dòng)框架還通過(guò)一組解耦直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與基板相連接。本發(fā)明的工作臺(tái)輸出位移范圍大、分辨率高，兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向無(wú)耦合誤差。可應(yīng)用于微型機(jī)械零件裝配、微機(jī)電系統(tǒng)組裝、超精密加工、光學(xué)調(diào)整、生物細(xì)胞操作等領(lǐng)域精確定位。
文檔編號(hào)G12B5/00GK1644329SQ200510023219
公開(kāi)日2005年7月27日 申請(qǐng)日期2005年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月11日
發(fā)明者馬奎, 董衛(wèi)軍, 戴暉 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)