專(zhuān)利名稱：六自由度精密定位工作臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種工作臺(tái)，特別是一種空間六自由度精密定位工作臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的定位精度。
背景技術(shù)：
在納米技術(shù)的研究工作中，納米級(jí)控制及定位被認(rèn)為是納米技術(shù)的核心之一，為納米技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)。納米級(jí)微定位在光學(xué)工程、生物工程、醫(yī)學(xué)工程、微型機(jī)電系統(tǒng)、超精密加工及測(cè)量等方面都有著廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的納米定位機(jī)構(gòu)多為一個(gè)或者兩個(gè)自由度，當(dāng)需要多個(gè)自由度時(shí)，采用模塊組合的方式實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)比較大，而且存在累積誤差，定位精度不高。采用steward結(jié)構(gòu)的定位機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制非常復(fù)雜。其他一些多自由度形式的定位裝置，采用連桿傳動(dòng)的方式，運(yùn)動(dòng)間存在耦合，同樣影響到定位精度。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種六自由度精密定位工作臺(tái)，它應(yīng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、頻率響應(yīng)快和定位誤差可補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下一種六自由度精密定位工作臺(tái)，其特征在于它由上層平臺(tái)和底層平臺(tái)構(gòu)成所述的底層平臺(tái)上包含固定臺(tái)體、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、第一平行板式柔性鉸鏈、第二平行板式柔性鉸鏈、三組柔性鉸鏈和連接凸臺(tái)，三組相同的第一壓電陶瓷致動(dòng)器和緊定件；所述的上層平臺(tái)通過(guò)三組相同的第二壓電陶瓷致動(dòng)器、傳動(dòng)構(gòu)件、緊定螺釘、連接螺釘、鎖緊螺釘與底層平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)連接，形成一個(gè)運(yùn)動(dòng)整體；所述的三組柔性鉸鏈和連接凸臺(tái)中的一組的中心線與第一雙平行板柔性鉸鏈的對(duì)稱中心線重合，另外兩組對(duì)稱地布置于第二雙平行板柔性鉸鏈的對(duì)稱軸兩側(cè)；三組第一壓電陶瓷致動(dòng)器通過(guò)各自的緊定件與連接凸臺(tái)和柔性鉸鏈形成三組水平面內(nèi)的驅(qū)動(dòng)單元；垂直方向驅(qū)動(dòng)的三組第二壓電陶瓷致動(dòng)器呈等邊三角形排列，其下端通過(guò)鎖緊螺釘內(nèi)嵌在底層平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，上端連接傳動(dòng)構(gòu)件，通過(guò)緊定螺釘和連接螺釘與上層平臺(tái)連接成一體；由連接螺釘、緊定螺釘、傳動(dòng)構(gòu)件、第二壓電陶瓷致動(dòng)器、鎖緊螺釘形成垂直面內(nèi)的三組驅(qū)動(dòng)單元；所述的傳動(dòng)構(gòu)件的中間部分)為球面副柔性鉸鏈。
所述的三組柔性鉸鏈形式為轉(zhuǎn)動(dòng)副柔性鉸鏈。
所述的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的第一雙平行板柔性鉸鏈和第二雙平行板柔性鉸鏈的八塊彈性平板的尺寸相同，剛度相等，組成兩個(gè)方向的雙柔性平行導(dǎo)向4桿機(jī)構(gòu)。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)本實(shí)用新型的體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、便于加工裝配。采用高分辨率的壓電陶瓷致動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)元件，柔性鉸鏈作為傳動(dòng)導(dǎo)向單元，使輸出位移的分辨率高、頻率響應(yīng)較快、運(yùn)動(dòng)傳遞無(wú)摩擦、無(wú)機(jī)械損耗。同時(shí)各傳動(dòng)單元的布置可以消除運(yùn)動(dòng)耦合造成的定位誤差，因此可以達(dá)到很高的定位精度。


圖1是本實(shí)用新型整體結(jié)構(gòu)示意圖圖2是本實(shí)用新型的底層平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖圖3是本實(shí)用新型傳動(dòng)構(gòu)件5的剖面圖具體實(shí)施方式
先請(qǐng)參閱圖1、圖2和圖3，由圖可見(jiàn)，本實(shí)用新型六自由度精密定位工作臺(tái)由上層平臺(tái)2和底層平臺(tái)1構(gòu)成所述的底層平臺(tái)1上包含固定臺(tái)體1-1、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1-2、第一平行板式柔性鉸鏈1-3、第二平行板式柔性鉸鏈1-4、三組柔性鉸鏈1-5和連接凸臺(tái)1-6，三組相同的第一壓電陶瓷致動(dòng)器8和緊定件9；所述的上層平臺(tái)2通過(guò)三組相同的第二壓電陶瓷致動(dòng)器6、傳動(dòng)構(gòu)件5、緊定螺釘4、連接螺釘3、鎖緊螺釘7與底層平臺(tái)1的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1-2連接，形成一個(gè)運(yùn)動(dòng)整體；三組柔性鉸鏈1-5和連接凸臺(tái)1-6中的一組的中心線與第一雙平行板柔性鉸鏈1-3的對(duì)稱中心線重合，另外兩組對(duì)稱地布置于第二雙平行板柔性鉸鏈1-4的對(duì)稱軸兩側(cè)；三組第一壓電陶瓷致動(dòng)器8通過(guò)各自的緊定件9與連接凸臺(tái)1-6和柔性鉸鏈1-5形成三組水平面內(nèi)的驅(qū)動(dòng)單元；垂直方向驅(qū)動(dòng)的三組第二壓電陶瓷致動(dòng)器6呈等邊三角形排列，其下端通過(guò)鎖緊螺釘7內(nèi)嵌在底層平臺(tái)1的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1-2上，上端連接傳動(dòng)構(gòu)件5，通過(guò)緊定螺釘4和連接螺釘3與上層平臺(tái)2連接成一體；由連接螺釘3、緊定螺釘4、傳動(dòng)構(gòu)件5、第二壓電陶瓷致動(dòng)器6、鎖緊螺釘7形成垂直面內(nèi)的三組驅(qū)動(dòng)單元；所述的傳動(dòng)構(gòu)件5的中間部分5-3為球面副柔性鉸鏈。
所述的三組柔性鉸鏈1-5形式為轉(zhuǎn)動(dòng)副柔性鉸鏈。
運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(1-2)上的第一雙平行板柔性鉸鏈1-3和第二雙平行板柔性鉸鏈1-4的八塊彈性平板的尺寸相同，剛度相等，組成兩個(gè)方向的雙柔性平行導(dǎo)向4桿機(jī)構(gòu)。
所述的底層平臺(tái)1實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)x，y方向的平動(dòng)和對(duì)z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，上層平臺(tái)2實(shí)現(xiàn)對(duì)x，y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和沿z軸的平動(dòng)。四組彈性平板1-4組成x方向雙柔性平行導(dǎo)向4桿機(jī)構(gòu)，可以有效的消除單平行導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中存在的位移耦合現(xiàn)象，在x方向的驅(qū)動(dòng)力和彈性平板1-4的導(dǎo)向作用下，實(shí)現(xiàn)x方向的位移。四組彈性平板1-3組成y方向雙柔性平行導(dǎo)向4桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)y方向的兩組第一壓電陶瓷致動(dòng)器8同時(shí)等量伸長(zhǎng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)y方向的移動(dòng)。當(dāng)y方向上的兩組第一壓電陶瓷致動(dòng)器8驅(qū)動(dòng)力不同時(shí)，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1-2實(shí)現(xiàn)繞垂直軸z的轉(zhuǎn)動(dòng)位移。柔性鉸鏈1-5的作用是使運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1-2的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不受阻礙。三組柔性鉸鏈1-5、連接凸臺(tái)1-6的其中一組其中心線與雙平行板柔性鉸鏈1-3的對(duì)稱中心線重合，另外兩組對(duì)稱布置于雙平行板柔性鉸鏈1-4的對(duì)稱軸兩側(cè)，采用該種布置方式可以有效的對(duì)定位誤差進(jìn)行修正補(bǔ)償。上層平臺(tái)2通過(guò)三組相同的第二壓電陶瓷致動(dòng)器6，傳動(dòng)構(gòu)件5，緊定螺釘4，連接螺釘3，鎖緊螺釘7與底層運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1-2連接，形成一個(gè)運(yùn)動(dòng)整體。通過(guò)底層運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1-2的水平方向三維運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)上層平臺(tái)2的水平方向三維運(yùn)動(dòng)。垂直方向驅(qū)動(dòng)的三組第二壓電陶瓷致動(dòng)器6，其下端通過(guò)鎖緊螺釘7內(nèi)嵌于底層運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1-2上，上端連接傳動(dòng)構(gòu)件5，通過(guò)緊定螺釘4和連接螺釘3與上層平臺(tái)2連接成一體。由3、4、5、6、7形成垂直面內(nèi)的三組驅(qū)動(dòng)單元，該三組驅(qū)動(dòng)單元呈等邊三角形排列。當(dāng)三組驅(qū)動(dòng)單元伸長(zhǎng)量相同時(shí)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)2沿垂直軸z的平動(dòng)。當(dāng)三組驅(qū)動(dòng)單元相對(duì)伸長(zhǎng)時(shí)，平臺(tái)2可以實(shí)現(xiàn)繞x軸和y軸的旋轉(zhuǎn)。傳動(dòng)構(gòu)件5參見(jiàn)圖3，圖中5-1是供連接螺釘3的連接螺孔，5-2是供緊定螺釘4的連接螺孔，5-4是供鎖緊螺釘7連接的螺孔，中間部分5-3為球面幅柔性鉸鏈，本身具有3個(gè)自由度，其作用是使平臺(tái)2的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不受阻礙。
權(quán)利要求1.一種六自由度精密定位工作臺(tái)，其特征在于它由上層平臺(tái)(2)和底層平臺(tái)(1)構(gòu)成所述的底層平臺(tái)(1)上包含固定臺(tái)體(1-1)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(1-2)、第一平行板式柔性鉸鏈(1-3)、第二平行板式柔性鉸鏈(1-4)、三組柔性鉸鏈(1-5)和連接凸臺(tái)(1-6)，三組相同的第一壓電陶瓷致動(dòng)器(8)和緊定件(9)；所述的上層平臺(tái)(2)通過(guò)三組相同的第二壓電陶瓷致動(dòng)器(6)、傳動(dòng)構(gòu)件(5)、緊定螺釘(4)、連接螺釘(3)、鎖緊螺釘(7)與底層平臺(tái)(1)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(1-2)連接，形成一個(gè)運(yùn)動(dòng)整體；三組柔性鉸鏈(1-5)和連接凸臺(tái)(1-6)中的一組的中心線與第一雙平行板柔性鉸鏈(1-3)的對(duì)稱中心線重合，另外兩組對(duì)稱地布置于第二雙平行板柔性鉸鏈(1-4)的對(duì)稱軸兩側(cè)；三組第一壓電陶瓷致動(dòng)器(8)通過(guò)各自的緊定件(9)與連接凸臺(tái)(1-6)和柔性鉸鏈(1-5)形成三組水平面內(nèi)的驅(qū)動(dòng)單元；垂直方向驅(qū)動(dòng)的三組第二壓電陶瓷致動(dòng)器(6)呈等邊三角形排列，其下端通過(guò)鎖緊螺釘(7)內(nèi)嵌在底層平臺(tái)(1)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(1-2)上，上端連接傳動(dòng)構(gòu)件(5)，通過(guò)緊定螺釘(4)和連接螺釘(3)與上層平臺(tái)(2)連接成一體；由連接螺釘(3)、緊定螺釘(4)、傳動(dòng)構(gòu)件(5)、第二壓電陶瓷致動(dòng)器(6)、鎖緊螺釘(7)形成垂直面內(nèi)的三組驅(qū)動(dòng)單元；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的六自由度精密定位工作臺(tái)，其特征在于所述的傳動(dòng)構(gòu)件(5)的中間部分(5-3)為球面副柔性鉸鏈。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的六自由度精密定位工作臺(tái)，其特征在于所述的三組柔性鉸鏈(1-5)形式為轉(zhuǎn)動(dòng)副柔性鉸鏈。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的六自由度精密定位工作臺(tái)，其特征在于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(1-2)上的第一雙平行板柔性鉸鏈(1-3)和第二雙平行板柔性鉸鏈(1-4)的八塊彈性平板的尺寸相同，剛度相等，組成兩個(gè)方向的雙柔性平行導(dǎo)向4桿機(jī)構(gòu)。
專(zhuān)利摘要一種六自由度精密定位工作臺(tái)，它由上下兩層平臺(tái)連接而成，其中下層平臺(tái)由兩組雙平行板式柔性鉸鏈作為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，采用三組驅(qū)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的平動(dòng)和一個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。上層平臺(tái)與下層平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)部分連接，采用三組等邊三角形布置的驅(qū)動(dòng)單元和球面副柔性鉸鏈實(shí)現(xiàn)一個(gè)方向的平動(dòng)和兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)單元采用壓電陶瓷致動(dòng)器，使位移輸出分辨率和定位精度高，頻率響應(yīng)快，無(wú)機(jī)械摩擦，且機(jī)構(gòu)定位可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的定位精度。
文檔編號(hào)G12B5/00GK2782326SQ200520040058
公開(kāi)日2006年5月24日 申請(qǐng)日期2005年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月10日
發(fā)明者王勇, 劉志剛, 薄鋒, 朱健強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所