專利名稱：一種Z-θx-θy三自由度抗彎矩高精度工作臺的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種精密機械技術中微驅動和微定位的工作臺機構，具體涉及一種Z- Θ X- Θ y三自由度亞微米級精度、抗一定彎矩、無耦合運動的工作臺，可用于精密測量、生物醫學、微電子器件制造等領域。
背景技術：
微定位、微操作技術是高精密儀器的基礎之一，在超精密檢測領域(如掃描探針式顯微鏡)、生物醫學領域(如細胞內藥物注射)等，有著廣泛的應用和需求。目前該 技術多以壓電陶瓷(PZT)作為驅動器，使其柔性結構或彈性結構產生彈性變形，以此實現微定位。經過對現有技術的文獻檢索發現，中國專利號200810038553. 0，發明名稱X-Y-Z三自由度串聯式納米級微定位工作。該專利公開了一種使工作臺沿X-Y-Z三個方向水平平移的實現方法。此機構采用壓電陶瓷驅動器，并分別采用x、Y、z三個位移放大器，同時各運動工作臺按順序依次連接，使得該工作臺各自由度之間運動無耦合，并可擴大行程。此外，中國專利號200510098315. 5，發明名稱Χ-Υ-Θ三自由度微動工作臺。該專利公開了一種可使工作臺沿X、Y方向水平平移，并繞Θ向旋轉的實現方法。上述兩種工作臺，前者均以軸向平移為主，缺乏旋轉自由度；而后者也僅能繞一個軸向旋轉。此外，由于該類微動結構多以壓電陶瓷為驅動器，而壓電陶瓷不能承受過大的彎矩，因此當微定位工作臺存在一定彎矩時，可能降低微定位工作臺精度，甚至損壞壓電陶瓷驅動器。
發明內容
本發明技術解決問題針對上述現有技術的不足，提供一種可實現Z- θ X- Θ y三自由度無耦合運動、亞微米級精度、并可承載一定彎矩的微定位工作臺。本發明技術方案是一種Z- θ X- Θ y三自由度抗彎矩高精度工作臺，其特征在于包括壓電陶瓷驅動器螺釘、壓電陶瓷驅動器端蓋、壓電陶瓷驅動器端蓋螺釘、壓電陶瓷驅動器、圓筒、圓形片工作臺、彈性頂緊機構端蓋、彈性頂緊機構端蓋螺釘、彈性頂緊機構頂絲及彈性頂緊機構；其中，在圓形片工作臺的一側設有3支壓電陶瓷驅動器，壓電陶瓷驅動器為圓周均布，壓電陶瓷驅動器的工作端與圓形片工作臺緊密接觸；壓電陶瓷驅動器的固定端通過壓電陶瓷驅動器螺釘與壓電陶瓷驅動器端蓋緊密固定；圓形片工作臺的另一側，與壓電陶瓷驅動器相對應的位置設有3支彈性頂緊機構，每支彈性頂緊機構通過彈性頂緊機構頂絲定位在彈性頂緊機構端蓋上；壓電陶瓷驅動器端蓋和彈性頂緊機構端蓋分別通過壓電陶瓷驅動器端蓋螺釘和彈性頂緊機構端蓋螺釘與外筒緊密固定；圓形片工作臺與圓筒相接觸面為球面，圓形片工作臺與圓筒為微間隙配合。所述圓形片工作臺與圓筒相接觸面為球面,且球面直徑略小于圓筒內徑。所述彈性頂緊機構為彈簧機構、柔性鉸鏈機構或彈性片機構。
本發明的原理本發明以一塊圓形片為工作臺；圓形片置放在一圓筒內，并與圓筒微間隙配合；圓形片與圓筒的配合面為球面，可實現圓形片工作臺在圓筒內的轉動、平移；圓形片工作臺一端面設置3支圓周均布的壓電陶瓷作為驅動器；圓形片工作臺另一端面與驅動器對應位置設有彈性頂緊機構，該彈性頂緊機構使得圓形片工作臺緊貼壓電陶瓷驅動器；即實現了以3支壓電陶瓷驅動器作為3點確定工作臺面的定位。本發明與現有技術相比的優點在于(I)本發明在制造時，圓筒內徑根據圓形片外徑配研，兩者直徑間隙可小于I μ m(半徑間隙可小于O. 5 μ m);同時，圓形片與圓筒的配合面為球面，可在圓筒內自由平移、滾動、旋轉。(2)本發明中，工作臺三個自由度的運動與壓電陶瓷驅動器伸長量構成函數關系，該函數關系滿足解析幾何學中三點確定一平面的理論，便于對工作臺進行控制。(3)本發明中，當工作臺承受彎矩時，工作臺存在以工作臺與外筒的接觸點為中·心、繞其旋轉的趨勢；根據力學平衡理論，工作臺兩個端面受到的6個軸向力(3個壓電陶瓷的驅動力和3個彈性頂緊機構的壓力)將以該接觸點為中心，形成防翻的合力矩，保持工作臺的平衡。其中，3支驅動器不需要承受彎矩，只需承受軸向力，因此該工作臺既可承載一定的彎矩，又避免了壓電陶瓷被彎矩破壞。(4)本發明中，工作臺面為一塊圓形片，當工作臺上的器件需要穿線或光學貫穿等時，工作臺面也可設置為一塊圓環，便于操作和使用；此外，工作臺面可在圓形片基礎上外伸出其它所需結構。
圖1是本發明的Z- θ X- Θ y三自由度抗彎矩高精度工作臺整體結構示意圖；圖2是本發明的圓形片工作臺，其中左為主視圖，右為側視圖；圖3是本發明的圓形片工作臺運動或定位的幾何模型；圖4是本發明的抗彎矩示意圖。其中1、壓電陶瓷驅動器螺釘；2、壓電陶瓷驅動器端蓋；3、壓電陶瓷驅動器端蓋螺釘；4壓電陶瓷驅動器；5、圓筒；6、圓形片工作臺；7、彈性頂緊機構端蓋；8、彈性頂緊機構端蓋螺釘；9、彈性頂緊機構頂絲；10、彈性頂緊機構；11、圓形片工作臺錐形坑；12、圓形片工作臺連接螺紋孔；13、圓形片工作臺連接螺釘；14、圓形片工作臺承載物體。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。如圖1所示，本實例包含一塊圓形片工作臺6，在圓形片工作臺6的一側設有3支壓電陶瓷驅動器4。壓電陶瓷驅動器為圓周均布，其工作端與圓形片工作臺6緊密接觸；其固定端通過壓電陶瓷驅動器螺釘I與壓電陶瓷驅動器端蓋2緊定。工作臺的另一側，與壓電陶瓷驅動器4相對應的位置設有3支彈性頂緊機構10，彈性頂緊機構10通過彈性頂緊機構頂絲9定位在彈性頂緊機構端蓋7上。壓電陶瓷驅動器端蓋2和彈性頂緊機構端蓋7分別通過壓電陶瓷驅動器端蓋螺釘3和彈性頂緊機構端蓋螺釘8與圓筒5緊定。圓形片工作臺6與圓筒5相接觸面為球面，兩者微間隙配合。如圖2所示，圓形片工作臺6正反兩面各有3個圓周均布的圓形片工作臺錐形坑11，用以與壓電陶瓷驅動器4或頂緊機構10定位。圓形片工作臺還設有6個圓周均布的圓形片工作臺連接螺紋孔12，用于與外界物體相連。圓形片工作臺6與圓筒5相配合的面為球面，其球面直徑略小于圓筒5內徑。為了提高本工作臺的精度，本工作臺還可以包括一個計算機，所述的計算機用于輸出電壓信號給3支壓電陶瓷驅動器4，并控制壓電陶瓷驅動器4的伸長量。本發明的工作過程如下如圖1、圖2所示，3支彈性頂緊機構10將施加一定的壓緊力，使得圓形片工作臺6與3支壓電陶瓷驅動器4的頂點緊密接觸；當計算機控制3支壓電陶瓷驅動器4的伸長或縮短時，圓形片工作臺6將隨著與壓電陶瓷驅動器4的3個接觸點移動。 根據幾何學理論，圓形片工作臺6運動規律如下請參見圖3，圖中1、I1、III為分別為3支均布壓電陶瓷驅動器4的軸向伸長量，a、b為接觸點的距離，則Z- θ X— Θ y三自由度的變化為
Γ ^ Ι + Π + fflZ =-;
3
. ,21 - (II 十 III )、θχ = tan(----)
2a .
「 ,Π-ΙΙΙΘν = tan(-) >.>
b式中Z —圓形片工作臺6延Z軸方向平移量；θ X —圓形片工作臺6繞X軸方向旋轉量；Θ y —圓形片工作臺6繞Y軸方向旋轉量。當1、I1、111為極小量時，Θ X、Θ y可簡化為
「 ^ Λ 21-(11 + 111)θχ ----;
2α
「 Λ π-1IIOy -。
b請參見圖4，圓形片工作臺承載物體14通過圓形片工作臺連接螺釘13連接在圓形片工作臺6上，當圓形片工作臺承載物體14受到重力或外力時，將產生以圓形片工作臺6與圓筒5相接觸點為軸心的彎矩M ；3支壓電陶瓷驅動器4和3支頂緊機構10將產生軸向力，該軸向力將形成以圓形片工作臺6與圓筒5相接觸點為軸心的合力矩，以平衡彎矩M。因此，本發明可承載一定的彎矩；而壓電陶瓷驅動器4將不承受彎矩，避免了被彎矩損壞。總之，本發明結構緊湊，可實現Z- θ X- Θ y三自由度亞微米級精度的無耦合運動，并可承載一定彎矩載荷。本發明未詳細闡述部分屬于本領域公知技術。
權利要求
1.一種Z- Θ X- Θ y三自由度抗彎矩高精度工作臺，其特征在于包括壓電陶瓷驅動器螺釘(I)、壓電陶瓷驅動器端蓋(2)、壓電陶瓷驅動器端蓋螺釘(3)、壓電陶瓷驅動器(4)、圓筒(5)、圓形片工作臺(6)、彈性頂緊機構端蓋(7)、彈性頂緊機構端蓋螺釘(8)、彈性頂緊機構頂絲(9)及彈性頂緊機構(10)；其中，在圓形片工作臺(6)的一側設有3支壓電陶瓷驅動器(4)，壓電陶瓷驅動器(4)為圓周均布，壓電陶瓷驅動器(4)的工作端與圓形片工作臺(6)緊密接觸；壓電陶瓷驅動器(4)的固定端通過壓電陶瓷驅動器螺釘(I)與壓電陶瓷驅動器端蓋(2)緊密固定；圓形片工作臺(6)的另一側，與壓電陶瓷驅動器(4)相對應的位置設有3支彈性頂緊機構(10)，每支彈性頂緊機構(10)通過彈性頂緊機構頂絲(9)定位在彈性頂緊機構端蓋(7)上；壓電陶瓷驅動器端蓋(2)和彈性頂緊機構端蓋(7)分別通過壓電陶瓷驅動器端蓋螺釘(3)和彈性頂緊機構端蓋螺釘(8)與外筒(5)緊密固定；圓形片工作臺(6)與圓筒(5)相接觸面為球面，圓形片工作臺(6)與圓筒(5)為微間隙配合。
2.根據權利要求1所述的Z-Θ X- Θ 7三自由度抗彎矩高精度工作臺，其特征在于所述圓形片工作臺(6)與圓筒(5)相接觸面為球面，且球面直徑略小于圓筒(5)內徑。
3.根據權利要求1所述的Z-θ X- Θ y三自由度抗彎矩高精度工作臺，其特征在于所述彈性頂緊機構(10)為彈簧機構、柔性鉸鏈機構或彈性片機構。
4.根據權利要求1所述的Z-θ X- Θ y三自由度抗彎矩高精度工作臺，其特征在于為了提高所述Z- θ X- Θ y三自由度抗彎矩高精度工作臺的精度，Z- Θ X- Θ y三自由度抗彎矩高精度還包括一個計算機，所述的計算機用于輸出電壓信號給3支壓電陶瓷驅動器(4)，并控制壓電陶瓷驅動器(4)的伸長量。
全文摘要
一種Z-θx-θy三自由度抗彎矩高精度工作臺，包括壓電陶瓷驅動器螺釘、壓電陶瓷驅動器端蓋、壓電陶瓷驅動器端蓋螺釘、壓電陶瓷驅動器、外筒、工作臺、彈性頂緊機構端蓋、彈性頂緊機構端蓋螺釘、彈性頂緊機構頂絲、彈性頂緊機構。本發明結構緊湊，可實現Z-θx-θy三自由度亞微米級精度的無耦合運動，并可承載一定彎矩載荷。
文檔編號G12B9/08GK103000231SQ20121033130
公開日2013年3月27日 申請日期2012年9月10日 優先權日2012年9月10日
發明者譚大川, 翟嘉, 吳永前, 張燦 申請人:中國科學院光電技術研究所