專利名稱：一種兩自由度微動定位平臺的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及微動定位裝置，特別是涉及一種兩自由度微動定位平臺。
背景技術：
微動定位平臺是精密工程領域里的關鍵部件，在集成電路制造，精密機械，光學儀 器和生物醫學操作等方面有著廣泛的應用。目前，隨著以上領域的飛速發展，越來越多地對 微動定位平臺提出了大行程(大于100微米)、高頻響和小體積的要求。現有的微動定位平 臺，一部分只具有較小的運動范圍(幾微米到幾十微米)，行程較大的微定位平臺卻普遍存 在一階固有頻率較低(一般在200Hz以下)和體積較大的問題。對于具有X方向和Y方向 兩個自由度的微動定位平臺，兩個方向的運動耦合對定位精度有重要的影響，需要設計一 定的結構進行兩個自由度的解耦。
發明內容為了克服現有的兩自由度微動定位平臺的不足，滿足精密定位領域的發展要求， 本實用新型的目的在于提供一種兩自由度的微動定位平臺，該微動定位平臺不僅能實現大 行程的精密定位，而且具有較高的一階固有頻率(大于500Hz)，結構緊湊，體積小，復合平 行四桿導向機構能有效減小X方向和Y方向的運動耦合。本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是本實用新型包括基座、X方向放大杠桿、Y方向放大杠桿、復合平行四桿導向機構 以及運動平臺；X方向壓電陶瓷驅動器與Y方向壓電陶瓷驅動器相互垂直的放置在基座上 各自的矩形槽內，χ方向壓電陶瓷驅動器的輸出端通過擰緊χ方向預緊螺母緊靠在χ方向 放大杠桿的輸入鉸鏈上，X方向放大杠桿的固支鉸鏈與基座鉸接，X方向放大杠桿的輸出鉸 鏈與復合平行四桿導向機構的中部鉸接，Y方向壓電陶瓷驅動器的輸出端通過擰緊Y方向 預緊螺母緊靠在Y方向放大杠桿的輸入鉸鏈上，Y方向放大杠桿的固支鉸鏈與基座鉸接， Y方向放大杠桿的輸出鉸鏈與復合平行四桿導向機構的中部鉸接，運動平臺位于基座的中 部，復合平行四桿導向機構第三組柔性鉸鏈，復合平行四桿導向機構第四組柔性鉸鏈，復合 平行四桿導向機構第七組柔性鉸鏈和復合平行四桿導向機構第八組柔性鉸鏈分別鉸接在 運動平臺的四個側面。所述的復合平行四桿導向機構其第六組柔性鉸鏈一端與基座鉸接，另一端與X 方向放大杠桿輸出鉸鏈鉸接；其第五組柔性鉸鏈一端與基座鉸接，另一端與第三組柔性鉸 鏈鉸接；其第一組柔性鉸鏈一端與基座鉸接，另一端與Y方向放大杠桿輸出鉸鏈鉸接；其 第二組柔性鉸鏈一端與基座鉸接，另一端與第八組柔性鉸鏈鉸接；其第四組柔性鉸鏈一端 與運動平臺的一個側面鉸接，另一端與X方向放大杠桿輸出鉸鏈鉸接，其第三組柔性鉸鏈 一端與運動平臺的一個側面鉸接，另一端與復合平行四桿導向機構第五組柔性鉸鏈鉸接， 其第七組柔性鉸鏈一端與運動平臺的一個側面鉸接，另一端與Y方向放大杠桿輸出鉸鏈鉸 接，其第八組柔性鉸鏈一端與運動平臺的一個側面鉸接，另一端與復合平行四桿導向機構第二組柔性鉸鏈鉸接。所述的復合平行四桿導向機構的第一組柔性鉸鏈、第二組柔性鉸鏈、第三組柔性 鉸鏈、第四組柔性鉸鏈、五組柔性鉸鏈、第六組柔性鉸鏈、第七組柔性鉸鏈和第八組柔性鉸 鏈均為葉狀柔性鉸鏈；X方向放大杠桿的固支鉸鏈、X方向放大杠桿的輸入鉸鏈、X方向放大 杠桿的輸出鉸鏈、Y方向放大杠桿的固支鉸鏈、Y方向放大杠桿的輸入鉸鏈和Y方向放大杠 桿的輸出鉸鏈均為圓弧狀柔性鉸鏈。所述的X方向放大杠桿的固支鉸鏈、X方向放大杠桿的輸入鉸鏈、X方向放大杠桿 的輸出鉸鏈有相同的柔性鉸鏈半徑R為1.5mm和不同的鉸鏈寬度t，X方向放大杠桿的固支 鉸鏈的t為0. 5mm，X方向放大杠桿的輸入鉸鏈的t為0. 4mm，X方向放大杠桿的輸出鉸鏈的 t為0. 25mm ；Y方向放大杠桿的固支鉸鏈、Y方向放大杠桿的輸入鉸鏈、Y方向放大杠桿的輸 出鉸鏈有相同的柔性鉸鏈半徑R為1.5mm和不同的鉸鏈寬度t，Y方向放大杠桿的固支鉸鏈 的t為0. 5mm，Y方向放大杠桿的輸入鉸鏈的t為0. 4mm，X方向放大杠桿的輸出鉸鏈的t為 0. 25mm。該一體式柔性鉸鏈平臺選用的材料是楊氏模量與密度的比值(E/P)較高的 7075A1。本實用新型具有的有益效果是由于采用了特殊結構的放大杠桿和復合平形四桿導向機構，微定位平臺結構緊 湊，體積小，能在實現大的運動范圍的同時保證高的頻響，X方向和Y方向的運動能有效解 耦，壓電陶瓷驅動器和柔性鉸鏈平臺的組合保證了運動傳遞的無摩擦，無間隙、高精度、高 穩定性和快速響應。平臺幾何尺寸為90mm*90mm*15mm，最大輸出位移120um*120um，耦合位 移小于1%，一階固有頻率543Hz。
圖1是本實用新型的整體結構原理示意圖。圖2是本實用新型未安裝壓電陶瓷驅動器的立體結構圖。圖3是復合平行四桿導向機構的原理圖(以運動平臺發生Y方向的運動為例)。圖4是圓弧狀柔性鉸鏈結構圖。圖5是葉狀柔性鉸鏈結構圖。圖中1-1，1-2-復合平行四桿導向機構第一組柔性鉸鏈，2-1，2-2-復合平行四桿 導向機構第二組柔性鉸鏈，3-1，3-2-復合平行四桿導向機構第三組柔性鉸鏈，4-1，4-2-復 合平行四桿導向機構第四組柔性鉸鏈，5-1，5-2-復合平行四桿導向機構第五組柔性鉸鏈， 6-1,6-2-復合平行四桿導向機構第六組柔性鉸鏈，7-1，7-2-復合平行四桿導向機構第七 組柔性鉸鏈，8-1，8-2-復合平行四桿導向機構第八組柔性鉸鏈，9-基座，IO-X方向放大杠 桿的固支鉸鏈，Il-X方向放大杠桿，12-X方向放大杠桿的輸入鉸鏈，13-X方向放大杠桿的 輸出鉸鏈，14-X方向壓電陶瓷驅動器，15-運動平臺，16-X方向預緊螺母，17-Y方向預緊螺 母，18-Y方向壓電陶瓷驅動器，19-Y方向放大杠桿的固支鉸鏈，20-Y方向放大杠桿的輸入 鉸鏈，21-Y方向放大杠桿，22-Y方向放大杠桿的輸出鉸鏈。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例，對本實用新型進行進一步說明如圖1所示，本實用新型包括基座9、X方向放大杠桿11、Y方向放大杠桿21、復合 平行四桿導向機構以及運動平臺15 ;Χ方向壓電陶瓷驅動器14與Y方向壓電陶瓷驅動器 18相互垂直的放置在基座9上各自的矩形槽內，X方向壓電陶瓷驅動器14的輸出端通過 擰緊X方向預緊螺母16緊靠在X方向放大杠桿的輸入鉸鏈12上，X方向放大杠桿的固支 鉸鏈13與基座9鉸接，X方向放大杠桿11的輸出鉸鏈10與復合平行四桿導向機構一側的 中部鉸接，Y方向壓電陶瓷驅動器18的輸出端通過擰緊Y方向預緊螺母17緊靠在Y方向 放大杠桿的輸入鉸鏈20上，Y方向放大杠桿的固支鉸鏈19與基座9鉸接，Y方向放大杠桿 21的輸出鉸鏈22與復合平行四桿導向機構一側的中部鉸接，運動平臺15位于基座15的中 部，復合平行四桿導向機構第三組柔性鉸鏈3-1、3-2，復合平行四桿導向機構第四組柔性鉸 鏈4-1、4-2，復合平行四桿導向機構第七組柔性鉸鏈7-1、7-2和復合平行四桿導向機構第 八組柔性鉸鏈8-1、8-2分別對稱地鉸接在運動平臺15的四個側面。如圖1、圖3所示，運動平臺15發生X方向運動時，復合平行四桿導向機構第六組 柔性鉸鏈6-1、6-2 —端與基座9相連，另一端與X方向放大杠桿輸出鉸鏈10相連，第五組 柔性鉸鏈5-1、5-2 —端與基座9相連，另一端通過第三組柔性鉸鏈3-1、3-2與運動平臺15 的一個側面相連，第七組柔性鉸鏈7-1、7-2 —端通過第一組柔性鉸鏈1-1、1_2與基座9相 連，一端與運動平臺15的一個側面相連，第八組柔性鉸鏈8-1、8-2 —端通過第二組柔性鉸 鏈2-1、2-2與基座9相連，另一端與運動平臺15的一個側面相連，運動平臺15通過第四組 柔性鉸鏈4-1、4-2與X方向放大杠桿輸出鉸鏈10相連，同時與第三組柔性鉸鏈3-1、3-2相 連。運動平臺15發生Y方向運動時，復合平行四桿導向機構第一組柔性鉸鏈1-1、1_2—端 與基座9相連，另一端與Y方向放大杠桿輸出鉸鏈20相連，第二組柔性鉸鏈2-1、2-2 —端 與基座9相連，另一端通過第八組柔性鉸鏈8-1、8-2與運動平臺15的一個側面相連，第三 組柔性鉸鏈3-1、3-2 —端通過第五組柔性鉸鏈5-1、5-2與基座9相連，另一端與運動平臺 15的一個側面相連，第四組柔性鉸鏈4-1、4-2 —端通過第六組柔性鉸鏈6-1、6-2與基座9 相連，另一端與運動平臺15的一個側面相連，運動平臺15通過第七組柔性鉸鏈7-1、7-2與 Y方向放大杠桿輸出鉸鏈20相連，同時與第八組柔性鉸鏈8-1、8-2相連。可以保證微動定 位平臺在沿著運動的方向有很好的剛性，在垂直于運動的方向有很好的柔性，從而有效地 減小了 X方向和Y方向的運動耦合。如圖1所示復合平行四桿導向機構的第一組柔性鉸鏈1-1、1_2、第二組柔性鉸鏈 2-1、2-2、第三組柔性鉸鏈3-1、3-2、第四組柔性鉸鏈4_1、4_2、第五組柔性鉸鏈5_1、5_2、第 六組柔性鉸鏈6-1、6-2、第七組柔性鉸鏈7-1、7-2和第八組柔性鉸鏈8-1、8-2是葉狀柔性鉸 鏈；X方向放大杠桿的固支鉸鏈13、X方向放大杠桿的輸入鉸鏈12、X方向放大杠桿的輸出 鉸鏈10、Υ方向放大杠桿的固支鉸鏈19、Υ方向放大杠桿的輸入鉸鏈20、Υ方向放大杠桿的 輸出鉸鏈22為圓弧狀柔性鉸鏈。葉狀柔性鉸鏈具有較好的柔性，適應大位移的運動，適合 用在復合平行四桿導向機構中，圓弧狀柔性鉸鏈的轉角精度較高，適合用在放大杠桿上。如圖1、圖4、圖5所示，X方向放大杠桿的固支鉸鏈13、Χ方向放大杠桿的輸入鉸鏈 12、Χ方向放大杠桿的輸出鉸鏈10有相同的柔性鉸鏈半徑R為1. 5mm和不同的鉸鏈寬度t， X方向放大杠桿的固支鉸鏈13的t為0. 5mm，X方向放大杠桿的輸入鉸鏈12的t為0. 4mm,X方向放大杠桿的輸出鉸鏈10的t為0. 25mm，Y方向放大杠桿的固支鉸鏈19、Y方向放大杠 桿的輸入鉸鏈20、Υ方向放大杠桿的輸出鉸鏈22有相同的柔性鉸鏈半徑R為1. 5mm和不同 的鉸鏈寬度t，Y方向放大杠桿的固支鉸鏈19的t為0. 5mm，Y方向放大杠桿的輸入鉸鏈20 的t為0. 4mm，X方向放大杠桿的輸出鉸鏈22的t為0. 25mm。對放大杠桿上的柔性鉸鏈采 用以上的尺寸參數設計可以有效減小柔性鉸鏈的拉伸和壓縮變形對平臺放大倍數的影響， 擴大平臺的運動范圍。 如圖2所示，該一體式柔性鉸鏈平臺選用材料7075A1。7075A1的楊氏模量與密度 的比值(Ε/ρ)較高，有助于提高平臺的機械剛度，改善動態特性。
權利要求一種兩自由度微動定位平臺，其特征在于包括基座(9)、X方向放大杠桿(11)、Y方向放大杠桿(21)、復合平行四桿導向機構以及運動平臺(15)；X方向壓電陶瓷驅動器(14)與Y方向壓電陶瓷驅動器(18)相互垂直的放置在基座(9)上各自的矩形槽內，X方向壓電陶瓷驅動器(14)的輸出端通過擰緊X方向預緊螺母(16)緊靠在X方向放大杠桿的輸入鉸鏈(12)上，X方向放大杠桿的固支鉸鏈(13)與基座(9)鉸接，X方向放大杠桿(11)的輸出鉸鏈(10)與復合平行四桿導向機構的中部鉸接，Y方向壓電陶瓷驅動器(18)的輸出端通過擰緊Y方向預緊螺母(17)緊靠在Y方向放大杠桿的輸入鉸鏈(20)上，Y方向放大杠桿的固支鉸鏈(19)與基座(9)鉸接，Y方向放大杠桿(21)的輸出鉸鏈(22)與復合平行四桿導向機構的中部鉸接，運動平臺(15)位于基座(9)的中部，復合平行四桿導向機構第三組柔性鉸鏈(3 1、3 2)，復合平行四桿導向機構第四組柔性鉸鏈(4 1、4 2)，復合平行四桿導向機構第七組柔性鉸鏈(7 1、7 2)和復合平行四桿導向機構第八組柔性鉸鏈(8 1、8 2)分別鉸接在運動平臺(15)的四個側面。
2.根據權利要求1所述的一種兩自由度微動定位平臺，其特征在于所述的復合平行 四桿導向機構其第六組柔性鉸鏈(6-1、6-2) —端與基座(9)鉸接，另一端與X方向放大杠 桿(11)輸出鉸鏈(10)鉸接；其第五組柔性鉸鏈(5-1、5-2) —端與基座(9)鉸接，另一端與 第三組柔性鉸鏈(3-1、3-2)鉸接；其第一組柔性鉸鏈(1-1、1_2) —端與基座(9)鉸接，另一 端與Y方向放大杠桿(21)輸出鉸鏈(22)鉸接；其第二組柔性鉸鏈(2-1、2-2) —端與基座(9)鉸接，另一端與第八組柔性鉸鏈(8-1、8-2)鉸接；其第四組柔性鉸鏈(4-1、4-2)—端與 運動平臺(15)的一個側面鉸接，另一端與X方向放大杠桿輸出鉸鏈(10)鉸接，其第三組柔 性鉸鏈(3-1、3-2) —端與運動平臺(15)的一個側面鉸接，另一端與復合平行四桿導向機構 第五組柔性鉸鏈(5-1、5-2)鉸接，其第七組柔性鉸鏈(7-1、7-2) —端與運動平臺(15)的一 個側面鉸接，另一端與Y方向放大杠桿輸出鉸鏈(22)鉸接，其第八組柔性鉸鏈(8-1、8-2) 一端與運動平臺(15)的一個側面鉸接，另一端與復合平行四桿導向機構第二組柔性鉸鏈 (2-1、2-2)鉸接。
3.根據權利要求1所述的一種兩自由度微動定位平臺，其特征在于所述的復合平行 四桿導向機構的第一組柔性鉸鏈(1-1、1_2)、第二組柔性鉸鏈(2-1、2-2)、第三組柔性鉸 鏈(3-1、3-2)、第四組柔性鉸鏈(4-1、4-2)、第五組柔性鉸鏈(5_1、5_2)、第六組柔性鉸鏈 (6-1、6-2)、第七組柔性鉸鏈(7-1、7-2)和第八組柔性鉸鏈(8_1、8_2)均為葉狀柔性鉸鏈； X方向放大杠桿的固支鉸鏈(10)、Χ方向放大杠桿的輸入鉸鏈(12)、Χ方向放大杠桿的輸出 鉸鏈(13)、Y方向放大杠桿的固支鉸鏈(19)、Y方向放大杠桿的輸入鉸鏈(20)和Y方向放 大杠桿的輸出鉸鏈(22)均為圓弧狀柔性鉸鏈。
4.根據權利要求1所述的一種兩自由度微動定位平臺，其特征在于所述的X方向放 大杠桿的固支鉸鏈(13)、Χ方向放大杠桿的輸入鉸鏈(12)、Χ方向放大杠桿的輸出鉸鏈(10) 有相同的柔性鉸鏈半徑R為1.5mm和不同的鉸鏈寬度t，X方向放大杠桿的固支鉸鏈(13) 的t為0. 5mm, X方向放大杠桿的輸入鉸鏈(12)的t為0. 4mm, X方向放大杠桿的輸出鉸鏈(10)的t為0.25mm ；Y方向放大杠桿的固支鉸鏈(19)、Y方向放大杠桿的輸入鉸鏈(20)、Y 方向放大杠桿的輸出鉸鏈(22)有相同的柔性鉸鏈半徑R為1. 5mm和不同的鉸鏈寬度t，Y方 向放大杠桿的固支鉸鏈(19)的t為0. 5mm，Y方向放大杠桿的輸入鉸鏈(20)的t為0. 4mm, X方向放大杠桿的輸出鉸鏈(22)的t為0. 25mm。
專利摘要本實用新型公開了一種兩自由度微動定位平臺。它由基座、X方向放大杠桿、Y方向放大杠桿、復合平行四桿導向機構以及運動平臺組成，X方向與Y方向的壓電陶瓷驅動器相互垂直地分別放置在基座上的兩個矩形槽內，驅動器的輸出端通過擰緊預緊螺母緊靠在放大杠桿的輸入鉸鏈上。本實用新型由于采用了特殊結構的放大杠桿和復合平形四桿導向機構，微定位平臺結構緊湊，體積小，能在實現大的運動范圍的同時保證高的頻響，X方向和Y方向的運動能有效解耦，壓電陶瓷驅動器和柔性鉸鏈平臺的組合保證了運動傳遞的無摩擦，無間隙、高精度、高穩定性和快速響應。
文檔編號G12B5/00GK201707930SQ201020243900
公開日2011年1月12日 申請日期2010年6月29日 優先權日2010年6月29日
發明者余建平, 朱珠, 王文 申請人:浙江大學