專利名稱：微納傳動(dòng)平臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于微電子、航空航天、生物工程、醫(yī)療器械等多領(lǐng)域進(jìn)行微納加工、
微納操作及微納定位的超高精密傳動(dòng)平臺(tái)，特別涉及一種微納傳動(dòng)平臺(tái)。
背景技術(shù)：
納米加工、操作及定位是微納米技術(shù)的極限，也就是通過"微納加工、操作及定位"來實(shí)現(xiàn)微納米級(jí)精度。 近年來，隨著微電子技術(shù)、航空航天、生物工程等學(xué)科的迅速發(fā)展，超精密加工技術(shù)的應(yīng)用已不再局限于國防、航空、航天等少數(shù)尖端領(lǐng)域，各種民用領(lǐng)域也開始使用超精密加工技術(shù)，其應(yīng)用越來越廣泛，與此同時(shí)，對(duì)納米級(jí)精度的定位裝置、操作裝置、加工裝置等的需求也在快速增長，并要求它們具有大行程、大剛度、高穩(wěn)定性、多自由度、易于制造等特性。 目前，用于納米加工、操作的裝置有磁懸浮工作臺(tái)和Stewart平臺(tái)，這兩種裝置雖然可滿足大行程的要求，卻難以達(dá)到納米級(jí)精度要求，同時(shí)，也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占用空間大、不易控制等缺點(diǎn)。在納米加工領(lǐng)域，基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的平臺(tái)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，其具備精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)有技術(shù)中，大行程的移動(dòng)是采用宏、微兩級(jí)定位方式來實(shí)現(xiàn)的，具有機(jī)構(gòu)復(fù)雜、不易控制等不足，而全壓電驅(qū)動(dòng)平臺(tái)也局限于二維的微米級(jí)移動(dòng)，也不具備旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)功能，運(yùn)動(dòng)自由度有限，其移動(dòng)量及運(yùn)動(dòng)的能力均難以滿足復(fù)雜加工和操作的要求。 針對(duì)上述不足，需探索一種結(jié)構(gòu)簡單、高精度、高剛度、易于控制、具備大行程、大擺動(dòng)、多自由度的，用于微納加工、操作及定位的平臺(tái)，以滿足多領(lǐng)域的需求。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供一種微納傳動(dòng)平臺(tái)，該平臺(tái)可具有高精度、高剛度、大行程、大擺動(dòng)等特點(diǎn)，可應(yīng)用于航空航天、超精密加工、精密光學(xué)裝配、光刻技術(shù)、醫(yī)療器械、生物工程等多個(gè)領(lǐng)域。 本發(fā)明的微納傳動(dòng)平臺(tái)，包括底座、下平臺(tái)組件和上平臺(tái)組件，取底座上表面的一點(diǎn)為原點(diǎn)，以底座上表面為XY平面建立空間直角坐標(biāo)系X-Y-Z ; 所述下平臺(tái)組件包括下平臺(tái)、X向定向組件、Y向定向組件、X向驅(qū)動(dòng)組件和Y向驅(qū)動(dòng)組件； 所述X向定向組件包括沿Y向相對(duì)設(shè)置于下平臺(tái)兩端的定向機(jī)構(gòu)I和定向機(jī)構(gòu)II，所述Y向定向組件包括沿X向相對(duì)設(shè)置于下平臺(tái)兩端的定向機(jī)構(gòu)III和定向機(jī)構(gòu)IV，所述定向機(jī)構(gòu)I和定向機(jī)構(gòu)III均由三條剛性連桿依次鉸接形成，其兩端分別鉸接下平臺(tái)并與下平臺(tái)共同形成平面四連桿結(jié)構(gòu)，定向機(jī)構(gòu)II和定向機(jī)構(gòu)IV均由七條剛性連桿依次鉸接形成，從任意一端起第四條剛性連桿固定設(shè)置于底座上，其兩端分別鉸接下平臺(tái)并與下平臺(tái)共同形成平面八連桿結(jié)構(gòu)；
所述X向驅(qū)動(dòng)組件和Y向驅(qū)動(dòng)組件均包括位移放大機(jī)構(gòu)I和壓電陶瓷管，所述位移放大機(jī)構(gòu)I為平面八連桿機(jī)構(gòu)，壓電陶瓷管的兩端分別與八連桿機(jī)構(gòu)的兩根小位移剛性連桿固定連接，八連桿機(jī)構(gòu)的兩根大位移剛性連桿中， 一根固定設(shè)置于底座上，另一根對(duì)應(yīng)
鉸接定向機(jī)構(gòu)I和定向機(jī)構(gòu)III ; 所述上平臺(tái)組件包括上平臺(tái)和位于上平臺(tái)與下平臺(tái)之間并均布于Z軸周向的Z向驅(qū)動(dòng)組件I、 Z向驅(qū)動(dòng)組件II和Z向驅(qū)動(dòng)組件III，所述Z向驅(qū)動(dòng)組件I、 Z向驅(qū)動(dòng)組件II和Z向驅(qū)動(dòng)組件III均包括位移放大機(jī)構(gòu)II和壓電陶瓷管，所述位移放大機(jī)構(gòu)II為平面
八連桿機(jī)構(gòu)，壓電陶瓷管的兩端分別與八連桿機(jī)構(gòu)的兩根小位移剛性連桿固定連接，八連桿機(jī)構(gòu)的兩根大位移剛性連桿中， 一根固定連接下平臺(tái)，另 一根鉸接上平臺(tái)。 進(jìn)一步，所述X向驅(qū)動(dòng)組件和Y向驅(qū)動(dòng)組件均包括四個(gè)并列設(shè)置的位移放大機(jī)構(gòu)I和對(duì)應(yīng)的壓電陶瓷管，相鄰兩個(gè)位移放大機(jī)構(gòu)I的大位移剛性連桿固定連接，所述Z向驅(qū)動(dòng)組件I、Z向驅(qū)動(dòng)組件II和Z向驅(qū)動(dòng)組件III均包括四個(gè)并列設(shè)置的位移放大機(jī)構(gòu)II和對(duì)應(yīng)的壓電陶瓷管，相鄰兩個(gè)位移放大機(jī)構(gòu)II的大位移剛性連桿固定連接；
進(jìn)一步，所述四個(gè)位移放大機(jī)構(gòu)I以每層兩個(gè)的方式上下層疊并列設(shè)置，其大位移剛性連桿依次固定連接，所述四個(gè)位移放大機(jī)構(gòu)II以每層兩個(gè)的方式上下層疊并列設(shè)置，其大位移剛性連桿依次固定連接； 進(jìn)一步，所述鉸接均為使用片狀柔性鉸鏈的柔性鉸接；
進(jìn)一步，所述下平臺(tái)組件和上平臺(tái)組件制成一體。 發(fā)明的有益效果本發(fā)明的微納傳動(dòng)平臺(tái)，包括底座、下平臺(tái)組件和上平臺(tái)組件，利用壓電效應(yīng)使下平臺(tái)組件實(shí)現(xiàn)沿坐標(biāo)系的X和Y方向線性動(dòng)作，上平臺(tái)組件實(shí)現(xiàn)沿坐標(biāo)系的Z方向線性動(dòng)作和繞X、Y軸平行軸的旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)動(dòng)作，并通過位移放大機(jī)構(gòu)增加行程，使該平臺(tái)具有大行程、大擺動(dòng)、多自由度、易于制造和控制等優(yōu)點(diǎn)；下平臺(tái)組件上相對(duì)設(shè)置的定向機(jī)構(gòu)，也有效消除了軸間位移耦合，同時(shí)，各構(gòu)件之間通過柔性鉸鏈的鉸接，完全實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)傳動(dòng)的無間隙、無摩擦，有效提高了平臺(tái)的傳動(dòng)精度，加上壓電陶瓷管的位移分辨率高、響應(yīng)速度快，使本發(fā)明的微納傳動(dòng)平臺(tái)也具備高精度、高分辨率、高頻響等優(yōu)點(diǎn)。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為下平臺(tái)組件的俯視結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為下平臺(tái)組件的結(jié)構(gòu)原理示意圖； 圖4為四個(gè)層疊并列設(shè)置位移放大機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為圖4的左視圖； 圖6為位移放大機(jī)構(gòu)的原理示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為下平臺(tái)組件的俯視結(jié)構(gòu)示意圖，圖3為下平臺(tái)組件的結(jié)構(gòu)原理示意圖，圖4為四個(gè)層疊并列設(shè)置位移放大機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖5為圖4的左視圖，圖6為位移放大機(jī)構(gòu)的原理示意圖，如圖所示本實(shí)施例的微納傳動(dòng)平臺(tái)包括由下至上依次設(shè)置的正方形底座1、下平臺(tái)組件和上平臺(tái)組件，取底座1上表面的中心為原點(diǎn)，以底座1上表面為XY平面建立空間直角坐標(biāo)系X-Y-Z ;X軸和Y軸分別與底座相鄰的兩邊平行； 所述下平臺(tái)組件包括下平臺(tái)2、 X向定向組件、Y向定向組件、X向驅(qū)動(dòng)組件3和Y向驅(qū)動(dòng)組件4; 所述X向定向組件包括沿Y向相對(duì)設(shè)置于下平臺(tái)2兩端的定向機(jī)構(gòu)15和定向機(jī)構(gòu)116，所述Y向定向組件包括沿X向相對(duì)設(shè)置于下平臺(tái)2兩端的定向機(jī)構(gòu)1117和定向機(jī)
構(gòu)IV8，所述定向機(jī)構(gòu)15和定向機(jī)構(gòu)ni7均由三條剛性連桿依次鉸接形成，其兩端分別鉸
接下平臺(tái)2并與下平臺(tái)2共同形成平面四連桿結(jié)構(gòu)，定向機(jī)構(gòu)116和定向機(jī)構(gòu)IV8均由七條剛性連桿依次鉸接形成，從任意一端起第四條剛性連桿固定設(shè)置于底座1上，定向機(jī)構(gòu)116和定向機(jī)構(gòu)IV8各自的兩端分別鉸接下平臺(tái)2并分別與下平臺(tái)2共同形成兩個(gè)平面八連桿結(jié)構(gòu)； 所述X向驅(qū)動(dòng)組件3和Y向驅(qū)動(dòng)組件4均包括位移放大機(jī)構(gòu)19和壓電陶瓷管10，所述位移放大機(jī)構(gòu)19為平面八連桿機(jī)構(gòu)，壓電陶瓷管10的兩端分別與八連桿機(jī)構(gòu)的兩根小位移剛性連桿固定連接，八連桿機(jī)構(gòu)的兩根大位移剛性連桿中，一根固定設(shè)置于底座1上，另一根對(duì)應(yīng)鉸接定向機(jī)構(gòu)I5和定向機(jī)構(gòu)III7，如圖6所示，所述的小位移剛性連桿是指在連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，所有活動(dòng)桿中位移變化最小的兩根，大位移剛性連桿則指所有活動(dòng)桿中位移變化最大的兩根； 所述上平臺(tái)組件包括上平臺(tái)ll和位于上平臺(tái)11與下平臺(tái)2之間并均布于Z軸周向的Z向驅(qū)動(dòng)組件I12、Z向驅(qū)動(dòng)組件1113和Z向驅(qū)動(dòng)組件nil4，所述Z向驅(qū)動(dòng)組件112、Z向驅(qū)動(dòng)組件1113和Z向驅(qū)動(dòng)組件III14均包括位移放大機(jī)構(gòu)1115和壓電陶瓷管IO，所述位移放大機(jī)構(gòu)1115為平面八連桿機(jī)構(gòu)，壓電陶瓷管10的兩端分別與八連桿機(jī)構(gòu)的兩根小位移剛性連桿固定連接，八連桿機(jī)構(gòu)的兩根大位移剛性連桿中，一根固定連接下平臺(tái)2，另一根鉸接上平臺(tái)11。 使用時(shí)，X向驅(qū)動(dòng)組件和Y向驅(qū)動(dòng)組件可在X向定向組件和Y向定向組件的作用下驅(qū)動(dòng)下平臺(tái)沿X方向和Y方向作精確的線性運(yùn)動(dòng)，除此之外，當(dāng)Z向驅(qū)動(dòng)組件I、Z向驅(qū)動(dòng)組件II和Z向驅(qū)動(dòng)組件III同時(shí)輸出相等的位移時(shí)，三者共同驅(qū)動(dòng)上平臺(tái)沿Z方向作線性運(yùn)動(dòng)；當(dāng)Z向驅(qū)動(dòng)組件I不輸出位移，Z向驅(qū)動(dòng)組件II和Z向驅(qū)動(dòng)組件III同時(shí)輸出大小相等方向相反的位移時(shí)，上平臺(tái)繞XZ平面內(nèi)與X軸平行的某一軸線旋轉(zhuǎn)，通過控制壓電陶瓷管伸長和縮短，即可使上平臺(tái)繞該軸往復(fù)擺動(dòng)旋轉(zhuǎn)；當(dāng)Z向驅(qū)動(dòng)組件II和Z向驅(qū)動(dòng)組件III同時(shí)與Z向驅(qū)動(dòng)組件I輸出大小相等方向相反的位移時(shí)，上平臺(tái)繞YZ平面內(nèi)與Y軸平行的某一軸線旋轉(zhuǎn)，通過控制壓電陶瓷管伸長和縮短，即可使上平臺(tái)繞該軸往復(fù)擺動(dòng)旋轉(zhuǎn)；由此可見，本發(fā)明的微納傳動(dòng)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)沿XYZ軸的大移動(dòng)及繞XY軸的大擺動(dòng)5自由度的傳動(dòng)，同時(shí)，如圖6所示，八連桿結(jié)構(gòu)的位移放大機(jī)構(gòu)也可使壓電陶瓷管在圖中x方向輸出的較小位移Ax放大為在圖中y方向輸出的較大位移Ay，實(shí)現(xiàn)了大行程的輸出。
所述X向驅(qū)動(dòng)組件3和Y向驅(qū)動(dòng)組件4均包括四個(gè)并列設(shè)置的位移放大機(jī)構(gòu)I 9和對(duì)應(yīng)的壓電陶瓷管IO，相鄰兩個(gè)位移放大機(jī)構(gòu)I 9的大位移剛性連桿固定連接，所述Z向驅(qū)動(dòng)組件112、 Z向驅(qū)動(dòng)組件1113和Z向驅(qū)動(dòng)組件III14均包括四個(gè)并列設(shè)置的位移放大機(jī)構(gòu)1115和對(duì)應(yīng)的壓電陶瓷管IO，相鄰兩個(gè)位移放大機(jī)構(gòu)1115的大位移剛性連桿固定連接，四個(gè)并列設(shè)置的位移放大機(jī)構(gòu)所輸出的位移疊加，可增加4倍的行程，當(dāng)然，使用4以外
其他數(shù)量并列設(shè)置的位移放大機(jī)構(gòu)，同樣可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。本實(shí)施例中，所述四個(gè)位
移放大機(jī)構(gòu)19以每層兩個(gè)的方式上下層疊并列設(shè)置，其大位移剛性連桿依次固定連接，所
述四個(gè)位移放大機(jī)構(gòu)1115以每層兩個(gè)的方式上下層疊并列設(shè)置，其大位移剛性連桿依次
固定連接，控制上層和下層的壓電陶瓷管以相反的方向形變，即可獲得行程的疊加，通過層
疊設(shè)置，可有效減少位移放大機(jī)構(gòu)所占的橫向空間，使傳動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)更緊湊。 本實(shí)施例中，所述鉸接均通過片狀柔性鉸鏈柔性鉸接，避免使用普通鉸接方式，有
效避免了傳統(tǒng)鉸接方式的間隙、摩擦等因素導(dǎo)致的傳動(dòng)誤差，實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)傳動(dòng)的無間隙、無
摩擦，有效提高了傳動(dòng)平臺(tái)的精度。 本實(shí)施例中，所述下平臺(tái)組件和上平臺(tái)組件制成一體，即由整塊材料經(jīng)線切割、
鉆、銑等工藝加工而成，結(jié)構(gòu)緊湊、無間隙、無摩擦，可有效提高傳動(dòng)平臺(tái)的精度。 最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較
佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技
術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本
發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
一種微納傳動(dòng)平臺(tái)，其特征在于包括底座(1)、下平臺(tái)組件和上平臺(tái)組件，取底座(1)上表面的一點(diǎn)為原點(diǎn)，以底座(1)上表面為XY平面建立空間直角坐標(biāo)系X-Y-Z；所述下平臺(tái)組件包括下平臺(tái)(2)、X向定向組件、Y向定向組件、X向驅(qū)動(dòng)組件(3)和Y向驅(qū)動(dòng)組件(4)；所述X向定向組件包括沿Y向相對(duì)設(shè)置于下平臺(tái)(2)兩端的定向機(jī)構(gòu)I(5)和定向機(jī)構(gòu)II(6)，所述Y向定向組件包括沿X向相對(duì)設(shè)置于下平臺(tái)(2)兩端的定向機(jī)構(gòu)III(7)和定向機(jī)構(gòu)IV(8)，所述定向機(jī)構(gòu)I(5)和定向機(jī)構(gòu)III(7)均由三條剛性連桿依次鉸接形成，其兩端分別鉸接下平臺(tái)(2)并與下平臺(tái)(2)共同形成平面四連桿結(jié)構(gòu)，定向機(jī)構(gòu)II(6)和定向機(jī)構(gòu)IV(8)均由七條剛性連桿依次鉸接形成，從任意一端起第四條剛性連桿固定設(shè)置于底座(1)上，其兩端分別鉸接下平臺(tái)(2)并與下平臺(tái)(2)共同形成平面八連桿結(jié)構(gòu)；所述X向驅(qū)動(dòng)組件(3)和Y向驅(qū)動(dòng)組件(4)均包括位移放大機(jī)構(gòu)I(9)和壓電陶瓷管(10)，所述位移放大機(jī)構(gòu)I(9)為平面八連桿機(jī)構(gòu)，壓電陶瓷管(10)的兩端分別與八連桿機(jī)構(gòu)的兩根小位移剛性連桿固定連接，八連桿機(jī)構(gòu)的兩根大位移剛性連桿中，一根固定設(shè)置于底座(1)上，另一根對(duì)應(yīng)鉸接定向機(jī)構(gòu)I(5)和定向機(jī)構(gòu)III(7)；所述上平臺(tái)組件包括上平臺(tái)(11)和位于上平臺(tái)(11)與下平臺(tái)(2)之間并均布于Z軸周向的Z向驅(qū)動(dòng)組件I(12)、Z向驅(qū)動(dòng)組件II(13)和Z向驅(qū)動(dòng)組件III(14)，所述Z向驅(qū)動(dòng)組件I(12)、Z向驅(qū)動(dòng)組件II(13)和Z向驅(qū)動(dòng)組件III(14)均包括位移放大機(jī)構(gòu)II(15)和壓電陶瓷管(10)，所述位移放大機(jī)構(gòu)II(15)為平面八連桿機(jī)構(gòu)，壓電陶瓷管(10)的兩端分別與八連桿機(jī)構(gòu)的兩根小位移剛性連桿固定連接，八連桿機(jī)構(gòu)的兩根大位移剛性連桿中，一根固定連接下平臺(tái)(2)，另一根鉸接上平臺(tái)(11)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微納傳動(dòng)平臺(tái)，其特征在于所述X向驅(qū)動(dòng)組件(3)和Y向驅(qū)動(dòng)組件(4)均包括四個(gè)并列設(shè)置的位移放大機(jī)構(gòu)I (9)和對(duì)應(yīng)的壓電陶瓷管(10)，相鄰兩個(gè)位移放大機(jī)構(gòu)I (9)的大位移剛性連桿固定連接，所述Z向驅(qū)動(dòng)組件I (12) 、Z向驅(qū)動(dòng)組件11(13)和Z向驅(qū)動(dòng)組件I11(14)均包括四個(gè)并列設(shè)置的位移放大機(jī)構(gòu)11(15)和對(duì)應(yīng)的壓電陶瓷管(10)，相鄰兩個(gè)位移放大機(jī)構(gòu)11(15)的大位移剛性連桿固定連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微納傳動(dòng)平臺(tái)，其特征在于所述四個(gè)位移放大機(jī)構(gòu)I(9)以每層兩個(gè)的方式上下層疊并列設(shè)置，其大位移剛性連桿依次固定連接，所述四個(gè)位移放大機(jī)構(gòu)11(15)以每層兩個(gè)的方式上下層疊并列設(shè)置，其大位移剛性連桿依次固定連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的微納傳動(dòng)平臺(tái)，其特征在于所述鉸接均為使用片狀柔性鉸鏈的柔性鉸接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的微納傳動(dòng)平臺(tái)，其特征在于所述下平臺(tái)組件和上平臺(tái)組件制成一體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微納傳動(dòng)平臺(tái)，包括底座、下平臺(tái)組件和上平臺(tái)組件，本發(fā)明利用壓電效應(yīng)使下平臺(tái)組件實(shí)現(xiàn)沿坐標(biāo)系X和Y方向的直線移動(dòng)，上平臺(tái)組件實(shí)現(xiàn)沿坐標(biāo)系Z方向的直線移動(dòng)和繞X、Y軸平行軸的旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)，并通過位移放大機(jī)構(gòu)增加行程；下平臺(tái)組件上相對(duì)設(shè)置的定向機(jī)構(gòu)，也有效消除了軸間位移耦合，同時(shí)，該傳動(dòng)平臺(tái)制成一體，各構(gòu)件之間通過柔性鉸鏈鉸接，完全實(shí)現(xiàn)平臺(tái)傳動(dòng)無間隙、無摩擦，有效提高了平臺(tái)的傳動(dòng)精度，加上壓電陶瓷管的位移分辨率高、響應(yīng)速度快，使本發(fā)明的微納傳動(dòng)平臺(tái)具備高精度、大行程、大擺動(dòng)、多自由度、高分辨率、高頻響等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B25H1/14GK101786269SQ20101010117
公開日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2010年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月26日
發(fā)明者俞松松, 林超, 程凱 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)