[发明专利]二自由度平动并联高带宽微动平台

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微纳测量与加工技术领域的装置，具体是一种基于压电陶瓷驱动器和柔性铰链的二自由度平动高带宽并联微动平台。

 

背景技术

采用压电陶瓷驱动器及柔性铰链的二自由度微动平台具有高精度、高分辨率、二维运动等优点，因而在微机电系统、超精密测量、微纳米加工、扫描探针显微镜、光学元件制造及生物医学工程等微纳技术领域应用越来越广泛。而目前大多数的纳米测量、纳米制造等过程对于速度要求越来越高，例如对于原子力显微镜的扫描频率，要求达到几kHz；再如在大规模的纳米制造过程中，对于加工速度及效率的要求不断提高，微动台的运动频率要求可达到数kHz。因此，发明具有高精度、高分辨率，同时又具有高带宽特性的二自由度微动平台具有重要的意义。

微动平台机械结构的低固有频率是限制闭环控制带宽的关键因素，因此提高微动平台的固有频率对于实现高带宽微动平台具有较大意义。目前在国内，有部分学者在做微动平台的研究工作，但是都没有提出具有高带宽特性的微动平台。例如中国申请号200510023219.4，公开号CN1644329A，名称为“微型二维解耦工作台”的专利申请，公开了一种微型二维解耦工作台，但该微动平台的固有频率较低，且构型复杂，加工成本较高；再如中国申请号200710114743.1，公开号CN101176995A，名称为“一种具有冗余支链的二平动微动平台”的专利申请，提供了一种具有冗余支链的二平动微动平台，但是该结构中由于柔性铰链的刚度较小，因此也不可避免产生了固有频率较低的缺点。

 

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种二自由度平动并联高带宽微动平台，基于压电陶瓷驱动器和柔性铰链微动平台，依靠在铰链中加入的矩形模块的特殊改进达到高刚度特征从而实现了运动平台的高固有频率的特性。同时依靠双平行铰链的导向功能及整体结构的对称性，达到基本消除两轴耦合及寄生位移的功能，实现了运动平台的二维平动。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：压电陶瓷驱动器、微动平台主体、传感器夹具、非接触式电容传感器，微动平台主体包括两个方向的驱动支链、辅助支链、工作平台以及固定机架，其中两个方向的驱动支链与辅助支链两两对称分布在工作平台四周的X方向和Y方向上。

所述的驱动支链包括：一级驱动支链、二级驱动支链，其中：一级驱动支链两端与固定机架固连，二级驱动支链包括两个端部加倒角的柔性铰链，一端与一级驱动支链通过一级驱动支链中间凸起的矩形模块连接，另一端与工作平台固连。

所述的辅助支链包括：一级辅助支链、二级辅助支链，其中：一级辅助支链两端与固定机架固连，二级辅助支链包括两个端部加倒角的柔性铰链，一端与一级辅助支链通过一级辅助支链中间凸起的矩形模块连接，另一端与工作平台固连。

所述的工作平台四个方向分别与X、Y两个方向的二级驱动支链及二级辅助支链连接。

所述的固定机架分别与X、Y两个方向的一级驱动支链及一级辅助支链固连。

所述的驱动支链、辅助支链、工作平台及机架等都是采用一体式结构，即在一块金属材料板上，采用先进加工工艺加工而成，无需装配，结构紧凑，体积小，有效避免了装配误差的产生，满足了高精度的要求。

所述的压电陶瓷驱动器嵌入在微动平台主体的安装槽内，头部与一级驱动支链的中间部分接触，施加力直接作用在驱动支链上，而其底部与固定机架通过螺纹固连安装。

所述的非接触式电容传感器安装在传感器夹具的安装孔内，并通过锥形销紧固。

所述的传感器夹具通过螺纹固连安装在微动平台的固定机架上，以使非接触式位移传感器检测工作平台的位移。

本发明通过以下方式进行工作：以X方向运动为例，压电陶瓷驱动器施加力于X方向一级驱动支链，使其向X方向运动，由于X向二级驱动支链轴向刚度较大，从而带动工作平台、Y方向二级驱动支链、Y方向二级辅助支链及X向二级辅助支链一起朝X方向运动，其中Y方向二级驱动支链与Y方向二级辅助支链产生协调变形；由于X向二级辅助支链的轴向刚度较大，因而带动X向一级辅助支链产生协调变形。由于X向一级驱动支链与一级辅助支链轴向刚度较大，因而工作平台的位移基本与压电陶瓷驱动器的输出位移即X方向一级驱动支链中间矩形模块的位移基本相等。

本发明与现有的技术相比，具有以下有益效果：