CN1644329A - 微型二维解耦工作台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微型二维解耦工作台，包括压电陶瓷驱动器、X向杠杆放大机构、Y向杠杆放大机构、Y向运动框架以及工作台，所述工作台通过柔性铰链连接在X向杠杆放大机构上，所述X向杠杆放大机构串联在Y向运动框架上，所述Y向运动框架通过柔性铰链连接在Y向杠杆放大机构上，所述工作台还通过一组解耦直线导向机构与Y向运动框架相连接，所述Y向运动框架还通过一组解耦直线导向机构与基板相连接。本发明的工作台输出位移范围大、分辨率高，两个运动方向无耦合误差。可应用于微型机械零件装配、微机电系统组装、超精密加工、光学调整、生物细胞操作等领域精确定位。
Description
技术领域
本发明涉及微操作机器人系统中的一个部件，具体地说，涉及一种二维微动工作台。
背景技术
二维整体式解耦微工作台是研究三维整体式解耦微工作台的基础，同时三维整体式解耦微工作台是微操作机器人系统的一个重要的基础性部件，所以对二维整体式解耦微工作台的研究对于研究微操作系统具有重要的意义。我国一些科研机构做了一些这方面的研究，如哈尔滨工业大学的一些科研人员就研制开发出了一个二维微动工作台(《光学精密工程》Vol：2004.4 No.1004-924x (2002)02-0143-05)。但是，这种整体式微动工作台，因为整体式的结构，使x和y方向上的运动互相干扰，因而影响了运动精度。
国内专利(申请号01202336.1)涉及的是一种三自由度超精密自动定位平台，在实际应用中有如下缺点：
1.压电陶瓷直接与外部平台相连。这样当平台运动时，压电陶瓷端也随之发生摆动，从而导致压电陶瓷输入的位移从一开始就有耦合误差。
2.这个机构没有放大结构，由于压电陶瓷的输入位移变化幅度很小，从而导致这个定位平台的工作范围很小。
3.这个机构的运动平台部分实质相当于一个四连杆机构，这种机构可以输出直线位移，但是它同时也无法避免地会产生耦合误差。而这个机构没有采取一些措施去消除或者减少这些耦合误差。
4.它的三个运动平台是非整体式的，它必须通过螺纹连接。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够消除耦合误差的二维微动工作台。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种微型二维解耦工作台，包括压电陶瓷驱动器、X向杠杆放大机构、Y向杠杆放大机构、Y向运动框架以及工作台，所述工作台通过柔性铰链连接在X向杠杆放大机构上，所述X向杠杆放大机构串联在Y向运动框架上，所述Y向运动框架通过柔性铰链连接在Y向杠杆放大机构上，所述工作台还通过一组解耦直线导向机构与Y向运动框架相连接，所述Y向运动框架还通过一组解耦直线导向机构与基板相连接。
压电陶瓷驱动器经过X向杠杆放大机构可驱动工作台运动，而压电陶瓷驱动器经过Y向杠杆放大机构可驱动Y向运动框架、X向杠杆放大机构和工作台一起运动，经过杠杆放大机构的放大，工作台可以获得较大的工作空间；同时由于Y向运动框架和工作台上各连接了一组解耦直线导向机构，因此X向杠杆放大机构使工作台只产生X向位移，Y向杠杆放大机构使工作台只产生Y向位移。这样，工作台既能产生二维运动，又可消除耦合误差，提高了运动精度。
作为上述技术方案的一种优选方案，所述X向杠杆放大机构、Y向杠杆放大机构、Y向运动框架、工作台以及解耦直线导向机构都是与基板一体的整体式结构，所有连接点由整体式柔性铰链构成。这些所有的结构都可在一块金属材料上采用先进加工工艺加工而成，无需装配，结构简单、紧凑，体积小，又保证了整个工作台的精密度。
作为对上述优选方案的进一步优化，所述压电陶瓷驱动器通过一个输出端和一根连杆与杠杆放大机构的输入端通过柔性铰链连接，所述输出端是一个能够产生预紧力并能在压电陶瓷的驱动下变形的柔性弹簧结构，所述输出端与连杆也都是与基板一体的整体式结构，连接点由整体式柔性铰链构成。这样的结构，便于压电陶瓷的安装固定，柔性弹簧结构产生的预紧力可以保证压电陶瓷与输出端的良好接触，避免了由于装配的原因导致压电陶瓷不能完全垂直杠杆放大机构输入端的现象。输出端与杠杆放大机构之间的连杆可以避免因杠杆转动而导致压电陶瓷不能完全垂直杠杆放大机构输入端的现象。
为了保证结构的稳定性，在Y方向上可增加了一组解耦直线导向机构作为辅助支撑，使所述Y向运动框架通过左右两边的两组解耦直线导向机构与基板相连接。
上述技术方案中，所述解耦直线导向机构的一种优选结构是由一根横连杆与四根竖连杆通过柔性铰链连接而成的两个平行四连杆机构，其中外侧的两根竖连杆的下端通过柔性铰链连接在基座上，中间的两根竖连杆的下端通过柔性铰链连接在运动机构上。这种结构可以使运动机构只产生一维直线位移。
附图说明
图1是本发明的微型二维解耦工作台的结构示意图。
图2是本发明中一种解耦直线导向机构的结构示意图。
图3是图2所示解耦直线导向机构的作用原理图。
图4是本发明中压电陶瓷驱动器的输出端的结构放大图。
图5是图4所示输出端的机构原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，工作台6通过一个连杆通过柔性铰链连接在X向杠杆放大机构4上，X向杠杆放大机构4的输入端通过连杆3与压电陶瓷驱动器1的输出端2通过柔性铰链连接，压电陶瓷驱动器的输出端2是一个柔性弹簧结构，它可以将压电陶瓷驱动器1夹紧。上述X向杠杆放大机构串联在Y向运动框架7上，工作台6的一个侧面通过解耦直线导向机构5也连接在Y向运动框架7上，Y向运动框架7通过一个连杆通过柔性铰链连接在Y向杠杆放大机构8上，Y向杠杆放大机构8的输入端也通过一根连杆3连接在另一个压电陶瓷驱动器1的输出端2上，所述Y向运动框架7在左右两边各有一组解耦直线导向机构5与基板9相连接，除压电陶瓷驱动器1之外，上述所有机构均是在基板上加工出来的整体式结构，所有的连接点都由整体式柔性铰链构成。
如图2所示，解耦直线导向机构5包括基座51、横连杆52、两根外侧竖连杆53和两中间竖连杆54，中间的两根竖连杆54连接在运动机构上，它们构成两个平行四连杆机构，本发明中中间的两根竖连杆54连接在工作台6或者Y向运动框架7上。图3表示出了这两个平行四连杆机构的作用原理：本机构的变形过程从理论上分为两个阶段，首先假定中间连杆不动，外侧连杆向右变形一定角度，此时运动机构向下移动了一个距离δ1，如图3的左边所示。同时外侧连杆的变形量已经达到，它不再变形。对于中间连杆来说这时外力还存在，因此它也必须变形，在外力的作用下，中间连杆以横连杆为支点向右变形，这时工作台又向上移动了距离δ2，如图3的右边所示。由于前后两个阶段四根连杆的变形角度相等、方向相反，所以前后两次工作台的移动距离也应该相等，即δ1＝δ2，从而最终保证运动机构只在一个方向上有位移输出，达到消除耦合误差的目的。
图4是一个压电陶瓷的固定机构，通过一个柔性弹簧结构靠自身的弹性力实现固定。其作用原理如图5所示，柔性弹簧结构既能靠其自身的弹性力固定压电陶瓷驱动器，又能在压电陶瓷的驱动下输出位移。
Claims (5)
1.一种微型二维解耦工作台，包括压电陶瓷驱动器(1)、X向杠杆放大机构(4)、Y向杠杆放大机构(8)、Y向运动框架(7)以及工作台(6)，其特征在于：所述工作台(6)通过柔性铰链连接在X向杠杆放大机构(4)上，所述X向杠杆放大机构(4)串联在Y向运动框架(7)上，所述Y向运动框架(7)通过柔性铰链连接在Y向杠杆放大机构(8)上，所述工作台(6)还通过一组解耦直线导向机构(5)与Y向运动框架(7)相连接，所述Y向运动框架(7)还通过一组解耦直线导向机构(5)与基板(9)相连接。
2.根据权利要求1所述的工作台，其特征在于：所述X向杠杆放大机构(4)、Y向杠杆放大机构(8)、Y向运动框架(7)、工作台(6)以及解耦直线导向机构(5)都是与基板(9)一体的整体式结构，所有连接点由整体式柔性铰链构成。
3.根据权利要求2所述的工作台，其特征在于：所述压电陶瓷驱动器(1)通过一个输出端(2)和一根连杆(3)与杠杆放大机构(4，8)的输入端通过柔性铰链连接，所述输出端(2)是一个能够产生预紧力并能在压电陶瓷驱动器(1)的驱动下变形的柔性弹簧结构，所述输出端(2)与连杆(3)也都是与基板(9)一体的整体式结构，连接点由整体式柔性铰链构成。
4.根据权利要求1所述的工作台，其特征在于：所述Y向运动框架(7)通过左右两边的两组解耦直线导向机构(5)与基板(9)相连接。
5.根据权利要求1或4所述的工作台，其特征在于：所述解耦直线导向机构(5)是由一根横连杆(52)与四根竖连杆(53，54)通过柔性铰链连接而成的两个平行四连杆机构，其中外侧的两根竖连杆(53)的下端通过柔性铰链连接在基座(51)上，中间的两根竖连杆(54)的下端通过柔性铰链连接在运动机构上。
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