專利名稱：單層結(jié)構(gòu)六自由度微動工作臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種用于納米級精密測量和精密定位的單層結(jié)構(gòu)六自由度微動工作臺。
背景技術(shù)：
目前，微技術(shù)已成為極有生命力的新興高科技領(lǐng)域，微型機電器件及系統(tǒng)已從實驗室走向市場，形成新的產(chǎn)業(yè)。以微型器件為測量對象的納米測量技術(shù)自二十世紀(jì)末起也已受到學(xué)術(shù)界的普遍重視，具有納米級分辨率的測量方法研究日趨深入和成熟，并陸續(xù)開發(fā)研制出一些測量器件及儀器。已經(jīng)研究出的多自由度工作臺一般采用多層結(jié)構(gòu)或多桿結(jié)構(gòu)。在控制方式上，多層結(jié)構(gòu)工作臺各自由度的運動多為相互獨立，運動的自由度越多，工作臺的層數(shù)越多，因而造成結(jié)構(gòu)的復(fù)雜而難以微型化，分步調(diào)整所需要的時間也較長。因此這種結(jié)構(gòu)形式的微動工作臺為一個自由度或兩個自由度，用于微測量儀器或微加工機械。多桿結(jié)構(gòu)工作臺各自由度的運動是相關(guān)的，調(diào)整也相對靈活，但其控制模型較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)難以實現(xiàn)微型化，精度往往也滿足不了納米測量的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型所要解決的技術(shù)問題是避免上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的不足之處，提供一種單層結(jié)構(gòu)六自由度微動工作臺，用于實現(xiàn)精密測量和精密定位。
本實用新型解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是本實用新型六自由度微動工作臺的結(jié)構(gòu)特點是采用單層結(jié)構(gòu)，由壓電驅(qū)動桿以八桿對稱的方式聯(lián)接，壓電驅(qū)動桿A-a、B-b、C-c、D-d、E-e、F-f、G-g、H-h的外端通過柔性鉸鏈A、B、C、D、E、F、G、H與固定臺相連，內(nèi)端通過柔性鉸鏈a、b、c、d、e、f、g、h與微動臺相連。
本實用新型采用并行控制方式，通過并行控制八根壓電驅(qū)動桿的長度變化，使工作臺多個自由度的運動同步進行，各驅(qū)動桿的控制為獨立與局部相關(guān)相結(jié)合。
本實用新型中所采用的壓電驅(qū)動桿在外加電壓下伸縮，通過控制外加電壓值即可改變壓電驅(qū)動器的長度。利用八根對稱設(shè)置的壓電驅(qū)動桿在長度上的變化，結(jié)合柔性鉸鏈的變形，即可實現(xiàn)微動臺的六自由度的運動。整個工作臺除了在柔性鉸鏈處產(chǎn)生變形外，其余都看作是剛體。
與已有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果體現(xiàn)在1、本實用新型六自由度工作臺采用單層結(jié)構(gòu)，其相對于多層結(jié)構(gòu)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、易于裝配、累計誤差小的優(yōu)勢。
2、本實用新型采用壓電驅(qū)動桿八桿對稱結(jié)構(gòu)，各驅(qū)動桿的控制為獨立與局部相關(guān)相結(jié)合，即實現(xiàn)工作臺各單自由度運動需要控制的驅(qū)動桿不同，有的控制兩桿、有的控制四桿，多自由度運動通過同步控制各單自由度運動來實現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)可以簡化驅(qū)動控制模型，相對用于機器人運動的六桿結(jié)構(gòu)工作臺控制簡單且易于提高運動精度和實現(xiàn)微型化，各壓電驅(qū)動器的運動并行控制，各自由度的運動可同步進行，這樣可大大減小工作臺方位調(diào)整所需的時間，提高測量速率和效率。
3、本實用新型微動臺采用柔性鉸鏈為彈性導(dǎo)軌，具有無機械摩擦、無間隙、運動靈敏度高等優(yōu)點，以壓電陶瓷為驅(qū)動器，結(jié)構(gòu)緊湊，微位移分辨率高、控制簡單，并且沒有發(fā)熱問題。這就使得工作臺更易于實現(xiàn)微型化。
4、本實用新型可以通過建立運動模型分析工作臺的運動精度，由模型本身簡化帶來的誤差在幾個納米范圍內(nèi)，由加工、安裝誤差引起柔性鉸鏈坐標(biāo)誤差也會影響運動精度，而工作臺運動誤差相對鉸鏈坐標(biāo)誤差具有很大的縮小比，因此這種誤差影響會很小。通過計算微動臺的運動精度能達到納米級，可見工作臺能夠?qū)崿F(xiàn)納米級的測量和定位。
圖面說明


圖1為本實用新型微動臺運動構(gòu)件坐標(biāo)系示意圖。
圖2(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)為本實用新型工作臺單自由度運動示意圖。
圖3為本實用新型壓電驅(qū)動桿與柔性鉸鏈配合狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
參見
圖1、圖3和圖4，本實施例采用壓電驅(qū)動桿，以八桿對稱的方式進行聯(lián)接，壓電驅(qū)動桿A-a、B-b、C-c、D-d、E-e、F-f、G-g、H-h的外端通過柔性鉸鏈A、B、C、D、E、F、G、H與固定臺相連，內(nèi)端通過柔性鉸鏈a、b、c、d、e、f、g、h與微動臺相連。
具體實施中，如
圖1所示、圖4所示，本實施例是以柔性鉸鏈A、B、C、D固定端點構(gòu)成面的中心為原點O，柔性鉸鏈A、B、C、D固定端點所在的平面為XOY坐標(biāo)面所建立的固定坐標(biāo)系中，壓電驅(qū)動桿A-a、C-c以及B-b、D-d的初始位置分別與Y軸或X軸平行，壓電驅(qū)動桿E-e，F(xiàn)-f，G-g，H-h初始位置與Z軸平行，與微動臺相連的各個鉸鏈點相對坐標(biāo)原點對稱分布，并且八桿初始長度相等。
圖3示出，本實施中所采用的壓電驅(qū)動桿為壓電陶瓷驅(qū)動桿1，壓電陶瓷驅(qū)動桿1在外加電壓下伸長，通過控制外加電壓值來改變驅(qū)動桿1的長度。微動臺2運動時，僅在柔性鉸鏈3位置處發(fā)生彈性變形，其它部分都被認(rèn)為是剛體。
本實施例中，采用并行控制方式，該并行控制方式是通過并行控制八根壓電驅(qū)動桿的長度變化，使工作臺多個自由度的運動同步進行。
具體為以八根驅(qū)動桿的長度變化量與工作臺各個自由度運動量的關(guān)系建立工作臺運動模型；按照模型控制壓電驅(qū)動桿的長度來同步實現(xiàn)工作臺多個自由度的運動。
關(guān)于工作臺運動模型的建立在圖2(a)、2(b)、2(c)、2(d)、2(e)、2(f)分別示出了工作臺各種單自由度的運動。
以下說明單自由度微動時，工作臺位移與單驅(qū)動桿變形量的關(guān)系。
以驅(qū)動桿A-a為例。微動工作臺沿X方向平動ΔX(圖2(a))，則a點坐標(biāo)值(Xa，Ya，Za)變化為X′a＝Xa+ΔX，Y′a＝Y(jié)a，Z′a＝Za，驅(qū)動桿A-a長度變化為L′2(A-a)＝(X′a-XA)2+(Y′a-YA)2+(Z′a-ZA)2＝L2(A-a)+2(Xa-XA)ΔX+(ΔX)2。
同理，微動工作臺沿Y方向平動ΔY(圖2(b))，有X′a＝Xa，Y′a＝Y(jié)a+ΔY，Z′a＝Za，L′2(A-a)＝L2(A-a)+2(Ya-YA)ΔY+(ΔY)2。
微動工作臺沿Z方向平動ΔZ(圖2(c))，有
X′a＝Xa，Y′a＝Y(jié)a，Z′a＝Za+ΔZ，L′2(A-a)＝L2(A-a)+2(Za-ZA)ΔZ+(ΔZ)2。
再說明工作臺繞固定坐標(biāo)系轉(zhuǎn)動，設(shè)a點轉(zhuǎn)矩為Ra。
微動工作臺單繞X軸轉(zhuǎn)動Δα(圖2(d))，則Ra=Ya2+Za2,]]>Ya＝RacosθZa＝Rasinθ。
a點坐標(biāo)(Xa，Ya，Za)變化為X′a＝Xa，Y′a＝Racos(θ+Δα)＝RacosθcosΔα-Rasinθsin Δα＝Y(jié)acosΔα-ZasinΔα，Z′a＝Rasin(θ+Δα)＝RasinθcosΔα+RacosθsinΔα＝ZacosΔα+YasinΔα，L′2(A-a)=(X′a-XA)2+(Y′a-YA)2+(Z′a-ZA)2]]>L2(A-a)+4(YaYA+ZaZA)sin2(Δα2)+2(ZaYA-YaZA)sinΔα.]]>同理，工作臺單純繞Y軸轉(zhuǎn)動Δβ(圖2(e))，有X′a＝XacosΔβ-ZasinΔβ，Y′a＝Y(jié)a，Z′a＝ZacosΔβ+XasinΔβ，L′2(A-A)=L2(A-a)+4(XaXA+ZaZA)sin2(Δβ2)+2(ZaXA-XaZA)sinΔβ]]>工作臺單純繞Z軸轉(zhuǎn)動Δγ(圖2(f))，有X′a＝XacosΔγ-YasinΔγ，Y′a＝Y(jié)acosΔγ+XasinΔγZ′a＝ZaL′2(A-a)=L2(A-a)+4(XaXA+YaYA)sin2(Δγ2)+2(YaXA-XaYA)sinΔγ]]>八桿的長度變化公式的推導(dǎo)方法與驅(qū)動桿A-a相同。
由于ΔX，ΔY，ΔZ，Δα，Δβ，Δγ都很小，故可作如下近似
ΔX2→0，ΔY2→0，ΔZ2→0，sinΔα→Δα，sinΔβ→Δβ，sinΔγ→Δγ，cosΔα→1，cos Δβ→1，cosΔγ→1令ΔL(A-a)＝L′(A-a)-L(A-a)，則(ΔL)2→0可得單自由度微動時，驅(qū)動桿A-a長度變化量與工作臺位移量之間有如下關(guān)系L(A-a)ΔL(A-a)＝(Xa-XA)ΔX，L(A-a)ΔL(A-a)＝(Ya-YA)ΔY，L(A-a)ΔL(A-a)＝(Za-ZA)ΔZ，L(A-a)ΔL(A-a)＝(ZaYA-YaZA)Δα，L(A-a)ΔL(A-a)＝(ZaXA-XaZA)Δβ，L(A-a)ΔL(A-a)＝(YaXA-XaYA)Δγ。
多自由度微動時，單驅(qū)動桿長度變化量與工作臺位移量的關(guān)系設(shè)微動順序為ΔX→ΔY→ΔZ→Δα→Δβ→Δγ，仍以A-a桿為例。
X′a(1)＝Xa+ΔXX′a(2)＝Xa+ΔXX′a(3)＝Xa+ΔXY′a(1)＝Y(jié)aY′a(2)＝Y(jié)a+ΔYY′a(3)＝Y(jié)a+ΔYZ′a(1)＝ZaZ′a(2)＝ZaZ′a(3)＝Za+ΔZX′a(4)＝Xa+ΔXY′a(4)＝(Ya+ΔY)cos(Δα)-(Za+ΔZ)sin(Δα)Z′a(4)＝(Za+ΔZ)cos(Δα)+(Ya+ΔY)sin(Δα)X′a(5)＝(Xa+ΔX)cos(Δβ)-(Za+ΔZ)cos(Δα)sin(Δβ)-(Ya+ΔY)sin(Δα)sin(Δβ)Y′a(5)＝(Ya+ΔY)cos(Δα)-(Za+ΔZ)sin(Δα)Z′a(5)＝(Za+ΔZ)cos(Δα)cos(Δβ)+(Ya+ΔY)sin(Δα)cos(Δβ)+(Xa+ΔX)sin(Δβ)X′a(6)＝(Xa+ΔX)cos(Δβ)cos(Δγ)-(Za+ΔZ)cos(Δα)sin(Δβ)cos(Δγ)-(Ya+ΔY)sin(Δα)sin(Δβ)cos(Δγ)-(Ya+ΔY)cos(Δα)sin(Δγ)+(Za+ΔZ)sin(Δα)sin(Δγ)Y′a(6)＝(Ya+ΔY)cos(Δα)cos(Δγ)-(Za+ΔZ)sin(Δα)cos(Δγ)+(Xa+ΔX)cos(Δβ)sin(Δγ)-(Za+ΔZ)cos(Δα)sin(Δβ)sin(Δγ)-(Ya+ΔY)sin(Δα)sin(Δβ)sin(Δγ)Z′a(6)＝(Za+ΔZ)cos(Δα)cos(Δβ)+(Ya+ΔY)sin(Δα)cos(Δβ)+(Xa+ΔX)sin(Δβ)L′2(A-a)＝(Xa′(6)-XA)2+(Ya′(6)-YA)2+(Za′(6)-ZA)2≈L2(A-a)+2(Xa-XA)ΔX+2(Ya-YA)ΔY+2(Za-ZA)ΔZ+2(ZaYA-YaZA)Δα+2(ZaXA-XaZA)Δβ+2(YaXA-XaYA)Δγ其它驅(qū)動桿的公式推導(dǎo)方法同上。可證，微動順序不影響結(jié)論。
并行運動時，驅(qū)動桿變形控制的數(shù)學(xué)模型對前面導(dǎo)出的公式加以歸納，可得各桿變形與各自由度微動間的關(guān)系ΔL(A-a)ΔL(B-b)ΔL(C-c)ΔL(D-d)ΔL(E-e)ΔL(F-f)ΔL(G-g)ΔL(H-h)=Xa-XAYa-YAZa-ZAZaYA-YaZAZaXA-XaZAYaXA-XaYAXb-XBYb-YBZb-ZBZbYB-YbZBZbXB-XbZBYbXB-XbYBXc-XCYc-YCZc-ZCZcYC-YcZCZcXC-XcZCYcXC-XcYCXd-XDYd-YDZd-ZDZdYD-YdZDZdXD-XdZDYdXD-XdYDXe-XEYe-YEZe-ZEZeYE-YeZEZeXE-XeZEYeXE-XeYEXf-XFYf-YFZf-ZFZfYF-YfZFZfXF-XfZFYfXF-XfYFXg-XGYg-YGZg-ZGZgYG-YgZGZgXG-XgZGYgXG-XgYGXh-XHYh-YHZh-ZHZhYH-YhZHZhXH-XhZhYhXH-XhYH×ΔXΔYΔZΔαΔβΔγ×1L]]>此即為各桿并行運動時，驅(qū)動器控制的數(shù)學(xué)模型。若各桿的長度、位置均為理想狀態(tài)，則上式可簡化成ΔL(A-a)ΔL(B-b)ΔL(C-c)ΔL(D-d)ΔL(E-e)ΔL(F-f)ΔL(G-g)ΔL(H-h)=-L0000YaL0-L000-XbLL0000-YcL0L000XdL00LYeLXeL000LYfLXfL000LYgLXgL000LYhLXhL0×ΔXΔYΔZΔαΔβΔγ×1L]]>該驅(qū)動控制模型是在理想狀態(tài)下導(dǎo)出的，由模型可以看出實現(xiàn)工作臺各單個自由度運動所要控制的驅(qū)動桿各不相同，有的控制兩桿、有的控制四桿、要實現(xiàn)工作臺多自由度運動就要同步控制各單自由度運動，各驅(qū)動桿的控制為獨立與局部相關(guān)相結(jié)合。沿X方向平動ΔX要控制驅(qū)動桿A-a和C-c，沿Y方向平動ΔY要控制驅(qū)動桿B-b和D-d，沿Z方向平動ΔZ要控制驅(qū)動桿E-e、F-f、G-g、H-h，單純繞X軸轉(zhuǎn)動Δα要控制驅(qū)動桿F-f和H-h，單純繞Y軸轉(zhuǎn)動Δβ要驅(qū)動桿E-e和G-g，單純繞Z軸轉(zhuǎn)動Δγ要控制驅(qū)動桿A-a、B-b、C-c、D-d，工作臺多自由度的運動就要對各驅(qū)動桿進行相關(guān)控制，實現(xiàn)微動臺多自由度運動時各個驅(qū)動桿長度變化量各不相同，單層結(jié)構(gòu)六自由度微動工作臺并行控制方法，就是根據(jù)上述模型由要實現(xiàn)的各個自由度的運動量ΔX、ΔY、ΔZ、Δα、Δβ、Δγ來計算各個壓電驅(qū)動桿的長度變化量，對壓電驅(qū)動器的運動相關(guān)控制，各自由度的運動可同步進行，達到對工作臺并行控制的目的。通過這種并行控制方法可大大減少工作臺方位調(diào)整所需的時間，提高測量速率和效率。
權(quán)利要求1.單層結(jié)構(gòu)六自由度微動工作臺，其特征是采用單層結(jié)構(gòu)，由壓電驅(qū)動桿以八桿對稱的方式聯(lián)接，壓電驅(qū)動桿A-a、B-b、C-c、D-d、E-e、F-f、G-g、H-h的外端通過柔性鉸鏈A、B、C、D、E、F、G、H與固定臺相連，內(nèi)端通過柔性鉸鏈a、b、c、d、e、f、g、h與微動臺相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的六自由度微動工作臺，其特征是以柔性鉸鏈A、B、C、D固定端點構(gòu)成面的中心為原點O，柔性鉸鏈A、B、C、D固定端點所在的平面為XOY坐標(biāo)面所建立的固定坐標(biāo)系中，壓電驅(qū)動桿A-a、C-c以及壓力驅(qū)動桿B-b、D-d的初始位置分別與Y軸和X軸平行，壓電驅(qū)動桿E-e，F(xiàn)-f，G-g，H-h初始位置與Z軸平行，與微動臺相連的各個鉸鏈點相對坐標(biāo)原點對稱分布，并且八桿初始長度相等。
專利摘要單層結(jié)構(gòu)六自由度微動工作臺，特征是采用單層結(jié)構(gòu)，由壓電驅(qū)動桿以八桿對稱的方式聯(lián)接，壓電驅(qū)動桿A－a、B－b、C－c、D－d、E－e、F－f、G－g、H－h(huán)的外端通過柔性鉸鏈A、B、C、D、E、F、G、H與固定臺相連，內(nèi)端通過柔性鉸鏈a、b、c、d、e、f、g、h與微動臺相連。通過并行控制八個壓電驅(qū)動桿的長度變化來實現(xiàn)單層結(jié)構(gòu)六自由度微動工作臺多自由度的運動。本實用新型所采用的并行控制方法可以控制工作臺的運動達到納米級的精度，實現(xiàn)納米級精密測量和精密定位。
文檔編號B25H1/00GK2626683SQ0325896
公開日2004年7月21日 申請日期2003年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月17日
發(fā)明者余曉芬, 俞建衛(wèi), 王永紅, 黃其圣, 魏玉鳳, 鄧輝 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)