一種基于柔性平行四邊形機(jī)構(gòu)的具有遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)動中心的平行對準(zhǔn)平臺的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種平行對準(zhǔn)裝置，更特別地說，是指一種基于柔性平行四邊形機(jī)構(gòu) 的具有遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)動中心的平行對準(zhǔn)平臺。
【背景技術(shù)】
[0002] 在微納米操作領(lǐng)域，如光纖裝配、納米壓印以及光學(xué)元件對準(zhǔn)等，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)操 作平面間高精度的平行對準(zhǔn)是必不可少的。平行對準(zhǔn)過程需要平行對準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行離面 (out-of-plane)方向的轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)以消除兩個(gè)操作平面間的平行誤差。與傳統(tǒng)平行對準(zhǔn)設(shè)備 相比，具有遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)動中心（remote-center-of-motion，RCM)的平行對準(zhǔn)設(shè)備在對準(zhǔn)過程中 可以繞遠(yuǎn)離對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)本身的某一點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)動，從而可以消除其末端產(chǎn)生的沿水平方向的寄 生誤差，大大提高對準(zhǔn)精度。
[0003] 常見的具有遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)動中心的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)包括圓弧滑軌（circular-prismatic) 機(jī)構(gòu)、具有瞬時(shí)轉(zhuǎn)動中心（instantaneous)的機(jī)構(gòu)以及基于平行四邊形機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向機(jī) 構(gòu)。圓弧滑軌機(jī)構(gòu)通常結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧，但需要非常高的機(jī)械加工精度保證圓弧導(dǎo)軌的 圓度，并且機(jī)構(gòu)整體需要裝配，因此會產(chǎn)生摩擦、間隙以及需要潤滑等問題。具有瞬時(shí)RCM 的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，在旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)過程中機(jī)構(gòu)輸出端可以近似圍繞一個(gè)遠(yuǎn)程中心點(diǎn)轉(zhuǎn)動。在 2008年8 月，在期刊 Journal of Mechanical Design上公開的《The Stiffness Model of Leaf-Type Isosceles-Trapezoidal Flexural Pivots》文中公開了一種具有瞬時(shí)RCM的柔 性梯形旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。此類梯形機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、易于加工制造，并且在轉(zhuǎn)動角度較小的情況 下誤差可以保持在幾個(gè)微米的量級。由于其性能優(yōu)越，梯形機(jī)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于主動旋轉(zhuǎn)對 準(zhǔn)、微驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子、孔一軸裝配中的被動裝配單元等。但由于梯形機(jī)構(gòu)的驅(qū)動半徑受限于 機(jī)構(gòu)本身的尺寸，當(dāng)需要提供較大的操作空間（operating space)時(shí)，驅(qū)動半徑也會相應(yīng)增 大，如果采用壓電陶瓷（PZT)等行程較小的驅(qū)動器，機(jī)構(gòu)的輸出角度就會減小，不能滿足系 統(tǒng)性能的要求。還有一種常見的RCM旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)即是基于平行四邊形的機(jī)構(gòu)。此類機(jī)構(gòu) 利用平行四邊形構(gòu)型的幾何約束作用，可以獲得繞遠(yuǎn)程中心點(diǎn)的純轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動精度很高，轉(zhuǎn) 動行程也較大。此外，驅(qū)動器可以方便地設(shè)置在平行四邊形機(jī)構(gòu)靠近基座的一端，驅(qū)動半徑 不依賴于該機(jī)構(gòu)尺寸的調(diào)整，因此可以在獲得較大操作空間的同時(shí)保持很小的驅(qū)動半徑， 從而在采用小行程驅(qū)動器時(shí)獲得理想的角度輸出?；谄剿倪呅螜C(jī)構(gòu)的RCM機(jī)構(gòu)在微創(chuàng)手 術(shù)、微操作機(jī)器人等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。
[0004] 在微納米操作和精密定位領(lǐng)域，目前的驅(qū)動方式主要有電熱驅(qū)動、電磁驅(qū)動、壓電 驅(qū)動、靜電驅(qū)動和形狀記憶合金驅(qū)動。在這些驅(qū)動器中，壓電驅(qū)動是一種被廣泛應(yīng)用的驅(qū) 動，它具有無限高的分辨率、快速響應(yīng)、大的驅(qū)動力、寬的動態(tài)響應(yīng)范圍等優(yōu)點(diǎn)。而壓電陶瓷 是一種常見的利用壓電驅(qū)動的無機(jī)非金屬材料。當(dāng)對壓電材料施加壓力，它便會產(chǎn)生電位 差；反之施加電壓，則產(chǎn)生機(jī)械力。
[0005] 與剛性機(jī)構(gòu)不同，柔性機(jī)構(gòu)（compliant mechanism)是一類利用材料的彈性變形 傳遞或轉(zhuǎn)換運(yùn)動、力或能量的新型機(jī)構(gòu)。這類機(jī)構(gòu)通常應(yīng)用在精密工程場合，因此又稱為柔 性精微機(jī)構(gòu)。較之于傳統(tǒng)的剛性機(jī)構(gòu)，柔性機(jī)構(gòu)具有許多優(yōu)點(diǎn)：如整體化設(shè)計(jì)和加工，可簡 化結(jié)構(gòu)、減小體積和質(zhì)量、免于裝配；無間隙和摩擦，可實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)動；免于磨損，提高壽 命；免于潤滑，避免污染；可增大結(jié)構(gòu)剛度等等。將柔性機(jī)構(gòu)與平行四邊形RCM機(jī)構(gòu)相結(jié)合 設(shè)計(jì)平行對準(zhǔn)裝置，可以進(jìn)一步提升裝置的對準(zhǔn)精度，減少傳統(tǒng)剛性機(jī)構(gòu)由于加工、裝配、 摩擦和間隙等帶來的誤差影響。因此，基于柔性平行四邊形機(jī)構(gòu)的RCM平行對準(zhǔn)平臺更適 合應(yīng)用于精密定位與操作場合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種基于柔性平行四邊形機(jī)構(gòu)的具有遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)動中心（RCM) 的平行對準(zhǔn)裝置。本發(fā)明采用柔性對稱式雙平行四邊形機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)圍繞遠(yuǎn)程中心點(diǎn)轉(zhuǎn)動的 平行對準(zhǔn)功能，該機(jī)構(gòu)可以在不損失旋轉(zhuǎn)精度的前提下調(diào)節(jié)系統(tǒng)操作空間，并且驅(qū)動半徑 不受操作空間調(diào)節(jié)的影響。為克服壓電陶瓷有限的運(yùn)動輸出，本發(fā)明還采用對稱雙杠桿放 大機(jī)構(gòu)作為運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)。相比于單杠桿機(jī)構(gòu)，對稱雙杠桿放大機(jī)構(gòu)具有更高的輸出剛度 和運(yùn)動精度，因此在保證平行對準(zhǔn)平臺具有較高的轉(zhuǎn)動精度的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)輸出平臺 較大的角度輸出。本發(fā)明運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工，運(yùn)用線切割加工工藝， 從而避免了多個(gè)零部件安裝所帶來的裝配誤差。壓電陶瓷驅(qū)動器整體嵌套在運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu) 內(nèi)，并通過具有位移縮小功能的兩個(gè)楔形墊片實(shí)現(xiàn)預(yù)緊，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力的精細(xì)調(diào)節(jié)，平臺 整體結(jié)構(gòu)也比較緊湊。
[0007] 本發(fā)明的一種基于柔性平行四邊形機(jī)構(gòu)的具有遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)動中心的平行對準(zhǔn)平臺，該 平行對準(zhǔn)平臺包括有基座（1)、預(yù)緊螺釘（2)、運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)（3)、蓋板（4)、壓電陶瓷驅(qū)動器 (5)、A墊片（6A)、B墊片（6B)、平臺墊板（7)、第一支架（2A)、第二支架（2B)、第三支架（2C) 和電容傳感器（8A、8B、8C)。平臺墊板（7)位于運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)（3)與基座（1)之間，且凸塊 (7C)置于運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)（3)的第八切縫（3H)中。平臺墊板（7)用于支撐起壓電陶瓷（5)、 A墊片（6A)和B墊片（6B)。
[0008] 基座（1)上設(shè)有AA螺紋孔（IA)，A螺釘（9A)穿過A支架（2A)上的通孔后螺紋連 接在AA螺紋孔（IA)中；
[0009] 基座（1)上設(shè)有AB螺紋孔（IB)，B螺釘（9B)穿過B支架（2B)上的通孔后螺紋連 接在AB螺紋孔（IB)中；
[0010] 基座⑴上設(shè)有AC螺紋孔（1C)，F(xiàn)螺釘（9F1)順次穿過運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)（3)上的BA 通孔（37A)、平臺墊板（7)上的DA通孔（7E)后，螺紋連接在AC螺紋孔（1C)內(nèi)；
[0011] 基座（1)上設(shè)有AD螺紋孔（ID)，G螺釘（9F2)順次穿過運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)（3)上的BB 通孔（37B)、平臺墊板（7)上的DB通孔（7F)后，螺紋連接在AD螺紋孔（ID)內(nèi)；
[0012] 基座（1)上設(shè)有AE螺紋孔（IE)，H螺釘（9F3)順次穿過運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)（3)上的AA 通孔（36A)、平臺墊板（7)上的DE通孔（71)后，螺紋連接在AE螺紋孔（IE)內(nèi)；
[0013] 基座（1)上設(shè)有AF螺紋孔（IF)，I螺釘（9F4)順次穿過運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)（3)上的AB 通孔（36B)、平臺墊板（7)上的DF通孔（7J)后，螺紋連接在AF螺紋孔（IF)內(nèi)；
[0014] 基座（1)上設(shè)有AG螺紋孔（IG)，J螺釘（9G1)順次穿過蓋板（4)上的CA通孔 (4C)、運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)（3)上的BC通孔（37C)、平臺墊板（7)上的DC通孔（7G)后，螺紋連接 在AG螺紋孔（IG)內(nèi)；
[0015] 基座（1)上設(shè)有AH螺紋孔（IH)，K螺釘（9G2)順次穿過蓋板（4)上的CB通孔 (4D)、運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)（3)上的AC通孔（36C)、平臺墊板（7)上的DG通孔（7K)后，螺紋連接 在AH螺紋孔（IH)內(nèi)；
[0016] 基座（1)上設(shè)有AI螺紋孔（II)，L螺釘（9G3)順次穿過蓋板（4)上的CC通孔 (4E)、運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)（3)上的BD通孔（37D)、平臺墊板（7)上的DD通孔（7H)后，螺紋連接 在AI螺紋孔（II)內(nèi)。
[0017] 預(yù)緊螺釘（2)螺紋連接在蓋板（4)的B螺紋孔（4A)中，且預(yù)緊螺釘（2)的端部與 B墊片（6B)接觸。
[0018] 第一支架（2A)上設(shè)有A通孔（2A1)、B通孔（2A2)和D螺紋孔（2A3);該A通孔 (2A1)用于安裝A電容傳感器（8A);該B通孔（2A2)用于A螺釘（9A)穿過；該D螺紋孔 (2A3)用于A銷釘（2A4)穿過，穿過后的A銷釘（2A4)頂緊A電容傳感器（8A)。
[0019] 第二支架（2B)上設(shè)有C通孔（2B1)、D通孔（2B2)和E螺紋孔（2B3);該C通孔 (2B1)用于安裝B電容傳感器（8B);該D通孔（2B2)用于B螺釘（9B)穿過；該E螺紋孔 (2B3)用于B銷釘（2B4)穿過，穿過后的B銷釘（2B4)頂緊B電容傳感器（8B)。
[0020] 第三支架（2C)上設(shè)有E通孔（2C1)、F通孔（2C2)和F螺紋孔（2C3);該E通孔 (2C1)用于安裝C電容傳感器（8C);該F通孔（2C2)用于C螺釘（9C)穿過；該F螺紋孔 (2C3)用于C銷釘（2C4)穿過，穿過后的C銷釘（2C4)頂緊C電容傳感器（8C)。
[0021] 第四支架（2D)為L形結(jié)構(gòu)，第四支架（2D)通過D螺釘（9D)固定在運(yùn)動傳遞機(jī) 構(gòu)⑶的第四剛性