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五自由度纳米级定位工作台的设计研究 ———王 　勇　刘志刚　薄 　锋等 五自由度纳米级定位工作台的设计研究 王 　勇 　刘志刚　薄 　锋 　朱健强 中国科学院上海光学精密机械研究所 ,上海 , 20 1800 摘要 :提出一种新型的五自由度精密定位平台的工作原理及其设计方法 。工作台采用柔 性导向机构实现平移及转动功能 ,采用压电陶瓷作为驱动元件 ,外置纳米级电容传感器作为位 移量测量反馈元件 ,采用数字 P ID 控制方法 ,可以实现纳米级精度的定位 。给出了多种形式柔 性导向机构刚度计算公式及设计实例 。 关键词 :精密定位 ;柔性机构 ;压电 /电致伸缩驱动 ;五自由度 ( ) 中图分类号 : TH 112　　　文章编号 : 1004 —132 Ⅹ 2005 15—13 17—05 D e sign and Research of 5 - DO F In tegra ted Nanopo sition ing Stage W ang Yong　L iu Zh igang　Bo Feng　Zhu J ianq iang Shanghai In stitu te of Op tic s and F ine M echan ic s, Ch ine se A cadem y of Science s, Shanghai, 20 1800 A b stract: Th is p ap er p re sen ted a new typ e of 5 - DOF nanopo sition ing stage, and the de sign theory and m ethod wa s in troduced. The linear and rotary motion s of the stage wa s gu ided by flexu re h inge s and driven by p iezoelectric actuators. Cap acitive po sition sen sors w ith nanom eter accu racy were fixed on the stage to detect the disp lacem en t of motion and p rovide feedback signals to con tro ller. The equation of comp lian t m echan ism s and a de sign ca se are also p re sen ted. Key words: p recision po sition ing; comp lian t m echan ism ; p iezo - driven m echan ism ; 5 - DOF 0　引言 1　工作台的结构设计及工作原理 纳米级微定位技术在超精密加工和精密测量 中有着重要的应用 。随着纳米技术的快速发展 , 由于压电 /电致伸缩元件本身伸缩量有限 ,为 纳米定位技术已成为纳米测量和原子操作工程走 了增大运动行程 ,通常采用杠杆式多级放大单轴 向产业化的前提条件和技术基础 。 柔性铰链机构带动由平行四边形机构组成的运动 纳米定位大都可以通过具有单自由度或者多 平台[ 10, 11 ] 。采用该种方法虽然可以有效地增大 自由度的高精度定位平台实现 ,其中多自由度纳 工作行程 ,但是位移过程中却带来非功能方向上 米级定位平台是研究的重点和难点 , 国内纳米级 的运动牵连 ,在纳米级定位精度范围内,该运动牵 精度定位平台的研究多数为平动装置且多为三自 连带来的耦合量不可忽略 ,而且无法进行补偿