CN100340378C - 六自由度精密定位工作台 - Google Patents

Abstract

一种六自由度精密定位工作台，它由上下两层平台连接而成，其中下层平台由两组双平行板式柔性铰链作为导向机构，采用三组驱动单元实现两个方向的平动和一个方向的转动。上层平台与下层平台的运动平台部分连接，采用三组等边三角形布置的驱动单元和球面副柔性铰链实现一个方向的平动和两个方向的转动。驱动单元采用压电陶瓷致动器，使位移输出分辨率和定位精度高，频率响应快，无机械摩擦，且机构定位可以实现补偿。本发明可实现纳米级的定位精度。

Description

六自由度精密定位工作台

技术领域

本发明涉及一种工作台，特别是一种空间六自由度精密定位工作台，可以实现纳米级的定位精度。

背景技术

在纳米技术的研究工作中，纳米级控制及定位被认为是纳米技术的核心之一，为纳米技术在各个领域的应用提供技术基础。纳米级微定位在光学工程、生物工程、医学工程、微型机电系统、超精密加工及测量等方面都有着广泛的应用。国内现有的纳米定位机构多为一个或者两个自由度，当需要多个自由度时，采用模块组合的方式实现，结构比较大，而且存在累积误差，定位精度不高。采用steward结构的定位机构运动控制非常复杂。其他一些多自由度形式的定位装置，采用连杆传动的方式，运动间存在耦合，同样影响到定位精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种六自由度精密定位工作台，它应具有结构紧凑、体积小、频率响应快和定位误差可补偿的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种六自由度精密定位工作台，其特征在于它由上层平台和底层平台构成：

所述的底层平台上包含固定台体、运动平台、第一双平行板式柔性铰链、第二双平行板式柔性铰链、三组柔性铰链和连接凸台，三组相同的第一压电陶瓷致动器和紧定件；

所述的上层平台通过三组相同的第二压电陶瓷致动器、传动构件、紧定螺钉、连接螺钉、锁紧螺钉与底层平台的运动平台连接，形成一个运动整体；

所述的三组柔性铰链和连接凸台中的一组的中心线与第一双平行板柔性铰链的对称中心线重合，另外两组对称地布置于第二双平行板柔性铰链的对称轴两侧；三组第一压电陶瓷致动器通过各自的紧定件与连接凸台和柔性铰链形成三组水平面内的驱动单元；

垂直方向驱动的三组第二压电陶瓷致动器呈等边三角形排列，其下端通过锁紧螺钉内嵌在底层平台的运动平台上，上端连接传动构件，通过紧定螺钉和连接螺钉与上层平台连接成一体；由连接螺钉、紧定螺钉、传动构件、第二压电陶瓷致动器、锁紧螺钉形成垂直面内的三组驱动单元；

所述的传动构件的中间部分)为球面副柔性铰链。

所述的三组柔性铰链形式为转动副柔性铰链。

所述的运动平台上的第一双平行板柔性铰链和第二双平行板柔性铰链的八块弹性平板的尺寸相同，刚度相等，组成两个方向的双柔性平行导向4杆机构。

本发明的优点：本发明的体积小、结构紧凑、便于加工装配。采用高分辨率的压电陶瓷致动器作为驱动元件，柔性铰链作为传动导向单元，使输出位移的分辨率高、频率响应较快、运动传递无摩擦、无机械损耗。同时各传动单元的布置可以消除运动耦合造成的定位误差，因此可以达到很高的定位精度。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图

图2是本发明的底层平台结构示意图

图3是本发明传动构件5的剖面图

具体实施方式

先请参阅图1、图2和图3，由图可见，本发明六自由度精密定位工作台由上层平台2和底层平台1构成：

所述的底层平台1上包含固定台体1-1、运动平台1-2、第一平行板式柔性铰链1-3、第二平行板式柔性铰链1-4、三组柔性铰链1-5和连接凸台1-6，三组相同的第一压电陶瓷致动器8和紧定件9；

所述的上层平台2通过三组相同的第二压电陶瓷致动器6、传动构件5、紧定螺钉4、连接螺钉3、锁紧螺钉7与底层平台1的运动平台1-2连接，形成一个运动整体；

三组柔性铰链1-5和连接凸台1-6中的一组的中心线与第一双平行板柔性铰链1-3的对称中心线重合，另外两组对称地布置于第二双平行板柔性铰链1-4的对称轴两侧；三组第一压电陶瓷致动器8通过各自的紧定件9与连接凸台1-6和柔性铰链1-5形成三组水平面内的驱动单元；

垂直方向驱动的三组第二压电陶瓷致动器6呈等边三角形排列，其下端通过锁紧螺钉7内嵌在底层平台1的运动平台1-2上，上端连接传动构件5，通过紧定螺钉4和连接螺钉3与上层平台2连接成一体；由连接螺钉3、紧定螺钉4、传动构件5、第二压电陶瓷致动器6、锁紧螺钉7形成垂直面内的三组驱动单元；

所述的传动构件5的中间部分5-3为球面副柔性铰链。

所述的三组柔性铰链1-5形式为转动副柔性铰链。

运动平台(1-2)上的第一双平行板柔性铰链1-3和第二双平行板柔性铰链1-4的八块弹性平板的尺寸相同，刚度相等，组成两个方向的双柔性平行导向4杆机构。

所述的底层平台1实现机构x，y方向的平动和对z轴的转动，上层平台2实现对x，y轴的转动和沿z轴的平动。四组弹性平板1-4组成x方向双柔性平行导向4杆机构，可以有效的消除单平行导向机构中存在的位移耦合现象，在x方向的驱动力和弹性平板1-4的导向作用下，实现x方向的位移。四组弹性平板1-3组成y方向双柔性平行导向4杆机构，当y方向的两组第一压电陶瓷致动器8同时等量伸长时，实现y方向的移动。当y方向上的两组第一压电陶瓷致动器8驱动力不同时，运动平台1-2实现绕垂直轴z的转动位移。柔性铰链1-5的作用是使运动平台1-2的旋转运动不受阻碍。三组柔性铰链1-5、连接凸台1-6的其中一组其中心线与双平行板柔性铰链1-3的对称中心线重合，另外两组对称布置于双平行板柔性铰链1-4的对称轴两侧，采用该种布置方式可以有效的对定位误差进行修正补偿。上层平台2通过三组相同的第二压电陶瓷致动器6，传动构件5，紧定螺钉4，连接螺钉3，锁紧螺钉7与底层运动平台1-2连接，形成一个运动整体。通过底层运动平台1-2的水平方向三维运动实现上层平台2的水平方向三维运动。垂直方向驱动的三组第二压电陶瓷致动器6，其下端通过锁紧螺钉7内嵌于底层运动平台1-2上，上端连接传动构件5，通过紧定螺钉4和连接螺钉3与上层平台2连接成一体。由3、4、5、6、7形成垂直面内的三组驱动单元，该三组驱动单元呈等边三角形排列。当三组驱动单元伸长量相同时，实现平台2沿垂直轴z的平动。当三组驱动单元相对伸长时，平台2可以实现绕x轴和y轴的旋转。传动构件5参见图3，图中5-1是供连接螺钉3的连接螺孔，5-2是供紧定螺钉4的连接螺孔，5-4是供锁紧螺钉7连接的螺孔，中间部分5-3为球面幅柔性铰链，本身具有3个自由度，其作用是使平台2的旋转运动不受阻碍。

Claims (3)

1、一种六自由度精密定位工作台，其特征在于它由上层平台(2)和底层平台(1)构成：

所述的底层平台(1)上包含固定台体(1-1)、运动平台(1-2)、第一双平行板式柔性铰链(1-3)、第二双平行板式柔性铰链(1-4)、三组柔性铰链(1-5)和连接凸台(1-6)，三组相同的第一压电陶瓷致动器(8)和紧定件(9)；

所述的上层平台(2)通过三组相同的第二压电陶瓷致动器(6)、传动构件(5)、紧定螺钉(4)、连接螺钉(3)、锁紧螺钉(7)与底层平台(1)的运动平台(1-2)连接，形成一个运动整体；

三组柔性铰链(1-5)和连接凸台(1-6)中的一组的中心线与第一双平行板柔性铰链(1-3)的对称中心线重合，另外两组对称地布置于第二双平行板柔性铰链(1-4)的对称轴两侧；三组第一压电陶瓷致动器(8)通过各自的紧定件(9)与连接凸台(1-6)和柔性铰链(1-5)形成三组水平面内的驱动单元；

垂直方向驱动的三组第二压电陶瓷致动器(6)呈等边三角形排列，其下端通过锁紧螺钉(7)内嵌在底层平台(1)的运动平台(1-2)上，上端连接传动构件(5)，通过紧定螺钉(4)和连接螺钉(3)与上层平台(2)连接成一体；由连接螺钉(3)、紧定螺钉(4)、传动构件(5)、第二压电陶瓷致动器(6)、锁紧螺钉(7)形成垂直面内的三组驱动单元；

所述的传动构件(5)的中间部分(5-3)为球面副柔性铰链。

2、根据权利要求1所述的六自由度精密定位工作台，其特征在于所述的三组柔性铰链(1-5)形式为转动副柔性铰链。

3、根据权利要求1或2所述的六自由度精密定位工作台，其特征在于运动平台(1-2)上的第一双平行板柔性铰链(1-3)和第二双平行板柔性铰链(1-4)的弹性平板的尺寸相同，刚度相等，组成两个方向的双柔性平行导向4杆机构。

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