CN101887761B - 两自由度微动定位平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种两自由度微动定位平台。它由基座、X方向放大杠杆、Y方向放大杠杆、复合平行四杆导向机构以及运动平台组成，X方向与Y方向的压电陶瓷驱动器相互垂直地分别放置在基座上的两个矩形槽内，驱动器的输出端通过拧紧预紧螺母紧靠在放大杠杆的输入铰链上。本发明由于采用了特殊结构的放大杠杆和复合平形四杆导向机构，微定位平台结构紧凑，体积小，能在实现大的运动范围的同时保证高的频响，X方向和Y方向的运动能有效解耦，压电陶瓷驱动器和柔性铰链平台的组合保证了运动传递的无摩擦，无间隙、高精度、高稳定性和快速响应。
Description
技术领域
本发明涉及微动定位装置，特别是一种两自由度微动定位平台，能实现大行程、高频响和高精度的微定位。
背景技术
微动定位平台是精密工程领域里的关键部件，在集成电路制造，精密机械，光学仪器和生物医学操作等方面有着广泛的应用。目前，随着以上领域的飞速发展，越来越多地对微动定位平台提出了大行程(大于100微米)、高频响和小体积的要求。现有的微动定位平台，一部分只具有较小的运动范围(几微米到几十微米)，行程较大的微定位平台却普遍存在一阶固有频率较低(一般在200Hz以下)和体积较大的问题。对于具有X方向和Y方向两个自由度的微动定位平台，两个方向的运动耦合对定位精度有重要的影响，需要设计一定的结构进行两个自由度的解耦。
发明内容
为了克服现有的两自由度微动定位平台的不足，满足精密定位领域的发展要求，本发明的目的在于提供一种两自由度的微动定位平台，该微动定位平台不仅能实现大行程的精密定位，而且具有较高的一阶固有频率(大于500Hz)，结构紧凑，体积小，复合平行四杆导向机构能有效减小X方向和Y方向的运动耦合。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明包括基座、X方向放大杠杆、Y方向放大杠杆、复合平行四杆导向机构以及运动平台；X方向压电陶瓷驱动器与Y方向压电陶瓷驱动器相互垂直的放置在基座上各自的矩形槽内，X方向压电陶瓷驱动器的输出端通过拧紧X方向预紧螺母紧靠在X方向放大杠杆的输入铰链上，X方向放大杠杆的固支铰链与基座铰接，X方向放大杠杆的输出铰链与复合平行四杆导向机构的中部铰接，Y方向压电陶瓷驱动器的输出端通过拧紧Y方向预紧螺母紧靠在Y方向放大杠杆的输入铰链上，Y方向放大杠杆的固支铰链与基座铰接，Y方向放大杠杆的输出铰链与复合平行四杆导向机构的中部铰接，运动平台位于基座的中部，复合平行四杆导向机构第三组柔性铰链，复合平行四杆导向机构第四组柔性铰链，复合平行四杆导向机构第七组柔性铰链和复合平行四杆导向机构第八组柔性铰链分别铰接在运动平台的四个侧面。
所述的复合平行四杆导向机构：其第六组柔性铰链一端与基座铰接，另一端与X方向放大杠杆输出铰链铰接；其第五组柔性铰链一端与基座铰接，另一端与第三组柔性铰链铰接；其第一组柔性铰链一端与基座铰接，另一端与Y方向放大杠杆输出铰链铰接；其第二组柔性铰链一端与基座铰接，另一端与第八组柔性铰链铰接；其第四组柔性铰链一端与运动平台的一个侧面铰接，另一端与X方向放大杠杆输出铰链铰接，其第三组柔性铰链一端与运动平台的一个侧面铰接，另一端与复合平行四杆导向机构第五组柔性铰链铰接，其第七组柔性铰链一端与运动平台的一个侧面铰接，另一端与Y方向放大杠杆输出铰链铰接，其第八组柔性铰链一端与运动平台的一个侧面铰接，另一端与复合平行四杆导向机构第二组柔性铰链铰接。
所述的复合平行四杆导向机构的第一组柔性铰链、第二组柔性铰链、第三组柔性铰链、第四组柔性铰链、五组柔性铰链、第六组柔性铰链、第七组柔性铰链和第八组柔性铰链均为叶状柔性铰链；X方向放大杠杆的固支铰链、X方向放大杠杆的输入铰链、X方向放大杠杆的输出铰链、Y方向放大杠杆的固支铰链、Y方向放大杠杆的输入铰链和Y方向放大杠杆的输出铰链均为圆弧状柔性铰链。
所述的X方向放大杠杆的固支铰链、X方向放大杠杆的输入铰链、X方向放大杠杆的输出铰链有相同的柔性铰链半径R为1.5mm和不同的铰链宽度t，X方向放大杠杆的固支铰链的t为0.5mm，X方向放大杠杆的输入铰链的t为0.4mm，X方向放大杠杆的输出铰链的t为0.25mm；Y方向放大杠杆的固支铰链、Y方向放大杠杆的输入铰链、Y方向放大杠杆的输出铰链有相同的柔性铰链半径R为1.5mm和不同的铰链宽度t，Y方向放大杠杆的固支铰链的t为0.5mm，Y方向放大杠杆的输入铰链的t为0.4mm，X方向放大杠杆的输出铰链的t为0.25mm。
该一体式柔性铰链平台选用的材料是杨氏模量与密度的比值(E/ρ)较高的7075Al。
本发明具有的有益效果是：
由于采用了特殊结构的放大杠杆和复合平形四杆导向机构，微定位平台结构紧凑，体积小，能在实现大的运动范围的同时保证高的频响，X方向和Y方向的运动能有效解耦，压电陶瓷驱动器和柔性铰链平台的组合保证了运动传递的无摩擦，无间隙、高精度、高稳定性和快速响应。平台几何尺寸为
90mm*90mm*15mm，最大输出位移120um*120um，耦合位移小于1％，一阶固有频率543Hz。
附图说明
图1是本发明的整体结构原理示意图。
图2是本发明未安装压电陶瓷驱动器的立体结构图。
图3是复合平行四杆导向机构的原理图(以运动平台发生Y方向的运动为例)。
图4是圆弧状柔性铰链结构图。
图5是叶状柔性铰链结构图。
图中：1-1，1-2-复合平行四杆导向机构第一组柔性铰链，2-1，2-2-复合平行四杆导向机构第二组柔性铰链，3-1，3-2-复合平行四杆导向机构第三组柔性铰链，4-1，4-2-复合平行四杆导向机构第四组柔性铰链，5-1，5-2-复合平行四杆导向机构第五组柔性铰链，6-1，6-2-复合平行四杆导向机构第六组柔性铰链，7-1，7-2-复合平行四杆导向机构第七组柔性铰链，8-1，8-2-复合平行四杆导向机构第八组柔性铰链，9-基座，10-X方向放大杠杆的固支铰链，11-X方向放大杠杆，12-X方向放大杠杆的输入铰链，13-X方向放大杠杆的输出铰链，14-X方向压电陶瓷驱动器，15-运动平台，16-X方向预紧螺母，17-Y方向预紧螺母，18-Y方向压电陶瓷驱动器，19-Y方向放大杠杆的固支铰链，20-Y方向放大杠杆的输入铰链，21-Y方向放大杠杆，22-Y方向放大杠杆的输出铰链。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行进一步说明：
如图1所示，本发明包括基座9、X方向放大杠杆11、Y方向放大杠杆21、复合平行四杆导向机构以及运动平台15；X方向压电陶瓷驱动器14与Y方向压电陶瓷驱动器18相互垂直的放置在基座9上各自的矩形槽内，X方向压电陶瓷驱动器14的输出端通过拧紧X方向预紧螺母16紧靠在X方向放大杠杆的输入铰链12上，X方向放大杠杆的固支铰链13与基座9铰接，X方向放大杠杆11的输出铰链10与复合平行四杆导向机构一侧的中部铰接，Y方向压电陶瓷驱动器18的输出端通过拧紧Y方向预紧螺母17紧靠在Y方向放大杠杆的输入铰链20上，Y方向放大杠杆的固支铰链19与基座9铰接，Y方向放大杠杆21的输出铰链22与复合平行四杆导向机构一侧的中部铰接，运动平台15位于基座15的中部，复合平行四杆导向机构第三组柔性铰链3-1、3-2，复合平行四杆导向机构第四组柔性铰链4-1、4-2，复合平行四杆导向机构第七组柔性铰链7-1、7-2和复合平行四杆导向机构第八组柔性铰链8-1、8-2分别对称地铰接在运动平台15的四个侧面。
如图1、图3所示，运动平台15发生X方向运动时，复合平行四杆导向机构第六组柔性铰链6-1、6-2一端与基座9相连，另一端与X方向放大杠杆输出铰链10相连，第五组柔性铰链5-1、5-2一端与基座9相连，另一端通过第三组柔性铰链3-1、3-2与运动平台15的一个侧面相连，第七组柔性铰链7-1、7-2一端通过第一组柔性铰链1-1、1-2与基座9相连，一端与运动平台15的一个侧面相连，第八组柔性铰链8-1、8-2一端通过第二组柔性铰链2-1、2-2与基座9相连，另一端与运动平台15的一个侧面相连，运动平台15通过第四组柔性铰链4-1、4-2与X方向放大杠杆输出铰链10相连，同时与第三组柔性铰链3-1、3-2相连。运动平台15发生Y方向运动时，复合平行四杆导向机构第一组柔性铰链1-1、1-2一端与基座9相连，另一端与Y方向放大杠杆输出铰链20相连，第二组柔性铰链2-1、2-2一端与基座9相连，另一端通过第八组柔性铰链8-1、8-2与运动平台15的一个侧面相连，第三组柔性铰链3-1、3-2一端通过第五组柔性铰链5-1、5-2与基座9相连，另一端与运动平台15的一个侧面相连，第四组柔性铰链4-1、4-2一端通过第六组柔性铰链6-1、6-2与基座9相连，另一端与运动平台15的一个侧面相连，运动平台15通过第七组柔性铰链7-1、7-2与Y方向放大杠杆输出铰链20相连，同时与第八组柔性铰链8-1、8-2相连。可以保证微动定位平台在沿着运动的方向有很好的刚性，在垂直于运动的方向有很好的柔性，从而有效地减小了X方向和Y方向的运动耦合。
如图1所示复合平行四杆导向机构的第一组柔性铰链1-1、1-2、第二组柔性铰链2-1、2-2、第三组柔性铰链3-1、3-2、第四组柔性铰链4-1、4-2、第五组柔性铰链5-1、5-2、第六组柔性铰链6-1、6-2、第七组柔性铰链7-1、7-2和第八组柔性铰链8-1、8-2是叶状柔性铰链；X方向放大杠杆的固支铰链13、X方向放大杠杆的输入铰链12、X方向放大杠杆的输出铰链10、Y方向放大杠杆的固支铰链19、Y方向放大杠杆的输入铰链20、Y方向放大杠杆的输出铰链22为圆弧状柔性铰链。叶状柔性铰链具有较好的柔性，适应大位移的运动，适合用在复合平行四杆导向机构中，圆弧状柔性铰链的转角精度较高，适合用在放大杠杆上。
如图1、图4、图5所示，X方向放大杠杆的固支铰链13、X方向放大杠杆的输入铰链12、X方向放大杠杆的输出铰链10有相同的柔性铰链半径R为1.5mm和不同的铰链宽度t，X方向放大杠杆的固支铰链13的t为0.5mm，X方向放大杠杆的输入铰链12的t为0.4mm，X方向放大杠杆的输出铰链10的t为0.25mm，Y方向放大杠杆的固支铰链19、Y方向放大杠杆的输入铰链20、Y方向放大杠杆的输出铰链22有相同的柔性铰链半径R为1.5mm和不同的铰链宽度t，Y方向放大杠杆的固支铰链19的t为0.5mm，Y方向放大杠杆的输入铰链20的t为0.4mm，X方向放大杠杆的输出铰链22的t为0.25mm。对放大杠杆上的柔性铰链采用以上的尺寸参数设计可以有效减小柔性铰链的拉伸和压缩变形对平台放大倍数的影响，扩大平台的运动范围。
如图1所示，该一体式柔性铰链平台选用材料7075A1。7075A1的杨氏模量与密度的比值(E/ρ)较高，有助于提高平台的机械刚度，改善动态特性。
Claims (4)
1.一种两自由度微动定位平台，其特征在于：包括基座(9)、X方向放大杠杆(11)、Y方向放大杠杆(21)、复合平行四杆导向机构以及运动平台(15)；X方向压电陶瓷驱动器(14)与Y方向压电陶瓷驱动器(18)相互垂直的放置在基座(9)上各自的矩形槽内，X方向压电陶瓷驱动器(14)的输出端通过拧紧X方向预紧螺母(16)紧靠在X方向放大杠杆的输入铰链(12)上，X方向放大杠杆的固支铰链(13)与基座(9)铰接，X方向放大杠杆(11)的输出铰链(10)与复合平行四杆导向机构的中部铰接，Y方向压电陶瓷驱动器(18)的输出端通过拧紧Y方向预紧螺母(17)紧靠在Y方向放大杠杆的输入铰链(20)上，Y方向放大杠杆的固支铰链(19)与基座(9)铰接，Y方向放大杠杆(21)的输出铰链(22)与复合平行四杆导向机构的中部铰接，运动平台(15)位于基座(9)的中部，复合平行四杆导向机构第三组柔性铰链(3-1、3-2)，复合平行四杆导向机构第四组柔性铰链(4-1、4-2)，复合平行四杆导向机构第七组柔性铰链(7-1、7-2)和复合平行四杆导向机构第八组柔性铰链(8-1、8-2)分别铰接在运动平台(15)的四个侧面。
2.根据权利要求1所述的一种两自由度微动定位平台，其特征在于：所述的复合平行四杆导向机构：其第六组柔性铰链(6-1、6-2)一端与基座(9)铰接，另一端与X方向放大杠杆(11)输出铰链(10)铰接；其第五组柔性铰链(5-1、5-2)一端与基座(9)铰接，另一端与第三组柔性铰链(3-1、3-2)铰接；其第一组柔性铰链(1-1、1-2)一端与基座(9)铰接，另一端与Y方向放大杠杆(21)输出铰链(22)铰接；其第二组柔性铰链(2-1、2-2)一端与基座(9)铰接，另一端与第八组柔性铰链(8-1、8-2)铰接；其第四组柔性铰链(4-1、4-2)一端与运动平台(15)的一个侧面铰接，另一端与X方向放大杠杆输出铰链(10)铰接，其第三组柔性铰链(3-1、3-2)一端与运动平台(15)的一个侧面铰接，另一端与复合平行四杆导向机构第五组柔性铰链(5-1、5-2)铰接，其第七组柔性铰链(7-1、7-2)一端与运动平台(15)的一个侧面铰接，另一端与Y方向放大杠杆输出铰链(22)铰接，其第八组柔性铰链(8-1、8-2)一端与运动平台(15)的一个侧面铰接，另一端与复合平行四杆导向机构第二组柔性铰链(2-1、2-2)铰接。
3.根据权利要求1所述的一种两自由度微动定位平台，其特征在于：所述的复合平行四杆导向机构的第一组柔性铰链(1-1、1-2)、第二组柔性铰链(2-1、2-2)、第三组柔性铰链(3-1、3-2)、第四组柔性铰链(4-1、4-2)、五组柔性铰链(5-1、5-2)、第六组柔性铰链(6-1、6-2)、第七组柔性铰链(7-1、7-2)和第八组柔性铰链(8-1、8-2)均为叶状柔性铰链；X方向放大杠杆的固支铰链(10)、X方向放大杠杆的输入铰链(12)、X方向放大杠杆的输出铰链(13)、Y方向放大杠杆的固支铰链(19)、Y方向放大杠杆的输入铰链(20)和Y方向放大杠杆的输出铰链(22)均为圆弧状柔性铰链。
4.根据权利要求1所述的一种两自由度微动定位平台，其特征在于：所述的X方向放大杠杆的固支铰链(13)、X方向放大杠杆的输入铰链(12)、X方向放大杠杆的输出铰链(10)有相同的柔性铰链半径R为1.5mm和不同的铰链宽度t，X方向放大杠杆的固支铰链(13)的t为0.5mm，X方向放大杠杆的输入铰链(12)的t为0.4mm，X方向放大杠杆的输出铰链(10)的t为0.25mm；Y方向放大杠杆的固支铰链(19)、Y方向放大杠杆的输入铰链(20)、Y方向放大杠杆的输出铰链(22)有相同的柔性铰链半径R为1.5mm和不同的铰链宽度t，Y方向放大杠杆的固支铰链(19)的t为0.5mm，Y方向放大杠杆的输入铰链(20)的t为0.4mm，X方向放大杠杆的输出铰链(22)的t为0.25mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120229 Termination date: 20130629 |