CN103411106B - 一种嵌套式菱形放大二维精密定位平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌套式菱形放大二维精密定位平台，通过在一个平面内将第二轴定位平台固定于第一轴定位平台的运动平台上，采用嵌套结构实现二维定位平台的精密定位，且运动方向呈90度分布，避免并联时两个轴运动的耦合误差，也在竖直方向上拥有更大的空间，结构更加紧凑。且放大机构采用菱形机构，放大量可为压电陶瓷变化量的3-5倍，有效地提高了运动范围的放大倍数，且避免其他放大机构所带来的累积误差与角度误差，实现定位平台大范围内的精确定位。另外，通过采用平行板柔性铰链对运动平台起到导向和辅助作用，并且在平行板柔性铰链的保护下，运动平台保持运动方向的一致性，避免出现垂直于运动方向的任何运动以及外力的破坏。

Description

一种嵌套式菱形放大二维精密定位平台

技术领域

本发明属于微驱动应用技术领域，具体涉及一种嵌套式菱形放大二维精密定位平台。

背景技术

目前，二维精密微定位技术在微驱动各个领域，如微机电系统、光学调整、超精密加工、生物细胞操作、STM和AFM显微镜扫描平台等方面都是必不可少的，有着广阔的应用前景，并能产生巨大的社会及经济效益，已成为微驱动精密定位领域中不可或缺的关键技术之一。

二维精密定位平台，主要功能是实现被操作样件或被观测样件的二维精密运动和定位，以及微探针的二维操作等。其二维精密定位技术的实现，主要是以压电陶瓷材料作为驱动源，依靠压电陶瓷驱动电源的电压激励，实现压电陶瓷的微位移形变，通过柔性铰链柔性机构进行无间隙的微位移传动，从而实现被驱动样件的二维精密定位。它相对于其他驱动方式的二维精密定位技术，如电机驱动、音圈电机驱动、记忆合金驱动及磁滞伸缩驱动方式等，其基本原理实现方便、控制简单，并具有分辨率高、传动无间隙、易微小化、运动精度高和重复定位精度高等优点。

目前根据二维运动实现方式的不同，二维精密定位平台主要分为串联式二维精密定位平台和并联式二维精密定位平台，根据位移放大方式的不同，又分为直接驱动和杠杆式放大方式的二维精密定位平台。

串联式二维精密定位平台主要是利用两个一维精密定位平台的串联实现二维精密定位，每个一维精密定位平台均为压电陶瓷驱动和柔性铰链传动，其中，第一个一维精密定位平台做为基体，第二个一维精密定位平台运动方向与第一个一维精密定位平台垂直，并且基座部分安装在第一个一维精密定位平台的运动部分上，由第一个一维精密运动平台驱动使得第二个一维精密运动平台整体实现一个方向的运动，从而通过串联实现二维精密定位。此种方法实现二维精密定位简单，而且没有耦合，但是会累积误差，定位精度较低。（如专利号为2726829、101837586A和100999080的专利）。

并联式二维精密定位平台主要是在一个平面内实现两个方向的运动，其驱动源由两个压电陶瓷放在一个平面内进行驱动，方向互相垂直，依靠特殊设计的可以实现二维传动的柔性铰链机构来实现并联驱动，其柔性铰链采用直角平行板结构，可以实现X，Y两个方向的运动。此种方法可以在很小的竖直空间内实现二维精密定位，是串联型二维精密定位平台无法实现的，但是由于采用直角形平行板铰链，会在二维精密定位时，两个轴运动时出现耦合现象，从而影响定位精度。（如专利号为103056868A和DE10148267B4的专利）。

杠杆式放大机构的主要目是将压电陶瓷的运动范围进行放大，通过杠杆放大原理，以及旋转副的柔性铰链机构实现沿支点的旋转，通过杠杆机构进行放大，其通常的放大倍数可以达到2-3倍，使得由压电陶瓷驱动的精密定位平台的运动范围有效得提高，但是在运动范围放大的同时，也由于杠杆式放大存在微小的角度变化，因此会对最终实现的放大位移带来微小的角度误差。（如专利号为2587600、103111990A、EP0624912A1和DE4315238A1的专利）。

上述三种二维精密定位平台虽然在二维实现结构和位移放大方式上有所不同，但是其共同点在于利用压电陶瓷的驱动，实现二维大行程的精密定位，在实现二维大行程精密定位的过程中都会因为机构类型的原因在二维大行程精密定位中引起误差，最终影响运动精度，而且为二维大行程精密定位平台带来累积误差和角度误差等技术难题。

因此，鉴于以上问题，有必要提出一种新型的二维精密定位平台，以解决现有技术中定位平台所存在的累积误差与角度误差，提高定位平台的输出性能与定位精度，实现定位平台大范围内的精确定位。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种嵌套式菱形放大二维精密定位平台，以解决现有技术中定位平台所存在的累积误差与角度误差，提高定位平台的输出性能与定位精度，实现定位平台大范围内的精确定位。

根据本发明的目的提出的一种嵌套式菱形放大二维精密定位平台，包括基座、与固定设置于所述基座上的第一轴定位平台与第二轴定位平台，所述第一轴定位平台包括第一组动力机构与第一运动平台，所述第一组动力机构驱动所述第一运动平台水平移动；

所述第二轴定位平台包括第二组动力机构与第二运动平台，所述第二组动力机构驱动所述第二运动平台水平移动，所述第二轴定位平台固定设置于所述第一运动平台上，与所述第一运动平台同步移动；

所述第一、第二组动力机构分别包括放大机构与压电陶瓷，所述放大机构为菱形放大机构，所述压电陶瓷压紧固定于所述放大机构内部，所述压电陶瓷的两端对应于所述放大机构对称的两个顶点。

优选的，所述第一、第二组动力机构中心线相互垂直。

优选的，所述第一、第二轴定位平台还包括平行板柔性铰链，所述第一轴定位平台上的平行板柔性铰链的一端与所述基座固定，另一端与所述第一运动平台固定，所述平行板柔性铰链位于所述第一运动平台移动方向的前后侧；所述第二轴定位平台上的平行板柔性铰链的一端与所述第一运动平台固定，另一端与所述第二运动平台固定，所述平行板柔性铰链位于所述第二运动平台移动方向的前后侧。

优选的，所述平行板柔性铰链包括位于所述第一运动平台移动方向前后侧对称设置的4个，以及位于所述第二运动平台移动方向前后侧对称设置的4个。

优选的，所述放大机构的放大量为所述压电陶瓷变化量的3-5倍。

优选的，所述放大机构上设置有预紧螺母，通过预紧螺母为所述压电陶瓷提供足够的预紧力。

优选的，所述基座上还设置有装饰封堵。

优选的，所述放大机构采用轻金属材料制成。

优选的，所述预紧螺母采用重金属材料制成。

优选的，所述压电陶瓷为硬压电陶瓷材料制成。

与现有技术相比，本发明公开的嵌套式菱形放大二维精密定位平台的优点是：通过在一个平面内将第二轴定位平台固定于第一轴定位平台的运动平台上，采用嵌套结构实现二维定位平台的精密定位，并且运动方向呈90度分布，当第一运动平台运动时，带动整个第二轴定位平台运动，再由第二轴定位平台实现另一个方向的运动，这样就避免了并联时所带来的两个轴运动的耦合误差，也在竖直方向上拥有更大的空间，结构更加紧凑。且放大机构采用菱形放大机构，放大量可为压电陶瓷变化量的3-5倍，有效地提高了运动范围的放大倍数，而且避免其他放大机构所带来的累积误差与角度误差，实现定位平台大范围内的精确定位。另外，通过采用平行板柔性铰链对运动平台起到导向和辅助回复的作用，并且在平行板柔性铰链的保护下，运动平台保持运动方向的一致性，避免出现垂直于运动方向的任何运动以及外力的破坏。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明公开的一种嵌套式菱形放大二维精密定位平台的结构示意图。

图2为第二轴定位平台的结构示意图。

图3为菱形放大机构的结构示意图。

图中的数字或字母所代表的相应部件的名称：

1、第一轴定位平台2、第二轴定位平台3、基座4、装饰封堵

11、第一放大机构12、第一压电陶瓷13、第一运动平台14、第一平行板柔性铰链15、第一预紧螺母

21、第二放大机构22、第二压电陶瓷23、第二运动平台24、第二平行板柔性铰链25、第二预紧螺母

具体实施方式

现有技术中的几类二维精密定位平台如串联式二维精密定位平台使用时存在累积误差，定位精度较低；并联式二维精密定位平台存在耦合现象，影响定位精度；杠杆式二维精密定位平台的放大机构存在位移的角度误差，最终影响运动精度。

本发明针对现有技术中的不足，本发明提供了一种嵌套式菱形放大二维精密定位平台，以解决现有技术中定位平台所存在的累积误差与角度误差等问题，提高定位平台的输出性能与定位精度，实现定位平台大范围内的精确定位。

下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请一并参见图1至图3，图1为本发明公开的一种嵌套式菱形放大二维精密定位平台的结构示意图。图2为第二轴定位平台的结构示意图。图3为菱形放大机构的结构示意图。如图所示，一种嵌套式菱形放大二维精密定位平台，包括基座3、与固定设置于基座3上的第一轴定位平台1与第二轴定位平台2，第一轴定位平台1包括第一组动力机构与第一运动平台13，第一组动力机构驱动第一运动平台13水平移动，以确定第一运动平台X方向的坐标位置。

第二轴定位平台2包括第二组动力机构与第二运动平台23，第二组动力机构驱动第二运动平台23水平移动，第二轴定位平台2固定设置于第一运动平台13上，与第一运动平台同步移动，随第一运动平台产生X轴方向的位置变化。第二组动力机构驱动第二运动平台23水平移动，以确定第二运动平台的Y轴方向的位置，实现精确的定位。

第一、第二组动力机构中心线相互垂直设置，以精确定位。

第一组动力机构包括第一放大机构11与第一压电陶瓷12，第一放大机构为菱形放大机构，第一压电陶瓷12压紧固定于第一放大机构11内部，第一压电陶瓷12的两端对应于第一放大机构11对称的两个顶点，通过第一放大机构将第一压电陶瓷压紧固定。第一放大机构剩余的两个顶点一个与基座3固定，另一个与第一运动平台13固定，通过第一压电陶瓷12的微量伸缩带动第一放大机构11产生变形，驱动第一运动平台13以及其上的第二轴定位平台2移动。

第二组动力机构包括第二放大机构21与第二压电陶瓷22，第二放大机构21为菱形放大机构，第二压电陶瓷22压紧固定于第二放大机构21内部，第二压电陶瓷22的两端对应于第二放大机构21对称的两个顶点，通过第二放大机构将第二压电陶瓷压紧固定。第二放大机构剩余的两个顶点一个与第一运动平台13固定，以第一运动平台作为其移动的基座，另一个与第二运动平台23固定，通过第二压电陶瓷22的微量伸缩带动第二放大机构21产生变形，驱动第二运动平台23移动。

其中第一、第二放大机构的放大量为第一、第二压电陶瓷变化量的3-5倍。

放大机构上设置有预紧螺母，分别为第一预紧螺母15与第二预紧螺母25，通过预紧螺母为压电陶瓷提供足够的预紧力。

如图3所示，第二放大机构通过21d与第一运动平台13连接，通过第二放大机构21的柔性臂21b将第二轴定位平台中第二压电陶瓷22的位移放大输出到21a，并与第二运动平台23连接，将位移放大输出给第二运动平台23，第二放大机构的21c部分通过第二预紧螺母25a和25b为第二压电陶瓷22提供足够的预紧力，将压电陶瓷夹紧于放大机构中，避免压电陶瓷在安装过程中的间隙所造成的运动误差。

其中，放大机构的一个顶点处可设置至少一个预紧螺母，通过设置两个预紧螺母防止前一个预紧螺母长时间使用后的失效问题，保证具有足够的预紧力固定压电陶瓷。

第一放大机构与第二放大机构结构相同，且工作原理一致。第一放大机构11和第二放大机构21放大倍数约为压电陶瓷变化量的5倍，大大提高了原有杠杆式放大机构的位移放大倍数，实现大范围的定位。

第一、第二轴定位平台还包括平行板柔性铰链，包括第一平行板柔性铰链14与第二平行板柔性铰链24，第一轴定位平台1上的平行板柔性铰链的一端与基座3固定，另一端与第一运动平台13固定，平行板柔性铰链位于第一运动平台13移动方向的前后侧，为对称设置的4个。第二轴定位平台2上的平行板柔性铰链的一端与第一运动平台13固定，另一端与第二运动平台23固定，平行板柔性铰链位于第二运动平台23移动方向的前后侧，为对称设置的4个，如图2所示，分别为24a、24b、24c、24d。通过设置平行板柔性铰链为运动平台提供足够的回复力与负载支撑力，并确保运动方向的准确性。

基座上还设置有装饰封堵，装饰封堵采用标准件。

放大机构采用轻金属材料制成，优选为铝合金、钛合金等。

预紧螺母采用重金属材料制成。优选为不锈钢、铜等。

压电陶瓷为硬压电陶瓷材料制成。一般为PZT5类似的硬压电陶瓷材料。

本发明公开了一种嵌套式菱形放大二维精密定位平台，通过在一个平面内将第二轴定位平台固定于第一轴定位平台的运动平台上，采用嵌套结构实现二维定位平台的精密定位，并且运动方向呈90度分布，当第一运动平台运动时，带动整个第二轴定位平台运动，再由第二轴定位平台实现另一个方向的运动，这样就避免了并联时所带来的两个轴运动的耦合误差，也在竖直方向上拥有更大的空间，结构更加紧凑。且放大机构采用菱形放大机构，放大量可为压电陶瓷变化量的3-5倍，有效地提高了运动范围的放大倍数，而且避免其他放大机构所带来的累积误差与角度误差，实现定位平台大范围内的精确定位。另外，通过采用平行板柔性铰链对运动平台起到导向和辅助回复的作用，并且在平行板柔性铰链的保护下，运动平台保持运动方向的一致性，避免出现垂直于运动方向的任何运动以及外力的破坏。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种嵌套式菱形放大二维精密定位平台，其特征在于，包括基座、与固定设置于所述基座上的第一轴定位平台与第二轴定位平台，所述第一轴定位平台包括第一组动力机构与第一运动平台，所述第一组动力机构驱动所述第一运动平台水平移动；

所述第二轴定位平台包括第二组动力机构与第二运动平台，所述第二组动力机构驱动所述第二运动平台水平移动，所述第二轴定位平台固定设置于所述第一运动平台上，与所述第一运动平台同步移动；

所述第一、第二组动力机构分别包括放大机构与压电陶瓷，所述放大机构为菱形放大机构，所述压电陶瓷压紧固定于所述放大机构内部，所述压电陶瓷的两端对应于所述放大机构对称的两个顶点；

所述第一、第二轴定位平台还包括平行板柔性铰链，所述平行板柔性铰链固定连接于第一、第二运动平台上，用以实现第一、第二运动平台的移动导向及辅助复位。

2.如权利要求1所述的嵌套式菱形放大二维精密定位平台，其特征在于，所述第一、第二组动力机构中心线相互垂直。

3.如权利要求1所述的嵌套式菱形放大二维精密定位平台，其特征在于，所述第一轴定位平台上的平行板柔性铰链的一端与所述基座固定，另一端与所述第一运动平台固定，所述第一轴定位平台上的平行板柔性铰链位于所述第一运动平台移动方向的前后侧；所述第二轴定位平台上的平行板柔性铰链的一端与所述第一运动平台固定，另一端与所述第二运动平台固定，所述第二轴定位平台上的平行板柔性铰链位于所述第二运动平台移动方向的前后侧。

4.如权利要求3所述的嵌套式菱形放大二维精密定位平台，其特征在于，所述平行板柔性铰链包括位于所述第一运动平台移动方向前后侧对称设置的4个，以及位于所述第二运动平台移动方向前后侧对称设置的4个。

5.如权利要求1所述的嵌套式菱形放大二维精密定位平台，其特征在于，所述放大机构的放大量为所述压电陶瓷变化量的3-5倍。

6.如权利要求1所述的嵌套式菱形放大二维精密定位平台，其特征在于，所述放大机构上设置有预紧螺母，通过预紧螺母为所述压电陶瓷提供足够的预紧力。

7.如权利要求1所述的嵌套式菱形放大二维精密定位平台，其特征在于，所述基座上还设置有装饰封堵。

8.如权利要求1所述的嵌套式菱形放大二维精密定位平台，其特征在于，所述放大机构采用轻金属材料制成。

9.如权利要求6所述的嵌套式菱形放大二维精密定位平台，其特征在于，所述预紧螺母采用重金属材料制成。

10.如权利要求1所述的嵌套式菱形放大二维精密定位平台，其特征在于，所述压电陶瓷为硬压电陶瓷材料制成。