CN105006255A - 一种三自由度微定位工作台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三自由度微定位工作台，属于定位器械技术领域。本发明包括基座、动平台、三个压电陶瓷驱动器和实现运动传递的三条支链；在基座的上部安装两个压电陶瓷驱动器，在基座的底部安装一个压电陶瓷驱动器，每个压电陶瓷驱动器末端均通过锁紧螺栓固定在基座上，其顶部均通过螺纹连接球形触头。本发明结合了球形柔性铰链的特点，依靠自身的变形，可以达到高精度的输出位移，同时能够有效避免输出位移之间的耦合。
Description
技术领域
本发明涉及一种三自由度微定位工作台，属于定位器械技术领域。
背景技术
随着科学技术的不断发展，人类对自然界的认识与研究已从宏观世界逐步深入到微观领域。例如在光电监测仪器，精密的机械加工，生物工程等定位操作要求高的应用中，对定位系统的精度要求越来越高，相应的对系统的动态性能和稳定性也有了较高的要求。由于传统的微定位机构存在着较大惯性、响应速度慢、结构复杂、稳定性差使得实际的定位精度难以满足高精度的要求等缺点；另外，现有的三自由度精密定位平台一般均存在输入输出耦合问题，从而影响了工作精度，增加控制难度。
发明内容
为了克服上述传统定位方式不能达到高精度的定位要求，本发明要解决的技术问题是提供一种全柔性的三自由度微定位工作台，可实现空间三维XYZ方向上的精密定位，末端输出可以达到微米级以上的高精度，由于采用球形柔性铰链组使该微定位工作台可同时有效避免各自由度方向上运动间的干扰。
本发明技术方案是：一种三自由度微定位工作台，包括基座1、动平台8、三个压电陶瓷驱动器2和实现运动传递的三条支链；
在基座1的上部安装两个压电陶瓷驱动器2，在基座1的底部安装一个压电陶瓷驱动器2，每个压电陶瓷驱动器2末端均通过锁紧螺栓固定在基座1上，其顶部均通过螺纹连接球形触头3。
所述三条支链分布在基座1与动平台8之间，其中第一，第二支链均包括驱动环节4、刚性移动块7和并联球形柔性铰链组11；其中刚性移动块7四周连接并联球形柔性铰链组11，刚性移动块7左右两侧的并联球形柔性铰链组11与基座1相连，上侧的并联球形柔性铰链组11与动平台8相连，下侧的与驱动环节4相连；所述的三条支链中各驱动环节4一个侧面中部均和球形触头3顶部相接触。
所述三条支链中第三支链包括驱动环节4、刚性移动块7、并联球形柔性铰链组11和弹簧组6；所述刚性移动块7下侧与弹簧组6连接，上侧和右侧与并联球形柔性铰链组11相连，上侧的并联球形柔性铰链组11与动平台8相连，右侧的并联球形柔性铰链组11与驱动环节4相连；弹簧组6与基座1连接。
所述三组支链的位置在空间中两两相互垂直，第一，第二支链结构形式完全相同；所述的基座1上在正对动平台8运动方向上安装有三个微位移传感器9。
本发明的工作过程是：
以装置在水平X方向的定位过程为例，压电陶瓷驱动电源输出一个控制电压作用在压电陶瓷驱动器2上，压电陶瓷驱动器2产生相应的伸缩形变，依次通过球形触头3、驱动环节4、并联球形柔性铰链组11、刚性移动块7，最终推动动平台8在水平X方向上运动，安装在基座1上的微位移传感器9实时检测动平台8在水平X方向上发生的位移，从而实现装置在X方向的定位。与此同时，与动平台8相连的在YZ方向上的并联球形柔性铰链组11只会在X方向上发生弯曲变形，在YZ上不发生变形，从而避免不同方向上位移的耦合。同理在YZ方向上的定位过程与X方向上基本相同，其中并联球形柔性铰链组11由球形柔性铰链组成。
本发明的有益效果是：
1、本发明设计的三维微定位工作台，其运动传递部分所使用的柔性机构和动平台便于加工，免于装配、无间隙、无摩擦、不需润滑、运动无爬行现象，利于实现高精度定位；
2、本发明所采用的球形柔性铰链组具有多个自由度，能在多个方向上发生变形可以避免动平台在各自由度方向运动间的干扰，优化可操作度，改善运动学和动力学特性，有效提高微定位台的定位精度；
3、结合了球形柔性铰链的特点，依靠自身的变形，可以达到高精度的输出位移，同时能够有效避免输出位移之间的耦合；
本发明结合柔性运动副的优点，依靠自身弹性变形来产生运动，用压电陶瓷做驱动实现微定位，末端输出可以达到微米级以上的高精度，因此使其可以广泛应用于微细作业领域。
附图说明
图1是本发明的等轴测示意图；
图2是本发明的第一支链主视示意图；
图3是本发明的第三支链结构示意图。
图1-3中各标号：1-基座，2-压电陶瓷驱动器，3-球形触头，4-驱动环节，5-球形柔性铰链，6-弹簧组，7-刚性移动块，8-动平台，9-微位移传感器，10-Z形支架，11-并联球形柔性铰链组。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1-3所示，一种三自由度微定位工作台，包括包括基座1、动平台8、三个压电陶瓷驱动器2和实现运动传递的三条支链；
在基座1的上部安装两个压电陶瓷驱动器2，在基座1的底部安装一个压电陶瓷驱动器2，每个压电陶瓷驱动器2末端均通过锁紧螺栓固定在基座1上，其顶部均通过螺纹连接球形触头3。
所述三条支链分布在基座1与动平台8之间，其中第一，第二支链均包括驱动环节4、刚性移动块7和并联球形柔性铰链组11；其中刚性移动块7四周连接并联球形柔性铰链组11，刚性移动块7左右两侧的并联球形柔性铰链组11与基座1相连，上侧的并联球形柔性铰链组11与动平台8相连，下侧的与驱动环节4相连；所述的三条支链中各驱动环节4一个侧面中部均和球形触头3顶部相接触。
实施例2：如图1-3所示，一种三自由度微定位工作台，包括包括基座1、动平台8、三个压电陶瓷驱动器2和实现运动传递的三条支链；
在基座1的上部安装两个压电陶瓷驱动器2，在基座1的底部安装一个压电陶瓷驱动器2，每个压电陶瓷驱动器2末端均通过锁紧螺栓固定在基座1上，其顶部均通过螺纹连接球形触头3。
所述三条支链分布在基座1与动平台8之间，其中第一，第二支链均包括驱动环节4、刚性移动块7和并联球形柔性铰链组11；其中刚性移动块7四周连接并联球形柔性铰链组11，刚性移动块7左右两侧的并联球形柔性铰链组11与基座1相连，上侧的并联球形柔性铰链组11与动平台8相连，下侧的与驱动环节4相连；所述的三条支链中各驱动环节4一个侧面中部均和球形触头3顶部相接触。
所述三条支链中第三支链包括驱动环节4、刚性移动块7、并联球形柔性铰链组11和弹簧组6；所述刚性移动块7下侧与弹簧组6连接，上侧和右侧与并联球形柔性铰链组11相连，上侧的并联球形柔性铰链组11与动平台8相连，右侧的并联球形柔性铰链组11与驱动环节4相连；弹簧组6与基座1连接。
实施例3：如图1-3所示，一种三自由度微定位工作台，包括包括基座1、动平台8、三个压电陶瓷驱动器2和实现运动传递的三条支链；
在基座1的上部安装两个压电陶瓷驱动器2，在基座1的底部安装一个压电陶瓷驱动器2，每个压电陶瓷驱动器2末端均通过锁紧螺栓固定在基座1上，其顶部均通过螺纹连接球形触头3。
所述三条支链分布在基座1与动平台8之间，其中第一，第二支链均包括驱动环节4、刚性移动块7和并联球形柔性铰链组11；其中刚性移动块7四周连接并联球形柔性铰链组11，刚性移动块7左右两侧的并联球形柔性铰链组11与基座1相连，上侧的并联球形柔性铰链组11与动平台8相连，下侧的与驱动环节4相连；所述的三条支链中各驱动环节4一个侧面中部均和球形触头3顶部相接触。
所述三条支链中第三支链包括驱动环节4、刚性移动块7、并联球形柔性铰链组11和弹簧组6；所述刚性移动块7下侧与弹簧组6连接，上侧和右侧与并联球形柔性铰链组11相连，上侧的并联球形柔性铰链组11与动平台8相连，右侧的并联球形柔性铰链组11与驱动环节4相连；弹簧组6与基座1连接。
所述三组支链的位置在空间中两两相互垂直，第一，第二支链结构形式完全相同；所述的基座1上在正对动平台8运动方向上安装有三个微位移传感器9。
实施例4：如图1-3所示，一种三自由度微定位工作台，包括本发明主要包括基座1、动平台8、三个压电陶瓷驱动器2和实现运动传递的三条支链。所述的动平台8为工作台，上面带有螺纹孔，用于安装需要进行定位的执行件，所述的三条支链的位置在空间中两两相互垂直，第一，第二支链结构形式完全相同用来实现动平台8在XY方向上的运动，第三支链实现动平台8在Z方向上的运动。第一支链由刚性移动块7（三个刚性移动块中的第一支链的刚性移动块）、驱动环节4和并联球形柔性铰链组11组成。刚性移动块7周围四个侧面连接4组并联球形柔性铰链组11，左右侧面的并联球形柔性铰链组11的另一端与基座1相连，主要功能是对动平台8起到支撑作用，上下侧面连接的并联球形柔性铰链组11另一端分别与动平台8和驱动环节4相连，主要功能实现对动平台8运动的传递。驱动动平台8三个方向运动的压电陶瓷驱动器2的末端均通过锁紧螺栓固定在基座1上，顶端通过螺纹连接球形触头3，所述的球形触头3顶部顶在驱动环节4的一个侧面的中部，使压电陶瓷驱动器2与驱动点之间形成小面积的赫兹接触。第三支链中刚性移动块7的上侧面和右侧面连接并联球形柔性铰链组11，上侧面的并联球形柔性铰链组11与动平台8相连，右侧面的与驱动环节4相连，刚性移动块7下侧面连接与弹簧组6的一端连接，弹簧组6另一端与基座1连接，弹簧组6可以起到支撑动平台8的作用。
在正对动平台8运动的三个方向安装三个微位移传感器9用来检测动平台8运动过程中的实时位移，Z方向的微位移传感器9用来检测工作台8在Z方向的位移，通过锁紧螺栓固定在Z形支架10上，Z形支架10用螺栓连接固定在基座1上，XY方向的微位移传感器分别用来检测工作台8在XY方向的位移，通过锁紧螺栓固定在基座1上。
为了提高微定位工作台的控制精度，本工作台还包括一个计算机，所述的计算机用于输出电压信号给三个压电陶瓷驱动器，读取所述的三个微位移传感器输出的位移信号并与计算机中的设定值比较后输出位移补偿电压信号给所述的三个压电陶瓷驱动器。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (3)
1.一种三自由度微定位工作台，其特征在于：包括基座（1）、动平台（8）、三个压电陶瓷驱动器（2）和实现运动传递的三条支链；
在基座（1）的上部安装两个压电陶瓷驱动器（2），在基座（1）的底部安装一个压电陶瓷驱动器（2），每个压电陶瓷驱动器（2）末端均通过锁紧螺栓固定在基座（1）上，其顶部均通过螺纹连接球形触头（3）；
所述三条支链分布在基座（1）与动平台（8）之间，其中第一，第二支链均包括驱动环节（4）、刚性移动块（7）和并联球形柔性铰链组（11）；其中刚性移动块（7）四周连接并联球形柔性铰链组（11），刚性移动块（7）左右两侧的并联球形柔性铰链组（11）与基座（1）相连，上侧的并联球形柔性铰链组（11）与动平台（8）相连，下侧的与驱动环节（4）相连；所述的三条支链中各驱动环节（4）一个侧面中部均和球形触头（3）顶部相接触。
2.根据权利要求1所述的三自由度微定位工作台，其特征在于：所述三条支链中第三支链包括驱动环节（4）、刚性移动块（7）、并联球形柔性铰链组（11）和弹簧组（6）；所述刚性移动块（7）下侧与弹簧组（6）连接，上侧和右侧与并联球形柔性铰链组（11）相连，上侧的并联球形柔性铰链组（11）与动平台（8）相连，右侧的并联球形柔性铰链组（11）与驱动环节（4）相连；弹簧组（6）与基座（1）连接。
3.根据权利要求1所述的三自由度微定位工作台，其特征在于：所述三组支链的位置在空间中两两相互垂直，第一，第二支链结构形式完全相同；所述的基座（1）上在正对动平台（8）运动方向上安装有三个微位移传感器（9）。
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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 | ||
| GR01 | Patent grant |