CN105174210B - 基于对称型双柔顺铰链的三自由度微定位平台 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于对称型双柔顺铰链的三自由度微定位平台，包括定平台、动平台、设置在定平台上的驱动器和用于连接定平台和动平台的三个杠杆放大机构；三个杠杆放大机构均匀布设在动平台的外围，并分别与定平台、动平台和驱动器连接；其中，每个杠杆放大机构包括活动杠杆、双柔顺铰链和设置有双柔顺铰链的导向机构；活动杠杆通过双柔顺铰链分别与定平台和驱动器连接，并通过导向机构与动平台连接；双柔顺铰链为对称型双柔顺铰链。该微定位平台在满足安装空间和固定频率等各种条件的前提下，可提高位移定位精度和获得尽量大的行程；其具有矫正位移输出功能的微定位平台，使得位移尽量呈线性输出，从而减小耦合位移。
Description
技术领域
本发明涉及制造技术领域，更具体地说，涉及一种基于对称型双柔顺铰链的三自由度微定位平台。
背景技术
近年来，随着微/纳制造技术的迅速发展和广泛应用，对微/纳制造装备核心关键技术之一的精密定位技术提出了更高的要求。微定位平台是实现精密定位的工作平台，其一般由微定位机构、驱动器和为控制系统提供位置反馈的位移传感器组成。而柔顺机构是以柔性铰链代替传统机构运动关节，具有无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高和加工简单等优点，在精密定位领域作为传动机构得到了广泛应用。因此，柔顺机构适用于微定位平台中来传递驱动器的运动和力，以提高微定位平台的位移精度。
目前存在的微定位平台中，一般都是基于单个柔顺铰链进行设计的。然而，对于单个柔顺铰链，在施加轴向载荷时，柔顺铰链发生凹陷，无法产生轴向线性位移，这极大的影响了微定位平台的位移定位精度。
同时，微定位平台中的微位移放大机构常采用以单个柔顺铰链连接的杠杆放大机构，通过此机构，能将微定位平台的位移输出实现放大；而通常采用简单的一级杠杆放大机构都存在过约束问题，因此导致每当柔顺铰链发生弹性变形时，微定位平台的位移输出将会出现位移输入与位移输出之间的耦合现象，尤其是放大机构的放大倍数越大，该耦合现象就更加明显。
因此，为了提高微定位平台的位移定位精度和减小耦合位移，有必要对柔性铰链的结构和包括柔性铰链的导向机构进行优化。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种结构简单紧凑的基于对称型双柔顺铰链的三自由度微定位平台，该微定位平台在满足安装空间和固定频率等各种条件的前提下，可提高位移定位精度和获得尽量大的行程。本发明另一目的在于提供一种具有矫正位移输出功能的微定位平台，使得位移尽量呈线性输出，从而减小耦合位移。
为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种基于对称型双柔顺铰链的三自由度微定位平台，其特征在于：包括定平台、动平台、设置在定平台上的驱动器和用于连接定平台和动平台的三个杠杆放大机构；所述三个杠杆放大机构均匀布设在动平台的外围，并分别与定平台、动平台和驱动器连接；
其中，每个杠杆放大机构包括活动杠杆、双柔顺铰链和设置有双柔顺铰链的导向机构；所述活动杠杆通过双柔顺铰链分别与定平台和驱动器连接，并通过导向机构与动平台连接；所述双柔顺铰链为对称型双柔顺铰链。
在上述方案中，本发明采用对称型双柔顺铰链作为移动副代替单柔顺铰链，使微定位平台的柔顺机构得到优化，能有效的对单柔顺铰链进行非对称性补偿，而且极大的减小了因单柔顺铰链的静力变形而导致的微定位平台的精度误差，从而使微定位平台的位移精度得到提高。
同时，本发明采用杠杆放大原理来提高平台的行程，因为杠杆结构简单，刚性好，因此功效较高；而且杠杆放大机构理论上能够使微定位平台的位移输出与位移输入之间保持一种较好的线性关系。所以本发明的微定位平台在满足安装空间和固定频率等各种条件的前提下，可提高位移定位精度和获得尽量大的行程，以实现X-Y-θ平面三自由度的微定位。由于压电陶瓷驱动器具有体积小、分辨率高、响应快和推力大等一系列特点，并广泛应用于微位移输出装置、力发生装置和光学扫描等重要领域，因此，本发明的驱动器采用压电陶瓷驱动器。
所述双柔顺铰链包括双柔顺铰链一和双柔顺铰链二；所述导向机构中的双柔顺铰链为双柔顺铰链三；双柔顺铰链一、双柔顺铰链二和双柔顺铰链三均为对称型双柔顺铰链。
更具体地说，所述活动杠杆通过双柔顺铰链分别与定平台和驱动器连接，并通过导向机构与动平台连接是指：所述活动杠杆的第一侧边与动平台相对并具有间隙一；活动杠杆的第二侧边与定平台相对并具有间隙二；活动杠杆中与第一侧边相对的第三侧边通过双柔顺铰链一与定平台连接；活动杠杆中与第二侧边相对的第四侧边的中部与定平台相对并具有间隙三，第四侧边的两侧分别通过双柔顺铰链二和导向机构与驱动器和动平台连接；其中，间隙一、间隙二和间隙三均相等。
所述双柔顺铰链一由两个相同的单柔顺铰链组成，两个单柔顺铰链背对对称设置。本发明的双柔顺铰链一的形状设计可承受弹性变形，从而可获取一部分运动。
所述双柔顺铰链二和双柔顺铰链三均由两个相同的单柔顺铰链组成，两个单柔顺铰链正对对称设置。本发明的双柔顺铰链二和双柔顺铰链三的形状设计可起到传递位移和运动的作用。
所述单柔顺铰链的横截面呈弧形、圆弧形、半圆形或半椭圆形。
所述导向机构包括柔顺铰链三和连接在柔顺铰链三之间的连杆。
所述活动杠杆通过导向机构与动平台连接是指：导向机构一端的柔顺铰链三与活动杠杆连接，其另一端的柔顺铰链三与动平台连接，实现活动杠杆通过导向机构与动平台连接。本发明的连杆具有矫正位移输出的作用，使得位移尽量呈线性输出，从而减小耦合位移。
所述三个杠杆放大机构呈120°对称分布在动平台的外围。
所述三个杠杆放大机构中的活动杠杆长度方向的轴线共面且交于一点。
本发明的双柔顺铰链与传统的刚性运动副不同，该微定位平台可以由双柔顺铰链二和双柔顺铰链三传递运动，也可以从双柔顺铰链一的弹性变形中获取一部分运动。此平台运动的实现主要是靠双柔顺铰链发生弹性变形，当对微定位平台施加轴向载荷时，这种双柔顺铰链能够进行非对称性补偿，并且能够减小因柔顺铰链的静力变形而导致的微定位平台精度误差。
与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：
1、本发明基于对称型双柔顺铰链的三自由度微定位平台结构简单紧凑，该微定位平台在满足安装空间和固定频率等各种条件的前提下，可提高位移定位精度和获得尽量大的行程。
2、本发明基于对称型双柔顺铰链的三自由度微定位平台具有矫正位移输出功能的微定位平台，使得位移尽量呈线性输出，从而减小耦合位移。
附图说明
图1是本发明基于对称型双柔顺铰链的三自由度微定位平台的模型结构图；
图2是微定位平台的杠杆放大机构结构示意图；
其中，1为定平台、2为杠杆放大机构、3为动平台、4为压电陶瓷驱动器、5为活动杠杆、5.1为第一侧边、5.2为第二侧边、5.3为第三侧边、5.4为第四侧边、6为双柔顺铰链一、7为双柔顺铰链二、8为双柔顺铰链三、9为连杆。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。本发明中两个单柔顺铰链背对对称设置是指：两个单柔顺铰链的开口朝向相反并对称设置。两个单柔顺铰链正对对称设置是指：两个单柔顺铰链的开口朝向相对并对称设置。
实施例一
本实施例以双柔顺铰链一、双柔顺铰链二和双柔顺铰链三中的单柔顺铰链的横截面呈半圆形为例对下面进行说明。
如图1和图2所示，本发明基于对称型双柔顺铰链的三自由度微定位平台包括定平台1、动平台3、设置在定平台1上的压电陶瓷驱动器4和用于连接定平台1和动平台3的三个杠杆放大机构2；三个杠杆放大机构2均匀布设在动平台3的外围，并分别与定平台1、动平台3和压电陶瓷驱动器4连接。
其中，每个杠杆放大机构2包括活动杠杆5、双柔顺铰链和设置有双柔顺铰链的导向机构，活动杠杆5通过双柔顺铰链分别与定平台1和压电陶瓷驱动器4连接，并通过导向机构与动平台3连接，双柔顺铰链为对称型双柔顺铰链。
本发明的双柔顺铰链包括双柔顺铰链一6和双柔顺铰链二7，导向机构中的双柔顺铰链为双柔顺铰链三8，双柔顺铰链一6、双柔顺铰链二7和双柔顺铰链三8均为对称型双柔顺铰链。
更具体地说，活动杠杆5通过双柔顺铰链分别与定平台1和压电陶瓷驱动器4连接，并通过导向机构与动平台3连接是指：活动杠杆5的第一侧边5.1与动平台3相对并具有间隙一，活动杠杆5的第二侧边5.2与定平台1相对并具有间隙二；活动杠杆5中与第一侧边5.1相对的第三侧边5.3通过双柔顺铰链一6与定平台1连接；活动杠杆5中与第二侧边5.2相对的第四侧边5.4的中部与定平台1相对并具有间隙三，第四侧边5.4的两侧分别通过双柔顺铰链二7和导向机构与压电陶瓷驱动器4和动平台3连接。其中，间隙一、间隙二和间隙三均相等。
而双柔顺铰链一6由两个相同的单柔顺铰链组成，两个单柔顺铰链背对对称设置。本发明的双柔顺铰链一6的形状设计可承受弹性变形，从而可获取一部分运动。双柔顺铰链二7和双柔顺铰链三8均由两个相同的单柔顺铰链组成，两个单柔顺铰链正对对称设置。本发明的双柔顺铰链二7和双柔顺铰链三8的形状设计可起到传递位移和运动的作用。
本发明的导向机构包括柔顺铰链三8和连接在柔顺铰链三8之间的连杆9。而导向机构一端的柔顺铰链三8与活动杠杆5的第四侧边5.4连接，其另一端的柔顺铰链三8与动平台3连接，实现活动杠杆5通过导向机构与动平台3连接。本发明的连杆9具有矫正位移输出的作用，使得位移尽量呈线性输出，从而减小耦合位移。
本发明的三个杠杆放大机构2呈120°对称分布在动平台3的外围，其中，三个杠杆放大机构2中的活动杠杆5长度方向的轴线共面且交于一点。
实施例二
本实施例与实施例一不同之处仅在于：双柔顺铰链一、双柔顺铰链二和双柔顺铰链三中的单柔顺铰链的横截面呈弧形、圆弧形、半椭圆形或其它形状。
本实施例其它结构与实施例一一致。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于对称型双柔顺铰链的三自由度微定位平台，其特征在于：包括定平台、动平台、设置在定平台上的驱动器和用于连接定平台和动平台的三个杠杆放大机构；所述三个杠杆放大机构均匀布设在动平台的外围，并分别与定平台、动平台和驱动器连接；
其中，每个杠杆放大机构包括活动杠杆、双柔顺铰链和设置有双柔顺铰链的导向机构；所述活动杠杆通过双柔顺铰链分别与定平台和驱动器连接，并通过导向机构与动平台连接；所述双柔顺铰链为对称型双柔顺铰链；
所述双柔顺铰链包括双柔顺铰链一和双柔顺铰链二；所述导向机构中的双柔顺铰链为双柔顺铰链三；双柔顺铰链一、双柔顺铰链二和双柔顺铰链三均为对称型双柔顺铰链；
所述活动杠杆通过双柔顺铰链分别与定平台和驱动器连接，并通过导向机构与动平台连接是指：所述活动杠杆的第一侧边与动平台相对并具有间隙一；活动杠杆的第二侧边与定平台相对并具有间隙二；活动杠杆中与第一侧边相对的第三侧边通过双柔顺铰链一与定平台连接；活动杠杆中与第二侧边相对的第四侧边的中部与定平台相对并具有间隙三，第四侧边的两侧分别通过双柔顺铰链二和导向机构与驱动器和动平台连接；其中，间隙一、间隙二和间隙三均相等；
所述双柔顺铰链一由两个相同的单柔顺铰链组成，两个单柔顺铰链背对对称设置；所述双柔顺铰链二和双柔顺铰链三均由两个相同的单柔顺铰链组成，两个单柔顺铰链正对对称设置；
所述导向机构包括柔顺铰链三和连接在柔顺铰链三之间的连杆。
2.根据权利要求1所述的基于对称型双柔顺铰链的三自由度微定位平台，其特征在于：所述单柔顺铰链的横截面呈弧形、圆弧形、半圆形或半椭圆形。
3.根据权利要求1所述的基于对称型双柔顺铰链的三自由度微定位平台，其特征在于：所述活动杠杆通过导向机构与动平台连接是指：导向机构一端的柔顺铰链三与活动杠杆连接，其另一端的柔顺铰链三与动平台连接，实现活动杠杆通过导向机构与动平台连接。
4.根据权利要求1所述的基于对称型双柔顺铰链的三自由度微定位平台，其特征在于：所述三个杠杆放大机构呈120°对称分布在动平台的外围。
5.根据权利要求1所述的基于对称型双柔顺铰链的三自由度微定位平台，其特征在于：所述三个杠杆放大机构中的活动杠杆长度方向的轴线共面且交于一点。
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