CN106057250B - 一种二自由度微定位平台 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种二自由度微定位平台，属于微/纳机电系统领域。本发明所述X方向杠杆Ⅳ通过X方向柔性铰链Ⅲ与X方向杠杆Ⅲ相连，X方向杠杆Ⅲ通过X方向柔性铰链Ⅱ与X方向杠杆Ⅱ相连，X方向杠杆Ⅱ通过X方向柔性铰链Ⅰ与运动平台相连，X方向杠杆Ⅲ还通过X方向柔性铰链Ⅳ与X方向杠杆Ⅰ相连；Y方向杠杆Ⅰ通过Y方向柔性铰链Ⅲ与Y方向杠杆Ⅲ相连，Y方向杠杆Ⅲ通过Y方向柔性铰链Ⅳ与Y方向杠杆Ⅱ相连，Y方向杠杆Ⅱ通过Y方向柔性铰链Ⅰ与运动平台相连，Y方向杠杆Ⅲ还通过Y方向柔性铰链Ⅱ与Y方向杠杆Ⅳ相连。本发明结构紧凑，体积小，有效地减少X方向与Y方向运动时的耦合。

Description

一种二自由度微定位平台
技术领域
本发明涉及一种二自由度微定位平台，属于微/纳机电系统领域。
背景技术
微定位平台技术在精密制造、超精测量、微操作等诸多领域有着广泛的应用。目前，随着上述领域的不断发展，对定位精度的要求也越来越高，同时，对行程的要求也由原先的几十微米发展到了一百微米及以上的程度。而传统的大行程微定位平台普遍存在着体积过大、平台不易加工的缺点。对于具有二自由度的平台，一般存在输入输出耦合问题，影响定位精度，设计平台时需要考虑到解耦的问题。
发明内容
本发明提供了一种二自由度微定位平台，以用于解决传统设备体积大的问题，同时减少X方向与Y方向运动时的耦合。
本发明的技术方案是：一种二自由度微定位平台，包括运动平台1、基座2、弧形导向机构Ⅰ3、弧形导向机构Ⅱ4、弧形导向机构Ⅲ5、弧形导向机构Ⅳ6、固定螺栓孔Ⅰ7、固定螺栓孔Ⅱ8、固定螺栓孔Ⅲ9、固定螺栓孔Ⅳ10、杠杆固定螺栓孔Ⅰ11、杠杆固定螺栓孔Ⅱ12、Y方向杠杆Ⅰ13、X方向压电陶瓷驱动器安放矩形槽14、Y方向柔性铰链Ⅰ15、Y方向压电陶瓷驱动器安放矩形槽16、Y方向柔性铰链Ⅱ17、Y方向柔性铰链Ⅲ18、X方向柔性铰链Ⅰ19、X方向柔性铰链Ⅱ20、X方向柔性铰链Ⅲ21、X方向杠杆Ⅰ22、Y方向杠杆Ⅱ23、Y方向杠杆Ⅲ24、Y方向杠杆Ⅳ25、X方向杠杆Ⅱ26、X方向杠杆Ⅲ27、X方向杠杆Ⅳ28、Y方向柔性铰链Ⅳ29、X方向柔性铰链Ⅳ30；
所述运动平台1通过弧形导向机构Ⅰ3、弧形导向机构Ⅱ4、弧形导向机构Ⅲ5、弧形导向机构Ⅳ6与基座2相连；固定螺栓孔Ⅰ7、固定螺栓孔Ⅱ8、固定螺栓孔Ⅲ9、固定螺栓孔Ⅳ10分别位于基座2的四个角上，起固定基座2的作用；X方向压电陶瓷驱动器安放矩形槽14、Y方向压电陶瓷驱动器安放矩形槽16位于基座2上，Y方向压电陶瓷驱动器放于Y方向压电陶瓷驱动器安放矩形槽16内并通过预紧螺母使压电陶瓷一端紧靠在Y方向杠杆Ⅰ13上，X方向的压电陶瓷驱动器放于X方向压电陶瓷驱动器安放矩形槽14内并通过预紧螺母使压电陶瓷一端紧靠在X方向杠杆Ⅳ28上；
所述X方向杠杆Ⅳ28通过X方向柔性铰链Ⅲ21与X方向杠杆Ⅲ27相连，同时，X方向杠杆Ⅲ27通过X方向柔性铰链Ⅱ20与X方向杠杆Ⅱ26相连，X方向杠杆Ⅱ26通过X方向柔性铰链Ⅰ19与运动平台1相连，X方向杠杆Ⅲ27还通过X方向柔性铰链Ⅳ30与X方向杠杆Ⅰ22相连，杠杆固定螺栓孔Ⅱ12在X方向杠杆Ⅰ22上起固定X方向杠杆Ⅰ22的作用；
所述Y方向杠杆Ⅰ13通过Y方向柔性铰链Ⅲ18与Y方向杠杆Ⅲ24相连，同时，Y方向杠杆Ⅲ24通过Y方向柔性铰链Ⅳ29与Y方向杠杆Ⅱ23相连，Y方向杠杆Ⅱ23通过Y方向柔性铰链Ⅰ15与运动平台1相连，Y方向杠杆Ⅲ24还通过Y方向柔性铰链Ⅱ17与Y方向杠杆Ⅳ25相连，杠杆固定螺栓孔Ⅰ11在Y方向杠杆Ⅳ25上起固定Y方向杠杆Ⅳ25的作用。
所述Y方向柔性铰链Ⅰ15、Y方向柔性铰链Ⅱ17、Y方向柔性铰链Ⅲ18、X方向柔性铰链Ⅰ19、X方向柔性铰链Ⅱ20、X方向柔性铰链Ⅲ21、Y方向柔性铰链Ⅳ29、X方向柔性铰链Ⅳ30均为圆弧状柔性铰链。
所述X方向杠杆Ⅰ22、X方向杠杆Ⅱ26、X方向杠杆Ⅲ27、X方向杠杆Ⅳ28构成X方向复合杠杆机构，Y方向杠杆Ⅰ13、Y方向杠杆Ⅱ23、Y方向杠杆Ⅲ24、Y方向杠杆Ⅳ25构成Y方向复合杠杆机构；
本发明的工作原理是：
当运动平台发生X方向的移动时，X方向的压电陶瓷驱动器在X方向压电陶瓷驱动器安放矩形槽14内发生逆压电效应持续伸长，靠紧X方向复合杠杆机构的一端推着X方向杠杆Ⅳ28向X方向运动。同时，X方向杠杆Ⅳ28又将力传递给X方向柔性铰链Ⅲ21，X方向柔性铰链Ⅲ21的变形使得力传递给X方向杠杆Ⅲ27，X方向杠杆Ⅲ27由杠杆原理将力转递给了X方向柔性铰链Ⅱ20，最后X方向柔性铰链Ⅱ20又将力通过X方向杠杆Ⅱ26传递给了X方向柔性铰链Ⅰ19，同时，X方向柔性铰链Ⅰ19将力输出给了运动平台1，使运动平台1产生了X向的位移，实现了整一个运动过程，此时，弧形导向机构Ⅰ3、弧形导向机构Ⅱ4发生挤压变形，弧形导向机构Ⅲ5、弧形导向机构Ⅳ6发生拉伸变形。当运动平台发生Y方向的移动时，Y方向的压电陶瓷驱动器在Y方向压电陶瓷驱动器安放矩形槽16内发生逆压电效应持续伸长，靠紧Y方向复合放大杠杆机构的一端推着Y方向杠杆Ⅰ13向Y方向运动。同时，Y方向杠杆Ⅰ13又将力传递给Y方向柔性铰链Ⅲ18，Y方向柔性铰链Ⅲ18发生变形从而将力传递给了Y方向杠杆Ⅲ24，Y方向杠杆Ⅲ24由杠杆原理将力传递给了Y方向柔性铰链Ⅳ29，最后Y方向柔性铰链Ⅳ29将力通过Y方向杠杆Ⅱ23传递给Y方向柔性铰链Ⅰ15，并作用于运动平台1，使其产生了Y方向的运动。此时，弧形导向机构Ⅰ3、弧形导向机构Ⅳ6产生挤压变形，弧形导向机构Ⅱ4、弧形导向机构Ⅲ5产生拉伸变形。弧形导向机构Ⅰ3、弧形导向机构Ⅱ4、弧形导向机构Ⅲ5、弧形导向机构Ⅳ6的存在使得平台在沿运动方向上有很好的刚性，在垂直于运动方向上又有很好的柔性，从而大大减少了X与Y方向的运动耦合。
针对图3，以Y方向复合杠杆机构作为说明，固定端为图1中Y方向杠杆Ⅳ25与Y方向柔性铰链Ⅱ17组成，F1为压电陶瓷驱动器的输出力，作用的位置为图1中的Y方向柔性铰链Ⅲ18，F2为复合杠杆机构的输出力，输出的位置由图1中Y方向柔性铰链Ⅰ15、Y方向柔性铰链Ⅳ29与Y方向杠杆Ⅱ23共同组成（X方向同理）。
本发明的有益效果是：由于使用了特殊结构的复合杠杆机构（即对称式放大杠杆机构），使得平台输出的力稳定均匀，微定位平台的结构紧凑，体积小，同时能实现较大的行程与较高的定位精度。弧形导向机构的使用，有效减少X方向与Y方向运动时的耦合。压电陶瓷驱动器和圆弧状柔性铰链的使用，保证了平台运动传递的无间隙、无摩擦、高精度和快速响应，同时使的平台无需润滑，大大提高了平台的工作寿命，降低了操作难度。
附图说明
图1是本发明的结构原理示意图；
图2是本发明的三维结构示意图；
图3是本发明复合杠杆机构的原理图；
图中各标号为：1-运动平台，2-基座，34弧形导向机构Ⅰ、4-弧形导向机构Ⅱ、5-弧形导向机构Ⅲ、6-弧形导向机构Ⅳ、7-固定螺栓孔Ⅰ、8-固定螺栓孔Ⅱ、9-固定螺栓孔Ⅲ、10-固定螺栓孔Ⅳ、11-杠杆固定螺栓孔Ⅰ、12-杠杆固定螺栓孔Ⅱ、13-Y方向杠杆Ⅰ、14-X方向压电陶瓷驱动器安放矩形槽、15-Y方向柔性铰链Ⅰ、16-Y方向压电陶瓷驱动器安放矩形槽、17-Y方向柔性铰链Ⅱ、18-Y方向柔性铰链Ⅲ、19-X方向柔性铰链Ⅰ、20-X方向柔性铰链Ⅱ、21-X方向柔性铰链Ⅲ、22-X方向杠杆Ⅰ、23-Y方向杠杆Ⅱ、24-Y方向杠杆Ⅲ、25-Y方向杠杆Ⅳ、26-X方向杠杆Ⅱ、27-X方向杠杆Ⅲ、28-X方向杠杆Ⅳ、29-Y方向柔性铰链Ⅳ、30-X方向柔性铰链Ⅳ；
F1为压电陶瓷驱动器输入的力，F2为输出的力。
具体实施方式
实施例1：如图1-3所示，一种二自由度微定位平台，包括运动平台1、基座2、弧形导向机构Ⅰ3、弧形导向机构Ⅱ4、弧形导向机构Ⅲ5、弧形导向机构Ⅳ6、固定螺栓孔Ⅰ7、固定螺栓孔Ⅱ8、固定螺栓孔Ⅲ9、固定螺栓孔Ⅳ10、杠杆固定螺栓孔Ⅰ11、杠杆固定螺栓孔Ⅱ12、Y方向杠杆Ⅰ13、X方向压电陶瓷驱动器安放矩形槽14、Y方向柔性铰链Ⅰ15、Y方向压电陶瓷驱动器安放矩形槽16、Y方向柔性铰链Ⅱ17、Y方向柔性铰链Ⅲ18、X方向柔性铰链Ⅰ19、X方向柔性铰链Ⅱ20、X方向柔性铰链Ⅲ21、X方向杠杆Ⅰ22、Y方向杠杆Ⅱ23、Y方向杠杆Ⅲ24、Y方向杠杆Ⅳ25、X方向杠杆Ⅱ26、X方向杠杆Ⅲ27、X方向杠杆Ⅳ28、Y方向柔性铰链Ⅳ29、X方向柔性铰链Ⅳ30；
所述运动平台1通过弧形导向机构Ⅰ3、弧形导向机构Ⅱ4、弧形导向机构Ⅲ5、弧形导向机构Ⅳ6与基座2相连；固定螺栓孔Ⅰ7、固定螺栓孔Ⅱ8、固定螺栓孔Ⅲ9、固定螺栓孔Ⅳ10分别位于基座2的四个角上，起固定基座2的作用；X方向压电陶瓷驱动器安放矩形槽14、Y方向压电陶瓷驱动器安放矩形槽16位于基座2上，Y方向压电陶瓷驱动器放于Y方向压电陶瓷驱动器安放矩形槽16内并通过预紧螺母使压电陶瓷一端紧靠在Y方向杠杆Ⅰ13上，X方向的压电陶瓷驱动器放于X方向压电陶瓷驱动器安放矩形槽14内并通过预紧螺母使压电陶瓷一端紧靠在X方向杠杆Ⅳ28上；
所述X方向杠杆Ⅳ28通过X方向柔性铰链Ⅲ21与X方向杠杆Ⅲ27相连，同时，X方向杠杆Ⅲ27通过X方向柔性铰链Ⅱ20与X方向杠杆Ⅱ26相连，X方向杠杆Ⅱ26通过X方向柔性铰链Ⅰ19与运动平台1相连，X方向杠杆Ⅲ27还通过X方向柔性铰链Ⅳ30与X方向杠杆Ⅰ22相连，杠杆固定螺栓孔Ⅱ12在X方向杠杆Ⅰ22上起固定X方向杠杆Ⅰ22的作用；
所述Y方向杠杆Ⅰ13通过Y方向柔性铰链Ⅲ18与Y方向杠杆Ⅲ24相连，同时，Y方向杠杆Ⅲ24通过Y方向柔性铰链Ⅳ29与Y方向杠杆Ⅱ23相连，Y方向杠杆Ⅱ23通过Y方向柔性铰链Ⅰ15与运动平台1相连，Y方向杠杆Ⅲ24还通过Y方向柔性铰链Ⅱ17与Y方向杠杆Ⅳ25相连，杠杆固定螺栓孔Ⅰ11在Y方向杠杆Ⅳ25上起固定Y方向杠杆Ⅳ25的作用。
所述Y方向柔性铰链Ⅰ15、Y方向柔性铰链Ⅱ17、Y方向柔性铰链Ⅲ18、X方向柔性铰链Ⅰ19、X方向柔性铰链Ⅱ20、X方向柔性铰链Ⅲ21、Y方向柔性铰链Ⅳ29、X方向柔性铰链Ⅳ30均为圆弧状柔性铰链。
实施例2：如图1-3所示，一种二自由度微定位平台，包括运动平台1、基座2、弧形导向机构Ⅰ3、弧形导向机构Ⅱ4、弧形导向机构Ⅲ5、弧形导向机构Ⅳ6、固定螺栓孔Ⅰ7、固定螺栓孔Ⅱ8、固定螺栓孔Ⅲ9、固定螺栓孔Ⅳ10、杠杆固定螺栓孔Ⅰ11、杠杆固定螺栓孔Ⅱ12、Y方向杠杆Ⅰ13、X方向压电陶瓷驱动器安放矩形槽14、Y方向柔性铰链Ⅰ15、Y方向压电陶瓷驱动器安放矩形槽16、Y方向柔性铰链Ⅱ17、Y方向柔性铰链Ⅲ18、X方向柔性铰链Ⅰ19、X方向柔性铰链Ⅱ20、X方向柔性铰链Ⅲ21、X方向杠杆Ⅰ22、Y方向杠杆Ⅱ23、Y方向杠杆Ⅲ24、Y方向杠杆Ⅳ25、X方向杠杆Ⅱ26、X方向杠杆Ⅲ27、X方向杠杆Ⅳ28、Y方向柔性铰链Ⅳ29、X方向柔性铰链Ⅳ30；
所述运动平台1通过弧形导向机构Ⅰ3、弧形导向机构Ⅱ4、弧形导向机构Ⅲ5、弧形导向机构Ⅳ6与基座2相连；固定螺栓孔Ⅰ7、固定螺栓孔Ⅱ8、固定螺栓孔Ⅲ9、固定螺栓孔Ⅳ10分别位于基座2的四个角上，起固定基座2的作用；X方向压电陶瓷驱动器安放矩形槽14、Y方向压电陶瓷驱动器安放矩形槽16位于基座2上，Y方向压电陶瓷驱动器放于Y方向压电陶瓷驱动器安放矩形槽16内并通过预紧螺母使压电陶瓷一端紧靠在Y方向杠杆Ⅰ13上，X方向的压电陶瓷驱动器放于X方向压电陶瓷驱动器安放矩形槽14内并通过预紧螺母使压电陶瓷一端紧靠在X方向杠杆Ⅳ28上；
所述X方向杠杆Ⅳ28通过X方向柔性铰链Ⅲ21与X方向杠杆Ⅲ27相连，同时，X方向杠杆Ⅲ27通过X方向柔性铰链Ⅱ20与X方向杠杆Ⅱ26相连，X方向杠杆Ⅱ26通过X方向柔性铰链Ⅰ19与运动平台1相连，X方向杠杆Ⅲ27还通过X方向柔性铰链Ⅳ30与X方向杠杆Ⅰ22相连，杠杆固定螺栓孔Ⅱ12在X方向杠杆Ⅰ22上起固定X方向杠杆Ⅰ22的作用；
所述Y方向杠杆Ⅰ13通过Y方向柔性铰链Ⅲ18与Y方向杠杆Ⅲ24相连，同时，Y方向杠杆Ⅲ24通过Y方向柔性铰链Ⅳ29与Y方向杠杆Ⅱ23相连，Y方向杠杆Ⅱ23通过Y方向柔性铰链Ⅰ15与运动平台1相连，Y方向杠杆Ⅲ24还通过Y方向柔性铰链Ⅱ17与Y方向杠杆Ⅳ25相连，杠杆固定螺栓孔Ⅰ11在Y方向杠杆Ⅳ25上起固定Y方向杠杆Ⅳ25的作用。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，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 (2)

1.一种二自由度微定位平台，其特征在于：包括运动平台（1）、基座（2）、弧形导向机构Ⅰ（3）、弧形导向机构Ⅱ（4）、弧形导向机构Ⅲ（5）、弧形导向机构Ⅳ（6）、固定螺栓孔Ⅰ（7）、固定螺栓孔Ⅱ（8）、固定螺栓孔Ⅲ（9）、固定螺栓孔Ⅳ（10）、杠杆固定螺栓孔Ⅰ（11）、杠杆固定螺栓孔Ⅱ（12）、Y方向杠杆Ⅰ（13）、X方向压电陶瓷驱动器安放矩形槽（14）、Y方向柔性铰链Ⅰ（15）、Y方向压电陶瓷驱动器安放矩形槽（16）、Y方向柔性铰链Ⅱ（17）、Y方向柔性铰链Ⅲ（18）、X方向柔性铰链Ⅰ（19）、X方向柔性铰链Ⅱ（20）、X方向柔性铰链Ⅲ（21）、X方向杠杆Ⅰ（22）、Y方向杠杆Ⅱ（23）、Y方向杠杆Ⅲ（24）、Y方向杠杆Ⅳ（25）、X方向杠杆Ⅱ（26）、X方向杠杆Ⅲ（27）、X方向杠杆Ⅳ（28）、Y方向柔性铰链Ⅳ（29）、X方向柔性铰链Ⅳ（30）；
所述运动平台（1）通过弧形导向机构Ⅰ（3）、弧形导向机构Ⅱ（4）、弧形导向机构Ⅲ（5）、弧形导向机构Ⅳ（6）与基座（2）相连；固定螺栓孔Ⅰ（7）、固定螺栓孔Ⅱ（8）、固定螺栓孔Ⅲ（9）、固定螺栓孔Ⅳ（10）分别位于基座（2）的四个角上，起固定基座（2）的作用；X方向压电陶瓷驱动器安放矩形槽（14）、Y方向压电陶瓷驱动器安放矩形槽（16）位于基座（2）上，Y方向压电陶瓷驱动器放于Y方向压电陶瓷驱动器安放矩形槽（16）内并通过预紧螺母使压电陶瓷一端紧靠在Y方向杠杆Ⅰ（13）上，X方向的压电陶瓷驱动器放于X方向压电陶瓷驱动器安放矩形槽（14）内并通过预紧螺母使压电陶瓷一端紧靠在X方向杠杆Ⅳ（28）上；
所述X方向杠杆Ⅳ（28）通过X方向柔性铰链Ⅲ（21）与X方向杠杆Ⅲ（27）相连，同时，X方向杠杆Ⅲ（27）通过X方向柔性铰链Ⅱ（20）与X方向杠杆Ⅱ（26）相连，X方向杠杆Ⅱ（26）通过X方向柔性铰链Ⅰ（19）与运动平台（1）相连，X方向杠杆Ⅲ（27）还通过X方向柔性铰链Ⅳ（30）与X方向杠杆Ⅰ（22）相连，杠杆固定螺栓孔Ⅱ（12）在X方向杠杆Ⅰ（22）上起固定X方向杠杆Ⅰ（22）的作用；
所述Y方向杠杆Ⅰ（13）通过Y方向柔性铰链Ⅲ（18）与Y方向杠杆Ⅲ（24）相连，同时，Y方向杠杆Ⅲ（24）通过Y方向柔性铰链Ⅳ（29）与Y方向杠杆Ⅱ（23）相连，Y方向杠杆Ⅱ（23）通过Y方向柔性铰链Ⅰ（15）与运动平台（1）相连，Y方向杠杆Ⅲ（24）还通过Y方向柔性铰链Ⅱ（17）与Y方向杠杆Ⅳ（25）相连，杠杆固定螺栓孔Ⅰ（11）在Y方向杠杆Ⅳ（25）上起固定Y方向杠杆Ⅳ（25）的作用。
2.根据权利要求1所述的二自由度微定位平台，其特征在于：所述Y方向柔性铰链Ⅰ（15）、Y方向柔性铰链Ⅱ（17）、Y方向柔性铰链Ⅲ（18）、X方向柔性铰链Ⅰ（19）、X方向柔性铰链Ⅱ（20）、X方向柔性铰链Ⅲ（21）、Y方向柔性铰链Ⅳ（29）、X方向柔性铰链Ⅳ（30）均为圆弧状柔性铰链。
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