CN106113028B - 一种多驱动三自由度的板簧型微纳操作平台及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多驱动三自由度的板簧型微纳操作平台及方法，该平台包括用于放置移动对象的移动平台，在移动平台的四个角或者四条边的延长边上各设置有驱动机构，驱动机构以四边形四个角的位置设置，其中一个驱动机构与另一个驱动机构配合带动移动平台实现在X轴或者Y轴的移动以及绕Z轴的转动，驱动机构包括与移动平台连接的导向板簧，导向板簧与驱动动力源连接，在导向板簧的两侧各设有至少一个辅助板簧。本发明的有益效果是：本发明采用四个板簧单元圆周排布，可以实现移动平台绕Z轴的旋转自由度，拓宽了微纳操作平台的使用范围；同时采用过驱动的设计方式，可以有效克服因为加工误差造成的结构形状误差引起的传动误差。

Description

一种多驱动三自由度的板簧型微纳操作平台及方法
技术领域
本发明涉及微纳操作装置，尤其涉及一种多驱动三自由度的板簧型微纳操作平台及方法。
背景技术
随着近年来超精密机械制造、微型机器人操作、精密光学测量仪器及生物医学微观操作等领域的发展，具有亚微米甚至纳米级分辨力，毫米级乃至厘米级的大跨度多自由度微纳操作平台的设计日益成为限制上述等领域发展的关键技术。20世纪80年代，A.Midha和L.L.Howell提出了柔顺机构的概念，极大的促进了微纳操作平台设计方法的发展，打开了全新的设计理念。
文献Design of a Large Range XY Nanopositioning System提出了一种基于柔性板簧单元的二自由度微纳操作平台，可以实现XY两个方向的直线自由度；类似的，文献Design and Development of a Compact Flexure-based XY Precision PositioningSystem with Centimeter Range根据分层设计法，设计了一种双层微纳操作平台，借助分层结构实现XY方向位移的解耦。
现有技术中有提出微纳传动平台，平台借助空间铰链的结构实现XYZ三个轴向的直线自由度以及XY方向的旋转自由度，此专利中的空间铰链结构复杂，且无法实现Z轴的旋转自由度，而该自由度在微纳操作中具有非常重要的应用，同时由于借助柔性铰链结构，难以实现大跨度行程。
也有四维正交结构微纳操作台，该平台借助压电陶瓷驱动器实现了XYZ方向的直线自由度以及Y轴方向旋转自由度，该设计分辨率高结构简单，但是行程小，同时无法实现Z轴向的旋转自由度。
针对目前微纳操作平台的需求和研究现状，设计了一种多驱动三自由度的板簧型微纳操作平台，以满足大行程、多自由度及优良的解耦特性的需要。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种结构简单，可实现三自由度的板簧型微纳操作平台，以满足大行程、多自由度及优良的解耦特性的需要。
为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多驱动三自由度的板簧型微纳操作平台，包括用于放置移动对象的移动平台，在移动平台的四个角或者四条边的延长边上各设置有驱动机构，驱动机构以四边形四个角的位置设置，其中一个驱动机构与另一个驱动机构配合带动移动平台实现在X轴或者Y轴的移动以及绕Z轴的转动，
驱动机构包括与移动平台连接的导向板簧，导向板簧与驱动动力源连接，在导向板簧的两侧各设有至少一个辅助板簧，辅助板簧的设置可有效避免驱动动力源驱动导向板簧位置跑偏，提高了位移精度，解耦效果好。
其中，导向板簧与辅助板簧均包括多个间隔设定距离设置的薄板块。
进一步地，为了整体结构的紧凑，所述的移动平台和所述的驱动机构共同设于一固定平台上。
进一步地，在所述的固定平台上设有用于固定导向板簧的一侧设有开口的C型块；
当所述的驱动机构中导向板簧两侧各设有两个辅助板簧时，在固定平台上设有用于固定两个辅助板簧的E型块，E型块的两开口用于设置辅助板簧。
进一步地，所述导向板簧、所述辅助板簧、所述的移动平台及所述的固定平台为一体结构，通过线切割方法制造，整体的材料最好是铝合金材料，便于进行线切割。
进一步地，所述驱动动力源为音圈直线电机，在固定平台的C型块的一侧设置一个U型槽，通过该U型槽用于设置音圈直线电机。
所述固定平台外围圈每边设有用于容纳横向螺钉的两个水平向阶梯孔，所述两个阶梯孔对称中心与对应C形块中部两个U形槽的对称中心存在重合公差要求。
进一步地，所述的固定平台设置于一气浮平台上，在所述固定平台的底部设有垫块以使所述的固定平台与气浮平台间隔设定的距离设置，垫块可以是方形或者其他形状。
所述固定平台外围圈每边设有一个容纳竖直螺钉的竖直向阶梯孔，所述竖直螺钉穿过平台与方形垫块与气浮平台螺纹孔配合，方形垫块上下向中心位置设有容纳竖直螺钉的光孔，所述光孔孔径大于竖直螺钉公称直径，方形垫块厚度大于驱动装置底部漏出部分的公称厚度。
进一步地，所述的导向板簧与C型块固连，所述的辅助板簧与E型块固连，所述的导向板簧与所述的移动平台固连。
进一步地，所述导向板簧两侧的四个辅助板簧对称设置，一侧的两个辅助板簧串联设置或者并联设置以与导向板簧连接，具体选择并联或者串联，可以根据对辅助板簧需要达到的刚度进行选择，若要求刚度小，则选择串联，若要求刚度大，则选择并联。
进一步地，为了保证解耦特性，提高微纳操作的精度，所述导向板簧与所述的辅助板簧设置方向垂直，由于板簧本身具有的轴向刚度远大于横向刚度的特性，因此，本设计可以借助辅助板簧轴向刚度大的特点保证导向刚度的输出位移的直线性，有效克服其他方向力的影响，造成导向板簧的偏转，并最终造成音圈电机动子的偏转影响音圈电机的输出力的稳定性，这样的设置可以有效的提高固定平台输出力的导向特性，改善固定平台的解耦特性。
所述的一种多驱动三自由度的板簧型微纳操作平台的使用方法：
移动平台实现X轴或者Y轴的移动通过至少一个所述的驱动机构动作，当通过两个驱动机构动作时，两个驱动机构对角设置且与另两个驱动机构垂直设置；当通过两个对角设置的驱动机构动作带动移动平台动作时，一个驱动动力源推动移动平台，另一个驱动动力源直线拉动移动平台，有效提高平台的操作行程。
移动平台实现绕Z轴的转动通过至少两个所述的驱动机构动作，如通过对角设置的两个驱动机构，一驱动动力源推动移动平台的行程大于另一个驱动动力源拉动移动平台的行程，则固定平台实现绕Z轴的旋转。
本发明的有益效果是：
1)由于本发明采用了上述技术方案，将柔性的辅助板簧对称布置可以有效的提高平台输出力的导向特性，改善固定平台的解耦特性。
2)本发明采用四个板簧单元圆周排布，可以实现移动平台绕Z轴的旋转自由度，该自由度是目前微纳操作中起到非常重要作用，通过其可以实现在微纳操作过程中对象角度的调整的需求，拓宽了微纳操作平台的使用范围。
3)同时采用过驱动的设计方式，可以有效克服因为加工误差造成的结构形状误差引起的传动误差。
附图说明
图1为本发明的立体结构图。
图2为本发明的俯视图。
图3为本发明的仰视图。
图4为本发明的侧视结构图。
图5为本发明的原理图。
图6为本发明的剖视图。
图7为本发明的板簧并联结构图。
图中：1-平台、2-第一音圈电机、3-第一板簧、4-第二板簧、5-第三板簧、6-第四板簧、7-第一导向板簧、8-第二音圈电机、9-第五板簧、10-第六板簧、11-第七板簧、12-第八板簧、13-第二导向板簧、14-第三音圈电机、15-第九板簧、16-第十板簧、17-第十一板簧、18-第十二板簧、19-第三导向板簧、20-第四音圈电机、21-第十三板簧、22-第十四板簧、23-第十五板簧、24-第十六板簧、25-第四导向板簧、26-移动平台、27-横向螺钉、28-气浮平台、29-竖直螺钉、30-方形垫块、31-连接块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
实施例1：
如图1、图2所示，一种多驱动三自由度的板簧型微纳操作平台，本实施例中采用四驱动的方式，该平台结构包括：固定平台1，固定平台1为一体式材料线切割加工而成，固定平台1四周圆周均匀分布有四部分结构相同的驱动机构，固定平台1中心位置设有移动平台26，第一驱动机构中除去驱动动力源的部分为第一板簧单元，第一板簧单元由第一板簧(辅助板簧)3、第二板簧(辅助板簧)4、第三板簧(辅助板簧)5、第四板簧(辅助板簧)6和第一导向板簧7组成，所述第一板簧3、第二板簧4、第三板簧5、第四板簧6和第一导向板簧7结构为四条板簧平行布置结构，内层两条板簧一端与一连接块31连接，该连接块31与外层两条板簧一端连接，连接块31设于C型块或E型块中，起到连接板簧的多个薄板块为一体结构的作用，所述第一板簧3与第三板簧5内层的两条板簧未与连接块31固定的一端与固定平台1外围圈固连，第一板簧3与第三板簧5同第二板簧4和第四板簧6为对称布置，第一板簧3与第三板簧5外层的两条板簧未与连接块31固定的一端与E形块固连，同样地，所述E形块与第二板簧4和第四板簧6外层的两条板簧未与另一连接块连接的一端固连，第二板簧4和第四板簧6内层的两条板簧与连接块固定的一端与C形块固连，所述C形块两末端与第一导向板簧7外层的两条板簧未与连接块固定一端固连，第一导向板簧7内层的两条板簧未与连接块固定的一端与移动平台26固连；相近地，第二驱动单元中的第二板簧单元由第五板簧9、第六板簧10、第七板簧11、第八板簧12和第二导向板簧13组成，第三板簧单元由第九板簧15、第十板簧16、第十一板簧17、第十二板簧18和第三导向板簧19组成，第四板簧单元由第十三板簧21、第十四板簧22、第十五板簧23、第十六板簧24和第四导向板簧25组成，第一板簧单元、第二板簧单元、第三板簧单元和第四板簧单元以移动平台26几何中心为圆周对称中心均匀圆周分布；驱动动力源包括第一音圈电机2、第二音圈电机8、第三音圈电机14、第四音圈电机20，所述第一音圈电机2的动子通过螺钉与第一板簧单元中的C形块中部连接，第一音圈电机2的输出力方向与第一导向板簧7长度方向重合，第一音圈电机2定子通过横向螺钉27固定在固定平台1外围圈上，所述第二音圈电机8、第三音圈电机14、第四音圈电机20的装配方式相同；所述第一板簧单元、第二板簧单元、第三板簧单元和第四板簧单元中C形块中部设有容纳装配第一音圈电机2、第二音圈电机8、第三音圈电机14、第四音圈电机20动子的螺钉的U形槽，所述U形槽朝向固定平台1底面；所述固定平台1外围圈每边设有容纳横向螺钉27的两个水平向阶梯孔，所述两个阶梯孔对称中心与对应C形块中部两个U形槽的对称中心存在重合公差要求。
所述固定平台1外围圈每边设有一个容纳竖直螺钉29的竖直向阶梯孔，所述竖直螺钉29穿过平台与方形垫块30与气浮平台28螺纹孔配合；方形垫块30为方形体结构，方形垫块30上下向中心位置设有容纳竖直螺钉29的光孔，所述光孔孔径大于竖直螺钉29公称直径，所述方形垫块30厚度大于驱动装置底部漏出部分的公称厚度；所述第一板簧单元、第二板簧单元、第三板簧单元和第四板簧单元中C形块中部部分靠近固定平台1外围一侧的竖直侧面同与其相对的固定平台1外围内侧竖直侧面存在相对固定平台1底部平面的垂直度公差。
如图3、图4所示，固定平台1底座设有四个方形垫块30，竖直螺钉29依次穿过固定平台1和方形垫块30与气浮平台28上的螺纹孔实现配合，所述方形垫块30可以避免第一音圈电机2、第二音圈电机8、第三音圈电机14、第四音圈电机20与气浮平台28发生干涉，同时结构简单，装配方便，制作成本低，在装配过程中，首先将螺钉分别旋入第一音圈电机2、第二音圈电机8、第三音圈电机14、第四音圈电机20的动子上对应的螺纹孔内，然后由下向上装入固定平台1中第一板簧单元、第二板簧单元、第三板簧单元和第四板簧单元中C形块中部的U形槽内，装至槽底后，借助内六方扳手旋紧螺钉，然后分别调整第一音圈电机2、第二音圈电机8、第三音圈电机14、第四音圈电机20定子的角度，从固定平台1外围圈每边设有的容纳横向螺钉27的两个水平向阶梯孔内插入横向螺钉27借助内六方扳手旋紧实现定子的固定。
如图5所示，其中实线表示刚性连杆，虚线表示柔性板簧，实际结构如图6所示，该结构将柔性辅助板簧串联且对称布置于驱动动力源的输出端，可以有效的提高平台输出力的导向特性，改善平台的解耦特性，本发明采用四个板簧单元圆周排布，可以实现移动平台26绕Z轴的旋转自由度，该自由度是目前微纳操作中起到非常重要作用，同时采用过驱动的设计方式，可以有效克服因为加工误差造成的结构形状误差引起的传动误差。
实施例2：
如图7所示，将柔性辅助板簧并联且对称布置于驱动动力源的输出端，该结构设计可以有效提高刚度，改善整个微纳平台的带宽，适合于高带宽小行程的场合。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种多驱动三自由度的板簧型微纳操作平台，其特征在于，包括用于放置移动对象的移动平台，在移动平台的四个角或者四条边的延长边上各设置有驱动机构，驱动机构以四边形四个角的位置设置，其中一个驱动机构与另一个驱动机构配合带动移动平台实现在X轴或者Y轴的移动以及绕Z轴的转动；
驱动机构包括与移动平台连接的导向板簧，导向板簧与驱动动力源连接，在导向板簧的两侧各设有两个辅助板簧；
所述的移动平台和所述的驱动机构共同设于一固定平台上；
在所述的固定平台上设有用于固定导向板簧的一侧设有开口的C型块；
在所述的固定平台上还设有用于固定两个辅助板簧的E型块。
2.如权利要求1所述的一种多驱动三自由度的板簧型微纳操作平台，其特征在于，所述导向板簧、所述辅助板簧、所述的移动平台及所述的固定平台为一体结构，通过线切割方法制造。
3.如权利要求1所述的一种多驱动三自由度的板簧型微纳操作平台，其特征在于，所述驱动动力源为音圈直线电机。
4.如权利要求1所述的一种多驱动三自由度的板簧型微纳操作平台，其特征在于，所述的导向板簧与C型块固连，所述的辅助板簧与E型块固连，所述的导向板簧与所述的移动平台固连。
5.如权利要求4所述的一种多驱动三自由度的板簧型微纳操作平台，其特征在于，所述导向板簧两侧的四个辅助板簧对称设置，一侧的两个辅助板簧串联设置或者并联设置以与导向板簧连接。
6.如权利要求1所述的一种多驱动三自由度的板簧型微纳操作平台，其特征在于，所述的固定平台设置于一气浮平台上，在所述固定平台的底部设有垫块以使所述的固定平台与气浮平台间隔设定的距离设置。
7.如权利要求1所述的一种多驱动三自由度的板簧型微纳操作平台，其特征在于，所述导向板簧与所述的辅助板簧设置方向垂直。
8.如权利要求1-7中任一项所述的一种多驱动三自由度的板簧型微纳操作平台的使用方法，其特征在于，移动平台实现X 轴或者Y 轴的移动通过至少一个所述的驱动机构动作，当通过两个驱动机构动作时，两个驱动机构对角设置且与另两个驱动机构垂直设置；移动平台实现绕Z 轴的转动通过至少两个所述的驱动机构动作。
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