CN106981316A - 一种具有三级放大机构的微位移定位平台 - Google Patents

一种具有三级放大机构的微位移定位平台 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有三级放大机构的微位移定位平台，包括固定机架、位移输入平台、运动输入机构、两组第一级杠杆机构、两组第二级杠杆机构以及一个半桥式放大机构，两组第一级杠杆机构和两组第二级杠杆机构分别对称，并且第一级杠杆机构和第二级杠杆机构的支点均与固定机架传动连接，运动输入机构的两端分别连接固定机架和位移输入平台，两组第一级杠杆机构的输入端分别与位移输入平台传动连接，输出端分别与相应的第二级杠杆机构的输入端传动连接，半桥式放大机构连接在两组第二级杠杆机构的输出端之间。本发明依靠两级杠杆机构和一级桥式机构的复合串联，解决了现有技术中位移放大比低以及存在寄生位移等问题，实现运动平台的大范围精密定位。

Description

一种具有三级放大机构的微位移定位平台
技术领域
本发明属于精密微位移驱动系统技术领域，具体涉及一种具有三级放大机构的微位移定位平台。
背景技术
以压电陶瓷驱动器和柔性机构分别作为微位移驱动和导向部件的精密定位平台在微机电系统、扫描探针显微镜、超精密加工、光学调整以及生物细胞操作等诸多领域有着广泛应用。但压电陶瓷驱动器输出位移较小，输出位移与其尺寸比值仅为10μm/cm，因此为了满足大位移的应用场合，通常需要借助柔性放大机构来扩大其输出位移。常用的位移放大机构有杠杆式机构和桥式机构等，目前，商业上常用的微位移定位平台大多只采用一级或二级放大机构，位移放大比较小，难以实现毫米级位移的输出。因此，发明具有高位移放大比的微位移定位平台对于实际应用具有较大的意义。
中国专利CN104464838A，公开了一种Z轴负向放大一维精密定位平台。但该技术中，只采用一级桥式放大机构，放大比较小。中国专利申请号201510289096.2，公开号CN104967356A，名称为“无过约束型微位移放大机构”的专利申请，以及中国专利申请号201410123284.3，公开号CN 103883849A，名称为“大行程纳米定位平台，中均采用了杠杆放大机构，但该技术由于非对称结构，具有较大的寄生位移。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有三级放大机构的微位移定位平台，依靠两组两级杠杆机构和一级桥式机构的复合串联，以解决现有技术中位移放大比低以及存在寄生位移等问题，实现运动平台的大范围精密定位。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种具有三级放大机构的微位移定位平台，包括固定机架、位移输入平台、运动输入机构、两组第一级杠杆机构、两组第二级杠杆机构以及一个半桥式放大机构，
一组第一级杠杆机构和第二级杠杆机构位于位移输入平台一侧，另一组第一级杠杆机构和第二级杠杆机构设置在相对于输入平台对称的另一侧，所述的第一级杠杆机构和第二级杠杆机构的支点均与固定机架传动连接，运动输入机构的两端分别连接固定机架和位移输入平台，两组第一级杠杆机构的输入端分别与位移输入平台传动连接，输出端分别与相应一侧的第二级杠杆机构的输入端传动连接，第二级杠杆机构将第一级杠杆机构输出的垂直方向的位移转化为水平方向的位移，
所述的半桥式放大机构连接在两组第二级杠杆机构的输出端之间。
作为优选的技术方案，所述的第一级杠杆机构包括第一刚性杆、第一柔性铰链和第二柔性铰链，第一刚性杆的一端作为第一级杠杆机构的支点与固定机架通过第二柔性铰链传动连接，第一刚性杆的另一端作为第一级杠杆机构的输出端与第二级杠杆机构的输入端传动连接，第一刚性杆两端之间的一点作为第一级杠杆机构的输入端与位移输入平台通过第一柔性铰链传动连接。
作为优选的技术方案，所述的第二级杠杆机构包括第二刚性杆、第三柔性铰链和第四柔性铰链，第二刚性杆与第一刚性杆垂直，第二刚性杆的底端作为第二级杠杆机构的输入端与第一级杠杆机构的输出端通过第三柔性铰链传动连接，第二刚性杆的上端作为第二级杠杆机构的输出端与半桥式放大机构传动连接，第二刚性杆的底端和上端之间的一点作为第二级杠杆机构的支点与固定机架通过第四柔性铰链传动连接。
作为优选的技术方案，两组第一级杠杆机构的第一刚性杆位于一条水平线上，两组第二级杠杆机构的第二刚性杆平行设置，并分别位于两组第一级杠杆机构两端的上方。
作为优选的技术方案，所述的第一柔性铰链、第二柔性铰链、第三柔性铰链及第四柔性铰链均为直角柔性铰链。
作为优选的技术方案，所述的半桥式放大机构包括工作平台和两组柔性杆，所述的工作平台与两组第二级杠杆机构的输出端通过柔性杆连接，设置在两组第二级杠杆机构的中间。
作为优选的技术方案，所述的运动输入机构为压电陶瓷驱动器。
本发明的工作原理为：运动输入机构(一般优选的为压电陶瓷驱动器)施加力于位移输入平台，驱动两组第一刚性杆绕着两个第二柔性铰链进行转动，使两组第一级杠杆机构将第一柔性铰链处的输入位移在第三柔性铰链处进行放大。第三柔性铰链处的位移输入到第二级杠杆机构的输入端，使两组第二刚性杆绕着两组第四柔性铰链进行转动，使二级放大机构将第三柔性铰链处的位移输入到半桥式放大机构的输入端，半桥式放大机构通过两组柔性杆的协调变形，最终在工作平台输出放大位移。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用三级放大机构，将经过两级放大的位移输入到半桥式放大机构，通过尺寸优化，可将其位移放大比高达50-60倍，相比于一级或二级放大机构具有更大的放大比。
(2)本发明采用的第二级放大机构将垂直方向的输入位移转化为水平方向的位移，在实现位移放大的同时改变了位移方向，并输入到半桥式放大机构中，从而有效将具有较大放大比的半桥式放大机构引入到本发明当中。
(3)本发明采用的直角柔性铰链相比于直角圆及椭圆铰链具有结构形状简单，便于加工，加工成本低等优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的变形原理示意图。
图中，1为位移输入平台，2为运动输入机构，3为第一柔性铰链A，4为第二柔性铰链A，5为第一刚性杆A，6为第三柔性铰链A，7为第四柔性铰链A，8为固定机架A，9为第二刚性杆A，10为柔性杆A，11为固定机架B，12为工作平台，13为柔性杆B，14为第二刚性杆B，15为固定机架C，16为第四柔性铰链B，17为第三柔性铰链B，18为第一刚性杆B，19为第二柔性铰链B，20为第一柔性铰链B，21为第一级杠杆机构A，22第二级杠杆机构A，23为半桥式放大机构，24为第二级杠杆机构B，25为第一级杠杆机构B。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种具有三级放大机构的微位移定位平台，如图1～2所示，包括固定机架(由固定机架A8、固定机架B11和固定机架C15组成)、位移输入平台1、运动输入机构2(本实施例采用压电陶瓷驱动器)、两组第一级杠杆机构(第一级杠杆机构A21和第一级杠杆机构B25)、两组第二级杠杆机构(第二级杠杆机构A22和第二级杠杆机构B24)以及一个半桥式放大机构23，第一级杠杆机构A21和第二级杠杆机构A22位于位移输入平台一侧，第一级杠杆机构B25和第二级杠杆机构B24设置在相对于输入平台对称的另一侧，并且第一级杠杆机构和第二级杠杆机构的支点均与固定机架传动连接，运动输入机构2的两端分别连接固定机架B11和位移输入平台1，两组第一级杠杆机构的输入端分别与位移输入平台1传动连接，输出端分别与相应一侧的第二级杠杆机构的输入端传动连接，第二级杠杆机构将第一级杠杆机构输出的垂直方向的位移转化为水平方向的位移，半桥式放大机构23连接在两组第二级杠杆机构的输出端之间。
具体地，
第一级杠杆机构A21包括第一刚性杆A5、第一柔性铰链A3和第二柔性铰链A4，第一级杠杆机构B25包括第一刚性杆B18、第一柔性铰链B20和第二柔性铰链B19；第二级杠杆机构A22包括第二刚性杆A9、第三柔性铰链A6和第四柔性铰链A7，第二级杠杆机构B24包括第二刚性杆B14、第三柔性铰链B17和第四柔性铰链B16；半桥式放大机构23包括工作平台12和两组柔性杆(柔性杆A10和柔性杆B13)，工作平台12与两组第二级杠杆机构的输出端通过柔性杆连接，各柔性铰链均为直角柔性铰链。
两组第一级杠杆机构的第一刚性杆位于一条水平线上，两组第二级杠杆机构的第二刚性杆平行设置，并分别位于两组第一级杠杆机构两端的上方。
固定机架8A和固定机架C15位于两组第二级杠杆机构的外侧。
工作平台12、固定机架B11和位移输入平台1从上到下依次设置，该实施例的具有三级放大机构的微位移定位平台总体上呈左右对称状。
第一刚性杆A5的一端作为第一级杠杆机构A21的支点与固定机架B11通过第二柔性铰链A4传动连接，第一刚性杆A5的另一端作为第一级杠杆机构A21的输出端与第二级杠杆机构A22的输入端通过第三柔性铰链A6传动连接，第一刚性杆A5的两端之间的一点作为第一级杠杆机构A21的输入端与位移输入平台1通过第一柔性铰链A3传动连接，第二刚性杆A9与第一刚性杆A5垂直，第二刚性杆A9的底端作为第二级杠杆机构A22的输入端，第二刚性杆A9的上端作为第二级杠杆机构A22的输出端与工作平台12的一侧通过柔性杆A10传动连接，第二刚性杆A9的底端与上端之间的一点作为第二级杠杆机构A22的支点与固定机架A8通过第四柔性铰链A7传动连接；
第一刚性杆B18的一端作为第一级杠杆机构B25的支点与固定机架B11通过第二柔性铰链B19传动连接，第一刚性杆B18的另一端作为第一级杠杆机构B25的输出端与第二级杠杆机构B24的输入端通过第三柔性铰链B17传动连接，第一刚性杆B18两端之间的一点作为第一级杠杆机构B25的输入端与位移输入平台1通过第一柔性铰链B20传动连接，第二刚性杆B14与第一刚性杆B18垂直，第二刚性杆B14的底端作为第二级杠杆机构B24的输入端，第二刚性杆B14的上端作为第二级杠杆机构B24的输出端与工作平台12的另一侧通过柔性杆B13传动连接，第二刚性杆B14的底端与上端之间的一点作为第二级杠杆机构B24的支点与固定机架C15通过第四柔性铰链B16传动连接。
为了获得足够的放大比，第一刚性杆上作为第一级杠杆机构的输入端的位置靠近第一级杠杆机构的支点。第二刚性杆上作为第二级杠杆机构的支点的位置靠近第二级杠杆机构的输入端。通过尺寸优化，位移放大比可高达50-60倍。
运动输入机构2施加力于位移输入平台1，驱动两组第一刚性杆绕着两个第二柔性铰链进行转动，使两组第一级杠杆机构将第一柔性铰链处的输入位移在第三柔性铰链处进行放大。第三柔性铰链处的位移输入到第二级杠杆机构的输入端，使两组第二刚性杆绕着两组第四柔性铰链进行转动，使二级放大机构将第三柔性铰链处的位移输入到半桥式放大机构的输入端，半桥式放大机构通过两组柔性杆的协调变形，最终在工作平台12输出放大位移。

Claims (7)

1.一种具有三级放大机构的微位移定位平台，其特征在于，包括固定机架、位移输入平台、运动输入机构、两组第一级杠杆机构、两组第二级杠杆机构以及一个半桥式放大机构，
一组第一级杠杆机构和第二级杠杆机构位于位移输入平台一侧，另一组第一级杠杆机构和第二级杠杆机构设置在相对于输入平台对称的另一侧，所述的第一级杠杆机构和第二级杠杆机构的支点均与固定机架传动连接，运动输入机构的两端分别连接固定机架和位移输入平台，两组第一级杠杆机构的输入端分别与位移输入平台传动连接，输出端分别与相应一侧的第二级杠杆机构的输入端传动连接，第二级杠杆机构将第一级杠杆机构输出的垂直方向的位移转化为水平方向的位移，
所述的半桥式放大机构连接在两组第二级杠杆机构的输出端之间。
2.根据权利要求1所述的一种具有三级放大机构的微位移定位平台，其特征在于，所述的第一级杠杆机构包括第一刚性杆、第一柔性铰链和第二柔性铰链，第一刚性杆的一端作为第一级杠杆机构的支点与固定机架通过第二柔性铰链传动连接，第一刚性杆的另一端作为第一级杠杆机构的输出端与第二级杠杆机构的输入端传动连接，第一刚性杆两端之间的一点作为第一级杠杆机构的输入端与位移输入平台通过第一柔性铰链传动连接。
3.根据权利要求2所述的一种具有三级放大机构的微位移定位平台，其特征在于，所述的第二级杠杆机构包括第二刚性杆、第三柔性铰链和第四柔性铰链，第二刚性杆与第一刚性杆垂直，第二刚性杆的底端作为第二级杠杆机构的输入端与第一级杠杆机构的输出端通过第三柔性铰链传动连接，第二刚性杆的上端作为第二级杠杆机构的输出端与半桥式放大机构传动连接，第二刚性杆的底端和上端之间的一点作为第二级杠杆机构的支点与固定机架通过第四柔性铰链传动连接。
4.根据权利要求3所述的一种具有三级放大机构的微位移定位平台，其特征在于，两组第一级杠杆机构的第一刚性杆位于一条水平线上，两组第二级杠杆机构的第二刚性杆平行设置，并分别位于两组第一级杠杆机构两端的上方。
5.根据权利要求3所述的一种具有三级放大机构的微位移定位平台，其特征在于，所述的第一柔性铰链、第二柔性铰链、第三柔性铰链及第四柔性铰链均为直角柔性铰链。
6.根据权利要求1或3所述的一种具有三级放大机构的微位移定位平台，其特征在于，所述的半桥式放大机构包括工作平台和两组柔性杆，所述的工作平台与两组第二级杠杆机构的输出端通过柔性杆连接，设置在两组第二级杠杆机构的中间。
7.根据权利要求1所述的一种具有三级放大机构的微位移定位平台，其特征在于，所述的运动输入机构为压电陶瓷驱动器。
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