CN107378527A - 一种压电驱动式两自由度解耦微摆动平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电驱动式两自由度解耦微摆动平台，包括基座，立柱，解耦虎克铰链，X轴桥式放大机构，X轴压电陶瓷驱动器，X轴预紧螺栓，X轴虎克铰链，Y轴桥式放大机构，Y轴压电陶瓷驱动器，Y轴预紧螺栓，Y轴虎克铰链，工作平台；X、Y轴桥式放大机构安装于基座的两条边的外侧，X、Y轴桥式放大机构距离基座的顶点距离相等，X、Y轴压电陶瓷驱动器通过X、Y轴预紧螺栓安装在X、Y轴桥式放大机构中；X、Y轴桥式放大机构包括位于X、Y轴压电陶瓷驱动器两侧且对称设置的柔性铰链机构和连接桥式柔性铰链机构的横梁，X、Y轴桥式放大机构通过X、Y轴虎克铰链与工作平台连接。本发明能够实现两自由度解耦的精密微小摆动。

Description

一种压电驱动式两自由度解耦微摆动平台

技术领域

本发明属于微定位领域，具体涉及一种由压电陶瓷驱动器直接驱动，两自由度解耦微摆动平台。

背景技术

近年来，随着生物工程、材料科学、微电子技术的发展，微纳操作的物体越来越小，微纳操作的精度越来越高。为了保证精密微纳操作的精度，微小角度调整尤为重要。作为精密微纳操作系统中的重要组成部分，两自由度微摆动平台在微纳操作起到至关重要的作用。两自由度微摆动平台能够实现X轴和Y轴的微小摆动，用于调整微纳操作过程中定位平台的角度，进而以提高操作精度。由于微摆动平台上安装有被加工物体或者加工组件，其性能直接影响到整微纳操作的精度。

现有微纳操作系统中的X轴和Y轴摆动多是通过多自由度定位平台实现，多自由度定位平台的驱动方式有音圈电机驱动、直线电机驱动、压电陶瓷驱动等形式。与其他形式驱动器相比，压电陶瓷驱动器具有体积小、刚度高、响应速度快、位移分辨率高等特点，非常适合应用在微纳操作定位系统中作为驱动器。目前一些学者设计了多种能够实现两自由度摆动的微摆动平台，但是这些微摆动平台多是多自由度平台(自由度数大于2)，其X轴和Y轴摆动运动是耦合的，必须借助于运动学解耦才能实现精密的X轴和Y轴摆动，增加了控制难度。另外这类平台大部分是通过装配组装而成，平台的运动精度受到装配精度的影响，平台的运动精度不高；另外由于对装配精度要求很高，增加了平台的加工成本。因此设计一体式加工两自由度解耦微摆动平台对于提高微纳加工精度至关重要。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种压电驱动式两自由度解耦微摆动平台，该微摆动平台具有体积小、结构紧凑、制造成本低等优点，能够实现两自由度解耦的精密微小摆动。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种压电驱动式两自由度解耦微摆动平台，包括基座，立柱，解耦虎克铰链，X轴桥式放大机构，X轴压电陶瓷驱动器，X轴预紧螺栓，X轴虎克铰链，Y轴桥式放大机构，Y轴压电陶瓷驱动器，Y轴预紧螺栓，Y轴虎克铰链，工作平台；所述X轴桥式放大机构和Y轴桥式放大机构安装于所述基座的两条边的外侧，X轴桥式放大机构和Y轴桥式放大机构距离基座的顶点距离相等，所述X轴压电陶瓷驱动器和Y轴压电陶瓷驱动器通过所述X轴预紧螺栓和Y轴预紧螺栓安装在所述X轴桥式放大机构和Y轴桥式放大机构中；

所述X轴桥式放大机构和Y轴桥式放大机构包括位于所述X轴压电陶瓷驱动器和Y轴压电陶瓷驱动器两侧且对称设置的柔性铰链机构和连接桥式柔性铰链机构的横梁，所述X轴桥式放大机构和Y轴桥式放大机构通过所述X轴虎克铰链和Y轴虎克铰链与所述工作平台连接；所述立柱安装在所述基座上，位于所述X轴压电陶瓷驱动器和Y轴压电陶瓷驱动器轴线的交点处，所述立柱上侧与所述解耦虎克铰链连接，解耦虎克铰链与工作平台连接，所述工作平台与所述基座的边线对齐分布。

进一步的，所述基座、立柱、解耦虎克铰链、X轴桥式放大机构、X轴虎克铰链、Y轴桥式放大机构、Y轴虎克铰链和工作平台为一体成型的结构。

进一步的，所述基座和工作平台均由三角形平板或扇形平板构成。

进一步的，所述柔性铰链机构设有2个。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明采用压电陶瓷驱动器作为微摆动平台的驱动方式，可以明显降低微摆动平台整体质量和运动惯量。另外压电陶瓷驱动器具有体积小、刚度高、响应速度快、位移分辨率高等特点，可以有效改善微摆动平台的静动态特性。桥式放大机构实现对压电陶瓷微小位移的放大，使微摆动平台具有较大的摆动范围。采用解耦虎克铰链，X(Y)轴虎克铰链实现了微摆动平台两个方向摆动运动的解耦，降低系统的运动惯量，降低微摆动平台的控制难度。微摆动平台的基座、立柱，解耦虎克铰链，X轴桥式放大机构，X轴虎克铰链，Y轴桥式放大机构，Y轴压电陶瓷驱动器，Y轴预紧螺栓，Y轴虎克铰链，工作平台为一体成型，使整个系统具有结构紧凑、体积小、质量轻、控制方便等特点，可以有效地保证系统运动的高精度，适用于高精度精密操作和加工。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明在x-z平面工作原理示意图；

图3为桥式放大机构的结构示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图3，本发明实施例保护一种压电驱动式两自由度解耦微摆动平台，包括基座1，立柱2，解耦虎克铰链3，X轴桥式放大机构12，X轴压电陶瓷驱动器11，X轴预紧螺栓10，X轴虎克铰链9，Y轴桥式放大机构4，Y轴压电陶瓷驱动器5，Y轴预紧螺栓6，Y轴虎克铰链7，工作平台8。

本实施例中，基座1为三角形或扇形平板，X轴、Y轴桥式放大机构12、4安装于所述三角形或扇形基座1的两条边的外侧，X轴、Y轴桥式放大机构12、4距离三角形或扇形基座1的顶点距离相等，X轴、Y轴压电陶瓷驱动器11、5通过X轴、Y轴预紧螺10、6安装在X轴、Y轴桥式放大机构12、4中，X轴、Y轴桥式放大机构12、4包括位于压电陶瓷驱动器11、5两侧且对称设置的两个柔性铰链机构和连接两个桥式柔性铰链机构的横梁，X轴、Y轴桥式放大机构11、5通过X轴、Y轴虎克铰链9、7与工作平台8连接，立柱2安装在三角形或扇形基座1上，位于所述X轴压电陶瓷驱动器11和Y轴压电陶瓷驱动器5轴线的交点处，立柱2上侧与解耦虎克铰链3连接，解耦虎克铰链3与工作平台8连接，工作平台8为与基座1同截面的三角形或扇形平板，工作平台2与基座1的边线对齐分布。

基座1、立柱2，解耦虎克铰链3，X轴桥式放大机构12，X轴虎克铰链9，Y轴桥式放大机构4，Y轴虎克铰链7，工作平台8为一体成型。

本发明原理如下：

当X轴压电陶瓷驱动器11两端施加驱动电压时，X轴压电陶瓷驱动器11将伸长并推动桥式放大机构12中的横梁12-1和12-3，桥式放大机构12将压电陶瓷驱动器11的输出微小位移进行放大，并且将水平方向位移转换成竖直方向位移，从而拉动X轴虎克铰链9向下运动，带动工作平台8绕Y轴虎克铰链7和解耦虎克铰链3摆动，从而实现工作平台8沿Y轴方向摆动，同时不会对Y轴压电陶瓷驱动器产生影响。当撤掉X轴压电陶瓷驱动器11两端的驱动电压后，X轴压电陶瓷驱动器11将恢复至原长，工作平台8在柔性铰链弹性力的作用下回到原位置。当Y轴压电陶瓷驱动器5两端施加驱动电压时，工作平台8将沿着X轴虎克铰链9和解耦虎克铰链3摆动，工作平台8将沿X轴方向摆动，同时不会对Y轴压电陶瓷驱动器产生影响。当X轴、Y周压电陶瓷驱动器11、5两端同时施加驱动电压时，工作平台8将同时沿X轴、Y轴两个方向摆动。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种压电驱动式两自由度解耦微摆动平台，其特征在于，包括基座，立柱，解耦虎克铰链，X轴桥式放大机构，X轴压电陶瓷驱动器，X轴预紧螺栓，X轴虎克铰链，Y轴桥式放大机构，Y轴压电陶瓷驱动器，Y轴预紧螺栓，Y轴虎克铰链，工作平台；所述X轴桥式放大机构和Y轴桥式放大机构安装于所述基座的两条边的外侧，X轴桥式放大机构和Y轴桥式放大机构距离基座的顶点距离相等，所述X轴压电陶瓷驱动器和Y轴压电陶瓷驱动器通过所述X轴预紧螺栓和Y轴预紧螺栓安装在所述X轴桥式放大机构和Y轴桥式放大机构中；

所述X轴桥式放大机构和Y轴桥式放大机构包括位于所述X轴压电陶瓷驱动器和Y轴压电陶瓷驱动器两侧且对称设置的柔性铰链机构和连接桥式柔性铰链机构的横梁，所述X轴桥式放大机构和Y轴桥式放大机构通过所述X轴虎克铰链和Y轴虎克铰链与所述工作平台连接；所述立柱安装在所述基座上，位于所述X轴压电陶瓷驱动器和Y轴压电陶瓷驱动器轴线的交点处；所述立柱上侧与所述解耦虎克铰链连接，解耦虎克铰链与工作平台连接，所述工作平台与所述基座的边线对齐分布。

2.根据权利要求1所述一种压电驱动式两自由度解耦微摆动平台，其特征在于，所述基座、立柱、解耦虎克铰链、X轴桥式放大机构、X轴虎克铰链、Y轴桥式放大机构、Y轴虎克铰链和工作平台为一体成型的结构。

3.根据权利要求1所述一种压电驱动式两自由度解耦微摆动平台，其特征在于，所述基座和工作平台均由三角形平板或扇形平板构成。

4.根据权利要求1所述一种压电驱动式两自由度解耦微摆动平台，其特征在于，所述柔性铰链机构设有2个。