CN107833594B - 一种用于高精度定位和测量的二维三自由度微动平台结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于高精度定位和测量的二维三自由度微动平台结构，首先，利用两组串联的柔性铰链并联成移动副。移动副一端固定，另一端施加驱动力。驱动力通过杠杆放大，驱动移动副做平动和转动。移动副带动平台的柔性铰链做转动，从而驱动平台产生相应位移。其次，本发明由四个相同移动副构成，四个相同移动副分别和四个相同的第一柔性铰链组成四条支链，四条支链布置不同，平台对面的两条支链呈中心对称，呈中心对称的两条支链构成一组，一共有两组。最后，本发明的驱动可以采用压电驱动方式，从而产生x轴方向的线位移、y轴方向的线位移和绕z轴方向的角位移，用于光学精密定位和精密测量。

Description

一种用于高精度定位和测量的二维三自由度微动平台结构
技术领域：
本发明涉及一种用于高精度定位和测量的二维三自由度微动平台结构，属于微/纳机电系统领域。
背景技术：
当前，微动平台在精密定位和测量仪器中的应用很广泛，其精度很高，原理是基于柔顺机构弹性变形产生位移的一种技术。串联式微位移平台的串联支链比并联支链的柔度好【闪明才，王伟明，马树元，刘霜，谢虎.大行程串联柔性机构分析与设计.纳米技术与精密工程，2012(5)：268-272】，但比并联支链的刚度差。串联支链在产生可利用弹性变形时，因柔性铰链精度有限，旋转中心漂移【陈贵敏，韩琪，等.深切口椭圆柔性铰链.光学精密工程，2009(3)：570-575】【陈贵敏，贾建援，刘小院，勾燕洁，等.柔性铰链精度特性研究.仪器仪表学报，2004(8)：107-109】，故引起柔顺机构的载荷-位移的线性度较差，从而产生较大寄生性弹性变形，影响定位和测量结果。在广义位移精确性方面，在满足有益广义位移的同时，应尽量提高支链整体刚度，从而抵抗寄生性弹性变形，提高广义位移精确性，从而提高定位和测量结果。这时，发明一种既能产生有益广义位移，又能有效抵抗寄生性弹性变形的微动平台就十分必要。
发明内容：
针对串联式微位移平台的缺点，本发明用于高精度定位和测量的二维三自由度微动平台结构中支链的平移运动采用的是一种并联移动机构，其整体刚度比普通串联支链刚度要高，从而可以有效抵抗寄生性弹性变形，载荷-位移的线性度较好。为了减少刚度对驱动力抵抗效应，输入端不采用直接力输入，而采用杠杆性的等效力矩输入，放大输入位移，使支链移动范围更大。
本发明采用如下技术方案：一种用于高精度定位和测量的二维三自由度微动平台结构，包括平台、第一柔性铰链以及通过第一柔性铰链固定于平台上的移动副，所述平台为正方体平台，所述移动副包括第一刚性梁、第二柔性铰链、第二刚性梁、第三柔性铰链以及L型刚性梁，第一刚性梁与第二刚性梁之间通过第二柔性铰链连接，第二刚性梁与L型刚性梁之间通过第三柔性铰链连接，L型刚性梁与平台之间通过第一柔性铰链连接，第一刚性梁通过紧固件固定在机架上，移动副有四个，每个移动副和一个第一柔性铰链组成一条支链，一共有四条支链，四条支链分别位于在平台的上下左右四个面上，四条支链通过第一柔性铰链驱动平台产生x方向和y方向位移。
进一步地，四个移动副分别分布在平台的上下左右四个方向上，通过在左右两个移动副上分别施加力F1和F3驱动平台产生x方向位移，F1驱动产生的为x正方向的位移，F3驱动产生的为x负方向的位移，通过在上下两个移动副上分别施加力F4和F2产生y方向位移，F2驱动产生的为y正方向的位移，F4驱动产生的为y负方向的位移。
进一步地，所述平台对面的两条支链呈中心对称，呈中心对称的两条支链构成一组，其中F1和F3作用的两条支链构成一组，产生沿逆时针方向绕z轴旋转的角位移，F2和F4作用的两条支链构成另一组，产生沿顺时针方向绕z轴旋转的角位移。
进一步地，力F1、F2、F3和F4通过压电驱动器驱动产生，力F1、F2、F3和F4作用于L型刚性梁的杠杆末端，并垂直于L型刚性梁。
本发明具有如下有益效果：
(1).本发明由四条支链构成，有四组压电驱动器，可以通过不同的压电驱动器发出的分量位移微调整个平台的绝对位移，可调性较好，且x方向位移和y方向位移具有解耦性。
(2).为弥补串联式微动平台支链刚度较差的缺点，本发明采用的是一种并联移动副，其整体刚度比普通串联支链刚度要高，从而可以有效抵抗寄生性弹性变形，载荷-位移的线性度较好。
(3).为了减少刚度对驱动力抵抗效应，输入端不采用直接力输入，而采用杠杆性的等效力矩输入，放大输入位移，使平台移动范围更大，本发明可用于光学精密定位和机械零部件精密测量。
附图说明：
图1是本发明用于高精度定位和测量的二维三自由度微动平台结构的二维平面示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明用于高精度定位和测量的二维三自由度微动平台结构包括平台7、第一柔性铰链6以及通过第一柔性铰链6固定于平台7上的移动副。平台7为正方体平台。移动副包括第一刚性梁1、第二柔性铰链2、第二刚性梁3、第三柔性铰链4以及L型刚性梁5。微动平台结构的具体组成方式为第一刚性梁1与第二刚性梁3之间通过第二柔性铰链2连接，第二刚性梁3与L型刚性梁5之间通过第三柔性铰链4连接，L型刚性梁5与平台7之间通过第一柔性铰链6连接，第一刚性梁1通过紧固件(未图示)完全固定在机架上。本发明中共包括有四个移动副，每个移动副和一个第一柔性铰链6构成一个支链，四条支链分别位于平台的上下左右四个面上，并通过第一柔性铰链6驱动平台7产生x和y方向位移。移动副通过第一柔性铰链6固定于平台7上后，将第一刚性梁1固定在机架上，实际中可采用紧固件固定，拆卸方便。此时微动平台结构安装完毕，即可使用。
第一刚性梁1被完全固定，其自由度为0，实际中可采用紧固件固定，拆卸方便。第二刚性梁3起连接作用，其刚性很大，不发生自变形或自变形非常微小可忽略不计。第一柔性铰链6、第二柔性铰链2和第三柔性铰链4是柔顺机构的“转动副”，提供转动角位移。L型刚性梁5为驱动力施加端，其作用是利用杠杆放大驱动力，从而使微动平台结构的“移动副”产生较大的微位移，从而得到较大范围的平台移动位移，需要注意的是，驱动力的作用点应如图1所示，必须作用在L型刚性梁5的杠杆末端，并垂直于L型刚性梁5。平台7用于放置待定位机构或待测量零部件。驱动力通过压电驱动器驱动。
四个移动副分别分布位于平台7上下左右四个方向，其中，通过在左右两个移动副上分别施加力F1和F3驱动平台7产生x方向位移，F1驱动产生的为x正方向的位移，F3驱动产生的为x负方向的位移。通过在上下两个移动副上分别施加力F4和F2产生y方向位移，F2驱动产生的为y正方向的位移，F4驱动产生的为y负方向的位移。如果要得到单个x方向位移或单个y方向位移，应只能有一个压电驱动器动作。仅将产生驱动力F1的压电驱动器驱动，则驱动力F1作用在L型刚性梁5上，产生沿x正方向的位移，而仅将产生驱动力F3的压电驱动器驱动，则驱动力F3作用在L型刚性梁5上，产生沿x负方向的位移。同理，仅将产生驱动力F2的压电驱动器驱动，则驱动力F2作用在L型刚性梁5上，产生沿y正方向的位移，而仅将产生驱动力F4的压电驱动器驱动，则驱动力F4作用在L型刚性梁5上，产生沿y负方向的位移。如附图1所示。如果要得到xoy平面内的复合位移，应使相应位移方向的相邻两个压电驱动器同时工作，根据叠加原理，即可得到复合位移。
本发明用于高精度定位和测量的二维三自由度微动平台结构中正方体平台对面的两条支链呈中心对称，呈中心对称的两条支链构成一组，一共有两组，其中F1和F3作用的两条支链构成一组，产生沿逆时针方向绕z轴旋转的角位移，而F2和F4作用的两条支链构成另一组，产生沿顺时针方向绕z轴旋转的角位移。如果想要得到绕z轴旋转的角位移，就必须使中心对称的两条支链被相应的压电驱动器驱动。例如，如果想要得到沿逆时针方向绕z轴旋转的角位移，就必须使产生驱动力F1的压电驱动器和产生驱动力F3的压电驱动器同时驱动，同理，如果想要得到沿顺时针方向绕z轴旋转的角位移，就必须使产生驱动力F2的压电驱动器和产生驱动力F4的压电驱动器同时驱动，如附图1所示。
本发明用于高精度定位和测量的二维三自由度微动平台结构中L型刚性梁5为驱动力施加梁，其作用是利用杠杆原理，使微动平台结构的移动副产生较大的微位移，从而得到大范围的平台移动位移。在产生沿绕z轴旋转的角位移时，其原理是在于产生一对相同方向(同为顺时针或同为逆时针)的力矩，从而产生转动效应。因此，对于呈中心对称的两条支链，为了产生同向力矩，压电驱动器驱动力的作用点(如图1所示)，必须作用在L型刚性梁5的杠杆末端，并产生垂直于L型刚性梁5的F1、F2、F3和F4驱动力。本发明中可用压电驱动器产生垂直于L型刚性梁5的F1、F2、F3和F4驱动力，也可用其他微位移驱动器产生F1、F2、F3和F4驱动力。
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作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于高精度定位和测量的二维三自由度微动平台结构，其特征在于：包括平台（7）、第一柔性铰链（6）以及通过第一柔性铰链（6）固定于平台（7）上的移动副，所述平台（7）为正方体平台，所述移动副包括第一刚性梁（1）、第二柔性铰链（2）、第二刚性梁（3）、第三柔性铰链（4）以及L型刚性梁（5），第一刚性梁（1）与第二刚性梁（3）之间通过第二柔性铰链（2）连接，第二刚性梁（3）与L型刚性梁（5）之间通过第三柔性铰链（4）连接，L型刚性梁（5）与平台（7）之间通过第一柔性铰链（6）连接，第一刚性梁（1）通过紧固件固定在机架上，移动副有四个，每个移动副和一个第一柔性铰链（6）组成一条支链，一共有四条支链，四条支链分别位于在平台（7）的上下左右四个面上，四条支链通过第一柔性铰链（6）驱动平台（7）产生x方向和y方向位移。
2.如权利要求1所述的用于高精度定位和测量的二维三自由度微动平台结构，其特征在于：四个移动副分别分布在平台（7）的上下左右四个方向上，通过在左右两个移动副上分别施加力F1和F3驱动平台（7）产生x方向位移，F1驱动产生的为x正方向的位移，F3驱动产生的为x负方向的位移，通过在上下两个移动副上分别施加力F4和F2产生y方向位移，F2驱动产生的为y正方向的位移，F4驱动产生的为y负方向的位移。
3.如权利要求2所述的用于高精度定位和测量的二维三自由度微动平台结构，其特征在于：力F1 、F2、 F3和 F4通过压电驱动器驱动产生，力F1 、F2、 F3和 F4作用于L型刚性梁（5）的杠杆末端，并垂直于L型刚性梁（5）。
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