CN107906315A - 一种动态频率实时可调的微位移运动平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态频率实时可调的微位移运动平台，它解决了现有技术中动态平台结构无法实现实时调节频率，无法满足现代化动态平台的高要求的问题，具有能够实时调节运动平台的输出位移和输出频率、布局紧凑、运动精度高的效果；其技术方案为：包括与运动台相连的运动驱动组件和刚度调节组件，运动驱动组件具有桥式放大机构，通过桥式放大机构放大运动台的输入位移；刚度调节组件具有杠杆放大机构，杠杆放大机构的末端设置板簧片，通过杠杆放大机构末端产生的位移使板簧片发生变形以改变运动台的输出频率。

Description

一种动态频率实时可调的微位移运动平台

技术领域

本发明涉及精密运动平台，尤其涉及一种动态频率实时可调的微位移运动平台。

背景技术

微位移运动机构是现代微纳定位高技术和精密装备行业中的关键核心机构。在超精密制造、生物医学检测仪器、复杂曲面精细加工等高装备领域有着巨大的的前景。目前广泛应用的微位移机构多是定频率机构，只能在一个频率点工作。此外由于仿真分析中的不准确性和加工制造过程中不可避免的误差，导致机构无法达到期望的动态特性。这些缺点越来越无法满足现代化的精密装备行业中的高要求。为此研发设计动态频率可实时调节的微位移运动机构是精密装备必然的发展方向，可以有效的避免加工误差带来的影响，并实现多频率扫描。

中国发明专利CN102825490A公布了一种基于柔性铰链放大机构的频率可调快刀伺服进给装置，该装置采用压电陶瓷直接驱动杠杆机构实现平台运动，这样压电陶瓷在进给过程中受到剪切力，容易受到损坏，此外预应力薄膜无法自动调节，无法实现实时连续调节。

中国发明专利CN102528522A公布了一种刚度可调可调节的快刀伺服器，该机构通过手动旋转弹簧套筒来调节弹簧的施加压力，在刚度调节过程中受到人为因素影响大，同样无法实现实时和准确的调节。

综上所述，现有的刚度可调平台多是通过压紧弹簧或螺丝来施加预紧力的方法实现频率的调节的，在手动调节的过程中受到外在因素影响大，同时输入端常常非对称布置对驱动元件损害大，此外现有动态平台结构无法实现实时调节频率，无法满足现代化动态平台的高要求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种动态频率实时可调的微位移运动平台，其具有能够实时调节运动平台的输出位移和输出频率、布局紧凑、运动精度高的效果。

本发明采用下述技术方案：

一种动态频率实时可调的微位移运动平台，包括与运动台相连的运动驱动组件和刚度调节组件，运动驱动组件具有桥式放大机构，通过桥式放大机构放大运动台的输入位移；刚度调节组件具有杠杆放大机构，杠杆放大机构的末端设置板簧片，通过杠杆放大机构末端产生的位移使板簧片发生变形以改变运动台的输出频率。

进一步的，还包括外基座，刚度调节组件设于外基座内部，运动驱动组件嵌套于刚度调节组件的内部。

进一步的，所述运动台设置于板簧片与运动驱动组件之间，所述运动台与外基座之间固定有数据读取装置。

进一步的，所述数据读取装置包括测量运动台横向位移的第一光栅尺和测量运动台输出位移及动态频率的第二光栅尺。

进一步的，所述第一光栅尺进和第二光栅尺分别包括固定于运动台上标尺光栅和固定于外基座上的光栅读数头；安装在运动台上的标尺光栅和安装在外基座上的光栅尺读数头配合得到运动台的横向位移，观测运动台运动过程中动态频率变化对横向位移的影响，避免动态频率调节过程中引起运动台横向位移对纵向位移影响过大的频率区间。

进一步的，所述桥式放大机构包括两个对称设置的压电陶瓷安装凸台，所述压电陶瓷安装凸台的内部通过楔形块连接第一压电驱动器，楔形块的顶部设有调节其预紧力的调节螺栓。

进一步的，所述压电陶瓷安装凸台的顶部通过安装螺栓与压电陶瓷盖板相连，所述调节螺栓穿过压电陶瓷盖板与楔形块接触。

进一步的，所述刚度调节组件包括输入机构，输入机构的两侧对称设有杠杆放大机构，两个杠杆放大机构的一端通过板簧片连接。

进一步的，所述输入机构的内部设有第二压电驱动器，第二压电驱动器的两端分别连接压电陶瓷安装凸台。

进一步的，所述压电陶瓷安装凸台通过柔性铰链与杠杆放大机构相连，压电陶瓷安装凸台通过折叠铰链与输入机构相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的运动平台采用运动频率高的压电陶瓷驱动器驱动，基于压电陶瓷驱动器位移小的特点，采用具有较大放大比、解耦性能好、结构紧凑的桥式放大机构放大输入位移；刚度调节组件的输入机构同样采用运动频率高的压电陶瓷驱动器，调节机构输入机构对称布置，该机构结构内部运动方向刚度较小，能够保证较大的输入力通过两边的凸台作用于铰链上，使铰链发生较大的变形，调节机构非运动方向刚度较大，能够避免压电陶瓷受到横向负载，保护压电陶瓷在运动过程中的安全；

(2)本发明在运动台的前侧和右侧安装光栅尺，可以实时检测非目标运动方向的位移，对于动态特性可调平台而言，也可以观测由于刚度变化导致非目标运动方向位移的变化，避免出现非目标运动方向占目标运动方向的百分比过大；

(3)本发明的整个平台运动部分采用对称布置，以尽量减小运动台在横向的耦合运动。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的可调运动平台平面图；

图3为本发明的压电陶瓷安装凸台结构示意图；

其中，1-运动驱动组件，101-桥式放大机构，102-第一凸台，103-运动台，104-第一安装孔；

2-刚度调节组件，201-板簧片，202-杠杆放大机构，203-柔性铰链，204-折叠铰链，205-输入机构；

3-外基座，301-螺纹孔，302-第二安装孔；

4-调节螺栓，5-第二压电驱动器，6-压电陶瓷盖板，7-安装螺栓，8-第二支撑板，9-第一光栅尺读数头，10-第一光栅尺，11-第一支撑板，12-第一压电驱动器，13-楔形块，14-第二光栅尺读数头，15-第二光栅尺。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在动态平台结构无法实现实时调节频率、无法满足现代化动态平台的高要求的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种动态频率实时可调的微位移运动平台。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1-图3所示，提供了一种动态频率实时可调的微位移运动平台，包括运动驱动组件1、刚度调节组件2和外基座3，刚度调节组件2设于外基座3的内部，运动驱动组件1嵌套于刚度调节组件2内侧。

所述外基座3为矩形，其内部设置矩形槽，刚度调节组件2、运动驱动组件1和运动台103均设于矩形槽中，外基座3的边框上设置多个用于安装数据读取装置的螺纹孔301；刚度调节组件2和运动驱动组件1的各部件均关于外基座3的中心线对称。

所述刚度调节组件2包括输入机构205和两个关于外基座3中心线对称的杠杆放大机构202，两个杠杆放大机构202的一端通过板簧片201连接；采用杠杆放大机构202对输入机构205的位移进行放大，两侧杠杆放大机构202对称布置，避免运动过程输出平台的偏转。

所述运动驱动组件1包括运动台103和桥式放大机构101，通过桥式放大机构101对压电驱动器的输入位移进行放大以实现运动台103较大的位移输出。

运动台103的一侧与板簧片201接触，通过拉紧板簧片201实现平台的动态特性调节；运动台103的另一侧与桥式放大机构101相连。

所述桥式放大机构101包括两个关于外基座3中心线对称的第一凸台102，两个第一凸台102的一侧通过连接块与运动台103相连，另一侧通过连接块与输入机构205相连；所述第一凸台102的内部设有楔形块13，两个楔形块13分别连接第一压电驱动器12的两端；第一凸台102起到安装第一压电驱动器12的作用。

所述输入机构205设于杠杆放大机构202的另一端并与桥式放大机构101相连，输入机构205的两侧分别通过折叠铰链204连接第二凸台，第二凸台的内部设有楔形块，两个楔形块分别连接第二压电驱动器5的两端；所述第二凸台通过柔性铰链203与杠杆放大机构202相连；第二凸台起到安装第二压电驱动器的作用。

所述输入机构205为对称结构，其两侧呈阶梯状，顶部凸起与桥式放大机构101的连接块相连。

所述第一凸台102和第二凸台的顶部设有压电陶瓷盖板6，压电陶瓷盖板6通过安装螺栓7与相应的压电陶瓷安装凸台固定连接，安装螺栓7之间设有调节螺栓4，所述调节螺栓4的底端与楔形块13接触，通过调节螺栓4施加预紧力于楔形块13上，使压电驱动器与凸台紧密配合。

所述数据读取装置设置两组，包括测量运动台103横向位移的第一光栅尺10和测量运动台103输出位移及动态频率的第二光栅尺15，第一光栅尺10安装于运动台103右侧与外基座3之间，可以实时检测运动平台的输出位移和平台运动的频率。

第二光栅尺15安装于运动台103前侧与外基座3之间(其中，以图示方向的上侧为前侧)，可以实时检测非目标运动方向的位移，也可以观测由于刚度变化导致非目标运动方向位移的变化，避免出现非目标运动方向占目标运动方向的百分比过大。

运动台103的右侧和前侧设有用于安装标尺光栅的第一安装孔104，外基座3相应位置设置用于安装第一光栅尺读数头9、第二光栅尺读数头14的第二安装孔302；所述运动台103通过第一支撑板11安装标尺光栅，所述外基座3通过第二支撑板8安装光栅尺读数头。

运动驱动组件1和刚度调节组件2都采用输出力大的压电驱动器驱动，运动驱动组件1针对压电驱动器位移小的特点，采用了位移放大比大、输出位移平稳、解耦性能好、结构紧凑的桥式放大机构来放大输入位移。

整个运动平台采用电火花加工技术整体加工，避免由于过多装配引入的误差，整体结构紧凑，运动精度高。

刚度调节组件2采用一种对称性好，运动方向变形大的结构，该结构对称布置，保护压电陶瓷受到剪切力的作用，同时由于运动方向刚度小，可以避免压电陶瓷的输出力消耗于机构内部，使较大的输出力作用在柔性铰链203上，通过柔性铰链203推动杠杆放大机构202，实现杠杆放大机构202末端位移的放大，通过在杠杆放大机构202末端产生较大的位移，使板簧片201产生较大的变形，根据力与位移的关系，有较大的力作用在运动平台上，改变了运动平台的横向刚度。运动台103通过运动驱动组件1调节输出位移，刚度调节组件2调节输出频率。

本申请为一种单自由度频率实时调节的微位移平台，可用于精密制造中的快速定位、多频率扫描显微镜检测、复杂曲面精细加工等领域。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种动态频率实时可调的微位移运动平台，其特征在于，包括与运动台相连的运动驱动组件和刚度调节组件，运动驱动组件具有桥式放大机构，通过桥式放大机构放大运动台的输入位移；刚度调节组件具有杠杆放大机构，杠杆放大机构的末端设置板簧片，通过杠杆放大机构末端产生的位移使板簧片发生变形以改变运动台的输出频率。

2.根据权利要求1所述的一种动态频率实时可调的微位移运动平台，其特征在于，还包括外基座，刚度调节组件设于外基座内部，运动驱动组件嵌套于刚度调节组件的内部。

3.根据权利要求1所述的一种动态频率实时可调的微位移运动平台，其特征在于，所述运动台设置于板簧片与运动驱动组件之间，所述运动台与外基座之间固定有数据读取装置。

4.根据权利要求3所述的一种动态频率实时可调的微位移运动平台，其特征在于，所述数据读取装置包括测量运动台横向位移的第一光栅尺和测量运动台输出位移及动态频率的第二光栅尺。

5.根据权利要求4所述的一种动态频率实时可调的微位移运动平台，其特征在于，所述第一光栅尺进和第二光栅尺分别包括固定于运动台上标尺光栅和固定于外基座上的光栅读数头。

6.根据权利要求1所述的一种动态频率实时可调的微位移运动平台，其特征在于，所述桥式放大机构包括两个对称设置的压电陶瓷安装凸台，所述压电陶瓷安装凸台的内部通过楔形块连接第一压电驱动器，楔形块的顶部设有调节其预紧力的调节螺栓。

7.根据权利要求6所述的一种动态频率实时可调的微位移运动平台，其特征在于，所述压电陶瓷安装凸台的顶部通过安装螺栓与压电陶瓷盖板相连，所述调节螺栓穿过压电陶瓷盖板与楔形块接触。

8.根据权利要求1所述的一种动态频率实时可调的微位移运动平台，其特征在于，所述刚度调节组件包括输入机构，输入机构的两侧对称设有杠杆放大机构，两个杠杆放大机构的一端通过板簧片连接。

9.根据权利要求8所述的一种动态频率实时可调的微位移运动平台，其特征在于，所述输入机构的内部设有第二压电驱动器，第二压电驱动器的两端分别连接压电陶瓷安装凸台。

10.根据权利要求9所述的一种动态频率实时可调的微位移运动平台，其特征在于，所述压电陶瓷安装凸台通过柔性铰链与杠杆放大机构相连，压电陶瓷安装凸台通过折叠铰链与输入机构相连。