CN108461109A - 一种三平行导向式柔性解耦精密定位结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三平行导向式柔性解耦精密定位结构，包括固定平台，运动平台、四个桥式位移放大机构及四个解耦合机架，所述运动平台安装在固定平台的中央，在运动平台的四周通过柔性铰链对称安装四个桥式位移放大机构，在每一桥式位移放大机构的外侧均围绕安装一解耦合机架，所述解耦合机架分别与桥式位移放大机构及运动平台通过柔性铰链连接，平行于X向布置的任一所述桥式位移放大机构采用压电陶瓷驱动器驱动，平行于Y向布置的任一所述桥式放大机构采用压电陶瓷驱动器驱动。本发明采用基于双平行四杆机构的桥式位移放大机构，可以增大横向刚度，进而增大放大倍数；降低该机构对于加工误差、残余变形的敏感性。

Description

一种三平行导向式柔性解耦精密定位结构

技术领域

本发明属于微纳米操作领域，涉及压电驱动柔性精密定位结构，尤其是一种三平行导向式柔性解耦精密定位结构。

背景技术

随着纳米技术的发展，具有高精度、高分辨率的精密定位结构成为了微纳领域不可或缺的组成部分，广泛应用于微型产品组装、超精密加工和制造、X光刻、扫描电子显微镜、共聚焦显微镜等要求精细操作的领域。

目前，许多国内外学者对于压电驱动柔性精密定位结构都做了相关研究。Ellis将并联机构用于精密定位结构，并应用于生物技术和显微外科；Kim J J等提出了使用SR放大机构的单自由度精密定位结构；Saskatchewann大学学者研究了3-RRR平面三自由度精密定位结构。在国内，清华大学在公开号为CN104934075A的专利文件中公开了“大行程三维纳米柔性运动平台”，上海交通大学在公开号为CN101286369的专利文件中公开了“X-Y-Z三自由度串联式纳米级微定位工作台”，天津大学在公开号为CN107068201A、CN101738855A、CN101776851A的专利文件中公开了“单驱动式纯转动微定位平台”、“二自由度柔性微定位工作台”、“用于纳米压印光刻系统的三自由度微定位工作台”。

尽管国内外学者对压电驱动柔性精密定位结构做了大量的研究，但已有的精密定位结构大多存在刚度不足、没有完全解耦等问题，而且由于压电陶瓷的输出位移很小，通常在几微米到几十微米，对精密定位结构的运动范围考虑不足。

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三平行导向式柔性解耦精密定位结构，该系统具有精度高、刚度大、分辨率高、响应速度快、运动范围大、制造成本低等特点。

实现本发明目的的技术方案：

一种三平行导向式柔性解耦精密定位结构，该平台采用板材线切割一体成型，包括固定平台、在所述固定平台中央的运动平台、均布在所述运动平台周围的四个基于双平行四杆机构的桥式位移放大机构和解耦合机架。

所述固定平台为矩形框结构，在固定平台的四个角制有四个定位孔；所述固定平台中央为所述运动平台，所述运动平台周围对称布置四个所述桥式位移放大机构和四个所述解耦合机架；所述解耦合机架由多个梁和柔性铰链混联而成；平行于X向布置的任一所述桥式位移放大机构采用压电陶瓷驱动器I驱动，平行于Y向布置的任一所述桥式放大机构采用压电陶瓷驱动器II驱动；所述桥式位移放大机构基于双平行四杆机构，由两个一般的桥式位移放大机构嵌套并联而成；所述桥式位移放大机构输入端与所述压电陶瓷驱动器接触，输出端一端通过所述解耦合机架的所述柔性铰链与所述固定平台连接，另一端通过所述解耦合机架的所述柔性铰链与所述运动平台连接，带动所述运动平台移动；所述桥式位移放大机构有预紧螺栓，以预紧压电陶瓷。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明采用基于双平行四杆机构的桥式位移放大机构，可以增大横向刚度，进而增大放大倍数；降低该机构对于加工误差、残余变形的敏感性。

2、本发明桥式位移放大机构能够放大压电陶瓷的输出位移，满足微定位平台运动范围的需求；桥式位移放大机构的输出位移不存在耦合，且能克服温度漂移；桥式位移放大机构输出作用力为拉力，可以有效地防止与输出位移方向平行的细长柔性铰链受压失稳。

3、本发明运动方向上的两个解耦合机架可以通过局部变形，降低运动方向上的刚度，有助于提高运动放大倍数；运动方向正交方向上的两个对称的解耦合机架具有相同的刚度，等同于一个三平行导向机构，具有导向作用，并通过与运动方向正交布置的柔性铰链实现解耦，防止平台直接作用于桥式位移放大机构而造成的转动。

4、本发明采用板材线切割一体成型，不需要额外的材料，加工成本低。

5、本发明采用压电陶瓷驱动的三平行导向式柔性解耦精密定位结构，实现了XY平面内高精度、高分辨率的定位运动，并具有较高的固有频率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为桥式位移放大机构的结构示意图；

图3为解耦合机架5的结构及与运动平台的连接示意图；

图4为解耦合机架6的结构及与运动平台的连接示意图；

图5为解耦合机架9的结构及与运动平台的连接示意图；

图6为解耦合机架12的结构及与运动平台的连接示意图。

图中：1为运动平台，4为固定平台，3、8分别为压电陶瓷驱动器I、II，2、7、10、11为桥式位移放大机构，5、6、9、12为解耦合机架，2-1为桥式位移放大机构的输入端，2-4、2-6为桥式位移放大机构的输出端，2-2为桥式位移放大机构的柔性铰链，2-3为桥式位移放大机构的竖梁，2-5为预紧螺栓，5-1、6-1、9-1、12-1分别为解耦合机架5、6、9、12的柔性铰链I，5-2、6-2、9-2、12-2分别为解耦合机架5、6、9、12的柔性铰链II，5-3、6-3、9-3、12-3分别为解耦合机架5、6、9、12的连接梁，5-4、6-4、9-4、12-4分别为解耦合机架5、6、9、12的柔性铰链III，5-5、6-5、9-5、12-5分别为解耦合机架5、6、9、12的柔性铰链IV，5-6、6-6、9-6、12-6分别为解耦合机架5、6、9、12的梁I，5-7、6-7、9-7、12-7分别为解耦合机架5、6、9、12的梁II，5-8、6-8、9-8、12-8分别为解耦合机架5、6、9、12的梁III。(I，II，III，IV仅为了区分同一名称不同位置)

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，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图3，一种三平行导向式柔性解耦精密定位结构，包括固定平台4，运动平台1、四个桥式位移放大机构及四个解耦合机架，所述运动平台安装在固定平台的中央，在运动平台的四周通过柔性铰链对称安装四个桥式位移放大机构，在每一桥式位移放大机构的外侧均围绕安装一解耦合机架，所述解耦合机架分别与桥式位移放大机构及运动平台通过柔性铰链连接。如图1所示，其中两个桥式位移放大机构2、10和与其对应的两个解耦合机架5、9沿X向布置，另外两个桥式位移放大机构7、11和与其对应的两个解耦合机架6、12沿Y向布置；平行于X向布置的任一所述桥式位移放大机构2采用压电陶瓷驱动器I3驱动，平行于Y向布置的任一所述桥式放大机构7采用压电陶瓷驱动器II8驱动；

所述的桥式位移放大机构如图2所示，包括多个梁及多个柔性铰链，上横梁与下横梁平行间隔设置，在上横梁的内侧中部制出输入端2-1，在下横梁的内侧中部通过预紧螺栓2-5安装压电陶瓷驱动器，压电陶瓷驱动器的输出端与上横梁的输入端连接，在上、下横梁之间压电陶瓷驱动器的两侧通过柔性铰链2-2对称安装八个竖梁2-3，其中左侧排布四个竖梁，右侧排布四个竖梁，在每侧的四个竖梁之间通过柔性铰链连接一中横梁，两中横梁分别为桥式位移放大机构的两个输出端，其中一个输出端2-6通过解耦合机架的柔性铰链5-1连接运动平台，另一个输出端2-4连接解耦合机架。

所述桥式位移放大机构设有预紧螺栓2-5，以预紧所述压电陶瓷驱动器；与所述预紧螺栓配合的螺栓孔可在线切割之前加工；使用前，先装入所述预紧螺栓，再安装所述压电陶瓷驱动器。

所述的解耦合机架如图3所示，由多个梁及柔性铰链混联围成半框形，所述的解耦合机架通过两个连接梁5-7与运动平台连接、通过一个连接梁5-3与桥式位移放大机构连接，通过两个柔性铰链5-5及固定平台连接。

以X向运动为例，其中，两个与运动方向正交的解耦合机架5、9，其柔性铰链5-1、5-2、9-1、9-2的方向与解耦合机架对应的运动方向平行，其柔性铰链5-4、9-4的方向与解耦合机架对应的运动方向正交；与运动方向正交的两个解耦合机架6、12可以形成一个三平行导向机构，实现对所述运动平台的导向；除所述压电陶瓷驱动器之外的结构关于中心对称。

本发明的工作原理：

请参阅图1～图3，以X向运动为例，本发明在使用时，给压电陶瓷驱动器I3施加电压，推动输入端2-1，使桥式位移放大机构2发生变形，并从输出端II2-6输出位移，通过柔性铰链I5-1，拉动运动平台1沿X方向运动；输出端I2-4通过解耦合机架2和固定平台相连，在X方向无位移。运动平台1沿X方向运动后，通过梁9-7拉动柔性铰链9-2、梁9-8沿X方向运动，并使柔性铰链9-4变形；通过柔性铰链9-1拉动桥式位移放大机构10变形。运动平台1沿X方向运动后，通过梁5-7推动柔性铰链5-2、梁5-8沿X方向运动，并使柔性铰链5-4相对梁5-6变形。运动平台1沿X方向运动后，通过梁6-7带动柔性铰链6-2变形；运动平台1带动柔性铰链6-1变形；从而实现对桥式位移放大机构7的解耦合，防止其发生位移和转动。对解耦合机架12、桥式位移放大机构11的作用同上所述；解耦合机架6、12通过铰链6-1、6-2和12-1、12-2可以形成一个三平行导向机构，实现对动平台的导向。Y方向运动工作原理同上所述。综上所述，本发明的动平台可以实现XY平面内的二自由度平动，且无耦合位移。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种三平行导向式柔性解耦精密定位结构，其特征在于：包括固定平台，运动平台、四个桥式位移放大机构及四个解耦合机架，所述运动平台安装在固定平台的中央，在运动平台的四周通过柔性铰链对称安装四个桥式位移放大机构，在每一桥式位移放大机构的外侧均围绕安装一解耦合机架，所述解耦合机架分别与桥式位移放大机构及运动平台通过柔性铰链连接，平行于X向布置的任一所述桥式位移放大机构采用压电陶瓷驱动器驱动，平行于Y向布置的任一所述桥式放大机构采用压电陶瓷驱动器驱动。

2.根据权利要求1所述的三平行导向式柔性解耦精密定位结构，其特征在于：其中两个桥式位移放大机构和与其对应的两个解耦合机架沿X向布置，另外两个所述桥式位移放大机构和与其对应的两个解耦合机架沿Y向布置。

3.根据权利要求1所述的三平行导向式柔性解耦精密定位结构，其特征在于：所述桥式位移放大机构基于双平行四杆机构，由两个一般的桥式位移放大机构嵌套并联而成。

4.根据权利要求1所述的三平行导向式柔性解耦精密定位结构，其特征在于：所述桥式位移放大机构具有一个输入端及两个输出端，其中输入端与压电陶瓷驱动器接触或不接触，输出端一端通过解耦合机架与固定平台连接，另一端通柔性铰链与运动平台连接，带动运动平台移动。

5.根据权利要求1所述的三平行导向式柔性解耦精密定位结构，其特征在于：所述的解耦合机架由多个梁及柔性铰链混联围成半框形，并分别与运动平台、桥式位移放大机构及固定平台连接。

6.根据权利要求1所述的三平行导向式柔性解耦精密定位结构，其特征在于：在桥式位移放大机构上设有或不设有以预紧压电陶瓷的预紧螺栓。

7.根据权利要求1所述的三平行导向式柔性解耦精密定位结构，其特征在于：所述固定平台为矩形框结构，在固定平台的四个角制有四个定位孔。