CN108962336A - 一种基于压电驱动的二维并联柔性微动平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于压电驱动的二维并联柔性微动平台，包括固定框架和工作台，工作台设在固定框架的中部，工作台的四周均设有结构相同的T形位移解耦柔性机构，各个相邻的T形位移解耦柔性机构均互相垂直，其中两个相邻的T形位移解耦柔性机构的外侧均设置结构相同的对称式位移放大柔性机构，固定框架上靠近对称式位移放大柔性机构的两个侧面的内侧面上均设有凹槽，凹槽内设有压电叠堆驱动器，压电叠堆驱动器的位移驱动端与对称式位移放大柔性机构相接触。本发明能够实现消除XY轴向的交叉耦合位移，定位精度高且行程达100µm或以上，能够满足纳米级精度的要求，此外，该微动平台结构紧凑、抗干扰能力强、加工成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于压电驱动的二维并联柔性微动平台，属于微纳操纵与纳米精度定位技术领域。
背景技术
随着微纳米技术的兴起和迅猛发展，在微电子技术、微机电系统、超精密加工、生命工程、生物医学等众多技术领域中，迫切需要高精度，高分辨率，高可靠性的纳微米级精度定位系统。目前微纳米精度定位通常采用压电陶瓷驱动与柔性机构传动相结合的方式实现。柔性铰链式微位移机构具有结构紧凑、体积小、无机械摩擦、无间隙、无爬行、机械谐振率高、抗震动干扰能力强等优点，采用压电陶瓷驱动器则很容易实现高分辨率的位移。然而，基于压电驱动的柔性二维微动平台通常存在驱动位移小、轴向交叉位移耦合难消除等问题。
目前，有很多研究学者对上述问题进行研究，但是仍存在一些问题。例如，YangminLi等人（Yangmin Li and Qingsong Xu. Design and Analysis of a Totally DecoupledFlexure-Based XY Parallel Micromanipulator. IEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICS,2009，25（3）：645-657）提出一种完全解耦的柔性二维微动台，该微动台采用四组双复合平行四边形柔性机构解决了XY两轴间的交叉耦合问题，并采用桥式位移放大柔性机构对压电驱动器的位移进行放大。但该微动台结构较复杂，平台整体尺寸较大，加工成本较高，并且压电驱动器为非固定件，增加了其装配难度，降低微动台的整体固有频率。中国专利授权号CN 101738855 B，名称为“二自由度柔性微定位工作台”的专利，公开了一种二自由度柔性微动台，其采用杠杆式位移放大柔性机构、复合平行四边形柔性导向机构与平行四边形柔性解耦机构实现微动台在XY两轴向的位移放大与输出位移解耦。但是该微动台结构不对称，不能最大程度地消除轴向耦合误差，并且该微动台中位移放大机构的位移放大系数较小，限制了微动台的运动范围。中国专利公布号 CN 103225710 A，名称为“一种压电陶瓷驱动的二维并联微动平台”的专利，公开了一种二维并联微动台，其采用二级位移放大机构、复合平行四杆导向机构与L形解耦机构实现微动台在XY两轴向的精确定位，但是微动台中的放大机构为反向传动，造成结构复杂，整体尺寸较大，加工费用高。中国专利授权号 CN101862966 B，名称为“二自由度平动并联解耦微动平台”，该微动平台采用复合双平行板簧式铰链实现轴间的位移解耦功能，从而消除耦合与寄生位移，提高其二维运动精度。其不足之处是没有位移放大机构，其行程较小，平台整体尺寸较大，谐振频率较小，抗干扰能力较弱。
发明内容
本发明要解决的技术问题是二维平动并联微动平台中轴间耦合问题与位移放大问题，为解决上述问题，本发明在已有的典型柔性导向机构、柔性位移放大机构以及二维柔性微动台的基础上，提供一种基于压电驱动的二维并联柔性微动平台，它能够消除轴间耦合位移、输出位移范围大，位移容易控制，定位精度高、并且具有结构简约紧凑，有较高的固有频率，抗外界干扰能力较强且加工成本低的优点。
本发明的目的是以下述方式实现的：
一种基于压电驱动的二维并联柔性微动平台，包括固定框架1和工作台4，工作台4设在固定框架1的中部，工作台4的四周均设有结构相同的T形位移解耦柔性机构，各个相邻的T形位移解耦柔性机构均互相垂直，其中两个相邻的T形位移解耦柔性机构的外侧均设置结构相同的对称式位移放大柔性机构，固定框架1上靠近对称式位移放大柔性机构的两个侧面的内侧面上均设有凹槽7，凹槽7内设有压电叠堆驱动器，压电叠堆驱动器的位移驱动端与对称式位移放大柔性机构相接触，T形位移解耦柔性机构与对称式位移放大柔性机构同用至少一个连杆与柔性铰链，T形位移解耦柔性机构、对称式位移放大柔性机构、压电叠堆驱动器与工作台4整体关于压电叠堆驱动器的位移输出轴线对称。
所述T形位移解耦柔性机构由竖向板簧6、两个横向连杆3与两个柔性铰链Ⅱ5组成，竖向板簧6位于T形位移解耦柔性机构的中心线上，竖向板簧6外端的两侧均依次连接一个柔性铰链Ⅱ5和横向连杆3，竖向板簧6的自由内端连接工作台4的外侧壁中心，横向连杆3的自由端连接柔性铰链Ⅰ2，柔性铰链Ⅰ2连接固定框架1，T形位移解耦柔性机构与工作台4整体关于竖向板簧6的轴线对称。
所述T形位移解耦柔性机构中两个横向连杆3与柔性铰链Ⅱ5分别是对称式位移放大柔性机构中两个相互对称的杠杆放大机构的杠杆与位移输出点柔性铰链，横向连杆3的自由端与连接在固定框架1上的柔性铰链Ⅰ2也是杠杆放大机构的支点柔性铰链，杠杆放大机构的柔性铰链Ⅲ15位于T形位移解耦柔性机构中横向连杆3的外侧且靠近柔性铰链Ⅰ2的一端，两个柔性铰链Ⅲ15连接动力传递板11，动力传递板11的底面中间处有一个凸台8，凸台8与压电叠堆驱动器的位移驱动端接触。
所述对称式位移放大柔性机构为对称式单级杠杆位移放大柔性机构、对称式二级杠杆位移放大柔性机构或对称式Scott-Russell位移放大柔性机构中的任一种。
所述凹槽7的底面开有预紧用螺纹通孔，固定框架1表面的四个角位置各开有一个螺纹孔Ⅰ9，固定框架1表面上在凹槽7两侧的上表面各开有一个螺纹孔Ⅱ12。
所述工作台4为中部有方孔的方形框架结构，工作台4表面的四个角位置各开有一个螺纹孔Ⅲ16。
所述柔性铰链Ⅱ5是单边直圆形、直圆形、椭圆形或矩形中的一种。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1. 设计了T形位移解耦柔性机构和对称式双杠杆位移放大柔性机构，T形位移解耦柔性机构能够消除XY轴向的交叉耦合位移与旋转量，提高微动平台的开环定位精度，对称式位移放大柔性机构能够放大XY轴向的运动范围，使微动平台的行程高达100 µm或以上；
2. T形位移解耦柔性机构与对称式位移放大柔性机构的结构简单，两者同用一个连杆与若干个柔性铰链，进一步简化结构，使微动平台整体结构紧凑，尺寸小，降低整体质重量，提高其固有频率与抗干扰性能，并且该微动平台的整体生产成本低。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是对称式二级杠杆位移放大柔性机构的结构示意图。
图3是对称式Scott-Russell位移放大柔性机构的结构示意图。
其中，1是固定框架；2是柔性铰链Ⅰ；3是横向连杆；4是工作台；5是柔性铰链Ⅱ；6是竖向板簧；7是凹槽；8是凸台；9是螺纹孔Ⅰ；10是压电叠堆驱动器Ⅱ；11是动力传递板；12是螺纹孔Ⅱ；13是预紧螺钉；14是压电叠堆驱动器Ⅰ；15是柔性铰链Ⅲ；16是螺纹孔Ⅲ；17是固定板；18是螺纹孔Ⅳ；19是位移放大杠杆；20是柔性铰链Ⅳ；21是柔性铰链Ⅴ；22是驱动板；23是柔性铰链Ⅵ；24是下连杆；25是柔性铰链Ⅶ；26是L型连杆；27是柔性铰链Ⅷ。
具体实施方式
如图1所示，一种基于压电驱动的二维并联柔性微动平台，包括微动平台主体，微动平台主体是采用线切割整体加工一定厚度的板材而成，按各部分功能分为固定框架1、工作台4、四个T形位移解耦柔性机构、两个对称式位移放大柔性机构四个部分；工作台4设在固定框架1的中部，工作台4的四周外侧面均设有结构相同的T形位移解耦柔性机构，各个相邻的T形位移解耦柔性机构均互相垂直，其中两个相邻的T形位移解耦柔性机构的外侧均设置结构相同的对称式位移放大柔性机构，固定框架1上靠近对称式位移放大柔性机构的两个侧面的内侧面上均设有凹槽7，凹槽7内设有压电叠堆驱动器14，压电叠堆驱动器的位移驱动端与对称式位移放大柔性机构相接触，T形位移解耦柔性机构与对称式位移放大柔性机构同用至少一个连杆与柔性铰链，即同用两个横向连杆3和柔性铰链Ⅰ2、柔性铰链Ⅱ5，此处的柔性铰链Ⅱ5是单边直圆形的，T形位移解耦柔性机构、对称式位移放大柔性机构、压电叠堆驱动器14与工作台4整体关于压电叠堆驱动器14的位移输出轴线对称。上述对称式位移放大柔性机构中的每个放大机构均由支点柔性铰链、杠杆、动力作用点柔性铰链、位移输出点柔性铰链与动力传递板组成。在本发明中，动力作用点柔性铰链为柔性铰链Ⅲ15。
优选地，所述T形位移解耦柔性机构由竖向板簧6、两个横向连杆3与两个柔性铰链Ⅱ5组成，竖向板簧6位于T形位移解耦柔性机构的中心线上，竖向板簧6外端的两侧均依次连接一个柔性铰链Ⅱ5和横向连杆3，竖向板簧6的自由内端连接工作台4的外侧壁中心，横向连杆3的自由端连接柔性铰链Ⅰ2，柔性铰链Ⅰ2连接固定框架1，T形位移解耦柔性机构与工作台4整体关于竖向板簧6的轴线对称。
优选的，所述T形位移解耦柔性机构中两个横向连杆3与柔性铰链Ⅱ5分别是对称式位移放大柔性机构中两个相互对称的杠杆放大机构的杠杆与位移输出点柔性铰链，横向连杆3的自由端与连接在固定框架1上的柔性铰链Ⅰ2也是杠杆放大机构的支点柔性铰链，杠杆放大机构的柔性铰链Ⅲ15位于T形位移解耦柔性机构中横向连杆3的外侧且靠近柔性铰链Ⅰ2的一端，即同用两个横向连杆3和柔性铰链Ⅰ2、柔性铰链Ⅱ5，两个柔性铰链Ⅲ15连接动力传递板11，动力传递板11的底面中间处有一个凸台8，凸台8与压电叠堆驱动器14的位移驱动端接触，且形成点接触。
所述对称式位移放大柔性机构为对称式单级杠杆位移放大柔性机构（参见图1）、对称式二级杠杆位移放大柔性机构（参见图2）或对称式Scott-Russell位移放大柔性机构（参见图3）中的任一种。
优选地，所述凹槽7的底面开有预紧用螺纹通孔，预紧用螺纹通孔里设有预紧螺钉13，预紧螺钉13用于将压电叠堆驱动器14的底面顶紧，对称式位移放大柔性机构、压电叠堆驱动器14、预紧螺钉13与工作台4整体关于压电叠堆驱动器14的位移输出轴线对称；固定框架1表面的四个角位置各开有一个螺纹孔Ⅰ9，固定框架1表面上在凹槽7两侧的上表面各开有一个螺纹孔Ⅱ12。
优选地，所述工作台4为中部有方孔的方形框架结构，工作台4表面的四个角位置各开有一个螺纹孔Ⅲ16。
所述柔性铰链Ⅱ5是单边直圆形、直圆形、椭圆形或矩形中的一种。
本发明工作时，将微动平台通过固定框架1中的螺纹孔Ⅰ9与螺纹孔Ⅱ12用相对应的螺钉紧固在实验用底座上，被定位目标物体通过工作台4中的螺纹孔Ⅲ16用相对应的螺钉紧固在工作台4上，两路压电驱动电源分别接入X、Y向压电叠堆驱动器Ⅰ14，安装两路高精度位移传感器分别测量被定位目标物体在X、Y向的位移。在进行开环定位时，根据被定位目标物体的预期位置，如X向位移x1，Y向位移y1，对X、Y向压电叠堆驱动器分别施加驱动电压V1、V2使被定位目标物体定位在预期位置（或附近）。在进行闭环控制定位时，增加控制器及相应控制算法，将两路高精度位移传感器的输出信号接入控制器、控制器的两路输出信号接入相应的两路压电驱动电源，进而控制微动平台在X、Y向的输出位移。
当本发明的对称式位移放大柔性机构为对称式二级杠杆位移放大柔性机构时，其中一个对称式二级杠杆位移放大柔性机构的结构如图2所示，对称式二级杠杆位移放大柔性机构共同用一个固定板17与一个驱动板22，固定板17与位移放大杠杆19之间的柔性铰链Ⅴ21是杠杆支点，驱动板22与位移放大杠杆19之间的柔性铰链Ⅳ20是驱动点，位移放大杠杆19的上面与T形位移解耦柔性机构由柔性铰链Ⅲ15连接，对称式二级杠杆位移放大柔性机构整体关于竖向板簧6的轴线对称。实施时，将固定板17通过固定板17上的两个螺纹孔18固定于实验用底座并与工作台4框架固定连接，压电叠堆驱动器Ⅰ14的驱动面与驱动板22接触，并由预紧螺钉13施加预紧力；预紧螺钉13、压电叠堆驱动器Ⅰ14、固定板17关于竖向板簧6的轴线对称。
当本发明的对称式位移放大柔性机构为对称式Scott-Russell位移放大柔性机构时，其中一个对称式Scott-Russell位移放大柔性机构的结构如图3所示，单个Scott-Russell位移放大柔性机构包括L型连杆26和下连杆24。下连杆24与工作台4框架通过柔性铰链Ⅵ23连接，L型连杆26的短臂端设有柔性铰链Ⅷ27，由压电叠堆驱动器Ⅱ10推动柔性铰链Ⅷ27向右移动，L型连杆26的长臂端内侧与下连杆24通过柔性铰链Ⅶ25连接，L型连杆26的长臂端外侧与T形位移解耦柔性机构由柔性铰链Ⅲ15连接，是Scott-Russell位移放大机构的位移输出端；为实现位移放大，柔性铰链Ⅷ27的中心至柔性铰链Ⅶ25的中心距离等于柔性铰链Ⅵ23的中心至柔性铰链Ⅶ25的中心距离，并且柔性铰链Ⅷ27的中心点至柔性铰链Ⅵ23中心点的直线、柔性铰链Ⅲ15的中心点至柔性铰链Ⅷ27中心点的直线与柔性铰链Ⅲ15的中心点至柔性铰链Ⅵ23中心点的直线构成直角三角形，柔性铰链Ⅲ15的中心点至柔性铰链Ⅷ27中心点的直线为斜边，柔性铰链Ⅷ27的中心点至柔性铰链Ⅵ23中心点之间的直线距离大于柔性铰链Ⅲ15的中心点至柔性铰链Ⅵ23中心点之间的直线距离。对称式Scott-Russell位移放大柔性机构与其间的压电叠堆驱动器Ⅱ10关于竖向板簧6的轴线对称，并且压电叠堆驱动器Ⅱ10的输出位移方向垂直于竖向板簧6的轴线。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。
Claims (7)
1.一种基于压电驱动的二维并联柔性微动平台，其特征在于：包括固定框架（1）和工作台（4），工作台（4）设在固定框架（1）的中部，工作台（4）的四周均设有结构相同的T形位移解耦柔性机构，各个相邻的T形位移解耦柔性机构均互相垂直，其中两个相邻的T形位移解耦柔性机构的外侧均设置结构相同的对称式位移放大柔性机构，固定框架（1）上靠近对称式位移放大柔性机构的两个侧面的内侧面上均设有凹槽（7），凹槽（7）内设有压电叠堆驱动器，压电叠堆驱动器的位移驱动端与对称式位移放大柔性机构相接触，T形位移解耦柔性机构与对称式位移放大柔性机构同用至少一个连杆与柔性铰链，T形位移解耦柔性机构、对称式位移放大柔性机构、压电叠堆驱动器与工作台（4）整体关于压电叠堆驱动器的位移输出轴线对称。
2.如权利要求1所述的基于压电驱动的二维并联柔性微动平台，其特征在于：所述T形位移解耦柔性机构由竖向板簧（6）、两个横向连杆（3）与两个柔性铰链Ⅱ（5）组成，竖向板簧（6）位于T形位移解耦柔性机构的中心线上，竖向板簧（6）外端的两侧均依次连接一个柔性铰链Ⅱ（5）和横向连杆（3），竖向板簧（6）的自由内端连接工作台（4）的外侧壁中心，横向连杆（3）的自由端连接柔性铰链Ⅰ（2），柔性铰链Ⅰ（2）连接固定框架（1），T形位移解耦柔性机构与工作台（4）整体关于竖向板簧（6）的轴线对称。
3.如权利要求2所述的基于压电驱动的二维并联柔性微动平台，其特征在于：所述T形位移解耦柔性机构中两个横向连杆（3）与柔性铰链Ⅱ（5）分别是对称式位移放大柔性机构中两个相互对称的杠杆放大机构的杠杆与位移输出点柔性铰链，横向连杆（3）的自由端与连接在固定框架（1）上的柔性铰链Ⅰ（2）也是杠杆放大机构的支点柔性铰链，杠杆放大机构的柔性铰链Ⅲ（15）位于T形位移解耦柔性机构中横向连杆（3）的外侧且靠近柔性铰链Ⅰ（2）的一端，两个柔性铰链Ⅲ（15）共同连接动力传递板（11），动力传递板（11）的底面中间处有一个凸台（8），凸台（8）与压电叠堆驱动器的位移驱动端接触。
4.如权利要求1所述的基于压电驱动的二维并联柔性微动平台，其特征在于：所述对称式位移放大柔性机构为对称式单级杠杆位移放大柔性机构、对称式二级杠杆位移放大柔性机构或对称式Scott-Russell位移放大柔性机构中的任一种。
5.如权利要求1所述的基于压电驱动的二维并联柔性微动平台，其特征在于：所述凹槽（7）的底面开有预紧用螺纹通孔，固定框架（1）表面的四个角位置各开有一个螺纹孔Ⅰ（9），固定框架（1）表面上在凹槽（7）两侧的上表面各开有一个螺纹孔Ⅱ（12）。
6.如权利要求1所述的基于压电驱动的二维并联柔性微动平台，其特征在于：所述工作台（4）为中部有方孔的方形框架结构，工作台（4）表面的四个角位置各开有一个螺纹孔Ⅲ（16）。
7.如权利要求2所述的基于压电驱动的二维并联柔性微动平台，其特征在于：所述柔性铰链Ⅱ（5）是单边直圆形、直圆形、椭圆形或矩形中的一种。
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