CN109079767A

CN109079767A - 一种三维可偏摆的高速精密微运动平台

Info

Publication number: CN109079767A
Application number: CN201811340450.XA
Authority: CN
Inventors: 高健; 张揽宇; 钟耿君; 梁俊朗; 张金迪; 刘亚超; 赵光同; 万宇; 王佳印
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2018-11-12
Filing date: 2018-11-12
Publication date: 2018-12-25
Anticipated expiration: 2038-11-12
Also published as: CN109079767B

Abstract

本申请公开了一种三维可偏摆的高速精密微运动平台，采用压电陶瓷配合单级杠杆组实现微位移放大，结构简单，具有响应速度快和控制方便的效果；同时，采用单级杠杆组，能够使得三维可偏摆的高速精密微运动平台的运动结构更加紧凑，有效地降低了装置的占地面积，能够同时满足响应速度快、控制方便和占地面积小的要求，解决了现有的缺少一种容易控制、响应速度快又占地面积小的位移放大机构的技术问题。

Description

一种三维可偏摆的高速精密微运动平台

技术领域

本申请涉及位移放大机构技术领域，尤其涉及一种三维可偏摆的高速精密微运动平台。

背景技术

压电陶瓷驱动器具有位移分辨率高、驱动力大、响应速度快、不受磁场干扰、结构简单等优点，因此其在微定位平台领域具有广泛的应用前景。

然而压电陶瓷伸长量有限，对于在5-30μm的输出运动范围，压电陶瓷驱动器可单独完成运动，无需借助其他设备，但是在执行系统输出要达到毫米甚至厘米级的领域，单一的依靠压电陶瓷驱动器完成作业是没法实现的。因此必须借助微位移放大机构来实现柔性铰链机构输出的微位移的放大和传递，以满足光学定位工作台的行程要求。柔性铰链以其无机械摩擦、无间隙及运动灵敏度高等优点成为光学精密定位平台及仪器研究热点。柔性铰链具有较好的运动特性和输出效果，柔性环节越多的位移放大机构，输出性能难以控制，同时，系统的动态响应速度也越慢；单级放大机构具有较好的输入输出线性关系，同时，响应速度也越快，但是，由于柔性放大机构应用的是杠杆放大原理，因此，柔性铰链的中间环节越少，机构占地面积就越大。

因此，如何设计一种容易控制、响应速度快又占地面积小的位移放大机构，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本申请提供了一种三维可偏摆的高速精密微运动平台，用于解决现有的缺少一种容易控制、响应速度快又占地面积小的位移放大机构的技术问题。

本申请提供了一种三维可偏摆的高速精密微运动平台，包括：单级杠杆组和动平台；

所述单级杠杆组包括：连杆、第一柔性铰链、第二柔性铰链、末端铰链、压电陶瓷、杠杆臂；

所述连杆的一端通过所述第一柔性铰链与所述杠杆臂的一端连接；

所述末端铰链与所述杠杆臂的另一端连接；

所述压电陶瓷的底端固定，所述压电陶瓷的顶端通过所述第二柔性铰链与所述杠杆臂连接；

所述末端铰链与所述动平台连接；

所述末端铰链包括：上固定平台、下固定平台、第一柔性片和第二柔性片；

所述第一柔性片和所述第二柔性片呈十字交叉一体化连接，设置于所述上固定平台与所述下固定平台之间，并分别通过所述上固定平台与所述动平台连接，通过所述下固定平台与所述杠杆臂连接；

所述单级杠杆组的数量为3个，3个所述单级杠杆组的所述末端铰链作为等边三角形的三个顶点，呈等边三角形连接。

优选地，所述等边三角形的三个边错位连接。

优选地，所述三维可偏摆的高速精密微运动平台还包括：基座；

所述单级杠杆组固定在所述基座上。

优选地，所述连杆为L形连杆。

优选地，所述第一柔性铰链和所述第二柔性铰链均为直梁型柔性铰链。

优选地，所述第一柔性片和所述第二柔性片均为直圆柔性片。

优选地，所述动平台为圆形动平台。

优选地，所述杠杆臂为棱柱形杠杆臂。

优选地，所述动平台上设置有第一螺栓固定位，所述上固定平台通过第一螺栓固定在所述第一螺栓固定位上。

优选地，所述杠杆臂上设置有与所述下固定平台的固定孔对应的第二螺栓固定位，所述下固定平台通过第二螺栓固定在所述第二螺栓固定位上。

从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：

本申请中提供的一种三维可偏摆的高速精密微运动平台，包括：单级杠杆组和动平台；单级杠杆组包括：连杆、第一柔性铰链、第二柔性铰链、末端铰链、压电陶瓷、杠杆臂；连杆的一端通过第一柔性铰链与杠杆臂的一端连接；末端铰链与杠杆臂的另一端连接；压电陶瓷的底端固定，压电陶瓷的顶端通过第二柔性铰链与杠杆臂连接；末端铰链与动平台连接；末端铰链包括：上固定平台、下固定平台、第一柔性片和第二柔性片；第一柔性片和第二柔性片呈十字交叉一体化连接，设置于上固定平台与下固定平台之间，并分别通过上固定平台与动平台连接，通过下固定平台与杠杆臂连接；单级杠杆组的数量为3个，3个单级杠杆组的末端铰链作为等边三角形的三个顶点，呈等边三角形连接。本申请提供的三维可偏摆的高速精密微运动平台，采用压电陶瓷配合单级杠杆组实现微位移放大，结构简单，具有响应速度快和控制方便的效果；同时，采用3个单级杠杆组呈等边三角形连接，能够使得三维可偏摆的高速精密微运动平台的运动结构更加紧凑，有效地降低了装置的占地面积，能够同时满足响应速度快、控制方便和占地面积小的要求，解决了现有的缺少一种容易控制、响应速度快又占地面积小的位移放大机构的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请实施例中提供的一种三维可偏摆的高速精密微运动平台的整体结构示意图；

图2为本申请实施例中提供的一种三维可偏摆的高速精密微运动平台的单级杠杆组的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种三维可偏摆的高速精密微运动平台去除动平台时的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种三维可偏摆的高速精密微运动平台的末端铰链的结构示意图；

图5本申请实施例中提供的压电陶瓷对单级杠杆组输入输出作用示意图；

图6为本申请实施例中提供的一种三个单级杠杆组普通摆放时的结构俯视图；

图7为本申请实施例中提供的一种三个单级杠杆组错位摆放时的结构俯视图；

其中，附图标记为：

1、动平台；2、基座；3、单级杠杆组；11、第一螺栓固定位；31、第一柔性铰链；32、第二柔性铰链；33、杠杆臂；34、连杆；35、压电陶瓷；36、末端柔性铰链；361、上固定平台；362、下固定平台；363、第一柔性片；364、第二柔性片。

具体实施方式

本申请实施例公开了一种三维可偏摆的高速精密微运动平台，用于解决现有的缺少一种容易控制、响应速度快又占地面积小的位移放大机构的技术问题。

请参阅图1至图5，本申请提供了一种三维可偏摆的高速精密微运动平台的一个实施例，本申请实施例提供的三维可偏摆的高速精密微运动平台，包括：单级杠杆组3和动平台1；

单级杠杆组3包括：连杆34、第一柔性铰链31、第二柔性铰链32、末端铰链36、压电陶瓷35、杠杆臂33；

连杆34的一端通过第一柔性铰链31与杠杆臂33的一端连接；

末端铰链36与杠杆臂33的另一端连接；

压电陶瓷35的底端固定，压电陶瓷35的顶端通过第二柔性铰链32与杠杆臂33连接；

末端铰链36与动平台1连接；

末端铰链36包括：上固定平台361、下固定平台362、第一柔性片363和第二柔性片364；

第一柔性片363和第二柔性片364呈十字交叉一体化连接，设置于上固定平台361与下固定平台362之间，并分别通过上固定平台361与动平台1连接，通过下固定平台362与杠杆臂33连接；

单级杠杆组3的数量为3个，3个单级杠杆组3的末端铰链36作为等边三角形的三个顶点，呈等边三角形连接。

需要说明的是，柔性铰链是通过金属的变形从而产生旋转和位移的传递，好处是可以克服以往的通过两个机械结构连接而成的铰链总是有存在间隙和摩擦，但是，在使得金属片产生形变的过程中，必定要消耗能量，从受力到产生变形会有一定的时间差，从输入位移到最后的位移输出不可能是按照设定的N倍位移放大，可能是小于N倍位移输出，也可能是大于N倍位移输出，这就存在了误差，尤其是在多级柔性杠杆放大机构中，误差将会更加明显，同时，控制难度也更加困难，响应起来更慢，而单级杠杆放大的线性度是最好的，误差能够减到最小，相对于多级柔性杠杆放大机构控制简单，响应速度快，但是，要放大N倍的位移输出，那么整个补偿结构的占地面积就会相对于动平台的面积多出一倍多，而本申请实施例中的三维可偏摆的高速精密微运动平台，保持了系统具有较好的响应速度和线性输出关系，同时又克服了单级放大机构占地面积大，结构不紧凑的问题。

本申请实施例中，单级杠杆组3采用一体化设计，可以减少中间连接环节，减少误差累积，从而提高误差精度。采用压电陶瓷35作为微位移驱动器，以柔性铰链为支撑导向机构，具有位移分辨率高、驱动力大、响应速度快、不受磁场干扰、结构简单和控制方便的优点。采用单级杠杆组3设计，运动结构紧凑，能够有效减少占地面积。本申请实施例的三维可偏摆的高速精密微运动平台工作过程可以描述为：对压电陶瓷35输入驱动电压，压电陶瓷35通电之后会产生相应的微位移，第二柔性铰链32受到压电陶瓷35的作用力，从而使得杠杆臂33整体以第一柔性铰链31为旋转点向上偏转，末端铰链36的第一柔性片363和第二柔性片364之间由于机械结构的运动机理关系响应的发生偏转，使得动平台1产生相应的放大位移。当然，可以理解的是，由于三个单级杠杆组3的第一柔性铰链31都可以作为，且可以同时作为支撑点或旋转点。

本申请实施例中提供的一种三维可偏摆的高速精密微运动平台，包括：单级杠杆组3和动平台1；单级杠杆组3包括：连杆34、第一柔性铰链31、第二柔性铰链32、末端铰链36、压电陶瓷35、杠杆臂33；连杆34的一端通过第一柔性铰链31与杠杆臂33的一端连接；末端铰链36与杠杆臂33的另一端连接；压电陶瓷35的底端固定，压电陶瓷35的顶端通过第二柔性铰链32与杠杆臂33连接；末端铰链36与动平台连接；末端铰链36包括：上固定平台361、下固定平台362、第一柔性片363和第二柔性片364；第一柔性片363和第二柔性片364呈十字交叉一体化连接，设置于上固定平台361与下固定平台362之间，并分别通过上固定平台361与动平台1连接，通过下固定平台362与杠杆臂33连接；单级杠杆组3的数量为3个，3个单级杠杆组3的末端铰链36作为等边三角形的三个顶点，呈等边三角形连接。本申请提供的三维可偏摆的高速精密微运动平台，采用压电陶瓷35配合单级杠杆组3实现微位移放大，结构简单，具有响应速度快和控制方便的效果；同时，采用3个单级杠杆组3呈等边三角形连接，能够使得三维可偏摆的高速精密微运动平台的运动结构更加紧凑，有效地降低了装置的占地面积，能够同时满足响应速度快、控制方便和占地面积小的要求，解决了现有的缺少一种容易控制、响应速度快又占地面积小的位移放大机构的技术问题。

以上是本申请提供的一种三维可偏摆的高速精密微运动平台的一个实施例，以下是本申请提供的一种三维可偏摆的高速精密微运动平台的另一个实施例。

请参阅图1至图5，本申请提供了一种三维可偏摆的高速精密微运动平台的另一个实施例，本申请实施例提供的三维可偏摆的高速精密微运动平台，包括：单级杠杆组3和动平台1；

单级杠杆组包括：连杆34、第一柔性铰链31、第二柔性铰链32、末端铰链36、压电陶瓷35、杠杆臂33；

连杆34的一端通过第一柔性铰链31与杠杆臂33的一端连接；

末端铰链36与杠杆臂33的另一端连接；

末端铰链36与动平台1连接；

第一柔性片363和第二柔性片364呈十字交叉一体化连接，设置于上固定平台363与下固定平台364之间，并分别通过上固定平台363与动平台1连接，通过下固定平台364与杠杆臂33连接；

进一步地，等边三角形的三个边错位连接。

需要说明的是，本申请实施例中，3个末端铰链36为等边三角形的3个顶点，3个末端铰链36所在的杠杆臂33为等边三角形的3个边，等边三角形的三个边错位连接，即为三边交错相连，形成的如图3所示的错位三角形连接。

进一步地，三维可偏摆的高速精密微运动平台还包括：基座2；

单级杠杆组固定在基座2上。

需要说明的是，为了增加三维可偏摆的高速精密微运动平台的安装稳定性，还可以设计基座2，将单级杠杆组3固定在基座2上。

进一步地，连杆34为L形连杆。

进一步地，第一柔性铰链31和第二柔性铰链32均为直梁型柔性铰链。

进一步地，第一柔性片363和第二柔性片364均为直圆柔性片。

进一步地，动平台1为圆形动平台。

进一步地，杠杆臂33为棱柱形杠杆臂。

进一步地，动平台1上设置有第一螺栓固定位11，上固定平台361通过第一螺栓固定在第一螺栓固定位11上。

进一步地，杠杆臂33上设置有与下固定平台362的固定孔对应的第二螺栓固定位，下固定平台362通过第二螺栓固定在第二螺栓固定位上。

为了便于理解，请参阅图1至图7，图6为本申请实施例中提供的一种三个单级杠杆组普通摆放时的结构俯视图，当采用如图6所示的普通摆放方式时，整个平台的占地面积会相当于动平台1的两倍面积以上，而这并不是最佳的减小占地面积的方式，因为，本申请实施例中采用图7所示的错位摆放方式，可以在图6的基础上将单级杠杆组3同时顺时针或逆时针旋转120度，获得错位的等边三角形结构，能够在减少占地面积，且能获得更好的输出效果。请参阅图1至图5，在单级杠杆组3的杠杆臂33所在直线方向上建立局部坐标系X轴，在U_out1的方向上建立局部坐标系Z轴，并根据X轴和Z轴确定Y轴方向，在对压电陶瓷35上电后，压电陶瓷35本身将发生形变，对第二柔性铰链32连接端施加向上的压力作用，第二柔性铰链32发生位移，即第二柔性铰链32产生微运动，杠杆臂33以第一柔性铰链31为支点，发生向上偏转位移，从而使得动平台得到一定放大位移的偏转，通过杠杆臂33的位移放大作用，压电陶瓷35的微小位移将按照一定比例进行放大，本申请实施例中，位移放大比例为5.4:1，即图5中的l₂:l₁，压电陶瓷35输入位移为U_in1＝10μm，可以得到U_out1＝54μm的位移输出。

另外，对于本申请实施例中提供的一种三维可偏摆的高速精密微运动平台，下面对三维偏摆的机理实现进行简单说明：

1、绕X轴偏转机理：当压电陶瓷通电产生位移后，推动第二柔性铰链向上运动，此时，第一柔性铰链产生偏转，使得杠杆臂以第一柔性铰链为支点向上偏转，进一步的，三个末端铰链由于机械结构的运动机理，其第一柔性片和/或第二柔性片发生弯曲变形，具体的，一个末端铰链产生绕Y轴的偏转，其余铰链产生绕X的偏转，如此，可实现运动平台的绕X轴转动。

2、绕Y轴偏转机理与绕X轴偏转机理类似，在此不再进行详细赘述。

3、Z轴轴向位移的实现：Z轴的轴向实现依赖三个杠杆组的压电陶瓷同时驱动，产生相同位移，该过程中，柔性第二柔性铰链向上偏移，第一柔性铰链作为支点产生偏转，由于机械结构的运动机理，末端铰链产生向Z轴的轴向位移和绕Y轴的偏摆。在整个机构中，通过控制压电的伸长(缩短)带动与它相连的柔性铰链产生形变，进而带动平台在这边角落的上升(下降)，从而使平台产生俯仰。具体地，包括通过使三个压电陶瓷各自伸长或缩短一定的量，就可控制平台往不同方向俯仰一定的角度。如果三个压电陶瓷伸长或缩短相同的量，则实现了平台的Z轴平移运动。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种三维可偏摆的高速精密微运动平台，其特征在于，包括：单级杠杆组和动平台；

所述末端铰链与所述杠杆臂的另一端连接；

所述末端铰链与所述动平台连接；

2.根据权利要求1所述的三维可偏摆的高速精密微运动平台，其特征在于，所述等边三角形的三个边错位连接。

3.根据权利要求1所述的三维可偏摆的高速精密微运动平台，其特征在于，所述三维可偏摆的高速精密微运动平台还包括：基座；

所述单级杠杆组固定在所述基座上。

4.根据权利要求3所述的三维可偏摆的高速精密微运动平台，其特征在于，所述连杆为L形连杆。

5.根据权利要求1所述的三维可偏摆的高速精密微运动平台，其特征在于，所述第一柔性铰链和所述第二柔性铰链均为直梁型柔性铰链。

6.根据权利要求1所述的三维可偏摆的高速精密微运动平台，其特征在于，所述第一柔性片和所述第二柔性片均为直圆柔性片。

7.根据权利要求1所述的三维可偏摆的高速精密微运动平台，其特征在于，所述动平台为圆形动平台。

8.根据权利要求1所述的三维可偏摆的高速精密微运动平台，其特征在于，所述杠杆臂为棱柱形杠杆臂。

9.根据权利要求1所述的三维可偏摆的高速精密微运动平台，其特征在于，所述动平台上设置有第一螺栓固定位，所述上固定平台通过第一螺栓固定在所述第一螺栓固定位上。

10.根据权利要求1所述的三维可偏摆的高速精密微运动平台，其特征在于，所述杠杆臂上设置有与所述下固定平台的固定孔对应的第二螺栓固定位，所述下固定平台通过第二螺栓固定在所述第二螺栓固定位上。