CN109176420A - 一种中置移动关节式柔性解耦精密定位结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中置移动关节式柔性解耦精密定位结构,包括矩形框架结构的固定平台,所述固定平台中央设置有正方形框架结构的运动平台,所述运动平台的四周对称安装有四个与固定平台连接的桥式位移放大机构,每个所述桥式位移放大机构与运动平台之间均采用移动关节进行连接,其中两个所述桥式位移放大机构和与其对应的两个移动关节沿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移动关节沿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位移放大机构采用压电陶瓷驱动器驱动。本发明具有精度高、刚度大、输出解耦良好、输入解耦良好、制造成本低等特点。
Description
技术领域
本发明属于微纳米操作领域,更具体的说,是涉及一种中置移动关节式柔性解耦精密定位结构。
背景技术
随着科学技术的发展,IC封装、精密加工与制造、AFM、SEM、细胞操作等领域,都对高精度、大行程、高固有频率的精密定位结构提出了需求。
目前,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输入耦合、固有频率较低等问题,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,难以满足精密定位结构对运动范围的需求。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足,提供一种中置移动关节式柔性解耦精密定位结构,具有精度高、刚度大、输出解耦良好、输入解耦良好、制造成本低等特点。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的中置移动关节式柔性解耦精密定位结构,包括矩形框架结构的固定平台,所述固定平台中央设置有正方形框架结构的运动平台,所述运动平台的四周对称安装有四个与固定平台连接的桥式位移放大机构,每个所述桥式位移放大机构与运动平台之间均采用移动关节进行连接,其中两个所述桥式位移放大机构和与其对应的两个移动关节沿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移动关节沿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位移放大机构采用压电陶瓷驱动器驱动。
四个所述桥式位移放大机构均分为两类:
所述第一类桥式位移放大机构分别沿X、Y向各设置一个,所述第二类桥式位移放大机构包括平行设置的上横梁和下横梁,所述上横梁和下横梁内侧中部均设置有凸台作为输入端,所述上横梁和下横梁之间对称设置有两个中横梁,两个中横梁分别作为第一类桥式位移放大机构的两个输出端,其中一个输出端连接固定平台,另一个输出端连接移动关节;每个所述中横梁与上横梁、下横梁之间分别通过柔性铰链连接两个竖梁;
所述第二类桥式位移放大机构分别沿X、Y向各设置一个,所述第二类桥式位移放大机构仅在第一类桥式位移放大机构的基础上增加了压电陶瓷驱动器和预紧螺栓,所述压电陶瓷驱动器通过预紧螺栓固定于上横梁和下横梁的输入端之间,且所述压电陶瓷驱动器设置于两个中横梁之间。
所述移动关节包括平行设置的上层横梁和下层横梁,所述上层横梁包括沿直线设置的一个与桥式位移放大机构连接的长横梁和两个短横梁,两个短横梁分别设置于长横梁的两侧,所述长横梁和下层横梁之间通过两个长铰链连接,每个所述短横梁均连接有与运动平台连接的短竖梁,每个短横梁与下层横梁、短竖梁之间均通过短铰链连接有长竖梁。
与现有技术相比,本发明的技术方案所带来的有益效果是:
(1)本发明采用基于双平行四杆机构的桥式位移放大机构,可以增大放大倍数,增大横向刚度,进而减小输入耦合,可以有效的实现输入解耦和输出解耦;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,可以有效地防止移动关节中与输出位移方向平行的长铰链受压失稳。
(3)本发明运动方向正交方向上的两个对称的移动关节具有相同的刚度,等同于一个双平行四杆机构,具有导向作用,并通过移动关节的多级铰链变形,降低运动方向上的结构刚度,以减小桥式位移放大机构的转动,实现输入解耦。
(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器驱动的移动关节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是本发明中置移动关节式柔性解耦精密定位结构的结构示意图;
图2是本发明中第一类桥式位移放大机构的结构示意图;
图3是本发明中第二类桥式位移放大机构的结构示意图;
图4是本发明中移动关节的结构示意图。
附图标记:1固定平台;2运动平台;3移动关节;301长横梁;302短横梁;303下层横梁;304长铰链;305短铰链;306长竖梁;307短竖梁;A第一类桥式位移放大机构;B第二类桥式位移放大机构;4上横梁;5下横梁;6中横梁;7竖梁;8柔性铰链;9预紧螺栓;10压电陶瓷驱动器;11定位孔。
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。
如图1所示,本发明的中置移动关节式柔性解耦精密定位结构,包括矩形框架结构的固定平台1、正方形框架结构的运动平台2、四个桥式位移放大机构和四个移动关节3。本发明采用板材线切割一体成型,在固定平台1的四个角制有四个定位孔11。所述运动平台2安装在固定平台1中央,所述运动平台2的四周对称安装有四个与固定平台1连接的桥式位移放大机构,每个所述桥式位移放大机构与运动平台2之间均采用移动关节3进行连接。其中两个所述桥式位移放大机构和与其对应的两个移动关节3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移动关节3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采用压电陶瓷驱动器10驱动,平行于Y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10驱动。除压电陶瓷驱动器10之外,本发明的结构关于中心对称。
其中,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具有两个输出端,一个输出端与固定平台连接,另一个输出端通过移动关节与运动平台2连接,带动运动平台2移动。四个桥式位移放大机构均分为两类:
所述第一类桥式位移放大机构A分别沿X、Y向各设置一个,如图2所示,所述第一类桥式位移放大机构A包括平行设置的上横梁4和下横梁5,所述上横梁4和下横梁5内侧中部均设置有凸台作为输入端,所述上横梁4和下横梁5之间对称设置有两个中横梁6,两个中横梁6分别作为第一类桥式位移放大机构A的两个输出端,其中一个输出端连接固定平台1,另一个输出端连接移动关节3。每个所述中横梁6与上横梁4、下横梁5之间分别通过柔性铰链8连接两个竖梁7,共计八个竖梁7。
所述第二类桥式位移放大机构B分别沿X、Y向各设置一个,所述第二类桥式位移放大机构B采用压电陶瓷驱动器10驱动。所述第二类桥式位移放大机构B和第一类桥式位移放大机构A的结构类似,区别仅在于增加了压电陶瓷驱动器10驱动和预紧螺栓9,其余结构不变。如图3所示,所述第二类桥式位移放大机构B有多个梁和多个柔性铰链构成,包括平行间隔设置的上横梁4和下横梁5,所述上横梁4和下横梁5内侧中部均设置有凸台作为输入端,在上横梁4、下横梁5的内侧中部之间通过预紧螺栓9安装压电陶瓷驱动器10,压电陶瓷驱动器10的输出端与上横梁4、下横梁5的输入端连接。在上横梁4、下横梁5之间压电陶瓷驱动器10的两侧分别对称设置有中横梁6,两个中横梁6分别作为第二类桥式位移放大机构B的两个输出端,其中一个输出端连接固定平台1,另一个输出端连接移动关节3。每个所述中横梁6与上横梁4、下横梁5之间分别通过柔性铰链8连接两个竖梁7,共计八个竖梁7。
其中,所述第二类桥式位移放大机构B设有预紧螺栓9,以预紧压电陶瓷驱动器10。上横梁4设置有与预紧螺栓9配合的螺孔,可在线切割之前加工。使用前,先装入压电陶瓷驱动器10,再安装预紧螺栓9,并调整预紧力。
如图4所示,所述移动关节3由多个梁和多个柔性铰链混联而成,并分别与运动平台2、桥式位移放大机构连接。所述移动关节3包括平行设置的上层横梁和下层横梁303,所述上层横梁包括沿直线设置的一个长横梁301和两个短横梁302。所述长横梁301用于与桥式位移放大机构连接,长横梁301和下层横梁303之间通过两个长铰链304连接。两个短横梁302分别设置于长横梁301的两侧,每个所述短横梁302均连接有与运动平台2连接的短竖梁307,每个短横梁302与下层横梁303、短竖梁307之间均通过短铰链305连接有长竖梁306。
本发明的工作原理:
以X向运动为例,本发明在使用时,给X向设置的压电陶瓷驱动器10施加电压,推动其所在的第二类桥式位移放大机构B的输入端,使该第二类桥式位移放大机构B发生变形,该第二类桥式位移放大机构B的与固定平台1相连的输出端,在X方向无位移;从另一个输出端输出位移,该输出端与移动关节3的长横梁301相连,通过长铰链304拉动下层横梁303,然后推动短铰链305、长竖梁306、短302,然后拉动短竖梁307,然后拉动运动平台2沿X方向运动;并通过相对侧的移动关节3拉动X向设置的第二类桥式位移放大机构B变形。
运动平台2沿X方向运动后,通过与Y方向的移动关节3的短竖梁307带动长竖梁306、短横梁302、下层横梁303、长横梁301沿X方向运动,带动短铰链305、长铰链304变形,各梁沿X方向的位移递减,减少与长横梁301相连的第二类桥式位移放大机构B的位移和转动,从而实现输入解耦。对Y方向的第一类桥式位移放大机构A及相对应的移动关节3的作用同上所述。与Y方向的第二类桥式位移放大机构B连接的移动关节3通过其长竖梁306、短铰链305、短竖梁307,可与其相对侧的与Y方向第一类桥式位移放大机构A连接的移动关节3的对应部分形成一个双平行四杆机构,实现对运动平台2的导向。除压电陶瓷驱动器10外,本发明为对称结构,不存在输出耦合。Y方向运动工作原理同上所述。综上所述,本发明的运动平台2可以实现XY平面内的二自由度平动,且无输入、输出耦合。
尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述,但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程,上述的具体实施方式仅仅是示意性的,而不是限制性的,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,还可以做出很多形式,这些均属于本发明的保护之内。
Claims (3)
1.一种中置移动关节式柔性解耦精密定位结构,其特征在于,包括矩形框架结构的固定平台(1),所述固定平台(1)中央设置有正方形框架结构的运动平台(2),所述运动平台(2)的四周对称安装有四个与固定平台(1)连接的桥式位移放大机构,每个所述桥式位移放大机构与运动平台(2)之间均采用移动关节(3)进行连接,其中两个所述桥式位移放大机构和与其对应的两个移动关节(3)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移动关节(3)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采用压电陶瓷驱动器(10)驱动,平行于Y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(10)驱动。
2.根据权利要求1所述的中置移动关节式柔性解耦精密定位结构,其特征在于,四个所述桥式位移放大机构均分为两类:
所述第一类桥式位移放大机构(A)分别沿X、Y向各设置一个,所述第二类桥式位移放大机构(A)包括平行设置的上横梁(4)和下横梁(5),所述上横梁(4)和下横梁(5)内侧中部均设置有凸台作为输入端,所述上横梁(4)和下横梁(5)之间对称设置有两个中横梁(6),两个中横梁(6)分别作为第一类桥式位移放大机构(A)的两个输出端,其中一个输出端连接固定平台(1),另一个输出端连接移动关节(3);每个所述中横梁(6)与上横梁(4)、下横梁(5)之间分别通过柔性铰链(8)连接两个竖梁(7);
所述第二类桥式位移放大机构(B)分别沿X、Y向各设置一个,所述第二类桥式位移放大机构(B)仅在第一类桥式位移放大机构(A)的基础上增加了压电陶瓷驱动器(10)和预紧螺栓(9),所述压电陶瓷驱动器(10)通过预紧螺栓(9)固定于上横梁(4)和下横梁(5)的输入端之间,且所述压电陶瓷驱动器(10)设置于两个中横梁(6)之间。
3.根据权利要求1所述的中置移动关节式柔性解耦精密定位结构,其特征在于,所述移动关节(3)包括平行设置的上层横梁和下层横梁(303),所述上层横梁包括沿直线设置的一个与桥式位移放大机构连接的长横梁(301)和两个短横梁(302),两个短横梁(302)分别设置于长横梁(301)的两侧,所述长横梁(301)和下层横梁(303)之间通过两个长铰链(304)连接,每个所述短横梁(302)均连接有与运动平台(2)连接的短竖梁(307),每个短横梁(302)与下层横梁(303)、短竖梁(307)之间均通过短铰链(305)连接有长竖梁(306)。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20210806 |