CN109584947A - 基于桥式放大机构的三自由度大行程高精度微定位平台 - Google Patents

基于桥式放大机构的三自由度大行程高精度微定位平台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于桥式放大机构的三自由度大行程高精度微定位平台，包括基座和设置在其内部的XY平台，所述基座和所述XY平台通过四个沿所述XY平台的周向均布的平动放大机构连接，相邻的两个所述平动放大机构，一个采用压电陶瓷驱动器Ⅰ驱动，另一个采用压电陶瓷驱动器Ⅱ驱动，在所述XY平台的中部设有Z向安装孔，在所述Z向安装孔内穿装有Z向平动机构。本发明基于桥式放大机构，并联和串联相结合，搭载三个压电陶瓷驱动器，实现了XYZ三个方向的高精度、大行程平动，并且具有较高的工作带宽和固有频率。

Description

基于桥式放大机构的三自由度大行程高精度微定位平台
技术领域
本发明涉及一种微定位平台，特别是一种基于桥式放大机构的XYZ三自由度大行程高精度微定位平台。
背景技术
随着科技发展，微纳技术得到了广阔应用。但是，高精度的微定位平台一直制约着微纳技术的推广。目前，小行程的微定位平台已获得了重大突破，但是，高精度、大行程以及XYZ三自由度的微定位平台还需要进一步提高。目前，高精度、大行程的三自由度微定位平台最常见的是：X向平动、Y向平动和Z向转动，缺少实现XYZ三个平动自由度的微定位平台。
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基于桥式放大机构的XYZ三自由度大行程高精度微定位平台，该平台能够实现XYZ三个平动自由度，并且行程大、精度高。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种基于桥式放大机构的三自由度大行程高精度微定位平台，包括基座和设置在其内部的XY平台，所述基座和所述XY平台通过四个沿所述XY平台的周向均布的平动放大机构连接，相邻的两个所述平动放大机构，一个采用压电陶瓷驱动器Ⅰ驱动，另一个采用压电陶瓷驱动器Ⅱ驱动；在所述XY平台的中部设有Z向安装孔，在所述Z向安装孔内设有Z向桥式放大机构，在所述Z向桥式放大机构内安装有压电陶瓷驱动器Ⅲ，所述Z向桥式放大机构的上端通过球与传力板连接，所述传力板通过Z向导向机构与终端平台连接，所述Z向导向机构包括上下两个Z向导向环，所述Z向导向环设有内环和外环，所述Z向导向环内环和外环通过多根沿周向均布的薄壁杆连接，在两个所述Z向导向环之间设有Z向支撑外环和Z向支撑内环，所述传力板与两个所述Z向导向环的内环以及所述Z向支撑内环和所述终端平台固接在一起；两个所述Z向导向环的外环和所述Z向支撑外环固接在一起，两个所述Z向导向环的薄壁杆上下重叠放置，上下重叠放置的薄壁杆形成平行四边形机构；所述Z向桥式放大机构的下端固接在Z向支撑底板上，所述Z向支撑底板固接在所述XY平台上，在所述XY平台与所述Z向支撑底板之间设有Z向支撑环和Z向调整垫片组。
在所述Z向导向机构与所述终端平台之间设有终端平台垫片。
每个所述平动放大机构设有一个桥式放大机构和一个平行板导向机构，所述桥式放大机构的一端与所述基座刚性连接，另一端和所述平行板导向机构的输入端连接，所述平行板导向机构的输出端与所述XY平台通过两个与它们都垂直的平行板连接，在相邻的两个所述平动放大机构的桥式放大机构内，一个安装所述压电陶瓷驱动器Ⅰ，另一个安装所述压电陶瓷驱动器Ⅱ。
在所述Z向支撑环上设有减重孔。
在所述Z向支撑内环上设有减重孔。
在所述Z向支撑外环上设有减重孔。
本发明具有的优点和积极效果是：采用四个含有桥式放大机构的平动放大机构并联，能够实现XY平台在XY平面内高精度、大行程的运动；X向与Y向微定位机构并联，增大了平台的带宽以及平台的固有频率；桥式放大机构具有放大功能，在平行板导向机构的约束下，使XY平台能够精确地进行平行运动，以避免XY平台失稳；与XY平台相连的四组并联的平动放大机构解耦了微定位机构对XY平台的X向平动、Y向平动的运动限制，提高了XY平台的运动精度；Z向平动机构固定连接在XY平台上，实现了Z 向平动机构与X向、Y向平动机构的串联连接，并且Z向平动机构采用了沿平台主体的中心轴对称分布的六组平行四边形机构，保证终端平台实现精准的Z向平动。综上所述，本发明基于桥式放大机构，并联和串联相结合，搭载三个压电陶瓷驱动器，实现了XYZ 三个方向的高精度、大行程平动，并且具有较高的工作带宽和固有频率。
附图说明
图1为本发明的前视图；
图2为本发明的后视图；
图3为本发明的侧视图；
图4为本发明的立体图；
图5为本发明的分解图；
图6为本发明的XY平台与基座连接示意图；
图7为本发明的Z向平动机构示意图；
图8为本发明的Z向支撑内环结构示意图；
图9为本发明的Z向导向环结构示意图；
图10为本发明的Z向支撑外环结构示意图。
图中：1、基座，2、XY平台，3、Z向导向环，4、Z向支撑内环，5、Z向支撑外环， 6、终端平台垫片，7、终端平台，8、传力板，9、球，10、Z向桥式放大机构，11、薄垫片，12、厚垫片，13、Z向支撑底板，14、压电陶瓷驱动器Ⅰ，15、压电陶瓷驱动器Ⅱ，16、压电陶瓷驱动器Ⅲ，17、Z向支撑环。
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，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1～图10，一种基于桥式放大机构的三自由度大行程高精度微定位平台，包括基座1和设置在其内部的XY平台2，所述基座1和所述XY平台2通过四个沿所述 XY平台的周向均布的平动放大机构连接，相邻的两个所述平动放大机构，一个采用压电陶瓷驱动器Ⅰ14驱动，另一个采用压电陶瓷驱动器Ⅱ15驱动。
在所述XY平台2的中部设有Z向安装孔，在所述Z向安装孔内设有Z向桥式放大机构10，在所述Z向桥式放大机构10内安装有压电陶瓷驱动器Ⅲ16，所述Z向桥式放大机构10的上端通过球9与传力板8连接，所述传力板8通过Z向导向机构与终端平台 7连接，所述Z向导向机构包括上下两个Z向导向环3，所述Z向导向环3设有内环和外环，所述Z向导向环3内环和外环通过多根沿周向均布的薄壁杆连接，在两个所述Z 向导向环3之间设有Z向支撑外环5和Z向支撑内环4，所述传力板8与两个所述Z向导向环3的内环以及所述Z向支撑内环4和所述终端平台7固接在一起；两个所述Z向导向环3的外环和所述Z向支撑外环5固接在一起，两个所述Z向导向环3的薄壁杆上下重叠放置，上下重叠放置的薄壁杆形成平行四边形机构；在所述Z向导向机构与终端平台7之间设有终端平台垫片6，以减小终端平台7的变形。
所述Z向桥式放大机构10的下端固接在Z向支撑底板13上，所述Z向支撑底板13 固接在所述XY平台上，在所述XY平台2与所述Z向支撑底板13之间设有Z向支撑环 17和Z向调整垫片组，在本实施例中，Z向调整垫片组包括一个厚垫片12和多个薄垫片 11。
在本实施例中，为了使结构紧凑、稳定，每个所述平动放大机构设有一个桥式放大机构和一个平行板导向机构，所述桥式放大机构的一端与所述基座1刚性连接，另一端和所述平行板导向机构的输入端连接，所述平行板导向机构的输出端与所述XY平台2 通过两个与它们都垂直的平行板连接，在相邻的两个所述平动放大机构的桥式放大机构内，一个安装所述压电陶瓷驱动器Ⅰ14，另一个安装所述压电陶瓷驱动器Ⅱ15。但是，上述平动放大机构并不限于采用上述结构，还可以采用连杆机构和平行板导向机构的组合或者仅采用平行板导向机构。
在本实施例中，为了减轻结构重量，在所述Z向支撑环17上设有减重孔。在所述Z向支撑内环4上设有减重孔。在所述Z向支撑外环5上设有减重孔。本发明的工作原理为：
首先给压电陶瓷驱动器Ⅰ14和压电陶瓷驱动器Ⅱ15预加电压，使与其相对应的桥式放大机构产生一个位移，位移通过平行板导向机构传递，并最终使XY平台2处于平衡状态。
通过改变压电陶瓷驱动器Ⅰ14上的电压，使压电陶瓷驱动器Ⅰ产生Y向位移，当电压增大时，压电陶瓷驱动器Ⅰ14产生Y向伸长位移；电压减小时，压电陶瓷驱动器Ⅰ14 产生Y向收缩位移。Y向位移带动与压电陶瓷驱动器Ⅰ14相连的沿X向布置的桥式放大机构产生了放大的X向位移，X向位移通过与桥式放大机构相连的平行板导向机构传到 XY平台2，使XY平台2产生X向位移，带动与XY平台连接在一起的终端平台7产生 X向位移。
同理，通过改变压电陶瓷驱动器Ⅱ15上的电压，使压电陶瓷驱动器Ⅱ15产生X向位移，当电压增大时，压电陶瓷驱动器Ⅱ15产生X向伸长位移；电压减小时，压电陶瓷驱动器Ⅱ15产生X向收缩位移。X向位移带动与压电陶瓷驱动器Ⅱ15相连的沿Y向布置的桥式放大机构产生了放大的Y向位移，Y向位移通过与桥式放大机构相连的平行板导向机构传到XY平台2，使XY平台2产生Y向位移，带动与XY平台2连接在一起的终端平台7产生Y向位移。
通过改变压电陶瓷驱动器Ⅲ16上的电压，使压电陶瓷驱动器Ⅲ16产生与XY平面平行的位移，如图1所示位置安装时，该位移沿X向，当电压增大时，压电陶瓷驱动器Ⅲ 16产生X向伸长位移；电压减小时，压电陶瓷驱动器Ⅲ16产生X向收缩位移。X向位移带动与压电陶瓷驱动器Ⅲ16相连的沿Z向布置的桥式放大机构产生了放大的Z向位移，Z向位移通过与桥式放大机构10相接触的球9传给传力板8，再通过两个Z向导向环3和一个Z向支撑内环4和终端平台垫片6传给终端平台7，传力板8、Z向导向环3、Z向支撑内环4、终端平台垫片6和终端平台7通过螺栓连接在一起，最终使终端平台7 产生Z向位移。
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的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于桥式放大机构的三自由度大行程高精度微定位平台，其特征在于，包括基座和设置在其内部的XY平台，所述基座和所述XY平台通过四个沿所述XY平台的周向均布的平动放大机构连接，相邻的两个所述平动放大机构，一个采用压电陶瓷驱动器Ⅰ驱动，另一个采用压电陶瓷驱动器Ⅱ驱动；
在所述XY平台的中部设有Z向安装孔，在所述Z向安装孔内设有Z向桥式放大机构，在所述Z向桥式放大机构内安装有压电陶瓷驱动器Ⅲ，所述Z向桥式放大机构的上端通过球与传力板连接，所述传力板通过Z向导向机构与终端平台连接，所述Z向导向机构包括上下两个Z向导向环，所述Z向导向环设有内环和外环，所述Z向导向环内环和外环通过多根沿周向均布的薄壁杆连接，在两个所述Z向导向环之间设有Z向支撑外环和Z向支撑内环，所述传力板与两个所述Z向导向环的内环以及所述Z向支撑内环和所述终端平台固接在一起；两个所述Z向导向环的外环和所述Z向支撑外环固接在一起，两个所述Z向导向环的薄壁杆上下重叠放置，上下重叠放置的薄壁杆形成平行四边形机构；所述Z向桥式放大机构的下端固接在Z向支撑底板上，所述Z向支撑底板固接在所述XY平台上，在所述XY平台与所述Z向支撑底板之间设有Z向支撑环和Z向调整垫片组。
2.根据权利要求1所述的基于桥式放大机构的三自由度大行程高精度微定位平台，其特征在于，在所述Z向导向机构与所述终端平台之间设有终端平台垫片。
3.根据权利要求1所述的基于桥式放大机构的三自由度大行程高精度微定位平台，其特征在于，每个所述平动放大机构设有一个桥式放大机构和一个平行板导向机构，所述桥式放大机构的一端与所述基座刚性连接，另一端和所述平行板导向机构的输入端连接，所述平行板导向机构的输出端与所述XY平台通过两个与它们都垂直的平行板连接，在相邻的两个所述平动放大机构的桥式放大机构内，一个安装所述压电陶瓷驱动器Ⅰ，另一个安装所述压电陶瓷驱动器Ⅱ。
4.根据权利要求1所述的基于桥式放大机构的三自由度大行程高精度微定位平台，其特征在于，在所述Z向支撑环上设有减重孔。
5.根据权利要求1所述的基于桥式放大机构的三自由度大行程高精度微定位平台，其特征在于，在所述Z向支撑内环上设有减重孔。
6.根据权利要求1所述的基于桥式放大机构的三自由度大行程高精度微定位平台，其特征在于，在所述Z向支撑外环上设有减重孔。
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