CN109650329B - 两转动一平动大行程无耦合并联压电微动平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了两转动一平动大行程无耦合并联压电微动平台，包括用作承载物体的动台面，以及间隙设于动台面下方的底座，底座设有呈正三角分布且垂直动台面作独立伸缩运动的第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元。第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元的结构相同，分别包括螺固于底座且垂直动台面作独立伸缩运动的双桥式放大机构，用于驱动双桥式放大机构的压电执行器，以及设于双桥式放大机构和动台面之间的柔性连接件；通过协调控制第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元的运动能实现动台面的两转动及一平动。本发明的优点是结构简单紧凑、位移行程大、无位移耦合。

Description

两转动一平动大行程无耦合并联压电微动平台
技术领域
本发明属于纳米定位技术领域，涉及纳米定位系统中的微位移机构，特别涉及一种两转动一平动大行程无耦合并联压电微动平台。
背景技术
压电微动平台是一种通过压电执行器驱动可产生弹性变形的柔性机构来传递位移与力的微位移机构。由于它没有铰链和轴承，所以不需要装配，不存在传动间隙，不产生摩擦与磨损；由于采用压电执行器驱动，故其位移分辨率可达到纳米级，响应时间可达到毫秒级，且刚度大、体积小、承载能力强。因此，它被广泛应用于精密加工与测试、光纤对接、微零件装配、细胞微操作等需要微/纳米定位的技术领域中。如，在精密及超精密加工中，可实现刀具的微进给或加工误差的补偿；在精密测量中，可实现传感器的微调节；在扫描探针显微镜中，同微扫描探针相结合，可实现对微结构形貌的测量；在光纤对接中，可实现直径为几微米至十几微米的两光纤的精密对准；在MEMS（微机电系统）装配中，同微夹钳相结合，可将微轴、微齿轮装配成微部件；在生物工程中，同微冲击探针相结合，可向细胞注入或从细胞中提取相应成分。
现有两转动（绕x、y轴旋转）一平动（沿z向移动）并联压电微动平台大都基于Stewart 并联平台结构，通过三个或四个实现驱动功能的连杆将动平台和定平台相连接来实现。这种实现方式平台刚度高，响应快，但也存在以下不足：由于连杆较长，使动平台远离定平台，进而使平台结构庞大、不紧凑；由于未采用位移放大机构，平台位移行程小；绕一个轴旋转时，同时会产生绕另一个轴的耦合转角。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的现状，提供一种结构简单紧凑、位移行程大、无位移耦合的两转动一平动大行程无耦合并联压电微动平台。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：两转动一平动大行程无耦合并联压电微动平台，包括用作承载物体的动台面，以及间隙设于动台面下方的底座，底座设有呈正三角分布且垂直动台面作独立伸缩运动的第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元。设垂直于动台面为z轴，第一驱动单元到第二驱动单元的方向为y轴，垂直于z轴和y轴为x轴。
为优化上述技术方案，采取的措施还包括：
上述的第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元这三个驱动单元的结构相同，分别包括螺固于底座且垂直动台面作独立伸缩运动的双桥式放大机构，用于驱动双桥式放大机构的压电执行器，以及设于双桥式放大机构和动台面之间的柔性连接件。
上述的双桥式放大机构包括顶设于压电执行器伸缩端的第一刚性部和第二刚性部；分设于压电执行器两侧并且连接第一刚性部和第二刚性部的桥式放大机构，桥式放大机构包括设于第一刚性部和第二刚性部之间的第三刚性部和第四刚性部，第四刚性部位于第三刚性部和柔性连接件之间，第一刚性部、第三刚性部、第二刚性部和第四刚性部顺次连有第一柔性薄板；第一柔性薄板在第四刚性部的一端向底座的方向倾斜设置，第一柔性薄板在第三刚性部的一端向柔性连接件的方向倾斜设置。当压电执行器通电时，压电执行器会变长，第一刚性部和第二刚性部彼此被顶开，同时第一柔性薄板也会从倾斜状态拉直，从而使第三刚性部和第四刚性部彼此远离，由于第三刚性部固定于底座，所以第四刚性部会朝着动台面方向向上抬升，最终第四刚性部推动柔性连接件最终作用于动台面。当压电执行器断电时，柔性连接件、压电执行器、第一刚性部、第二刚性部、第四刚性部和第一柔性薄板复位。双桥式放大机构能将压电执行器的输入位移放大10倍以上，从而能极大地扩大动台面的位移行程。上述的柔性连接件包括螺固于第四刚性部的第五刚性部，螺固于动台面的第七刚性部，间隙设于第五刚性部和第七刚性部之间的第六刚性部，连于第五刚性部和第六刚性部之间的第三柔性薄板，以及连于第六刚性部和第七刚性部之间的第四柔性薄板，第三柔性薄板垂直于第四柔性薄板，从而使第七刚性部既能绕x轴旋转，又能绕y轴旋转，并且使第七刚性部在绕一个轴旋转时，不会产生绕另一个轴的耦合转角。柔性连接件中第三柔性薄板、第四柔性薄板相互垂直，使第七刚性部既能绕x轴旋转，又能绕y轴旋转，并且使第七刚性部在绕一个轴旋转时，不会产生绕另一个轴的耦合转角，进而使动台面在绕一个轴旋转时，不会产生绕另一个轴的耦合转角。
上述的第三柔性薄板和第四柔性薄板分别设于第六刚性部的两端部的对称线上。
上述的第五刚性部和第六刚性部之间的间隙为倾斜向上至第三柔性薄板的第一倾斜槽；第六刚性部和第七刚性部之间的间隙为倾斜向下至第四柔性薄板的第二倾斜槽。
上述的第六刚性部包括间隙容纳第三柔性薄板的第一容纳槽，以及间隙容纳第四柔性薄板的第二容纳槽。
上述的第一容纳槽和第二容纳槽彼此垂直相交。
上述的第二容纳槽位于正三角的高线上；双桥式放大机构还包括同第一柔性薄板平行设有顺次连接第一刚性部、第三刚性部、第二刚性部和第四刚性部的第二柔性薄板。一对平行的第一柔性薄板和第二柔性薄板同第三刚性部、第一刚性部构成单平行四连杆机构，而位于第三刚性部另一侧的一对平行的第一柔性薄板和第二柔性薄板同第三刚性部、第二刚性部也构成单平行四连杆机构，这两个单平行四连杆机构构成双平行四连杆机构；同样，位于第四刚性部两侧的第一柔性薄板和第二柔性薄板同第四刚性部、第一刚性部、第二刚性部也构成双平行四连杆机构。在双桥式放大机构受到压电作用时，上述的双平行四连杆机构能使第四刚性部沿z向输出严格的平动位移，而不产生寄生位移。
上述的底座为矩形，正三角设于底座的中央，高线垂直于底座的其中一条边；底座的四围设有围挡；底座在位于正三角内设有贯通底座的管状体，围挡和管状体间隙设于动台面的下方，动台面设有连通管状体的中空孔。
上述的双桥式放大机构、柔性连接件和底座分别为一体成型结构。
与现有技术相比，本发明的两转动一平动大行程无耦合并联压电微动平台，包括用作承载物体的动台面，以及间隙设于动台面下方的底座，底座设有呈正三角分布且垂直动台面作独立伸缩运动的第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元。第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元的结构相同，分别包括螺固于底座且垂直动台面作独立伸缩运动的双桥式放大机构，以及设于双桥式放大机构和动台面之间的柔性连接件。设垂直于动台面为z轴，平行于动台面有x轴和y轴，通过协调控制第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元的运动能实现动台面的两转动一平动。与现有的两转动一平动并联压电微动平台相比，本发明的优点是：
1) 相对于现有两转动一平动并联压电微动平台中用于连接动平台和定平台的连杆较长，使动平台远离定平台，进而使平台结构庞大、不紧凑，本发明中驱动单元的输出方向垂直于压电执行器的轴线，压电执行器的轴线平行于动台面与底座底面，动台面靠近底座底面，从而使平台整体结构简单紧凑。
2) 驱动单元中的双桥式放大机构能将压电执行器的输入位移放大10倍以上，从而能极大地扩大动台面的位移行程。
3) 双桥式放大机构中一对平行设置的第一柔性薄板、第二柔性薄板同第三刚性部、第一刚性部构成单平行四连杆机构，而位于第三刚性部另一侧的一对平行设置的第一柔性薄板、第二柔性薄板同第三刚性部、第二刚性部也构成单平行四连杆机构，这两个单平行四连杆机构构成双平行四连杆机构；同样，位于第四刚性部两侧的第一柔性薄板、第二柔性薄板同第四刚性部、第一刚性部、第二刚性部也构成双平行四连杆机构，在压电执行器受到电压作用时，上述的双平行四连杆机构能使第四刚性部沿z向输出严格的平动位移，从而使第七刚性部也沿沿z向输出严格的平动位移，而不会产生寄生位移。
4) 柔性连接件中第三柔性薄板、第四柔性薄板相互垂直，使第七刚性部既能绕x轴旋转，又能绕y轴旋转，并且使第七刚性部在绕一个轴旋转时，不会产生绕另一个轴的耦合转角，进而使动台面在绕一个轴旋转时，不会产生绕另一个轴的耦合转角。
5) 驱动单元整体结构紧凑，能为底座集成位移传感器（如电容式位移传感器）预留出足够的空间，从而使位移传感器（如电容式位移传感器）的集成易于实现。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图；
图2是图1的分解结构示意图；
图3是图2中第一驱动单元的立体结构示意图；
图4是图3的分解示意图；
图5是图4中双桥式放大机构的分解示意图；
图6是图4中柔性连接件的立体结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
图1至图6为本发明的结构示意图；其中的附图标记为：底座1、围挡11、第二沉孔12、管状体13、双桥式放大机构21、第一刚性部211、第二刚性部212、第三刚性部213、第四刚性部214、第一柔性薄板215、压电执行器216、第二柔性薄板218、柔性连接件22、第五刚性部221、第三柔性薄板222、第六刚性部223、第四柔性薄板224、第七刚性部225、第一倾斜槽226、第二倾斜槽227、第一容纳槽228、第二容纳槽229、动台面3、第一沉孔31、中空孔32、第一驱动单元4、第二驱动单元5、第三驱动单元6、第一螺钉71、第一螺纹孔711、第二螺钉72、通孔721、第二螺纹孔722、第三螺钉73、第三螺纹孔731、第四螺钉74、正三角8、高线81。
图1至图6为本发明的结构示意图，如图所示，本发明的两转动一平动大行程无耦合并联压电微动平台，包括用作承载物体的动台面3，以及间隙设于动台面3下方的底座1，底座1设有呈正三角8分布且垂直动台面3作独立伸缩运动的第一驱动单元4、第二驱动单元5和第三驱动单元6。通过协调控制第一驱动单元4、第二驱动单元5和第三驱动单元6的运动能实现动台面的两平动一转动。
实施例中，如图2、3和图4所示，第一驱动单元4、第二驱动单元5和第三驱动单元6这三个驱动单元的结构相同，分别包括螺固于底座1且垂直动台面3作独立伸缩运动的双桥式放大机构21，用于驱动双桥式放大机构21的压电执行器216，以及设于双桥式放大机构21和动台面3之间的柔性连接件22；第一驱动单元4、第二驱动单元5和第三驱动单元6的输出位移不同的情况下，双桥式放大机构21中的两个第四刚性部214抬升时，柔性连接件22能够弯曲，从而使动台面3与双桥式放大机构21中的两个第四刚性部214始终贴合。实施例中，如图3、4和图5所示，双桥式放大机构21包括顶设于压电执行器216伸缩端的第一刚性部211和第二刚性部212；分设于压电执行器216两侧并且连接第一刚性部211和第二刚性部212的桥式放大机构，桥式放大机构包括设于第一刚性部211和第二刚性部212之间的第三刚性部213和第四刚性部214，第四刚性部214位于第三刚性部213和柔性连接件22之间，第一刚性部211、第三刚性部213、第二刚性部212和第四刚性部214顺次连有第一柔性薄板215；第一柔性薄板215在第四刚性部214的一端向底座1的方向倾斜设置，第一柔性薄板215在第三刚性部213的一端向柔性连接件22的方向倾斜设置。当压电执行器216通电时，压电执行器216会变长，第一刚性部211和第二刚性部212彼此被顶开，同时第一柔性薄板215也会从倾斜状态拉直，从而使第三刚性部213和第四刚性部214彼此远离，由于第三刚性部213固定于底座1，所以第四刚性部214会朝着动台面3方向向上抬升，最终第四刚性部214推动柔性连接件22最终作用于动台面3。当压电执行器216断电时，柔性连接件22、压电执行器216、第一刚性部211、第二刚性部212、第四刚性部214和第一柔性薄板215复位。双桥式放大机构21能将压电执行器216的输入位移放大10倍以上，从而能极大地扩大动台面的位移行程。设垂直于动台面3为z轴，第一驱动单元4到第二驱动单元5的方向为y轴，垂直于z轴和y轴为x轴。
实施例中，如图3、4和图6所示，柔性连接件22包括螺固于第四刚性部214的第五刚性部221，螺固于动台面3的第七刚性部225，间隙设于第五刚性部221和第七刚性部225之间的第六刚性部223，连于第五刚性部221和第六刚性部223之间的第三柔性薄板222，以及连于第六刚性部223和第七刚性部225之间的第四柔性薄板224，第三柔性薄板222垂直于第四柔性薄板224。柔性连接件中第三柔性薄板222、第四柔性薄板224相互垂直，使第七刚性部225既能绕x轴旋转，又能绕y轴旋转，并且使第七刚性部225在绕一个轴旋转时，不会产生绕另一个轴的耦合转角，进而使动台面在绕一个轴旋转时，不会产生绕另一个轴的耦合转角。
实施例中，如图4和图6所示，第三柔性薄板222和第四柔性薄板224分别设于第六刚性部223的两端部的对称线上。
实施例中，如图4和图6所示，第五刚性部221和第六刚性部223之间的间隙为倾斜向上至第三柔性薄板222的第一倾斜槽226；第六刚性部223和第七刚性部225之间的间隙为倾斜向下至第四柔性薄板224的第二倾斜槽227。
实施例中，如图4和图6所示，第六刚性部223包括间隙容纳第三柔性薄板222的第一容纳槽228，以及间隙容纳第四柔性薄板224的第二容纳槽229。实施例中，第一容纳槽228和第二容纳槽229彼此垂直相交，从而使柔性连接件22在制造时能保证第三柔性薄板222和第四柔性薄板224交汇的位置断开，从而保证了第三柔性薄板222和第四柔性薄板224之间无实际连接，增加了柔性连接件22的柔韧性。
实施例中，如图2所示，第二容纳槽229位于正三角8的高线81上，从而使第七刚性部225只能朝向或远离正三角8的中心摆动；双桥式放大机构21还包括同第一柔性薄板215平行设有顺次连接第一刚性部211、第三刚性部213、第二刚性部212和第四刚性部214的第二柔性薄板218。一对平行的第一柔性薄板215和第二柔性薄板218同第三刚性部213、第一刚性部211构成单平行四连杆机构，而位于第三刚性部213另一侧的一对平行的第一柔性薄板215和第二柔性薄板218同第三刚性部213、第二刚性部212也构成单平行四连杆机构，这两个单平行四连杆机构构成双平行四连杆机构；同样，位于第四刚性部214两侧的第一柔性薄板215和第二柔性薄板218同第四刚性部214、第一刚性部211、第二刚性部212也构成双平行四连杆机构。在双桥式放大机构21受到压电作用时，上述的双平行四连杆机构能使第四刚性部211沿z向输出严格的平动位移，而不产生寄生位移。实施例中，如图2所示，底座1为矩形，正三角8设于底座1的中央，高线81垂直于底座1的其中一条边；底座1的四围设有围挡11；底座1在位于正三角8内设有贯通底座1的管状体13，围挡11和管状体13间隙设于动台面3的下方，动台面3设有连通管状体13的中空孔32。围挡11和管状体13能防止灰尘进入平台内部；中空孔32不仅能减小动台体6及动台面3的质量，而且当平台用作光学系统的调节机构时，还能当作通光孔径。
动台面3上设置有第一沉孔31，第七刚性部225的上端设有第一螺纹孔711，第一螺钉71通过第一沉孔31固定在第一螺纹孔711中；第五刚性部221设有通孔721，而第四刚性部214设有第二螺纹孔722，第二螺钉72通过通孔721固定在第二螺纹孔722中；第一刚性部211设置有第三螺纹孔731，第三螺钉73旋置在第三螺纹孔731内并预紧顶在压电执行器216的其中一个伸缩端；底座1设有第二沉孔12，第四螺钉74通过第二沉孔12将底座1和第三刚性部213固定在一起。
实施例中的双桥式放大机构21、柔性连接件22和底座1分别为一体成型结构。
本发明的工作原理为：
设垂直于动台面3为z轴，第一驱动单元4到第二驱动单元5的方向为y轴，垂直于z轴和y轴为x轴。
若只给第一驱动单元4和第三驱动单元6的压电执行器216施加电压，且第三驱动单元6的电压为第一驱动单元4的一半，第二驱动单元5不施加电压，则动台面3绕x轴沿顺时针产生一定的旋转角，而不会仅绕y轴产生耦合位移；若只给第二驱动单元5和第三驱动单元6的压电执行器216施加电压，且第三驱动单元6的电压为第二驱动单元5的一半，第一驱动单元4不施加电压，则动台面3仅绕x轴沿逆时针产生一定的旋转角，而不会绕y轴产生耦合位移。
若只给第三驱动单元6的压电执行器216施加电压，且第一驱动单元4和第二驱动单元5不施加电压，则动台面3仅绕y轴沿顺时针产生一定的旋转角，而不会在绕x轴产生耦合位移；若只给第一驱动单元4和第二驱动单元5的压电执行器216施加电压，且第三驱动单元6不施加电压，则动台面3仅绕y轴沿逆时针产生一定的旋转角，而不会绕x轴产生耦合位移。
若对第一驱动单元4、第二驱动单元5和第三驱动单元6的压电执行器216同时施加相同的电压，则第一驱动单元4、第二驱动单元5和第三驱动单元6会在z向上同时输出相同的微位移，动台面3则仅沿z向输出严格的平动位移，而不会产生耦合位移。本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。

Claims (8)

1.两转动一平动大行程无耦合并联压电微动平台，包括用作承载物体的动台面(3)，以及间隙设于所述的动台面(3)下方的底座(1)，其特征是：所述的底座(1)设有呈正三角(8)分布且垂直所述的动台面(3)作独立伸缩运动的第一驱动单元(4)、第二驱动单元(5)和第三驱动单元(6)；
所述的第一驱动单元(4)、第二驱动单元(5)和第三驱动单元(6)的结构相同，分别包括螺固于所述的底座(1)且垂直所述的动台面(3)作独立伸缩运动的双桥式放大机构(21)，用于驱动双桥式放大机构(21)的压电执行器(216)，以及设于所述的双桥式放大机构(21)和所述的动台面(3)之间的柔性连接件(22)；
所述的双桥式放大机构(21)包括顶设于所述的压电执行器(216)伸缩端的第一刚性部(211)和第二刚性部(212)；分设于所述的压电执行器(216)两侧并且连接第一刚性部(211)和第二刚性部(212)的桥式放大机构，所述的桥式放大机构包括设于第一刚性部(211)和第二刚性部(212)之间的第三刚性部(213)和第四刚性部(214)，所述的第四刚性部(214)位于第三刚性部(213)和柔性连接件(22)之间，所述的第一刚性部(211)、第三刚性部(213)、第二刚性部(212)和第四刚性部(214)顺次连有第一柔性薄板(215)；所述的第一柔性薄板(215)在第四刚性部(214)的一端向所述的底座(1)的方向倾斜设置，所述的第一柔性薄板(215)在第三刚性部(213)的一端向所述的柔性连接件(22)的方向倾斜设置。
2.根据权利要求1所述的两转动一平动大行程无耦合并联压电微动平台，其特征是：所述的柔性连接件(22)包括螺固于所述的第四刚性部(214)的第五刚性部(221)，螺固于所述的动台面(3)的第七刚性部(225)，间隙设于所述的第五刚性部(221)和所述的第七刚性部(225)之间的第六刚性部(223)，连于所述的第五刚性部(221)和所述的第六刚性部(223)之间的第三柔性薄板(222)，以及连于第六刚性部(223)和第七刚性部(225)之间的第四柔性薄板(224)，所述的第三柔性薄板(222)垂直于所述的第四柔性薄板(224)。
3.根据权利要求2所述的两转动一平动大行程无耦合并联压电微动平台，其特征是：所述的第三柔性薄板(222)和第四柔性薄板(224)分别设于第六刚性部(223)的两端部的对称线上。
4.根据权利要求3所述的两转动一平动大行程无耦合并联压电微动平台，其特征是：所述的第五刚性部(221)和第六刚性部(223)之间的间隙为倾斜向上至第三柔性薄板(222)的第一倾斜槽(226)；所述的第六刚性部(223)和第七刚性部(225)之间的间隙为倾斜向下至第四柔性薄板(224)的第二倾斜槽(227)。
5.根据权利要求4所述的两转动一平动大行程无耦合并联压电微动平台，其特征是：所述的第六刚性部(223)包括间隙容纳第三柔性薄板(222)的第一容纳槽(228)，以及间隙容纳第四柔性薄板(224)的第二容纳槽(229)。
6.根据权利要求5所述的两转动一平动大行程无耦合并联压电微动平台，其特征是：所述的第一容纳槽(228)和第二容纳槽(229)彼此垂直相交。
7.根据权利要求6所述的两转动一平动大行程无耦合并联压电微动平台，其特征是：所述的第二容纳槽(229)位于所述的正三角(8)的高线(81)上；所述的双桥式放大机构(21)还包括同所述的第一柔性薄板(215)平行设有顺次连接所述的第一刚性部(211)、第三刚性部(213)、第二刚性部(212)和第四刚性部(214)的第二柔性薄板(218)。
8.根据权利要求7所述的两转动一平动大行程无耦合并联压电微动平台，其特征是：所述的底座(1)为矩形，所述的正三角(8)设于底座(1)的中央，所述的高线(81)垂直于所述的底座(1)的其中一条边；所述的底座(1)的四围设有围挡(11)；所述的底座(1)在位于所述的正三角(8)内设有贯通所述的底座(1)的管状体(13)，所述的围挡(11)和所述的管状体(13)间隙设于所述的动台面(3)的下方，所述的动台面(3)设有连通管状体(13)的中空孔(32)；双桥式放大机构(21)、柔性连接件(22)和底座(1)分别为一体成型结构。
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