CN110364221A - 一种基于柔性铰链的并联两自由度纳米位移定位平台 - Google Patents

一种基于柔性铰链的并联两自由度纳米位移定位平台 Download PDF

Info

Publication number
CN110364221A
CN110364221A CN201811430442.4A CN201811430442A CN110364221A CN 110364221 A CN110364221 A CN 110364221A CN 201811430442 A CN201811430442 A CN 201811430442A CN 110364221 A CN110364221 A CN 110364221A
Authority
CN
China
Prior art keywords
hinge
platform
lever
push rod
piezoelectric ceramics
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201811430442.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110364221B (zh
Inventor
须颖
贾静
王慧锋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sanying Elite Control (tianjin) Instrument Equipment Co Ltd
Guangdong University of Technology
Original Assignee
Sanying Elite Control (tianjin) Instrument Equipment Co Ltd
Guangdong University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sanying Elite Control (tianjin) Instrument Equipment Co Ltd, Guangdong University of Technology filed Critical Sanying Elite Control (tianjin) Instrument Equipment Co Ltd
Priority to CN201811430442.4A priority Critical patent/CN110364221B/zh
Priority to US16/402,863 priority patent/US10926366B2/en
Publication of CN110364221A publication Critical patent/CN110364221A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110364221B publication Critical patent/CN110364221B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q16/00—Equipment for precise positioning of tool or work into particular locations not otherwise provided for
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C11/00—Pivots; Pivotal connections
    • F16C11/04—Pivotal connections
    • F16C11/12—Pivotal connections incorporating flexible connections, e.g. leaf springs
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L9/00—Supporting devices; Holding devices
    • B01L9/52—Supports specially adapted for flat sample carriers, e.g. for plates, slides, chips
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q1/00—Members which are comprised in the general build-up of a form of machine, particularly relatively large fixed members
    • B23Q1/25—Movable or adjustable work or tool supports
    • B23Q1/26—Movable or adjustable work or tool supports characterised by constructional features relating to the co-operation of relatively movable members; Means for preventing relative movement of such members
    • B23Q1/34—Relative movement obtained by use of deformable elements, e.g. piezoelectric, magnetostrictive, elastic or thermally-dilatable elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C11/00—Pivots; Pivotal connections
    • F16C11/04—Pivotal connections
    • G—PHYSICS
    • G12—INSTRUMENT DETAILS
    • G12B—CONSTRUCTIONAL DETAILS OF INSTRUMENTS, OR COMPARABLE DETAILS OF OTHER APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G12B5/00—Adjusting position or attitude, e.g. level, of instruments or other apparatus, or of parts thereof; Compensating for the effects of tilting or acceleration, e.g. for optical apparatus
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/18—Transport of container or devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2380/00—Electrical apparatus
    • F16C2380/18—Handling tools for semiconductor devices

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Container, Conveyance, Adherence, Positioning, Of Wafer (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于柔性铰链的并联两自由度纳米位移定位平台，包括两个分别沿X轴和Y轴设置的驱动系统、运动平台、并联铰链和固定平台；每个所述驱动系统包括压电陶瓷、连接块、杠杆、预紧弹簧、推杆和多个连接铰链；所述压电陶瓷一端固定在所述固定平台上，另一端与所述连接块相连；所述杠杆连接在所述连接块和所述预紧弹簧之间，所述连接块通过其中一个所述连接铰链与所述杠杆相连，所述预紧弹簧一端固定在所述固定平台上，另一端与所述杠杆相连，所述杠杆通过其中另一个所述连接铰链与所述固定平台相连；所述推杆通过设置在所述推杆两端的两个所述连接铰链分别与所述杠杆和所述运动平台相连；运动平台通过并联铰链与固定平台相连。

Description

一种基于柔性铰链的并联两自由度纳米位移定位平台
技术领域
本发明涉及纳米位移和定位技术领域，具体涉及一种基于柔性铰链的并联两自由度纳米位移定位平台。
背景技术
无论是纳米微结构、纳米材料的测量分析还是DNA分子、纳米碳管、纳米颗粒等纳米材料的操纵、改性和加工，首先必须要解决的核心技术之一是纳米级(甚至是原子级)的位移和定位控制。所谓纳米位移和定位技术是指在纳米甚至亚纳米的精度等级上对受控物体进行精密控制，以满足其对定位精度、运动精度和精度稳定性的要求，实现具有计量功能的加工和检测操作。先进的半导体芯片制造技术和大规模存储器(硬盘)制造技术的发展更是将纳米位移和定位技术不断推上新的极限。随着器件集成度的不断提高，众多器件的加工精度要求已逼近纳米甚至亚纳米的水平，传统的检测技术和手段正在遭受极大的挑战。精密测量和检测技术已经被认定为是下一代半导体芯片制造技术和大规模存储器(硬盘)制造技术中必须克服的瓶颈技术之一。基于纳米位移和定位技术的纳米计量和检测技术，有望成为突破光学检测系统和电子束检测系统局限性的新检测手段。此外，超精密加工机床的精度和稳定性也取决于纳米级精度进给系统的技术水平，因此纳米位移和定位控制系统已经成为各种超精密测量、加工和检测仪器设备中共性的关键技术和核心部件。
XY轴纳米位移和定位平台的结构设计型式一般分为两类：串联机构和并联机构。串联机构是将两个单轴运动平台叠加起来，各自运动方向互成90度。这种结构的优点是结构设计简单、两轴间没有运动串扰，但是由于下面的平台要承载上面的平台，各轴动态特性会有较大差异，响应时间比较长。并联机构是采用复合机构设计，在一个联动机构内将X和Y方向的运动进行解耦，实现分离的X轴和Y轴运动，消除X轴和Y轴运动之间的串扰，XY两个方向的运动平台为同一个运动平台，其特点是结构紧凑，系统整体性强，各轴静态和动态特性一致性好，体积紧凑便于安装。
现有技术中，并联结构的一个技术方案如公开文件CN 201210518329.8所述，但这种结构铰链面积大，布局不紧凑，运动平台面积小，无法适用于需要中间开孔的场合。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供一种基于柔性铰链的并联两自由度纳米位移定位平台，以解决上述运动平台小结构复杂、铰链面积大、运动平台面积小的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于柔性铰链的并联两自由度纳米位移定位平台，包括两个分别沿X轴和Y轴设置的驱动系统、运动平台、并联铰链和固定平台；每个所述驱动系统包括压电陶瓷、连接块、杠杆、预紧弹簧、推杆和多个连接铰链；所述压电陶瓷一端固定在所述固定平台上，另一端与所述连接块相连；所述杠杆连接在所述连接块和所述预紧弹簧之间，所述连接块通过其中一个所述连接铰链与所述杠杆相连，所述预紧弹簧一端固定在所述固定平台上，另一端与所述杠杆相连，所述杠杆其中另一个所述连接铰链与所述固定平台相连；所述推杆通过设置在所述推杆两端的两个所述连接铰链分别与所述杠杆和所述运动平台相连；运动平台通过并联铰链与固定平台相连。
所述并联铰链与所述运动平台的四角相连，所述运动平台运动时，所述并联铰链沿铰链较短方向发生形变，沿铰链较长方向进行力的传递，实现并联铰链对XY方向上的运动导向和解耦。
所述并联铰链包括两片相互垂直的弹簧片铰链，所述弹簧片铰链包括单切口铰链、复合弹簧片铰链和复合切口铰链三种变形结构。
所述切口铰链的切口结构包括圆弧切口、椭圆切口和平槽切口。
所述推杆受到垂直于所述推杆轴向方向的力作用时，所述连接铰链沿铰链较短方向发生形变，所述推杆受到沿所述推杆轴线方向的力时，所述连接铰链沿铰链较长方向进行力的传递，实现所述连接铰链对非轴线方向的运动解耦。
所述连接铰链包括叶片铰链，所述叶片铰链与所述弹簧片铰链结构相同，且所述叶片铰链的长度小于所述弹簧片铰链的长度。。
所述杠杆为L形结构，包括短臂和长臂，所述短臂连接在所述预紧弹簧和所述连接块之间，所述推杆与所述长臂相连，所述压电陶瓷通过所述连接块对所述短臂施加作用力，同时所述长臂对所述推杆施加作用力。
所述预紧弹簧通过旋紧螺母实现预紧，同时通过所述杠杆和所述连接块，对所述压电陶瓷提供预紧力。
所述压电陶瓷伸长时，作用力通过所述连接块、所述杠杆和所述推杆传递至所述运动平台，驱动所述运动平台沿轴向正方向运动，同时所述预紧弹簧被压缩；所述压电陶瓷缩短时，所述预紧弹簧对所述杠杆提供恢复力，驱动所述运动平台沿轴向反方向运动。
所述压电陶瓷对所述杠杆的所述短臂的作用力的方向与所述杠杆对所述推杆的作用力的方向相垂直，所述杠杆对所述推杆的作用力的力臂大于所述压电陶瓷对所述杠杆的作用力的力臂，m为所述杠杆对所述推杆的作用力的力臂，n为所述压电陶瓷对所述杠杆的作用力的力臂，理论上，所述驱动系统对位移的放大比为m/n。
设置在所述推杆两端的两个所述连接铰链的中心线与所述运动平台沿轴向的中心线在XY平面上的投影共线，确保所述驱动系统的力准确传递给所述运动平台；同时连接所述连接块与所述杠杆的所述连接铰链的中心线与所述压电陶瓷的中心线重在XY平面上的投影共线，确保所述压电陶瓷的力准确传递到所述杠杆的短臂上。
所述固定平台包括固定平台本体和位移检测系统，所述位移检测系统固定在所述固定平台本体上，所述位移检测系统与所述运动平台留有间隙。当所述运动平台运动时，所述运动平台与所述位移检测系统的距离发生变化，通过所述位移检测系统得出所述运动平台的位移值；所述固定平台还包括安装定位孔座，所述安装定位孔座通过两个平行的铰链与所述固定平台本体相连，通过所述安装定位孔的中心作一条与铰链垂直的直线，所述直线穿过所述运动平台的中心；每个铰链可产生弹性形变，多个弹性形变的铰链的耦合作用于固定平台本体，当固定平台本体由于外部载荷和温度变化发生时，可通过多个铰链的耦合作用吸收或释放固定平台本体自身的弹性形变。
纳米位移和定位平台的工作原理为，在所述驱动系统中通过所述杠杆把所述压电陶瓷的位移转换并且放大为对所述运动平台的位移。
当所述运动平台需要X轴方向位移时，沿X轴设置的所述驱动系统中的所述压电陶瓷在电压作用下伸长从而驱动所述杠杆，把作用力施加在所述运动平台上，在位移上实现放大，所述运动平台在所述并联铰链作用下沿X方向运动，同时所述预紧弹簧被压缩；当所述压电陶瓷在电压作用下长度缩短时，所述预紧弹簧推动所述杠杆向相反的方向运动，同时，当所述运动平台沿X轴方向运动时，所述运动平台与所述位移检测系统之间的间隙会产生变化，通过所述位移检测系统可以计算出具体的位移值，当所述运动平台沿X方向运动时，所述运动平台会带动沿Y轴设置的所述驱动系统的所述连接铰链产生X方向的位移，从而避免对沿Y轴设置的所述驱动系统产生Y向作用力，提高Y轴运动的精度。
同理，当所述运动平台需要Y轴方向位移时，沿Y轴设置的所述驱动系统中的所述压电陶瓷在电压作用下伸长从而驱动所述杠杆，把作用力施加在所述运动平台上，在位移上实现放大，所述运动平台在所述并联铰链作用下沿Y方向运动，同时所述预紧弹簧被压缩，当所述压电陶瓷在电压作用下长度缩短时，所述预紧弹簧推动所述杠杆向相反的方向运动，同时，当所述运动平台沿Y轴方向运动时，所述运动平台与所述位移检测系统之间的间隙会产生变化，通过所述位移检测系统可以计算出具体的位移值，当所述运动平台沿Y方向运动时，所述运动平台会带动沿X轴设置的所述驱动系统的所述连接铰链产生Y方向的位移，从而避免对沿X轴设置的所述驱动系统产生X向作用力，提高X轴运动的精度。
由于所述推杆及其两端的连接铰链的结构设计，可以实现所述运动平台X、Y方向运动的解耦，保证运动精度。所述连接块及其连接铰链的结构设计可避免压电陶瓷在使用过程中受到切向力的作用，从而保证压电陶瓷的使用寿命。
本发明具有如下有益效果：
本发明公开了一种基于柔性铰链的并联两自由度纳米位移定位平台，XY两个方向的运动平台为同一个运动平台，采用并联铰链和连接铰链实现X和Y两个运动方向的导向和解耦，消除X轴和Y轴运动之间的串扰，驱动系统一体设计和加工，极大的缩小了纳米位移定位台的体积。利用杠杆的放大原理和柔性铰链提供大位移和大负载能力，其特点是结构简单紧凑，系统整体性强，各轴静态和动态特性一致性好，体积较小，安装和维护方便，成本低，可以在空间小、大行程、大负载的场合使用；并且由于采用多铰链耦合的柔性连接方式对平台体进行安装固定，消除了平台体自身由于载荷和温度变化而引起的变形导致的定位误差，从而实现进一步提高连接及定位精度的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提出的一种基于柔性铰链的并联两自由度纳米位移定位平台的整体结构示意图；
图2为本发明提出的一种基于柔性铰链的并联两自由度纳米位移定位平台的沿X轴设置的驱动系统的局部放大图；
图3为本发明提出的一种基于柔性铰链的并联两自由度纳米位移定位平台的沿Y轴设置的驱动系统的局部放大图；
图4为本发明提出的一种基于柔性铰链的并联两自由度纳米位移定位平台的并联铰链的结构示意图；
图5为本发明提出的一种基于柔性铰链的并联两自由度纳米位移定位平台的切口铰链的切口结构示意图；
图6为本发明提出的一种基于柔性铰链的并联两自由度纳米位移定位平台的安装定位孔座的结构示意图；
图7为本发明提出的一种基于柔性铰链的并联两自由度纳米位移定位平台的驱动系统的受力分析图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，对本发明做进一步的描述，以便于更清楚的理解本发明要求保护的技术思想。
需要说明的是，本发明说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述特定的顺序或先后次序，不排除在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容之外的顺序实施。而且，术语“包括”或者其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括这些要素，还可以包括没有明确列出的其他要素。
参考附图1-7，一种基于柔性铰链的并联两自由度纳米位移定位平台，包括沿X轴设置的驱动系统1、沿Y轴设置的驱动系统2、运动平台3、并联铰链4和固定平台5。运动平台3通过并联铰链4与固定平台5相连。
沿X轴设置的驱动系统1包括压电陶瓷11、连接块12、杠杆13、预紧弹簧14、推杆15和连接铰链16a、16b、16c和16d。压电陶瓷11一端固定在固定平台5上，另一端与连接块12相连。杠杆13连接在连接块12和预紧弹簧14之间，连接块12通过连接铰链16c与杠杆13相连，预紧弹簧14一端固定在固定平台5上，另一端与杠杆13相连，杠杆13通过连接铰链16d与固定平台5相连，推杆15通过设置在所述推杆两端的两个所述连接铰链16a、16b分别与杠杆13和运动平台3相连。
沿Y轴设置的驱动系统2包括压电陶瓷21、连接块22、杠杆23、预紧弹簧24、推杆25和连接铰链26a、26b、26c和26d。压电陶瓷21一端固定在固定平台5上，另一端与连接块22相连。杠杆23连接在连接块22和预紧弹簧24之间，连接块22通过连接铰链26c与杠杆23相连，预紧弹簧24一端固定在固定平台5上，另一端与杠杆23相连，杠杆23通过连接铰链26d与固定平台5相连，推杆25通过设置在所述推杆两端的两个所述连接铰链26a、26b分别与杠杆23和运动平台3相连。
并联铰链4与运动平台3的四角相连，运动平台3运动时，并联铰链4沿铰链较短方向发生形变，沿铰链较长方向进行力的传递，实现并联铰链4对XY方向上的运动导向和解耦；推杆15/25受到垂直于推杆15/25轴向方向的力作用时，连接铰链沿铰链较短方向发生形变，推杆15/25受到沿推杆15/25轴线方向的力时，连接铰链沿铰链较长方向进行力的传递，实现连接铰链16/26对非轴线方向的运动解耦；杠杆13/23为L形结构，预紧弹簧14/24和连接块12/22与短臂1a/2a相连，推杆15/25与长臂1b/2b相连，压电陶瓷11/21通过连接块12/22对短臂1a/2a施加作用力，同时长臂1b/2b对推杆15/25施加作用力。
预紧弹簧14/24通过旋紧螺母141/241实现预紧，同时通过杠杆13/23和连接块12/22，对压电陶瓷11/21提供预紧力。
压电陶瓷11/21伸长时，作用力通过连接块12/22、杠杆13/23和推杆15/25传递至运动平台3，驱动运动平台3沿轴向正方向运动，同时预紧弹簧14/24被压缩。压电陶瓷11/21缩短时，预紧弹簧14/24对杠杆13/23提供恢复力，驱动运动平台3沿轴向反方向运动。
压电陶瓷11/21对杠杆短臂1a/2a的作用力的方向与杠杆13/23对推杆15/25的作用力的方向相垂直，杠杆13/23对推杆15/25的作用力的力臂大于压电陶瓷11/21对杠杆13/23的作用力的力臂，m为杠杆13/23对推杆15/25的作用力的力臂，n为压电陶瓷11/21对杠杆13/23的作用力的力臂，理论上，驱动系统1/2对位移的放大比为m/n。
设置在推杆15/25两端的两个所述连接铰链16a、16b(或26a、26b)的中心线与运动平台沿轴向的中心线在XY平面上的投影共线，确保驱动系统的力准确传递给运动平台；连接连接块12/22与杠杆13/23的连接铰链16c/26c的中心线与压电陶瓷11/21的中心线在XY平面上的投影共线，确保压电陶瓷11/21的力准确传递到杠杆13/23的短臂1a/2a上。
固定平台5包括固定平台本体51和位移检测系统52，位移检测系统52固定在固定平台本体51上，位移检测系统52与运动平台3留有间隙。当运动平台3运动时，运动平台3与位移检测系统52的距离发生变化，通过位移检测系统52得出运动平台3的位移值；固定平台5还包括安装定位孔座53，安装定位孔座53通过两个平行的铰链与固定平台本体51相连，通过安装定位孔作一条与铰链垂直的直线，所述直线与运动平台中心重合；每个铰链可产生弹性形变，多个弹性形变的铰链的耦合作用于固定平台本体51，当固定平台本体51由于外部载荷和温度变化发生时，可通过多个铰链的耦合作用吸收或释放固定平台本体51自身的弹性形变。
优选的，并联铰链4的数量为4个。
优选的，并联铰链4包括两片相互垂直的弹簧片铰链A。
优选的，弹簧片铰链A包括单切口铰链B、复合弹簧片铰链C和复合切口铰链D三种变形结构。
优选的，切口铰链的切口结构包括圆弧切口Z1、椭圆切口Z2和平槽切口Z3。
优选的，每个连接铰链16a-16d和26a-26d包括叶片铰链，叶片铰链与弹簧片铰链A结构相同，且叶片铰链的长度小于弹簧片铰链的长度。
优选的，位移检测系统52包括X轴位移检测系统52x和Y轴位移检测系统52y。
优选的，安装定位孔座53的数量为3个。
纳米位移定位平台的工作原理为，在驱动系统1/2中，通过杠杆13/23把压电陶瓷11/21的位移转换并且放大为对运动平台3的位移。
当运动平台3需要X轴方向位移时，X轴驱动系统1中的压电陶瓷11在电压作用下伸长从而驱动杠杆13，把作用力施加在运动平台3上，在位移上实现放大，运动平台3在并联铰链4作用下沿X方向运动，同时预紧弹簧14被压缩，当压电陶瓷11在电压作用下长度缩短时，预紧弹簧14推动杠杆13向相反的方向运动，同时，当运动平台3沿X轴方向运动时，运动平台3与X轴位移检测系统之间52x的间隙会产生变化，通过X轴位移检测系统52x可以计算出具体的位移值，当运动平台3沿X方向运动时，运动平台3会带动Y轴驱动系统2的推杆25和设置在推杆25两端的两个所述连接铰链26a、26b产生X方向的位移，从而避免对Y轴驱动系统2产生Y向作用力，提高Y轴运动的精度。
同理，当运动平台3需要Y轴方向位移时，Y轴驱动系统2中的压电陶瓷21在电压作用下伸长从而驱动杠杆，把作用力施加在运动平台3上，在位移上实现放大，运动平台3在并联铰链4作用下沿Y方向运动，同时预紧弹簧24被压缩，当压电陶瓷21在电压作用下长度缩短时，预紧弹簧24推动杠杆23向相反的方向运动，同时，当运动平台3沿Y轴方向运动时，运动平台3与Y轴位移检测系统52y之间的间隙会产生变化，通过Y轴位移检测系统52y可以计算出具体的位移值，当运动平台3沿Y方向运动时，运动平台3会带动X轴驱动系统1的推杆15和设置在推杆15两端的两个所述连接铰链16a、16b产生Y方向的位移，从而避免对X轴驱动系统1产生X向作用力，提高X轴运动的精度
由于推杆15/25及其两端铰链的结构设计，可以实现运动平台3X、Y方向运动的解耦，保证运动精度。连接块12/22和连接铰链16c/26c的结构设计可避免压电陶瓷11/21在使用过程中受到切向力的作用，从而保证压电陶瓷11/21的使用寿命。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种纳米位移定位平台，其特征在于，包括两个分别沿X轴和Y轴设置的驱动系统、运动平台、并联铰链和固定平台；
每个所述驱动系统包括压电陶瓷、连接块、杠杆、预紧弹簧、推杆和多个连接铰链；所述压电陶瓷一端固定在所述固定平台上，另一端与所述连接块相连；所述杠杆连接在所述连接块和所述预紧弹簧之间，所述连接块通过其中一个所述连接铰链与所述杠杆相连，所述预紧弹簧一端固定在所述固定平台上，另一端与所述杠杆相连，所述杠杆通过其中另一个所述连接铰链与所述固定平台相连；所述推杆通过设置在所述推杆两端的两个所述连接铰链分别与所述杠杆和所述运动平台相连；
所述运动平台通过所述并联铰链与所述固定平台相连；
所述压电陶瓷伸长时，作用力通过所述连接块、所述杠杆和所述推杆传递至所述运动平台，驱动所述运动平台沿轴向正方向运动，同时所述预紧弹簧被压缩；所述压电陶瓷缩短时，所述预紧弹簧对所述杠杆提供恢复力，驱动所述运动平台沿轴向反方向运动。
2.根据权利要求1所述的纳米位移定位平台，其特征在于，所述并联铰链与所述运动平台的四角相连，所述运动平台运动时，所述并联铰链沿铰链较短方向发生形变，沿铰链较长方向进行力的传递，实现所述并联铰链对XY方向上的运动导向和解耦。
3.根据权利要求1所述的纳米位移定位平台，其特征在于，所述推杆受到垂直于推杆轴向方向的力作用时，所述连接铰链沿铰链较短方向发生形变，所述推杆受到沿推杆轴线方向的力时，所述连接铰链沿铰链较长方向进行力的传递，实现所述连接铰链对非轴线方向的运动解耦。
4.根据权利要求1所述的纳米位移定位平台，其特征在于，所述杠杆为L形结构，包括短臂和长臂，所述短臂连接在所述预紧弹簧和所述连接块之间，所述推杆与所述长臂相连，所述压电陶瓷通过所述连接块对所述短臂施加作用力，同时所述长臂对所述推杆施加作用力。
5.根据权利要求4所述的纳米位移定位平台，其特征在于，所述压电陶瓷对所述杠杆的所述短臂的作用力的方向与所述杠杆对所述推杆的作用力的方向相垂直，所述杠杆对所述推杆的作用力的力臂大于所述压电陶瓷对所述杠杆的作用力的力臂。
6.根据权利要求1所述的纳米位移定位平台，其特征在于，所述预紧弹簧通过旋紧螺母实现预紧，同时通过所述杠杆和所述连接块，对所述压电陶瓷提供预紧力。
7.根据权利要求1所述的纳米位移定位平台，其特征在于，设置在所述推杆两端的两个所述连接铰链的中心线与所述运动平台沿轴向的中心线在XY平面上的投影共线；同时连接所述连接块与所述杠杆的连接铰链的中心线与所述压电陶瓷的中心线在XY平面上的投影共线。
8.根据权利要求1所述的纳米位移定位平台，其特征在于，所述固定平台包括固定平台本体和位移检测系统，所述位移检测系统固定在所述固定平台本体上，所述位移检测系统与所述运动平台之间留有间隙；当所述运动平台运动时，所述运动平台与所述位移检测系统的距离发生变化，通过所述位移检测系统得出所述运动平台的位移值。
9.根据权利要求1所述的纳米位移定位平台，其特征在于，所述固定平台包括固定平台本体和安装定位孔座，所述安装定位孔座通过两个平行的铰链与所述固定平台本体相连，通过所述安装定位孔的中心作一条与铰链垂直的直线，所述直线穿过所述运动平台的中心。
CN201811430442.4A 2018-11-27 2018-11-27 一种基于柔性铰链的并联两自由度纳米位移定位平台 Active CN110364221B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811430442.4A CN110364221B (zh) 2018-11-27 2018-11-27 一种基于柔性铰链的并联两自由度纳米位移定位平台
US16/402,863 US10926366B2 (en) 2018-11-27 2019-05-03 Two degree-of-freedom nano motion control and positioning stage with parallel flexure hinge mechanism

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811430442.4A CN110364221B (zh) 2018-11-27 2018-11-27 一种基于柔性铰链的并联两自由度纳米位移定位平台

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110364221A true CN110364221A (zh) 2019-10-22
CN110364221B CN110364221B (zh) 2022-04-01

Family

ID=68215057

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811430442.4A Active CN110364221B (zh) 2018-11-27 2018-11-27 一种基于柔性铰链的并联两自由度纳米位移定位平台

Country Status (2)

Country Link
US (1) US10926366B2 (zh)
CN (1) CN110364221B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113158529B (zh) * 2021-05-14 2022-04-29 湖北工业大学 基于柔性球铰的空间三平移并联微操作机构动力学建模方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2459740Y (zh) * 2000-12-15 2001-11-14 中国科学院西安光学精密机械研究所 柔性铰链
CN2621876Y (zh) * 2003-04-14 2004-06-30 浙江大学 基于压电驱动器的二维超精密定位、抑振微动工作平台
CN103295651A (zh) * 2013-05-10 2013-09-11 上海大学 基于柔性放大原理的压电驱动尺蠖式定位工作台
CN104595642A (zh) * 2015-01-06 2015-05-06 山东大学 一种二自由度压电驱动纳米定位平台
CN104895913A (zh) * 2015-05-04 2015-09-09 清华大学 两自由度运动解耦柔性铰链机构
CN105006254A (zh) * 2014-04-23 2015-10-28 东北大学 一种具有双位移放大的大行程快速响应x-y微动工作台
CN106782674A (zh) * 2017-02-07 2017-05-31 广东工业大学 一种微位移放大器及纳米定位装置
CN108198588A (zh) * 2017-12-29 2018-06-22 三英精控（天津）仪器设备有限公司 一种基于柔性铰链的单自由度大行程纳米位移定位平台
WO2018193359A1 (pt) * 2017-04-17 2018-10-25 Universidade Federal De Minas Gerais - Ufmg Método de posicionamento automático para montagem de sondas para varredura e espectroscopia óptica in situ e dispositivo
CN109140148A (zh) * 2018-09-05 2019-01-04 三英精控（天津）仪器设备有限公司 一种串联压电驱动纳米定位平台

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19940124C2 (de) * 1998-08-31 2003-04-10 Olympus Optical Co Plattform mit einem Verschiebungsverstärkungsmechanismus
US7093827B2 (en) 2001-11-08 2006-08-22 Massachusetts Institute Of Technology Multiple degree of freedom compliant mechanism
US7525833B2 (en) 2005-10-21 2009-04-28 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Nanoscale shift register and signal demultiplexing using microscale/nanoscale shift registers
JP5605227B2 (ja) * 2009-02-10 2014-10-15 秋田県 平面位置決め装置およびこれを備えた検査装置
GB2538039A (en) 2015-02-04 2016-11-09 Kohler Mira Ltd Hinge
CN107081760B (zh) 2017-06-21 2023-05-09 东莞爱创机器人科技有限公司 一种基于平动并联机构的六自由度机械臂
CN107833594B (zh) 2017-09-13 2020-02-21 南京航空航天大学 一种用于高精度定位和测量的二维三自由度微动平台结构

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2459740Y (zh) * 2000-12-15 2001-11-14 中国科学院西安光学精密机械研究所 柔性铰链
CN2621876Y (zh) * 2003-04-14 2004-06-30 浙江大学 基于压电驱动器的二维超精密定位、抑振微动工作平台
CN103295651A (zh) * 2013-05-10 2013-09-11 上海大学 基于柔性放大原理的压电驱动尺蠖式定位工作台
CN105006254A (zh) * 2014-04-23 2015-10-28 东北大学 一种具有双位移放大的大行程快速响应x-y微动工作台
CN104595642A (zh) * 2015-01-06 2015-05-06 山东大学 一种二自由度压电驱动纳米定位平台
CN104895913A (zh) * 2015-05-04 2015-09-09 清华大学 两自由度运动解耦柔性铰链机构
CN106782674A (zh) * 2017-02-07 2017-05-31 广东工业大学 一种微位移放大器及纳米定位装置
WO2018193359A1 (pt) * 2017-04-17 2018-10-25 Universidade Federal De Minas Gerais - Ufmg Método de posicionamento automático para montagem de sondas para varredura e espectroscopia óptica in situ e dispositivo
CN108198588A (zh) * 2017-12-29 2018-06-22 三英精控（天津）仪器设备有限公司 一种基于柔性铰链的单自由度大行程纳米位移定位平台
CN109140148A (zh) * 2018-09-05 2019-01-04 三英精控（天津）仪器设备有限公司 一种串联压电驱动纳米定位平台

Also Published As

Publication number Publication date
CN110364221B (zh) 2022-04-01
US10926366B2 (en) 2021-02-23
US20200206859A1 (en) 2020-07-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Martel et al. Three-legged wireless miniature robots for mass-scale operations at the sub-atomic scale
US8342055B2 (en) Toggle-type positioning platform
CN100484728C (zh) 三平动正交解耦并联微动平台
CN108962336A (zh) 一种基于压电驱动的二维并联柔性微动平台
CN102623070A (zh) 一种二自由度微位移精密定位装置
JPH11133040A (ja) 微動機構装置および走査型プローブ顕微鏡
CN105904443B (zh) 一种运动解耦的两自由度柔顺并联机构
CN106195556A (zh) 一种XYθ平面三自由度精密定位平台
US20070295138A1 (en) Toggle-type positioning platform and toggle-type machine tool
CN110364221A (zh) 一种基于柔性铰链的并联两自由度纳米位移定位平台
CN110064956A (zh) 一种微位移驱动机构
CN215815203U (zh) 一种基于柔性铰链的压电驱动器驱动新型三自由度定位平台
CN104896268A (zh) 一种三自由度大行程柔性纳米定位平台
CN108877871A (zh) 一种驱动器内置式两自由度精密定位平台
CN112476373B (zh) 空间6-rrrr柔顺并联纳米定位平台
CN205704162U (zh) 一种运动解耦的两自由度柔顺并联机构
CN214520003U (zh) 三自由度精密微位移定位平台
CN112067850B (zh) 一种二维纳米定位平台
CN109818524B (zh) 基于鸟翼形仿生柔性机构的压电精密驱动装置及方法
RU2297078C1 (ru) Позиционер трехкоординатный
Wan et al. Design of a 3DOF XYZ Precision Positioning Platform Using Novel Z-Shaped Flexure Hinges
CN220041404U (zh) 一种平面两自由度柔顺精密定位平台
Ji et al. Design and optimization of two-degree-of-freedom parallel four pure-slide-and four parallel quadrilateral-pair precision positioning platform
CN209461159U (zh) 一种二维高精度微动平台
CN217483442U (zh) 一种高带宽大行程空间三自由度并联柔顺精密定位平台

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant