CN110415758A - 基于多级螺旋结构铰链的高精度z向单自由度微定位平台 - Google Patents

基于多级螺旋结构铰链的高精度z向单自由度微定位平台 Download PDF

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田延岭
杨明旋
王福军
周重凯
李兵臣
林文昭
王宏运
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Abstract

本发明公开了一种基于多级螺旋结构铰链的高精度Z向单自由度微定位平台，包括多级螺旋结构铰链支撑环，底座和压电陶瓷驱动器；所述多级螺旋结构铰链支撑环包括位于其外围的外环、位于其中心的终端平台和介于外环与终端平台之间的多级螺旋结构铰链；所述外环固定连接在所述底座上；所述压电陶瓷驱动器固定连接在所述底座内，所述终端平台的底部中心与所述压电陶瓷驱动器的顶端接触，由所述压电陶瓷驱动器产生Z向位移带动所述终端平台产生Z向位移。本发明采用螺旋形铰链和圆环多级叠加组成的多级螺旋结构铰链，具有运动精度高、耦合误差极小、结构紧凑的特点，能够实现终端平台在Z方向的高精度的运动与定位。

Description

基于多级螺旋结构铰链的高精度Z向单自由度微定位平台
技术领域
本发明涉及微定位平台，特别涉及一种基于多级螺旋结构铰链的高精度Z向单自由度微定位平台。
背景技术
随着科技发展，微纳技术得到了广泛应用。但是，高精度的微定位平台一直制约着微纳技术的推广。目前已有的Z向单自由度微定位平台的耦合误差较大，缺少高精度的耦合误差小的Z向单自由度微定位平台。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于多级螺旋结构铰链的高精度Z向单自由度微定位平台，该平台能够实现Z向平动自由度，并且运动精度高、耦合误差极小、结构紧凑。
本发明所采用的技术方案是：一种基于多级螺旋结构铰链的高精度Z向单自由度微定位平台，包括：
多级螺旋结构铰链支撑环，所述多级螺旋结构铰链支撑环包括位于所述多级螺旋结构铰链支撑环外围的外环、位于所述多级螺旋结构铰链支撑环中心的终端平台和介于所述外环与所述终端平台之间的多级螺旋结构铰链；所述多级螺旋结构铰链由多级螺旋结构叠加组成，由所述终端平台指向所述外环分为：第一级螺旋结构，第二级螺旋结构和第三级螺旋结构；所述第一级螺旋结构包括n个第一级平面螺旋形铰链和一个第一级圆环，所述第二级螺旋结构包括n个第二级平面螺旋形铰链和一个第二级圆环，所述第三级螺旋结构包括n个第三级平面螺旋形铰链；所述第一级圆环、所述第二级圆环与所述外环同心布置，并且，所述第一级圆环和所述第二级圆环由内向外依次排布；每个所述第一级平面螺旋形铰链的起始端均连接在所述终端平台的外部圆环上、每个所述第一级平面螺旋形铰链的终止端均连接在所述第一级圆环上，n个所述第一级平面螺旋形铰链的起始端沿所述终端平台的外部圆环的圆周均匀布置、n个所述第一级平面螺旋形铰链的终止端沿所述第一级圆环的圆周均匀布置；n个所述第一级平面螺旋形铰链具有相同的形状和相同的旋转方向，并且位于同一平面内；每个所述第二级平面螺旋形铰链的起始端均连接在所述第一级圆环上、每个所述第二级平面螺旋形铰链的终止端均连接在所述第二级圆环上，n个所述第二级平面螺旋形铰链的起始端分别位于n个所述第一级平面螺旋形铰链的终止端、n个所述第二级平面螺旋形铰链的终止端沿所述第二级圆环的圆周均匀布置；n个所述第二级平面螺旋形铰链具有相同的形状和相同的旋转方向，并且位于同一平面内；每个所述第三级平面螺旋形铰链的起始端均连接在所述第二级圆环上、每个所述第三级平面螺旋形铰链的终止端均连接在所述外环上，n个所述第三级平面螺旋形铰链的起始端分别位于n个所述第二级平面螺旋形铰链的终止端、n个所述第三级平面螺旋形铰链的终止端沿所述外环的圆周均匀布置；n个所述第三级平面螺旋形铰链具有相同的形状和相同的旋转方向，并且位于同一平面内；
底座，所述多级螺旋结构铰链支撑环的外环固定连接在所述底座上；以及，
压电陶瓷驱动器，所述压电陶瓷驱动器固定连接在所述底座内，所述多级螺旋结构铰链支撑环的终端平台的底部中心与所述压电陶瓷驱动器的顶端接触，由所述压电陶瓷驱动器产生Z向位移带动所述终端平台产生Z向位移。
进一步地，当n＝3，所述第一级平面螺旋形铰链的螺旋圈数为1～2，所述第二级平面螺旋形铰链的螺旋圈数为1/3～1/2，所述第三级平面螺旋形铰链的螺旋圈数为1/4～1/3。
进一步地，在所述多级螺旋结构铰链支撑环的外环的上部设置有垫片，所述多级螺旋结构铰链支撑环的外环和所述垫片通过螺栓连接与所述底座固接在一起。
进一步地，所述底座包括：
底部结构，
圆环支撑结构，所述圆环支撑结构固定连接在所述底部结构上，所述多级螺旋结构铰链支撑环的外环固定连接在所述圆环支撑结构上；以及，
内部支撑结构，所述内部支撑结构位于所述圆环支撑结构内，并固定连接在所述底部结构的中心，所述压电陶瓷驱动器安装于所述内部支撑结构内。
进一步地，所述压电陶瓷驱动器采用螺栓预紧方式安装于所述内部支撑结构内。
本发明的有益效果是：
采用螺旋形铰链和圆环多级叠加组成的多级螺旋结构铰链，多级螺旋结构由内到外的刚度逐渐增加，具有运动精度高，耦合误差小、结构紧凑的特点，能够实现终端平台在Z方向高精度的运动与定位，其独特之处在于运动精度极高，耦合误差极小；
多级螺旋结构铰链支撑环采用较厚的外环，使其固定更加可靠；
多级螺旋结构铰链支撑环上部设有垫片，使螺栓预紧力分布更加均匀；
压电陶瓷驱动器采用螺栓预紧方式安装在底座的内部支撑结构中，可以保证其固定的可靠性。
附图说明
图1为本发明的前视结构示意图；
图2为本发明的俯视结构示意图；
图3为本发明的立体结构示意图；
图4为本发明的爆炸结构示意图；
图5a为本发明的多级螺旋结构铰链支撑环的俯视结构示意图；
图5b为图5a中的A-A剖面结构示意图；
图6a为本发明的底座的前视结构示意图；
图6b为本发明的底座的俯视结构示意图；
图7a为本发明的垫片的俯视结构示意图；
图7b为本发明的垫片的前视结构示意图；
附图标注：1、多级螺旋结构铰链支撑环，111、第一级平面螺旋形铰链，112、第一级圆环，121、第二级平面螺旋形铰链，122、第二级圆环，131、第三级平面螺旋形铰链，14、终端平台，15、外环，2、底座，21、底部结构，22、圆环支撑结构，23、内部支撑结构，3、垫片，4、压电陶瓷驱动器。
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：
如附图1至图7b所示，一种基于多级螺旋结构铰链的高精度Z向单自由度微定位平台，包括多级螺旋结构铰链支撑环1，底座2，垫片3和压电陶瓷驱动器4。
所述多级螺旋结构铰链支撑环1包括外围较厚的外环15、中间较厚的终端平台14、介于所述外环15与所述终端平台14之间的较薄的多级螺旋结构铰链。所述终端平台14的底部中心与所述压电陶瓷驱动器4的顶端接触。所述外环15设有六个周向均布的通孔。所述多级螺旋结构铰链由多级螺旋结构叠加组成，由所述终端平台14指向所述外环15分为三级：第一级螺旋结构，第二级螺旋结构和第三级螺旋结构。所述第一级螺旋结构包括n个第一级平面螺旋形铰链111和一个第一级圆环112，所述第二级螺旋结构包括n个第二级平面螺旋形铰链121和一个第二级圆环122，所述第三级螺旋结构包括n个第三级平面螺旋形铰链131。所述第一级圆环112、所述第二级圆环122与所述外环15同心布置，并且，所述第一级圆环112和所述第二级圆环122由内向外依次排布。每个所述第一级平面螺旋形铰链111的起始端均连接在所述终端平台14的外部圆环上、每个所述第一级平面螺旋形铰链111的终止端均连接在所述第一级圆环112上，n个所述第一级平面螺旋形铰链111的起始端沿所述终端平台14的外部圆环的圆周均匀布置、n个所述第一级平面螺旋形铰链111的终止端沿所述第一级圆环112的圆周均匀布置；n个所述第一级平面螺旋形铰链111具有相同的形状和相同的旋转方向，并且位于同一平面内。每个所述第二级平面螺旋形铰链121的起始端均连接在所述第一级圆环112上、每个所述第二级平面螺旋形铰链121的终止端均连接在所述第二级圆环122上，n个所述第二级平面螺旋形铰链121的起始端分别位于n个所述第一级平面螺旋形铰链111的终止端、n个所述第二级平面螺旋形铰链121的终止端沿所述第二级圆环122的圆周均匀布置；n个所述第二级平面螺旋形铰链121具有相同的形状和相同的旋转方向，并且位于同一平面内。每个所述第三级平面螺旋形铰链131的起始端均连接在所述第二级圆环122上、每个所述第三级平面螺旋形铰链131的终止端均连接在所述外环15上，n个所述第三级平面螺旋形铰链131的起始端分别位于n个所述第二级平面螺旋形铰链121的终止端、n个所述第三级平面螺旋形铰链131的终止端沿所述外环15的圆周均匀布置；n个所述第三级平面螺旋形铰链131具有相同的形状和相同的旋转方向，并且位于同一平面内。本实施例中，由起始端指向终止端，所述第一级平面螺旋形铰链111、第二级平面螺旋形铰链121和第三级平面螺旋形铰链131为逆时针旋转，实际上，平面螺旋形铰链为顺时针或逆时针旋转均可；所述第一级平面螺旋形铰链111、第二级平面螺旋形铰链121和第三级平面螺旋形铰链131的数目均为3，即n＝3，此时，所述第一级平面螺旋形铰链111的螺旋圈数为1～2，所述第二级平面螺旋形铰链121的螺旋圈数为1/3～1/2，所述第三级平面螺旋形铰链131的螺旋圈数为1/4～1/3。
所述底座2包括底部结构21，圆环支撑结构22和内部支撑结构23，所述圆环支撑结构22固定连接在所述底部结构21上，所述内部支撑结构23位于所述圆环支撑结构22内，并固定连接在所述底部结构21的中心。所述圆环支撑结构22设有六个周向均布的螺纹通孔，所述底部结构21外围设有四个周向均布的通孔，所述底部结构21中心设有一个螺纹孔。
在所述多级螺旋结构铰链支撑环1的外环15的上部设置有垫片3，所述多级螺旋结构铰链支撑环1的外环15和所述垫片3通过螺栓连接与所述底座2的圆环支撑结构22固接在一起。
所述压电陶瓷驱动器4采用螺栓预紧方式安装于所述底座2的内部支撑结构23内。
本发明的工作原理为：
首先给压电陶瓷驱动器4预加电压，使压电陶瓷驱动器4产生Z向位移。通过改变压电陶瓷驱动器4上的电压，使压电陶瓷驱动器4产生Z向位移，当电压增大时，压电陶瓷驱动器4产生Z向伸长位移；电压减小时，压电陶瓷驱动器4产生Z向收缩位移。压电陶瓷驱动器4产生的Z向位移直接传递给与其接触的多级螺旋结构铰链支撑环1上的终端平台14，多级螺旋结构铰链产生Z向形变，从而使终端平台14产生Z向位移。
本发明采用螺旋形铰链和圆环多级叠加组成的多级螺旋结构铰链，具有运动精度高、耦合误差极小、结构紧凑的特点，能够实现终端平台在Z方向的高精度的运动与定位。
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 (5)

1.一种基于多级螺旋结构铰链的高精度Z向单自由度微定位平台，其特征在于，包括：
多级螺旋结构铰链支撑环(1)，所述多级螺旋结构铰链支撑环(1)包括位于所述多级螺旋结构铰链支撑环(1)外围的外环(15)、位于所述多级螺旋结构铰链支撑环(1)中心的终端平台(14)和介于所述外环(15)与所述终端平台(14)之间的多级螺旋结构铰链；所述多级螺旋结构铰链由多级螺旋结构叠加组成，由所述终端平台(14)指向所述外环(15)分为：第一级螺旋结构，第二级螺旋结构和第三级螺旋结构；所述第一级螺旋结构包括n个第一级平面螺旋形铰链(111)和一个第一级圆环(112)，所述第二级螺旋结构包括n个第二级平面螺旋形铰链(121)和一个第二级圆环(122)，所述第三级螺旋结构包括n个第三级平面螺旋形铰链(131)；所述第一级圆环(112)、所述第二级圆环(122)与所述外环(15)同心布置，并且，所述第一级圆环(112)和所述第二级圆环(122)由内向外依次排布；每个所述第一级平面螺旋形铰链(111)的起始端均连接在所述终端平台(14)的外部圆环上、每个所述第一级平面螺旋形铰链(111)的终止端均连接在所述第一级圆环(112)上，n个所述第一级平面螺旋形铰链(111)的起始端沿所述终端平台(14)的外部圆环的圆周均匀布置、n个所述第一级平面螺旋形铰链(111)的终止端沿所述第一级圆环(112)的圆周均匀布置；n个所述第一级平面螺旋形铰链(111)具有相同的形状和相同的旋转方向，并且位于同一平面内；每个所述第二级平面螺旋形铰链(121)的起始端均连接在所述第一级圆环(112)上、每个所述第二级平面螺旋形铰链(121)的终止端均连接在所述第二级圆环(122)上，n个所述第二级平面螺旋形铰链(121)的起始端分别位于n个所述第一级平面螺旋形铰链(111)的终止端、n个所述第二级平面螺旋形铰链(121)的终止端沿所述第二级圆环(122)的圆周均匀布置；n个所述第二级平面螺旋形铰链(121)具有相同的形状和相同的旋转方向，并且位于同一平面内；每个所述第三级平面螺旋形铰链(131)的起始端均连接在所述第二级圆环(122)上、每个所述第三级平面螺旋形铰链(131)的终止端均连接在所述外环(15)上，n个所述第三级平面螺旋形铰链(131)的起始端分别位于n个所述第二级平面螺旋形铰链(121)的终止端、n个所述第三级平面螺旋形铰链(131)的终止端沿所述外环(15)的圆周均匀布置；n个所述第三级平面螺旋形铰链(131)具有相同的形状和相同的旋转方向，并且位于同一平面内；
底座(2)，所述多级螺旋结构铰链支撑环(1)的外环(15)固定连接在所述底座(2)上；以及，
压电陶瓷驱动器(4)，所述压电陶瓷驱动器(4)固定连接在所述底座(2)内，所述多级螺旋结构铰链支撑环(1)的终端平台(14)的底部中心与所述压电陶瓷驱动器(4)的顶端接触，由所述压电陶瓷驱动器(4)产生Z向位移带动所述终端平台(14)产生Z向位移。
2.根据权利要求1所述的一种基于多级螺旋结构铰链的高精度Z向单自由度微定位平台，其特征在于，当n＝3，所述第一级平面螺旋形铰链(111)的螺旋圈数为1～2，所述第二级平面螺旋形铰链(121)的螺旋圈数为1/3～1/2，所述第三级平面螺旋形铰链(131)的螺旋圈数为1/4～1/3。
3.根据权利要求1所述的一种基于多级螺旋结构铰链的高精度Z向单自由度微定位平台，其特征在于，在所述多级螺旋结构铰链支撑环(1)的外环(15)的上部设置有垫片(3)，所述多级螺旋结构铰链支撑环(1)的外环(15)和所述垫片(3)通过螺栓连接与所述底座(2)固接在一起。
4.根据权利要求1所述的一种基于多级螺旋结构铰链的高精度Z向单自由度微定位平台，其特征在于，所述底座(2)包括：
底部结构(21)，
圆环支撑结构(22)，所述圆环支撑结构(22)固定连接在所述底部结构(21)上，所述多级螺旋结构铰链支撑环(1)的外环(15)固定连接在所述圆环支撑结构(22)上；以及，
内部支撑结构(23)，所述内部支撑结构(23)位于所述圆环支撑结构(22)内，并固定连接在所述底部结构(21)的中心，所述压电陶瓷驱动器(4)安装于所述内部支撑结构(23)内。
5.根据权利要求4所述的一种基于多级螺旋结构铰链的高精度Z向单自由度微定位平台，其特征在于，所述压电陶瓷驱动器(4)采用螺栓预紧方式安装于所述内部支撑结构(23)内。
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