CN110497363A - 一种模块化宏微结合的三自由度微夹持平台及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种模块化宏微结合的三自由度微夹持平台，使用时，先通过宏动平台模块进行大行程运动，然后再通过微动平台模块进行高精度定位。第一直线电机和第二直线电机能够实现x方向的大行程运动，第三直线电机和第四直线电机能够y方向的大行程运动；x、y、z三个自由度方向的线性位移器能实现微动平台模块在x、y、z三个自由度方向的高精度定位，误差小，精度高。

Description

一种模块化宏微结合的三自由度微夹持平台及其使用方法

技术领域

本发明属于微操作领域，涉及一种模块化宏微结合的三自由度微夹持平台及其使用方法。

背景技术

当今，随着微操作纳米技术的出现和不断更新，操作的对象不断走向细型化。因此，在操作和加工的过程中，需要能够在大行程的范围内实现亚纳米级乃至纳米级的精密操作系统，尤其是在大规模集成电路制造中芯片的制造和封装；在微型和纳米器件的快速发展中，如细微器件的生产与拼装、生物机械中的细胞运动与分离、精密测量与加工等，都对微操作纳米技术的精度提出了很高的要求，而且科学技术的逐步发展方向是微型化和精密化，即设备更加微小和操作更加精密，微操作领域的发展很大程度的改变人类的生活方式，现如今各种微纳米机器人的研究成果的问世，各种微操作机器人产品的出现，大大方便了人们的生活。

目前，由于传统的机械系统不能克服微操作领域所要求的同时满足大行程和高精度运动的操作；目前的微夹持平台多为单级驱动，不能够满足大行程运动的要求；而且国内现有的微夹持平台多为x、y二自由度。因此，设计一种宏微结合多自由度微夹持平台是至关重要的。

发明内容

本发明针对上述技术问题提供一种宏微结合的三自由度微夹持平台及其使用方法，能够满足三自由度、大行程、高精度运动要求。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种模块化宏微结合的三自由度微夹持平台，包括宏动平台模块、微动平台模块和夹持器模块；

宏动平台模块包括基座和中间横梁，基座上设有第一安装台和第二安装台，第一安装台上安装有第一直线电机，第二安装台上安装有第二直线电机；中间横梁的一端与第一直线电机的驱动端连接，另一端与第二直线电机的驱动端连接；中间横梁的两侧安装有第三直线电机和第四直线电机，中间横梁上设置有滑动平台，滑动平台两侧分别与第三直线电机和第四直线电机的驱动端连接，第一动磁式直线电机和第二直线电机用于驱动中间横梁沿x方向运动，第三直线电机和第四直线电机用于驱动滑动平台沿y方向运动；

微动平台模块包括固定在滑动平台上的x方向线性位移器，x方向线性位移器的滑块上固定有第一连接板，第一连接板上固定有y方向线性位移器，y方向线性位移器的滑块上固定有第二连接板，第二连接板上固定有z方向线性位移器，z方向线性位移器的滑块上固定有夹持平台；x方向线性位移器用于驱动第一连接板沿x方向运动，y方向线性位移器用于驱动第二连接板沿y方向运动，z方向线性位移器用于驱动夹持平台沿z方向运动；

夹持器模块安装在夹持平台上。

优选的，第一直线电机、第二直线电机、第三直线电机和第四直线电机均为动磁式直线电机，中间横梁的一端与第一直线电机的第一铁块固定连接，另一端与第二直线电机的第二铁块固定连接；滑动平台两侧分别与第三直线电机的第三铁块和第四直线电机的第四铁块固定连接；使用时，四个动磁式直线电机的缠绕线圈连接同一个电源回路。

进一步的，滑动平台两侧分别连接有第一平台滑块和第二平台滑块，第一平台滑块与第三直线电机的第三铁块固定连接，第二平台滑块与第四直线电机的第四铁块固定连接。

优选的，基座上沿x方向固定有第一基座滑槽和第二基座滑槽，中间横梁两端底部分别固定有至少两个滑轮，两端的滑轮分别滑动设置在第一基座滑槽和第二基座滑槽中。

优选的，x方向线性位移器包括平行设置的第一x方向线性位移器和第二x方向线性位移器，第一x方向线性位移器的第一x方向线性滑块和第二x方向线性位移器的第二x方向线性滑块分别与第一连接板底部连接。

进一步的，第一连接板底部两侧设置有第一x方向滑槽和第二x方向滑槽，第一x方向线性位移器的第一x方向线性滑块与第一x方向滑槽固定连接，第二x方向线性位移器的第二x方向线性滑块与第二x方向滑槽固定连接。

优选的，y方向线性位移器包括平行设置的第一y方向线性位移器和第二y方向线性位移器，第一y方向线性位移器的第一y方向线性滑块和第二y方向线性位移器的第二y方向线性滑块分别与第二连接板的底部连接。

进一步的，第二连接板的底部两侧设置有第一y方向滑槽和第二y方向滑槽，第一y方向线性位移器的第一y方向线性滑块与第一y方向滑槽固定连接，第二y方向线性位移器的第二y方向线性滑块与第二y方向滑槽固定连接。

优选的，z方向线性位移器包括第一斜面固定块、第二斜面固定块和支撑线性位移器；

第二连接板的一端上部固定有平行设置的第一斜面固定块和第二斜面固定块，另一端上部通过滑槽滑动连接有被动滑块，第一斜面固定块和第二斜面固定块的倾斜面均与被动滑块相对设置；在第一斜面固定块和第二斜面固定块的倾斜面上分别固定设置第一倾斜线性位移器和第二倾斜线性位移器，被动滑块侧面沿z方向设置支撑线性位移器，第一倾斜线性位移器的第一倾斜线性滑块和第二倾斜线性位移器的第二倾斜线性滑块分别与夹持平台底部固定连接，支撑线性位移器的支撑线性滑块一端与夹持平台底部固定连接；第一倾斜线性位移器和第二倾斜线性位移器的驱动方向为y方向和z方向，或者x方向和z方向。

进一步的，给第一直线电机、第二直线电机、第三直线电机和第四直线电机的缠绕线圈同时供电，实现x方向和y方向的大行程运动；然后再分别启动x方向线性位移器、y方向线性位移器和z方向线性位移器，实现x、y和z三个方向的微动，到目标位置点时，夹持器模块对目标物实现夹持动作，完成整个微夹持过程。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提出了一种宏动平台x、y方向运动一体化的模块化宏微双级驱动的三自由度微夹持平台，使用时，先通过宏动平台模块进行大行程运动，然后再通过微动平台模块进行高精度定位。第一直线电机和第二直线电机能够实现x方向的大行程运动，第三直线电机和第四直线电机能够y方向的大行程运动；x、y、z三个自由度方向的线性位移器能实现微动平台模块在x、y、z三个自由度方向的高精度定位，误差小，精度高。本发明模块化宏微双重驱动能够同时满足三自由度、大行程、高精度运动，解决了传统的机械系统不能克服微操作领域所要求的同时满足大行程和高精度运动的操作，且单级驱动的微夹持器不能满足大行程的需求，微夹持平台多为x、y二自由度运动的不足。并且本发明采用模块化设计，减少了再设计和再加工的成本，大大节省了产品的开发时间。

进一步的，由于目前的宏微结合的多自由度微夹持平台是通过单自由度运动平台的叠加，这种组合式单自由度驱动平台的耦合误差大，精度低；目前基本没有将宏动平台做成一体化的微夹持平台。本发明采用动磁式直线电机，只需要给其铁块上的线圈通电即可实现驱动控制，因此四个动磁式直线电机只需要将缠绕线圈连接同一个电源回路即可实现同时控制，从而能够实现宏动部分x、y方向同时动作，实现宏动平台一体化，耦合误差小，在实现大行程运动的同时也能保证高精度定位，解决了组合式单自由度驱动平台的耦合误差大，精度低的问题。并且，采用磁式直线电机，可以减小驱动过程中的摩擦力，进一步保证高精度。

进一步的，中间横梁底部设置滑轮，可以协助中间横梁在第一直线电机和第二直线电机的驱动下沿x方向滑动，也可以防止中间横梁由于惯性作用运动到x方向位移极限发生碰撞。

进一步的，设置两个x方向线性位移器，共同支撑第一连接板，可以更好的保证第一连接板的平衡及其平稳运动。

进一步的，在第一连接板底部设置滑槽，在保证中间厚度的条件下，尽量降低第一连接板的重量，降低线性位移器的承重。

进一步的，设置两个y方向线性位移器，共同支撑第二连接板，可以更好的保证第二连接板的平衡及其平稳运动。

进一步的，在第二连接板底部设置滑槽，在保证中间厚度的条件下，尽量降低第二连接板的重量，降低线性位移器的承重。

进一步的，由于z方向设置的线性位移器承载力比较弱，因此设置斜面固定块，并在斜面固定块上设置倾斜线性位移器，相对于单纯z方向设置线性位移器，底部支撑面积更大，承受力增大，能更好的保证结构的稳定性。同时，这种设置的倾斜线性位移器处理能够实现z方向驱动外，还能实现另一个自由度的微调，进一步提高精度。

附图说明

图1是一种模块化宏微结合的三自由度微夹持平台的结构示意图；

图2是宏动平台模块的结构示意图；

图3是宏动平台模块的主视图；

图4是微动平台模块的结构示意图；

图5是微动平台模块的左视图；

图6是微动平台模块的主视图；

图7是夹持器模块的结构示意图；

图8是夹持器模块的内部结构图；

图中，1.基座，2.第一凸台，3.第一直线电机，4.第一固定块，5.第一铁块，6.第一基座滑槽，7.中间横梁，8.滑块平台，9.微动平台模块，901.底座，902.第一安装块，903.第一x方向线性位移器，904.第一连接板，905.第二连接板，906.夹持平台，907.第二x方向线性位移器，908.第二安装块，909.第一y方向线性位移器909，910.第一y方向线性滑块，911.第一斜面固定块，912.第一倾斜线性位移器，913.第二倾斜线性位移器，914.第二斜面固定块，915.第二y方向线性滑块，916.第二y方向线性位移器916，917.第一x方向线性滑块，918.支撑线性位移器，919.支撑线性滑块，920.被动滑块，921.第二x方向线性滑块，10.夹持器模块，101.底壳，102.上壳，103.微夹持器，11.第二基座滑槽，12.第二凸台，13.第二直线电机，14.第二铁块，15.第三直线电机，16.第二固定块，17.第四直线电机，18.第一滑轮，19.第二滑轮。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1，本发明模块化宏微结合的三自由度微夹持平台，包括宏动平台模块、微动平台模块9和夹持器模块10。

其中，如图2-3所示，宏动平台模块为x、y方向运动的一体平台，包括基座1，在基座1上的两端用螺钉固定有第一安装台2和第二安装台12，第一安装台2和第二安装台12相对设置，在基座1上用螺钉平行固定安装有第一基座滑槽6和第二基座滑槽11，第一基座滑槽6和第二基座滑槽11位于第一安装台2和第二安装台12之间。第一安装台2上用螺钉固定安装有第一直线电机3，第二安装台12上用螺钉固定安装有第二直线电机13，第一直线电机3和第二直线电机13的驱动方向呈平行设置；在第一直线电机3和第二直线电机13之间连接有中间横梁7，中间横梁7与第一直线电机3和第二直线电机13的驱动方向呈垂直设置，第一直线电机3和第二直线电机13用来驱动中间横梁7沿x方向(即第一直线电机3和第二直线电机13的驱动方向)移动。其中第一直线电机3和第二直线电机13采用动磁式直线电机，第一直线电机3和第二直线电机13的动子即缠绕线圈的第一铁块5和第二铁块14分别通过第一固定块4和第二固定块16固定在中间横梁7的两端，使第一铁块5能够悬置在第一直线电机3的上下磁铁的中间，第二铁块14能够悬置在第二直线电机13上下磁铁的中间。

中间横梁7一端底部固定有两相同的第一滑轮18，另一端底部固定有两相同的第二滑轮19，两端的滑轮分别滑动设置在第一基座滑槽6和第二基座滑槽11中，协助中间横梁7在第一直线电机3和第二直线电机13的驱动下沿x方向滑动，也防止中间横梁7由于惯性作用运动到x方向位移极限发生碰撞。在中间横梁7的两侧固定有第三直线电机15和第四直线电机17，第三直线电机15和第四直线电机17优选采用动磁式直线电机，中间横梁7上设置有滑动平台8，滑动平台8两侧分别设置有第一平台滑块和第二平台滑块，第一平台滑块上固定有缠绕线圈的第三铁块，第二平台滑块上固定有缠绕线圈的第四铁块，第三铁块置于第三直线电机15上下磁铁的中间，第四铁块置于第四直线电机17上下磁铁的中间，工作时第三直线电机15和第四直线电机17驱动滑块平台8沿y方向(即中间横梁7的长度方向)运动。

如图4-6所示，微动平台模块9包括底座901，底座901通过螺钉固定在滑块平台8上，在底座901上用螺钉固定安装有第一安装块902和第二安装块908，在第一安装块902和第二安装块908上分别用螺钉沿x方向固定有第一x方向线性位移器903和第二x方向线性位移器907，线性位移器由交叉滚子滑块组成，第一x方向线性位移器903和第二x方向线性位移器907分别具有第一x方向线性滑块917和第二x方向线性滑块921，第一x方向线性滑块917和第二x方向线性滑块921上方共同支撑有第一连接板904，第一连接板904上设置有第一x方向滑槽和第二x方向滑槽，第一x方向线性滑块917和第二x方向线性滑块921分别置于第一连接板904的第一x方向滑槽和第二x方向滑槽中并固定连接，第一x方向线性位移器903和第二x方向线性位移器907能够带动第一连接板904实线微动平台模块9在x方向的高精度、平稳的直线运动。

第一连接板904上用螺钉固定装有两个y方向的第一y方向线性位移器909和第二y方向线性位移器916，第一y方向线性位移器909和第二y方向线性位移器916分别具有第一y方向线性滑块910和第二y方向线性滑块915，第一y方向线性滑块910和第二y方向线性滑块915上方共同支撑有

第二连接板905，第二连接板905上设置有第一y方向滑槽和第二y方向滑槽，第一y方向线性滑块910和第二y方向线性滑块915分别置于第一y方向滑槽和第二y方向滑槽中并固定连接，第一y方向线性位移器909和第二y方向线性位移器916能够带动第二连接板905实现微动平台模块9沿y方向高精度、平稳的直线运动。

在第二连接板905的一端上用螺钉固定连接有平行设置的第一斜面固定块911和第二斜面固定块914，在另一端上用滑槽滑动连接被动滑块920，第一斜面固定块911和第二斜面固定块914的倾斜面与被动滑块920相对。在第一斜面固定块911和第二斜面固定块914的倾斜面上分别用螺钉固定有第一倾斜线性位移器912和第二倾斜线性位移器913，第一倾斜线性位移器912和第二倾斜线性位移器913能够同时实现y方向和z方向的驱动，在被动滑块920内侧面用螺钉固定有沿z方向设置的支撑线性位移器918。第一倾斜线性位移器912、第二倾斜线性位移器913和被动滑块920上方设置有夹持平台906，第一倾斜线性位移器912和第二倾斜线性位移器913分别具有第一倾斜线性滑块和第二倾斜线性滑块，第一倾斜线性滑块和第二倾斜线性滑块分别与夹持平台906底部设置的第一倾斜线性滑槽和第二倾斜线性滑槽固定连接，支撑线性位移器918具有支撑线性滑块919，支撑线性滑块919的一端与夹持平台906底部设置的支持线性滑槽固定连接。使夹持平台906能够在第一倾斜线性位移器912、第二倾斜线性位移器913和支撑线性位移器918的作用下即调节y方向的运动，也能够沿z方向高精度、平稳的运动。

被动滑块920为梯形，夹持平台906为刀型，其一端底部为倾斜面，与第一斜面固定块911和第二斜面固定块914的倾斜面上下相对，另一端为平板状。

如图7-8所示，夹持器模块10包括底壳101，底壳101通过螺钉固定连接在夹持平台906上，在底壳101内用螺钉固定装有微夹持器103，上壳102通过螺钉固定在底壳101顶部，上壳102和底壳101形成微夹持器外壳，微夹持器外壳对整个微夹持器起保护作用，也便于微夹持器模块10的拆装与更换。

其具体工作实施为：给宏动平台模块的第一安装台2和第二安装台12上的第一直线电机3和第二直线电机13的动子即缠绕在铁块上的线圈通电，线圈接上直流电后，切割第一直线电机3和第二直线电机13内上下磁铁所产生的磁感线，就会产生电磁力，推动中间横梁7沿x方向直线移动，驱动的同时，带动中间横梁7底部的第一滑轮18和第二滑轮19在第一基座滑槽6和第二基座滑槽11内滑动，既可以协助动磁式直线电机驱动中间横梁7也可以防止中间横梁7超过x方向位移极限发生碰撞，同理，中间横梁7两侧槽内动磁式直线电机通过相同原理实现滑块平台8在y方向上的运动。实施时，可以给第一直线电机3、第二直线电机13、第三直线电机15和第四直线电机17的线圈同时供电，从而宏动平台模块形成一体化，可以实现x、y方向同时动作，耦合误差小，在实现大行程运动的同时也能保证高精度定位；微动平台模块通过第一x方向线性位移器903和第二x方向线性位移器907带动第一连接板实现x方向上的微调与高精度定位运动，通过第一y方向线性位移器909和第二y方向线性位移器916带动第二连接板实现y方向上的微调与高精度运动；通过第一倾斜线性位移器912和第二倾斜线性位移器913与支撑线性位移器918配合运动，实现夹持平台在y方向上的微调与z方向的高精度定位运动，所设计的微动平台能够在宏动平台下x、y方向大行程定位后实现整个平台在x、y、z三个自由度方向的微调和高精度定位。当整个微操作平台运动到目标位置点时，微夹持器103对目标物实现夹持动作，完成整个微夹持过程。

本发明中提出了一种宏动平台x、y方向运动一体化的模块化宏微双级驱动的三自由度微夹持平台，解决了传统的机械系统不能克服微操作领域所要求的同时满足大行程和高精度运动的操作，且单级驱动的微夹持器不能满足大行程的需求，组合式单自由度驱动平台的耦合误差大，精度低，微夹持平台多为少自由度运动的缺点与不足，能够实现宏动部分x、y同时大行程运动，微动部分x、y、z三自由度的高精度微调定位和运动，误差小，精度高，并且采用模块化设计，减少了再设计和再加工的成本，大大节省了产品的开发时间。

Claims (10)

1.一种模块化宏微结合的三自由度微夹持平台，其特征在于，包括宏动平台模块、微动平台模块(9)和夹持器模块(10)；

宏动平台模块包括基座(1)和中间横梁(7)，基座(1)上设有第一安装台(2)和第二安装台(12)，第一安装台(2)上安装有第一直线电机(3)，第二安装台(12)上安装有第二直线电机(13)；中间横梁(7)的一端与第一直线电机(3)的驱动端连接，另一端与第二直线电机(13)的驱动端连接；中间横梁(7)的两侧安装有第三直线电机(15)和第四直线电机(17)，中间横梁(7)上设置有滑动平台(8)，滑动平台(8)两侧分别与第三直线电机(15)和第四直线电机(17)的驱动端连接，第一动磁式直线电机(3)和第二直线电机(13)用于驱动中间横梁(7)沿x方向运动，第三直线电机(15)和第四直线电机(17)用于驱动滑动平台(8)沿y方向运动；

微动平台模块(9)包括固定在滑动平台(8)上的x方向线性位移器，x方向线性位移器的滑块上固定有第一连接板(904)，第一连接板(904)上固定有y方向线性位移器，y方向线性位移器的滑块上固定有第二连接板(905)，第二连接板(905)上固定有z方向线性位移器，z方向线性位移器的滑块上固定有夹持平台(906)；x方向线性位移器用于驱动第一连接板(904)沿x方向运动，y方向线性位移器用于驱动第二连接板(905)沿y方向运动，z方向线性位移器用于驱动夹持平台(906)沿z方向运动；

夹持器模块(10)安装在夹持平台(906)上。

2.根据权利要求1所述的模块化宏微结合的三自由度微夹持平台，其特征在于，第一直线电机(3)、第二直线电机(13)、第三直线电机(15)和第四直线电机(17)均为动磁式直线电机，中间横梁(7)的一端与第一直线电机(3)的第一铁块(5)固定连接，另一端与第二直线电机(13)的第二铁块(14)固定连接；滑动平台(8)两侧分别与第三直线电机(15)的第三铁块和第四直线电机(17)的第四铁块固定连接；使用时，四个动磁式直线电机的缠绕线圈连接同一个电源回路。

3.根据权利要求2所述的模块化宏微结合的三自由度微夹持平台，其特征在于，滑动平台(8)两侧分别连接有第一平台滑块和第二平台滑块，第一平台滑块与第三直线电机(15)的第三铁块固定连接，第二平台滑块与第四直线电机(17)的第四铁块固定连接。

4.根据权利要求1所述的模块化宏微结合的三自由度微夹持平台，其特征在于，基座(1)上沿x方向固定有第一基座滑槽(6)和第二基座滑槽(11)，中间横梁(7)两端底部分别固定有至少两个滑轮，两端的滑轮分别滑动设置在第一基座滑槽(6)和第二基座滑槽(11)中。

5.根据权利要求1所述的模块化宏微结合的三自由度微夹持平台，其特征在于，x方向线性位移器包括平行设置的第一x方向线性位移器(903)和第二x方向线性位移器(907)，第一x方向线性位移器(903)的第一x方向线性滑块(917)和第二x方向线性位移器(907)的第二x方向线性滑块(921)分别与第一连接板(904)底部连接。

6.根据权利要求5所述的模块化宏微结合的三自由度微夹持平台，其特征在于，第一连接板(904)底部两侧设置有第一x方向滑槽和第二x方向滑槽，第一x方向线性位移器(903)的第一x方向线性滑块(917)与第一x方向滑槽固定连接，第二x方向线性位移器(907)的第二x方向线性滑块(921)与第二x方向滑槽固定连接。

7.根据权利要求1所述的模块化宏微结合的三自由度微夹持平台，其特征在于，y方向线性位移器包括平行设置的第一y方向线性位移器(909)和第二y方向线性位移器(916)，第一y方向线性位移器(909)的第一y方向线性滑块(910)和第二y方向线性位移器(916)的第二y方向线性滑块(915)分别与第二连接板(905)的底部连接。

8.根据权利要求7所述的模块化宏微结合的三自由度微夹持平台，其特征在于，第二连接板(905)的底部两侧设置有第一y方向滑槽和第二y方向滑槽，第一y方向线性位移器(909)的第一y方向线性滑块(910)与第一y方向滑槽固定连接，第二y方向线性位移器(916)的第二y方向线性滑块(915)与第二y方向滑槽固定连接。

9.根据权利要求1所述的模块化宏微结合的三自由度微夹持平台，其特征在于，z方向线性位移器包括第一斜面固定块(911)、第二斜面固定块(914)和支撑线性位移器(918)；

第二连接板(905)的一端上部固定有平行设置的第一斜面固定块(911)和第二斜面固定块(914)，另一端上部通过滑槽滑动连接有被动滑块(920)，第一斜面固定块(911)和第二斜面固定块(914)的倾斜面均与被动滑块(920)相对设置；在第一斜面固定块(911)和第二斜面固定块(914)的倾斜面上分别固定设置第一倾斜线性位移器(912)和第二倾斜线性位移器(913)，被动滑块(920)侧面沿z方向设置支撑线性位移器(918)，第一倾斜线性位移器(912)的第一倾斜线性滑块和第二倾斜线性位移器(913)的第二倾斜线性滑块分别与夹持平台(906)底部固定连接，支撑线性位移器(918)的支撑线性滑块(919)一端与夹持平台(906)底部固定连接；第一倾斜线性位移器(912)和第二倾斜线性位移器(913)的驱动方向为y方向和z方向，或者x方向和z方向。

10.权利要求2所述的模块化宏微结合的三自由度微夹持平台的使用方法，其特征在于，给第一直线电机(3)、第二直线电机(13)、第三直线电机(15)和第四直线电机(17)的缠绕线圈同时供电，实现x方向和y方向的大行程运动；然后再分别启动x方向线性位移器、y方向线性位移器和z方向线性位移器，实现x、y和z三个方向的微动，到目标位置点时，夹持器模块(10)对目标物实现夹持动作，完成整个微夹持过程。