CN110842881A - 一种中空式一维精密定位平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种中空式一维精密定位平台，将音圈电机与导向机构设计为轴向中空结构，沿轴向将导向机构设置在采用音圈电机的两端，导向机构由柔性导向结构与沿轴向设置在柔性导向结构两端的支架组成，其中柔性导向结构由包含簧片，并且呈径向中空结构的柔性导向单元组成。工作状态时，动子沿轴向运动，带动两个导向机构中的支架产生轴向位移，从而使两个导向机构中的弹性簧片发生形变。与现有技术相比，本发明的精密定位平台具有导向机构径向尺寸小、平台紧凑，利于光路传播，音圈电机在轴向以外的其他方向的运动自由度被约束，以及双端输出等优点。

Description

一种中空式一维精密定位平台

技术领域

本发明涉及精密定位平台技术领域，特别涉及一种中空式一维精密定位平台。

背景技术

精密定位平台具有非常广泛的应用，例如应用于超精密加工、光学成像、生物细胞操作、微电子集成制造等领域。音圈电机具有结构简单、出力线性度高、响应速度快和控制容易等特点逐渐成为精密定位平台的主要驱动装置。

音圈电机由于定子和动子没有直接连接，需要通过导向机构对电机的输出运动进行导向。在传统设计中大多采用直线轴承或滑动导轨等刚性传动部件，但是由于传动过程中不可避免的存在间隙、摩擦和磨损，精密定位平台在高频运动时很难达到纳米的运动精度。

为了解决这一问题，中国专利文献CN109848932A中公开了一种采用音圈电机和柔性导向机构的精密定位平台，柔性导向机构依靠结构的弹性变形传递力和运动，具有无摩擦、无间隙的特点，因此具有高定位精度。但是，其中柔性导向装置轴向体积较大，在安装控件体积受限的地方无法使用；另一方面，由于音圈电机的动子和柔性导向机构均为封闭设计，在精密光学、显微测量等需要具有较大通光孔径的场合，这类精密定位平台也无法使用。

发明内容

针对上述技术现状，本发明提供一种一维精密定位平台，其中导向机构的径向尺寸小，有利于精密定位平台整体尺寸的紧凑化，并且音圈电机仅能产生轴向运动，在其他方向的运动自由度被约束。

本发明提供的技术方案为：一种中空式一维精密定位平台，包括音圈电机与导向机构；其特征是：

所述音圈电机呈轴向中空结构，包括动子与定子；所述动子包括轴向中空的线架，以及绕行在线架上的线圈；所述定子存间隙地设置在动子外围，形成径向磁场，线圈通入一定电流时，动子产生轴向运动；

所述导向机构由第一导向机构与第二导向机构组成，并且第一导向机构与第二导向机构结构相同；沿轴向，第一导向机构与第二导向机构分别设置在音圈电机的两端，并且与定子及动子均固定连接；

所述第一导向机构呈轴向中空结构，包括轴向中空的支架A与轴向中空的架B，以及设置在支架A与支架B之间的柔性导向结构，支架A与音圈电机相接触；

所述柔性导向结构由多个相同的柔性导向单元围成轴向中空结构；

所述柔性导向单元呈径向中空结构，由两块形状相同的弹性簧片A与弹簧片B，以及两块形状相同的固定块A与固定块B组成，固定块A与固定块B设置在弹性簧片A与弹簧片B之间，并且位于弹性簧片A与弹簧片B的两端，使弹性簧片A与弹簧片B平行；

所述支架A面向柔性导向结构的端面存间距设置多个连接块，并且每个连接块连接柔性导向单元中位于固定块之间的弹性簧片；

所述支架B面向柔性导向结构的一侧存间距设置多个连接块，并且每个连接块连接柔性导向单元中位于固定块之间的弹性簧片。

作为一种实现方式，所述定子包括外轭、内轭、前端盖、后端盖以及磁钢，磁钢贴在外轭上，通过前端盖、后端盖以及内外轭组成闭合磁路，在音圈电机的内部形成径向磁场。作为优选，在音圈电机的内部形成近似均匀分布的径向磁场。

作为一种实现方式，所述支架A背向柔性导向结构的端面存间距设置多个连接件，通过所述连接件与定子的前端盖与后端盖固定连接，从而实现定子与柔性导向结构的固定连接。

作为一种实现方式，所述线架沿轴向的两个端面设置多个连接件，通过所述连接件与柔性导向结构中的支架B固定连接，从而实现动子与柔性导向结构的固定连接。作为一种实现方式，所述连接件是设置在线架端面的轴向凸出结构。

作为优选，所述柔性导向单元呈轴中心对称分布。

作为一种实现方式，所述柔性导向单元围成中空的圆柱状结构。作为优选，柔性导向单元有四个，并且呈轴中心对称分布。

作为优选，所述线架呈中空的圆柱状结构。

作为优选，所述支架A呈中空的圆柱状结构。

作为优选，所述支架B呈中空的圆柱状结构。

作为优选，所述前端盖呈中空的圆柱状结构。

作为优选，所述后端盖呈中空的圆柱状结构。

作为优选，外轭、内轭、前端盖与后端盖均为Q235碳钢，磁钢为钕铁硼永磁体。

作为优选，线架为普通铝合金材料。

作为优选，线圈选用漆包铜线。

本发明将音圈电机与导向机构设计为中空结构，沿轴向将导向机构设置在采用音圈电机的两端，导向机构由柔性导向结构与沿轴向设置在柔性导向结构两端的支架组成，其中柔性导向结构由包含簧片，并且呈径向中空结构的柔性导向单元组成。工作状态时，动子沿轴向运动，带动两端的支架A产生轴向位移，其中一端的支架A通过连接块拉伸弹性簧片，从而使弹性簧片发生拉伸形变，另一端的支架A通过连接块压缩弹性簧片，从而使弹性簧片发生压缩形变。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明中，柔性导向结构沿轴向的刚度比较低，而在径向的刚度较大，因此能够限制音圈电机的动子只能在轴向产生位移，有效防止了动子受到的其他作用力对电机运动方向的影响。

(2)本发明中，音圈电机和柔性导向机构均采用中空结构，不会阻碍光路传播，满足了光学应用需求，在精密光学领域具有应用前景。

(3)本发明中，导向结构设置在音圈电机的两端，并且与定子及动子均固定连接，当动子沿轴向运动时，两端的柔性导向结构均发生位移形变，因此实现了精密定位平台的双端输出，增加了结构的对称性和后期应用的灵活性。

(4)本发明中，采用轴向中空的柔性导向结构对动子的轴向运动进行无间隙的传递，提高了精密定位平台的运动精度。

(5)本发明中，导向机构呈轴向中空结构，大幅减小了其径向尺寸，使精密定位平台整体结构紧凑。

附图说明

图1是本发明实施例1中精密定位平台的整体结构图。

图2是图1中音圈电机的部分结构图。

图3是图1中第一导向机构的结构图。

图4是图3中柔性导向单元的结构示意图。

图5是图1中音圈电机的线架的结构示意图。

图1至图5中的附图标记为：

1-音圈电机；2-第一环形导向机构；3-第二环形导向机构；4＝轴向凸起块；5＝轴向凸起块；11-内轭；12-线圈；13-磁钢；14-线架；15-第一端盖；16-外轭；17-第二端盖；21-支架A；22-支架B；23-柔性导向单元；24-连接件；25-弹性簧片A；26-弹性簧片B；27-固定块A；28-固定块B；29-轴向凸出块；30-槽。

具体实施方式

下面结合实施例与附图对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本实施例中，如图1所示，一维精密定位平台包括音圈电机1与导向机构。导向机构由第一导向机构2与第二导向机构3组成。

如图2所示，音圈电机呈轴向中空结构，包括动子与定子。动子包括线架14以及绕行在线架上的线圈。如图3所示，线架呈轴向中空的圆柱状结构，外圆面设置槽结构30，用于绕行线圈。沿轴向的两个端面分别设置四个形状大小相同的轴向凸出块29。线架14为普通铝合金材料，线圈选用漆包铜线。

定子存间隙地设置在动子外围。如图2所示，定子包括外轭16、内轭11、磁钢13、第一端盖15以及第二端盖17。外轭16、内轭11、第一端盖15与第二端盖17均为Q235碳钢，磁钢为钕铁硼永磁体。磁钢贴在外轭上，通过第一端盖15、第二端盖17、内轭11以及外轭16组成闭合磁路，在音圈电机的内部形成近似均匀分布的径向磁场。当线圈中通入一定电流时，由于洛伦兹力动子产生轴向运动。

第一导向机构2与第二导向机构3结构完全相同。

如图4所示，第一导向机构2呈轴向中空的圆柱状结构。如图1所示，第一导向机构2与第二导向机构3同轴设置在音圈电机1的两端。如图4所示，第一导向机构2包括轴向中空的圆柱状支架A21与轴向中空的圆柱状支架B22，以及设置在支架A21与支架B22之间的柔性导向结构。柔性导向结构是四个结构相同的柔性导向单元23围成的轴向中空圆柱状结构。

如图5所示，柔性导向单元23呈径向中空结构，是由弹性簧片A25、弹簧片26、固定块A27与固定块B28组成。弹性簧片A25与弹簧片B26形状大小相同，呈圆弧片。固定块A27与固定块B28形状大小相同。固定块A27与固定块B28设置在弹性簧片A25与弹簧片B26之间，并且固定在弹性簧片A25与弹簧片B26的两端，弹性簧片A25与弹簧片B26平行。

如图4所示，四个柔性导向单元23呈轴中心对称分布。

支架A面向柔性导向结构的端面等间距设置四个形状大小相同的轴向凸起块4，每个轴向凸起块4固定连接柔性导向单元23中弹性簧片B的中部。支架B面向柔性导向结构的端面等间距设置四个形状大小相同的轴向凸起块5，每个轴向凸起块5固定连接柔性导向单元23中弹性簧片A的中部。

第一端盖15呈中空的圆柱状结构，第二端盖17呈中空的圆柱状结构。第一导向机构的支架A与第一端盖17相接触，第二导向机构的支架A与第二端盖15相接触。

如图4所示，第一导向机构的支架B背向柔性导向结构的端面等间距设置四个连接件24，通过这些连接件与第一端盖17固定连接，从而实现定子与柔性导向结构的固定连接。第二导向机构的支架B背向柔性导向结构的端面等间距设置四个连接件24，通过这些连接件与第二端盖17固定连接，从而实现定子与柔性导向结构的固定连接。

线架14端面的轴向凸出块29穿过第一端盖15上预留的腰孔后与第一导向机构中的支架A固定连接；线架14端面的轴向凸出块29穿过第二端盖17上预留的腰孔后与第二导向机构中的支架A固定连接，从而实现动子与柔性导向结构的固定连接。

工作状态时，动子沿轴向运动；当动子沿轴向朝第一导向机构方向运动，则第二导向机构中的支架A产生轴向位移，通过轴向凸起块4压缩弹性簧片B，固定块A与固定块B向第一导向机构方向发生位移，带动弹性簧片A也发生形变；同时，第一导向机构中的支架A产生轴向位移，通过轴向凸起块4拉伸弹性簧片B，固定块A与固定块B向第一导向机构方向发生位移，带动弹性簧片A也发生形变。

当动子沿轴向朝第二导向机构方向运动，则第一导向机构中的支架A产生轴向位移，通过轴向凸起块4压缩弹性簧片B，固定块A与固定块B向第一导向机构方向发生位移，带动弹性簧片A也发生形变；同时，第二导向机构中的支架A产生轴向位移，通过轴向凸起块4拉伸弹性簧片B，固定块A与固定块B向第一导向机构方向发生位移，带动弹性簧片A也发生形变。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种中空式一维精密定位平台，包括音圈电机与导向机构；其特征是：

所述音圈电机呈轴向中空结构，包括动子与定子；所述动子包括轴向中空的线架，以及绕行在线架上的线圈；所述定子存间隙地设置在动子外围，形成径向磁场，线圈通入一定电流时，动子产生轴向运动；

所述导向机构由第一导向机构与第二导向机构组成，并且第一导向机构与第二导向机构结构相同；沿轴向，第一导向机构与第二导向机构分别设置在音圈电机的两端，并且与定子及动子均固定连接；

所述第一导向机构呈轴向中空结构，包括轴向中空的支架A与轴向中空的架B，以及设置在支架A与支架B之间的柔性导向结构，支架B与音圈电机相接触；

所述柔性导向结构由多个结构相同的柔性导向单元围成轴向中空结构；

所述柔性导向单元呈径向中空结构，由两块形状相同的弹性簧片A与弹簧片B，以及两块形状相同的固定块A与固定块B组成，固定块A与固定块B设置在弹性簧片A与弹簧片B之间，并且位于弹性簧片A与弹簧片B的两端，使弹性簧片A与弹簧片B平行；

所述支架A面向柔性导向结构的端面存间距设置多个连接块，并且每个连接块连接柔性导向单元中位于固定块之间的弹性簧片；

所述支架B面向柔性导向结构的一侧存间距设置多个连接块，并且每个连接块连接柔性导向单元中位于固定块之间的弹性簧片。

2.如权利要求1所述的中空式一维精密定位平台，其特征是：所述定子包括外轭、内轭、第一端盖、第二端盖以及磁钢，磁钢贴在外轭上，通过第一端盖、第二端盖、内轭以及外轭组成闭合磁路，在音圈电机的内部形成径向磁场。

3.如权利要求1所述的中空式一维精密定位平台，其特征是：在音圈电机的内部形成均匀分布的径向磁场。

4.如权利要求1所述的中空式一维精密定位平台，其特征是：所述支架B背向柔性导向结构的端面存间距设置多个连接件，通过所述连接件与定子的第一端盖与第二端盖固定连接；

作为优选，所述连接件是设置在支架B背向柔性导向结构的端面的轴向凸出结构。

5.如权利要求1所述的中空式一维精密定位平台，其特征是：所述线架沿轴向的两个端面设置多个连接件，通过所述连接件与柔性导向结构中的支架A固定连接；

作为优选，所述连接件是设置在线架端面的轴向凸出结构。

6.如权利要求1所述的中空式一维精密定位平台，其特征是：所述柔性导向单元呈轴中心对称分布。

7.如权利要求1所述的中空式一维精密定位平台，其特征是：所述柔性导向结构由多个结构相同的柔性导向单元围成轴向中空的圆柱状结构。

8.如权利要求1所述的中空式一维精密定位平台，其特征是：柔性导向单元有四个，并且呈轴中心对称分布。

9.如权利要求1至8中任一权利要求所述的中空式一维精密定位平台，其特征是：所述线架呈中空的圆柱状结构。

10.如权利要求9所述的中空式一维精密定位平台，其特征是：所述支架A呈中空的圆柱状结构；

作为优选，所述支架B呈中空的圆柱状结构；

作为优选，所述第一端盖呈中空的圆柱状结构；

作为优选，所述第二端盖呈中空的圆柱状结构。

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