CN111451791B - 一种基于粘滑原理的两自由度摆动平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于粘滑原理的两自由度摆动平台，旨在提供一种行程大、控制难度小，调整精度高的摆动平台。Y向摆动平台通过Y向运动精密圆弧导轨安装于基座上，X向摆动平台通过X向运动精密圆弧导轨安装于Y向摆动平台上；定子模块安装于基座上；摩擦板安装于定子模块的顶部，X向摆动平台下端设置有与摩擦板相接触的球面凸台，摩擦板与球面凸台形成运动副；利用X向压电陶瓷驱动器及Y向压电陶瓷驱动器驱动所述定子模块，利用所述摩擦板与球面凸台接触面间动静摩擦相互交替实现步进位移，X向摆动平台相对于基座做X向、Y向两个自由度的摆动。该平台能实现X、Y方向的运动解耦，具有大行程、高分辨率、高精度、制造成本低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及微操作技术领域，更具体的说，是涉及一种基于粘滑原理的两自由度摆动平台。
背景技术
随着微电子、生命科学和机器人技术的迅速发展，对于微操作、微装配技术也提出了更高的要求，尤其是在大规模集成电路制造过程中的芯片制造与封装、微电子系统中微纳元件的生产与组装、生物机械工程的细胞移动与分离、精密工程中精密测量与精密加工等领域。在上述领域中经常会遇到微装配的定位与对准问题，在操作过程中，不仅要调整装配物体的位置，也要调整装配物体的放置角度。
现有的用于微装配的摆动平台，多采用压电陶瓷驱动，将压电陶瓷的输出位移通过位移放大机构放大，将柔性铰链的弯曲变形转化为摆动平台的角度变化。由于压电陶瓷的位移行程很小，尽管加入了位移放大机构，但整个平台的摆动行程仍然有限。在微装配过程中如果角度偏差过大时，将出现无法调节的状况。并且由于加入了位移放大机构，其位移分辨率较低。另外，由于X向、Y向的摆动是耦合的，必须借助运动学解耦才能实现X向、Y向的精密运动，定位操作难度大。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种行程大、控制难度小，调整精度高的两自由度精密摆动平台。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种基于粘滑原理的两自由度摆动平台，包括基座、X向摆动平台、Y向摆动平台、定子模块、摩擦板、X向压电陶瓷驱动器及Y向压电陶瓷驱动器；所述Y向摆动平台通过Y向运动精密圆弧导轨安装于所述基座上，所述X向摆动平台通过X向运动精密圆弧导轨安装于所述Y向摆动平台上；所述定子模块安装于所述基座上；所述摩擦板安装于所述定子模块的顶部，所述X向摆动平台下端设置有与所述摩擦板相接触的球面凸台，所述摩擦板与所述球面凸台形成运动副；利用所述X向压电陶瓷驱动器及Y向压电陶瓷驱动器驱动所述定子模块，利用所述摩擦板与所述球面凸台接触面间动静摩擦相互交替实现步进位移，所述X向摆动平台相对于所述基座做X向、Y向两个自由度的摆动。
所述定子模块包括框架、底板、惯性质量块及设置于所述底板四个角部的四根立柱，；所述框架固定安装于所述基座上，所述底板位于所述框架的中心，且所述底板的每条边与所述框架之间分别通过弯曲铰链连接，每根所述立柱的两端分别通过二自由度旋转弹性铰链与所述惯性质量块及底板连接；所述框架、底板、四根立柱、惯性质量块通过所述弯曲铰链及二自由度旋转弹性铰链连接组成二维平动机构；所述惯性质量块顶部固定有所述摩擦板，所述X向压电陶瓷驱动器及Y向压电陶瓷驱动器分别对应设置于所述惯性质量块的侧面；所述X向压电陶瓷驱动器沿X向驱动所述惯性质量块，所述Y向压电陶瓷驱动器沿Y向驱动所述惯性质量块。
所述底板与所述基座之间安装有压力调节螺栓。
所述基座上分别设置有X向陶瓷基座和Y向陶瓷基座；所述X向压电陶瓷驱动器与所述X向陶瓷基座之间通过X向预紧螺栓连接，所述Y向压电陶瓷驱动器与所述Y向陶瓷基座之间通过Y向预紧螺栓连接。
所述基座上设置有定子模块安装孔，所述定子模块置于所述定子模块安装孔中，所述框架与所述基座通过固定螺栓连接。
所述摩擦板为陶瓷板；所述精密圆弧导轨为交叉滚子导轨；所述二自由度旋转弹性铰链为虎克铰链；所述弯曲铰链为叶片弯曲铰链。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的平台采用了粘滑原理作为驱动原理，可以实现步进式位移，在保证定位精度的同时增大了行程，同时具有更高的分辨率，在进行精密角度调整时，调整范围大，调整精度高。
2、本发明的平台采用两个布置方向的精密圆弧导轨，可以很好地实现X、Y方向的运动解耦，无需解耦运算，从而能够减小控制难度，并且能够提高控制精度。
3、本发明的平台中定子模块为二维平动结构，在两个方向的压电陶瓷驱动器作用下能够实现相应方向的平动，而不产生不必要的纵向运动，并且可以很好地实现X、Y方向的运动解耦。
4、本发明的平台中，将两个平行四边形结构通过二自由度旋转弹性铰链结合到一起减小了占用空间，同时将惯性质量块、作为弹性元件的二自由度旋转弹性铰链以及预压力调节功能结合在二维四边形结构上作为定子，节省了空间，使整个平台的结构更加紧凑。
5、本发明的平台中设置了压力调节螺栓及预紧螺栓，方便调节。
附图说明
图1所示为本发明的两自由度摆动平台整体结构示意图；
图2所示为本发明的两自由度摆动平台装配爆炸图；
图3所示为本发明的两自由度摆动平台整体结构半剖图；
图4所示为本发明的定子模块结构示意图；
图5所示为驱动信号图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明的基于粘滑原理的两自由度摆动平台的结构示意图如图1-图4所示，包括基座12、X向摆动平台1、Y向摆动平台3、定子模块6、摩擦板5、X向压电陶瓷驱动器10及Y向压电陶瓷驱动器。所述Y向摆动平台3通过Y向运动精密圆弧导轨4-2安装于所述基座12上，因此，在驱动力作用下，Y向摆动平台3与基座12在Y向运动精密圆弧导轨4-2的约束下可以作相对摆动运动。所述X向摆动平台1通过X向运动精密圆弧导轨4-1安装于所述Y向摆动平台3上，因此，X向摆动平台1可以在驱动力作用下，在X向运动精密圆弧导轨4-1的约束下作相对于Y向摆动平台3的摆动运动。因此，所述X向摆动平台1相对于所述基座12做X、Y向两个自由度的摆动。本实施例中，所述摩擦板5采用陶瓷板。所述定子模块6安装于所述基座12上。所述摩擦板5安装于所述定子模块6的顶部，所述X向摆动平台1下端设置有与所述摩擦板相接触的球面凸台7，所述摩擦板5与所述球面凸台7形成运动副。利用所述X向压电陶瓷驱动器10及Y向压电陶瓷驱动器驱动所述定子模块6，利用所述摩擦板5与所述球面凸台7接触面间动静摩擦相互交替来实现步进位移，所述X向摆动平台1相对于所述基座12做X、Y向两个自由度的摆动。
本实施例中，所述定子模块6包括框架6-4、底板6-6、惯性质量块6-1及设置于所述底板6-6四个角部的四根立柱6-5。所述框架6-4固定安装于所述基座12上，所述底板6-6位于所述框架6-4的中心，且所述底板6-6的每条边与所述框架6-4之间分别通过弯曲铰链6-3连接，每根所述立柱6-5的两端分别通过二自由度旋转弹性铰链6-2与所述惯性质量块6-1及底板6-6连接。所述框架6-4、底板6-6、四根立柱6-5、惯性质量块6-1通过所述弯曲铰链及二自由度旋转弹性铰链连接组成二维平动机构。本实施例中，所述二自由度旋转弹性铰链6-2采用虎克铰链，所述弯曲铰链6-3采用叶片弯曲铰链。所述惯性质量块6-1顶部固定有所述摩擦板5，所述X向压电陶瓷驱动器10及Y向压电陶瓷驱动器分别对应设置于所述惯性质量块6-1的侧面。本实施例中，所述基座12上分别设置有X向陶瓷基座11-1和Y向陶瓷基座11-2，所述X向压电陶瓷驱动器10固定安装于X向陶瓷基座11-1与惯性质量块6-1之间，所述Y向压电陶瓷驱动器固定安装于Y向陶瓷基座11-2与惯性质量块6-1之间。所述X向压电陶瓷驱动器10沿X向驱动所述惯性质量块6-1，所述Y向压电陶瓷驱动器沿Y向驱动所述惯性质量块6-1。
为了调节摩擦板5与球面凸台7间的预压力，所述底板6-6与所述基座12之间安装有压力调节螺栓8，在压力调节螺栓8的作用下弯曲铰链6-3弯曲变形，使底板6-6及四根立柱6-5带动惯性质量块6-1整体向上平动，从而改变摩擦板5与球面凸台7间的预压力，进而获得最佳的驱动力。
为了调节X向压电陶瓷驱动器及Y向压电陶瓷驱动器与定子模块之间的预压力，所述X向压电陶瓷驱动器10与所述X向陶瓷基座11-1之间通过X向预紧螺栓2连接，所述Y向压电陶瓷驱动器与所述Y向陶瓷基座11-2之间通过Y向预紧螺栓连接。
所述基座12上设置有定子模块安装孔，所述定子模块6置于所述定子模块安装孔中，所述框架6-4与所述基座12通过固定螺栓9固定连接。
本发明的两自由度精密摆动平台是基于粘滑原理进行驱动的，即利用接触面间动静摩擦相互交替来实现步进位移。图5所示为驱动信号图，当X向压电陶瓷驱动器10输入图5所示的驱动电压时，在电压由a变化至b过程中，随着电压的缓慢上升，X向压电陶瓷驱动器10将会缓慢伸长，进而推动定子模块6上的端惯性质量块6-1以及摩擦板5向前移动，二自由度旋转弹性铰链(虎克铰链)6-2弯曲变形，由于摩擦板5与X向摆动平台1下端球面凸台7间相对运动速度很小，可忽略不计，因此，接触面间摩擦力可近似为静摩擦，X向摆动平台1便在摩擦板5带动下向前推进；而当驱动电压由b变化至c的过程中，X向压电陶瓷驱动器10快速收回，二自由度旋转弹性铰链(虎克铰链)6-2弹性势能释放，恢复形变，惯性质量块6-1在二自由度旋转弹性铰链(虎克铰链)6-2的带动下后退，由于接触面间相对速度突然变大，摩擦力由静摩擦转为动摩擦，而X向摆动平台1由于惯性保持原有的运动状态，在X向运动精密圆弧导轨4-1的约束下沿X向实现一个微小角度的摆动，在该周期信号的连续驱动下可以实现X向摆动平台1连续运动，从而实现大角度摆动，同理，当改变驱动信号，由a至b慢升，b至c快降转为a至b快升，b至c慢降时，摩擦力和X向摆动平台1运动方向也将随之改变。
同理，向Y向压电陶瓷驱动器输入图5所示电压，摩擦板5与球面凸台7之间会产生方向为Y向的交替的动静摩擦力，由于X向摆动平台1与Y向摆动平台3在Y向完全约束，所以驱动力传递给Y向摆动平台3，从而推动Y向摆动平台3和X向摆动平台1整体Y向摆动。
当X向压电陶瓷驱动器10及Y向压电陶瓷驱动器同时施加电压时，可以同时实现X向、Y向的摆动，从而可以实现X向摆动平台1的两自由度的摆动。
本发明的两自由度摆动平台采用了粘滑原理作为驱动原理，在保证传统定位平台精度的同时，解决了传统微定位平台的行程小的问题，同时该平台具有很高的分辨率，可以很好地实现X、Y方向的运动解耦，具有X向转动、Y向转动、大行程、高分辨率、高精度、制造成本低的特点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于粘滑原理的两自由度摆动平台，其特征在于，包括基座、X向摆动平台、Y向摆动平台、定子模块、摩擦板、X向压电陶瓷驱动器及Y向压电陶瓷驱动器；所述Y向摆动平台通过Y向运动精密圆弧导轨安装于所述基座上，所述X向摆动平台通过X向运动精密圆弧导轨安装于所述Y向摆动平台上；所述定子模块安装于所述基座上；所述摩擦板安装于所述定子模块的顶部，所述X向摆动平台下端设置有与所述摩擦板相接触的球面凸台，所述摩擦板与所述球面凸台形成运动副；利用所述X向压电陶瓷驱动器及Y向压电陶瓷驱动器驱动所述定子模块，利用所述摩擦板与所述球面凸台接触面间动静摩擦相互交替实现步进位移，所述X向摆动平台相对于所述基座做X向、Y向两个自由度的摆动；所述定子模块包括框架、底板、惯性质量块及设置于所述底板四个角部的四根立柱；所述框架固定安装于所述基座上，所述底板位于所述框架的中心，且所述底板的每条边与所述框架之间分别通过弯曲铰链连接，每根所述立柱的两端分别通过二自由度旋转弹性铰链与所述惯性质量块及底板连接；所述框架、底板、四根立柱、惯性质量块通过所述弯曲铰链及二自由度旋转弹性铰链连接组成二维平动机构；所述惯性质量块顶部固定有所述摩擦板，所述X向压电陶瓷驱动器及Y向压电陶瓷驱动器分别对应设置于所述惯性质量块的侧面；所述X向压电陶瓷驱动器沿X向驱动所述惯性质量块，所述Y向压电陶瓷驱动器沿Y向驱动所述惯性质量块。
2.根据权利要求1所述的基于粘滑原理的两自由度摆动平台，其特征在于，所述底板与所述基座之间安装有压力调节螺栓。
3.根据权利要求1所述的基于粘滑原理的两自由度摆动平台，其特征在于，所述基座上分别设置有X向陶瓷基座和Y向陶瓷基座；所述X向压电陶瓷驱动器与所述X向陶瓷基座之间通过X向预紧螺栓连接，所述Y向压电陶瓷驱动器与所述Y向陶瓷基座之间通过Y向预紧螺栓连接。
4.根据权利要求1所述的基于粘滑原理的两自由度摆动平台，其特征在于，所述基座上设置有定子模块安装孔，所述定子模块置于所述定子模块安装孔中，所述框架与所述基座通过固定螺栓连接。
5.根据权利要求1所述的基于粘滑原理的两自由度摆动平台，其特征在于，所述摩擦板为陶瓷板；所述精密圆弧导轨为交叉滚子导轨；所述二自由度旋转弹性铰链为虎克铰链；所述弯曲铰链为叶片弯曲铰链。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20210924 |