CN112610810A - 基于柔性铰链机构的并联两自由度微位移手动调节平台 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及纳米位移和定位技术领域，具体公开了基于柔性铰链机构的并联两自由度微位移手动调节平台，包括两个分别沿X轴和Y轴设置的驱动系统、运动平台、并联铰链机构和固定平台；固定平台通过并联铰链机构与运动平台相连；驱动系统包括运动机构和施力机构，运动机构包括杠杆、推杆、第一连接铰链、第二连接铰链、第三连接铰链，施力机构包括顶丝螺纹副、预紧弹簧；固定平台通过第一连接铰链与杠杆相连，所述顶丝螺纹副包括螺钉和带螺纹孔的固定部，杠杆一端夹设于顶丝螺纹副的螺钉和预紧弹簧之间，顶丝螺纹副的固定部和预紧弹簧一端均固定设置于固定平台上，杠杆另一端通过第二连接铰链与推杆相连；推杆通过第三连接铰链与运动平台相连。

Description

基于柔性铰链机构的并联两自由度微位移手动调节平台
技术领域
本发明纳米位移和定位技术领域，具体公开了基于柔性铰链机构的并联两自由度微位移手动调节平台。
背景技术
随着原子能、航天技术、微电子学、及生物工程等新兴科学技术的发展，超精检测设备、精密光学系统、航天航空等对精密运动定位技术提出了越来越高的要求。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。然而精密系统在研发过程中由于受到零件加工质量、实验环境等因素的影响，不可避免会存在安装定位偏心误差，对于高精度的运动定位系统来说，安装偏心误差不能忽视，因此需要设计一种方便且适用于精密系统高精度微位移调节的手动调节平台，手动调整定位误差完成精准定位。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了基于柔性铰链机构的并联两自由度微位移手动调节平台。
本发明采用如下方案实现：基于柔性铰链机构的并联两自由度微位移手动调节平台，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；
所述固定平台通过并联铰链与所述运动平台相连；
驱动系统包括运动机构和施力机构，运动机构包括杠杆、推杆、第一连接铰链、第二连接铰链、第三连接铰链，施力机构包括顶丝螺纹副、预紧弹簧，每一所述驱动系统的施力机构轴线与推杆轴线平行设置，两个驱动系统的推杆分别沿X轴和Y轴设置，两个驱动系统的施力机构分别沿X轴和Y轴设置；所述固定平台通过第一连接铰链与杠杆相连，所述顶丝螺纹副包括螺钉和设有螺纹孔的固定部，杠杆一端夹设于顶丝螺纹副的螺钉和预紧弹簧之间，所述顶丝螺纹副的固定部和所述预紧弹簧一端均固定设置于固定平台上，杠杆另一端通过第二连接铰链与推杆相连；所述推杆通过第三连接铰链与运动平台相连。
当旋转顶丝螺纹副的螺钉时，作用力通过杠杆和推杆传递至运动平台，驱动运动平台沿轴向正方向运动，此时预紧弹簧被杠杆所压缩；当反向旋转顶丝螺纹副的螺钉时，压缩的预紧弹簧对杠杆提供恢复力，驱动运动平台沿轴向反方向运动。设计了沿X轴设置的和沿Y轴设置的施力机构，采用顶丝螺纹副从运动平台一侧提供驱动力，能够实现运动平台沿着X轴和Y轴的微位移调节，节省了调节平台的安装空间，便于调节。
进一步地，所述杠杆包括长臂和短臂，长臂沿X轴或Y轴方向延伸，长臂远离施力机构的一端面连接有短臂，长臂远离施力机构的一端的侧面通过第一连接铰链与固定平台相连，短臂通过推杆与运动平台相连，第二连接铰链设置于长臂与短臂连接的端面远离施力机构的一侧。当顶丝螺纹副的螺钉对长臂施加作用力时，预紧弹簧被压缩，同时短臂移动对推杆施加沿推杆轴向的作用力，实现运动平台沿X轴的微小位移运动。
进一步地，顶丝螺纹副的固定部为螺母或矩形块体。通过固定安装在固定平台上的固定部支撑螺钉。
进一步地，第一连接铰链的中心线与顶丝螺纹副的中心线在XY平面上的投影平行设置；第二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；第三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。
进一步地，所述推杆受到垂直于推杆轴向的力作用时，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。
进一步地，所述固定平台包括平台本体和安装定位孔座，所述安装定位孔座位于所述固定平台的四角。进一步地，所述固定平台的内四角通过并联铰链机构与所述运动平台的四角一一对应连接，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X轴方向和Y轴方向上的运动导向和解耦。
当旋转沿X轴设置的顶丝螺纹副的螺钉沿X轴正向运动时，作用力通过杠杆和推杆传递至所述运动平台，驱动运动平台沿X轴轴向反方向运动，同时沿X轴设置的预紧弹簧被压缩；当旋转沿Y轴设置的顶丝螺纹副的螺钉沿Y轴正向运动时，作用力通过杠杆和推杆传递至所述运动平台，驱动所述运动平台沿Y轴轴向负方向运动，同时预紧弹簧被压缩；当反向旋转沿X轴设置的顶丝螺纹副时，所述预紧弹簧弹性形变对杠杆提供恢复力，驱动运动平台沿X轴正方向运动；当反向旋转沿Y轴设置的顶丝螺纹副时，所述预紧弹簧对杠杆提供恢复力，驱动运动平台沿Y轴正方向运动。
对比现有技术，本发明具有以下有益效果：
采用两个沿X轴和Y轴设置的施力机构驱动两个杠杆分别沿着X
轴和Y轴做位移缩小运动（缩小比为m/n），利用杠杆的位移缩小原理对施力机构进行位移缩小进而提高平台的运动精度。采用并联柔性铰链机构设计使XY轴运动平台为同一运动平台，平台体积小，安装和维护方便，成本低，可以在小空场合进行手动微位移高精度调节。
附图说明
图1为本发明提供的基于柔性铰链机构的并联两自由度微位移手动调节平台的结构示意图；
图2为本发明X轴驱动系统的局部放大图；
图3为本发明Y轴驱动系统的局部放大图。
图4为本发明X、Y轴驱动系统的受力分析图。
图中包括有：驱动系统1、2，运动平台3，并联铰链41、42、43、44，固定平台5，安装定位孔座51、52、53、54，施力机构11、21，顶丝螺纹副12、22，预紧弹簧13、23，运动机构14、24，杠杆15、25，长臂15a、25a，短臂15b、25b，第一连接铰链16a、26a，第二连接铰链16b、26b，第三连接铰链16c、26c，推杆17、27。
图4包括有：m代表所述顶丝螺钉对所述杠杆的作用力的力臂，n代表所述杠杆对所述推杆的作用力的力臂。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明，下面将结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细描述。
参照图1，本发明提供的基于柔性铰链机构的并联两自由度微位移手动调节平台，其特征在于：包括X轴驱动系统1、Y轴驱动系统2、运动平台3、并联铰链机构4和固定平台；
所述运动平台3通过所述并联铰链机构4与所述固定平台相连；
沿X轴设置的驱动系统1包括运动机构14和施力机构11，所述运动机构14包括杠杆15、推杆17、第一连接铰链16a、第二连接铰链16b、第三连接铰链16c，所述施力机构11包括顶丝螺纹副12和预紧弹簧13；所述顶丝螺纹副12包括螺钉和设有螺纹孔的固定部，固定部为固定设置于固定平台上的螺母或固定设置于固定平台上的矩形块体，沿X轴设置的驱动系统的顶丝螺纹副12、预紧弹簧13与推杆17轴线平行设置，沿X轴设置的驱动系统的推杆17沿X轴设置，沿X轴设置的驱动系统的顶丝螺纹副12、预紧弹簧13沿X轴设置；所述杠杆15通过第一连接铰链16a与所述固定平台相连，所述杠杆15通过第二连接铰链16b与所述推杆17相连，所述顶丝螺纹副12和预紧弹簧13一端均固定于所述固定平台上，所述顶丝螺纹副12和预紧弹簧13另一端与所述杠杆15相连，所述推杆17通过X轴第三连接铰链16c与所述运动平台3相连。
沿Y轴设置的驱动系统2包括运动机构24和施力机构22，所述运动机构24包括杠杆25、推杆27、第一连接铰链26a、第二连接铰链26b、第三连接铰链26c，所述施力机构22包括顶丝螺纹副22和预紧弹簧23；所述顶丝螺纹副22包括螺钉和设有螺纹孔的固定部，固定部为固定设置于固定平台上的螺母或固定设置于固定平台上的矩形块体，沿Y轴设置的驱动系统的顶丝螺纹副22、预紧弹簧23与推杆27轴线平行设置，沿Y轴设置的驱动系统的推杆27沿Y轴设置，沿Y轴设置的驱动系统的顶丝螺纹副22、预紧弹簧23沿Y轴设置；所述杠杆25通过第一连接铰链26a与所述固定平台相连，所述杠杆25通过第二连接铰链26b与所述推杆27相连，所述顶丝螺纹副22和预紧弹簧23一端均固定于所述固定平台上，所述顶丝螺纹副22和预紧弹簧23另一端与所述杠杆25相连，所述推杆27通过Y轴第三连接铰链26c与所述运动平台3相连。
当旋转顶丝螺纹副的螺钉时，作用力通过杠杆和推杆传递至运动平台3，驱动运动平台3沿轴向正方向运动，此时预紧弹簧被杠杆所压缩；当反向旋转顶丝螺纹副的螺钉时，压缩的预紧弹簧对杠杆提供恢复力，驱动运动平台3沿轴向反方向运动。设计了沿X轴设置的和沿Y轴设置的施力机构，采用顶丝螺纹副从运动平台3一侧提供驱动力，能够实现运动平台3沿着X轴和Y轴的微小位移调节，节省了调节平台的安装空间，便于调节。
进一步地，所述杠杆包括长臂和短臂，长臂沿X轴或Y轴方向延伸，长臂远离施力机构的端面连接有短臂，长臂远离施力机构的一端的侧面通过第一连接铰链与固定平台相连，短臂通过推杆与运动平台3相连，第二连接铰链设置于长臂与短臂连接的端面远离施力机构的一侧。当顶丝螺纹副的螺钉对长臂施加作用力时，预紧弹簧被压缩，同时短臂移动对推杆施加沿推杆轴向的作用力，实现运动平台3沿X轴的微小位移运动。m为所述顶丝螺钉对所述杠杆的作用力的力臂，n为所述杠杆对所述推杆的作用力的力臂，理论上，所述驱动系统对位移的缩小比为m/n。
进一步地，第一连接铰链的中心线与顶丝螺纹副的中心线在XY平面上的投影平行设置；第二连接铰链的中心线与所述运动平台3沿轴向的中心线在XY平面上的投影共线；第三连接铰链的中心线与所述运动平台3沿轴向的中心线在XY平面上的投影共线。
进一步地，所述推杆受到垂直于推杆轴向的力作用时，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。
进一步地，所述固定平台包括平台本体和安装定位孔座，所述固定平台的四角分别安装有安装定位孔座51、安装定位孔座52、安装定位孔座53、安装定位孔座54。
进一步地，所述固定平台的内四角通过并联铰链机构4与所述运动平台3的四角一一对应连接，所述运动平台3运动时，所述并联铰链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，实现所述并联铰链机构4对X轴方向和Y轴方向上的运动导向和解耦。
当旋转沿X轴设置的顶丝螺纹副12的螺钉沿X轴正向运动时，作用力通过杠杆15和推杆17传递至所述运动平台3，驱动运动平台3沿X轴轴向负方向运动，同时沿X轴设置的预紧弹簧13被压缩；当旋转沿Y轴设置的顶丝螺纹副22的螺钉沿Y轴正向运动时，作用力通过杠杆25和推杆27传递至所述运动平台3，驱动所述运动平台3沿Y轴轴向负方向运动，同时预紧弹簧23被压缩；当反向旋转沿X轴设置的顶丝螺纹副12时，所述预紧弹簧13弹性形变对杠杆15提供恢复力，驱动运动平台3沿X轴正方向运动；当反向旋转沿Y轴设置的顶丝螺纹副22时，所述预紧弹簧23对杠杆25提供恢复力，驱动运动平台3沿Y轴正方向运动。
当所述运动平台3需要沿X轴方向进行运动时，所述顶丝螺纹副的螺钉沿进给方向旋转对杠杆15的长臂15a施加作用力，所述预紧弹簧13被压缩，所述短臂15b通过推杆17对所述运动平台3施加作用力，所述运动平台3在所述并联铰链4作用下沿X轴反方向进行位移缩小运动；当所述顶丝螺纹副的螺钉沿退出方向旋转时，所述预紧弹簧13复位驱动杠杆15短臂15b向X轴正方向运动，进而带动所述运动平台3沿着正方向运动；当所述运动平台3沿X轴正方向运动时，所述运动平台3会带动推杆27、第二连接铰链26b、第三连接铰链26c产生X轴方向的位移，从而对驱动运动平台3沿Y轴移动的驱动系统2进行位移解耦。
当所述运动平台3需要沿Y轴方向进行运动时，所述顶丝螺纹副的螺钉沿进给方向旋转对杠杆25的长臂25a施加作用力，所述预紧弹簧23被压缩，所述短臂25b通过推杆27对所述运动平台3施加作用力，所述运动平台3在所述并联铰链4作用下沿X反方向进行位移缩小运动；当所述顶丝螺纹副的螺钉沿退出方向旋转时，所述预紧弹簧23复位驱动杠杆25短臂25b沿Y轴正方向运动，进而带动所述运动平台3沿着Y轴正方向运动；当所述运动平台3沿Y轴运动时，所述运动平台3会带动推杆17、第二连接铰链16b、第三连接铰链16c产生Y方向的位移，从而对驱动运动平台3沿X轴移动的驱动系统1进行位移解耦。
在本发明的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上， 除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语 “连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
虽然对本发明的描述是结合以上具体实施例进行的，但是，熟悉本技术领域的人员能够根据上述的内容进行许多替换、修改和变化，是显而易见的。因此，所有这样的替代、改进和变化都包括在附后的权利要求的范围内。

Claims (7)

1.基于柔性铰链机构的并联两自由度微位移手动调节平台，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、并联铰链机构和固定平台；
所述固定平台通过并联铰链机构与所述运动平台相连；
驱动系统包括运动机构和施力机构，运动机构包括杠杆、推杆、第一连接铰链、第二连接铰链、第三连接铰链，施力机构包括顶丝螺纹副、预紧弹簧，每一所述驱动系统的施力机构轴线与推杆轴线平行设置，两个驱动系统的推杆分别沿X轴和Y轴设置，两个驱动系统的施力机构分别沿X轴和Y轴设置；所述固定平台通过第一连接铰链与杠杆相连，所述顶丝螺纹副包括螺钉和设有螺纹孔的固定部，杠杆一端夹设于顶丝螺纹副的螺钉和预紧弹簧之间，所述顶丝螺纹副的固定部和所述预紧弹簧一端均固定设置于固定平台上，杠杆另一端通过第二连接铰链与推杆相连；所述推杆通过第三连接铰链与运动平台相连。
2.根据权利要求1所述的基于柔性铰链机构的并联两自由度微位移手动调节平台，其特征在于：所述杠杆包括长臂和短臂，长臂沿X轴或Y轴方向延伸，长臂远离施力机构的端面连接有短臂，长臂远离施力机构的一端的侧面通过第一连接铰链与固定平台相连，短臂通过推杆与运动平台相连，第二连接铰链设置于长臂与短臂连接的端面远离施力机构的一侧。
3.根据权利要求1所述的基于柔性铰链机构的并联两自由度微位移手动调节平台，其特征在于：顶丝螺纹副的固定部为螺母或矩形块体。
4.根据权利要求1所述的基于柔性铰链机构的并联两自由度微位移手动调节平台，其特征在于：第一连接铰链的中心线与顶丝螺纹副的中心线在XY平面上的投影平行设置；第二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；第三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。
5.根据权利要求1所述的基于柔性铰链机构的并联两自由度微位移手动调节平台，其特征在于：所述推杆受到垂直于推杆轴向的力作用时，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。
6.根据权利要求1所述的基于柔性铰链机构的并联两自由度微位移手动调节平台，其特征在于：所述固定平台包括平台本体和安装定位孔座，所述安装定位孔座位于所述固定平台的四角。
7.根据权利要求1所述的基于柔性铰链机构的并联两自由度微位移手动调节平台，其特征在于：所述固定平台的四角通过并联铰链机构与所述运动平台的四角一一对应连接，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X轴方向和Y轴方向上的运动导向和解耦。
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