CN113845085A - 一种三自由度双向运动精密定位平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三自由度双向运动精密定位平台，包括平台的固定端、桥式放大机构、单平行导向机构、Z型梁结构和工作平台，所述平台的固定端，被设置为静止不动，且平台的固定端包括外圈的四边环形固定端与中间四个正方形的固定端，所述桥式放大机构包括四个压电陶瓷。该三自由度双向运动精密定位平台，是使两自由度精密定位平台采用Z型梁弯曲变形的原理，利用其原理在X与Y轴反向布置Z型梁，实现了空间三自由度双向运动，并具有较大的行程，而本发明相对于传统三自由度精密定位平台的最大优势在于不仅可以实现三自由度运动，还以平面机构方式实现，节约了空间，并可实现相对中心点的双向运动，在某些特定的工作场合具有较大优势。

Description

一种三自由度双向运动精密定位平台

技术领域

本发明涉及运动控制技术领域，尤其涉及一种三自由度双向运动精密定位平台。

背景技术

随着现代科学技术与工程技术领域的快速发展，微纳米技术也逐渐成为现在国内外研究的热点，而精密加工技术作为微纳米技术的重要组成部分，在很大程度上反映了一个国家的综合经济和技术水平，是衡量国家加工制造技术水平的标志，也是国家经济的重要支柱，精密加工装备在尖端工业生产和学术研究中都有处于至关重要的地位，影响着例如扫描电子显微镜、微机电系统、精密光学、生物工程、集成电路等诸多行业的发展。

基于压电陶瓷与柔顺机构的精密定位平台在近年来也成为微纳技术的重要研究部分，从早期的单自由度精密定位平台发展到现在的空间六自由度精密定位平台，不同自由度的平台可以满足精密定位的各种需求，现有的精密定位平台定位精度最高可达纳米级别，且行程可达微米到毫米级别，本专利在前人研究的基础上发明了一种三自由度双向运动精密定位平台，该运动平台不仅具有XYZ三轴运动的特点，还能相对于原点进行双方向上的运动。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种三自由度双向运动精密定位平台。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种三自由度双向运动精密定位平台，包括平台的固定端、桥式放大机构、单平行导向机构、Z型梁结构和工作平台，所述平台的固定端，被设置为静止不动，且平台的固定端包括外圈的四边环形固定端与中间四个正方形的固定端。

优选地，所述桥式放大机构包括四个压电陶瓷，且四个压电陶瓷分别为第一压电陶瓷、第二压电陶瓷、第三压电陶瓷和第四压电陶瓷；

所述桥式放大机构包括驱动桥式机构输入端、驱动桥式机构输出端、柔顺铰链；

且压电陶瓷放置在桥式放大机构中以驱动桥式机构的输入端，并通过中间连接刚体块与柔顺铰链，最终将位移放大并输出到输出端处。

优选地，所述单平行导向机构，由两片对称的叶型铰链构成，其主要的作用为实现平台平面XY方向上的解耦运动，减小寄生位移。

优选地，所述Z型梁结构，通过受力弯曲变形，不仅可以实现位移放大，还可以实现往面外Z方向上的运动；

且Z型梁结构包括Z型梁本体和Z型梁本体两端的半圆缺口型柔顺铰链，所述Z型梁本体，它由三根直梁型铰链串联而成，中间的直梁与两端的直梁垂直。

优选地，所述Z型梁本体在平面XY轴上的布置方向是相反的，即在XY方向上分别驱动压电陶瓷时，工作平台将往Z轴不同方向进行运动。

优选地，所述桥式放大机构、单平行导向机构、Z型梁结构和工作平台均位于平台的固定端的内部。

一种三自由度双向运动精密定位平台的运动机理如下所述：

S1、第一压电陶瓷8、第一压电陶瓷9、第一压电陶瓷10和第一压电陶瓷11均设置在工作平台5上，第一压电陶瓷8与第二压电陶瓷9控制工作平台5沿Y与Z方向上的运动，第三压电陶瓷10与第四压电陶瓷11控制工作平台5沿X与Z方向上的运动。

S2、要使工作平台5往X轴正方向运动，可以仅驱动第三压电陶瓷10；要使平台往X轴负方向运动，可以仅驱动第四压电陶瓷11。

S3、要使工作平台5往Y轴正方向运动，可以仅驱动第一压电陶瓷8；要使平台往Y轴负方向运动，可以仅驱动第二压电陶瓷9。

S4、要使平台往Z轴正方向进行运动，参考图5中Z型梁的工作原理及图2的透视图可知，可以同时驱动第三压电陶瓷10、第四压电陶瓷11两个压电陶瓷，当两个压电陶瓷的驱动力大小一样时，平台没有往X轴的位移，当两个压电陶瓷的驱动力大小不一样时，平台有往X轴的位移。

S5、要使平台往Z轴负方向进行运动，参考图5中Z型梁的工作原理及图2的透视图可知，可以同时驱动第一压电陶瓷8、第二压电陶瓷9两个压电陶瓷，当两个压电陶瓷的驱动力大小一样时，工作平台5没有往Y轴的位移，当两个压电陶瓷的驱动力大小不一样时，平台有往Y轴的位移。

S6、要使工作平台5往XYZ三轴方向上同时运动，则至少驱动第一压电陶瓷8、第二压电陶瓷9、第三压电陶瓷10、第四压电陶瓷11四个压电陶瓷中的三个，位移的方向由驱动不同的压电陶瓷所决定。

本发明具有以下有益效果：

本发明的两自由度精密定位平台采用Z型梁弯曲变形的原理，利用其原理在X与Y轴反向布置Z型梁，实现了空间三自由度双向运动，并具有较大的行程，而本发明相对于传统三自由度精密定位平台的最大优势在于不仅可以实现三自由度运动，还以平面机构方式实现，节约了空间，并可实现相对中心点的双向运动，在某些特定的工作场合具有较大优势。

附图说明

图1为本发明中三自由双向运动平台俯视视图；

图2为本发明中三自由度双向运动平台整体透视图；

图3为Z型梁本体示意图；

图4为未受力时的Z型梁本体结构示意图；

图5为受力弯曲变形时的Z型梁本体原理示意图；

图6为压电陶瓷布置示意图。

图中：1平台的固定端、2桥式放大机构、201驱动桥式机构输入端、202驱动桥式机构输出端、203柔顺铰链、3单平行导向机构、4Z型梁结构、5工作平台、6半圆缺口型柔顺铰链、7Z型梁本体、8第一压电陶瓷、9第二压电陶瓷、10第三压电陶瓷、11第四压电陶瓷。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等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。

根据图1-5所示，一种三自由度双向运动精密定位平台，包括平台的固定端1、桥式放大机构2、单平行导向机构3、Z型梁结构4和工作平台5，平台的固定端1，被设置为静止不动，包括外圈的四边环形固定端与中间四个正方形的固定端，桥式放大机构2，压电陶瓷(共四个，如图6所示)放置在桥式放大机构2中以驱动桥式机构输入端201，并通过中间连接刚体块与柔顺铰链203最终将位移放大并输出到驱动桥式机构输出端202处。

单平行导向机构3，由两片对称的叶型铰链构成，其主要的作用为实现平台平面XY方向上的解耦运动，减小寄生位移，Z型梁结构4，通过受力弯曲变形，不仅可以实现位移放大，还可以实现往面外Z方向上的运动，其详细的介绍会在图3、4、5中进一步进行，为更清楚地看到Z型梁在平台整体结构中的布局，可以参考图3所示的透视图，可以在图3中看到，Z型梁在平面XY轴上的布置方向是相反的，即在xy方向上分别驱动压电陶瓷时，末端平台将往z轴不同方向进行运动；此外，图1中的工作平台5为末端动平台。

该平台可以实现三自由双向的核心要素是分布在四个方向上的压电陶瓷以及带半圆缺口型铰链的Z型梁的运用，图3展示了单个Z型梁的结构示意图，其中Z型梁两端设置有半圆缺口型柔顺铰链6，该铰链的主要作用是使Z型梁在平面上增加一个自由度，使其可以实现在平面上进行两个方向上的运动，而Z型梁本体7，它是由三根直梁型铰链串联而成，中间的直梁与两端的直梁垂直。

Z型梁的工作原理如图4、5所示，图4为两边未受力时的状态，此时Z型梁未发生变形，图5为两边的Z型梁受力时的情况，此时Z型梁发生弯曲变形，使得与之相连的动平台向上运动。

一种三自由度双向运动精密定位平台，为一种对称结构，该平台利用电火花切割技术进行制造，为减小平台整体质量，使其具有较好的动态性能，该平台的材料采用7075AL材质，由于压电陶瓷具有较高的分辨率与响应速度，本发明的三自由度双向运动平台采用压电陶瓷作为驱动器，布置在对称的四个方向的桥式放大机构2中(如图6所示)。

方法如下：

一种三自由度双向运动精密定位平台的运动机理如下所述：

S1、如图6，图6中一共展示了四个压电陶瓷8、9、10、11的布置方式，第一压电陶瓷8与第二压电陶瓷9控制工作平台5沿Y与Z方向上的运动，第三压电陶瓷10与第四压电陶瓷11控制工作平台5沿X与Z方向上的运动。

S2、要使工作平台5往X轴正方向运动，可以仅驱动第三压电陶瓷10；要使平台往X轴负方向运动，可以仅驱动第四压电陶瓷11。

S3、要使工作平台5往Y轴正方向运动，可以仅驱动第一压电陶瓷8；要使平台往Y轴负方向运动，可以仅驱动第二压电陶瓷9。

S4、要使平台往Z轴正方向进行运动，参考图5中Z型梁的工作原理及图2的透视图可知，可以同时驱动第三压电陶瓷10、第四压电陶瓷11两个压电陶瓷，当两个压电陶瓷的驱动力大小一样时，平台没有往X轴的位移，当两个压电陶瓷的驱动力大小不一样时，平台有往X轴的位移。

S5、要使平台往Z轴负方向进行运动，参考图5中Z型梁的工作原理及图2的透视图可知，可以同时驱动第一压电陶瓷8、第二压电陶瓷9两个压电陶瓷，当两个压电陶瓷的驱动力大小一样时，工作平台5没有往Y轴的位移，当两个压电陶瓷的驱动力大小不一样时，平台有往Y轴的位移。

S6、要使工作平台5往XYZ三轴方向上同时运动，则至少驱动第一压电陶瓷8、第二压电陶瓷9、第三压电陶瓷10、第四压电陶瓷11四个压电陶瓷中的三个，位移的方向由驱动不同的压电陶瓷所决定。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种三自由度双向运动精密定位平台，包括平台的固定端(1)、桥式放大机构(2)、单平行导向机构(3)、Z型梁结构(4)和工作平台(5)，其特征在于：所述平台的固定端(1)，被设置为静止不动，且平台的固定端(1)包括外圈的四边环形固定端与中间四个正方形的固定端。

2.根据权利要求1所述的一种三自由度双向运动精密定位平台，其特征在于：所述桥式放大机构(2)包括四个压电陶瓷，且四个压电陶瓷分别为第一压电陶瓷(8)、第二压电陶瓷(9)、第三压电陶瓷(10)和第四压电陶瓷(11)；

所述桥式放大机构(2)包括驱动桥式机构输入端(201)、驱动桥式机构输出端(202)、柔顺铰链(203)；

且压电陶瓷放置在桥式放大机构(2)中以驱动桥式机构的输入端(201)，并通过中间连接刚体块与柔顺铰链(203)，最终将位移放大并输出到输出端(202)处。

3.根据权利要求1所述的一种三自由度双向运动精密定位平台，其特征在于：所述单平行导向机构(3)，由两片对称的叶型铰链构成，其主要的作用为实现平台平面XY方向上的解耦运动，减小寄生位移。

4.根据权利要求1所述的一种三自由度双向运动精密定位平台，其特征在于：所述Z型梁结构(4)，通过受力弯曲变形，不仅可以实现位移放大，还可以实现往面外Z方向上的运动；

且Z型梁结构(4)包括Z型梁本体(7)和Z型梁本体(7)两端的半圆缺口型柔顺铰链(6)，所述Z型梁本体(7)，它由三根直梁型铰链串联而成，中间的直梁与两端的直梁垂直。

5.根据权利要求1所述的一种三自由度双向运动精密定位平台，其特征在于：所述Z型梁本体(7)在平面XY轴上的布置方向是相反的，即在XY方向上分别驱动压电陶瓷时，工作平台(5)将往Z轴不同方向进行运动。

6.根据权利要求1所述的一种三自由度双向运动精密定位平台，其特征在于：所述桥式放大机构(2)、单平行导向机构(3)、Z型梁结构(4)和工作平台(5)均位于平台的固定端(1)的内部。

一种三自由度双向运动精密定位平台的运动机理如下所述：

S1、第一压电陶瓷8、第一压电陶瓷9、第一压电陶瓷10和第一压电陶瓷11均设置在工作平台5上，第一压电陶瓷8与第二压电陶瓷9控制工作平台5沿Y与Z方向上的运动，第三压电陶瓷10与第四压电陶瓷11控制工作平台5沿X与Z方向上的运动。

S2、要使工作平台5往X轴正方向运动，可以仅驱动第三压电陶瓷10；要使平台往X轴负方向运动，可以仅驱动第四压电陶瓷11。

S3、要使工作平台5往Y轴正方向运动，可以仅驱动第一压电陶瓷8；要使平台往Y轴负方向运动，可以仅驱动第二压电陶瓷9。

S4、要使平台往Z轴正方向进行运动，参考图5中Z型梁的工作原理及图2的透视图可知，可以同时驱动第三压电陶瓷10、第四压电陶瓷11两个压电陶瓷，当两个压电陶瓷的驱动力大小一样时，平台没有往X轴的位移，当两个压电陶瓷的驱动力大小不一样时，平台有往X轴的位移。

S5、要使平台往Z轴负方向进行运动，参考图5中Z型梁的工作原理及图2的透视图可知，可以同时驱动第一压电陶瓷8、第二压电陶瓷9两个压电陶瓷，当两个压电陶瓷的驱动力大小一样时，工作平台5没有往Y轴的位移，当两个压电陶瓷的驱动力大小不一样时，平台有往Y轴的位移。

S6、要使工作平台5往XYZ三轴方向上同时运动，则至少驱动第一压电陶瓷8、第二压电陶瓷9、第三压电陶瓷10、第四压电陶瓷11四个压电陶瓷中的三个，位移的方向由驱动不同的压电陶瓷所决定。

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