CN114812368A - 一种高带宽大行程空间三自由度并联柔顺精密定位平台 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高带宽大行程空间三自由度并联柔顺精密定位平台，包括两两正交布置的三个基板、末端平台、压电陶瓷驱动器、应变片和控制装置；每个基板上均垂直设有柔顺支链；每个柔顺支链均包括位移放大机构和空间导向机构；位移放大机构用于放大压电陶瓷驱动器的输出；空间导向机构两端均设有单轴缺口型柔顺铰链，两个单轴缺口型柔顺铰链的旋转轴互相垂直，两个单轴缺口型柔顺铰链用于将位移放大机构的输出传递到末端平台，以实现柔顺支链的空间转动；应变片设于压电陶瓷驱动器；控制装置分别与压电陶瓷驱动器和应变片连接。具有高带宽、大行程、高精度的特点，可解决目前微纳操作或微装配领域微动平台响应慢、工作空间小的问题。

Description

一种高带宽大行程空间三自由度并联柔顺精密定位平台
技术领域
本发明属于微纳操作技术领域，具体涉及一种高带宽大行程空间三自由度并联柔顺精密定位平台。
背景技术
目前，柔顺精密定位平台已经广泛应用于集成电路制造、微光机电系统制造、微纳操作、微装配、细胞操作和原子力显微镜等领域。柔顺精密定位平台由压电陶瓷等微驱动器驱动，通过柔顺机构的线弹性变形来传递运动和力，因而具有无间隙、免润滑、高精度和结构紧凑等优点。随着应用领域的不断拓展，操作对象的尺度不断减小，与此同时，操作任务的复杂度、操作空间和操作速度呈现逐渐提升的趋势，有力推动了柔顺精密定位平台向着大行程、高带宽、超高精度和多运动自由度的方向不断发展。
为追求超高精度，柔顺精密定位平台往往采用压电陶瓷作为驱动器。压电陶瓷驱动器的行程一般仅为其尺寸的千分之一到千分之二，需要设计位移放大机构来放大其产生的位移从而提高柔顺精密定位平台的行程。因此位移放大机构的位移放大比很大程度上决定了柔顺精密定位平台的行程。由控制理论可知，柔顺精密定位平台可以简化为二阶动力学模型，其最大控制带宽小于固有频率与阻尼比的乘积的两倍，而使用同种材料设计的柔顺精密定位平台的阻尼比相对固定，因此柔顺定位平台的固有频率很大程度上决定了定位平台整体的带宽。结构设计上，通过提高结构的柔度可以提高平台的行程，通过提高结构的刚度和降低结构的质量可以提高平台的固有频率。大行程和高带宽对于结构设计的矛盾，导致当前现有技术对于柔顺精密定位平台的设计往往局限于大行程低带宽或高带宽小行程。
针对上述问题，有必要研发一种高带宽大行程空间三自由度并联柔顺精密定位平台。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种高带宽大行程空间三自由度并联柔顺精密定位平台，具有高带宽、大行程、高精度的特点，可解决目前微纳操作或微装配领域微动平台响应慢、工作空间小的问题。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种高带宽大行程空间三自由度并联柔顺精密定位平台，包括两两正交布置的三个基板、设于三个基板合围空间中部的末端平台、压电陶瓷驱动器、应变片和控制装置；
每个基板上均垂直设有柔顺支链；
每个柔顺支链均包括位移放大机构和空间导向机构，优选为一体成型；
压电陶瓷驱动器连接于位移放大机构，用于产生输出；
位移放大机构一端连接于对应的基板，用于放大压电陶瓷驱动器的输出；
每个空间导向机构包括空间复合柔顺铰链，空间复合柔顺铰链两端均设有单轴缺口型柔顺铰链，两个单轴缺口型柔顺铰链的旋转轴互相垂直，两个单轴缺口型柔顺铰链分别连接于位移放大机构另一端和末端平台，用于将位移放大机构的输出传递到末端平台，以实现空间导向机构的空间转动；
应变片设于压电陶瓷驱动器；
控制装置分别与压电陶瓷驱动器和应变片连接。
进一步，为了达到转动范围与应力水平的最佳平衡，单轴缺口型柔顺铰链缺口深度为单轴缺口型柔顺铰链宽度的20％～40％。
进一步，空间导向机构整体呈平行四边形，可以起到对其他轴寄生位移的解耦作用，包括两个互相平行的复合导向杆，每个复合导向杆两端分别通过空间复合柔顺铰链连接于位移放大机构另一端和末端平台。
进一步，复合导向杆厚度小于位移放大机构厚度的二分之一，复合导向杆横截面为正方形，以达到减少平台整体质量的作用。
进一步，单轴缺口型柔顺铰链的缺口轮廓包括但不限于矩形、圆形、椭圆形、V形、抛物线形、摆线形及其任意组合的多缺口形状。缺口轮廓能有效降低空间导向机构的质量，提高空间导向机构的转动柔度，有助于提高末端平台的行程及精密柔顺定位平台整体固有频率。
进一步，压电陶瓷驱动器通过预紧方式安装在位移放大机构上，预紧方式为，通过位移放大机构的变形压紧压电陶瓷驱动器，预紧量的大小为，控制位移放大机构输入端内侧面与压电陶瓷驱动器两端面过盈量为压电陶瓷驱动器输出位移的10％～30％。通过这种预紧方式，可以避免因预紧量(过盈量)过大引起的末端平台位移损失(行程减小)和因预紧量(过盈量)过小引起的压电陶瓷驱动器损坏；不仅无需额外引入预紧装置，而且还避免了因额外引入的附加预紧装置带来的平台整体质量变大，从而有效提高了平台整体固有频率和带宽。
进一步，复合导向杆和末端平台之间设有末端配合板，复合导向杆和末端平台分别固接于末端配合板。
进一步，位移放大机构的输入端与输出端之间具有夹角θ，θ<20°。
进一步，位移放大机构为菱形位移放大机构、蝶形位移放大机构和桥式位移放大机构中的一种或任意组合。
进一步，三个基板分别设有与末端平台对应的位移传感器，用于标定末端平台的行程、精度和频响特性以及校正应变片的测量数据。
进一步，末端平台包括正方体结构的载物台，载物台的三个相邻侧面分别与三个基板上的柔顺支链对应连接，载物台的其余三个相邻侧面用于承载样品并作为位移传感器的测量基准面。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
空间导向机构具有质量低和运动方向刚度大的特点，提升了柔顺精密定位平台的固有频率；位移放大机构的输入端与输出端之间具有夹角θ<20°，具有较高的位移放大比和输入刚度，使得柔顺精密定位平台的行程和固有频率得到大幅提升；空间复合柔顺铰链包含两个旋转轴相互垂直的单轴缺口型柔顺铰链，相比于传统的双轴、多轴缺口型柔顺铰链，不仅可以大幅降低柔顺铰链缺口处的集中应力，而且能实现末端平台大行程高精度的空间转动。因此本发明具有高带宽、大行程和高精度的优点，较好地解决了现有技术中无法兼顾高带宽和大行程的技术问题。
附图说明
图1为本发明实施例的三维结构示意图。
图2为本发明实施例另一视角的三维结构示意图。
图3为本发明实施例的柔顺支链的结构示意图。
图4为本发明实施例的空间复合柔顺铰链的结构示意图。
图5为本发明实施例的粘贴有应变片的压电陶瓷驱动器的结构示意图。
图6为本发明实施例的末端平台的示意图。
图7为本发明实施例的控制流程示意图。
图8为蝶形位移放大机构的结构示意图。
图9为桥式位移放大机构的结构示意图。
图10为复合桥式位移放大机构的结构示意图。
图中：
1-基板；
2-柔顺支链；201-位移放大机构；202-空间导向机构；203-复合导向杆；204-末端配合板；205-空间复合柔顺铰链；2051-单轴缺口型柔顺铰链；
3-压电陶瓷驱动器；
4-应变片；
5-末端平台；501-载物台；502-面板；
6-传感器支架；7-电容位移传感器。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细的描述。
如图1-图3所示，一种高带宽大行程空间三自由度并联柔顺精密定位平台，包括三个固定基板1、三组柔顺支链2、三个堆叠式压电陶瓷驱动器3、三组应变片4、末端平台5、三组传感器支架6和三个电容位移传感器7。
三个基板1两两正交布置，相互间通过螺纹连接。三个柔顺支链2两两正交布置，每个柔顺支链2一端紧固在固定基板1上，另一端嵌入到末端平台5侧面的矩形挖槽内并通过螺纹连接到末端平台5。
位移放大机构内嵌有压电陶瓷驱动器3。压电陶瓷驱动器3是高带宽大行程空间三自由度并联柔顺精密定位平台的动力源，用于产生驱动力。
位移放大机构201的输入端与输出端之间具有夹角θ<20°，具有较高的位移放大比和输入刚度，使得柔顺精密定位平台的行程和固有频率得到大幅提升，具有高带宽和大行程的优点。
本实施例中，位移放大机构201为菱形位移放大机构，也可以采用蝶形位移放大机构、桥式位移放大机构及复合桥式位移放大机构，如图8-图10所示。
压电陶瓷驱动器3侧面粘贴有应变片4。应变片4用于测量压电陶瓷驱动器3的输出位移和力。
柔顺支链2是高带宽大行程空间三自由度并联柔顺精密定位平台的执行机构，用于传递压电陶瓷驱动器3所产生的运动和力。
柔顺支链2的位移放大机构201主要用于对压电陶瓷驱动器3的输出起放大作用。
末端平台5是高带宽大行程空间三自由度并联柔顺精密定位平台的末端执行器，用于承载样品和对外输出运动和力。
电容位移传感器7被固定在传感器支架6上。传感器支架6紧固在固定基板1的内壁上，并且与柔顺支链2平行。电容位移传感器7用于标定末端平台5的行程、精度和频响特性，并校正应变片4的测量数据，需要在实际使用中移除。
如图3、图4所示，柔顺支链2包括位移放大机构201和空间导向机构202。位移放大机构201用于增大压电陶瓷驱动器3的输出位移。空间导向机构202包括两个复合导向杆203与末端配合板204。复合导向杆203包括中部柔顺直梁以及分别连接于中部柔顺直梁两端的空间复合柔顺铰链205。空间复合柔顺铰链205包括中部短梁以及分别连接于中部短梁两端的单轴缺口型柔顺铰链2051。
空间复合柔顺铰链205通过两个旋转轴相互垂直的单轴缺口型柔顺铰链2051来实现柔顺支链2与末端平台5在平面内与平面外的转动。所述平面如图4的虚线平行四边形平面所示。如图1所示，对于X轴柔顺支链而言，在平面内的转动包括在XZ平面绕Y方向的转动，在平面外的转动包括在XY平面绕Z方向的转动。Y轴柔顺支链和Z轴柔顺支链同理，此处不再赘述。
如图6所示，末端平台5由载物台501和三个面板502组成。载物台501三个相邻侧面设置有挖槽用于末端平台5与柔顺支链2的装配对准，其中挖槽内设置有通孔，用于末端平台5与柔顺支链2的紧固连接。载物台501镂空的其余三个侧面嵌入有三个面板502。面板502外侧面用于承载样品并作为电容位移传感器7或激光位移传感器的测量基准面。
本发明的工作流程为：
压电陶瓷驱动器3在控制装置的作用下产生微小驱动位移，然后经过位移放大机构201放大后传递给空间导向机构202，空间导向机构202进一步将位移传递到末端平台5。与此同时，其他轴的柔顺支链2被动地产生耦合(寄生)运动，但是通过其空间导向机构202首尾两端的空间复合柔顺铰链205的空间转动大幅抵消了末端平台5的耦合(寄生)位移。当三个轴共同运动时，末端平台5的运动轨迹为三个轴运动轨迹的合成轨迹，因此可以实现空间三自由度的复杂运动。
本发明的控制流程为：
如图5、图7所示，计算机系统产生信号传输到压电控制器，压电控制器将电压信号放大后施加到压电陶瓷驱动器3上。压电陶瓷驱动器3输出位移时，粘贴在压电陶瓷驱动器3表面的应变片4也相应地产生应变并引起自身电阻值发生变化，进一步引起电压变化，然后将产生的电压信号经AD转换传输至计算机系统；布置在末端平台5的电容位移传感器7将采集到的位移变化信号转化为电压信号再经AD转换后传递到计算机系统，由此完成驱动-测量流程的闭环。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高带宽大行程空间三自由度并联柔顺精密定位平台，其特征在于：包括两两正交布置的三个基板、设于三个基板合围空间中部的末端平台、压电陶瓷驱动器、应变片和控制装置；
每个基板上均垂直设有柔顺支链；
每个柔顺支链均包括位移放大机构和空间导向机构；
压电陶瓷驱动器连接于位移放大机构，用于产生输出；
位移放大机构一端连接于对应的基板，用于放大压电陶瓷驱动器的输出；
每个空间导向机构包括空间复合柔顺铰链，空间复合柔顺铰链两端均设有单轴缺口型柔顺铰链，两个单轴缺口型柔顺铰链的旋转轴互相垂直，两个单轴缺口型柔顺铰链分别连接于位移放大机构另一端和末端平台，用于将位移放大机构的输出传递到末端平台，以实现空间导向机构的空间转动；
应变片设于压电陶瓷驱动器；
控制装置分别与压电陶瓷驱动器和应变片连接。
2.按照权利要求1所述的一种高带宽大行程空间三自由度并联柔顺精密定位平台，其特征在于：单轴缺口型柔顺铰链缺口深度为单轴缺口型柔顺铰链宽度的20％～40％。
3.按照权利要求1所述的一种高带宽大行程空间三自由度并联柔顺精密定位平台，其特征在于：单轴缺口型柔顺铰链的缺口轮廓包括但不限于矩形、圆形、椭圆形、V形、抛物线形、摆线形及其任意组合的多缺口形状。
4.按照权利要求1所述的一种高带宽大行程空间三自由度并联柔顺精密定位平台，其特征在于：空间导向机构包括两个互相平行的复合导向杆，每个复合导向杆两端分别通过空间复合柔顺铰链连接于位移放大机构另一端和末端平台。
5.按照权利要求4所述的一种高带宽大行程空间三自由度并联柔顺精密定位平台，其特征在于：复合导向杆厚度小于位移放大机构厚度的二分之一，复合导向杆横截面为正方形。
6.按照权利要求4所述的一种高带宽大行程空间三自由度并联柔顺精密定位平台，其特征在于：复合导向杆和末端平台之间设有末端配合板，复合导向杆和末端平台分别固接于末端配合板。
7.按照权利要求1所述的一种高带宽大行程空间三自由度并联柔顺精密定位平台，其特征在于：位移放大机构设有输入端和输出端，输入端与输出端之间具有夹角θ，θ<20°。
8.按照权利要求1所述的一种高带宽大行程空间三自由度并联柔顺精密定位平台，其特征在于：位移放大机构为菱形位移放大机构、蝶形位移放大机构和桥式位移放大机构中的一种或任意组合。
9.按照权利要求1所述的一种高带宽大行程空间三自由度并联柔顺精密定位平台，其特征在于：三个基板分别设有与末端平台对应的位移传感器，用于标定末端平台的行程、精度和频响特性以及校正应变片的测量数据。
10.按照权利要求9所述的一种高带宽大行程空间三自由度并联柔顺精密定位平台，其特征在于：末端平台包括正方体结构的载物台，载物台的三个相邻侧面分别与三个基板上的柔顺支链对应连接，载物台的其余三个相邻侧面用于承载样品并作为位移传感器的测量基准面。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115242121A (zh) * 2022-08-05 2022-10-25 吉林大学 一种基于同步双足驱动的压电步进执行器
CN116038661A (zh) * 2023-01-08 2023-05-02 北京工业大学 一种大行程高精度的空间两移动一转动柔顺并联定位系统
CN117740350A (zh) * 2023-12-14 2024-03-22 佛山科学技术学院 一种旋转驱动装置及其输出转角的预测方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115242121A (zh) * 2022-08-05 2022-10-25 吉林大学 一种基于同步双足驱动的压电步进执行器
CN115242121B (zh) * 2022-08-05 2023-02-28 吉林大学 一种基于同步双足驱动的压电步进执行器
CN116038661A (zh) * 2023-01-08 2023-05-02 北京工业大学 一种大行程高精度的空间两移动一转动柔顺并联定位系统
CN117740350A (zh) * 2023-12-14 2024-03-22 佛山科学技术学院 一种旋转驱动装置及其输出转角的预测方法
CN117740350B (zh) * 2023-12-14 2024-05-07 佛山科学技术学院 一种旋转驱动装置及其输出转角的预测方法

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