CN116013402A - 一种二维微定位平台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种二维微定位平台，包括输出平台，输出平台与相互垂直设置且设置在支座的第一驱动机构和第二驱动机构连接，所述第一驱动机构和第二驱动机构均包括驱动器，驱动器与位移放大机构连接，位移放大机构与恒力机构连接，恒力机构通过柔性板簧与输出平台连接，所述恒力机构包括多个刚性块，相邻刚性块之间设置有多个连接梁，位于中部的刚性块与柔性板簧连接，其中连接梁包括刚性体，刚性体两侧均设有柔性折叠梁，柔性折叠梁一端与刚性体连接，另一端与刚性块连接，本发明的定位平台使用范围更广，适用性更强。
Description
技术领域
本发明涉及微纳精密驱动与定位技术领域，具体涉及一种二维微定位平台。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
在当代精密工程中，微定位平台能够满足物体在平面内的精确定位，专利CN110010190A中公开了一种三维恒力并联柔性微定位平台，包括主框架、力输入机构、力输出机构以及恒力机构，恒力机构包括负刚度机构和板簧柔性机构，发明人发现，采用此种恒力机构输出的恒力行程较小，减小了整个微定位平台的适用范围。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种二维微定位平台，适用范围大，适用性强。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案
本发明的实施例提供了一种二维微定位平台，包括输出平台，输出平台与相互垂直设置且设置在支座的第一驱动机构和第二驱动机构连接，所述第一驱动机构和第二驱动机构均包括驱动器，驱动器与位移放大机构连接，位移放大机构与恒力机构连接，恒力机构通过柔性板簧与输出平台连接，所述恒力机构包括多个刚性块，相邻刚性块之间设置有多个连接梁，位于中部的刚性块与柔性板簧连接，其中连接梁包括刚性体，刚性体两侧均设有柔性折叠梁，柔性折叠梁一端与刚性体连接，另一端与刚性块连接。
可选的，位于恒力机构两个端部的刚性块与支座固定连接。
可选的，所述柔性折叠梁包括第一梁部，第一梁部一端与刚性块连接，另一端折弯180°后于第二梁部的一端连接，第二梁部的另一端折弯180°后于第三梁部的一端连接，第三梁部的另一端与刚性体连接。
可选的，所述位移放大机构的输出端与恒力机构的中部的刚性块之间设有力检测元件。
可选的，所述位移放大机构包括桥式放大机构，驱动器的两端均连接有桥式放大机构，桥式放大机构的中部与驱动器连接，端部与支座固定，桥式放大机构的同侧端部均与柔性铰链组件的一端连接，其中一端的柔性铰链组件的另一端通过刚性件与恒力机构连接，另一侧的柔性铰链组件通过刚性件与支座连接。
可选的，所述柔性铰链组件包括至少两个平行设置的柔性铰链，柔性铰链一端与桥式放大机构连接，另一端通过刚性块与恒力机构连接。
可选的，所述柔性铰链采用V型柔性铰链。
可选的，所述驱动器采用压电陶瓷驱动器。
可选的，所述输出平台和支座之间设有位移检测元件，第一驱动机构和第二驱动机构均对应设置位移检测元件，用于检测输出平台的位移。
可选的，所述位移检测元件包括固定在支座上的激光位移传感器和位于输出平台上的与激光位移传感器配合使用的光栅。
本发明的有益效果：
1.本发明的微定位平台，恒力机构包括多个刚性块，相邻刚性块之间设置有多个连接梁其中连接梁包括刚性体，刚性体两侧均设有柔性折叠梁，柔性折叠梁一端与刚性体连接，另一端与刚性块连接，采用此种形式的恒力机构与传统的恒力机构相比，能够输出的恒力位移范围更大，进而扩大了输出平台的输出位移，扩大了整个微定位平台的使用范围，增强了微定位平台的适用性，在运动过程中，柔性折叠梁由于自身变形产生正刚度效应，恒力机构中，位于中部的刚性块两侧的部分能够呈设定钝角设置，整体的倾斜式结构可以产生屈曲特性，从而具有负刚度效应，两者在相互叠加的过程中产生零刚度效应，由于正刚度结构是构成负刚度结构的一部分，该恒力机构的运动行程比其他的正负刚度组合的恒力机构的行程大，因此，在运动过程中，所具有的恒力行程也较大。
2.本发明的微定位平台，通过设置位移放大机构，使得能够进行小位移输入量的放大，适用于小位移输出场景，能够应用于精密度更高的场景中，使得微定位平台的适用性更强。
3.本发明的微定位平台，通过设置力检测元件和位移检测元件，能够对微定位平台的工作过程进行实时监控，保证其工作的精度和准确性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
图1为本发明实施例1整体结构示意图；
图2为本发明实施例1整体结构主视图；
图3为本发明实施例1位移放大机构结构示意图；
图4为本发明实施例1位移放大机构变形图；
图5为本发明实施例1恒力机构结构示意图；
图6为本发明实施例1恒力机构的力-位移曲线图；
图7为本发明实施例1恒力机构变形图；
图8为现有技术恒力机构的力-位移曲线图；
其中，11.支座，12.桥式放大机构支架，13.激光座，14.光栅支架；
21.第一桥式放大机构，22.第一压电陶瓷，23.第一恒力机构，24.第三恒力机构，31.第二桥式放大机构，32.第二压电陶瓷，33.第二恒力机构，34.第四恒力机构41.第一力传感器，42.第一光栅，43.第一激光位移传感器，51.第二力传感器，52.第二光栅，53.第二激光位移传感器，6.柔性板簧，7.输出平台；
21-1.刚性输入体，21-2.刚性连接块，21-3.柔性梁，21-4.固定块，21-5.V型柔性铰链，21-6.刚性输出体；
23-1.刚性块，23-2.刚性体，23-3.柔性折叠梁。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供了一种二维微定位平板，如图1-图2所示，包括输出平台7，输出平台7与安装在支座11的第一驱动机构和第二驱动机构连接，第一驱动机构和第二驱动机构的输出运动方向相互垂直，以使得输出平台能够在二维平面内沿任意方向运动。
所述支座11为矩形板，作为其他部件的承载部件。
所述第一驱动机构和第二驱动机构的结构相同。
第一驱动机构是输出运动方向为第一方向，第一驱动机构包括第一驱动器，本实施例中，所述第一驱动器采用第一压电陶瓷22，第一压电陶瓷22的轴线沿第二方向设置，第二方向垂直于第一方向。
在压电陶瓷的两端施加电压后，压电材料会发生形变，其分辨率高，频率响应高、体积小、输出所用力大。
第一压电陶瓷22与位移放大机构连接，通过位移放大机构能够将其输出位移转化为第一方向且进行位移放大。
如图3所示，所述位移放大机构采用第一桥式放大机构21，桥式放大机构采用现有结构即可，第一桥式放大机构21包括两个刚性输入体21-1，其中一个刚性输入体的中部与第一压电陶瓷22的一端连接，另一个刚性输入体的中部与第一压电陶瓷22的另一端连接。
刚性输入体外侧面中部设有刚性连接块21-2，刚性连接块21-2两侧通过柔性梁21-3与固定块21-4连接，固定块21-4与桥式放大机构支架12固定，桥式放大机构支架12通过螺栓固定在支座11上。
两个刚性输入体的端部与桥式放大机构的刚性输出体之间设有柔性铰链组件。
所述柔性铰链组件包括多个平行设置的柔性铰链，本实施例中，柔性铰链组件包括两个平行设置的柔性铰链，柔性铰链采用V型柔性铰链21-5。两个V型柔性铰链21-5形成双桥结构，可将压电陶瓷驱动器产生的位移进行放大以满足平台所需要的位移，第一桥式放大机构的受力变形如图4所示。
其中V型柔性铰链21-5的一端与刚性输入体21-1的端部连接，另一端与第一桥式放大机构的刚性输出体21-6连接。
所述第一桥式放大机构21靠近输出平台一侧的刚性输出体通过第一力检测元件与第一恒力机构连接，另一侧的刚性输出体通过螺栓与桥式放大机构支架固定。
所述第一力检测元件采用第一力传感器41，第一力传感器能41够外接数字重量变送器与通知仪表，通过信号的转换最终得出桥式位移放大机构的输出力数据。
第一力传感器41通过螺栓与第一恒力机构23连接。
所述第一恒力机构23包括多个刚性块23-1，相邻刚性块23-1之间设置有多个连接梁，位于中部的刚性块与柔性板簧6连接，其中连接梁包括刚性体23-2，刚性体23-2两侧均设有柔性折叠梁23-3，柔性折叠梁23-3一端与刚性体23-2连接，另一端与刚性块23-1连接。
具体的，如图5所示，所述第一恒力机构包括三个刚性块23-1，其中位于中间的刚性块23-1与第一力传感器41通过螺栓连接，位于两个端部的刚性块23-1通过螺栓与支座11连接。
位于中间的刚性块23-1两侧的连接梁呈设定的钝角设置且相互对称设置，且夹角朝向远离输出平台的方向，即第一恒力机构的开口朝向输出平台7。
相邻刚性块之间设有两组连接梁，两组连接梁平行设置，连接梁包括刚性件，刚性件两侧均设有柔性折叠梁。
其中柔性折叠梁23-3包括第一梁部，第一梁部一端与刚性块连接，另一端向下折弯180°后于第二梁部的一端连接，第二梁部的另一端向下折弯180°后于第三梁部的一端连接，第三梁部的另一端与刚性体连接。
采用本实施例的恒力机构，由柔性折叠梁23-3与刚性块组成，以中间的刚性块为中心轴相互对称，整体形状具有一定的倾斜角度，该恒力机构的是通过柔性折叠梁所产生的正刚度与整体具有倾斜角度的结构所产生的负刚度相组合，正负刚度相抵消形成零刚度结构，因此输出恒定的力，如图6所示，恒力大小为11.6N，恒力范围为2mm，第一恒力机构的受力变形如图7所示，采用CN110010190A中公开的定位平台中的恒力机构的恒力范围如图8所示，其恒力范围为0.5mm，明显小于本申请中的恒力范围。
在运动过程中，柔性折叠梁由于自身变形产生正刚度效应，恒力机构中，位于中部的刚性块两侧的部分能够呈设定钝角设置，整体的倾斜式结构可以产生屈曲特性，从而具有负刚度效应，两者在相互叠加的过程中产生零刚度效应，由于正刚度结构是构成负刚度结构的一部分，该恒力机构的运动行程比其他的正负刚度组合的恒力机构的行程大，因此，在运动过程中，所具有的恒力行程也较大。
另外，采用此种恒力结构，减小了物理尺寸大小，减轻了对压电陶瓷的需求，大大降低了制造成本。
所述恒力结构中部的刚性块一侧与第一力传感器41连接，另一侧与三个并联的柔性板簧6的一端通过螺栓连接，三个并联的柔性板簧6平行设置。三个柔性板簧6的另一端越过输出平台7的第一边缘后，通过螺栓与输出平台底面中心位置的四方块的第一侧面固定。
输出平台7底部四方块第一侧面对侧的第二侧面与三个柔性板簧的一端连接，三个柔性板簧的另一端越过输出平台第一边缘对侧的第二边缘后与第三恒力机构24连接，第三恒力机构24的结构与第一恒力机构23的结构完全相同，第三恒力机构24的连接梁与第一恒力机构23对应的连接梁相平行即第三恒力机构24和第一恒力机构23的开口方向相同。第三恒力机构24两个端部的刚性块通过螺栓与支座固定连接。
所述第二驱动机构的结构与第一驱动机构的结构相同，包括第二驱动器，第二驱动器采用第二压电陶瓷32，第二压电陶瓷32的轴线与第一压电陶瓷22的轴线相互垂直，沿第一方向布置，第二压电陶瓷与位移放大机构连接，位移放大机构采用第二桥式放大机构31，与第一压电陶瓷22所连接的第一桥式放大机构的结构及工作原理完全相同，在此不进行详细叙述。
所述第二压电陶瓷32所连接的桥式放大机构的输出刚性体通过螺栓与第二力传感器51连接，第二力传感器51与第二恒力机构33连接，
第二恒力机构33与第一恒力机构23结构完全相同，其中部的刚性块一侧与第二力传感器连接，另一侧与三个并联的柔性板簧的一端连接，第二恒力机构33两个端部的刚性块通过螺栓与支座固定连接，柔性板簧的另一端越过输出平台的第三边缘后与四方块的第三侧面连接，四方块第三侧面对侧的第四侧面与三个并联设置的柔性板簧的一端连接，柔性板簧的另一端越过输出平台7第三边缘对侧的第四边缘后与第四恒力机构34的中部的刚性块连接，第四恒力机构34两个端部的刚性块通过螺栓与支座11固定连接。第四恒力机构34的连接梁与第二恒力机构33中对应的连接梁相互平行即第四恒力机构34与第二恒力机构33的开口方向相同。
本实施例中，通过设置四组并联柔性板簧，用于对输出平台沿第一方向和第二方向的位移进行解耦。
所述支座与输出平台之间设有位移检测元件，用于检测输出平台的位移，第一驱动机构和第二驱动机构均对应设置位移检测元件，分别用于检测输出平台沿第一方向和第二方向的位移。
所述位移检测元件包括光栅支架14，光栅支架14固定在输出平台7的第二边缘位置处，光栅支架上固定有第一光栅41，相应的，第三恒力机构的外侧设有激光座13，激光座13与支座11固定，激光座13上设有与第一光栅41配合使用的第一激光位移传感器43。
在输出平台的第四边缘位置处也固定有光栅支架14，光栅支架14上固定有第二光栅52，相应的，第四恒力机构34的外侧设有激光座13，激光座13与支座11固定，激光座13上设有与第二光栅52配合使用的第二激光位移传感器53。
第一光栅41与第一激光位移传感器43配合，能够对输出平台7沿第一方向的位移进行监测，第二光栅52与第二激光位移传感器53配合，能够对输出平台7沿第二方向的位移进行监测，结合两个力传感器对位移放大机构输出力进行测量，能够对定位平台的工作过程进行监控，保证工作的准确性和精度。
定位平台包括四组正交的恒力机构，且每个恒力机构都是由柔性折叠梁与刚性块组成。恒力机构通过折叠梁的正刚度特性与整体所具有的负刚度特性组合而成零刚度结构。因此，平台的恒力特性与机构的刚度有关。当正、负刚度机构叠加之后和为零时，就产生了如图6所示的恒力区间。
在本实施例中，当压电陶瓷进行驱动时，通过桥式机构放大器放大其输出位移，通过力传感器进行检测力的大小，然后驱动恒力机构使其产生恒定的力，通过并联柔性板簧进行位移解耦，最终从输出平台端输出，输出位移通过激光位移传感器进行检测。
本实施例的定位平台，通过引入新型的恒力机构，扩大了微定位平台的输出位移，而且该恒力机构无需外接控制装置，通过并联柔性板簧降低了定位运动之间的耦合误差，使得定位平台可达毫米级的行程。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种二维微定位平台，包括输出平台，输出平台与相互垂直设置且设置在支座的第一驱动机构和第二驱动机构连接，其特征在于，所述第一驱动机构和第二驱动机构均包括驱动器，驱动器与位移放大机构连接，位移放大机构与恒力机构连接，恒力机构通过柔性板簧与输出平台连接，所述恒力机构包括多个刚性块，相邻刚性块之间设置有多个连接梁，位于中部的刚性块与柔性板簧连接，其中连接梁包括刚性体，刚性体两侧均设有柔性折叠梁，柔性折叠梁一端与刚性体连接，另一端与刚性块连接。
2.如权利要求1所述的一种二维微定位平台，其特征在于，位于恒力机构两个端部的刚性块与支座固定连接。
3.如权利要求1所述的一种二维微定位平台，其特征在于，所述柔性折叠梁包括第一梁部，第一梁部一端与刚性块连接，另一端折弯180°后于第二梁部的一端连接，第二梁部的另一端折弯180°后于第三梁部的一端连接，第三梁部的另一端与刚性体连接。
4.如权利要求1所述的一种二维微定位平台，其特征在于，所述位移放大机构的输出端与恒力机构的中部的刚性块之间设有力检测元件。
5.如权利要求1所述的一种二维微定位平台，其特征在于，所述位移放大机构包括桥式放大机构，驱动器的两端均连接有桥式放大机构，桥式放大机构的中部与驱动器连接，端部与支座固定，桥式放大机构的同侧端部均与柔性铰链组件的一端连接，其中一端的柔性铰链组件的另一端通过刚性件与恒力机构连接，另一侧的柔性铰链组件通过刚性件与支座连接。
6.如权利要求1所述的一种二维微定位平台，其特征在于，所述柔性铰链组件包括至少两个平行设置的柔性铰链，柔性铰链一端与桥式放大机构连接，另一端通过刚性块与恒力机构连接。
7.如权利要求6所述的一种二维微定位平台，其特征在于，所述柔性铰链采用V型柔性铰链。
8.如权利要求1所述的一种二维微定位平台，其特征在于，所述驱动器采用压电陶瓷驱动器。
9.如权利要求1所述的一种二维微定位平台，其特征在于，所述输出平台和支座之间设有位移检测元件，第一驱动机构和第二驱动机构均对应设置位移检测元件，用于检测输出平台的位移。
10.如权利要求9所述的一种二维微定位平台，其特征在于，所述位移检测元件包括固定在支座上的激光位移传感器和位于输出平台上的与激光位移传感器配合使用的光栅。
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