CN116155136B - 二自由度解耦大行程柔性结构微动平台 - Google Patents
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Abstract
二自由度解耦大行程柔性结构微动平台，属于微动平台技术领域。它提供一种基于杠杆放大、能够实现高精度、大行程、运动解耦的微动平台。机架为框型结构，安装在机架上的两个压电陶瓷驱动单元分别设置X轴和Y轴，工作平台设置在X轴和Y轴的交点上，并柔性安装在机架上，两个压电陶瓷驱动单元各通过一个柔性铰链放大单元结构带动工作平台1沿X轴、Y轴移动。本发明柔性铰链结构一体制造，且结构完全对称，以便微动平台具有良好的力学性能；同时在每个柔性放大单元具有两个放大机构，其中一个为二级放大机构，另一个可以将前放大机构的输出位移再一次放大。最后可实现在工作平台上位移方向有大行程。
Description
技术领域
本发明属于微动平台技术领域，具体涉及一种二自由度解耦大行程柔性结构微动平台。
背景技术
压电陶瓷驱动单元具有结构紧凑、分辨率高、响应速度快等优点，被广泛用于微纳加工、光学器件、传感器和测量、控制等领域中。然而，压电驱动单元的输出位移一般只有几微米到几十微米，为了满足设计需求，采用了柔性铰链放大单元机构来放大压电陶瓷驱动单元的行程范围。柔性铰链放大单元机构依靠的是柔性铰链的弹性变形来增大输出位移，柔性铰链放大单元机构已经成为了微纳加工制造领域中不可或缺的元件，而且对于对称式杠杆机构，其结构十分灵活，环境兼容性强，易于在位移方向上产生解耦运动，减少非必要方向上的运动。
近些年来，由于在工程、生物技术和医学领域的发展需求，许多研究者在对超精密微/纳定位系统展开了大量的研究。对于两自由度的微动平台，主要有串、并联两种形式，串联式机构具有易于控制、解耦性能强等优点。对于并联式机构，常用的全对称式结构，压电驱动单元的柔性机构组合可以产生平滑、连续、高精度、无摩擦的运动。现在常用的超精密定位驱动方案常采用压电陶瓷材料作为驱动单元，并设计了一种XY双向全解耦微动平台。
此外，柔性铰链放大单元机构采用对称式二级杠杆放大机构，以提供良好的力学解耦性能，减少非运动方向产生的位移。常规的微定位系统往往采用伺服电机和精密丝杠等传动方案，存在传动摩擦和空回程的问题，所以一般定位精密仅能达到微米的级别。
发明内容
本发明为了解决上述问题，进而提供一种基于杠杆放大、能够实现高精度、大行程、运动解耦的二自由度解耦大行程柔性结构微动平台。
本发明所采取的技术方案是：
一种二自由度解耦大行程柔性结构微动平台，包括工作平台、机架、两个柔性铰链放大单元结构及两个压电陶瓷驱动单元；所述机架为框型结构，安装在机架上的两个压电陶瓷驱动单元分别设置X轴和Y轴，所述工作平台设置在X轴和Y轴的交点上，并柔性安装在机架上，两个压电陶瓷驱动单元各通过一个柔性铰链放大单元结构带动工作平台1沿X轴、Y轴移动。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1.本发明由压电陶瓷驱动单元驱动柔性铰链放大单元，使得微动平台具有更大的放大倍数，提高工作平台的工作位移。
2.本发明的微动平台与传统两自由度XY微动平台机构相比，柔性铰链结构一体制造，且结构完全对称，能够很好的减少非运动方向上耦合位移，以便微动平台具有良好的力学性能；同时在每个柔性放大单元具有两个放大机构，其中一个为二级放大机构，另一个可以将前放大机构的输出位移再一次放大。最后可实现在工作平台上位移方向有大行程。本发明还具有安装、预紧压电驱动单元方便的特点。
3.本发明所能够实现高精度运动，为微纳加工、精密定位提供了实现基础；
4.本发明具有二个自由度，既能实现X轴方向的位移输出，又能实现Y轴方向的微动平台；
5.本发明的柔性放大单元结构设有二个放大机构，进一步放大输出行程，最后在输出平台上实现X，Y轴方向上的输出位移；
6.本发明的柔性放大单元结构采用柔性铰链，并通过线切割加工而成，整个柔性铰链放大机构为一个整体，具有体积小、无机械摩擦、导向精度高、加工精度易于保证和装配链接及拆卸方便。
附图说明
图1是本发明轴测示意图；
图2是本发明俯视示意图；
图3是本发明柔性铰链放大单元结构平面示意图；
图4为本发明的机架和工作平台示意图；
图5为本发明底座示意图；
图6本发明微动平台核心结构Y向运动仿真示意图；
图7本发明微动平台核心结构X向运动仿真示意图；
其中：1、工作平台；2、机架；3、柔性铰链放大单元结构；4、压电陶瓷驱动单元；5、底座；6、Y向压电陶瓷驱动单元；7、X向压电陶瓷驱动单元；8、第一切割缝隙；9、第二切割缝隙；21、固定块一；22、固定块二；23、柔性薄板二；24、柔性薄板一；25、框架；31、一级杠杆放大机构；32、导向杆；33、二级杠杆放大机构；34、输出杆；35、柔性铰链；36、输入杆；311、第一放大杆；331、第二放大杆。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的做进一步详细的描述。
参照图1～图7所示，本发明的一种二自由度解耦大行程柔性结构微动平台，包括工作平台1、机架2、两个柔性铰链放大单元结构3及两个压电陶瓷驱动单元4；所述机架2为框型结构，安装在机架2上的两个压电陶瓷驱动单元4分别设置X轴和Y轴，所述工作平台1设置在X轴和Y轴的交点上，并柔性安装在机架2上，两个压电陶瓷驱动单元4各通过一个柔性铰链放大单元结构3带动工作平台1沿X轴、Y轴移动。
如图2、图4所示，所述机架2包括框架25、四个固定块一21、四个固定块二22、多个柔性薄板一24及八个柔性薄板二23；所述四个固定块一21分别布置在矩形的四个边上，所述四个固定块二22分别布置在矩形的四个角上，四个固定块二22和四个固定块一21之间通过柔性薄板二23串接形成矩形架体，该矩形架体对称套装在工作平台1外侧，所述工作平台1通过多个柔性薄板一24分别与四个固定块一21连接，所述四个固定块二22与框架25连接。
柔性薄板一24的数量优选为八个，工作平台1每侧各设置两个。
如图4所示，所述四个固定块一21中靠近柔性铰链放大单元结构3的两个固定块一21设置成楔形结构，其余两个固定块一21设置成板状结构。
楔形结构通过柔性薄板一24将力和位移全部传递至工作平台1上。
如图3所示，每个所述柔性铰链放大单元结构3均包括一级杠杆放大机构31、二级杠杆放大机构33、输入杆36、输出杆34及导向杆32；所述一级杠杆放大机构31通过输入杆36与压电陶瓷驱动单元4连接，所述二级杠杆放大机构33通过输出杆34与机架2的对应固定块一21连接，所述一级杠杆放大机构31通过导向杆32把力和位移传递给二级杠杆放大机构33。
所述一级杠杆放大机构31包括两个第一放大杆311；所述两个第一放大杆311一端对称设置在压电陶瓷驱动单元4两侧，并与压电陶瓷驱动单元4柔性连接，两个第一放大杆311另一端与两个导向杆32一端一一对应柔性连接，两个第一放大杆311与机架2的框架25柔性连接。
所述二级杠杆放大机构33包括两个第二放大杆331；所述两个第二放大杆331一端对称设置在对应固定块一21两侧，并与固定块一21柔性连接，两个第二放大杆331另一端与两个导向杆32另一端一一对应柔性连接，两个第二放大杆331与机架2的框架25柔性连接。
所述柔性铰链放大单元结构3内的柔性连接均采用柔性铰链35进行连接，所述柔性铰链为正圆型截面双切口柔性铰链。
参见图3所示，为了实现传动的灵敏度和高分辨率，正圆型双切口柔性铰链为直圆型双切口柔性铰链。
采用柔性铰接的方式进行连接，各杆件之间的间隙和摩檫力较小，能降低误差，提高精度。
所述四个固定块二22上均设置定位安装孔，并通过螺栓与底座5连接，所述框架25与底座5通过预紧螺栓连接。
参见图4所示，为了减轻重量和提高柔性，工作平台1为空心方盘，并采用厚板结构，具有较强的刚度，所以可以将X向力转变为内应力，从而实现位移解耦，实现运动结构完全解耦。
两个柔性铰链放大单元结构3构成多级放大机构，放大机构3的缝隙经过线切割获得，其中，所述机架2、第一放大杆311以及两者之间的柔性铰链所围成的区域为第一切割缝隙8；所述第一放大杆311、第二放大杆331、导向杆32以及三者之间的柔性铰链所围成的区域为第二切割缝隙9；由此经线切割可获得两级柔性铰链放大单元结构3。
两个压电陶瓷驱动单元4分别为X向压电陶瓷驱动单元7和Y向压电陶瓷驱动单元6；X向压电陶瓷驱动单元4通过X向预紧螺栓A与机架2连接。Y向压电陶瓷驱动单元6通过Y向预紧螺栓B与机架2连接。
工作原理：
单个柔性铰链放大单元结构3工作时，如图3和图4所示，为了便于说明，以其中一个柔性铰链放大单元结构3为例说明，就其放大作用而言，该柔性铰链放大单元结构3可看作是一个对称式的二级杠杆放大机构，其中，压电陶瓷驱动器4起驱动作用，由压电陶瓷驱动器4通电变形伸长，驱动输入杆36，驱动两个第一放大杆31绕着与压电陶瓷驱动单元4连接的柔性铰链35转动，把力和位移传递给二级杠杆放大机构，实现一级放大，然后由导向杆32起导向作用，导向杆32把力和位移传递给两个第二放大杆331，两个第二放大杆331绕着与框架25连接的柔性铰链35转动，从而完成二级杠杆放大。即形成了一个对称式的二级杠杆放大机构，大大提高了放大倍数，消除非运动方向的位移，增大输出平台的位移以及能够很好地对X、Y轴进行解耦运动。
工作平台具体运动如下
参见图6、图7所示，为了便于说明，以二个放大机构单元为例，二个放大机构单元分别为结构相同的二级杠杆放大机构33。
平台运动时，以沿X轴运动为例，X向位移输入由X向压电陶瓷驱动器7提供，X向压电陶瓷驱动器7在电压作用下伸缩，推动输入杆36沿X向发生位移，两个第一放大杆311绕着柔性铰链35转动，经过导向杆32、导向杆32把力和位移传递给两个第二放大杆331，两个第二放大杆331绕着柔性铰链35转动，最后经过输出杆34把力和位移传递给工作平台1，工作平台1内侧分别对称布置了八个柔性薄板一24，外侧也布置了八个柔性薄板二23，外侧柔性薄板二23四个角处分别固定有四个固定块二22与机架2连接，楔形的固定块一21通过柔性薄板一24将力和位移全部传递至工作平台1上，然而工作平台1为厚板结构，具有较强的刚度，所以可以将X向力转变为内应力，从而实现位移解耦，实现运动结构完全解耦。
同理沿Y轴运动原理与沿X向运动原理一致。Y向位移输入由X向压电陶瓷驱动器6提供，Y向压电陶瓷驱动器6在电压作用下伸缩，把力和位移经过二级杠杆放大机构放大后，再传递给工作平台1。同时，柔性薄板24可以将Y向力转变为内应力，从而实现XY位移解耦，实现运动结构完全解耦。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (6)
1.一种二自由度解耦大行程柔性结构微动平台，其特征在于：包括工作平台(1)、机架(2)、两个柔性铰链放大单元结构(3)及两个压电陶瓷驱动单元(4)；所述机架(2)为框型结构，安装在机架(2)上的两个压电陶瓷驱动单元(4)分别设置X轴和Y轴，所述工作平台(1)设置在X轴和Y轴的交点上，并柔性安装在机架(2)上，两个压电陶瓷驱动单元(4)各通过一个柔性铰链放大单元结构(3)带动工作平台(1)沿X轴、Y轴移动，每个所述柔性铰链放大单元结构(3)均包括一级杠杆放大机构(31)、二级杠杆放大机构(33)、输入杆(36)、输出杆(34)及导向杆(32)；所述一级杠杆放大机构(31)通过输入杆(36)与压电陶瓷驱动单元(4)连接，所述二级杠杆放大机构(33)通过输出杆(34)与机架(2)的对应固定块一(21)连接，所述一级杠杆放大机构(31)通过导向杆(32)把力和位移传递给二级杠杆放大机构(33)，
所述一级杠杆放大机构(31)包括两个第一放大杆(311)；所述两个第一放大杆(311)一端对称设置在压电陶瓷驱动单元(4)两侧，并与压电陶瓷驱动单元(4)柔性连接，两个第一放大杆(311)另一端与两个导向杆(32)一端一一对应柔性连接，两个第一放大杆(311)与机架(2)的框架(25)柔性连接，
所述二级杠杆放大机构(33)包括两个第二放大杆(331)；所述两个第二放大杆(331)一端对称设置在对应固定块一(21)两侧，并与固定块一(21)柔性连接，两个第二放大杆(331)另一端与两个导向杆(32)另一端一一对应柔性连接，两个第二放大杆(331)与机架(2)的框架(25)柔性连接，所述机架(2)包括框架(25)、四个固定块一(21)、四个固定块二(22)、多个柔性薄板一(24)及八个柔性薄板二(23)；所述四个固定块一(21)分别布置在矩形的四个边上，所述四个固定块二(22)分别布置在矩形的四个角上，四个固定块二(22)和四个固定块一(21)之间通过柔性薄板二(23)串接形成矩形架体，该矩形架体对称套装在工作平台(1)外侧，所述工作平台(1)通过多个柔性薄板一(24)分别与四个固定块一(21)连接，所述四个固定块二(22)与框架(25)连接。
2.根据权利要求1所述的一种二自由度解耦大行程柔性结构微动平台，其特征在于：所述四个固定块一(21)中靠近柔性铰链放大单元结构(3)的两个固定块一(21)设置成楔形结构，其余两个固定块一(21)设置成板状结构。
3.根据权利要求1所述的一种二自由度解耦大行程柔性结构微动平台，其特征在于：所述柔性铰链放大单元结构(3)内的柔性连接均采用柔性铰链(35)进行连接，所述柔性铰链为正圆型截面双切口柔性铰链。
4.根据权利要求1所述的一种二自由度解耦大行程柔性结构微动平台，其特征在于：所述四个固定块二(22)上均设置定位安装孔，并通过螺栓与底座(5)连接，所述框架(25)与底座(5)通过预紧螺栓连接。
5.根据权利要求1所述的一种二自由度解耦大行程柔性结构微动平台，其特征在于：工作平台(1)为空心方盘，并采用厚板结构，具有较强的刚度。
6.根据权利要求3所述的一种二自由度解耦大行程柔性结构微动平台，其特征在于：所述机架(2)、第一放大杆(311)以及两者之间的柔性铰链所围成的区域为第一切割缝隙(8)；所述第一放大杆(311)、第二放大杆(331)、导向杆(32)以及三者之间的柔性铰链所围成的区域为第二切割缝隙(9)；由此经线切割可获得两级柔性铰链放大单元结构(3)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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