CN117754517A - 一种平面二自由度定位平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平面二自由度定位平台，包括：基座，具有至少四个立柱；承载平台，通过柔性铰链设于基座上；其中，柔性铰链包括铰链固定板和多个柔性单元，铰链固定板和立柱固定连接，多个柔性单元首尾连接且多个柔性单元按照预设路径围绕铰链固定板折弯；相邻两个柔性单元的方向不同；至少一个柔性支撑腿，设置在承载平台和基座之间；柔性支撑腿的一侧抵接承载平台，柔性支撑腿的另一侧抵接基座。本发明结构紧凑，运动行程大，定位精度高，承载能力强。

Description

一种平面二自由度定位平台

技术领域

本发明涉及柔顺精密定位技术领域，尤其是指一种平面二自由度定位平台。

背景技术

在超精密加工、大规模集成电路制造、微机电系统器件封装及细胞精细操控等高端装备领域，常常需要使用定位精度高、稳定性好、响应速度快的精密定位平台。基于柔顺机构的精密定位平台具有纳米级的定位精度、优良的稳定性及快速响应能力被广泛应用。

但是，其工作范围只有几十微米，承载能力非常有限，严重限制了其应用范围。例如：微/纳装配、半导体光刻制造和光学调姿等领域需要在毫米级的运动范围内实现纳米级的定位精度，且对平台的承载能力提出了较高的要求。

此外，柔顺精密定位平台为了提高定位精度降低寄生运动，常使用柔性导向机构作为解耦机构。

目前常用的柔性导向机构有并联导向机构、平行四边形导向机构和复合平行四边形导向机构，这些柔性导引机构通常为单自由度的导向运动，需要将它们串联或并联起来才能实现多个自由度的导向运动，导致机构结构臃肿。

针对上述问题，目前亟需设计一种具有结构紧凑、运动行程大、定位精度高、承载能力强的柔顺精密定位平台。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种平面二自由度定位平台。

本发明所采用的技术方案如下：

一种平面二自由度定位平台，包括：

基座，具有至少四个立柱；

承载平台，通过柔性铰链设于所述基座上；其中，所述柔性铰链包括铰链固定板和多个柔性单元，所述铰链固定板和所述立柱固定连接，多个所述柔性单元首尾连接且多个所述柔性单元按照预设路径围绕所述铰链固定板折弯；相邻两个所述柔性单元的方向不同；

至少一个柔性支撑腿，设置在所述承载平台和所述基座之间；所述柔性支撑腿的一侧抵接所述承载平台，所述柔性支撑腿的另一侧抵接所述基座。

在本发明的一个实施例中，所述柔性单元包括多个第一直线段和多个第一曲线段，相邻两个所述第一直线段之间通过所述第一曲线段连接。

在本发明的一个实施例中，所述第一曲线段的曲线形式为圆弧、抛物线、椭圆弧、双曲线、B样条曲线中的一种或多种。

在本发明的一个实施例中，所述柔性单元为四个，分别为第一X向柔性单元、第一Y向柔性单元、第二X向柔性单元和第二Y向柔性单元，所述第一X向柔性单元的一端连接所述承载平台，所述第一X向柔性单元的另一端连接所述第一Y向柔性单元；所述第一Y向柔性单元的两侧分别与所述第一X向柔性单元和所述第二X向柔性单元呈曲线过渡连接；所述第二Y向柔性单元的一端连接所述第二X向柔性单元，所述第二Y向柔性单元的另一端连接所述铰链固定板。

在本发明的一个实施例中，所述柔性支撑腿包括多个转动副，相邻两个所述转动副之间通过连接块连接，且相邻两个所述转动副的方向不同。

在本发明的一个实施例中，所述转动副包括多个第二直线段和多个第二曲线段，相邻两个所述第二直线段之间通过所述第二曲线段连接。

在本发明的一个实施例中，所述第二曲线段的曲线形式为圆弧、抛物线、椭圆弧、双曲线、B样条曲线中的一种或多种。

在本发明的一个实施例中，所述柔性支撑腿还包括分别设置在转动副两侧的第一固定块和第二固定块，所述第一固定块被设置为与所述承载平台固定连接，所述第二固定块被设置为与所述基座固定连接。

在本发明的一个实施例中，所述转动副为四个，分别为第一Y向转动副、第一X向转动副、第二Y向转动副和第二X向转动副，所述第一Y向转动副的一侧连接所述第一固定块，所述第一X向转动副的另一侧连接所述连接块；所述第一X向转动副的两侧分别与所述连接块连接；所述第二Y向转动副的两侧分别与所述连接块连接；所述第二X向转动副的一侧连接所述连接块，所述第二X向转动副的另一侧连接所述第二固定块。

在本发明的一个实施例中，多个所述柔性铰链相对于所述承载平台的中心轴线对称布置。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的平面二自由度定位平台，其中采用曲线折卷型的柔性铰链，曲线型的柔性铰链可以使得铰链在同等长度下产生更大的位移变化，从而达到使承载平台拥有大行程的目的；

同时，将曲线型的柔性铰链折卷可以增加铰链的空间利用率，使得定位平台更加紧凑并实现二自由度的运动解耦。

本发明所述的平面二自由度定位平台还利用柔性支撑脚作为承载平台的支撑结构，采用了曲线型柔性单元，既减少了对支承载平台位移的阻碍，又增加了承载平台的负载能力。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明中平面二自由度定位平台的结构示意图。

图2是本发明中承载平台的俯视图。

图3是本发明中柔性铰链的俯视图。

图4是本发明中柔性铰链的一个柔性单元的局部示意图。

图5是本发明中柔性支撑腿的示意图。

图6是本发明中平面二自由度定位平台有柔性支撑腿时受沿X轴方向的荷载作用的位移图。

图7是本发明中平面二自由度定位平台无柔性支撑腿时受沿X轴方向的荷载作用的位移图。

图8是本发明中平面二自由度定位平台有柔性支撑腿时受沿Z轴方向的荷载作用的位移图。

图9是本发明中平面二自由度定位平台无柔性支撑腿时受沿Z轴方向的荷载作用的位移图。

说明书附图标记说明：100、柔性铰链；101、第一X向柔性单元；102、第一Y向柔性单元；103、第二X向柔性单元；104、第二Y向柔性单元；105、铰链固定板；106、第一直线段；107、第一曲线段；200、承载平台；300、基座；400、柔性支撑腿；401、第一Y向转动副；402、第一X向转动副；403、第二Y向转动副；404、第二X向转动副；405、第一固定块；406、第二固定块；407、连接块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明，此外，在全部实施例中，相同的附图标号表示相同的元件。

结合图1和图2，一种平面二自由度定位平台，包括：

基座300，具有至少四个立柱；

承载平台200，通过柔性铰链100设于基座300上；其中，柔性铰链100包括铰链固定板105和多个柔性单元，铰链固定板105和立柱固定连接，多个柔性单元首尾连接且多个柔性单元按照预设路径围绕铰链固定板105折弯；相邻两个柔性单元的方向不同；

至少一个柔性支撑腿400，设置在承载平台200和基座300之间；柔性支撑腿400的一侧抵接承载平台200，柔性支撑腿400的另一侧抵接基座300。

本发明提供的一种平面二自由度定位平台，将曲线型的柔性铰链进行折卷，并增加柔性支撑腿使得承载平台可以获得更好的支撑强度，具有结构紧凑、运动行程大、定位精度高、承载能力强的特点。

在本实施例中，为描述各零、部件之间的关系，以承载平台200的中心点为坐标原点，建立局部坐标系，以柔性铰链100与承载平台200相连的第一段柔性单元的方向为X轴方向，第二段柔性单元的方向为Y轴方向，承载平台200的高度方向为Z轴方向,如图1和图2所示。

具体地，对应基座300的四个立柱，设计四个柔性铰链100，分别为第一柔性铰链、第二柔性铰链、第三柔性铰链和第四柔性铰链，优选地，柔性铰链100相对于承载平台200的中心轴线对称布置，即第一柔性铰链和第二柔性铰链相对于Y轴对称布置，第三柔性铰链和第四柔性铰链相对于Y轴对称布置，第一柔性铰链和第三柔性铰链相对于X轴对称布置，第二柔性铰链和第四柔性铰链相对于X轴对称布置。

每个柔性铰链100从承载平台200到铰链固定板105依次分为第一X向柔性单元101、第一Y向柔性单元102、第二X向柔性单元103和第二Y向柔性单元104。其中，承载平台200和柔性铰链100可以采用精密走丝线切割机床一体化加工成型，也可以分别加工后再装配在一起。

第一X向柔性单元101的一端连接承载平台200，第一X向柔性单元101的另一端连接第一Y向柔性单元102；第一Y向柔性单元102的两侧分别与第一X向柔性单元101和第二X向柔性单元103呈曲线过渡连接；第二Y向柔性单元104的一端连接第二X向柔性单元103，第二Y向柔性单元104的另一端连接铰链固定板105。

显而易见的是，本实施例中的柔性铰链100的多个柔性单元折卷一圈，当然，也可以根据实际需要，柔性铰链100折卷多圈，此时，每圈柔性铰链100具有第一X向柔性单元101、第一Y向柔性单元102、第二X向柔性单元103和第二Y向柔性单元104。

具体地，结合图3和图4，每个柔性单元包括多个第一直线段106和多个第一曲线段107，相邻两个第一直线段106之间通过第一曲线段107连接，相较于相邻两个第一直线段106之间通过直线连接形成直角的结构形式，该设计可以避免应力集中。

其中，第一曲线段107的曲线形式为圆弧、抛物线、椭圆弧、双曲线、B样条曲线中的一种或多种。

多个第一曲线段107的曲线形式可以相同或不同，则可以理解的是，当多个第一曲线段107的曲线形式相同时，第一直线段106和第一曲线段107组成的柔性单元呈周期性的弯曲，当多个第一曲线段107的曲线形式不同时，第一直线段106和第一曲线段107组成的柔性单元呈非周期性的弯曲。

需要说明的是，通过改变第一直线段106的长度、宽度以及厚度，以及第一曲线段107的形式、个数以及材料，可以获得不同刚度值，以满足承载平台200对不同行程和负载能力的需要。

在本实施例中，设计四个柔性支撑腿400，分别为第一柔性支撑腿、第二柔性支撑腿、第三柔性支撑腿和第四柔性支撑腿，优选地，四个柔性支撑腿400相对于承载平台200的中心轴线对称布置，即第一柔性支撑腿和第二柔性支撑腿相对于Y轴对称布置，第三柔性支撑腿和第四柔性支撑腿相对于Y轴对称布置，第一柔性支撑腿和第三柔性支撑腿相对于X轴对称布置，第二柔性支撑腿和第四柔性支撑腿相对于X轴对称布置。

需要说明的是，柔性支撑腿400的数量由承载平台的运动行程和负载能力决定。

柔性支撑腿400包括多个转动副，相邻两个转动副之间通过连接块407连接，且相邻两个转动副的方向不同。转动副包括多个第二直线段和多个第二曲线段，相邻两个第二直线段之间通过第二曲线段连接，相较于相邻两个第一直线段106之间通过直线连接形成直角的结构形式，该设计可以避免应力集中。

其中，第二曲线段的曲线形式为圆弧、抛物线、椭圆弧、双曲线、B样条曲线中的一种或多种。

同样地，多个第二曲线段的曲线形式可以相同或不同，则可以理解的是，当多个第二曲线段的曲线形式相同时，第二直线段和第二曲线段组成的转动副呈周期性的弯曲，当多个第二曲线段的曲线形式不同时，第二直线段和第二曲线段组成的柔性单元呈非周期性的弯曲。

需要说明的是，通过改变第二直线段的长度、宽度以及厚度，以及第二曲线段的形式、个数以及材料，可以获得不同刚度值，和柔性铰链100进行配合，以进一步满足承载平台200对不同行程和负载能力的需要。

进一步地，柔性支撑腿400还包括分别设置在转动副两侧的第一固定块405和第二固定块406，第一固定块405被设置为与承载平台200固定连接，第二固定块406被设置为与基座300固定连接。

在本实施例中，如图5所示，转动副为四个，采用如图2所示建立的坐标系，从承载平台200到基座300方向依次分为第一Y向转动副401、第一X向转动副402、第二Y向转动副403和第二X向转动副404，第一Y向转动副401的一侧连接第一固定块405，第一Y向转动副401的另一侧连接连接块407；第一X向转动副402的两侧分别与连接块407连接；第二Y向转动副403的两侧分别与连接块407连接；第二X向转动副404的一侧连接连接块407，第二X向转动副404的另一侧连接第二固定块406。

本发明的工作原理如下：

柔性支撑腿400的底部即第二固定块406安装在基座300的上表面，柔性支撑腿400的底部即第一固定块405安装在承载平台200的下表面，承载平台200的四个角有用于进行解耦导向的柔性铰链100。

第一X向柔性单元101、第一Y向柔性单元102、第二X向柔性单元103和第二Y向柔性单元104的纵向刚度大而横向刚度小。当承载平台200被施加一个X轴方向的作用力时，第一X向柔性单元101和第二X向柔性单元103受到纵向力作用，但是由于其纵向刚度较大，所以发生的纵向变形较小；

同时，对于第一Y向柔性单元102和第二Y向柔性单元104也受到的是横向力作用，但是由于其横向刚度较小，所以会发生较大的X方向的位移，四个柔性铰链100对称布置，保证了载物平台200只发生沿X方向的运动，实现了X向运动解耦。

基于同样的原因，承载平台200被施加一个沿Y轴方向的作用力时，载物平台200只发生沿着Y向的运动，实现了Y向运动解耦。

柔性支撑腿400的顶部安装端通过第一固定块405安转在承载平台200的下表面，柔性支撑腿400的底部安装端通过第二固定块406安装在基座300的上表面。

当承载平台200承载其他元件时，会对承载平台产生一个沿Z轴方向、竖直向下的压力，从而使得柔性铰链100发生形变，导致承载平台200向下移动；当安装柔性支撑腿400时，由于其具有较大的纵向刚度，使得安装在柔性支撑腿400上部的承载平台200获得一个向上的支持力，从而减少承载平台200的向下移动。

同时在承载平台200在作业过程中，当需要进行X轴方向上的位置调节时，承载平台200发生X方向上的位移，同时，由于柔性支撑腿400的第一X向转动副402和第二X向转动副404具有较大的横向刚度大，几乎不会产生横向位移；柔性支撑腿400的第一Y向转动副401和第二Y向转动副403横向刚度较小，所以会发生较大的X方向上的位移，从而使得柔性支撑腿400的第一固定块405可以跟随承载平台200一同发生X方向上的位移变化。基于同样的原因，柔性支撑腿400的第一固定块405可以跟随承载平台200一同发生Y方向上的位移变化。

为说明所设计的承载平台200的运动行程和承载能力，对如图1所示的平面二自由度定位平台进行有限元分析。

平面二自由度定位平台的仿真参数如下：材料为型号7075-T6铝合金，其密度为2770kg/m³，弹性模量为71Gpa，泊松比为0.33，屈服极限为503Mpa，柔性铰链100的单个柔性单元的高为1mm，宽为5mm，柔性支撑腿400的单个转动副的高为0.5mm，宽为6mm。

图6和图7是分别是平面二自由度定位平台受沿X轴方向的荷载作用时有/无柔性支撑腿的位移图，其中，沿X轴方向的作用力是60N，从图中可以看出，平面二自由度定位平台的位移分别为4.45mm和8.13mm，实现了毫米级的运动范围。

图8和图9是分别是平面二自由度定位平台受沿Z轴方向的荷载作用时有/无柔性支撑腿的位移图，其中，沿Z轴方向的作用力是40N，从无柔性支撑腿到有支撑腿时，平面二自由度定位平台的最大位移从4.39mm降为0.047mm，平面二自由度定位平台的位移从8.13mm降至4.45mm。

综上所述，可以看出本发明所提供的平面二自由度定位平台满足大行程、大负载的任务需求。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种平面二自由度定位平台，其特征在于，包括：

基座(300)，具有至少四个立柱；

承载平台(200)，通过柔性铰链(100)设于所述基座(300)上；其中，所述柔性铰链(100)包括铰链固定板(105)和多个柔性单元，所述铰链固定板(105)和所述立柱固定连接，多个所述柔性单元首尾连接且多个所述柔性单元按照预设路径围绕所述铰链固定板(105)折弯；相邻两个所述柔性单元的方向不同；

至少一个柔性支撑腿(400)，设置在所述承载平台(200)和所述基座(300)之间；所述柔性支撑腿(400)的一侧抵接所述承载平台(200)，所述柔性支撑腿(400)的另一侧抵接所述基座(300)。

2.根据权利要求1所述的平面二自由度定位平台，其特征在于，所述柔性单元包括多个第一直线段(106)和多个第一曲线段(107)，相邻两个所述第一直线段(106)之间通过所述第一曲线段(107)连接。

3.根据权利要求2所述的平面二自由度定位平台，其特征在于，所述第一曲线段(107)的曲线形式为圆弧、抛物线、椭圆弧、双曲线、B样条曲线中的一种或多种。

4.根据权利要求2所述的平面二自由度定位平台，其特征在于，所述柔性单元为四个，分别为第一X向柔性单元(101)、第一Y向柔性单元(102)、第二X向柔性单元(103)和第二Y向柔性单元(104)，所述第一X向柔性单元(101)的一端连接所述承载平台(200)，所述第一X向柔性单元(101)的另一端连接所述第一Y向柔性单元(102)；所述第一Y向柔性单元(102)的两侧分别与所述第一X向柔性单元(101)和所述第二X向柔性单元(103)呈曲线过渡连接；所述第二Y向柔性单元(104)的一端连接所述第二X向柔性单元(103)，所述第二Y向柔性单元(104)的另一端连接所述铰链固定板(105)。

5.根据权利要求1所述的平面二自由度定位平台，其特征在于，所述柔性支撑腿(400)包括多个转动副，相邻两个所述转动副之间通过连接块(407)连接，且相邻两个所述转动副的方向不同。

6.根据权利要求5所述的平面二自由度定位平台，其特征在于，所述转动副包括多个第二直线段和多个第二曲线段，相邻两个所述第二直线段之间通过所述第二曲线段连接。

7.根据权利要求6所述的平面二自由度定位平台，其特征在于，所述第二曲线段的曲线形式为圆弧、抛物线、椭圆弧、双曲线、B样条曲线中的一种或多种。

8.根据权利要求5所述的平面二自由度定位平台，其特征在于，所述柔性支撑腿(400)还包括分别设置在转动副两侧的第一固定块(405)和第二固定块(406)，所述第一固定块(405)被设置为与所述承载平台(200)固定连接，所述第二固定块(406)被设置为与所述基座(300)固定连接。

9.根据权利要求8所述的平面二自由度定位平台，其特征在于，所述转动副为四个，分别为第一Y向转动副(401)、第一X向转动副(402)、第二Y向转动副(403)和第二X向转动副(404)，所述第一Y向转动副(401)的一侧连接所述第一固定块(405)，所述第一Y向转动副(401)的另一侧连接所述连接块(407)；所述第一X向转动副(402)的两侧分别与所述连接块(407)连接；所述第二Y向转动副(403)的两侧分别与所述连接块(407)连接；所述第二X向转动副(404)的一侧连接所述连接块(407)，所述第二X向转动副(404)的另一侧连接所述第二固定块(406)。

10.根据权利要求1-9中任意一项所述的平面二自由度定位平台，其特征在于，多个所述柔性铰链(100)相对于所述承载平台(200)的中心轴线对称布置。