CN205211424U - 柔性铰链导向的二维纳米位移台 - Google Patents

Abstract

一种柔性铰链导向的二维纳米位移台，包括外层固定框架、中层嵌套移动框架、内层嵌套移动框架、移动平台和柔性铰链，其特征在于，在所述的外层固定框架与中层嵌套移动框架的至少一个横向边的中部之间装有一个X轴预紧装置，在所述的中层嵌套移动框架与内层嵌套移动框架的至少一个纵向边之间装有两个Y轴预紧装置；所述的轴压电陶瓷驱动器和轴压电陶瓷驱动器分别安装在一固定套筒内，分别组成X轴PZT套筒装置和Y轴PZT套筒装置。本实用新型具有压电陶瓷驱动器和预紧结构双重调节机制来调节位移台的行程以及耦合位移的优点。

Description

柔性铰链导向的二维纳米位移台

技术领域

本实用新型涉及一种基于柔性铰链的叠加式设计的具有纳米分辨率的二维运动台，主要适用于高精度运动、超精密加工以及精密的位移测量技术领域。

背景技术

柔性导轨结构具有分辨率高，结构小，无需装配等优点，所以其成为纳米位移平台的重要组成部分，常用的柔性导向结构有平行四杆结构、杠杆结构、桥式结构和叠加支链结构。由于压电陶瓷棒具有体积小、分辨率高、响应速度快、产生的推力大、能耗低、不受磁场干扰和没有磨损等优点，所以在各种纳米位移系统中，压电陶瓷驱动器都作为最佳驱动力的选择，同时压电陶瓷驱动器与柔性铰链配合使用成为纳米位移系统的首选组合。现有技术的几种柔性导向结构有下面的特点：

平行四连杆结构：平行四杆结构在推力的方向上产生一维位移，并能产生较大的输出位移；复合平行四连杆按对称的结构设计，作用力驱使一个方向运动时，柔性铰链产生转动和拉伸两种变形，上下对称的铰链可产生等量的转角，在应力作用下只产生直线运动。

杠杆结构：杠杆机构最大的特点是能够进行位移放大，从而弥补PZT驱动器位移量较小的缺点，提供较大行程。为了使系统具有更高的力量或者位移放大倍率，可将多个杠杆放大机构连续连接，成为多层杠杆放大器。

桥式机构：桥式机构是一种巧妙的位移放大机构，适用于左右对称的结构，当桥式放大机构的左右两边各固定一个PZT时，可得到较高的机械效益，此结构最大的特点是可以提供平台较大的输入力给予抵抗力较高的刚性结构，同时具有较高的谐振频率，并可使平台的输出位移保持线性，得到直线度较佳的输出位移，减少角度旋转耦合。

叠加支链机构：叠加支链集合了几种导向机构的特点，位移特性较好，有位移放大的功能，同时打破了位移放大和应力集中较大的矛盾，应力大小是同等位移下复合平行四杆机构的一半，工作时只有转动而没有拉伸引起的应力，是一种低集中应力的放大机构。

平行四连杆结构运动过程中存在明显的耦合位移，会降低运动精度；复合平行四连杆缺点是在同样的作用力下输出的位移较小，集中应力较大，连杆应力状态复杂，降低机构运动寿命。杠杆结构其输出端的路径呈现略微的弧形，所以会有一定的旋转耦合。桥式机构一般要求机械结构对称，并且桥式放大机构的左右两边各有驱动力时，可得到较高的机械效益。

发明内容

本实用新型目的是提供一种柔性铰链导向的二维纳米位移台，以解决现有技术由于存在耦合位移和位移平台运动过程中的偏摆而降低测量精度的问题。

本实用新型的技术方案是：一种柔性铰链导向的二维纳米位移台，包括外层固定框架、中层嵌套移动框架、内层嵌套移动框架、移动平台和柔性铰链，中层嵌套移动框架安装在外层固定框架内，内层嵌套移动框架设在中层嵌套移动框架内，在内层嵌套移动框架内固定移动平台；在外层固定框架与中层嵌套移动框架之间、以及中层嵌套移动框架与内层嵌套移动框架之间都是通过在其运动方向上对称分布的四个叠加的柔性铰链连接；在所述的外层固定框架的横向边上装有用于驱动中层嵌套移动框架沿X轴移动的X轴压电陶瓷驱动器；在所述的中层嵌套移动框架的纵向边上装有用于驱动内层嵌套移动框架沿Y轴移动的Y轴压电陶瓷驱动器，其特征在于，在所述的外层固定框架1与中层嵌套移动框架的至少一个横向边的中部之间装有一个X轴预紧装置，在所述的中层嵌套移动框架与内层嵌套移动框架的至少一个纵向边之间装有两个Y轴预紧装置；所述的X轴压电陶瓷驱动器和Y轴压电陶瓷驱动器分别安装在一固定套筒内，分别组成X轴PZT套筒装置和Y轴PZT套筒装置。

所述的X轴预紧装置和Y轴预紧装置的结构相同，均由导杆、预紧块和碟片弹簧组成，预紧块为圆柱体，在其轴心设有滑孔，导杆的一端滑动插入预紧块的滑孔内，导杆的另一端设有螺纹，在该导杆的螺纹端与预紧块之间套装碟片弹簧；所述的X轴预紧装置的预紧块通过外螺纹连接在外层嵌套移动框架上；导杆的螺纹端连接在中层嵌套移动框架的对应边的外侧；所述的Y轴预紧装置的预紧块通过外螺纹连接在中层嵌套移动框架的纵向边上，导杆的螺纹端连接在内层嵌套移动框架的对应边的外侧；所述的X轴预紧装置和Y轴预紧装置的两端的连接对象能互换。

所述的PZT固定套筒装置包括圆头推力螺钉、高硬度顶块、PZT驱动器、套筒、导向块、套筒盖、调节螺钉和锁紧螺母，PZT驱动器设在套筒内，在PZT驱动器的前端设有高硬度顶块，在该高硬度顶块的前端设有圆头推力螺钉，在PZT驱动器的后端设有导向块，在套筒的后端设有套筒盖，在套筒盖的中心设有螺孔并安装调节螺钉，调节螺钉穿入套筒盖的内侧并与导向块后端中心的凹槽相抵，调节螺钉的后端安装锁紧螺母。

所述的X轴PZT套筒装置设有一套，设在所述的外层固定框架的横向边的中部；所述的Y轴PZT套筒装置设有两套，以中点对称地设在所述的外层固定框架的纵向边上。

所述的X轴预紧装置与X轴PZT套筒装置同轴向设置；所述的Y轴预紧装置与所述的Y轴PZT套筒装置同轴向设置。

所述的叠加的柔性铰链采用两个相同的直圆型柔性铰链重叠连接。

本实用新型的优点是：位移平台通过多层柔性铰链连接外层固定框架、中层嵌套移动框架和内层移动嵌套框架，通过柔性铰链的微型形变，可以减小耦合位移和位移平台运动过程中的偏摆，同时在压电陶瓷驱动结构的运动轴线上设计了一种具有缓冲和调节位移台行程的预紧结构，这样位移平台具有压电陶瓷驱动器和预紧结构双重调节机制来调节位移台的行程以及耦合位移。

本实用新型采用叠加柔性铰链结构，使得二维纳米位移台可以一体式加工完成，降低加工难度；同时X轴和Y轴可以实现二维正交运动，减小运动过程中的相互耦合。PZT套筒和预紧装置的运动轴线重合的设计不仅可以调节位移台的行程，还可以避免位移台运动过程中的角摆。Y轴的双压电陶瓷驱动器设计可以实现对XY平面的摆动的补偿。

附图说明

图1是本实用新型的总体结构俯视示意图；

图2是本实用新型的侧面视图（图1的仰视图）；

图3是本实用新型采用的叠加的柔性铰链的结构示意图；

图4是本实用新型的预紧装置的外形结构示意图；

图5是图4的轴向剖视图；

图6是本实用新型的PZT套筒装置的外形结构示意图；

图7是图6的轴向剖视图。

具体实施方式

参见图1～图7，本实用新型一种柔性铰链导向的二维纳米位移台，包括外层固定框架1、中层嵌套移动框架2、内层嵌套移动框架3、移动平台8和柔性铰链，中层嵌套移动框架2安装在外层固定框架1内，内层嵌套移动框架3设在中层嵌套移动框架2内，在内层嵌套移动框架3内固定移动平台8；在外层固定框架1与中层嵌套移动框架2之间、以及中层嵌套移动框架2与内层嵌套移动框架3之间都是通过在其运动方向上对称分布的四个叠加的柔性铰链9连接；在所述的外层固定框架1的横向边上装有用于驱动中层嵌套移动框架2沿X轴移动的X轴压电陶瓷驱动器；在所述的中层嵌套移动框架2的纵向边上装有用于驱动内层嵌套移动框架3沿Y轴移动的Y轴压电陶瓷驱动器，其特征在于，在所述的外层固定框架1与中层嵌套移动框架2的至少一个横向边的中部之间装有一个X轴预紧装置7，在所述的中层嵌套移动框架2与内层嵌套移动框架3的至少一个纵向边之间装有两个Y轴预紧装置6；所述的X轴压电陶瓷驱动器和Y轴压电陶瓷驱动器分别安装在一固定套筒内，分别组成X轴PZT套筒装置4和Y轴PZT套筒装置5。

四个叠加的柔性铰链9的一个实施例如图3所示，两个常规的相同的直

圆型柔性铰链上下相互对称平行叠加连接。上面的柔性铰链的上边与外层固定框架1连接，下面的柔性铰链的下边与中层嵌套移动框架2连接。中层嵌套移动框架2与内层嵌套移动框架3的连接方式相同。

所述的X轴预紧装置7和Y轴预紧装置6的结构相同，均由导杆63、预紧块61和碟片弹簧62组成，预紧块61为圆柱体，在其轴心设有滑孔，导杆63的一端滑动插入预紧块61的滑孔内，导杆63的另一端设有螺纹，在该导杆63的螺纹端与预紧块61之间套装碟片弹簧62；所述的X轴预紧装置7的预紧块61通过外螺纹64连接在外层嵌套移动框架1上；导杆63的螺纹端连接在中层嵌套移动框架2的对应边的外侧；所述的Y轴预紧装置6的预紧块61通过外螺纹64连接在中层嵌套移动框架2的纵向边上，导杆63的螺纹端连接在内层嵌套移动框架3的对应边的外侧；所述的X轴预紧装置7和Y轴预紧装置6的两端的连接对象可以互换。

所述的PZT固定套筒装置包括圆头推力螺钉51、高硬度顶块52、PZT驱动器53、套筒54、导向块55、套筒盖56、调节螺钉57和锁紧螺母58，PZT驱动器53设在套筒54内，在PZT驱动器53的前端设有高硬度顶块52，在该高硬度顶块52的前端设有圆头推力螺钉51，在PZT驱动器53的后端设有导向块55，在套筒54的后端设有套筒盖56，在套筒盖56的中心设有螺孔并安装调节螺钉57，调节螺钉57穿入套筒盖56的内侧并与导向块55后端中心的凹槽相抵，调节螺钉57的后端安装锁紧螺母58。

所述的X轴PZT套筒装置4设有一套，设在所述的外层固定框架1的横向边的中部；所述的Y轴PZT套筒装置5设有两套，以中点对称地设在所述的外层固定框架1的纵向边上。

所述的X轴预紧装置7与X轴PZT套筒装置4同轴向设置；所述的Y轴预紧装置6与所述的Y轴PZT套筒装置5同轴向设置。

本实用新型的外层固定框架1和中层嵌套移动框架2具有相同的高度，内层嵌套移动框架3比外层固定框架1和中层嵌套移动框架2高出1mm。各个框架之间的铰链的形状和技术要求都相同，这样在纳米位移台运动过程可以避免因机械结构不同造成的误差，同时降低加工难度。预紧装置和PZT套筒装置联合控制X轴向的行程；Y轴的两个PZT套筒装置通过螺丝固定在中层嵌套移动框架2上。在Y轴的方向设置两个PZT套筒装置和预紧装置，可联合控制Y轴向的行程和方便修正Y轴运动过程中的角摆。

本实用新型的预紧装置6和7通过转动预紧块61上外螺纹64的行程可以挤压碟片弹簧62以达到相应嵌套移动框架位移行程的作用。同时通过调节X轴PZT套筒装置4和Y轴PZT套筒装置5的调节螺钉57挤压导向块55，使得PZT驱动器53挤压圆头推力螺钉51，同样可以调节位移台相应嵌套移动框架位移行程的作用。预紧装置不仅可以和PZT套筒装置配合调节位移台不同嵌套移动框架的位移行程，还可以保护叠加的柔性铰链结构，避免铰链形变过大导致的不可恢复性的损伤。

由于压电陶瓷驱动器是一个娇贵的小体积元件，在使用和操作过程中要格外保护。针对所选型号的PZT驱动器比较脆弱，不能承受剪切力和弯矩的特点，设计了PZT套筒装置如上图6和图7所示，X轴和Y轴PZT套筒装置4和5的前端分别安装在外层固定框架1和中层嵌套移动框架2上，套筒装置将PZT包在里面，首要的作用是杜绝外在机械力的影响，导向块55后端是圆锥形凹槽，有一定的导向作用，保证让调节螺钉57作用在PZT的中间的同时，配合圆头推力螺钉52，能减小剪切力和弯矩对PZT的影响。此外，考虑到纳米移动平台8是铝合金材料，硬度较小，为减小对位移性能的影响，故设计高硬度合金钢顶块52，通过高硬度顶块52使PZT推力作用到位移台上。同时调节螺钉57可以和预紧装置配合调节移动平台8的行程。X轴PZT套筒装置4内的X轴的压电陶瓷驱动器提供X向推动力，并且X轴作为测量主方向；Y轴的压电陶瓷驱动器提供Y向推动力，Y向位移起多次测量和修正偏摆的作用。在测量方向上采用一根压电陶瓷驱动器可以避免两根压电陶瓷驱动器伸长不一致产生的角摆现象；而测量方向垂直方向上采用两根压电陶瓷驱动器能够形成XY平面内的摆动补偿。

Claims (6)

1.一种柔性铰链导向的二维纳米位移台，包括外层固定框架、中层嵌套移动框架、内层嵌套移动框架、移动平台和柔性铰链，中层嵌套移动框架安装在外层固定框架内，内层嵌套移动框架设在中层嵌套移动框架内，在内层嵌套移动框架内固定移动平台；在外层固定框架与中层嵌套移动框架之间、以及中层嵌套移动框架与内层嵌套移动框架之间都是通过在其运动方向上对称分布的四个叠加的柔性铰链连接；在所述的外层固定框架的横向边上装有用于驱动中层嵌套移动框架沿X轴移动的X轴压电陶瓷驱动器；在所述的中层嵌套移动框架的纵向边上装有用于驱动内层嵌套移动框架沿Y轴移动的Y轴压电陶瓷驱动器，其特征在于，在所述的外层固定框架1与中层嵌套移动框架的至少一个横向边的中部之间装有一个X轴预紧装置，在所述的中层嵌套移动框架与内层嵌套移动框架的至少一个纵向边之间装有两个Y轴预紧装置；所述的X轴压电陶瓷驱动器和Y轴压电陶瓷驱动器分别安装在一固定套筒内，分别组成X轴PZT套筒装置和Y轴PZT套筒装置。

2.根据权利要求1所述的柔性铰链导向的二维纳米位移台，其特征在于，所述的X轴预紧装置和Y轴预紧装置的结构相同，均由导杆、预紧块和碟片弹簧组成，预紧块为圆柱体，在其轴心设有滑孔，导杆的一端滑动插入预紧块的滑孔内，导杆的另一端设有螺纹，在该导杆的螺纹端与预紧块之间套装碟片弹簧；所述的X轴预紧装置的预紧块通过外螺纹连接在外层嵌套移动框架上；导杆的螺纹端连接在中层嵌套移动框架的对应边的外侧；所述的Y轴预紧装置的预紧块通过外螺纹连接在中层嵌套移动框架的纵向边上，导杆的螺纹端连接在内层嵌套移动框架的对应边的外侧；所述的X轴预紧装置和Y轴预紧装置的两端的连接对象能互换。

3.根据权利要求1所述的柔性铰链导向的二维纳米位移台，其特征在于，所述的PZT固定套筒装置包括圆头推力螺钉、高硬度顶块、PZT驱动器、套筒、导向块、套筒盖、调节螺钉和锁紧螺母，PZT驱动器设在套筒内，在PZT驱动器的前端设有高硬度顶块，在该高硬度顶块的前端设有圆头推力螺钉，在PZT驱动器的后端设有导向块，在套筒的后端设有套筒盖，在套筒盖的中心设有螺孔并安装调节螺钉，调节螺钉穿入套筒盖的内侧并与导向块后端中心的凹槽相抵，调节螺钉的后端安装锁紧螺母。

4.根据权利要求1所述的柔性铰链导向的二维纳米位移台，其特征在于，所述的X轴PZT套筒装置设有一套，设在所述的外层固定框架的横向边的中部；所述的Y轴PZT套筒装置设有两套，以中点对称地设在所述的外层固定框架的纵向边上。

5.根据权利要求4所述的柔性铰链导向的二维纳米位移台，其特征在于，所述的X轴预紧装置与X轴PZT套筒装置同轴向设置；所述的Y轴预紧装置与所述的Y轴PZT套筒装置同轴向设置。

6.根据权利要求4所述的柔性铰链导向的二维纳米位移台，其特征在于，所述的叠加的柔性铰链采用两个相同的直圆型柔性铰链重叠连接。