CN209993352U - 一种高精度大行程大有效台面空间平动精密定位平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种高精度大行程大有效台面空间平动精密定位平台，其能解决现有空间平动精密定位平台运动行程小、有效台面小、结构工艺性较差且平台的耦合误差与寄生转角较大导致平台定位精度不高的问题。其包括基座、动平台、刚性框架、第一柔性支链、第二柔性支链和电磁驱动器；四个第一柔性支链呈正方形分布在动平台的四周并位于刚性框架内，第一柔性支链、动平台和刚性框架布置在XY平面；第一柔性支链包括两个板面呈纵向设置的第一柔性薄板、四个板面呈纵向设置且与第一柔性薄板垂直的第二柔性薄板、两个板面呈水平设置的第三柔性薄板；第二柔性支链设置在动平台与基座之间，包括双四杆型柔性模块、连接模块和四个四杆型柔性模块。

Description

一种高精度大行程大有效台面空间平动精密定位平台

技术领域

本实用新型涉及柔性机构领域，具体为一种高精度大行程大有效台面空间平动精密定位平台。

背景技术

随着微纳技术的发展，微纳米级精密定位平台在各行各业发挥着越来越重要的作用。精密加工与精密测量、微电子工程、生物工程、纳米科学与技术等领域的发展都离不开微纳技术的支持。为了满足微纳技术的要求，通常采用柔性机构作为精密定位平台的传动机构不同于传统刚性机构那样通过运动副和连杆连接实现运动和功能，柔性机构是利用材料的弹性变形来传递运动的新型机构，由于机构中的运动副为一体化的柔性结构，所以不存在装配误差、摩擦、磨损、间隙等影响机构寿命与精度的缺点。空间平动精密定位平台被广泛应用于原子力显微镜的三维扫描、微纳操作、先进传感等系统中，随着柔性机构构型设计理论的逐步完善，新型的空间平动精密定位平台不断涌现，目前具有大行程、高精度、结构紧凑且运动解耦等优点的新构型设计是该领域的主要研究方向。

现有的空间平动精密定位平台多是基于切口型柔性铰链的集中柔度式三支链定位平台，其主要缺点是运动行程小、有效台面小、结构工艺性较差且平台的耦合误差与寄生转角较大导致平台定位精度不高。

发明内容

针对现有空间平动精密定位平台多是基于切口型柔性铰链的集中柔度式三支链定位平台，存在运动行程小、有效台面小、结构工艺性较差且平台的耦合误差与寄生转角较大导致平台定位精度不高的技术问题，本实用新型提供了一种高精度大行程大有效台面空间平动精密定位平台，其平台运动行程较大，有效台面较大，具有良好的结构工艺性，消除了微定位平台的运动耦合，减小了寄生转角，提升了平台的定位精度。

其技术方案是这样的：一种高精度大行程大有效台面空间平动精密定位平台，其特征在于：其包括基座、动平台、刚性框架、四个第一柔性支链和一个第二柔性支链；四个所述第一柔性支链呈正方形分布在所述动平台的四周并位于所述刚性框架内，所述第一柔性支链、所述动平台和所述刚性框架共同布置在XY平面内；所述第一柔性支链包括两个板面呈纵向设置的第一柔性薄板、四个板面呈纵向设置且与所述第一柔性薄板垂直的第二柔性薄板以及两个板面呈水平设置的第三柔性薄板；两个所述第一柔性薄板的一端通过刚性连接件一连接，另一端通过刚性连接件二连接；四个所述第二柔性薄板两两一组对称设置在所述第一柔性薄板的左右两侧，且其一端与所述刚性连接件一固接，另一端与所述刚性框架固接，所述刚性框架与所述基座固接；两个所述第三柔性薄板对称设置在所述第一柔性薄板的上下两侧，且其一端与所述刚性连接件二固接，另一端与所述动平台固接；所述刚性框架内还分别固定有X向电磁驱动器和Y向电磁驱动器，所述X向电磁驱动器和Y向电磁驱动器的驱动端分别与相邻的两个所述刚性连接件一连接；所述第二柔性支链设置在所述动平台与所述基座之间，所述第二柔性支链包括双四杆型柔性模块、连接模块和四个四杆型柔性模块，四个所述四杆型柔性模块呈矩形分布在所述连接模块的四周，所述四杆型柔性模块中的四个第一柔性杆均呈水平设置且呈矩形分布，四个所述第一柔性杆的一端通过刚性连接件三与所述基座固接，另一端通过刚性连接件四与所述连接模块固接；所述双四杆型柔性模块包括八个呈纵向设置的第二柔性杆，八个第二柔性杆的下端分别固接在呈正方形框架结构的刚性连接件五的四个拐点和四个中点位置，位于所述拐点位置的四个所述第二柔性杆的上端分别通过刚性连接件六与所述动平台固接，位于所述中点位置的四个所述第二柔性杆的上端通过刚性连接件七与所述连接模块固接；所述基座上还固定有Z向电磁驱动器，所述Z向电磁驱动器的驱动端与所述连接模块的底面固接。

其进一步特征在于：

所述基座包括呈水平设置的底板和四个呈纵向设置的支柱，四个所述支柱呈矩形分布，所述支柱的下端固接在所述底板上，所述刚性框架的边缘固接在四个所述支柱上。

所述支柱与所述底板一体制成，所述支柱的顶面上开有螺纹孔，所述刚性框架上对应所述螺纹孔开有通孔，螺钉一穿过所述通孔后旋拧在所述螺纹孔内将所述刚性框架与所述支柱固接。

所述刚性连接件一为U形连接件且其开口朝向所述动平台，所述刚性连接件二为板状连接件并设置在所述U形连接件的内侧，所述U形连接件的两端分别设有向内延伸的凸缘，两个所述第一柔性薄板平行于所述U形连接件的支臂且其一端分别与两个所述凸缘固接，另一端均与所述板状连接件固接，所述板状连接件与所述U形连接件的内侧壁之间留有供所述第一柔性薄板变形的间隙；位于所述第一柔性薄板左右两侧的所述第二柔性薄板的一端固接在所述U形连接件的支臂上；所述X向电磁驱动器和Y向电磁驱动器的驱动端分别与相邻的两个所述U形连接件的后端面连接。

所述刚性框架与所述第一柔性支链一体制成，所述第一柔性薄板、所述刚性连接件一、所述刚性连接件二以及所述第二柔性薄板一体制成。

所述动平台为矩形板状结构，所述动平台的四条边上对应所述U形连接件的开口分别设有凸块，所述凸块伸入所述U形连接件的开口并与所述U形连接件之间留有间隙，所述U形连接件的支臂前端与所述动平台之间也留有间隙；所述第三柔性薄板的宽度小于两个所述第一柔性薄板之间的距离，所述第三柔性薄板的长度方向两端分别设有凸台，位于前部的所述凸台固接在所述凸块上，位于后部的所述凸台固接在所述板状连接件上。

位于前部的所述凸台通过两个螺钉二固接在所述凸块上，位于后部的所述凸台通过两个螺钉三固接在所述板状连接件上。

所述刚性连接件三为方块形结构，所述基座的底板上还一体成型有与所述刚性连接件三一一对应的支撑块，四个所述刚性连接件三分别通过螺钉四固接在四个所述支撑块上。

所述连接模块包括方形模块和十字形模块，所述十字形模块固接在所述方形模块的顶面上；四个所述四杆型柔性模块呈矩形分布在所述方形模块的四周，所述刚性连接件四为方形板状结构并通过螺钉固接在所述方形模块的侧面上；所述十字形模块伸入所述双四杆型柔性模块的内部，所述刚性连接件七为十字形板状结构且其中心与所述十字形模块的顶面中心通过螺钉固接；所述刚性连接件六为方块形结构并与所述刚性连接件七呈米字型排列，所述刚性连接件六与所述刚性连接件七之间留有间隙，所述刚性连接件六通过螺钉固接在所述动平台的底面上，所述刚性连接件六的顶面高于所述刚性连接件七的顶面。

四个所述第一柔性杆、所述刚性连接件三和所述刚性连接件四一体制成；八个所述第二柔性杆、所述刚性连接件五、所述刚性连接件六和所述刚性连接件七一体制成。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型的空间平动精密定位平台共有五个柔性支链，第一柔性支链形成基于柔性薄板的分布柔度式结构，第二柔性支链形成基于柔性杆的分布柔度式结构，使得材料的变形能力较强，平台的运动行程较大；四个第一柔性支链呈正方形分布在XY平面内，第二柔性支链设置在Z轴方向，XY平面内的四个第一柔性支链能消除平台沿X（Y）方向运动时在Y（X）方向的耦合位移及平台沿Z方向运动时在X、Y方向的耦合位移并减小平台的寄生转角，第二柔性支链能消除平台沿X、Y方向运动时在Z方向的耦合位移；同时，由于第一柔性支链上的第三柔性薄板对称设置在第一柔性薄板的上下两侧，从而大幅缩短了第一柔性支链的轴向长度，不仅保证了平台的结构紧凑，而且在同等平台面积下能够增大动平台的有效台面面积，从而使本实用新型的空间平动精密定位平台运动行程较大，有效台面较大，具有良好的结构工艺性，加工制造的可行性和经济性较高，并且消除了微定位平台的运动耦合，减小了寄生转角，提升了平台的定位精度。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为基座的整体结构示意图；

图3为刚性框架、第一柔性支链和动平台的连接关系示意图；

图4为刚性框架、第一柔性支链和动平台的沿图1中A方向的视图；

图5为第二柔性支链的爆炸视图。

附图标记：

1-基座；11-底板；12-支柱；13-螺纹孔一；14-支撑块；15-螺钉四；

2-动平台；21-凸块；22-螺纹孔二；

3-刚性框架；31-通孔；32-螺钉一；

4-第一柔性支链；41-第一柔性薄板；42-第二柔性薄板；43-第三柔性薄板；431-凸台；432-螺钉二；433-螺钉三；44-刚性连接件一；441-凸缘；45-刚性连接件二；

5-第二柔性支链；51-双四杆型柔性模块；511-第二柔性杆；512-刚性连接件五；513-刚性连接件六；514-刚性连接件七；521-方形模块；522-十字形模块；53-四杆型柔性模块；531-第一柔性杆；532-刚性连接件三；533-刚性连接件四；

6- X向电磁驱动器；

7-Y向电磁驱动器；

8- Z向电磁驱动器。

具体实施方式

见图1至图5，本实用新型的一种高精度大行程大有效台面空间平动精密定位平台，其包括基座1、动平台2、刚性框架3、四个第一柔性支链4和一个第二柔性支链5；基座1包括呈水平设置的底板11和四个呈纵向设置的支柱12，四个支柱12呈矩形分布，支柱12的下端固接在底板11上并与底板11一体成型；四个第一柔性支链4呈正方形分布在动平台2的四周并位于刚性框架3内，第一柔性支链4、动平台2和刚性框架3共同布置在XY平面内；第一柔性支链4包括两个板面呈纵向设置的第一柔性薄板41、四个板面呈纵向设置且与第一柔性薄板41垂直的第二柔性薄板42以及两个板面呈水平设置的第三柔性薄板43；两个第一柔性薄板41的一端通过刚性连接件一44连接，另一端通过刚性连接件二45连接，第一柔性薄板41、刚性连接件一44和刚性连接件二45组成第一柔性支链4的第一被动副；四个第二柔性薄板42两两一组对称设置在第一柔性薄板41的左右两侧，且其一端与刚性连接件一44固接，另一端与刚性框架3固接，刚性框架3的边缘固接在四个支柱12上，四个第二柔性薄板42组成第一柔性支链4的主动副；两个第三柔性薄板43对称设置在第一柔性薄板41的上下两侧，且其一端与刚性连接件二45固接，另一端与动平台2固接，两个第三柔性薄板43组成第一柔性支链4的第二被动副；刚性框架3内还分别固定有X向电磁驱动器6和Y向电磁驱动器7，X向电磁驱动器6和Y向电磁驱动器7的驱动端分别与相邻的两个刚性连接件一44连接，用于向第一柔性支链4输入X方向位移和Y方向位移；第二柔性支链5设置在动平台2与基座1之间，第二柔性支链5包括双四杆型柔性模块51、连接模块和四个四杆型柔性模块53，四个四杆型柔性模块53呈矩形分布在连接模块的四周，四杆型柔性模块53中的四个第一柔性杆531均呈水平设置且呈矩形分布，四个第一柔性杆531的一端通过刚性连接件三532与基座1固接，另一端通过刚性连接件四533与连接模块固接，四个四杆型柔性模块53构成第二柔性支链5的主动副；双四杆型柔性模块51包括八个呈纵向设置的第二柔性杆511，八个第二柔性杆511的下端分别固接在呈正方形框架结构的刚性连接件五512的四个拐点和四个中点位置，位于拐点位置的四个第二柔性杆511的上端分别通过刚性连接件六513与动平台2固接，位于中点位置的四个第二柔性杆511的上端通过刚性连接件七514与连接模块固接，双四杆型柔性模块51构成第二柔性支链5的被动副；基座1上还固定有Z向电磁驱动器8，Z向电磁驱动器8的驱动端与连接模块的底面固接。三个电磁驱动器（X向电磁驱动器6、Y向电磁驱动器7、Z向电磁驱动器8）分别控制机构在空间中三个方向的平移运动，各运动之间相互独立，无运动耦合。

见图1至图3，支柱12的顶面上开有螺纹孔一13，刚性框架3上对应螺纹孔一13开有通孔31，螺钉一32穿过通孔31后旋拧在螺纹孔一13内将刚性框架3与支柱12固接。如此设计，便于组装。

见图1和图3，刚性连接件一44为U形连接件且其开口朝向动平台2，刚性连接件二45为板状连接件并设置在U形连接件的内侧，U形连接件的两端分别设有向内延伸的凸缘441，两个第一柔性薄板41平行于U形连接件的支臂且其一端分别与两个凸缘441固接，另一端均与板状连接件固接，板状连接件与U形连接件的内侧壁之间留有供第一柔性薄板41变形的间隙；位于第一柔性薄板41左右两侧的第二柔性薄板42的一端固接在U形连接件的支臂上；X向电磁驱动器6和Y向电磁驱动器7的驱动端分别与相邻的两个U形连接件的后端面连接。如此设计，结构紧凑，且便于加工制造。

见图1和图3，动平台2为矩形板状结构，动平台2的四条边上对应U形连接件的开口分别设有凸块21，凸块21伸入U形连接件的开口并与U形连接件之间留有间隙，U形连接件的支臂前端与动平台2之间也留有间隙；第三柔性薄板43的宽度小于两个第一柔性薄板41之间的距离，第三柔性薄板43的长度方向两端分别设有凸台431，凸台431上开有两个沉头孔，凸块21和板状连接件的上下表面上分别钻有与沉头孔对应的螺纹孔二22，位于前部的凸台431通过两个螺钉二432固接在凸块21上，位于后部的凸台431通过两个螺钉三433固接在板状连接件上。如此设计，便于第三柔性薄板的组装，结构紧凑。

见图1、图2和图5，刚性连接件三532为方块形结构，基座1的底板11上还一体成型有与刚性连接件三532一一对应的支撑块14，四个刚性连接件三532分别通过螺钉四15固接在四个支撑块14上。如此设计，支撑块可将第二柔性支链撑起，为第一柔性杆的变形留出空间，同时也为Z向电磁驱动器留出了安装空间，结构紧凑合理。

见图5，连接模块包括方形模块521和十字形模块522，十字形模块522固接在方形模块521的顶面上；四个四杆型柔性模块53呈矩形分布在方形模块521的四周，刚性连接件四533为方形板状结构并通过螺钉固接在方形模块521的四个侧面上；十字形模块522伸入双四杆型柔性模块51的内部，刚性连接件七514为十字形板状结构且其中心与十字形模块522的顶面中心通过螺钉固接；刚性连接件六513为方块形结构并与刚性连接件七514呈米字型排列，刚性连接件六513与刚性连接件七514之间留有间隙，刚性连接件六513通过螺钉固接在动平台2的底面上，刚性连接件六513的顶面高于刚性连接件七514的顶面。如此设计，便于第二柔性支链的组装，结构紧凑合理。

刚性框架3与第一柔性支链4一体制成，第一柔性薄板41、刚性连接件一44、刚性连接件二45以及第二柔性薄板42一体制成；四个第一柔性杆531、刚性连接件三532和刚性连接件四533一体制成；八个第二柔性杆511、刚性连接件五512、刚性连接件六513和刚性连接件七514一体制成。如此设计，不存在装配误差，可提高机构的精度和使用寿命。

Claims (10)

1.一种高精度大行程大有效台面空间平动精密定位平台，其特征在于：其包括基座、动平台、刚性框架、四个第一柔性支链和一个第二柔性支链；四个所述第一柔性支链呈正方形分布在所述动平台的四周并位于所述刚性框架内，所述第一柔性支链、所述动平台和所述刚性框架共同布置在XY平面内；所述第一柔性支链包括两个板面呈纵向设置的第一柔性薄板、四个板面呈纵向设置且与所述第一柔性薄板垂直的第二柔性薄板以及两个板面呈水平设置的第三柔性薄板；两个所述第一柔性薄板的一端通过刚性连接件一连接，另一端通过刚性连接件二连接；四个所述第二柔性薄板两两一组对称设置在所述第一柔性薄板的左右两侧，且其一端与所述刚性连接件一固接，另一端与所述刚性框架固接，所述刚性框架与所述基座固接；两个所述第三柔性薄板对称设置在所述第一柔性薄板的上下两侧，且其一端与所述刚性连接件二固接，另一端与所述动平台固接；所述刚性框架内还分别固定有X向电磁驱动器和Y向电磁驱动器，所述X向电磁驱动器和Y向电磁驱动器的驱动端分别与相邻的两个所述刚性连接件一连接；所述第二柔性支链设置在所述动平台与所述基座之间，所述第二柔性支链包括双四杆型柔性模块、连接模块和四个四杆型柔性模块，四个所述四杆型柔性模块呈矩形分布在所述连接模块的四周，所述四杆型柔性模块中的四个第一柔性杆均呈水平设置且呈矩形分布，四个所述第一柔性杆的一端通过刚性连接件三与所述基座固接，另一端通过刚性连接件四与所述连接模块固接；所述双四杆型柔性模块包括八个呈纵向设置的第二柔性杆，八个第二柔性杆的下端分别固接在呈正方形框架结构的刚性连接件五的四个拐点和四个中点位置，位于所述拐点位置的四个所述第二柔性杆的上端分别通过刚性连接件六与所述动平台固接，位于所述中点位置的四个所述第二柔性杆的上端通过刚性连接件七与所述连接模块固接；所述基座上还固定有Z向电磁驱动器，所述Z向电磁驱动器的驱动端与所述连接模块的底面固接。

2.根据权利要求1所述的一种高精度大行程大有效台面空间平动精密定位平台，其特征在于：所述基座包括呈水平设置的底板和四个呈纵向设置的支柱，四个所述支柱呈矩形分布，所述支柱的下端固接在所述底板上，所述刚性框架的边缘固接在四个所述支柱上。

3.根据权利要求2所述的一种高精度大行程大有效台面空间平动精密定位平台，其特征在于：所述支柱与所述底板一体制成，所述支柱的顶面上开有螺纹孔，所述刚性框架上对应所述螺纹孔开有通孔，螺钉一穿过所述通孔后旋拧在所述螺纹孔内将所述刚性框架与所述支柱固接。

4.根据权利要求1所述的一种高精度大行程大有效台面空间平动精密定位平台，其特征在于：所述刚性连接件一为U形连接件且其开口朝向所述动平台，所述刚性连接件二为板状连接件并设置在所述U形连接件的内侧，所述U形连接件的两端分别设有向内延伸的凸缘，两个所述第一柔性薄板平行于所述U形连接件的支臂且其一端分别与两个所述凸缘固接，另一端均与所述板状连接件固接，所述板状连接件与所述U形连接件的内侧壁之间留有供所述第一柔性薄板变形的间隙；位于所述第一柔性薄板左右两侧的所述第二柔性薄板的一端固接在所述U形连接件的支臂上；所述X向电磁驱动器和Y向电磁驱动器的驱动端分别与相邻的两个所述U形连接件的后端面连接。

5.根据权利要求4所述的一种高精度大行程大有效台面空间平动精密定位平台，其特征在于：所述刚性框架与所述第一柔性支链一体制成，所述第一柔性薄板、所述刚性连接件一、所述刚性连接件二以及所述第二柔性薄板一体制成。

6.根据权利要求4所述的一种高精度大行程大有效台面空间平动精密定位平台，其特征在于：所述动平台为矩形板状结构，所述动平台的四条边上对应所述U形连接件的开口分别设有凸块，所述凸块伸入所述U形连接件的开口并与所述U形连接件之间留有间隙，所述U形连接件的支臂前端与所述动平台之间也留有间隙；所述第三柔性薄板的宽度小于两个所述第一柔性薄板之间的距离，所述第三柔性薄板的长度方向两端分别设有凸台，位于前部的所述凸台固接在所述凸块上，位于后部的所述凸台固接在所述板状连接件上。

7.根据权利要求6所述的一种高精度大行程大有效台面空间平动精密定位平台，其特征在于：位于前部的所述凸台通过两个螺钉二固接在所述凸块上，位于后部的所述凸台通过两个螺钉三固接在所述板状连接件上。

8.根据权利要求2所述的一种高精度大行程大有效台面空间平动精密定位平台，其特征在于：所述刚性连接件三为方块形结构，所述基座的底板上还一体成型有与所述刚性连接件三一一对应的支撑块，四个所述刚性连接件三分别通过螺钉四固接在四个所述支撑块上。

9.根据权利要求1所述的一种高精度大行程大有效台面空间平动精密定位平台，其特征在于：所述连接模块包括方形模块和十字形模块，所述十字形模块固接在所述方形模块的顶面上；四个所述四杆型柔性模块呈矩形分布在所述方形模块的四周，所述刚性连接件四为方形板状结构并通过螺钉固接在所述方形模块的侧面上；所述十字形模块伸入所述双四杆型柔性模块的内部，所述刚性连接件七为十字形板状结构且其中心与所述十字形模块的顶面中心通过螺钉固接；所述刚性连接件六为方块形结构并与所述刚性连接件七呈米字型排列，所述刚性连接件六与所述刚性连接件七之间留有间隙，所述刚性连接件六通过螺钉固接在所述动平台的底面上，所述刚性连接件六的顶面高于所述刚性连接件七的顶面。

10.根据权利要求1所述的一种高精度大行程大有效台面空间平动精密定位平台，其特征在于：四个所述第一柔性杆、所述刚性连接件三和所述刚性连接件四一体制成；八个所述第二柔性杆、所述刚性连接件五、所述刚性连接件六和所述刚性连接件七一体制成。

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