CN211087931U - 一种三自由度微纳定位平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及的三自由度微纳定位平台，第一运动平台的运动组件由第一运动平台的压电陶瓷驱动其沿X轴方向移动，第二运动平台设置在第一运动平台的运动组件上且随第一运动平台的运动组件沿X轴方向移动，第二运动平台的运动组件由第二运动平台的压电陶瓷驱动其沿Y方向移动，第三运动平台设置在第二运动平台的运动组件上且随第二运动组件沿Y轴方向移动，第三运动平台的运动组件由第三运动平台的压电陶瓷驱动沿Z轴方向移动。运动平台结构简单、制作工艺简单、制造成本较低且可实现厘米级行程和微米级定位精度，得到的三自由度微纳定位平台整体结构尺寸紧凑、便于加工和装配、并且平台运动精度高、定位精度高、行程范围大、运动稳定性好。

Description

一种三自由度微纳定位平台

技术领域

本实用新型涉及一种三自由度微纳定位平台。

背景技术

目前，在精密制造、超精测量和微操纵等诸多高新科技和现代工业领域中，微纳定位技术作为一项关键技术，有着广泛的应用。精密微纳定位平台是微纳定位技术的关键部分，在光学工程、微电子制造、航空航天技术、微机械零件的装配、生物工程、扫描探针显微镜、精密光学检测等领域有着广阔的应用前景和重要的研究价值。目前大部分精密微纳运动定位平台为压电陶瓷驱动的柔性运动机构，许多运动平台采用压电陶瓷直接驱动，但受压电执行器的行程范围限制，平台的输出位移不能达到足够的工作空间要求；此外所研究的微纳定位平台主要是一维或二维的平面运动平台，不能满足复杂情况下的多自由度工作要求。具有微米级定位精度，又具有厘米级运动行程的惯性粘滑运动驱动相对于其它类跨尺度运动驱动方式，驱动原理简单、方便、控制简单，且具有运动范围大、定位精度高、结构简单和易微小化等优点，因此惯性粘滑驱动在微纳运动定位平台具有很大的应用价值。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种高定位精度、大行程、快速定位且整体结构尺寸紧凑的三自由度微纳定位平台。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种三自由度微纳定位平台，包括基座、装配于所述基座上的第一运动平台、设置在所述第一运动平台上的第二运动平台、以及设置在所述第二运动平台上的第三运动平台，所述第一运动平台、所述第二运动平台、以及所述第三运动平台均为惯性粘滑式跨尺度运动平台，所述惯性粘滑式跨尺度运动平台包括保护座、以及位于所述保护座内的运动机构，所述运动机构包括压电陶瓷、以及位于所述压电陶瓷两侧且由所述压电陶瓷驱动的运动组件和惯性组件，所述第一运动平台的运动组件由所述第一运动平台的压电陶瓷驱动其沿X轴方向移动，所述第二运动平台设置在所述第一运动平台的运动组件上且随所述第一运动平台的运动组件沿X轴方向移动，所述第二运动平台的运动组件由所述第二运动平台的压电陶瓷驱动其沿Y方向移动，所述第三运动平台设置在所述第二运动平台的运动组件上且随所述第二运动组件沿Y轴方向移动，所述第三运动平台的运动组件由所述第三运动平台的压电陶瓷驱动沿Z轴方向移动。

进一步地，所述运动组件包括运动传动部件和与所述运动传动部件相连接的运动输出部件，所述惯性组件包括惯性传动部件和与所述惯性传动部件相连接的摩擦部件，所述压电陶瓷具有相对设置的第一端和第二端，所述第一端与所述运动传动部件相接触，所述第二端与所述惯性传动部件相接触，所述运动传动部件和所述惯性传动部件通过弹性形变组件连接，所述保护座上设置有用于对所述运动输出部件进行导向的交叉滚珠导轨，所述运动输出部件与所述交叉滚珠导轨之间的摩擦力小于所述摩擦部件与所述保护座相接触产生的摩擦力。

进一步地，所述第二运动平台位于所述第一运动平台的上方且相互平行，所述第三运动平台位于所述第二运动平台的侧面且相互垂直。

进一步地，所述惯性传动部件包括梯形件和连接件，所述摩擦部件包括相对设置在所述梯形件两侧的两个弹臂，每个所述弹臂抵持所述保护座的侧壁，每个所述弹臂与所述保护座的侧壁之间的夹角大于0。

进一步地，所述弹臂与所述梯形件之间通过紧固件可拆卸连接，所述弹臂上设置有至少两个连接孔，所述弹臂通过所述紧固件穿入其中一个所述连接孔内进而安装在所述梯形件上。

进一步地，所述弹臂与所述保护座的侧壁之间设置有滚珠，所述弹臂上设置有滚珠凹槽，所述滚珠设置在所述滚珠凹槽内。

进一步地，所述连接件为位于所述弹性形变组件框架内的T形部，所述压电陶瓷的第二端与所述T形部相接触。

进一步地，所述弹性形变组件为框架结构，所述压电陶瓷设置于所述弹性形变组件的框架中。

进一步地，所述惯性传动部件、运动传动部件和弹性形变组件为一体式结构。

进一步地，所述惯性粘滑式跨尺度运动平台还包括有光栅，所述光栅位于所述运动机构的下方。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型所提供的三自由度微纳定位平台的X、Y以及Z向运动平台均为惯性粘滑式跨尺度运动平台，惯性粘滑式跨尺度运动平台结构简单、制作工艺简单、制造成本较低且可实现厘米级行程和微米级定位精度，得到的三自由度微纳定位平台整体结构尺寸紧凑、便于加工和装配、并且平台运动精度高、定位精度高、行程范围大、定位速度快、运动稳定性好。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本实用新型一实施例所示的三自由度微纳定位平台的结构示意图；

图2为驱动电压信号下的惯性粘滑驱动原理示意图；

图3为另一驱动电压信号下的惯性粘滑驱动原理示意图；

图4为图1中的惯性粘滑式跨尺度运动平台中的运动机构的结构示意图；

图5为图1中惯性粘滑式跨尺度运动平台的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的机构或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

请参见图1和图4，本实用新型一实施例所示的三自由度微纳定位平台，包括基座(未图示)、装配于基座上的第一运动平台100、设置在第一运动平台100 上的第二运动平台200、以及设置在第二运动平台200上的第三运动平台300，第一运动平台100、第二运动平台200以及第三运动平台300均为惯性粘滑式跨尺度运动平台。

惯性粘滑式跨尺度运动平台基于惯性粘滑驱动，惯性粘滑驱动可由惯性粘滑驱动系统实现厘米级运动和微米级定位，惯性粘滑驱动系统由压电陶瓷、运动组件和惯性组件组成，请参见图2，左侧为驱动电压信号，右侧为相应的惯性粘滑驱动系统在驱动信号下的运动情况。施加在惯性粘滑驱动系统的驱动信号为周期性信号，在运动初期，驱动电压迅速增加，压电陶瓷快速伸长，从而使运动组件和惯性组件在相反的方向产生不同的微位移，惯性组件运动的微位移量为X；当电压达到一定值后，电压缓慢下降，压电陶瓷逐渐缩短，惯性组件在摩擦力的作用下保持原位，运动组件向着惯性组件的方向运动。就这样，在一个驱动周期内，惯性组件相对原始位置发生了X的位移。对压电陶瓷持续施加这种电压驱动信号，便可实现惯性粘滑驱动系统的运动，这就是惯性粘滑驱动原理。诚然，请参见图3，施加在惯性粘滑驱动系统的驱动信号还可以为在初期驱动电压信号缓慢上升，压电陶瓷缓慢伸长，带动惯性组件缓慢向远离运动组件方向运动，由于产生的惯性冲击力较小，不足以克服运动组件与运动组件所在基底之间的摩擦力，此时，运动组件保持在初始位置，当电压达到一定值后，驱动电压快速下降，压电陶瓷快速回复原状，带动惯性组件快速向靠近运动组件方向运动，此时，产生较大的惯性冲击力，使得运动组件克服摩擦力靠近惯性组件方向运动位移X，就这样，在一个驱动周期内，惯性组件相对原始位置发生了X的位移。由于压电陶瓷的伸缩量很小，因此惯性粘滑驱动系统最小可获得几微米的步长，而且步长随着驱动电压连续可调。施加在惯性粘滑驱动系统的两种驱动信号都可以实现惯性粘滑驱动系统的惯性粘滑驱动，本实施例中，以驱动电压先迅速增加，再缓慢下降的驱动电压信号为例进行说明。

请参见图4和图5，惯性粘滑式跨尺度运动平台包括保护座7、位于保护座 7内的运动机构和位于运动机构下方的光栅8，运动机构包括压电陶瓷1、以及位于压电陶瓷1两侧且由压电陶瓷1驱动的运动组件和惯性组件。运动组件包括运动传动部件4和与运动传动部件4相连接的运动输出部件5，其中，运动传动部件4与运动输出部件5可拆卸连接。惯性组件包括惯性传动部件2和与惯性传动部件2相连接的摩擦部件3，压电陶瓷1具有相对设置的第一端和第二端，第一端与运动传动部件4相接触，第二端与惯性传动部件2相接触。运动传动部件4和惯性传动部件2通过弹性形变组件6连接，保护座7上设置有用于对运动输出部件5进行导向的交叉滚珠导轨(图示未示出)，运动输出部件5与交叉滚珠导轨之间的摩擦力小于摩擦部件3与保护座7相接触产生的摩擦力。

惯性传动部件2包括梯形件21和连接件22，摩擦部件3为相对设置在梯形件21两侧的两个弹臂，每个弹臂抵持保护座7的侧壁，每个弹臂与保护座7的侧壁之间的夹角大于0。弹臂与保护座7的侧壁相接触产生的摩擦力为线摩擦力，有助于弹臂与保护座7的侧壁之间产生合适的摩擦力。

弹臂与梯形件21之间通过紧固件9可拆卸连接，弹臂上设置有至少两个连接孔(未图示)，本实施例中，弹臂上设置的连接孔为四个，弹臂通过紧固件9 穿入其中一个连接孔内进而安装在梯形件21上，至少两个连接孔的设置，可根据实际情况，对弹臂的位置进行调节，以此改变惯性粘滑驱动平台的摩擦力。

弹臂与保护座7的侧壁之间设置有滚珠(未图示)，弹臂上设置有滚珠凹槽 (未图示)，滚珠设置在滚珠凹槽内。滚珠可以为氧化锆陶瓷球，氧化锆陶瓷球由于硬度大和耐磨性极好作为弹臂与保护座7的侧壁之间的摩擦体，提高了的惯性粘滑驱动平台使用寿命。

弹性形变组件6为框架结构，压电陶瓷1设置于弹性形变组件6的框架中，使惯性粘滑式跨尺度运动平台的结构更为简单。

连接件22为位于弹性形变组件6框架内的T形部22，压电陶瓷1的第二端与T形部22相接触，以对压电陶瓷1进行限位，使惯性传动部件2受力均匀。

惯性传动部件2、运动传动部件4和弹性形变组件6为一体式结构，需要指出的是，惯性传动部件2、运动传动部件4和弹性形变组件6可以是分别加工生产后进行装配。

为了实现惯性粘滑驱动平台实现微米级定位，位于运动机构下方的光栅8 为集成光栅式位移传感器8。光栅式位移传感器8的读数头固定在保护座7上，在保护座7设置有一个托架(未图示)，光栅尺(未图示)粘贴在托架上，光栅尺托架粘贴在惯性传动部件2、运动传动部件4和弹性形变组件6与交叉滚子导轨连接的下侧，光栅尺托架的运动将与交叉滚子导轨的运动保持一致。光栅式位移传感器8测量范围大，精度高，体积小，是目前在精密定位平台的最常用的反馈设备。该光栅式位移传感器8的外形尺寸仅为13×11.4×3.7mm³，光栅尺行程为30mm，分辨率为5nm，输出信号为数字A quad B，最大速度为4m/s，传输速率为20MS/s，满足惯性粘滑驱动平台的需求。

惯性粘滑式跨尺度运动平台具体运动时，当对压电陶瓷1施加一快速增大的电压时，压电陶瓷1快速伸长，从而使运动传动部件4和惯性传动部件2在相反的方向产生微位移，进而使运动组件和惯性组件在相反的方向产生微位移，且使弹性形变组件6发生形变，当电压达到一定值后，电压缓慢下降，压电陶瓷1逐渐缩短，在弹性形变组件6恢复其形变的作用力下，由于摩擦部件3与保护座7相接触产生的摩擦力大于运动输出部件5与保护座7上设置的交叉滚珠导轨之间的摩擦力，运动组件向着惯性组件的方向发生运动，当电压降到最低值后，完成了一个周期的运动，重复上述运动，可使运动机构实现一定的微位移量。

将本实施例上述所示的惯性粘滑式跨尺度运动平台作为第一运动平台100、第二运动平台200以及第三运动平台300，本实用新型以第一运动平台100作为 Y向运动平台100、第二运动平台200作为向X运动平台200、第三运动平台 300作为Z向运动平台300。第一运动平台100的运动组件由第一运动平台100 的压电陶瓷驱动其沿X轴方向移动，第二运动平台200设置在第一运动平台100 的运动组件上且随第一运动平台100的运动组件沿X轴方向移动，第二运动平台200的运动组件由第二运动平台的压电陶瓷驱动其沿Y方向移动，第三运动平台300设置在第二运动平台200的运动组件上且随第二运动组件沿Y轴方向移动，第三运动平台300的运动组件由第三运动平台300的压电陶瓷驱动沿Z 轴方向移动。第二运动平台200位于第一运动平台100的上方且相互平行，第三运动平台300位于第二运动平台200的侧面且相互垂直。

请参见图1，第二运动平台200的保护座的底端向外伸有第一连接件210，通过第一连接件210将第二运动平台200固定在第一运动平台100的运动输出部件15上。第一连接件210为第二运动平台200的保护座27的底端的中间位置处向两端外侧凸伸形成，第一连接件210上具有第一螺孔211，且第一运动平台100的运动输出部件15的相应位置处具有螺孔(未图示)，通过螺钉(未图示)将第一连接件210与运动输出部件15固定，从而将第二运动平台200固定在第一运动平台100上，当第一运动平台100的运动输出部件15在Y方向发生位移时，带动第二运动平台200在Y方向发生同步位移。诚然，固定方式不限螺钉与螺孔，还可以为其他固定结构。

第二运动平台200的运动输出部件25向外凸伸有第二连接件220，第三运动平台300的保护座37的底端设置有第三连接件310，通过第三连接件310和第二连接件220将第三运动平台300固定在第二运动平台200的运动输出部件 25上。具体的，第二连接件220为运动输出部件25从一侧面向外凸伸形成且具有第二螺孔221，第三连接件310为第三运动平台300的保护座37的底端的中间位置处向两端外侧凸伸形成，第三连接件310在与第二螺孔221对应的位置处具有螺孔(未图示)，通过螺钉(未图示)将第二连接件220和第三连接件310 固定，从而将第三运动平台300固定在第二运动平台200上。当第二运动平台 200的运动输出部件25在X方向发生位移时，带动第三运动平台300在X方向发生同步位移。诚然，固定方式不限螺钉与螺孔，还可以为其他固定结构。

从而，本实用新型所提供的微纳定位平台，可实现三个独立自由度的平移运动，进行空间位置快速精准定位，三个运动平台的三个光栅式位移传感器相互配合可以实现微纳定位平台XYZ方向运动的检测与反馈。该三自由度微纳定位平台可应用在扫描探针显微镜、精密光学检测、微纳制造、微纳操控、微米/ 纳米尺度加工以及微纳零件的精密装配等高新领域，但不仅仅限于这些领域，还可以应用在其他领域。

综上，本实用新型所提供的三自由度微纳定位平台的X、Y以及Z向运动平台均为惯性粘滑式跨尺度运动平台，惯性粘滑式跨尺度运动平台结构简单、制作工艺简单、制造成本较低且可实现厘米级行程和微米级定位精度，得到的三自由度微纳定位平台整体结构尺寸紧凑、便于加工和装配、并且平台运动精度高、定位精度高、行程范围大、定位速度快、运动稳定性好。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种三自由度微纳定位平台，包括基座，其特征在于，所述三自由度微纳定位平台还包括装配于所述基座上的第一运动平台、设置在所述第一运动平台上的第二运动平台、以及设置在所述第二运动平台上的第三运动平台，所述第一运动平台、所述第二运动平台、以及所述第三运动平台均为惯性粘滑式跨尺度运动平台，所述惯性粘滑式跨尺度运动平台包括保护座、以及位于所述保护座内的运动机构，所述运动机构包括压电陶瓷、以及位于所述压电陶瓷两侧且由所述压电陶瓷驱动的运动组件和惯性组件，所述第一运动平台的运动组件由所述第一运动平台的压电陶瓷驱动其沿X轴方向移动，所述第二运动平台设置在所述第一运动平台的运动组件上且随所述第一运动平台的运动组件沿X轴方向移动，所述第二运动平台的运动组件由所述第二运动平台的压电陶瓷驱动其沿Y方向移动，所述第三运动平台设置在所述第二运动平台的运动组件上且随所述第二运动组件沿Y轴方向移动，所述第三运动平台的运动组件由所述第三运动平台的压电陶瓷驱动沿Z轴方向移动。

2.如权利要求1所述的三自由度微纳定位平台，其特征在于，所述运动组件包括运动传动部件和与所述运动传动部件相连接的运动输出部件，所述惯性组件包括惯性传动部件和与所述惯性传动部件相连接的摩擦部件，所述压电陶瓷具有相对设置的第一端和第二端，所述第一端与所述运动传动部件相接触，所述第二端与所述惯性传动部件相接触，所述运动传动部件和所述惯性传动部件通过弹性形变组件连接，所述保护座上设置有用于对所述运动输出部件进行导向的交叉滚珠导轨，所述运动输出部件与所述交叉滚珠导轨之间的摩擦力小于所述摩擦部件与所述保护座相接触产生的摩擦力。

3.如权利要求1所述的三自由度微纳定位平台，其特征在于，所述第二运动平台位于所述第一运动平台的上方且相互平行，所述第三运动平台位于所述第二运动平台的侧面且相互垂直。

4.如权利要求2所述的三自由度微纳定位平台，其特征在于，所述惯性传动部件包括梯形件和连接件，所述摩擦部件包括相对设置在所述梯形件两侧的两个弹臂，每个所述弹臂抵持所述保护座的侧壁，每个所述弹臂与所述保护座的侧壁之间的夹角大于0。

5.如权利要求4所述的三自由度微纳定位平台，其特征在于，所述弹臂与所述梯形件之间通过紧固件可拆卸连接，所述弹臂上设置有至少两个连接孔，所述弹臂通过所述紧固件穿入其中一个所述连接孔内进而安装在所述梯形件上。

6.如权利要求5所述的三自由度微纳定位平台，其特征在于，所述弹臂与所述保护座的侧壁之间设置有滚珠，所述弹臂上设置有滚珠凹槽，所述滚珠设置在所述滚珠凹槽内。

7.如权利要求4所述的三自由度微纳定位平台，其特征在于，所述连接件为位于所述弹性形变组件框架内的T形部，所述压电陶瓷的第二端与所述T形部相接触。

8.如权利要求2所述的三自由度微纳定位平台，其特征在于，所述弹性形变组件为框架结构，所述压电陶瓷设置于所述弹性形变组件的框架中。

9.如权利要求2所述的三自由度微纳定位平台，其特征在于，所述惯性传动部件、运动传动部件和弹性形变组件为一体式结构。

10.如权利要求2所述的三自由度微纳定位平台，其特征在于，所述惯性粘滑式跨尺度运动平台还包括有光栅，所述光栅位于所述运动机构的下方。

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