CN215815203U - 一种基于柔性铰链的压电驱动器驱动新型三自由度定位平台 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种基于柔性铰链的压电驱动器驱动新型三自由度定位平台，该平台包括新型四稳态机构、新型桥式放大机构、双摇杆机构、运动反向补偿机构、桥式放大机构、中心微动平台、压电驱动器、固定端和定位孔，压电驱动器驱动新型桥式放大机构和新型四稳态机构产生X方向平动，压电驱动器驱动桥式放大机构、运动反向补偿机构和双摇杆机构产生Y方向平动和绕Z轴转动。通过调整压电驱动器的个数和输入位移的方向，实现中心微动平台沿X、Y方向的平动和绕Z轴的转动。本实用新型具有多自由度、高刚度、高频率、解耦效果好和稳定性强的优点，可以在多种领域实现定位功能。
Description
技术领域
本实用新型涉及精密定位领域，尤指基于柔性铰链的压电驱动器驱动新型三自由度定位平台，可应用于精密机械加工领域、生物医疗领域、微电子制造领域等。
背景技术
随着机械加工、生物医疗、电子、光学、航空航天等领域的不断发展，对装置的精密性、可靠性提出了更高标准。平面柔性装置具有精度高、可靠性强等特点，现已广泛应用于各种领域。
柔性铰链运动中心和几何中心重合，具有体积小、无机械摩擦、无间隙、分辨率高、灵敏度高等优点，柔性铰链中的直梁型柔性铰链和直圆型柔性铰链广泛运用于现有的平面柔性装置，直梁型柔性铰链是实现小范围内偏转的支撑结构，可在小范围内精确变形，直圆型柔性铰链在圆周方向的弹性变形下进行工作，在扭转载荷下，绕其回转中心在有限角度范围内产生往复运动。并联机构具有高频率、高刚度、高分辨率等优点，已被广泛应用于平面柔性装置中，用来解决精度问题。
但现有压电驱动器驱动平面柔性装置的构型、输出输入刚度、固有频率等方面还不能满足很多领域的需求，现有的平面柔性装置存在刚度低、频率低、耦合现象明显和运动自由度少等问题。因此需要设计高刚度、高频率、解耦效果好、具有多个自由度的精密平面柔性装置，用来满足各种领域迫切的需求，具有很大的发展空间。
发明内容
本实用新型提供了一种基于柔性铰链的压电驱动器驱动新型三自由度定位平台。本实用新型具有中心对称结构，以中心微动平台为对称中心，X和Y方向上均具有对称机构，X方向上以X轴负方向机构为例进行结构叙述，Y方向上以Y轴负方向机构为例进行叙述。X方向上的柔性机构在压电驱动器一驱动下实现中心微动平台沿X轴平动，Y方向上的柔性机构在压电驱动器四驱动下实现中心微动平台沿Y轴平动和绕Z轴转动，满足了平台多自由度的需求。该定位平台通过多种机构并联以及机构内柔性铰链串联，使内部结构紧凑，提高了装置的稳定性，连接的级数增多，使平台拥有高刚度的特点，刚度提高的同时使装置的固有频率也随之增大，分辨率也随之提高。与中心微动平台相连的新型四稳态机构和固定端直接相连，可以减小耦合运动。因此本平台具有高刚度、高频率、高分辨率、解耦效果好、具有多个自由度和稳定性强等特点。
一种基于柔性铰链的压电驱动器驱动新型三自由度定位平台包括新型四稳态机构、新型桥式放大机构、压电驱动器一、双摇杆机构、运动反向补偿机构、桥式放大机构、压电驱动器二、压电驱动器三、中心微动平台、固定端、定位孔和压电驱动器四。本实用新型具有中心对称结构，以中心微动平台为对称中心，X和Y方向上均具有对称机构，X方向上以X轴负方向机构为例进行结构叙述，Y方向上以Y轴负方向机构为例进行叙述。X方向上压电驱动器一驱动新型桥式放大机构，新型桥式放大机构通过两个平行直梁型柔性铰链与新型四稳态机构相连，新型四稳态机构通过两个平行直梁型柔性铰链与中心微动平台相连，Y方向上压电驱动器四驱动桥式放大机构，桥式放大机构通过两个平行直梁型柔性铰链与运动反向补偿机构相连，运动反向补偿机构通过双摇杆机构与中心微动平台相连。通过调节驱动压电驱动器一和压电驱动器三实现X方向平动，驱动压电驱动器二和压电驱动器四实现Y方向平动和绕Z轴转动。
所述的新型四稳态机构包括四个由三个直梁型柔性铰链串联形成的连杆五、四个由两个直梁型柔性铰链与连接梁和菱形放大机构串联形成的连杆六、四个连杆五和质量块二相连组成的偏置双平行四杆机构和四个连杆六和质量块三相连组成的新型传递机构，连杆五与X轴方向夹角为15°，连接梁与X轴方向夹角为75°，连杆五的两端分别与固定端和质量块二相连，连杆六的两端分别与固定端和质量块三相连。通过两个平行直梁型柔性铰链推动质量块二使偏置双平行四杆机构移动，同时该偏置双平行四杆机构带动质量块三移动，使新型传递机构带动两个平行直梁型柔性铰链移动，最终使中心微动平台发生X方向平动。新型四稳态机构具有高刚度且解耦效果好等优点。
所述的新型桥式放大机构包含两个输入端二、一个输出端二、四个由两个直圆型柔性铰链和一个直梁型柔性铰链串联形成的连杆四，其中连杆四与X轴方向夹角为15°。通过压电驱动器推动两个输入端二，使输出端二移动。新型桥式放大机构在传统桥式放大机构基础上进行改进，使其具有结构稳定、输出位移大等优点。
所述的双摇杆机构包括由两个直圆型柔性铰链和一个直梁型柔性铰链串联形成的连杆二和连杆三，推动连杆二和连杆三，实现中心微动平台发生平动和转动。
所述的运动反向补偿机构包括边框、四个平行的直梁型柔性铰链和质量块一，通过两个平行直梁型柔性铰链推动边框，边框移动的同时，四个直梁型柔性铰链都弯曲，且下面相邻两个直梁型柔性铰链弯曲方向相反、上面相邻两个直梁型柔性铰链弯曲方向相反，带动质量块一产生位移，实现位移传递。运动反向补偿机构具有传递精度高，位移损失小等优点。
所述的桥式放大机构包含两个输入端一、一个输出端一和四个由三个直梁型柔性铰链串联形成的连杆一。通过压电驱动器四推动两个输入端一，使输出端一移动。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图
图2是本实用新型的机构细节图
图3是本实用新型运动反向补偿机构运动简图
图4是本实用新型双摇杆机构运动简图
图5是本实用新型沿X轴运动过程示意图
图6是本实用新型沿Y轴运动过程示意图
图7是本实用新型绕Z轴运动过程示意图
附图标注说明
一种压电驱动器驱动新型三自由度柔性定位平台，其特征在于新型四稳态机构（1）、新型桥式放大机构（2）、压电驱动器一（3）、双摇杆机构（4）、运动反向补偿机构（5）、桥式放大机构（6）、压电驱动器二（7）、压电驱动器三（8）、中心微动平台（9）、固定端（10）、定位孔（11）、压电驱动器四（12）、连杆五（101）、偏置双平行四杆机构（102）、质量块二（103）、新型传递机构（104）、连接梁（105）、连杆六（106）、菱形放大机构（107）、质量块三（108）、输入端二（201）、连杆四（202）、输出端二（203）、连杆二（401）、连杆三（402）、边框（501）、质量块一（502）、输入端一（601）、连杆一（602）、输出端一（603）。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型实施例作进一步说明：
如图1所示为本实用新型的结构示意图。一种基于柔性铰链的压电驱动器驱动新型三自由度定位平台包括新型四稳态机构（1）、新型桥式放大机构（2）、压电驱动器一（3）、双摇杆机构（4）、运动反向补偿机构（5）、桥式放大机构（6）、压电驱动器二（7）、压电驱动器三（8）、中心微动平台（9）、固定端（10）、定位孔（11）和压电驱动器四（12）。本实用新型具有中心对称结构，以中心微动平台（9）为对称中心，X和Y方向上均具有对称机构，X方向上以X轴负方向机构为例进行结构叙述，Y方向上以Y轴负方向机构为例进行叙述。X方向上压电驱动器一（3）驱动新型桥式放大机构（2），新型桥式放大机构（2）通过两个平行直梁型柔性铰链与新型四稳态机构（1）相连，新型四稳态机构（1）通过两个平行直梁型柔性铰链与中心微动平台（9）相连，Y方向上压电驱动器四（12）驱动桥式放大机构（6），桥式放大机构（6）通过两个平行直梁型柔性铰链与运动反向补偿机构（5）相连，运动反向补偿机构（5）通过双摇杆机构（4）与中心微动平台（9）相连。通过调节驱动压电驱动器一（3）和压电驱动器三（8）实现X方向平动，驱动压电驱动器二（7）和压电驱动器四（12）实现Y方向平动和绕Z轴转动。
如图2所示为本实用新型的机构细节图。具体包括新型四稳态机构（1）、新型桥式放大机构（2）、双摇杆机构（4）、运动反向补偿机构（5）和桥式放大机构（6），具体机构细节叙述如下：
所述的新型四稳态机构（1）包括四个由三个直梁型柔性铰链串联形成的连杆五（101）、四个由两个直梁型柔性铰链与连接梁（105）和菱形放大机构（107）串联形成的连杆六（106）、四个连杆五（101）和质量块二（103）相连组成的偏置双平行四杆机构（102）和四个连杆六（106）和质量块三（108）相连组成的新型传递机构（104），连杆五（101）与X轴方向夹角为15°，连接梁（105）与X轴方向夹角为75°，连杆五（101）的两端分别与固定端（10）和质量块二（103）相连，连杆六（106）的两端分别与固定端（10）和质量块三（108）相连。通过两个平行直梁型柔性铰链推动质量块二（103）使偏置双平行四杆机构（102）移动，同时该偏置双平行四杆机构（102）带动质量块三（108）移动，使新型传递机构（104）带动两个平行直梁型柔性铰链移动，最终使中心微动平台（9）发生平动。新型四稳态机构（1）具有高刚度且解耦效果好等优点。
所述的新型桥式放大机构（2）包含两个输入端二（201）、一个输出端二（203）、四个由两个直圆型柔性铰链和一个直梁型柔性铰链串联形成的连杆四（202），其中连杆四（202）与X轴方向夹角为15°。通过压电驱动器一（3）推动两个输入端二（201），使输出端二（201）移动。新型桥式放大机构（2）在传统桥式放大机构基础上进行改进，使其具有结构稳定、输出位移大等优点。
所述的双摇杆机构（4）包括由两个直圆型柔性铰链和一个直梁型柔性铰链串联形成的连杆二（401）和连杆三（402），推动连杆二（401）和连杆三（402），实现中心微动平台发生平动和转动。
所述的运动反向补偿机构（5）包括边框（501）、四个平行的直梁型柔性铰链和质量块一（502），通过两个平行直梁型柔性铰链推动边框（501），边框（501）移动的同时，四个直梁型柔性铰链都弯曲，且下面相邻两个直梁型柔性铰链弯曲方向相反、上面相邻两个直梁型柔性铰链弯曲方向相反，带动质量块一（502）产生位移，实现位移传递。运动反向补偿机构（5）具有传递精度高，位移损失小等优点。
所述的桥式放大机构（6）包含两个输入端一（601）、一个输出端一（603）和由四个三个直梁型柔性铰链串联形成的连杆一（602）。通过压电驱动器四（12）推动两个输入端一（601），使输出端一（603）移动。
如图3所示为本实用新型运动反向补偿机构运动简图。
如图4所示为本实用新型双摇杆机构运动简图。
如图5所示为本实用新型沿X轴运动过程示意图。通过压电驱动器三（8）推动输入端二（201）产生输入位移S1，使输出端二（203）沿Y轴正方向运动，输出端二（203）通过两个平行直梁型柔性铰链推动质量块二（103）沿Y轴正向移动，使偏置双平行四杆机构（102）沿Y轴正方向运动，同时该偏置双平行四杆机构（102）带动质量块三（108）沿X轴正向移动，使新型传递机构（104）沿X轴正向移动，新型传递机构（104）推动两个平行直梁型柔性铰链沿X轴正向移动，通过两个平行直梁型柔性铰链沿X轴正向移动，最终使中心微动平台（9）在X正向发生位移SX。
如图6所示为本实用新型沿Y轴运动过程示意图。通过压电驱动器四（12）推动两个输入端一（601）产生输入位移S2，输出端一（603）沿Y轴正向运动，输出端一（603）通过两个平行直梁型柔性铰链推动边框（501），使边框（501）沿Y轴正向运动，边框（501）沿Y轴正向运动的同时，外侧两条直梁型柔性铰链向Y轴负向弯曲，内侧两条直梁型柔性铰链向Y轴正向弯曲，同时带动质量块一（502）沿Y轴正向运动，以运动反向补偿机构边框（501）为机架，通过运动反向补偿机构边框（501）推动连杆二（401）和连杆三（402），最终使中心微动平台（9）在Y正向发生位移SY。
如图7所示为本实用新型绕Z轴运动过程示意图。通过压电驱动器四（12）推动两个输入端一（601）产生输入位移S4，输出端一（603）沿Y轴正向运动，输出端一（603）通过两个平行直梁型柔性铰链推动边框（501），使边框（501）沿Y轴正向运动，边框（501）沿Y轴正向运动的同时，两条直梁型柔性铰链向Y轴负向弯曲，两条直梁型柔性铰链向Y轴正向弯曲，同时带动质量块一（502）沿Y轴正向运动，以运动反向补偿机构边框（501）为机架，通过运动反向补偿机构边框（501）推动连杆二（401）和连杆三（402），产生逆时针旋转位移SZ1，同理，Y轴负向机构与Y轴正向机构中心对称，通过压电驱动器二（7）推动Y轴负向机构产生输入位移S3，同样产生逆时针旋转位移SZ2，最终使中心微动平台（9）绕Z轴发生的旋转位移Sz是SZ1与SZ2的矢量和。
综上所述，本实用新型通过预紧螺钉固定、压电驱动器一（3）、压电驱动器二（7）、压电驱动器三（8）和压电驱动器四（12），在压电驱动器一（3）、压电驱动器二（7）、压电驱动器三（8）和压电驱动器四（12）的驱动作用下，中心微动平台（9）不仅能够实现沿X轴平动和Y轴平动，还能实现绕Z轴的转动，且各方向的机构均以中心微动平台（9）中心对称。这里所讨论的实施方案及实例只是为了说明，对本领域技术人员来说，可以根据需求加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于柔性铰链的压电驱动器驱动新型三自由度定位平台包括新型四稳态机构、新型桥式放大机构、压电驱动器一、双摇杆机构、运动反向补偿机构、桥式放大机构、压电驱动器二、压电驱动器三、中心微动平台、固定端、定位孔和压电驱动器四；本实用新型具有中心对称结构，以中心微动平台为对称中心，X和Y方向上均具有对称机构，X方向上以X轴负方向机构为例进行结构叙述，Y方向上以Y轴负方向机构为例进行叙述；X方向上压电驱动器一驱动新型桥式放大机构，新型桥式放大机构通过两个平行直梁型柔性铰链与新型四稳态机构相连，新型四稳态机构通过两个平行直梁型柔性铰链与中心微动平台相连，Y方向上压电驱动器四驱动桥式放大机构，桥式放大机构通过两个平行直梁型柔性铰链与运动反向补偿机构相连，运动反向补偿机构通过双摇杆机构与中心微动平台相连；通过调节驱动压电驱动器一和压电驱动器三实现X方向平动，驱动压电驱动器二和压电驱动器四实现Y方向平动和绕Z轴转动。
2.根据权利要求1所述的一种基于柔性铰链的压电驱动器驱动新型三自由度定位平台，其特征在于：所述的新型四稳态机构包括四个由三个直梁型柔性铰链串联形成的连杆五、四个由两个直梁型柔性铰链与连接梁和菱形放大机构串联形成的连杆六、四个连杆五和质量块二相连组成的偏置双平行四杆机构和四个连杆六和质量块三相连组成的新型传递机构，连杆五与X轴方向夹角为15°，连接梁与X轴方向夹角为75°，连杆五的两端分别与固定端和质量块二相连，连杆六的两端分别与固定端和质量块三相连；通过两个平行直梁型柔性铰链推动质量块二使偏置双平行四杆机构移动，同时该偏置双平行四杆机构带动质量块三移动，使新型传递机构带动两个平行直梁型柔性铰链移动，最终使中心微动平台发生X方向平动；新型四稳态机构具有高刚度且解耦效果好等优点。
3.根据权利要求1所述的一种基于柔性铰链的压电驱动器驱动新型三自由度定位平台，其特征在于：所述的新型桥式放大机构包含两个输入端二、一个输出端二、四个由两个直圆型柔性铰链和一个直梁型柔性铰链串联形成的连杆四，其中连杆四与X轴方向夹角为15°；通过压电驱动器一推动两个输入端二，使输出端二移动；新型桥式放大机构在传统桥式放大机构基础上进行改进，使其具有结构稳定、输出位移大等优点。
4.根据权利要求1所述的一种基于柔性铰链的压电驱动器驱动新型三自由度定位平台，其特征在于：所述的双摇杆机构包括由两个直圆型柔性铰链和一个直梁型柔性铰链串联形成的连杆二和连杆三，推动连杆二和连杆三，实现中心微动平台的平动和转动。
5.根据权利要求1所述的一种基于柔性铰链的压电驱动器驱动新型三自由度定位平台，其特征在于：所述的运动反向补偿机构包括边框、四个平行的直梁型柔性铰链和质量块一，通过两个平行直梁型柔性铰链推动边框，边框移动的同时，四个直梁型柔性铰链都弯曲，且下面相邻两个直梁型柔性铰链弯曲方向相反、上面相邻两个直梁型柔性铰链弯曲方向相反，带动质量块一产生位移，实现位移传递；运动反向补偿机构具有传递精度高，位移损失小等优点。
6.根据权利要求1所述的一种基于柔性铰链的压电驱动器驱动新型三自由度定位平台，其特征在于：所述的桥式放大机构包括两个输入端一、一个输出端一和由四个三个直梁型柔性铰链串联形成的连杆一；通过压电驱动器四推动两个输入端一，使输出端一移动。
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
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