CN219314574U - 一种大行程纳米级宏微复合运动平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种大行程纳米级宏微复合运动平台，包括：底板、导轨、承载台、柔性纳米平台、第一固定板、音圈电机、光栅尺、安装架、读数头、压电陶瓷。其中：所述导轨固定在底板上，所述承载台水平设置，其滑动连接导轨上。所述柔性纳米平台固定在承载台的上表面上，所述第一固定板固定在底板上，所述音圈电机的定子端固定连接在第一固定板上，且该音圈电机的动子端与第二固定板连接。所述光栅尺固定在柔性纳米平台上，所述读数头固定在安装架上。所述压电陶瓷固定在柔性纳米平台的位移放大机构处。其通过将音圈电机驱动的宏动平台和压电陶瓷驱动的微动平台进行刚柔耦合安装，使整个运动平台具有大行程、大推力、高定位精度、快速响应等特性。

Description

一种大行程纳米级宏微复合运动平台

技术领域

本实用新型涉及微动平台技术领域，尤其涉及一种大行程纳米级宏微复合运动平台。

背景技术

随着经济的快速发展，微电子制造、精密光学工程、生物医学工程和精密测量工程领域等也一直保持着高速发展的势头，尤其是半导体的光刻与封装、染色体显微操作、精密测量、显微聚焦等领域对定位平台的行程和精度要求越来越高，而单纯使用一级进给系统无法兼顾大行程和高精度要求，例如传统大行程的驱动方式一般是旋转电机+精密丝杠传动、直线电机、音圈电机等，它们的定位精度一般限制在微米级，如果采用定制电机使用成本太高，而以压电陶元件作为驱动源的微定位机构，它们的精度虽然能达到纳米级，但其行程通常只能到微米级，而另一方面，速度和精度也是矛盾的，无法在一种结构上同时实现高速度和高精度、因为提高了机构的速度和加速度，就会增大惯性力导致系统产生震动，加剧导轨之间的磨损，进而降低系统定位精度，所以如何解决这些矛盾，进而实现大行程、高速度、高精度是亟待解决的问题。

实用新型内容

鉴于此，本实用新型提出了一种大行程纳米级宏微复合运动平台，其通过将音圈电机驱动的宏动平台和压电陶瓷驱动的微动平台进行刚柔耦合安装，使整个运动平台具有大行程、大推力、高定位精度、快速响应等特性。为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种大行程纳米级宏微复合运动平台，包括：底板、导轨、承载台、柔性纳米平台、第一固定板、第二固定板、音圈电机、光栅尺、安装架、读数头、压电陶瓷。其中：所述导轨固定在底板的上表面上，所述承载台水平设置，且该承载台滑动连接导轨上。所述柔性纳米平台固定在承载台的上表面上，所述第一固定板固定在底板上且位于所述导轨的尾端，所述音圈电机的定子端固定连接在第一固定板上，且该音圈电机的动子端与第二固定板链接，所述光栅尺固定在柔性纳米平台的侧壁上，所述安装架固定在底板上且位于导轨的一侧，所述读数头固定在安装架上，且该读数头位于所述光栅尺的行进路线上，以读取光栅尺数据，采集宏动平台或微动平台的位移信息。所述压电陶瓷固定在柔性纳米平台上，且该压电陶瓷安装在柔性纳米平台尾部的位移放大机构处，以利用所述压电陶瓷使柔性纳米平台进行微纳米级运动。

进一步地，还包括位移放大机构，在所述柔性纳米平台的尾部，所述压电陶瓷固定在柔性纳米平台上，且该压电陶瓷的位移输出端与所述位移放大机构连接。

进一步地，所述位移放大机构是由完全对称的八段连杆和八个柔性铰链首尾连接构成的桥式机构，所述压电陶瓷的输出端与所述连杆连接。

进一步地，所述承载台的尾端固定有第二固定板，所述音圈电机的动子端与所述第二固定板连接，以利用所述音圈电机驱动承载台沿着所述导轨滑移。

进一步地，所述导轨的头端还设置有限位块，所述限位块固定在底板上，以限制所述承载台的运动，防止承载台脱轨。

进一步地，还包括安装板，所述底板固定在安装板上，且该安装板上开设有若干安装孔，以便将本实用新型复合运动平台整体安装固定在所需的场合。

进一步地，所述音圈电机至少为并列设置的两个，其定子端均固定连接在第一固定板上，动子端均与所述第二固定板连接。

现有技术相比，本实用新型具有以下方面的有益效果：本实用新型的大行程纳米级宏微复合运动平台通过将音圈电机驱动的宏动平台和压电陶瓷驱动的微动平台结合起来，实现纳米级定位的高速、大行程运动，而且采用压电陶瓷作为驱动部件，具有更高的刚度、更大的承载力和更快的响应速度。另外，所述微动平台固定在宏动平台之上，可有效减少宏微平台运动耦合，保证运动的精确性，由于所述微动平台和柔性纳米平台各自有单独的驱动器，可以单独运动，也可以相互配合运动，可实现多种运动方式。

附图说明

构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为实施例中大行程纳米级宏微复合运动平台的结构示意图。

图2为实施例中大行程纳米级宏微复合运动平台的宏动部分示意图。

图3为实施例中大行程纳米级宏微复合运动平台的微动部分示意图。

图4为实施例中大行程纳米级宏微复合运动平台的位移放大结构示意图。

图5为实施例中光栅尺和读数头部分的局部放大示意图。

图中标记分别代表：1-底板、2-导轨、3-承载台、4-柔性纳米平台、5-第一固定板、6-音圈电机、7-光栅尺、8-安装架、9-读数头、10-压电陶瓷、11-位移放大机构、12-第二固定板、13-限位块、14-安装板、1101-连杆、1102-柔性铰链。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本实用新型使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

为了方便叙述，本实用新型中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅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设备或元件需要具有特定的方位，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。

术语解释部分：本实用新型中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型的具体含义。现结合说明书附图和具体实施例对本实用新型的大行程纳米级宏微复合运动平台进一步说明。

参考图1至图5，示例一种大行程纳米级宏微复合运动平台，包括：底板1、导轨2、承载台3、柔性纳米平台4、第一固定板5、音圈电机6、光栅尺7、安装架8、读数头9、压电陶瓷10。其中：

所述底板1水平设置，所述导轨2固定在底板1的上表面上，所述承载台3水平设置，且该承载台3的下表面滑动连接导轨2上，承载台3与导轨2或者类似部件之间的连接方式已经广泛存在于现有技术中，本实施例不再详述，只要使所述承载台3能够沿着导轨2运行即可。

所述柔性纳米平台4固定在所述承载台3的上表面上，所述第一固定板5固定在底板1上且位于所述导轨2的尾端，所述音圈电机6的定子端固定连接在第一固定板5上，且该音圈电机6的动子端与第二固定板12连接，从而利用所述音圈电机6提供的驱动力推动所述承载台3沿着导轨2运动，即所述的宏动，同时所述承载台3携带柔性纳米平台4一起运动。

所述光栅尺7固定在柔性纳米平台4的侧壁上，在所述柔性纳米平台4运动时，所述光栅尺7随柔性纳米平台4一起运动。所述安装架8固定在底板1上且位于导轨2的一侧，所述读数头9固定在安装架8上，且该读数头9位于所述光栅尺7的行进路线上，以读取光栅尺7采集柔性纳米平台4的位置信息。所述压电陶瓷10固定在柔性纳米平台4的位移放大机构11处，以利用所述压电陶瓷10使柔性纳米平台4进行微纳米级运动。所述音圈电机6驱动承载台3完成运动后，通过所述读数头9将柔性纳米平台4的位置信息进行闭环反馈给上位机，所述光栅尺7和读数头9是利用莫尔条纹的光学原理，对物体位置移动进行测量反馈的装置，通过检测莫尔条纹个数，来“读取”光栅刻度，读数头9每扫描一个栅距，就产生一个正弦波信号周期，此信号再通过驱动电路进行细分可以达到很高的分辨率，然后计算出物体的位移。由于宏动平台惯性力比较大，停止后会有震动，难以达到纳米级的精确控制，然后再由所述压电陶瓷10通过位移放大机构11驱动柔性纳米平台4进行微纳米级运动，从而达到纳米级精确控制。

本实施例的大行程纳米级宏微复合运动平台通过将音圈电机6驱动的宏动平台和压电陶瓷10驱动的微动平台结合起来，实现纳米级定位的高速、大行程运动，而且采用压电陶瓷10作为驱动部件，具有更高的刚度、更大的承载力和更快的响应速度。另外，所述微动平台固定在宏动平台之上，可有效减少宏微平台运动耦合，保证运动的精确性，由于所述微动平台和宏动平台各自有单独的驱动器，可以单独运动，也可以相互配合运动，可实现多种运动方式。

参考图1和图2，在另一实施例中，上述实施例示例的所述大行程纳米级宏微复合运动平台中，所述承载台3的尾端固定有第二固定板12，所述音圈电机6的动子端与所述第二固定板12连接，以利用所述音圈电机6驱动承载台3沿着所述导轨2滑移。

参考图1和图2，在另一实施例中，上述实施例示例的所述大行程纳米级宏微复合运动平台中，所述导轨2的头端还设置有限位块13，所述限位块13固定在底板1上，以限制所述承载台3的运动，防止承载台3脱轨。

参考图1和图2，在另一实施例中，上述实施例示例的所述大行程纳米级宏微复合运动平台还包括安装板14，所述底板1固定在安装板14上，且该安装板14上开设有若干安装孔，以便将本实用新型复合运动平台整体安装固定在所需的场合。

参考图1和图2，在另一实施例中，上述实施例示例的所述大行程纳米级宏微复合运动平台中，所述音圈电机6为并列设置的两个，其定子端均固定连接在第一固定板5上，动子端均与所述第二固定板12连接，采用双音圈电机驱动具有响应快、力特性好、控制方便、无需换向装置、可长期连续工作等方面的优势。

在另一实施例中，上述实施例示例的所述大行程纳米级宏微复合运动平台还包括位移放大机构11，其在所述柔性纳米平台4的尾部，所述压电陶瓷10固定在位移放大机构11处。参考图3、图4，所述位移放大机构11由完全对称的八段连杆1101和八个柔性铰链1102首尾连接构成的桥式机构，且该压电陶瓷10的位移输出端与所述连杆1101连接。当所述压电陶瓷10通电后沿着其轴向(X轴方向)伸长，桥式机构在柔性铰链的作用下就会在沿着压电陶瓷10的径向(Y轴方向)产生放大的位移输出。需要说明的是，所述位移放大机构11与压电陶瓷10及其连接关系均为现有技术，本实施例不再详述。所述移放大机构11可有效消除纵向耦合误差，平衡机构内部应力并将压电陶瓷的微位移进行放大输出，可实现微动平台纳米级分辨率，进一步保证微动平台运动的精度。由于所述移放大机构11采用了完全对称的结构设计，可以有效平衡机构内部应力、达到提高机构运放功效的目的，同时还可以降低加工难度，提高机构对加工误差的鲁棒性。本实施例中由柔性铰链构成的微动平台在运动中无间隙、无摩擦、无摩损、免润滑，可在恶劣的空间环境中应用。

最后，需要说明的是，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种大行程纳米级宏微复合运动平台，其特征在于，包括：底板、导轨、承载台、柔性纳米平台、第一固定板、音圈电机、光栅尺、安装架、读数头、压电陶瓷；其中：所述导轨固定在底板的上表面上，所述承载台水平设置，且该承载台滑动连接导轨上；所述柔性纳米平台固定在承载台的上表面上，所述第一固定板固定在底板上且位于所述导轨的尾端，所述音圈电机的定子端固定连接在第一固定板上，且该音圈电机的动子端与所述第一固定板连接；所述光栅尺固定在柔性纳米平台的侧壁上，所述安装架固定在底板上且位于导轨的一侧，所述读数头安装架上，且该读数头位于所述光栅尺的行进路线上；所述压电陶瓷固定在柔性纳米平台的位移放大机构处。

2.根据权利要求1所述的大行程纳米级宏微复合运动平台，其特征在于，还包括位移放大机构，在所述柔性纳米平台的尾部，所述压电陶瓷固定在柔性纳米平台位移放大机构处。

3.根据权利要求2所述的大行程纳米级宏微复合运动平台，其特征在于，所述位移放大机构是由完全对称的八段连杆和八个柔性铰链首尾连接构成的桥式机构，所述压电陶瓷的输出端与所述连杆连接。

4.根据权利要求1所述的大行程纳米级宏微复合运动平台，其特征在于，所述承载台的尾端固定有第二固定板，所述音圈电机的动子端与所述第二固定板连接。

5.根据权利要求1所述的大行程纳米级宏微复合运动平台，其特征在于，所述导轨的头端还设置有限位块，所述限位块固定在底板上。

6.根据权利要求1-5任一项所述的大行程纳米级宏微复合运动平台，其特征在于，还包括安装板，所述底板固定在安装板上，且该安装板上开设有若干安装孔。

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