CN106847346A - XYθ三自由度大行程高频响精密定位平台 - Google Patents
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Abstract
XYθ三自由度大行程高频响精密定位平台，包括刚性基底，刚性基底内侧分别和四个双层菱形位移放大机构的外侧固定端连接，四个双层菱形位移放大机构的内侧第一刚性输出端与柔性支链机构连接，柔性支链机构的第二刚性输出端与动平台连接，动平台中心通过螺纹孔刚性连接被驱动对象，动平台、柔性支链机构、双层菱形位移放大机构关于螺纹孔旋转对称；菱形位移放大机构的内侧第一刚性输出端通过矩形梁与刚性基底连接，菱形位移放大机构两侧第一刚性输入端与压电陶瓷连接；整个机构由一块钢板经电火花加工工艺一体化加工而成，机构内部空腔加工通透，空腔内部构件处于悬空状态，本发明可以实现大行程和高带宽的高精度位移输出，结构简单和紧凑。
Description
技术领域
本发明属于精密定位平台技术领域，尤其涉及XYθ三自由度大行程高频响精密定位平台。
背景技术
近年来，随着微电子技术、光学微装配，生物医疗微操作以及扫描探针显微镜等领域的迅猛发展，工程领域对精密定位技术提出了越来越高的要求，尤其对大行程，高频响的定位平台工程需求极为迫切。由于压电陶瓷具有分辨率高、刚度大和能量密度大等优点，广泛应用于精密驱动与控制领域，但是压电陶瓷的输出位移极小，即使是堆叠型压电陶瓷，其输出位移一般是自身尺寸的0.1％左右。因此，公知的大多数压电陶瓷驱动的精密定位平台均是采用压电陶瓷和柔性铰链来组成柔性机构，实现高精度的位移和力输出。目前公知的精密定位平台的自由度多为两自由度，通过复杂的机构设计也能实现大于两个自由度的位移输出，但是输出位移、输出刚度以及平台固有频率之间总是互相约束，要实现大位移输出必然要以损失固有频率为代价，难以实现输出位移与固有频率的同时提高。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明目的在于提供一种XYθ三自由度大行程高频响精密定位平台，可以实现大行程和高带宽的高精度位移输出，结构简单和紧凑。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
XYθ三自由度大行程高频响精密定位平台，包括刚性基底1，刚性基底1内侧分别和四个双层菱形位移放大机构2的外侧固定端连接，四个双层菱形位移放大机构2的内侧第一刚性输出端与柔性支链机构4连接，柔性支链机构4的第二刚性输出端与动平台5连接，动平台5中心有第二螺纹孔6，第二螺纹孔6刚性连接被驱动对象，动平台5、柔性支链机构4、双层菱形位移放大机构2关于第二螺纹孔6旋转对称；
菱形位移放大机构2的内侧第一刚性输出端通过矩形梁7与刚性基底1连接，菱形位移放大机构2两侧第一刚性输入端与压电陶瓷3连接；
整个机构由一块钢板经电火花加工工艺一体化加工而成，机构内部空腔加工通透，空腔内部构件处于悬空状态。
所述的菱形位移放大机构2是由外侧固定端21、内侧第一刚性输出端22，两侧第一刚性输入端23以及柔性臂24连接构成基于三角原理的位移放大机构，压电陶瓷3通过预紧力安装于两侧第一刚性输入端23之间，柔性臂24是双层结构，每层柔性臂的两端切割成圆形、椭圆或双曲线型柔性铰链以提高机构位移放大效果，压电陶瓷3利用逆压电效应输出横向位移和力，驱动柔性臂24产生弯曲变形进而在第一刚性输出端22处产生放大了的纵向输出位移和输出力。
所述的柔性支链机构4是由第二刚性输出端41，约束梁42和两个柔性梁43组成的柔性机构，两个柔性梁43和约束梁42的一侧连接，关于约束梁42中点对称，第二刚性输出端41和约束梁42的另一侧连接，第二刚性输出端41与约束梁42中点存在一定偏距，第二刚性输出端41分别与动平台5四侧连接，第二刚性输出端41和动平台5的连接处与动平台5的中心存在偏距；四个第二刚性输出端41关于动平台5的中心旋转对称，动平台5与四个第二刚性输出端41形成‘田’字形结构。
所述的刚性基底1四个螺纹孔8与工作台面固定，动平台5的中心设有第二螺纹孔6作为第三刚性输出端。
设四个菱形位移放大机构2的两个相邻菱形位移放大机构2的输出位移方向分别为X和Y方向，动平台5的中心为坐标原点，具体的三个自由度实现方法如下：
1)输出方向为Y方向的菱形位移放大机构2无位移输出，输出方向为X方向的菱形位移放大机构2的内侧第一刚性输出端同时沿着X轴正向或反向运动，在柔性支链机构4的解耦作用下，动平台5实现X轴的正向或反向运动，实现X方向的平动自由度；
2)Y方向的自由度实现与X方向自由度实现方式相同；
3)为了实现转动自由度，位于X轴负方向的菱形位移放大机构2的内侧第一刚性输出端向X轴负方向运动，位于X轴正方向的菱形位移放大机构2的内侧第一刚性输出端向X轴正方向运动，Y轴运动情况与X轴类似；由于柔性支链机构4的第二刚性输出端与动平台5的中心存在一定的偏距，且四个第二刚性输出端与动平台5组成‘田’字形结构，在四个菱形位移放大机构2同时运动下，实现动平台5的转动自由度。
本发明的有益效果在于：
本发明在传统菱形位移放大机构上加以改进，通过柔性铰链将柔性臂与菱形机构输入输出端连接，增大了原有菱形机构的放大比，输出位移大；另一方面，菱形位移放大机构采用了双层结构，在保持机构放大比不变的同时，提高了机构的输入刚度，从而提高机构的固有频率，实现机构的高频响应；其他方面，四个柔性支链机构的输出端与动平台组成田字结构，实现动平台关于Z轴的旋转自由度。最终使定位平台实现三自由度的大行程和高带宽的高精度位移输出。
附图说明
图1是本发明的正视图。
图2是本发明菱形位移放大机构示意图。
图3是本发明柔性支链机构示意图。
图4是本发明动平台‘田’字形结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，XYθ三自由度大行程高频响精密定位平台，包括刚性基底1，刚性基底1内侧分别和四个双层菱形位移放大机构2的外侧固定端连接，四个双层菱形位移放大机构2的内侧第一刚性输出端与柔性支链机构4连接，柔性支链机构4的第二刚性输出端与动平台5连接，动平台5中心有第二螺纹孔6，第二螺纹孔6刚性连接被驱动对象，动平台5、柔性支链机构4、双层菱形位移放大机构2关于第二螺纹孔6旋转对称；菱形位移放大机构2的内侧第一刚性输出端通过矩形梁7与刚性基底1连接，菱形位移放大机构2两侧第一刚性输入端与压电陶瓷3连接；
整个机构由一块钢板经电火花加工工艺一体化加工而成，机构内部空腔加工通透，空腔内部构件处于悬空状态；
所述的刚性基底1四个角通过螺纹孔8与工作台面固定，动平台5的中心设有第二螺纹孔6作为第三刚性输出端。
如图2所示，所述的菱形位移放大机构2是由外侧固定端21、内侧第一刚性输出端22，两侧第一刚性输入端23以及柔性臂24连接构成基于三角原理的位移放大机构，压电陶瓷3通过预紧力安装于两侧第一刚性输入端23之间，柔性臂24是双层结构，每层柔性臂的两端切割成圆形、椭圆或双曲线型柔性铰链以提高机构位移放大效果，压电陶瓷3利用逆压电效应输出横向位移和力，驱动柔性臂24产生弯曲变形进而在第一刚性输出端22处产生放大了的纵向输出位移和输出力。
如图3、图4所示，所述的柔性支链机构4是由第二刚性输出端41，约束梁42和两个柔性梁43组成的柔性机构，两个柔性梁43和约束梁42的一侧连接，关于约束梁42中点对称，第二刚性输出端41和约束梁42的另一侧连接，第二刚性输出端41与约束梁42中点存在一定偏距，第二刚性输出端41分别与动平台5四侧连接，第二刚性输出端41和动平台5的连接处与动平台5的中心存在偏距；四个第二刚性输出端41关于动平台5的中心旋转对称，动平台5与四个第二刚性输出端41形成‘田’字形结构。
本发明的工作原理为：两个对称的菱形位移放大机构2同时作用，位于两侧的柔性支链机构4约束动平台5的运动，使动平台5保持某一方向运动，最大限度降低不同自由度间的耦合，并提高机构的输出刚度，从而实现机构的高频响应要求；一个自由度方向运动通过两个菱形位移放大机构2实现，两个菱形位移放大机构2同时工作提高了机构的承载能力。
设四个菱形位移放大机构2的两个相邻菱形位移放大机构2的输出位移方向分别为X和Y方向，动平台5的中心为坐标原点，具体的三个自由度实现方法如下：
1)输出方向为Y方向的菱形位移放大机构2无位移输出，输出方向为X方向的菱形位移放大机构2的内侧第一刚性输出端同时沿着X轴正向或反向运动，在柔性支链机构4的解耦作用下，动平台5实现X轴的正向或反向运动，实现X方向的平动自由度；
2)Y方向的自由度实现与X方向自由度实现方式相同；
3)为了实现转动自由度，位于X轴负方向的菱形位移放大机构2的内侧第一刚性输出端向X轴负方向运动，位于X轴正方向的菱形位移放大机构2的内侧第一刚性输出端向X轴正方向运动，Y轴运动情况与X轴类似。由于柔性支链机构4的第二刚性输出端与动平台5的中心存在一定的偏距，且四个第二刚性输出端与动平台5组成‘田’字形结构，在四个菱形位移放大机构2同时运动下，实现动平台5的转动自由度。
Claims (5)
1.XYθ三自由度大行程高频响精密定位平台，包括刚性基底(1)，其特征在于：刚性基底(1)内侧分别和四个双层菱形位移放大机构(2)的外侧固定端连接，四个双层菱形位移放大机构(2)的内侧第一刚性输出端与柔性支链机构(4)连接，柔性支链机构(4)的第二刚性输出端与动平台(5)连接，动平台(5)中心有第二螺纹孔(6)，第二螺纹孔(6)刚性连接被驱动对象，动平台(5)、柔性支链机构(4)、双层菱形位移放大机构(2)关于第二螺纹孔(6)旋转对称；
菱形位移放大机构(2)的内侧第一刚性输出端通过矩形梁(7)与刚性基底(1)连接，菱形位移放大机构(2)两侧第一刚性输入端与压电陶瓷(3)连接；
整个机构由一块钢板经电火花加工工艺一体化加工而成，机构内部空腔加工通透，空腔内部构件处于悬空状态。
2.根据权利要求1所述的XYθ三自由度大行程高频响精密定位平台，其特征在于：所述的菱形位移放大机构(2)是由外侧固定端(21)、内侧第一刚性输出端(22)、两侧第一刚性输入端(23)以及柔性臂(24)连接构成基于三角原理的位移放大机构，压电陶瓷(3)通过预紧力安装于两侧第一刚性输入端(23)之间，柔性臂(24)是双层结构，每层柔性臂的两端切割成圆形、椭圆或双曲线型柔性铰链以提高机构位移放大效果，压电陶瓷(3)利用逆压电效应输出横向位移和力，驱动柔性臂(24)产生弯曲变形进而在第一刚性输出端(22)处产生放大了的纵向输出位移和输出力。
3.根据权利要求1所述的XYθ三自由度大行程高频响精密定位平台，其特征在于：所述的柔性支链机构(4)是由第二刚性输出端(41)、约束梁(42)和两个柔性梁(43)组成的柔性机构，两个柔性梁(43)和约束梁(42)的一侧连接，关于约束梁(42)中点对称，第二刚性输出端(41)和约束梁(42)的另一侧连接，第二刚性输出端(41)与约束梁(42)中点存在一定偏距，第二刚性输出端(41)分别与动平台(5)四侧连接，第二刚性输出端(41)和动平台(5)的连接处与动平台(5)的中心存在偏距；四个第二刚性输出端(41)关于动平台(5)的中心旋转对称，动平台(5)与四个第二刚性输出端(41)形成‘田’字形结构。
4.根据权利要求1所述的XYθ三自由度大行程高频响精密定位平台，其特征在于：所述的刚性基底(1)四个角通过螺纹孔(8)与工作台面固定，动平台(5)的中心设有第二螺纹孔(6)作为第三刚性输出端。
5.根据权利要求1所述的XYθ三自由度大行程高频响精密定位平台，其特征在于：设四个菱形位移放大机构(2)的两个相邻菱形位移放大机构(2)的输出位移方向分别为X和Y方向，动平台(5)的中心为坐标原点，具体的三个自由度实现方法如下：
1)输出方向为Y方向的菱形位移放大机构(2)无位移输出，输出方向为X方向的菱形位移放大机构(2)的内侧第一刚性输出端同时沿着X轴正向或反向运动，在柔性支链机构(4)的解耦作用下，动平台(5)实现X轴的正向或反向运动，实现X方向的平动自由度；
2)Y方向的自由度实现与X方向自由度实现方式相同；
3)为了实现转动自由度，位于X轴负方向的菱形位移放大机构(2)的内侧第一刚性输出端向X轴负方向运动，位于X轴正方向的菱形位移放大机构(2)的内侧第一刚性输出端向X轴正方向运动，Y轴运动情况与X轴类似；由于柔性支链机构4的第二刚性输出端与动平台(5)的中心存在一定的偏距，且四个第二刚性输出端与动平台(5)组成‘田’字形结构，在四个菱形位移放大机构(2)同时运动下，实现动平台(5)的转动自由度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20170613 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |