法应力电磁压电混合驱动的三维纳米定位平台制造技术

本发明专利技术提供了一种法应力电磁压电混合驱动的三维纳米定位平台，包括：XY轴部分，包括基座、布置在所述基座上的XY平面柔顺机构以及分别能够为平台在X轴方向、Y轴方向提供致动力的法应力电磁致动机构；Z轴部分，通过所具有的压电致动器能够为平台在Z轴方向提供致动力。本发明专利技术面向典型应用场景中对纳米定位系统XY平面内大行程、高固有频率的需求，及Z轴超高固有频率的需求，分别采用电磁、压电的致动方式，解决了单一致动方式无法满足各运动轴间差异化性能需求的问题，达到了对各轴性能需求针对性解决的效果。解决的效果。解决的效果。

【技术实现步骤摘要】
法应力电磁压电混合驱动的三维纳米定位平台


[0001]本专利技术涉及微操作领域，具体地，涉及一种法应力电磁压电混合驱动的三维纳米定位平台。

技术介绍

[0002]近年来，随着各领域加工、测量等技术的精度需求越来越高，传统的定位平台已经无法满足高精度要求，快速刀具伺服、原子力显微镜等高精度技术需要纳米级精度的定位平台。固有频率与行程之间的矛盾是高精度纳米定位平台设计的瓶颈，传统的致动方式如音圈电机与压电致动无法同时兼顾这两个性能指标。而法应力电磁致动技术被认为是解决该矛盾的有效方案，因此正逐渐被运用于纳米定位平台的设计。
[0003]对于一个纳米定位平台，XY平面运动一般负责实现特定平面运动轨迹的跟踪，所跟踪轨迹具有大行程、高频率的特点；而Z轴方向运动一般负责实现高度方向的跟踪，具有超高频率但行程较小的特点，因此针对不同的运动特点需要分别为XY平面与Z轴选择不同的致动方式，即采用混合致动方式。
[0004]此外，为易于与其他设备进行集成，实现更广泛的应用，纳米定位平台应具有紧凑的尺寸，尤其是Z轴方向上紧凑的尺寸。然而，现有技术中很少有设计关注到Z轴方向上的紧凑尺寸需求。例如专利文献CN115494266A公开了一种复合阻尼XYZ解耦并联柔顺定位平台及控制方法，该文献同样为XYZ三轴解耦的并联柔顺定位平台，但该设计仍然没有将法应力电磁致动器作为驱动器，且三轴具有几乎相同的设计，无法实现一些场景中三轴各异的性能需求，以及Z轴方向的紧凑尺寸。再例如专利文献CN114918714A公开的一种多功能三轴快速刀具伺服系统，用于多种材料的加工，采用法应力电磁致动器作为驱动装置，但是柔顺机构与致动器不装配于同一平面，设计尺寸较大，在实际使用中难以与其他设备集成，应用受限。还例如专利文献CN111571280A公开的一种混合驱动三轴快速刀具伺服装置，采用压电
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法应力电磁混合致动驱动方式，其中压电驱动刀具前后运动，电磁致动器驱动刀具上下左右运动。但该设计并未采用直圆型柔顺机构，且其所使用的法应力电磁致动器构型与本专利不同，该设计将导致显著更大的Z向尺寸。又例如专利文献CN113175871A公开的一种定位平台设备，采用法应力电磁致动器作为XY平面内的致动装置。此设计在XY方向上结构紧凑，但代价是在Z方向增加了显著的厚度。此外，该平台仅为二维平台，没有Z轴设计，无法满足诸多应用场景中的三自由度需求。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种法应力电磁压电混合驱动的三维纳米定位平台。
[0006]根据本专利技术提供的一种法应力电磁压电混合驱动的三维纳米定位平台，包括：
[0007]XY轴部分，包括基座、布置在所述基座上的XY平面柔顺机构以及分别能够为平台在X轴方向、Y轴方向提供致动力的法应力电磁致动机构；
[0008]Z轴部分，通过所具有的压电致动器能够为平台在Z轴方向提供致动力。
[0009]优选地，所述法应力电磁致动机构包括布置在XY平面上的4个结构相同的法应力电磁致动器，其中，两个对称布置的所述法应力电磁致动器为平台在X轴方向提供致动力，另外两个对称布置的所述法应力电磁致动器为平台在Y轴方向提供致动力。
[0010]优选地，所述法应力电磁致动器包括可拆卸的固定在所述基座上的电磁致动器磁轭、与电磁致动器磁轭磁力连接的永磁体、粘接在所述永磁体上的电磁致动器电枢以及缠绕在所述电磁致动器磁轭上的电磁致动器线圈，其中，所述电磁致动器电枢与所述电磁致动器磁轭之间存在气体间隙使得所述电磁致动器电枢具有运动的空间。
[0011]优选地，所述法应力电磁致动器的驱动力包括主动驱动力以及被动驱动力，所述主动驱动力的原理如下：
[0012]所述永磁体能够在电磁致动器磁轭中形成直流磁通且所述直流磁通在两侧气体间隙中产生的磁通方向相反，当对所述电磁致动器线圈施加激励电流时，电磁致动器线圈会在电磁致动器磁轭中形成交流磁通并在两侧气隙间隙中产生的磁感应强度方向相同，一侧气隙间隙的直流磁通与交流磁通方向相同，磁感应强度叠加增大，另一侧气隙间隙的直流磁通与交流磁通方向相反，使得磁感应强度相减减弱因而在两侧气体间隙间磁感应强度不同进而使得所述电磁致动器电枢受到一个电磁力的合力即为法应力电磁致动器的主动驱动力；
[0013]所述被动驱动力的原理如下：
[0014]所述法应力电磁致动器的主动驱动力将导致电磁致动器电枢运动进而导致其两侧气体间隙不相等，所述电磁致动器电枢两侧的偏置磁通不等进而产生被动驱动力。
[0015]优选地，所述电磁致动器磁轭与所述电磁致动器电枢均采用软磁材料制作，所述XY平面柔顺机构采用非导磁弹性材料制作。
[0016]优选地，所述XY平面柔顺机构包括X方向柔顺机构、Y方向柔顺机构以及位于中部的XY平面运动平台，所述XY平面运动平台的一端的两侧对称布置有两个X方向柔顺机构，XY平面运动平台的另一端的两侧对称布置有另外两个X方向柔顺机构，四个所述X方向柔顺机构远离XY平面运动平台的一端连接Y方向柔顺机构，其中，所述X方向柔顺机构、Y方向柔顺机构均用于导向及消除寄生运动。
[0017]优选地，所述法应力电磁致动器所具有的电磁致动器电枢粘接在所述XY平面运动平台上进而使得作用在电磁致动器电枢上的驱动力能够传递到XY平面柔顺机构并经XY平面柔顺机构的导向作用产生相应的位移。
[0018]优选地，所述Z轴部分包括设置在XY平面柔顺机构上的Z轴柔顺机构，所述Z轴柔顺机构的内部设置有容纳空间，所述压电致动器布置在所述容纳空间中，所述Z轴压电致动器在施加电压的状态下会产生伸缩运动进而使得所述Z轴柔顺机构发生变形进而产生沿Z轴方向的位移。
[0019]优选地，所述Z轴柔顺机构采用非导磁弹性材料制作。
[0020]优选地，所述Z轴压电致动器相对于XY平面呈对称布置，所述Z轴压电致动器两侧均设置有垫块。
[0021]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
[0022]1、本专利技术面向典型应用场景中对纳米定位系统XY平面内大行程、高固有频率的需
求，及Z轴超高固有频率的需求，分别采用电磁、压电的致动方式，解决了单一致动方式无法满足各运动轴间差异化性能需求的问题，达到了对各轴性能需求针对性解决的效果。
[0023]2、本专利技术采用法应力电磁致动器与XY平面柔顺机构装配于同一平面的结构设计，解决了此前设计中Z向尺寸较大、在实际运用中难以集成的问题，达到了使Z方向上的紧凑，更易于应用的效果。
[0024]3、本专利技术Z轴柔顺机构与垫块关于XY平面对称布置，可以实现Z轴谐振峰的抑制，解决了谐振峰导致的纳米定位系统控制难的问题，达到了控制简便的效果。这使得该设计适合在原子力显微镜、快刀伺服等场合运用，实现较高的性能。
附图说明
[0025]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0026]图1为本专利技术的结构俯视示本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种法应力电磁压电混合驱动的三维纳米定位平台，其特征在于，包括：XY轴部分，包括基座(1)、布置在所述基座(1)上的XY平面柔顺机构(3)以及分别能够为平台在X轴方向、Y轴方向提供致动力的法应力电磁致动机构；Z轴部分，通过所具有的压电致动器(6)能够为平台在Z轴方向提供致动力。2.根据权利要求1所述的法应力电磁压电混合驱动的三维纳米定位平台，其特征在于，所述法应力电磁致动机构包括布置在XY平面上的4个结构相同的法应力电磁致动器(2)，其中，两个对称布置的所述法应力电磁致动器(2)为平台在X轴方向提供致动力，另外两个对称布置的所述法应力电磁致动器(2)为平台在Y轴方向提供致动力。3.根据权利要求2所述的法应力电磁压电混合驱动的三维纳米定位平台，其特征在于，所述法应力电磁致动器(2)包括可拆卸的固定在所述基座(1)上的电磁致动器磁轭(201)、与电磁致动器磁轭(201)磁力连接的永磁体(203)、粘接在所述永磁体(203)上的电磁致动器电枢(204)以及缠绕在所述电磁致动器磁轭(201)上的电磁致动器线圈(202)，其中，所述电磁致动器电枢(204)与所述电磁致动器磁轭(201)之间存在气体间隙使得所述电磁致动器电枢(204)具有运动的空间。4.根据权利要求3所述的法应力电磁压电混合驱动的三维纳米定位平台，其特征在于，所述法应力电磁致动器(2)的驱动力包括主动驱动力以及被动驱动力，所述主动驱动力的原理如下：所述永磁体(203)能够在电磁致动器磁轭(201)中形成直流磁通且所述直流磁通在两侧气体间隙中产生的磁通方向相反，当对所述电磁致动器线圈(202)施加激励电流时，电磁致动器线圈(202)会在电磁致动器磁轭(201)中形成交流磁通并在两侧气隙间隙中产生的磁感应强度方向相同，一侧气隙间隙的直流磁通与交流磁通方向相同，磁感应强度叠加增大，另一侧气隙间隙的直流磁通与交流磁通方向相反，使得磁感应强度相减减弱因而在两侧气体间隙间磁感应强度不同进而使得所述电磁致动器电枢(204)受到一个电磁力的合力即为法应力电磁致动器(2)的主动驱动力；所述被动驱动力的原理如下：所述法应力电磁致动器(2)的主动驱动力将导致电磁致动器电枢(204)...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱利民，谭淩文，余柏呈，余祺，王湘元，孟义轩，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：