一种压电陶瓷驱动的二维并联微动平台制造技术

本发明专利技术公开了一种压电陶瓷驱动的二维并联微动平台，由基座、运动平台、压电陶瓷驱动器、位移放大机构及导向机构等部分组成。第一、第二压电陶瓷驱动器相互垂直地放置在基座上各自的圆柱形槽内，驱动器的输出端紧靠在位移放大机构的输入铰链上，经位移放大机构和导向机构将运动传递给运动平台。本发明专利技术采用二级放大机构和复合平行四杆导向机构，使得微动平台结构紧凑，能在实现大行程运动的同时保证高的固有频率，X轴方向和Y轴方向能够有效解耦，压电陶瓷驱动器和柔性铰链平台的组合保证了运动传递的无摩擦，无间隙、高精度、高稳定性和快速响应。运动平台在X轴、Y轴方向上均设有位移传感器，便于实现微动平台的全闭环控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种二维并联微动平台，尤其涉及一种压电陶瓷驱动的二维并联微动T D ο
技术介绍
近年来，随着科学技术和工业技术的不断进步，微电子制造、超精密机械制造、微机器人操作、精密测量光学仪器及生物医学操作等领域飞速发展，迫切需要能够在纳米级精度上进行定位和操作的系统和装备。在这些领域中，具有纳米精度的微动平台是其核心部件，其研究倍受国内外学者的青睐。传统的机械结构，如电机、齿轮、铰链等由于受到装配及运动间隙、摩擦、阻尼等因素的影响，无法达到纳米精度，而以压电陶瓷作为驱动器，以柔性铰链作为弹性导轨的微位移平台，由于具有无摩擦、无反向间隙、超高分辨率、易于控制和结构紧凑等优点，广泛应用于具有纳米精度的微动平台。在目前，商业上常用的二自由度微动平台大多采用两个一维的运动平台垂直叠加在一起或者以串联的方式将某一方向的运动平台嵌套在另外一个方向平台内，实现二维运动。但采用这种连接方式的二维微动平台因为叠加而产生累积误差、寄生位移、固有频率降低及两个方向动态特性不同且体积较大等缺点。现有的一些二维并联平台，一般具有较小的运动范围(一般小于lOOum)，行程较大的微定位平台却普遍存在一阶固有频率较低(一般在250Hz)以下。中国专利CN102324253B提出了一种基于压电陶瓷驱动器驱动的并联微定位平台及微定位平台系统，该微定位平台采用并联结构，由三个压电陶瓷驱动器驱动，并且采用四个由柔性铰链组成的二级杆组作为解耦机构，使得平台能有效提高输出直线度，消除位移耦合，提高定位精度，解耦方便，易于控制。但由于受到体积的限制，压电陶瓷驱动器的行程较小，该平台结构中无位移放大机构，因此微动平台的运动范围很小，无法满足大行程的精密定位要求。中国专利CN101887761A提出了一种两自由度微动定位平台，该平台采用杠杆放大机构和复合平行四杆导向机构，使得平台X方向和Y方向的运动有效解耦，结构紧凑，体积较小，压电陶瓷驱动器和柔性铰链平台的组合保证了运动传递的无摩擦，无间隙、高精度、高稳定性和快速响应。但该平台的最大输出位移为120umX120um，平台运动范围较小，并且复合平行四杆导向机构对称的铰接在平台运动部分的四个侧面，限制了位移传感器的安装。中国专利CN101738855A提出了一种二自由度柔性微定位工作台，该工作台采用柔性并联结构，采用但自由度柔性铰链作为传动机构，使得工作台结构紧凑，刚度高，无机械摩擦，无运动间隙，利于实现微纳米级高精度定位。但该工作台结构不对称，当只驱动某一自由度上的驱动器时，工作台运动部分由于受力不均匀易产生偏转，产生寄生位移，影响工作台运动精度，并且工作台的运动范围较小。中国专利CN101862966A提出了一种二自由 度平动并联解耦微动平台，该平台采用复合双平行直板铰链结构和对称约束结构，从而使得平台具有较大位移，有效消除了轴间输出耦合的位移、累积误差以及工作平台旋转等寄生位移的产生，保证了运动平台的二自由度平动，同时也增加了结构的刚度、承载能力。但该平台采用直板铰链，虽然易于加工和增大工作行程，但降低了运动的精度和固有频率，并且平台整体尺寸较大，结构不够紧凑，限制了位移传感器的安装。鉴于上述市场中及以往专利中提出的微动平台存在的一些问题，因此有必要设计一种新的高精密微动平台，在保持平台定位和操作精度高、响应速度快、高固有频率等优点及不增加定位平台控制算法难度的同时，增大平台工作行程，并从机电一体化角度对微动平台进行创新和优化。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决上述问题，提供一种压电陶瓷驱动的二维并联微动平台，它具有结构合理、性能优越、不仅能够实验较大行程的精密定位，而且能够消除耦合和寄生位移，保证该微动平台具有较高的固有频率，并且结构紧凑，体积小，精度高，响应速度快的优点。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案:一种压电陶瓷驱动的二维并联微动平台，它包括基座、运动平台，基座上设有导向机构和位移放大机构，所述运动平台的四个角分别与导向机构铰接，与基座无接触；所述运动平台的Y、X方向上分别设有第一压电陶瓷驱动器和第二压电陶瓷驱动器，第一压电陶瓷驱动器和第二压电陶瓷驱动器分别垂直的放置在基座上各自的圆柱形槽内，第一压电陶瓷驱动器和第二压电陶瓷驱动器的一端分别用定位螺钉固定，另一端作为输出端分别作用在位移放大机构的输入铰链上 ，位移放大机构均与导向机构铰接，所述运动平台的X轴、Y轴方向上分别设有位移传感器。所述导向机构为由八根杆组成的复合平行四杆导向机构，通过双倍的连杆形成对称结构，其中，导向机构第一根杆和导向机构第二根杆的一端均与运动平台通过柔性铰链连接，另一端均通过柔性铰链与Y方向上的位移放大机构连接，导向机构第三根杆和导向机构第四根杆的一端均与运动平台通过柔性铰链连接，另一端均通过柔性铰链与X方向上的位移放大机构连接，导向机构第五根杆、导向机构第六根杆、导向机构第七根杆、导向机构第八根杆的一端均通过柔性铰链与运动平台连接，另一端通过柔性铰链分别与铰支在基座上的第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆连接。所述位移放大机构包括结构对称的X方向放大机构和Y方向放大机构，X方向放大机构包括结构对称且并联的第三放大机构和第四放大机构，Y方向放大机构包括结构对称且并联的第一放大机构和第二放大机构，第一放大机构、第二放大机构、第三放大机构和第四放大机构的输出铰链均与导向机构铰接，所述第一放大机构和第二放大机构的输入铰链均与第一压电陶瓷驱动器的输出端相互作用，所述第三放大机构和第四放大机构的输入铰链均与第二压电陶瓷驱动器的输出端相互作用。所述位移传感器为直线光栅，包括直线光栅尺、直线光栅读数头和读数头固定支架，所述直线光栅尺分别帖在运动平台的两个相邻侧面上，X方向的直线光栅尺为第二直线光栅尺，Y方向的直线光栅尺为第一直线光栅尺，所述第一直线光栅的第一直线光栅读数头和第二直线光栅的第二直线光栅读数头分别安装在第一读数头固定支架和第二读数头固定支架上，第一直线光栅和第二直线光栅的信号电缆分别从第一直线光栅读数头和第二直线光栅读数头接出，所述每个信号电缆通过相应的直线光栅电缆槽弓I出。所述第一放大机构包括第一放大机构第一级放大杠杆、第一放大机构连杆和第一放大机构第二级放大杠杆，第一放大机构第一级放大杠杆的输入铰链与第一压电陶瓷驱动器相互作用，第一放大机构第一放大杠杆的支点通过柔性铰链与基座铰接，第一放大机构第一级放大杠杆的输出端通过柔性铰链与第一放大机构连杆的一端连接，第一放大机构连杆的另一端通过柔性铰链与第一放大机构第二级放大杠杆的输入端铰接，第一放大机构第二级放大杠杆的支点通过柔性铰链与基座铰接，第一放大机构第二级放大杠杆的输出端通过柔性铰链与导向机构连接。所述第二放大机构包括第二放大机构第一级放大杠杆、第二放大机构连杆和第二放大机构第二级放大杠杆，第二放大机构第一级放大杠杆的输入铰链与第一压电陶瓷驱动器相互作用，第二放大机构第一放大杠杆的支点通过柔性铰链与基座铰接，第二放大机构第一级放大杠杆的输出端通过柔性铰链与第二放大机构连杆的一端连接，第二放大机构连杆的另一端通过柔性铰链与第二放大机构第二级放大杠杆的输入端铰接，第二放大机构第二级放大杠杆的支点通过柔性铰链与基座铰接，第二放大机构第二级放本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电陶瓷驱动的二维并联微动平台，其特征是，它包括基座、运动平台，基座上设有导向机构和位移放大机构，所述运动平台的四个角分别与导向机构铰接，与基座无接触；所述运动平台的Y轴、X轴方向上分别设有第一压电陶瓷驱动器和第二压电陶瓷驱动器，第一压电陶瓷驱动器和第二压电陶瓷驱动器分别垂直的放置在基座上各自的圆柱形槽内，第一压电陶瓷驱动器和第二压电陶瓷驱动器的一端分别用定位螺钉固定，另一端作为输出端分别作用在位移放大机构的输入铰链上，位移放大机构均与导向机构铰接，所述运动平台的X轴、Y轴方向上分别设有位移传感器。

【技术特征摘要】
1.一种压电陶瓷驱动的二维并联微动平台，其特征是，它包括基座、运动平台，基座上设有导向机构和位移放大机构，所述运动平台的四个角分别与导向机构铰接，与基座无接触；所述运动平台的Y轴、X轴方向上分别设有第一压电陶瓷驱动器和第二压电陶瓷驱动器，第一压电陶瓷驱动器和第二压电陶瓷驱动器分别垂直的放置在基座上各自的圆柱形槽内，第一压电陶瓷驱动器和第二压电陶瓷驱动器的一端分别用定位螺钉固定，另一端作为输出端分别作用在位移放大机构的输入铰链上，位移放大机构均与导向机构铰接，所述运动平台的X轴、Y轴方向上分别设有位移传感器。2.如权利要求1所述一种压电陶瓷驱动的二维并联微动平台，其特征是，所述导向机构为由八根杆组成的复合平行四杆导向机构，其中，导向机构第一根杆和导向机构第二根杆的一端均与运动平台通过柔性铰链连接，另一端均通过柔性铰链与Y轴方向上的位移放大机构连接，导向机构第三根杆和导向机构第四根杆的一端均与运动平台通过柔性铰链连接，另一端均通过柔性铰链与X轴方向上的位移放大机构连接，导向机构第五根杆、导向机构第六根杆、导向机构第七根杆、导向机构第八根杆的一端均通过柔性铰链与运动平台连接，另一端通过柔性铰链分别与铰支在基座上的第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆连接。3.如权利要求1所述一种压电陶瓷驱动的二维并联微动平台，其特征是，所述位移放大机构包括结构对称的X轴方向放大机构和Y轴方向放大机构，X轴方向放大机构包括结构对称且并联的第三放大机构和第四放大机构，Y轴方向放大机构包括结构对称且并联的第一放大机构和第二放大机构，第一放大机构、第二放大机构、第三放大机构和第四放大机构的输出铰链均与导向机构铰接，所述第一放大机构和第二放大机构的输入铰链均与第一压电陶瓷驱动器的输出端相互作用，所述第三放大机构和第四放大机构的输入铰链均与第二压电陶瓷驱动器的输出端相互作用。4.如权利要求1所述 一种压电陶瓷驱动的二维并联微动平台，其特征是，所述位移传感器为直线光栅，包括直线光栅尺、光栅读数头和读数头固定支架，所述直线光栅尺分别帖在运动平台的两个相邻侧面上，X轴方向的直线光栅尺为第二直线光栅尺，Y轴方向的直线光栅尺为第一直线光栅尺，所述第一直线光栅的第一直线光栅读数头和第二直线光栅的第二直线光栅读数头分别安装在第一读数头固定支架和第二读数头固定支架上，第一直线光栅和第二直线光栅的信号电缆分别从第一直线光栅读数头和第二直线光栅读数头接出，所述每个信号电缆通过相应的直线光栅电缆槽弓I出。5.如权利要求3所述一种压电陶瓷驱动的二维并联微动平台，其特征是，所述第一放大机构包括第一放大机构第一级放大杠杆、第一放大机构连杆和第一放大机构第二级放大杠杆，第一放大机构第一级放大杠杆的输入铰链与第一压电陶瓷驱...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫鹏，刘鹏博，郭雷，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：