二自由度平动并联高带宽微动平台

摘要

本发明涉及一种二自由度平动并联高带宽微动平台,基于压电陶瓷驱动器和柔性铰链的微动平台，包括：压电陶瓷驱动器、微动平台主体、传感器夹具、非接触式电容传感器，微动平台主体包括驱动支链及其对应的辅助支链、工作平台以及固定机架，其中，两个驱动支链与其对应的辅助支链两两对称分布在工作平台四周。本发明采用双平行四杆结构及对称约束结构，使其寄生位移及累积误差减少。微动平台改进了铰链结构，在一级驱动支链中间加入矩形模块，大大提高了结构刚度，使系统具有高固有频率，从而实现微动平台的二维高带宽平动特性。

权利要求

1.一种二自由度平动并联高带宽微动平台，包括微动平台主体、安装在微动平台主体上的压电陶瓷驱动器和传感器夹具，安装在传感器夹具上的非接触式电容传感器，其特征在于，所述微动平台主体包括工作平台、固定机架以及对称分布于工作平台四周相互垂直的X、Y方向上的两个两级驱动支链及其对应的两级辅助支链，所述驱动支链及其对应的辅助支链相向分布；

所述的两级驱动支链为一级驱动支链和二级驱动支链，其中：一级驱动支链两端与固定机架固连，二级驱动支链包括两个端部加倒角的柔性铰链，所述柔性铰链一端与一级驱动支链通过一级驱动支链中间凸起的矩形模块连接，另一端与工作平台固连；

所述的两级辅助支链为一级辅助支链和二级辅助支链；

所述一级驱动支链随着所述压电陶瓷驱动器推动在X方向上产生变形，从而使得X方向上的一级辅助支链、Y方向上的二级驱动支链以及Y方向上的二级辅助支链产生协调变形。

2.根据权利要求1所述的二自由度平动并联高带宽微动平台，其特征在于，一级辅助支链两端与固定机架固连，二级辅助支链包括两个端部加倒角的柔性铰链，所述柔性铰链一端与一级辅助支链通过一级辅助支链中间凸起的矩形模块连接，另一端与工作平台固连。

3.根据权利要求1所述的二自由度平动并联高带宽微动平台，其特征在于，所述的工作平台X、Y两个方向分别与对应方向的二级驱动支链及二级辅助支链连接。

4.根据权利要求1所述的二自由度平动并联高带宽微动平台，其特征在于，所述的固定机架分别与X、Y两个方向的一级驱动支链及一级辅助支链固连。

5.根据权利要求1所述的二自由度平动并联高带宽微动平台，其特征在于，所述的压电陶瓷驱动器嵌入在微动平台主体的安装槽内，头部与一级驱动支链的中间部分接触，施加力直接作用在驱动支链上，而其底部与固定机架通过螺纹固连安装。

6.根据权利要求1所述的二自由度平动并联高带宽微动平台，其特征在于，所述的非接触式电容传感器安装在传感器夹具的安装孔内，并通过锥形销紧固。

7.根据权利要求1所述的二自由度平动并联高带宽微动平台，其特征在于，所述的传感器夹具通过螺纹固连安装在微动平台的固定机架上。

8.根据权利要求1所述的二自由度平动并联高带宽微动平台，其特征在于，所述的驱动支链、辅助支链、工作平台及固定机架采用一体式结构。

说明书

二自由度平动并联高带宽微动平台

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种微纳测量与加工技术领域的装置，具体是一种基于压电陶瓷驱动器和柔性铰链的二自由度平动高带宽并联微动平台。

背景技术

[0002] 采用压电陶瓷驱动器及柔性铰链的二自由度微动平台具有高精度、高分辨率、二维运动等优点，因而在微机电系统、超精密测量、微纳米加工、扫描探针显微镜、光学元件制造及生物医学工程等微纳技术领域应用越来越广泛。而目前大多数的纳米测量、纳米制造等过程对于速度要求越来越高，例如对于原子力显微镜的扫描频率，要求达到几kHz；再如在大规模的纳米制造过程中，对于加工速度及效率的要求不断提高，微动台的运动频率要求可达到数kHz。因此，发明具有高精度、高分辨率，同时又具有高带宽特性的二自由度微动平台具有重要的意义。

[0003] 微动平台机械结构的低固有频率是限制闭环控制带宽的关键因素，因此提高微动平台的固有频率对于实现高带宽微动平台具有较大意义。目前在国内，有部分学者在做微动平台的研究工作，但是都没有提出具有高带宽特性的微动平台。例如中国申请号200510023219.4，公开号CN1644329A，名称为“微型二维解耦工作台”的专利申请，公开了一种微型二维解耦工作台，但该微动平台的固有频率较低，且构型复杂，加工成本较高；再如中国申请号200710114743.1，公开号CN101176995A，名称为“一种具有冗余支链的二平动微动平台”的专利申请，提供了一种具有冗余支链的二平动微动平台，但是该结构中由于柔性铰链的刚度较小，因此也不可避免产生了固有频率较低的缺点。

发明内容

[0004] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种二自由度平动并联高带宽微动平台，基于压电陶瓷驱动器和柔性铰链微动平台，依靠在铰链中加入的矩形模块的特殊改进达到高刚度特征从而实现了运动平台的高固有频率的特性。同时依靠双平行铰链的导向功能及整体结构的对称性，达到基本消除两轴耦合及寄生位移的功能，实现了运动平台的二维平动。

[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：压电陶瓷驱动器、微动平台主体、传感器夹具、非接触式电容传感器，微动平台主体包括两个方向的驱动支链、辅助支链、工作平台以及固定机架，其中两个方向的驱动支链与辅助支链两两对称分布在工作平台四周的X方向和Y方向上。

[0006] 所述的驱动支链包括：一级驱动支链、二级驱动支链，其中：一级驱动支链两端与固定机架固连，二级驱动支链包括两个端部加倒角的柔性铰链，一端与一级驱动支链通过一级驱动支链中间凸起的矩形模块连接，另一端与工作平台固连。

[0007] 所述的辅助支链包括：一级辅助支链、二级辅助支链，其中：一级辅助支链两端与固定机架固连，二级辅助支链包括两个端部加倒角的柔性铰链，一端与一级辅助支链通过一级辅助支链中间凸起的矩形模块连接，另一端与工作平台固连。

[0008] 所述的工作平台四个方向分别与X、Y两个方向的二级驱动支链及二级辅助支链连接。

[0009] 所述的固定机架分别与X、Y两个方向的一级驱动支链及一级辅助支链固连。

[0010] 所述的驱动支链、辅助支链、工作平台及机架等都是采用一体式结构，即在一块金属材料板上，采用先进加工工艺加工而成，无需装配，结构紧凑，体积小，有效避免了装配误差的产生，满足了高精度的要求。

[0011] 所述的压电陶瓷驱动器嵌入在微动平台主体的安装槽内，头部与一级驱动支链的中间部分接触，施加力直接作用在驱动支链上，而其底部与固定机架通过螺纹固连安装。

[0012] 所述的非接触式电容传感器安装在传感器夹具的安装孔内，并通过锥形销紧固。

[0013] 所述的传感器夹具通过螺纹固连安装在微动平台的固定机架上，以使非接触式位移传感器检测工作平台的位移。

[0014] 本发明通过以下方式进行工作：以X方向运动为例，压电陶瓷驱动器施加力于X方向一级驱动支链，使其向X方向运动，由于X向二级驱动支链轴向刚度较大，从而带动工作平台、Y方向二级驱动支链、Y方向二级辅助支链及X向二级辅助支链一起朝X方向运动，其中Y方向二级驱动支链与Y方向二级辅助支链产生协调变形；由于X向二级辅助支链的轴向刚度较大，因而带动X向一级辅助支链产生协调变形。由于X向一级驱动支链与一级辅助支链轴向刚度较大，因而工作平台的位移基本与压电陶瓷驱动器的输出位移即X方向一级驱动支链中间矩形模块的位移基本相等。

[0015] 本发明与现有的技术相比，具有以下有益效果：

[0016] (1)、本发明对于铰链做出特殊改进，一级驱动支链及一级辅助支链中间加入矩形模块，大幅度提高了铰链的刚度；并通过减小工作平台的质量，使得微动平台固有频率得到大幅度提高，前两阶固有频率均达到8.2KHz。相对于现有技术的微动平台，该微动平台固有频率提高了数倍。

[0017] (2)、本发明采用双平行铰链，并通过铰链的特殊改进提高了一级铰链的刚度，利用整体结构的对称性，基本消除了两轴耦合及寄生位移。

[0018] (3)、本发明相对于串联机构具有高刚度、无累积误差、两方向动力学特性相同、结构紧凑、体积小等优点。本发明同时具有控制算法简单、动态特性好等优点。

附图说明

[0019] 图1为本发明的二自由度平动并联高带宽微动平台的结构示意图；

[0020] 图2为微动平台X方向机构变形原理示意图；

[0021] 图3为微动平台、压电陶瓷、电容传感器及其传感器夹具装配示意图；

[0022] 图4为微动平台前六阶模态示意图。

具体实施方式

[0023] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0024] 如图1，2，3所示，本发明实施例包括：压电陶瓷驱动器24、微动平台主体26、传感器夹具27、非接触式电容传感器28，微动平台主体26包括两个相同的驱动支链1和3、及其对应两个相同的辅助支链5和7，工作平台6以及固定机架9，其中两个方向的驱动支链1和3、两个方向的辅助支链5和7两两对称分布在工作平台的四周。

[0025] 所述的驱动支链1包括：一级驱动支链11、二级驱动支链10，其中：一级驱动支链11两端与固定机架9固连，二级驱动支链10包括两个端部加倒角的柔性铰链13和14，13和14一端与一级驱动支链11通过一级驱动支链11中间凸起的矩形模块12连接，另一端与工作平台6固连。

[0026] 所述的辅助支链5包括：一级辅助支链18、二级辅助支链17，其中：一级辅助支链18两端与固定机架9固连，二级辅助支链17包括两个端部加倒角的柔性铰链20和21，二级辅助支链17一端与一级辅助支链18通过一级辅助支链18中间凸起的矩形模块19连接，另一端与工作平台6固连。

[0027] 所述的工作平台6四个方向分别与X、Y两个方向的二级驱动支链10和15、及二级辅助支链17和22连接。

[0028] 所述的固定机架9分别与X、Y两个方向的一级驱动支链11和16、及一级辅助支链18和23固连。

[0029] 所述的驱动支链1和3、辅助支链5和7、工作平台6及固定机架9等都是采用一体式结构，即在一块金属材料板上，采用先进加工工艺加工而成，无需装配，结构紧凑，体积小，有效避免了装配误差的产生，满足了高精度的要求。

[0030] 所述的压电陶瓷驱动器24嵌入在微动平台主体26的安装槽内，头部与一级驱动支链11的中间部分接触，施加力直接作用在驱动支链上，而其底部与固定机架9通过螺纹固连安装。

[0031] 所述的非接触式电容传感器28安装在传感器夹具27的安装孔内，并通过锥形销25紧固。

[0032] 所述的传感器夹具27通过螺纹2、4、8固连安装在微动平台的固定机架9上，以使非接触式位移传感器28检测工作平台6的位移。

[0033] 如图1,2所示，本实例通过以下方式进行工作：以X方向为例，压电陶瓷驱动器24施加力于X方向一级驱动支链11，由于X方向二级驱动支链10的轴向刚度较大，从而带动工作平台6、Y方向二级驱动支链15、Y方向二级辅助支链22及X向二级辅助支链17一起朝X方向运动，其中Y方向二级驱动支链15与Y方向二级辅助支链22产生协调变形；由于X向二级辅助支链17的轴向刚度较大，因而带动X向一级辅助支链18产生协调变形。由于X向二级驱动支链10与二级辅助支链17轴向刚度较大，因而工作平台6的位移基本与压电陶瓷驱动器24的输出位移即X方向一级驱动支链中间矩形模块12的位移基本相等，此种情况下，工作平台6产生X方向位移。

[0034] 如图1,2所示，当只有X方向的压电陶瓷驱动器24产生位移时，由于系统采用双平行四杆机构15和22、特殊改进的铰链机构11和18，以及整体结构的对称性，所以工作平台在Y方向无输出耦合位移。又由于在Y方向一级驱动支链16与一级辅助支链23中间部分加入矩形模块，因此使得一级驱动支链16与一级辅助支链23的刚度大大增加，而远大于Y方向二级驱动支链15与二级辅助支链22的刚度，从而当X方向压电陶瓷驱动情况下二级驱动支链15与二级辅助支链22产生协调变形时，一级驱动支链16与一级辅助支链23基本无变形，因此大大减少了作用在一级驱动支链16中间部分的压电陶瓷承受弯矩或者侧向力，避免了压电陶瓷驱动器的损坏。同时一级驱动支链16与一级辅助支链23的基本无变形也使得X方向与Y方向的耦合大大减小。

[0035] 如图1，4所示，微动平台采用在一级驱动支链11、16及一级辅助支链18、23中间部分加入矩形模块，并加宽一级驱动支链11、16及一级辅助支链18、23，使其刚度大大增加，远远高于二级驱动支链10、15及二级辅助支链17、22，并通过控制工作平台6的质量，使得微动平台的固有频率处于较高值：如图4中(a)、（b）所示，前两阶固有频率反映平面内特性，分别为8269Hz和8281Hz；后几阶固有频率反映平面外的特性，其中第三阶反映在Z轴的振动特性，图4中（c）所示，为10551Hz，图4中（d）、（e）、（f）所示第四阶、第五阶及第六阶固有频率分别反映微动平台绕X，Y，Z轴旋转特性，分别为20558Hz、20571Hz、21031Hz。平面外的高固有频率使得微动平台在工作时，工作平台6保持良好的平动特性，不会具有转动角度。因而微动平台具有较高的动态特性，便于控制。