CN102623070A - 一种二自由度微位移精密定位装置 - Google Patents

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Abstract

一种二自由度微位移精密定位装置，属于一种微位移操作***。为解决现有技术存在的缺陷，包括定位精度低、个自由度之间扰动大等问题，该装置包括载物台、基板、四个形状结构相同的嵌套式平行四边形柔性连杆机构、四组形状结构相同的平行四边形导向机构、第一压电致动器和第二压电致动器。本发明的有益效果在于，去掉桥式放大机构，改变了驱动模式，采用压电致动器直接驱动，提高了定位精度；本装置采用了两种不同的柔性连杆机构，实现各自由度的运动相互独立，各自由度间没有扰动，进一步提高了定位精度；并且整个结构除压电致动器以外是完全对称的，这样就可以保证在外界温度条件变化的时候不会对整个装置的定位精度产生影响。

Description

一种二自由度微位移精密定位装置
技术领域
本发明涉及一种二自由度微位移精密定位装置，属于一种微位移操作***。
背景技术
现在，纳米级高精度定位技术在很多领域得到了广泛应用，并起到了重要作用，如光学检测，微机电***(MEMS)，微电子领域等。柔性铰链由于其无摩擦，无间隙，无需润滑的优点，克服了传统的定位导向机构的缺点，通过与微纳驱动器的结合，使其在纳米级微动定位技术中起到了重要作用。大部分微动定位机构都会使用柔性铰链。
与本发明最为接近的已有技术，是Yangmin LI在IEEE TRANSACTIONS ONROBOTICS上发表的文章“Design and Analysis of a Totally DecoupledFlexure-Based XY Parallel Micromanipulator”中所提到一种二自由度柔性操控平台。它整个机构采用对称结构，四组机构均匀分布在运动平台四周。每组机构由一个嵌套式平行四边形柔性连杆机构连接一个并联式桥式放大机构构成。并联式桥式放大机构作为驱动和导向机构，嵌套式平行四边形柔性连杆机构传递轴向力和切向位移导向。整个机构采用的对称结构使结构拥有对称刚度。
但上述结构存在以下几点缺陷：1、通过放大机构虽然可以放大机构的行程，但却降低了结构的定位精度；2、桥式放大机构虽然具有较大的放大技术和紧凑的结构，但其运动过程中会带动驱动器一同运动，而驱动器拖动其电缆所产生的振动会降低整个机构的精度；3、嵌套式平行四边形柔性连杆机构对桥式放大机构的位移输出端作用的切向力所产生的弯矩将降低单个自由度的运动直线度，同时会两个自由度之间扰动较大。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，包括定位精度低、各自由度之间扰动大，本发明提供一种高定位精度、各自由度之间扰动小的二自由度微位移精密定位装置。
一种二自由度微位移精密定位装置，该装置包括载物台、基板、四个形状结构相同的嵌套式平行四边形柔性连杆机构、四组形状结构相同的平行四边形导向机构、第一压电致动器和第二压电致动器；
所述嵌套式平行四边形柔性连杆机构包括第一柔性双连杆组、第二柔性双连杆组、刚杆和U型刚性杆；所述第一柔性双连杆组的两端分别与载物台和刚杆连接；所述第二柔性双连杆组两端分别与刚杆和U型刚性杆连接；所述四个形状结构相同的嵌套式平行四边形柔性连杆机构正交对称分布在载物台的四个边上；
所述平行四边形导向机构包括四根形状结构相同的柔性连杆，所述四根形状结构相同的柔性连杆对称分布在U型刚性杆的两侧，每侧两根，每根柔性连杆的一端与U型刚性杆相连，另一端与基板相连；
所述第一压电致动器和第二压电致动器分别位于载物台对称轴的X轴负轴和Y轴负轴上，所述第一压电致动器和第二压电致动器的两端分别与嵌套式平行四边形柔性连杆机构中的U型刚性杆和基板连接。
本发明的有益效果在于，本发明去掉桥式放大机构，改变了驱动模式，采用压电致动器直接驱动，提高了定位精度；本装置采用了两种不同的柔性连杆机构，实现各自由度的运动相互独立，各自由度间没有扰动，进一步提高了定位精度；并且整个结构除压电致动器以外是完全对称的，这样就可以保证在外界温度条件变化的时候不会对整个装置的定位精度产生影响。
附图说明
图1是本发明一种二自由度微位移精密定位装置的整体结构图；
图2是本发明一种二自由度微位移精密定位装置的立体结构图；
图3是本发明一种二自由度微位移精密定位装置中的嵌套式平行四边形柔性连杆机构原理图。
具体实施方式
结合图1、图2、图3说明本实施方式。
如图1、图2所示，本发明为一种二自由度微位移精密定位装置，该装置主要包括载物台1、基板2、四组形状结构相同的平行四边形导向机构、第一压电致动器3A和第二压电致动器3a。
所述嵌套式平行四边形柔性连杆机构，包括第一柔性双连杆组4A、第二柔性双连杆组5A、刚杆6A和U型刚性杆7A；所述第一柔性双连杆组4A、第二柔性双连杆组5A分别由两根相互平行且形状结构相同的柔性连杆构成，所述的柔性连杆的两端是柔性铰的刚杆。第一柔性双连杆组4A的两端分别与载物台1和刚杆6A连接；第二柔性双连杆组5A两端分别与刚杆6A和U型刚性杆7A连接；所述四个形状结构相同的嵌套式平行四边形柔性连杆机构正交对称分布在载物台1的四个边上，其与载物台1的连接方式均完全相同。并且，所述四个嵌套式平行四边形柔性连杆机构还具有相同的组成结构，即每个嵌套式平行四边形柔性连杆机构中均包括一组第一柔性双连杆组、一组第二柔性双连杆组、一个刚杆和一个U型刚性杆，并且这几个组成结构的相对位置关系及它们之间的连接方式也是完全相同的。
嵌套式平行四边形柔性连杆机构有两个功能：切向方向导向和轴向方向传力。而与基板2相连的平行四边形导向机构具有切向导向和轴向限位的作用。由Y轴上的四组柔性双连杆组构成的两组嵌套式平行四边形柔性连杆机构具有X向导向，Y向传力的功能；X轴上的四组柔性双连杆组构成的两组嵌套式平行四边形柔性连杆机构具有Y向导向，X向传力的功能。X轴上的两组平行四边形导向机构8A、8B、8C、8D和8a、8b、8c、8d具有X导向的功能，同时能限制X轴上的U型刚性杆7A和7a的Y向位移；而Y轴上的两组平行四边形导向机构具有Y导向的功能，同时能限制Y轴上的两个U型刚性杆的X向位移。
所述嵌套式平行四边形柔性连杆机构中的两组柔性双连杆组的形状、长度和刚度一定要相同，如果不同就会出现如图3所示的情况。刚度不同，则角α与角β不同。两组柔性双连杆组在轴向方向的位移不同，这就会导致整个装置的两个自由度之间相互扰动，驱动力越大扰动越大。而如果长度不同，两个柔性双连杆组在轴向方向的位移也会不同，整个装置的两个自由度之间也将相互扰动，而且位移输出越大扰动越大。
所述平行四边形导向机构，包括四根形状结构相同的柔性连杆8A、8B、8C、8D，所述的柔性连杆的两端是柔性铰的刚杆。所述四根形状结构相同的柔性连杆8A、8B、8C、8D对称分布在U型刚性杆7A的两侧，每侧两根，每根柔性连杆都是一端与U型刚性杆7A相连另一端与基板2相连。本发明包括的四组平行四边形导向机构均具有相同的形状结构，并且，与U型刚性杆和基板的连接方式也相同。
第一压电致动器3A和第二压电致动器3a分别位于载物台1对称轴的X轴负轴和Y轴负轴上，第一压电致动器3A和第二压电致动器3a的两端分别与相对应的嵌套式平行四边形柔性连杆机构中的U型刚性杆和基板2连接驱动载物台1分别沿X方向和Y方向移动，本实施方式所使用的第一压电致动器3A和第二压电致动器3a为压电陶瓷致动器。
该装置还包括四个与载物台1中心轴对称的沉头孔9。
本发明的工作过程如下：
首先，通过沉头孔9将本发明与需要进行微位移的物体固定在一起，当X轴负轴上的第一压电陶瓷致动器3A伸长时，驱动U型刚性杆7A在平行四边形导向机构8A、8B、8C和8D的导向作用下沿X轴方向运动，U型刚性杆7A又会带动柔性双连杆组5A、4A和刚杆6A一同运动，再通过柔性双连杆组4A推动载物台1沿X方向运动。同时，载物台1又会通过柔性双连杆组4a和5a与刚杆6a推动U型刚性杆7a一同运动，平行四边形导向机构8a、8b、8c和8d则起到导向作用。而由于Y轴上的两组平行四边形导向机构的约束，Y轴上的两个U型刚性杆则不会运动。这时Y轴上的两组嵌套式平行四边形柔性连杆机构在载物台1的带动下起到导向的作用。达到了X轴负轴上的第一压电陶瓷致动器3A的伸长只使载物台1产生X向运动而无Y向运动的作用。同样的道理，Y轴负轴上的第二压电陶瓷致动器3a的伸长只使载物台1产生Y向运动而无X向运动，这就使X、Y两个自由度达到了完全解耦的作用。

Claims (5)

1.一种二自由度微位移精密定位装置，其特征在于，该装置包括载物台(1)、基板(2)、四个形状结构相同的嵌套式平行四边形柔性连杆机构、四组形状结构相同的平行四边形导向机构、第一压电致动器(3A)和第二压电致动器(3a)；
所述嵌套式平行四边形柔性连杆机构包括第一柔性双连杆组(4A)、第二柔性双连杆组(5A)、刚杆(6A)和U型刚性杆(7A)；所述第一柔性双连杆组(4A)的两端分别与载物台(1)和刚杆(6A)连接；所述第二柔性双连杆组(5A)两端分别与刚杆(6A)和U型刚性杆(7A)连接；所述四个形状结构相同的嵌套式平行四边形柔性连杆机构正交对称分布在载物台(1)的四个边上；
所述平行四边形导向机构包括四根形状结构相同的柔性连杆(8A、8B、8C、8D)，所述四根形状结构相同的柔性连杆(8A、8B、8C、8D)对称分布在U型刚性杆(7A)的两侧，每侧两根，每根柔性连杆的一端与U型刚性杆(7A)相连，另一端与基板(2)相连；
所述第一压电致动器(3A)和第二压电致动器(3a)分别位于载物台(1)对称轴的X轴负轴和Y轴负轴上，所述第一压电致动器(3A)和第二压电致动器(3a)的两端分别与嵌套式平行四边形柔性连杆机构中的U型刚性杆(7A)和基板(2)连接。
2.根据权利要求1所述的一种二自由度微位移精密定位装置，其特征在于，所述的第一柔性双连杆组(4A)、第二柔性双连杆组(5A)分别由两根相互平行且形状结构相同的柔性连杆构成，所述的柔性连杆是一根两端是柔性铰的刚杆。
3.根据权利要求1所述的一种二自由度微位移精密定位装置，其特征在于，所述四根形状结构相同的柔性连杆(8A、8B、8C、8D)的两端是柔性铰的刚杆。
4.根据权利要求1所述的一种二自由度微位移精密定位装置，其特征在于，该装置还包括四个与载物台(1)中心轴对称的沉头孔(9)。
5.根据权利要求1所述的一种二自由度微位移精密定位装置，其特征在于，所述的第一压电致动器(3A)和第二压电致动器(3a)是压电陶瓷致动器。
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