CN103192279B - 一种二维解耦运动平台 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种二维解耦运动平台，包括固定平台座、设置于固定平台座上的移动平台，移动平台包括横向移动平台和纵向移动平台，横向移动平台包括四个横向柔性杆、横向弹性件、横向压电陶瓷致动器，横向柔性杆设置于横向移动平台四周，横向弹性件设置于横向移动平台一侧，横向压电陶瓷致动器与横向弹性件对称设置；纵向移动平台包括四个纵向柔性杆、纵向弹性件、纵向压电陶瓷致动器，纵向柔性杆设置于纵向移动平台四周，纵向弹性件设置于纵向移动平台一侧，纵向压电陶瓷致动器与纵向弹性元件对称设置。本发明利用压电陶瓷致动器直接驱动获得纳米级位移输出，弹性件提高运动平台刚度，利用柔性机构传递运动，实现可靠的高刚度二维解耦定位运动。

Description

一种二维解耦运动平台

技术领域

本发明涉及一种平台，尤其涉及一种二维解耦运动平台。

背景技术

运动平台的精密定位与高速、高加速是众多电子制造设备以及其它精密机床的共性要求，运动平台的性能决定了产品的品质、效率以及产能。传统的运动平台利用丝杠等机械运动副结构传递运动，在运动传递过程中，由于运动副存在与生俱来的摩擦与间隙，因此精度只能达到微米级。但是随着科技的发展，尤其是微电子产品技术的发展，产品体积达到亚微米级甚至纳米级，因此对运动平台提出了纳米级的定位要求，因此十分有必要设计制造纳米级定位的运动平台。

纳米级的定位运动平台一般采用新型智能材料作为致动器，如压电陶瓷和记忆合金等，以柔性机构作为平台载体，由于智能材料能够输出纳米级的位移，柔性机构通过弹性变形传递运动能量与力，不存在摩擦和间隙，二者结合可以获得纳米级定位运动平台。但是目前市场上常见的二自由度运动平台，采用串联或并联，实现两自由度解耦运动，但是由于采用柔性结构，刚度非常低，抵抗外界干扰能力非常差。因此，亟待研发出一种高刚度二维解耦纳米级运动平台。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种二维解耦运动平台，该二维解耦运动平台解决了现有技术无法同时实现高刚度、高精度的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种二维解耦运动平台，包括固定平台座、设置于所述固定平台座上的移动平台，其特征在于：所述移动平台包括横向移动平台和纵向移动平台，所述横向移动平台包括四个横向柔性杆、横向弹性件、横向压电陶瓷致动器，所述横向柔性杆设置于所述横向移动平台四周，所述横向柔性杆与所述纵向移动平台连接，所述横向弹性件设置于所述横向移动平台一侧，所述横向压电陶瓷致动器与所述横向弹性件对称设置，所述横向压电陶瓷致动器外部设置有横向电阻应变片；所述纵向移动平台包括四个纵向柔性杆、纵向弹性件、纵向压电陶瓷致动器，所述纵向柔性杆设置于所述纵向移动平台四周，所述纵向柔性杆与所述横向移动平台连接，所述纵向弹性件设置于所述纵向移动平台一侧，所述纵向压电陶瓷致动器与所述纵向弹性元件对称设置，所述纵向压电陶瓷致动器外部设置有纵向电阻应变片。

优选地，所述横向压电陶瓷致动器为横向叠堆型压电陶瓷致动器，所述纵向压电陶瓷致动器为纵向叠堆型压电陶瓷致动器。

优选地，所述固定平台座设置有纵向固定孔，所述纵向移动平台上设置有横向固定孔，所述横向固定孔设置于所述横向压电致动器安装槽一端，所述纵向固定孔设置于所述纵向压电致动器安装槽一端。

进一步的，所述纵向移动平台上设置有横向柔性垫，横向固定件穿过所述横向固定孔与所述横向柔性垫抵触连接。

进一步的，所述固定平台座上设置有纵向柔性垫，纵向固定件穿过所述纵向固定孔与所述纵向柔性垫抵触连接。

优选地，所述横向移动平台嵌设于所述纵向移动平台内。

优选地，所述横向柔性杆通过横向柔性铰链与所述纵向移动平台连接，所述纵向柔性杆通过纵向柔性铰链与所述横向移动平台连接。

优选地，所述固定平台座、所述移动平台在同一个平面上。

优选地，所述固定平台座上设置有固定平台座安装孔。

进一步的，所述固定平台座安装孔为阶梯孔，其数量为8个。

本发明产生的有益效果是：

1、本发明中横向移动平台和纵向移动平台均由叠堆型压电陶瓷致动器直接驱动，结构简单、紧凑，加工成本低；

2、本发明中通过双柔性平行四杆的对称设计，以及横纵方向运动结构的嵌套串联设计，实现了两个运动方向上的运动解耦，且柔性机构无摩擦、间隙，运动精度高；

3、本发明中固定件预紧叠堆型压电陶瓷致动器，结合弹性件的弹性压紧作用，使得运动平台有较高的刚度，并且会具有抑振功能，在受到外界较大作用力时，能够保护柔性平台不被破坏，避免在受到较大作用力时叠堆型压电陶瓷致动器脱离柔性平台；

4、本发明中粘贴在压电陶瓷表面的电阻应变片，可以采集位移信息，应用到闭环控制中，可以获得较高的运动精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种二维解耦运动平台一个实施例移动平台的结构示意图；

图2为本发明一种二维解耦运动平台一个实施例的结构示意图；

图3为图2中A-A向剖视结构示意图；

图4为图2中B处局部放大结构示意图；

图中：100固定平台座；110横向固定孔；120纵向固定孔；130固定平台座安装孔；200移动平台；210横向移动平台；211横向柔性杆；212横向弹性件安装槽；213横向压电致动器安装槽；214横向弹性件；215横向压电陶瓷致动器；216横向电阻应变片；217横向柔性垫；218横向紧定螺钉；219横向柔性铰链；220纵向移动平台；221纵向柔性杆；222纵向弹性件安装槽；223纵向压电致动器安装槽；224纵向弹性件；225纵向压电陶瓷致动器；226纵向电阻应变片；227纵向柔性垫；228纵向紧定螺钉；229纵向柔性铰链。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据图1～图4所示的优选实施例，一种二维解耦运动平台，包括固定平台座100、设置于固定平台座100上的移动平台200，移动平台200包括横向移动平台210和纵向移动平台220，固定平台座100以及移动平台200在同一个平面上。在本实施例中，固定平台座100和移动平台200一体线切割或激光成型，在移动平台200上切割加工形成纵向移动平台220，在纵向移动平台220上切割加工形成横向移动平台210。

纵向移动平台220包括四个纵向柔性杆221、纵向弹性件224、纵向压电陶瓷致动器225，纵向柔性杆221设置于纵向移动平台220四周，纵向弹性件安装槽222设置于纵向移动平台220一侧，在本实施例中纵向移动平台220为正方形，纵向柔性杆221均匀设置于纵向移动平台220四个角上，纵向柔性杆221通过纵向柔性铰链229与横向移动平台210连接。

固定平台座100设置有纵向固定孔120，固定平台座100设置有纵向柔性垫227，纵向固定件穿过纵向固定孔120与纵向柔性垫227抵触连接，在本实施例中，纵向固定孔120为螺纹孔，纵向固定件为纵向紧定螺钉228，通过旋进纵向紧定螺钉228，纵向紧定螺钉228与纵向柔性垫227抵触连接，使得纵向柔性垫227变形，将纵向压电陶瓷致动器225压紧在纵向压电陶瓷安装槽223内。

纵向弹性件安装槽222内设置有纵向弹性件224，在本实施例中纵向弹性件安装槽222设置于纵向移动平台220一侧的中部，纵向弹性件粘接在纵向弹性件安装槽222内，纵向弹性件224优选热塑性聚氨酯，其具有优异的回弹性能，对于其他的具有优异回弹性能的材料也在本发明的保护范围之内，在此不做赘述。

纵向压电致动器安装槽223与纵向弹性元件安装槽222对称设置，纵向压电致动器安装槽223内设置有纵向压电陶瓷致动器225，纵向压电陶瓷致动器225外部设置有纵向电阻应变片226，在本实施例中纵向压电陶瓷致动器225优选叠堆型压电陶瓷致动器，纵向电阻应变片226粘贴在纵向叠堆型压电陶瓷致动器外侧。

在本实施例中，纵向柔性杆221通过纵向柔性铰链229与横向移动平台210和纵向移动平台220连接，四个对称的纵向柔性杆构成双柔性平行四杆结构，能够实现纵向移动平台220只在纵向直线平动，消除横向的耦合位移。在本实施例中纵向柔性杆的工作原理是：对纵向压电陶瓷致动器225施加电压后，由于逆压电效应，纵向压电陶瓷致动器225产生位移输出，从而推动纵向运动平台220运动，实现其在纵向上的直线平动。

横向移动平台210包括四个横向柔性杆211、横向弹性件214、横向压电陶瓷致动器215，横向柔性杆211设置于横向移动平台210四周，在本实施例中横向移动平台210为长方形，横向柔性杆211均匀设置于横向移动平台210的四个角上，横向柔性杆211通过横向柔性铰链219与纵向移动平台220连接，在本发明中横向柔性杆211通过横向柔性铰链219与横向移动平台210和纵向移动平台220连接的设计使其构成柔性平行四杆结构，能够实现横向移动平台210只在横向直线运动，消除纵向的耦合位移。在本实施例中横向柔性杆的工作原理是：对横向压电陶瓷致动器215施加电压后，由于逆压电效应，横向压电陶瓷致动器215产生位移输出，从而推动横向运动平台210运动，实现其在横向上的直线平动。

纵向移动平台220上设置有横向固定孔110，横向固定孔110设置于横向压电致动器安装槽213一端，纵向移动平台220设置有横向柔性垫217，横向固定件218穿过横向固定孔110与横向柔性垫217抵触连接，在本实施例中，横向固定孔110为螺纹孔，横向固定件为横向紧定螺钉218，通过旋进横向紧定螺钉218，横向紧定螺钉218与横向柔性垫217抵触连接，使得横向柔性垫217变形，将横向压电陶瓷致动器215压紧在横向压电陶瓷安装槽213内。

横向弹性件安装槽212设置于横向移动平台210一侧，横向弹性件安装槽212内设置有横向弹性件214，在本实施例中横向弹性件安装槽212设置于横向移动平台210一侧的中部，横向弹性件214粘接在横向弹性件安装槽212内，横向弹性件214优选热塑性聚氨酯，其具有优异的回弹性能，对于其他的具有优异回弹性能的材料也在本发明的保护范围之内，在此不做赘述。

横向压电致动器安装槽213与横向弹性件安装槽212对称设置，横向压电致动器安装槽213内设置有横向压电陶瓷致动器215，横向压电陶瓷致动器215外部设置有横向电阻应变片216，在本实施例中横向压电陶瓷致动器215优选叠堆型压电陶瓷致动器，横向电阻应变片226粘贴在横向叠堆型压电陶瓷致动器外侧。

在本发明中，横向移动平台210利用横向紧定螺钉218推动横向柔性垫217，纵向移动平台220利用纵向紧定螺钉228推动纵向柔性垫227，安全固定横向压电陶瓷驱动器215和纵向压电陶瓷驱动器225并对移动平台施加预紧力，同时结合横向弹性件214和纵向弹性件224的弹性作用，使整个柔性平台获得较高的刚度、抑振能力和抗干扰能力，避免出现横向压电陶瓷致动器和纵向压电陶瓷致动器与柔性平台脱离的现象。

在本发明中，通过双柔性平行四杆结构，实现不同方向上的运动解耦，从而达到消除耦合和寄生位移的功能，横向移动平台210嵌设于纵向移动平台220内，通过横向和纵向运动方向上的结构串联，分别实现横向和纵向的运动。

固定平台座100上设置有固定平台座安装孔130，本发明输出位移为纳米级别，因此，本发明的运动平台也称为微动平台，固定平台座安装孔130用来使本发明的运动平台与宏动平台连接，在本实施例中固定平台座安装孔130为阶梯孔，其数量为8个，对称分布在固定平台座100的两端。横向移动平台上均匀设置有平台安装孔，在本实施例中平台安装孔为螺纹孔，其数量为4个，其用来与待定位部件连接，实现待定位部件的精确定位。

本发明的工作过程是：将固定平台座100固定于宏动平台上，宏动平台实现微米级运动，本发明的运动平台进一步运动实现纳米级位移，对横向叠堆型压电陶瓷致动器施加电压，由于逆压电效应输出纳米级位移，从而带动横向移动平台210发生运动，纵向移动平台220同理，从而实现运动平台平面内的运动和定位。

本发明的工作原理是：压电陶瓷致动器具有纳米级分辨率的位移输出，粘贴在压电陶瓷致动器侧面的电阻应变片作为位移反馈，实现高精度的定位，柔性平台依靠严格轴对称的基于柔性铰链的双柔性平行四杆机构，实现解耦的单方向平动，同时通过两个运动方向上的结构串联，实现不同方向上的运动，从而实现纳米级的精确定位。利用紧定螺钉推动柔性垫，安全固定压电陶瓷致动器并对运动平台施加预紧力，同时结合弹性件的弹性作用，使平台获得较高的刚度、抑振能力和抗干扰能力，避免出现压电陶瓷致动器与柔性平台脱离的现象。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种二维解耦运动平台，包括固定平台座、设置于所述固定平台座上的移动平台，其特征在于：所述移动平台包括横向移动平台和纵向移动平台，所述横向移动平台包括四个横向柔性杆、横向弹性件、横向压电陶瓷致动器，所述纵向移动平台包括四个纵向柔性杆、纵向弹性件、纵向压电陶瓷致动器；横向柔性杆和纵向柔性杆分别设置在横向移动平台和纵向移动平台的四个边角区域中，其中纵向柔性杆中靠平台外侧的柔性铰链分别和纵向移动平台的两侧边在同一直线上，横向柔性杆中靠移动平台外侧的柔性铰链分别设置在横向移动平台顶边和底边的边线之外；所述横向弹性件设置于所述横向移动平台一侧外部的中部区域，所述纵向弹性件设置于所述纵向移动平台一侧外部的中部区域, 所述横向压电陶瓷致动器与所述横向弹性件相对于横向移动平台对称设置在所述平台另一侧的外部，所述纵向压电陶瓷致动器与所述纵向弹性元件相对于纵向移动平台对称设置在所述平台另一侧的外部；所述横向柔性杆与所述纵向移动平台连接，所述横向压电陶瓷致动器外部设置有横向电阻应变片；所述纵向柔性杆与所述横向移动平台连接，所述纵向压电陶瓷致动器外部设置有纵向电阻应变片；

所述横向压电陶瓷致动器为横向叠堆型压电陶瓷致动器，所述纵向压电陶瓷致动器为纵向叠堆型压电陶瓷致动器；

所述固定平台座设置有纵向固定孔，所述纵向移动平台上设置有横向固定孔，所述横向固定孔设置于所述横向压电致动器安装槽一端，所述纵向固定孔设置于所述纵向压电致动器安装槽一端；

所述纵向移动平台上设置有横向柔性垫，横向固定件穿过所述横向固定孔与所述横向柔性垫抵触连接，所述横向固定孔为螺纹孔，横向固定件为横向紧定螺钉，通过旋进横向紧定螺钉，横向紧定螺钉与横向柔性垫抵触连接，使得横向柔性垫变形，将横向压电陶瓷致动器压紧在横向压电陶瓷安装槽内；所述固定平台座上设置有纵向柔性垫，纵向固定件穿过所述纵向固定孔与所述纵向柔性垫抵触连接，所述纵向固定孔为螺纹孔，纵向固定件为纵向紧定螺钉，通过旋进纵向紧定螺钉，纵向紧定螺钉与纵向柔性垫抵触连接，使得纵向柔性垫变形，将纵向压电陶瓷致动器压紧在纵向压电陶瓷安装槽内；

所述横向移动平台嵌设于所述纵向移动平台内；

所述横向柔性杆通过横向柔性铰链与所述纵向移动平台连接，所述纵向柔性杆通过纵向柔性铰链与所述横向移动平台连接；

所述固定平台座、所述移动平台在同一个平面上；

所述固定平台座上设置有固定平台座安装孔，所述固定平台座安装孔为阶梯孔，且其数量为8个，对称分布在固定平台座的两端；

所述横向弹性件选用热塑性聚氨酯粘接在横向弹性件安装槽内；所述纵向弹性件选用热塑性聚氨酯粘接在纵向弹性件安装槽内。