CN104464838A - 一种z轴负向放大一维精密定位平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Z轴负向放大一维精密定位平台，包括Z轴负向放大机构、用于保护Z轴负向放大机构的基座、位于Z轴负向放大机构上方的运动平台，所述Z轴负向放大机构包括若干柔性臂、固定在柔性臂两侧的平行板、连接柔性臂与运动平台的输出件、压电陶瓷安装件以及与基座连接固定的底盘，所述平行板通过柔性铰链与柔性臂柔性连接，位于所述平行板之间、所述Z轴负向放大机构下方、所述底盘上方的空间内设置有压电陶瓷，所述压电陶瓷通过设置在两侧的平行板上的压电陶瓷安装件固定。本发明相较于传统的放大定位平台具有行程范围大、精度高、结构简单、体积小、刚度大、灵敏度高、分辨率高、纳米级、适宜作微动平台等优点。

Description

一种Z轴负向放大一维精密定位平台

技术领域

本发明属于微驱动应用领域，具体涉及为利用新型放大原理在Z轴实现负向放大一维精密定位的微驱动平台。

背景技术

近年来，随着微电子技术，宇航，生物工程等学科的迅速发展，正式进入了“亚微米-纳米”时代。在电子，光学，机械制造等众多技术领域中，迫切需要高精度，高分辨率，高可靠性的微定位***，用于实现高精度的研究，微定位技术在微机电***、纳米制造技术、微电子及纳米电子技术、纳米生物工程等众多高科技领域将发挥越来越重要的作用。用以直接工作或配合其他仪器设备完成高精度的研究和使用。

随着科学技术的不断发展，对微定位的界定也从以前的mm级到现在的亚um—nm级进化，以后的发展方向将是亚nm级(<10-9m)。对高精密***的研究，以美国、德国和日本走在世界的前列，比如在基于压电陶瓷纳米定位方面，能够达到1nm的分辨率、10nm左右的定位精度、10mm以上的形程。目前我国在微定位技术领域的研究还相对落后，因此，开展微定位平台的相关研究，对于缩小同国内外同行的差距，促进我国的国防军工以及国民经济的快速发展有着重大而深远的意义。

一维精密定位平台，主要功能是实现***作样件或被观测样件的一维精密运动和定位，以及微探针的一维操作等。其微动工作原理在于利用压电陶瓷的逆压电效应，驱动弹性铰链机构实现微位移传动，以达到一精密定位的要求。它相对于其他驱动方式的一维维精密定位技术，如电机驱动、音圈电机驱动、记忆合金驱动及磁滞伸缩驱动方式等，其基本原理实现方便、控制简单，并具有分辨率高、传动无间隙、易微小化、运动精度高和重复定位精度高等优点。微位移驱动器是微定位平台的关键部分，驱动器的特性和精度对定位平台***的性能有着重要影响。微位移驱动器是微定位平台的关键部分，驱动器的特性和精度对定位平台***的性能有着重要影响。

微动工作台由微位移驱动器和导轨两部分组成。根据导轨形式和驱动方式可分为五类：柔性支撑、压电或电致伸缩微位器驱动；滚动导轨，压电陶瓷或电致伸缩微位移器驱动：滑动导轨，机械式驱动；平行弹性导轨，机械式或电磁、压电、电致伸缩微位移器驱动器驱动；气浮导轨，伺服电机或直线电机驱动。通常的压电陶瓷驱动的微位移工作台以柔性铰链作支承导轨，以压电陶瓷驱动器作驱动元件。

柔性铰链包括正圆型、直角型、椭圆型、双曲线型。正圆型:准确性较低，应力集中小，灵活性最好，加工方便；直角型:具有最大的集中应力，灵活性较好，强度不足；椭圆型：应力集中最小，精确性较低；双曲线型：精度较高，应力集中较低，加工困难。柔性机构包括位移Z轴负向放大机构、位移导向机构、柔性铰链。柔性机构的优点：1、无机械摩擦、无间隙2、免于磨损、提高寿命3、高精度运动4、免于润滑、避免污染；缺点：1、运动范围有限2、很难实现大行程3、刚性低。(如专利号为CN201420081663.6的专利)。

精密定位平台位移Z轴负向放大机构包括杠杆机构、四边形机构、八杆机构、Scott机构、桥式机构。杠杆机构：优点：刚度大、结构简单、易制造，缺点：位移放大倍数小、存在位移耦合；四边形机构：优点：结构对称、消除了位移耦合，缺点：位移放大倍数小；八杆机构：优点：结构紧凑、消除了位移耦合，缺点：结构复杂、不易制造；Scott机构：优点：结构简单紧凑、位移放大倍数大，缺点：放大比非线性；桥式机构：优点：结构简单、位移放大倍数大，缺点：刚度太低。

上述一维精密定位平台在一维实现结构和位移放大方式上有所不同，在实现一维大行程精密定位的过程中都会因为机构类型的原因在一维大行程精密定位中引起误差，最终影响运动精度，而且为一维大行程精密定位平台带来累积误差和角度误差、耦合位移等技术难题。(如专利号为CN201310603633.7、CN201310068434.0的专利)。

因此，有必要找到一种能够有效提高运动范围放大倍数，同时能够减小精密定位平台体积，而且避免角度误差的精密定位平台。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种利用新型Z轴负向放大机构的Z轴负向放大一维精密定位平台，该种新型Z轴负向放大机构在加工过程中容易保证其加工精度，使工件的对称性有很大提高，这样就避免了新型Z轴负向放大机构的耦合位移。

一种Z轴负向放大一维精密定位平台，其特征在于：包括Z轴负向放大机构、用于保护Z轴负向放大机构的基座、位于Z轴负向放大机构上方的运动平台，所述Z轴负向放大机构包括若干柔性臂、固定在柔性臂两侧的平行板、连接柔性臂与运动平台的输出件、压电陶瓷安装件以及与基座连接固定的底盘，所述平行板通过柔性铰链与柔性臂柔性连接，位于所述平行板之间、所述Z轴负向放大机构下方、所述底盘上方的空间内设置有压电陶瓷，所述压电陶瓷通过设置在两侧的平行板上的压电陶瓷安装件固定。

优选地，所述压电陶瓷安装件包括预紧螺母以及钢珠，与压电陶瓷柔性连接。

优选地，所述预紧螺母采用细牙螺纹。

优选地，所述Z轴负向放大机构的放大倍数为4倍。

优选地，位于所述压电陶瓷下方的底盘上设置有容纳屏蔽线的保护套。

优选地，所述Z轴负向放大机构与基座螺钉连接。

优选地，所述运动平台上表面设置有用于安装运动件的连接螺纹。

优选地，所述运动平台***设置有上盖板，所述上盖板架设于所述基座上。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明中采用基座保护Z轴负向放大机构，使Z轴负向放大机构不受外界干扰，以保证精密定位工作台正常工作，同时在横向方向上拥有更大的空间，结构更加紧凑，可以实现更大范围的运动。

(2)本发明中采用压电陶瓷驱动器，体积小、位移分辨率高、响应速度快、输出力大、换能效率高、静态不发热，有效提高定位平台运作的稳定性。

(3)本发明中对于压电陶瓷驱动器的预紧装置也有了很大程度上的改进，与以往的预紧装置相比，本发明的预紧装置的预紧螺母采用细牙螺纹，采用细牙螺纹防松防振效果好、可以精确微调预紧力，避免压电陶瓷在安装过程中的间隙所造成的运动误差和压电陶瓷的损坏。

(4)在本发明一种Z轴负向放大一维精密定位平台中，Z轴负向的运动由压电陶瓷驱动，通过新型Z轴负向放大机构，将压电陶瓷运动范围放大，其中平行板柔性铰链结构起到导向和辅助回复的作用，并且在柔性铰链的保护下，平台保持运动方向的一致性，而避免了垂直于运动方向的任何运动，以及外力的破坏。

(5)本发明所设计的Z轴负向放大机构具有行程范围大、精度高、结构简单、体积小、刚度大、灵敏度高、分辨率极高、纳米级、适宜作微动平台等优点，在微机电***、光学调整、超精密加工、STM(Scanning TunnelingMicroscope，扫描隧道显微镜)和AFM(Atomic Force Microscope，原子力显微镜)扫描平台、微纳操作、微小型机器人以及生物微操作等领域因其结构紧凑和易大范围精确定位而拥有广泛的应用前景。

附图说明

为了更清晰地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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Z轴负向放大一维精密定位平台结构示意图；

图2为本发明一种Z轴负向放大一维精密定位平台俯视图；

图3为本发明一种Z轴负向放大一维精密定位平台中Z轴负向放大机构的结构示意图。

其中：

1、基座；    2、Z轴负向放大机构；

21、输出件；    22、柔性臂；    23、压电陶瓷安装件；    24、底盘；    25、平行板；

3、运动平台；    31、连接螺纹；

4、上盖板；    5、柔性铰链；    6、压电陶瓷；

71～72、预紧螺母；    8、钢珠；    9、保护套。

具体实施方式

为了改善Z轴负向放大一维精密定位平台的输出性能，本发明公开了一种Z轴负向放大一维精密定位平台，在一个平面内采用Z轴负向一维的精密定位，并采用Z轴负向放大机构，有效得提高运动范围放大倍数，减小精密定位平台体积，使其更加紧凑，而且避免其他Z轴负向放大机构所带来的角度误差。

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

一种Z轴负向放大一维精密定位平台，包括Z轴负向放大机构2、用于保护Z轴负向放大机构2的基座1、位于Z轴负向放大机构1上方的运动平台3，以及设置在运动平台3***的上盖板4。其中，Z轴负向放大机构2通过螺纹孔与Z轴负向放大一维精密定位平台中基座1连接；Z轴负向放大一维精密定位平台中Z轴负向放大机构2是由线切割而成并且优选地具有八个铰链点，Z轴负向放大一维精密定位平台中运动平台3处有用于安装运动件的连接螺纹31。

如图1～图3所示，上述Z轴负向放大机构2包括若干柔性臂22、固定在柔性臂22两侧的平行板25、连接柔性臂22与运动平台3的输出件21、压电陶瓷安装件23以及与基座1连接固定的底盘24。其中，所述平行板25通过柔性铰链5与柔性臂22实现柔性连接，位于所述平行板25之间、所述Z轴负向放大机构2下方、所述底盘24上方的空间内设置有压电陶瓷6，所述压电陶瓷6通过设置在两侧的平行板25上的压电陶瓷安装件23固定。Z轴负向的运动由压电陶瓷6驱动，通过Z轴负向放大机构2，将压电陶瓷6运动范围放大。其中，平行板25与柔性铰链5的连接结构起到导向和辅助回复的作用，并且在柔性铰链5的保护下，平台保持运动方向的一致性，而避免了垂直于运动方向的任何运动，以及外力的破坏。

优选地，如图3所示，本发明Z轴负向放大一维精密定位平台中压电陶瓷6通过Z轴负向放大一维精密定位平台中预紧螺母71～72、钢珠8调整预紧力安装于Z轴负向放大一维精密定位平台的Z轴负向放大机构4之中，使得压电陶瓷6在Z轴负向放大机构2中准确定位。与以往的预紧装置相比，本发明中的预紧螺母71～72采用细牙螺纹，采用细牙螺纹防松防振效果好、可以精确微调预紧力，避免压电陶瓷6在安装过程中的间隙所造成的运动误差和压电陶瓷6自身的损坏。

如图1～图3所示，位于所述压电陶瓷6下方的底盘24上设置有容纳屏蔽线的保护套9，与上述压电陶瓷6连接的屏蔽线通过该保护套9穿出，该Z轴负向一维精密定位平台中压电陶瓷6的形变通过Z轴负向放大机构2放大，由柔性铰链5传递给运动平台3输出放大位移。

如图3所示，本发明优选实施方式中，Z轴负向放大一维精密定位平台中Z轴负向放大机构2，通过Z轴负向放大机构2的底盘24与Z轴负向放大一维精密定位平台中基座1连接。通过Z轴负向放大机构2的柔性臂22，将压电陶瓷6的位移放大输出到Z轴负向放大机构2的输出件21，输出件21与运动平台3连接，并将位移放大输出运动平台3。而本Z轴负向放大一维精密定位平台中Z轴负向放大机构2中的压电陶瓷安装件23又包括预紧螺母71～72和钢珠8，压电陶瓷安装件23通过该预紧螺母71～72和钢珠8为压电陶瓷6提供足够的预紧力，避免压电陶瓷6在安装过程中的间隙所造成的运动误差。

优选地，本Z轴负向放大一维精密定位平台中新型Z轴负向放大机构2的放大倍数约为4倍，大大提高了原有杠杆Z轴负向放大机构的位移放大倍数。

本发明中Z轴负向放大机构中之所以采用柔性臂22、柔性铰链5这样的柔性设计，一方面是因为柔性机构会有一定的弹性反力产生，使得Z轴负向放大机构2的输出位移相应的减少；另一方面柔性铰链5是由于材料的弹性形变产生的位移，所以在形变过程中有一部分能量被材料本身吸收，同时会使压电陶瓷6受较大的载荷，使其提供的驱动位移亦有减小。当外形尺寸受限，压电陶瓷确定的情况下，此结构能够获得更大的位移输出比。

本发明优选实施方式中，Z轴负向放大一维精密定位平台中基座1、柔性铰链2、Z轴负向放大机构4优选轻密度金属材料(如铝合金、钛合金等)，预紧螺母71～72优选重密度金属材料(如不锈钢、铜等)，压电陶瓷6一般为PZT5类似硬压电陶瓷材料等组成。

作为本发明的优选实施方式，为了结构的合理性，加工的可行性、成本等综合因素的考虑，本发明中的基座1和Z轴负向放大机构2是分开的，即由同种材质不同加工工艺加工而成。这样结构紧凑，且当外形尺寸受限且压电陶瓷确定的情况下，此结构能够获得更大的位移输出比。使用本精密定位工作台时，当给压电陶瓷6加上一个电压激励时压电陶瓷6即会发生形变，同时顶住钢珠8带动Z轴负向放大机构2向轴向运动，Z轴负向放大机构2带动安装在其运动平台3上部的***运动。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明中采用基座保护Z轴负向放大机构，使Z轴负向放大机构不受外界干扰，以保证精密定位工作台正常工作，同时在横向方向上拥有更大的空间，结构更加紧凑，可以实现更大范围的运动。

(2)本发明中采用压电陶瓷驱动器，体积小、位移分辨率高、响应速度快、输出力大、换能效率高、静态不发热，有效提高定位平台运作的稳定性。

(3)本发明中对于压电陶瓷驱动器的预紧装置也有了很大程度上的改进，与以往的预紧装置相比，本发明的预紧装置的预紧螺母采用细牙螺纹，采用细牙螺纹防松防振效果好、可以精确微调预紧力，避免压电陶瓷在安装过程中的间隙所造成的运动误差和压电陶瓷的损坏。

(4)在本发明一种Z轴负向放大一维精密定位平台中，Z轴负向的运动由压电陶瓷驱动，通过新型Z轴负向放大机构，将压电陶瓷运动范围放大，其中平行板柔性铰链结构起到导向和辅助回复的作用，并且在柔性铰链的保护下，平台保持运动方向的一致性，而避免了垂直于运动方向的任何运动，以及外力的破坏。

(5)本发明所设计的Z轴负向放大机构具有行程范围大、精度高、结构简单、体积小、刚度大、灵敏度高、分辨率极高、纳米级、适宜作微动平台等优点，在微机电***、光学调整、超精密加工、STM(Scanning TunnelingMicroscope，扫描隧道显微镜)和AFM(Atomic Force Microscope，原子力显微镜)扫描平台、微纳操作、微小型机器人以及生物微操作等领域因其结构紧凑和易大范围精确定位而拥有广泛的应用前景。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种Z轴负向放大一维精密定位平台，其特征在于：包括Z轴负向放大机构、用于保护Z轴负向放大机构的基座、位于Z轴负向放大机构上方的运动平台，所述Z轴负向放大机构包括若干柔性臂、固定在柔性臂两侧的平行板、连接柔性臂与运动平台的输出件、压电陶瓷安装件以及与基座连接固定的底盘，所述平行板通过柔性铰链与柔性臂柔性连接，位于所述平行板之间、所述Z轴负向放大机构下方、所述底盘上方的空间内设置有压电陶瓷，所述压电陶瓷通过设置在两侧的平行板上的压电陶瓷安装件固定。

2.根据权利要求1所述的Z轴负向放大一维精密定位平台，其特征在于：所述压电陶瓷安装件包括预紧螺母以及钢珠，与压电陶瓷柔性连接。

3.根据权利要求2所述的Z轴负向放大一维精密定位平台，其特征在于：所述预紧螺母采用细牙螺纹。

4.根据权利要求1所述的Z轴负向放大一维精密定位平台，其特征在于：所述Z轴负向放大机构的放大倍数为4倍。

5.根据权利要求1所述的Z轴负向放大一维精密定位平台，其特征在于：位于所述压电陶瓷下方的底盘上设置有容纳屏蔽线的保护套。

6.根据权利要求1所述的Z轴负向放大一维精密定位平台，其特征在于：所述Z轴负向放大机构与基座螺钉连接。

7.根据权利要求1所述的Z轴负向放大一维精密定位平台，其特征在于：所述运动平台上表面设置有用于安装运动件的连接螺纹。

8.根据权利要求1所述的Z轴负向放大一维精密定位平台，其特征在于：所述运动平台***设置有上盖板，所述上盖板架设于所述基座上。