CN108788792B - 一种平面驱动的可俯仰三自由度运动平台 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种平面驱动的可俯仰三自由度运动平台，包括：设于底座上的第一运动组件、第二运动组件、第三运动组件、动平台和两个具有倾斜面的楔形块；第三运动组件设于第一运动组件和第二运动组件之间，第一运动组件和第二运动组件的运动轨迹平行，且均与第三运动组件的运动轨迹垂直；两个楔形块分别设于第一运动组件和第二运动组件上，且两个楔形块的倾斜面相对；动平台设于第三运动组件上，且动平台的两侧分别与两个倾斜面滑动连接；当第一运动组件和第二运动组件同向运动时，动平台沿动平台的中心轴进行转动；当第一运动组件和第二运动组件反向运动时，动平台相对于底座上下移动。本发明可实现X、Y和θ_Y三自由度的解耦运动。

Description

一种平面驱动的可俯仰三自由度运动平台

技术领域

本发明涉及微电子制造加工领域，尤其涉及一种平面驱动的可俯仰三自由度运动平台。

背景技术

现今，随着精密数控加工、集成电路制造、微机电***加工制造、生物工程等产业日新月异的发展，制造业装备研发迫在眉睫。例如在微电子制造行业中，其产品在体积方面一直朝着小、轻、薄等方向发展，但功能上却日益强大、多元化。解决这样两个发展方向之间矛盾的最佳途径就是采用更精细的制造装备进行特征尺寸的加工，提高封装的密度。这样一来，就对制造装备的运动精度、行程、速度、加速度、自由度等指标提出了更高的要求。此外，例如数控加工、生物工程等领域对具有多自由度的高速精密运动平台也具有广泛需求。由此可以看出多自由度高速精密运动平台的重要性以及其愈发紧迫的研发要求。

在现有的运动平台研究中，平台设计多是数个单轴平台简单叠加，具有较多的连带环节及运动组件，运动误差积累严重，大部分难以同时满足多自由度和高精度。因此，提供一种结构精简严谨且能够实现精准运动的平台成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种平面驱动的可俯仰三自由度运动平台，可实现X、Y和θ_Y三自由度的解耦运动。

本发明实施例提供了一种平面驱动的可俯仰三自由度运动平台，包括：设于底座上的第一运动组件、第二运动组件、第三运动组件、动平台和两个具有倾斜面的楔形块；

所述第三运动组件设于所述第一运动组件和所述第二运动组件之间，所述第一运动组件和所述第二运动组件的运动轨迹平行，且均与所述第三运动组件的运动轨迹垂直；

两个所述楔形块分别设于所述第一运动组件和所述第二运动组件上，且两个所述楔形块的倾斜面相对；

所述动平台设于所述第三运动组件上，且所述动平台的两侧分别与两个所述倾斜面滑动连接；

当所述第一运动组件和所述第二运动组件同向运动时，所述动平台沿所述动平台的中心轴进行转动；

当所述第一运动组件和所述第二运动组件反向运动时，所述动平台相对于所述底座上下移动。

优选地，所述动平台包括：粗杆、细杆和工作平台；

所述粗杆固定连接于所述第三运动组件上，所述粗杆具有轴心孔，所述轴心孔用于容纳所述细杆的第一端，使得所述细杆可在所述粗杆内相对于所述底座上下移动；

所述工作平台具有第一中心孔，所述第一中心孔用于容纳所述细杆的第二端，所述工作平台与所述细杆的第二端转动连接，所述工作平台可绕二者的连接处进行转动。

优选地，所述细杆的第二端具有第二中心孔，所述工作平台在所述第一中心孔处具有穿过所述第二中心孔的横轴，且所述横轴与所述倾斜面平行。

优选地，每个所述楔形块的倾斜面上设置有第一导轨和安装于所述第一导轨上的滑块，每个所述滑块具有柱形滑槽，所述工作平台的两侧设有与所述柱形滑槽相匹配的圆柱。

优选地，所述第一运动组件、所述第二运动组件和所述第三运动组件均包括：宏运动件和与所述宏运动件弹性连接的宏微运动件，两者之间设有压电陶瓷；

两个所述楔形块分别固定连接于所述第一运动组件和所述第二运动组件的宏微运动件上，所述粗杆固定连接于所述第三运动组件的宏微运动件上。

优选地，所述宏运动件上具有延伸件，所述延伸件具有空槽，所述宏微运动件上具有容纳所述延伸件的空腔，所述空腔上设有用于嵌入所述空槽非端部的凸起。

优选地，所述压电陶瓷设置在所述空槽内并位于所述凸起的一侧，所述空槽内且所述凸起的另一侧设有高钢弹簧。

优选地，本发明实施例提供的一种平面驱动的可俯仰三自由度运动平台还包括：三个与所述第一运动组件、所述第二运动组件和所述第三运动组件一一对应的驱动装置，三个所述驱动装置安装于所述底座上。

优选地，每个所述驱动装置两侧设有第二导轨，所述第二导轨用于设置运动组件。

优选地，所述驱动装置为直线电机。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例提供了一种平面驱动的可俯仰三自由度运动平台，包括：设于底座上的第一运动组件、第二运动组件、第三运动组件、动平台和两个具有倾斜面的楔形块；第三运动组件设于第一运动组件和第二运动组件之间，第一运动组件和第二运动组件的运动轨迹平行，且均与第三运动组件的运动轨迹垂直；两个楔形块分别设于第一运动组件和第二运动组件上，且两个楔形块的倾斜面相对；动平台设于第三运动组件上，且动平台的两侧分别与两个倾斜面滑动连接；当第一运动组件和第二运动组件同向运动时，动平台沿动平台的中心轴进行转动；当第一运动组件和第二运动组件反向运动时，动平台相对于底座上下移动。本发明通过多组运动组件配合楔形块进行两个垂直方向上的运动，使得与楔形块滑动连接的动平台能够实现X、Y方向上的运动，且能够以自身中心轴实现转动，实现三自由度解耦运动。

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它的附图。

图1为本发明提供的一种平面驱动的可俯仰三自由度运动平台的一个实施例的结构示意图；

图2为本发明提供的一种平面驱动的可俯仰三自由度运动平台的***图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种平面驱动的可俯仰三自由度运动平台，可实现X、Y和θ_Y三自由度的解耦运动。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供的一种平面驱动的可俯仰三自由度运动平台的一个实施例，包括：

设于底座上的第一运动组件、第二运动组件、第三运动组件、动平台和两个具有倾斜面的楔形块5300、5400；

第三运动组件设于第一运动组件和第二运动组件之间，第一运动组件和第二运动组件的运动轨迹平行，且均与第三运动组件的运动轨迹垂直；

两个楔形块分别设于第一运动组件和第二运动组件上，且两个楔形块5300、5400的倾斜面相对；

动平台设于第三运动组件上，且动平台的两侧分别与两个倾斜面滑动连接；

当第一运动组件和第二运动组件同向运动时，动平台沿动平台的中心轴进行转动；

当第一运动组件和第二运动组件反向运动时，动平台相对于底座上下移动。

本发明通过多组运动组件配合楔形块进行两个垂直方向上的运动，使得与楔形块滑动连接的动平台能够实现X、Y方向上的运动，且能够以自身中心轴实现转动，实现三自由度解耦运动。

在本实施例中，第一运动组件、第二运动组件和第三运动组件相似，以第三运动组件为例作为说明，如图2所示，第三运动组件包括：宏运动件3012和与宏运动件弹性连接的宏微运动件3013，两者之间设有压电陶瓷3017。宏运动件3012上具有延伸件，延伸件具有空槽，宏微运动件3013上具有容纳延伸件的空腔，空腔上设有用于嵌入空槽非端部的凸起。压电陶瓷3017设置在空槽内并位于凸起的一侧，空槽内且凸起的另一侧设有高钢弹簧3014。第一运动组件、第二运动组件的结构与第三运动组件类似，此处不做赘述。

此处对压电陶瓷形变后带动宏微运动件的过程进行说明：由于宏微运动件的凸起两侧分别放置压电陶瓷和高钢弹簧，压电陶瓷未上电时，高压弹簧此时的弹力通过凸起对压电陶瓷进行挤压作用(顶紧压电陶瓷)，防止压电陶瓷发生形变。陶瓷上电后，陶瓷本身发生形变对凸起施加一个压力，该压力大于弹簧此时的弹力，因此在力的作用下，宏微运动件发生位移即微运动。

底座上还安装有三个与第一运动组件、第二运动组件和第三运动组件一一对应的驱动装置3011、5111和5211，该驱动装置可以为直线电机。需要说明的是，每组运动组件的宏运动件上具有L型运动件，为电子的动子，电子的定子即该驱动装置固定在底座上，当定子通电后，二者之间产生磁力推动动子进行直线运动，即带动了宏运动件的直线运动，宏运动件则带动了整个运动组件的直线运动，进而带动了动平台的宏运动。

每个驱动装置两侧设有第二导轨(如驱动装置3011对应的第二导轨3020，驱动装置5111对应的第二导轨5120，驱动装置5211对应的第二导轨5220)，第二导轨用于设置运动组件。可以理解的是，由于有三个驱动装置，因此每一个驱动装置两侧均设置有一对导轨(即第二导轨)，每对导轨用于设置对应的运动组件，使得运动组件在导轨上进行宏运动和微运动。

在本实施例中，动平台包括：粗杆4010、细杆4020和工作平台1000；

粗杆4010固定连接于第三运动组件上，粗杆4010具有轴心孔，轴心孔用于容纳细杆4020的第一端，使得细杆4020可在粗杆内相对于底座上下移动。可以理解的是，粗杆4010和细杆4020同轴设置。

工作平台1000具有第一中心孔，第一中心孔用于容纳细杆4020的第二端，细杆4020的第二端具有第二中心孔，工作平台1000在第一中心孔处具有穿过第二中心孔的横轴，且横轴与倾斜面平行。

两个楔形块5300、5400的结构一致，此处楔形块5300作为说明，楔形块5300的倾斜面上设置有第一导轨5310和安装于第一导轨5310上的滑块5311，滑块5311具有柱形滑槽，工作平台的两侧设有与柱形滑槽相匹配的圆柱，需要说明的是，圆柱嵌入柱形滑槽中，由于圆形滑槽的长度小于圆柱，因此，圆柱不仅可在滑槽中进行转动，也可在滑槽中进行沿圆柱轴心方向上的滑动。

由于两个楔形块5300、5400分别固定连接于第一运动组件和第二运动组件的宏微运动件5113、5213上，粗杆4010固定连接于第三运动组件的宏微运动件3013上，当第三运动组件发生运动时，设其运动方向为X方向，若为宏运动，则此时宏运动件3012和宏微运动件3013一起进行直线运动，故带动了动平台进行X方向上的宏运动(若为微运动，则只有宏微运动件3013进行直线运动，进而带动动平台进行X方向上的微运动)，该运动过程中，工作平台两侧的圆柱进行沿圆柱轴心方向的滑动，即圆柱与滑块发生相对运动。需要说明的是，以下对Y方向、θ_Y两个自由度上的运动，其宏运动均为宏运动件和宏微运动件一起进行直线运动，微运动均为宏微运动件进行直线运动，之后不再赘述。

而第一运动组件和第二运动组件位于同一直线上，二者的驱动由各自的驱动源控制，因此，二者的运动速度可以控制为相同也可以控制为不同，可根据实际需求进行调节。

当第一运动组件和第二运动组件进行相向运动或背向运动时，且二者的运动速度一致，无论是同时进行宏运动还是同时进行微运动，两个楔形块以同样的速度进行相向运动或背向运动，即两个楔形块同时靠近工作平台或同时远离工作平台，则楔形块上的滑块沿倾斜面进行上升或下降，由于工作平台两侧有嵌入滑块柱形滑槽中的圆柱，在力的作用下，使得工作平台平稳上升或下降(细杆在粗杆内完成上下移动以实现平台的上下移动)，即完成了Y方向上的宏运动或微运动。

当第一运动组件和第二运动组件进行同向运动时，设其为宏运动，二者的运动速度可以相同也可以不同，两个楔形块也进行同向运动，则其中一个楔形块靠近工作平台，另一个楔形块远离工作平台，此时一个滑块上升另一个滑块下降，在力的作用下，工作平台两侧的圆柱在滑块的滑槽内进行转动，使得工作平台沿其第一中心孔所在的中心轴进行旋转，即完成θ_Y的调节。

本发明为一种并联的宏微两级三自由度新型解耦形式，即宏驱动和微驱动共六个驱动源协调运动，可实现三自由度的任意组合及其宏微切换。

更进一步地，本发明中的驱动源均水平放置，通过稳定的契型结构实现动平台的角度位移，更具驱动稳定性。各运动组件直接连接动平台与定平台(基座)，最终运动误差无串联机构中的误差积累，同样运动条件下，将有较高的运动精度。驱动源和运动组件对称布置在基座上接近动平台的位置，重心位置好，避免了驱动源本身重量所引起的惯性矩，整个机构具有较好的各向同性和良好的运动轨迹规划特性。

由于动平台分别与各运动组件形成封闭回路，机构刚度有很大提高，从而具有较高推力、响应速度、承载能力，每组运动组件均采用宏微共轨的复合驱动形式，可实现宏运动与微运动的即时动态切换。其中高性能直线电机驱动的宏运动使机构具有高速，高加速。压电陶瓷驱动的微运动，可有效弥补传动环节带来的误差，相互抑制振动产生，显著提升平台的定位精度。最终实现高速运动环境下的精密生成。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种平面驱动的可俯仰三自由度运动平台，其特征在于，包括：设于底座上的第一运动组件、第二运动组件、第三运动组件、动平台和两个具有倾斜面的楔形块；

所述第三运动组件设于所述第一运动组件和所述第二运动组件之间，所述第一运动组件和所述第二运动组件的运动轨迹平行，且均与所述第三运动组件的运动轨迹垂直；

两个所述楔形块分别设于所述第一运动组件和所述第二运动组件上，且两个所述楔形块的倾斜面相对；

所述动平台设于所述第三运动组件上，且所述动平台的两侧分别与两个所述倾斜面滑动连接；

当所述第一运动组件和所述第二运动组件同向运动时，所述动平台沿所述动平台的中心轴进行转动；

当所述第一运动组件和所述第二运动组件反向运动时，所述动平台相对于所述底座上下移动。

2.根据权利要求1所述的平面驱动的可俯仰三自由度运动平台，其特征在于，所述动平台包括：粗杆、细杆和工作平台；

所述粗杆固定连接于所述第三运动组件上，所述粗杆具有轴心孔，所述轴心孔用于容纳所述细杆的第一端，使得所述细杆可在所述粗杆内相对于所述底座上下移动；

所述工作平台具有第一中心孔，所述第一中心孔用于容纳所述细杆的第二端，所述工作平台与所述细杆的第二端转动连接，所述工作平台可绕二者的连接处进行转动。

3.根据权利要求2所述的平面驱动的可俯仰三自由度运动平台，其特征在于，所述细杆的第二端具有第二中心孔，所述工作平台在所述第一中心孔处具有穿过所述第二中心孔的横轴，且所述横轴与所述倾斜面平行。

4.根据权利要求3所述的平面驱动的可俯仰三自由度运动平台，其特征在于，每个所述楔形块的倾斜面上设置有第一导轨和安装于所述第一导轨上的滑块，每个所述滑块具有柱形滑槽，所述工作平台的两侧设有与所述柱形滑槽相匹配的圆柱。

5.根据权利要求4所述的平面驱动的可俯仰三自由度运动平台，其特征在于，所述第一运动组件、所述第二运动组件和所述第三运动组件均包括：宏运动件和与所述宏运动件弹性连接的宏微运动件，两者之间设有压电陶瓷；

两个所述楔形块分别固定连接于所述第一运动组件和所述第二运动组件的宏微运动件上，所述粗杆固定连接于所述第三运动组件的宏微运动件上。

6.根据权利要求5所述的平面驱动的可俯仰三自由度运动平台，其特征在于，所述宏运动件上具有延伸件，所述延伸件具有空槽，所述宏微运动件上具有容纳所述延伸件的空腔，所述空腔上设有用于嵌入所述空槽非端部的凸起。

7.根据权利要求6所述的平面驱动的可俯仰三自由度运动平台，其特征在于，所述压电陶瓷设置在所述空槽内并位于所述凸起的一侧，所述空槽内且所述凸起的另一侧设有高钢弹簧。

8.根据权利要求1所述的平面驱动的可俯仰三自由度运动平台，其特征在于，还包括：三个与所述第一运动组件、所述第二运动组件和所述第三运动组件一一对应的驱动装置，三个所述驱动装置安装于所述底座上。

9.根据权利要求8所述的平面驱动的可俯仰三自由度运动平台，其特征在于，每个所述驱动装置两侧设有第二导轨，所述第二导轨用于设置运动组件。

10.根据权利要求8所述的平面驱动的可俯仰三自由度运动平台，其特征在于，所述驱动装置为直线电机。