CN110189791B - 基于双向预紧的初始转角误差可调节的微纳平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于双向预紧的初始转角误差可调节的微纳平台，所述微纳平台包括：平台(1)、压电陶瓷驱动器(2)、连接块(3)、第一固定端(5)、第二固定端(6)、第一放大杠杆(7)、第二放大杠杆(8)、第一连接板簧(9)、第二连接板簧(10)、导向板簧(11)、中心平台(12)、光栅读数头(13)、光栅玻璃尺(14)、第一压块(15)、第二压块(16)、支架(17)、预紧弹簧(18)、预紧螺钉(19)；通过本微纳平台的可调节方式能够对存在的缺陷进行补偿。

Description

基于双向预紧的初始转角误差可调节的微纳平台

技术领域

本发明涉及一种微纳平台，具体涉及一种基于双向预紧的初始转角误差可调节的微纳平台，属于精密工程微定位平台领域。

背景技术

随着近年来超精密机械制造、微型机器人操作、精密光学测量仪器及生物医学微观操作等领域的发展，具有亚微米甚至纳米级分辨力的微纳操作平台的设计日益成为限制上述等领域发展的关键技术。20世纪80年代，A.Midha和L.L.Howell提出了柔顺机构的概念，极大的促进了微纳操作平台设计方法的发展，打开了全新的设计理念。此外，压电陶瓷这一智能驱动器件的日益成熟，以及其本身高频率响应，高刚度等优点，也为微纳平台的性能提升提供了有效途径，压电陶瓷驱动型微纳平台越来越广泛的受到关注。

中国专利CN102324253A提出了一种基于压电陶瓷驱动器驱动的并联微定位平台及微定位平台***，以及文献CN102543217A提出了宏微驱动二维一体式微定位平台，上述两种设计方案均采用压电陶瓷驱动实现精密运动定位，而微纳平台本体均采用线切割一体式成型工艺，在上述加工过程中难免会由于加工误差及材料不均匀性等因素造成整体结构不对称，因此在驱动过程中中心工作平台会产生偏转误差，而该误差在上述平台中是无法补偿的。

发明内容

针对目前微纳平台加工过程中存在的不可避免的缺陷提出了一种基于双向预紧的初始转角误差可调节的微纳平台，通过可调节的方式对存在的缺陷进行补偿。

针对上述问题，本发明提供一种基于双向预紧的初始转角误差可调节的微纳平台，其结构简单、操作方便。

本发明采取的技术方案为：

基于双向预紧的初始转角误差可调节的微纳平台，包括平台、压电陶瓷驱动器、连接块、楔形块、第一固定端、第二固定端、第一放大杠杆、第二放大杠杆、第一连接板簧、第二连接板簧、导向板簧、中心平台、光栅读数头、光栅玻璃尺、第一压块、第二压块、支架、预紧弹簧、预紧螺钉、调整螺钉、气浮平台、光栅调整螺钉；平台为横截面为正方形的方形块结构，平台相邻两个侧边设有容纳压电陶瓷驱动器的空心腔，压电陶瓷驱动器两端分别与连接块接触，所述连接块为T形结构，连接块一端设有与压电陶瓷驱动器接触的球形凹槽，连接块外侧分别与第一固定端和第二固定端配合，所述第一固定端和第二固定端为方形结构，第一固定端和第二固定端相对一侧设有容纳连接块的T形槽，第一固定端和第二固定端外侧分别通过铰链与第一放大杠杆和第二放大杠杆连接，所述第一放大杠杆和第二放大杠杆为L形结构，第一放大杠杆和第二放大杠杆中部外侧端面通过铰链与平台基体连接，第一放大杠杆和第二放大杠杆另一端面分别与第一连接板簧和第二连接板簧一端连接，第一连接板簧和第二连接板簧另一端与中心平台中心位置连接，所述中心平台为正方形结构，中心平台四角位置分别通过导向板簧与平台基体连接，平台远离容纳压电陶瓷驱动器空心腔的相邻两边分别设置一个光栅读数头，与第一放大杠杆和第二放大杠杆外侧相对的平台基体内部分别设有容纳预紧弹簧和预紧螺钉的螺纹孔，所述预紧弹簧一端与第一放大杠杆或第二放大杠杆外端面接触，另一端与预紧螺钉里端接触，预紧螺钉与预紧弹簧接触一端设有圆柱形凸起，所述凸起与预紧弹簧之间采用过盈配合，预紧螺钉与平台基体之间采用细牙螺纹配合，预紧弹簧自由长度大于预紧螺钉与第一放大杠杆或第二放大杠杆外端面之间的最大间距。

其中，将所述连接块为设计为T形结构的作用是连接压电陶瓷和固定端，T形连接块可拆卸与安装，方便使用。球形凹槽可以安装一端是球形突出的压电陶瓷，如果一端是平面的压电陶瓷，可以更换为端面是平面的T形连接块。

其中，将第一固定端和第二固定端为方形结构目的是为了提供较大的内部空间，同时为对称结构，可为压电陶瓷和T形连接块提供空间。

其中，第一固定端和第二固定端相对一侧设有容纳连接块的T形槽，设计为T形槽的目的是限制压电陶瓷和T形连接块发生偏转，同时保护压电陶瓷端口与外部平台接触。

其中，所述第一放大杠杆和第二放大杠杆为L形结构，L形可将压电陶瓷的横向输出力和位移传递到与它垂直的中心平台上，使得结构紧凑。

其中，本发明的原理为：压电陶瓷输出位移通过对称式的L型杠杆放大机构进行位移放大传递到运动平台，使运动平台动作；在对称式的L型杠杆放大机构的外侧两端设置的预紧机构可以单独调节，实现对压电陶瓷的预紧同时可以调节机构加工中的偏转误差。

优选的，所述压电陶瓷驱动器两端设有半球形凸起，所述半球形凸起的半径与连接块一端设有的球形凹槽半径相等。

优选的，所述连接块外侧设有斜面，所述斜面与楔形块配合，所述楔形块水平截面呈直角梯形，楔形块长底边一面与调整螺钉端部配合，两个斜面接触，可以互相滑动，有利于调整位移和预紧螺栓，可以调整间隙两个外端之间的位移。

优选的，所述第二固定端的T形槽侧面设有容纳调整螺钉的内螺纹孔，所述螺纹规格与调整螺钉外螺纹规格配合。

优选的，所述第一压块和第二压块与光栅玻璃尺配合的端面上一侧设有长条凸起，所述长条凸起配合在光栅玻璃尺外表面，长条凸起便于玻璃尺的安装调节，第一压块和第二压块与中心平台容纳光栅玻璃尺的方形槽之间采用间隙配合。

优选的，所述中心平台容纳光栅玻璃尺的方形槽两端面中心位置设有水平螺纹孔，所述水平螺纹孔与光栅调整螺钉，所述第一压块和第二压块与光栅调整螺钉配合一面的中心位置设有半球形凹槽，光栅调整螺钉一端与所述半球形凹槽面配合，凹槽配合输出的力和位移始终在与球心得一条线上，不会发生偏转。

优选的，所述第一压块和第二压块截面为L型结构，L型结构便于与光栅和平台基体的连接，第一压块竖直方向设有直线状半开槽，半开槽用于光栅安装时的调节，所述半开槽上端为非开放端，下端为开放端。

优选的，所述导向板簧为L形结构，导向板簧采用双层板簧结构设计，双层板簧增加导向机构的刚度，L型结构实现XYf方向的运动解耦，所述双层板簧结构的厚度均相等。

优选的，所述光栅读数头通过支架固定在平台上表面，中心平台与光栅读数头相对的两个临边设置有容纳光栅玻璃尺的方形槽，所述光栅玻璃尺两端分别与第一压块和第二压块接触。

优选的，所述光栅玻璃尺与光栅读数头相对一面中心位置设有零点标记，零点标记便于寻找运动初始位置。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

由于本发明采用了上述技术方案，在对称式L型放大机构两端设置的分别单独调节的预紧机构可以通过单独调节两预紧机构实现L型放大机构的位置姿态调整，从而实现中心平台初始状态的调整，可以实现压电陶瓷驱动器两端预紧力的可调节，通过设置预紧力差值实现中心平台初始状态时的转角姿态，进而实现中心平台初始转角误差的调节，有效克服操作过程中误差因素的同时提高了中心平台运动过程中的精度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1为本发明的立体结构图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明的局部剖视图；

图4为本发明的输出位移激光干涉仪检测图；

图5为本发明的输出位移激光干涉仪检测俯视图；

图6为本发明的光栅玻璃尺装配图；

图7为本发明的第一压块结构图；

图8为本发明的原理示意图；

图中：1-平台、2-压电陶瓷驱动器、3-连接块、4-楔形块、5-第一固定端、6-第二固定端、7-第一放大杠杆、8-第二放大杠杆、9-第一连接板簧、10-第二连接板簧、11-导向板簧、12-中心平台、13-光栅读数头、14-光栅玻璃尺、15-第一压块、16-第二压块、17-支架、18-预紧弹簧、19-预紧螺钉、20-调整螺钉、21-气浮平台、22-光栅调整螺钉、23-反射平面镜、24-激光干涉仪、25-支撑架。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例1：

如图1、图2、图3、图6、图7、图8所示，基于双向预紧的初始转角误差可调节的微纳平台，包括平台1、压电陶瓷驱动器2、连接块3、楔形块4、第一固定端5、第二固定端6、第一放大杠杆7、第二放大杠杆8、第一连接板簧9、第二连接板簧10、导向板簧11、中心平台12、光栅读数头13、光栅玻璃尺14、第一压块15、第二压块16、支架17、预紧弹簧18、预紧螺钉19、调整螺钉20、气浮平台21、光栅调整螺钉22；平台1为截面为正方形的方形块结构，平台1相邻两个侧边设有容纳压电陶瓷驱动器2的空心腔，压电陶瓷驱动器2两端分别与连接块3接触，所述连接块3为T形结构，连接块3一端设有与压电陶瓷驱动器2接触的球形凹槽，连接块3外侧分别与第一固定端5和第二固定端6配合，所述第一固定端5和第二固定端6为方形结构，第一固定端5和第二固定端6相对一侧设有容纳连接块3的T形槽，第一固定端5和第二固定端6外侧分别通过铰链与第一放大杠杆7和第二放大杠8杆连接，所述第一放大杠杆7和第二放大杠杆8为L形结构，第一放大杠杆7和第二放大杠杆8中部外侧端面通过铰链与平台1基体连接，第一放大杠杆7和第二放大杠杆8另一端面分别与第一连接板簧9和第二连接板簧10一端连接，第一连接板簧9和第二连接板簧10另一端与中心平台12中心位置连接，所述中心平台12为正方形结构，中心平台12四角位置分别通过导向板簧11与平台1基体连接，平台1远离容纳压电陶瓷驱动器2空心腔的相邻两边分别设置一个光栅读数头13，与第一放大杠杆7和第二放大杠杆8外侧相对的平台1基体内部分别设有容纳预紧弹簧18和预紧螺钉19的螺纹孔，所述预紧弹簧18一端与第一放大杠杆7或第二放大杠杆8外端面接触，另一端与预紧螺钉19里端接触，预紧螺钉19与预紧弹簧18接触一端设有圆柱形凸起，所述凸起与预紧弹簧18之间采用过盈配合，预紧螺钉19与平台1基体之间采用细牙螺纹配合，预紧弹簧18自由长度大于预紧螺钉19与第一放大杠杆7或第二放大杠杆8外端面之间的最大间距；所述压电陶瓷驱动器2两端设有半球形凸起，所述半球形凸起的半径与连接块3一端设有的球形凹槽半径相等；所述连接块3外侧设有斜面，所述斜面与楔形块4配合，所述楔形块4水平截面呈直角梯形，楔形块4长底边一面与调整螺钉20端部配合；所述第二固定端6的T形槽侧面设有容纳调整螺钉20的内螺纹孔，所述螺纹规格与调整螺钉20外螺纹规格配合；所述第一压块15和第二压块16与光栅玻璃尺14配合的端面上一侧设有长条凸起，所述长条凸起配合在光栅玻璃尺14外表面，第一压块15和第二压块16与中心平台12容纳光栅玻璃尺14的方形槽之间采用间隙配合；所述中心平台12容纳光栅玻璃尺14的方形槽两端面中心位置设有水平螺纹孔，所述水平螺纹孔与光栅调整螺钉22，所述第一压块15和第二压块16与光栅调整螺钉22配合一面的中心位置设有半球形凹槽，光栅调整螺钉22一端与所述半球形凹槽面配合；所述第一压块15和第二压块16截面为L型结构，第一压块15竖直方向设有直线状半开槽，所述半开槽上端为非开放端，下端为开放端；所述导向板簧11为L形结构，导向板簧11采用双层板簧结构设计，所述双层板簧结构的厚度均相等；所述光栅读数头13通过支架17固定在平台1上表面，中心平台12与光栅读数头13相对的两个临边设置有容纳光栅玻璃尺14的方形槽，所述光栅玻璃尺14两端分别与第一压块15和第二压块16接触；所述光栅玻璃尺与光栅读数头相对一面中心位置设有零点标记。

实施例2：

如图4和图5所示，基于双向预紧的初始转角误差可调节的微纳平台，包括平台1、压电陶瓷驱动器2、连接块3、楔形块4、第一固定端5、第二固定端6、第一放大杠杆7、第二放大杠杆8、第一连接板簧9、第二连接板簧10、导向板簧11、中心平台12、第一压块15、第二压块16、预紧弹簧18、预紧螺钉19、调整螺钉20、气浮平台21、反射平面镜23、激光干涉仪24、支撑架25；平台1为截面为正方形的方形块结构，平台1相邻两个侧边设有容纳压电陶瓷驱动器2的空心腔，压电陶瓷驱动器2两端分别与连接块3接触，所述连接块3为T形结构，连接块3一端设有与压电陶瓷驱动器2接触的球形凹槽，连接块3外侧分别与第一固定端5和第二固定端6配合，所述第一固定端5和第二固定端6为方形结构，第一固定端5和第二固定端6相对一侧设有容纳连接块3的T形槽，第一固定端5和第二固定端6外侧分别通过铰链与第一放大杠杆7和第二放大杠8杆连接，所述第一放大杠杆7和第二放大杠杆8为L形结构，第一放大杠杆7和第二放大杠杆8中部外侧端面通过铰链与平台1基体连接，第一放大杠杆7和第二放大杠杆8另一端面分别与第一连接板簧9和第二连接板簧10一端连接，第一连接板簧9和第二连接板簧10另一端与中心平台12中心位置连接，所述中心平台12为正方形结构，中心平台12四角位置分别通过导向板簧11与平台1基体连接，平台1安装在气浮平台21上面，中心平台12借助第一压块15和第二压块16将反射平面镜23固定，利用支撑架25将激光干涉仪24对应安装在气浮平台21上表面，此实施例可以实现借助激光干涉仪24进行位移测量。

由于本发明采用了上述技术方案，可以实现压电陶瓷驱动器2两端预紧力的人为调节，通过设置预紧力差值实现中心平台12初始状态时的转角姿态，进而实现中心平台12初始转角误差的调节，有效克服操作过程中误差因素的同时提高了中心平台运动过程中的精度，此外该设计可以满足光栅尺和激光干涉仪24两种测量方式，灵活性高。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.基于双向预紧的初始转角误差可调节的微纳平台，其特征在于，所述微纳平台包括：

平台（1）、压电陶瓷驱动器（2）、连接块（3）、第一固定端（5）、第二固定端（6）、第一放大杠杆（7）、第二放大杠杆（8）、第一连接板簧（9）、第二连接板簧（10）、导向板簧（11）、中心平台（12）、光栅读数头（13）、光栅玻璃尺（14）、第一压块（15）、第二压块（16）、支架（17）、预紧弹簧（18）、预紧螺钉（19）；平台（1）相邻两个侧边设有两个箱体的第一结构，其中一个第一结构为：平台（1）侧边设有容纳压电陶瓷驱动器（2）的空心腔，压电陶瓷驱动器（2）两端分别与2个连接块（3）各自的一端接触，2个连接块（3）各自的另一端分别与第一固定端（5）和第二固定端（6）配合，第一固定端（5）和第二固定端（6）的外侧分别通过铰链与第一放大杠杆（7）的一端和第二放大杠杆（8）的一端连接，第一放大杠杆（7）和第二放大杠杆（8）的外侧端面均通过铰链与平台（1）基体连接，第一放大杠杆（7）的另一端和第二放大杠杆（8）另一端面分别与第一连接板簧（9）的一端和第二连接板簧（10）的一端连接，第一连接板簧（9）的另一端和第二连接板簧（10）另一端均与中心平台（12）的中心位置连接，中心平台（12）的每个端角分别通过导向板簧（11）与平台（1）的基体连接；平台（1）远离容纳压电陶瓷驱动器（2）空心腔的相邻两边分别设置有第二结构，其中一个第二结构为：平台（1）远离容纳压电陶瓷驱动器（2）空心腔的侧边设置有一个光栅读数头（13），与第一放大杠杆（7）和第二放大杠杆（8）外侧相对的平台（1）基体内部分别设有容纳预紧弹簧（18）和预紧螺钉（19）的螺纹孔，所述预紧弹簧（18）一端与第一放大杠杆（7）或第二放大杠杆（8）外端面接触，所述预紧弹簧（18）的另一端与预紧螺钉（19）里端接触；

压电陶瓷驱动器（2）两端设有半球形凸起，所述半球形凸起的半径与连接块（3）一端设有的球形凹槽半径相等；

所述微纳平台还包括楔形块（4）和调整螺钉（20），连接块（3）外侧设有斜面，所述斜面与楔形块（4）配合，所述楔形块（4）水平截面呈直角梯形，楔形块（4）长底边一面与调整螺钉（20）端部配合。

2.根据权利要求1所述的基于双向预紧的初始转角误差可调节的微纳平台，其特征在于，第二固定端（6）的T形槽侧面设有容纳调整螺钉（20）的内螺纹孔，所述内螺纹孔的螺纹规格与调整螺钉（20）外螺纹规格配合。

3.根据权利要求1所述的基于双向预紧的初始转角误差可调节的微纳平台，其特征在于，第一压块（15）和第二压块（16）与光栅玻璃尺（14）配合的端面上一侧设有长条凸起，所述长条凸起配合在光栅玻璃尺（14）外表面，第一压块（15）和第二压块（16）与中心平台（12）容纳光栅玻璃尺（14）的方形槽之间采用间隙配合。

4.根据权利要求1所述的基于双向预紧的初始转角误差可调节的微纳平台，其特征在于，中心平台（12）容纳光栅玻璃尺（14）的方形槽两端面中心位置设有水平螺纹孔，所述水平螺纹孔与光栅调整螺钉（22），所述第一压块（15）和第二压块（16）与光栅调整螺钉（22）配合一面的中心位置设有半球形凹槽，光栅调整螺钉（22）一端与所述半球形凹槽面配合。

5.根据权利要求1所述的基于双向预紧的初始转角误差可调节的微纳平台，其特征在于，第一压块（15）和第二压块（16）截面为L型结构，第一压块（15）竖直方向设有直线状半开槽，所述半开槽上端为非开放端，下端为开放端。

6.根据权利要求1所述的基于双向预紧的初始转角误差可调节的微纳平台，其特征在于，导向板簧（11）为L形结构，导向板簧（11）采用双层板簧结构设计，所述双层板簧结构的厚度均相等。

7.根据权利要求1所述的基于双向预紧的初始转角误差可调节的微纳平台，其特征在于，光栅读数头（13）通过支架（17）固定在平台（1）上表面，中心平台（12）与光栅读数头（13）相对的两个临边设置有容纳光栅玻璃尺（14）的方形槽，所述光栅玻璃尺（14）两端分别与第一压块（15）和第二压块（16）接触。

8.根据权利要求1所述的基于双向预紧的初始转角误差可调节的微纳平台，其特征在于，光栅玻璃尺（14）与光栅读数头（13）相对一面中心位置设有零点标记。