CN110310695A - 一种变摩擦力混联式两自由度粘滑驱动精密定位平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变摩擦力混联式两自由度粘滑驱动精密定位平台，基座上有两个Y向导轨支撑凸台，每个Y向导轨支撑凸台外侧有Y向交叉滚子导轨；基座中间有位移输入机构，采用双平行板式柔性铰链及并联对称结构，中央为方形平台，方形平台中心有Z轴压电陶瓷驱动器，Z轴压电陶瓷驱动器上有球头帽；位移输入机构外侧有相互垂直X轴压电陶瓷驱动器和Y轴压电陶瓷驱动器；中间连接层中心为矩形通孔，设置一对X向导轨支撑凸台，每个X向导轨支撑凸台外侧有X向交叉滚子导轨；方形平台上有摩擦块，摩擦块中心有方形位移台，方形位移台顶端有摩擦垫片。本发明适用于微电子制造、生物医疗工程、微纳操作及超精密加工等领域。

Description

一种变摩擦力混联式两自由度粘滑驱动精密定位平台

技术领域

本发明涉及精密定位平台，更具体的说，是涉及一种变摩擦力混联式两自由度粘滑驱动精密定位平台。

背景技术

随着微电子制造、生物医疗工程、微纳操作及超精密加工等领域的不断发展，这些领域对大行程精密定位平台也提出了更高的要求。目前的微定位平台技术已经取得了很大发展，但在多自由度大行程精密定位方面仍有较大提升空间，同时对分辨率、负载能力等方面也有了越来越高的要求。

传统的大行程精密定位平台通常采用电机驱动与导轨导向的结构形式，可以实现大行程定位及较大的负载能力，然而由于电机的精度及分辨率限制，无法满足微纳操作等领域的高精度定位需求。与传动电机相比，压电陶瓷驱动器刚度大、体积小、分辨率高，与柔性铰链配合使用后可实现纳米级精密定位，但受制于驱动器行程及铰链应力，柔性微定位平台最大行程通常限制在微米级别。

为在毫米级行程内实现微纳级精密定位，采用粘滑机理的压电驱动定位平台已经得到了较为广泛的应用。通过利用最大静摩擦力和滑动摩擦力之间的差异控制被驱动物体产生位移，粘滑驱动定位平台可同时实现大范围运动和纳米级定位分辨率，且结构简单易微型化。然而在两自由度粘滑定位平台中，通常采用将两个单自由度粘滑定位平台串联叠加的结构形式，底层平台需承载上层平台及驱动实现运动，其动态特性及负载能力都有所限制。且由于粘滑驱动平台存在回程滑移情况，当承受负载时步距减小，速度会明显降低。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提出一种变摩擦力混联式两自由度粘滑驱动精密定位平台，也就是基于混联布局和变摩擦力压电粘滑驱动的两自由度大行程、高精度精密定位平台。该定位平台的特点在于采用粘滑驱动机理，可同时实现大行程和高精度；两组交叉滚子导轨串联交叉布置，可实现两自由度输出解耦；两自由度输入部分采用并联布置的柔性结构，可实现高频精密运动及输入解耦；摩擦块与滑动平台间摩擦力可通过压电陶瓷动态调整。该定位平台具有大行程、高精度、速度快、负载能力强、输入输出双解耦的特点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明变摩擦力混联式两自由度粘滑驱动精密定位平台，包括由下至上依次设置的基座、中间连接层和滑动平台，所述基座和中间连接层之间设置有Y向交叉滚子导轨，所述中间连接层和滑动平台之间设置有X向交叉滚子导轨；

所述基座设置为矩形结构，所述基座上表面对称设置有两个相互平行的Y向导轨支撑凸台，每个Y向导轨支撑凸台外侧均设置有一组Y向交叉滚子导轨；所述基座中间设置有位移输入机构，采用双平行板式柔性铰链及并联对称结构实现运动导向及两自由度解耦，所述位移输入机构中央为方形平台，所述方形平台中心加工有圆形槽和螺栓孔，所述圆形槽内设置有Z轴压电陶瓷驱动器，所述Z轴压电陶瓷驱动器顶端设置有球头帽；所述位移输入机构外侧设置有两个相互垂直的空槽，两个空槽内分别设置有X轴压电陶瓷驱动器和Y轴压电陶瓷驱动器；

所述中间连接层设置为矩形结构，中心设置有矩形通孔，所述中间连接层上表面对称设置有一对相互平行的X向导轨支撑凸台，且矩形通孔位于两个X向导轨支撑凸台之间，每个X向导轨支撑凸台外侧均设置有一组X向交叉滚子导轨；

所述位移输入机构的方形平台顶部固定有摩擦块，所述摩擦块穿过中间连接层的矩形通孔设置；所述摩擦块采用镂空结构，中心位置加工有方形位移台，并在上半部设置有双层平行板式铰链结构，所述方形位移台顶端设置有摩擦垫片。

所述X轴压电陶瓷驱动器、Y轴压电陶瓷驱动器和Z轴压电陶瓷驱动器均通过预紧螺栓施加预紧力，通过紧固螺栓固定。

所述中间连接层与Y向交叉滚子导轨外侧连接，并通过紧固螺栓固定，在中间连接层外侧加工有螺栓孔，安装预紧螺栓。

所述滑动平台与X向交叉滚子导轨外侧连接，并通过紧固螺栓固定，在滑动平台外侧加工有螺栓孔，安装预紧螺栓。

所述Z轴压电陶瓷驱动器通过球头帽与摩擦块接触。

所述摩擦垫片通过调整Z向位置后与滑动平台底面接触。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明采用压电粘滑驱动机理，可同时实现大行程位移输出和高精度分辨率；位移输入机构采用并联柔性结构，可实现两自由度解耦位移输出，具有高速、高精度、高稳定性等特点，动态性能好；X向和Y向交叉滚子导轨串联叠加布置，位移解耦效果好，安装方便；摩擦块底面安装有压电陶瓷驱动器，可调整摩擦片与输出平台的摩擦力；Z轴压电陶瓷驱动器安装球头帽，保护驱动器不被剪力破坏；采用并联加串联式结构，可提高运动平台的刚度和承载能力。

附图说明

图1是本发明的平面结构示意图；

图2是本发明中基座结构示意图；

图3是本发明中中间连接层结构示意图；

图4是本发明中摩擦块结构示意图。

图5是本发明中X轴及Y轴压电陶瓷驱动器驱动电压示意图；

图6是本发明中Z轴压电陶瓷驱动器驱动电压示意图。

附图标记：1基座，2Y向导轨支撑凸台，3双平行板式柔性铰链，4方形平台，5X轴压电陶瓷驱动器，6Y轴压电陶瓷驱动器，7Z轴压电陶瓷驱动器，8Y向交叉滚子导轨，9中间连接层，10X向导轨支撑凸台，11X向交叉滚子导轨，12滑动平台，13摩擦块，14摩擦垫片，15紧固螺栓，16预紧螺栓，17球头帽。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

如图1至图4所示，本发明变摩擦力混联式两自由度粘滑驱动精密定位平台，包括由下至上依次设置的基座1、中间连接层9和滑动平台12，所述基座1和中间连接层9之间设置有Y向交叉滚子导轨8，所述中间连接层9和滑动平台12之间设置有X向交叉滚子导轨11。

所述基座1设置为矩形结构，包括导轨支撑部分及位移输入机构。所述基座1上表面对称设置有两个相互平行的Y向导轨支撑凸台2，同时在Y向导轨支撑凸台2表面加工有螺栓孔用于固定导轨，每个Y向导轨支撑凸台2外侧均设置有一组Y向交叉滚子导轨8。所述基座1中间设置有位移输入机构，采用双平行板式柔性铰链3及并联对称结构实现运动导向及两自由度解耦。所述位移输入机构设置于两个Y向交叉滚子导轨8之间，中央为方形平台4，用于传递输出位移，并在方形平台4四周加工有螺栓通孔，在中心加工有圆形槽和螺栓孔，所述圆形槽内设置有Z轴压电陶瓷驱动器7，所述Z轴压电陶瓷驱动器7顶端设置有球头帽17。所述位移输入机构外侧设置有两个相互垂直的空槽，两个空槽内分别设置有X轴压电陶瓷驱动器5和Y轴压电陶瓷驱动器6。所述X轴压电陶瓷驱动器5、Y轴压电陶瓷驱动器6和Z轴压电陶瓷驱动器7均通过预紧螺栓16施加预紧力，通过紧固螺栓15固定。

所述中间连接层9设置为矩形结构，中心设置有矩形通孔，所述中间连接层9上表面对称设置有一对相互平行的X向导轨支撑凸台10，且矩形通孔位于两个X向导轨支撑凸台10之间，同时在X向导轨支撑凸台10表面加工有螺栓孔用于固定导轨，每个X向导轨支撑凸台10外侧均设置有一组X向交叉滚子导轨11。所述中间连接层9与Y向交叉滚子导轨8外侧连接，并通过紧固螺栓15固定。在中间连接层9外侧加工有螺栓孔，安装预紧螺栓16。所述滑动平台12与X向交叉滚子导轨11外侧连接，并通过紧固螺栓15固定。在滑动平台12外侧加工有螺栓孔，安装预紧螺栓16。

所述位移输入机构的方形平台4顶部固定有摩擦块13，所述摩擦块13穿过中间连接层9的矩形通孔设置。所述Z轴压电陶瓷驱动器7通过球头帽17与摩擦块13接触。所述摩擦块13采用镂空结构，中心位置加工有方形位移台，并在上半部设置有双层平行板式铰链结构，保证方形位移台可实现Z向位移输出。在摩擦块13底层四周加工有螺栓定位孔，所述摩擦块13与基座1位移输出机构的方形平台4通过四角螺栓连接，并可通过预紧螺栓16调整摩擦块方形位移台Z向位置。所述方形位移台顶端粘贴设置有摩擦垫片14，所述摩擦垫片14通过调整Z向位置后与滑动平台12底面接触。

本发明的工作原理：

本发明精密定位平台可实现X、Y两方向精密运动。首先调整压电陶瓷预紧力，使X轴压电陶瓷驱动器5、Y轴压电陶瓷驱动器6、Z轴压电陶瓷驱动器7处于合适的预紧状态，并使摩擦垫片14与滑动平台12底面接触。

当需要驱动滑动平台12沿X向运动时，向X轴压电陶瓷驱动器5输入图5所示电压信号，向Z轴压电陶瓷驱动器7输入图6所示电压信号。

当处于t₀-t₁时刻时，Z轴压电陶瓷驱动器7承受高电压而伸长，摩擦垫片14与滑动平台12间摩擦力增大。X轴压电陶瓷驱动器5以较慢速度伸长，推动方形平台4沿X向运动，双平行板式柔性铰链3发挥导向作用。方形平台4带动摩擦块13沿X向运动，并在摩擦力作用下带动滑动平台12沿X向实现运动。

当处于t₁-t₂时刻时，Z轴压电陶瓷驱动器7承受低电压，摩擦垫片14与滑动平台12间摩擦力减小。X轴压电陶瓷驱动器5以较快速度缩回，方形平台4在双平行板式铰链3的弹性力作用下回到初始位置。由于滑动平台12惯性作用且摩擦力较小，滑动平台12将保持t₁时刻位置不变。

重复上述过程，滑动平台12可实现沿X向大范围高精度运动。

与X方向运动类似，当向Y轴压电陶瓷驱动器6输入图5所示电压信号，向Z轴压电陶瓷驱动器7输入图6所示电压信号时，滑动平台12及中间连接层9可实现沿Y向大范围高精度运动。

综上所述，本发明的精密定位平台可实现沿X向及Y向大范围精密运动。得益于位移输入部分的并联结构及导轨的串联布置，可实现输入输出双解耦。由于Z向设置有压电陶瓷调整摩擦力，可减少滑动回退现象并增大负载能力。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种变摩擦力混联式两自由度粘滑驱动精密定位平台，其特征在于，包括由下至上依次设置的基座(1)、中间连接层(9)和滑动平台(12)，所述基座(1)和中间连接层(9)之间设置有Y向交叉滚子导轨(8)，所述中间连接层(9)和滑动平台(12)之间设置有X向交叉滚子导轨(11)；

所述基座(1)设置为矩形结构，所述基座(1)上表面对称设置有两个相互平行的Y向导轨支撑凸台(2)，每个Y向导轨支撑凸台(2)外侧均设置有一组Y向交叉滚子导轨(8)；所述基座(1)中间设置有位移输入机构，采用双平行板式柔性铰链(3)及并联对称结构实现运动导向及两自由度解耦，所述位移输入机构中央为方形平台(4)，所述方形平台(4)中心加工有圆形槽和螺栓孔，所述圆形槽内设置有Z轴压电陶瓷驱动器(7)，所述Z轴压电陶瓷驱动器(7)顶端设置有球头帽(17)；所述位移输入机构外侧设置有两个相互垂直的空槽，两个空槽内分别设置有X轴压电陶瓷驱动器(5)和Y轴压电陶瓷驱动器(6)；

所述中间连接层(9)设置为矩形结构，中心设置有矩形通孔，所述中间连接层(9)上表面对称设置有一对相互平行的X向导轨支撑凸台(10)，且矩形通孔位于两个X向导轨支撑凸台(10)之间，每个X向导轨支撑凸台(10)外侧均设置有一组X向交叉滚子导轨(11)；

所述位移输入机构的方形平台(4)顶部固定有摩擦块(13)，所述摩擦块(13)穿过中间连接层(9)的矩形通孔设置；所述摩擦块(13)采用镂空结构，中心位置加工有方形位移台，并在上半部设置有双层平行板式铰链结构，所述方形位移台顶端设置有摩擦垫片(14)。

2.根据权利要求1所述的变摩擦力混联式两自由度粘滑驱动精密定位平台，其特征在于，所述X轴压电陶瓷驱动器(5)、Y轴压电陶瓷驱动器(6)和Z轴压电陶瓷驱动器(7)均通过预紧螺栓(16)施加预紧力，通过紧固螺栓(15)固定。

3.根据权利要求1所述的变摩擦力混联式两自由度粘滑驱动精密定位平台，其特征在于，所述中间连接层(9)与Y向交叉滚子导轨(8)外侧连接，并通过紧固螺栓(15)固定，在中间连接层(9)外侧加工有螺栓孔，安装预紧螺栓(16)。

4.根据权利要求1所述的变摩擦力混联式两自由度粘滑驱动精密定位平台，其特征在于，所述滑动平台(12)与X向交叉滚子导轨(11)外侧连接，并通过紧固螺栓(15)固定，在滑动平台(12)外侧加工有螺栓孔，安装预紧螺栓(16)。

5.根据权利要求1所述的变摩擦力混联式两自由度粘滑驱动精密定位平台，其特征在于，所述Z轴压电陶瓷驱动器(7)通过球头帽(17)与摩擦块(13)接触。

6.根据权利要求1所述的变摩擦力混联式两自由度粘滑驱动精密定位平台，其特征在于，所述摩擦垫片(14)通过调整Z向位置后与滑动平台(12)底面接触。