CN101837586B - 一种二维微动平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二维微动平台，包括基座(1)以及通过若干柔性铰链与基座(1)相连的工作台(12)，均与工作台(12)相连接的包含有X向杠杆(2)的X向杠杆放大机构(3)和包含有Y向杠杆(4)的Y向杠杆放大机构(5)，X向杠杆放大机构(3)和Y向杠杆放大机构(4)上分设的驱动器(6)。通过结构对称布置和若干柔性铰链的刚度对称设计，使X向和Y向均达到了良好的解耦效果，降低了超精密运动控制的难度；在降低耦合的同时提高了运动放大比，扩大了微动平台的工作行程；X向和Y向驱动在同一平面内实现二维运动，结构紧凑，利于实施。
Description
技术领域
本发明属于先进制造中的微操作技术领域。特别涉及一种二维微动平台。
背景技术
高精度和高分辨率的精密微动工作台在近代尖端工业生产和科学研究领域内占有极其重要的地位。它是直接影响精密、超精密切削加工水平、精密测量水平及超大规模集成电路生产水平的关键环节，其中，二维解耦微工作台是微操作机器人系统的一个重要的基础性部件，研究结构简单且运动解耦的二维微动平台对于研究高性能的微定位和微操作系统具有重要的意义。目前，高精度的微动平台多采用压电致动器驱动柔性铰链机构，可以实现亚微米级定位，但其行程太小，且多自由度间存在耦合运动，控制难度大。为此人们进行了长期的探索，提出了多种多样的改进方案。例如，中国专利文献公开了一种微型二维解耦工作台(200510023219.4)，包括压电陶瓷驱动器、X向杠杆放大机构、Y向杠杆放大机构、Y向运动框架以及工作台，所述工作台通过柔性铰链连接在X向杠杆放大机构上，所述X向杠杆放大机构串联在Y向运动框架上，所述Y向运动框架通过柔性铰链连接在Y向杠杆放大机构上，所述工作台还通过一组解耦直线导向机构与Y向运动框架相连接，所述Y向运动框架还通过一组解耦直线导向机构与基板相连接，该方案虽然从一定程度上解决了现在技术的部分问题，但是还存在如下缺陷：首先，该方案Y向运动框架通过一组解耦直线导向机构与基板相连接，该驱动方式导致整个系统占地较大，制作成本较高，不利于实施；另外，该方案的Y向杠杆放大机构是通过驱动Y向运动框架来使工作台运动的，运动传递链长，控制难度大，运动精度难以保证；驱动Y向运动框架时，X向杠杆放大机构和驱动器都和工作台一起进行Y向运动，运动惯量大，影响系统响应的快速性，且系统耗能高。
发明内容
本发明的目的就是针对上述现有技术的状况，以利于实施为目标、以X向和Y向均直接驱动运动平台为切入点而提供一种结构简单、运动耦合低、易于控制的二维微动平台。
本技术方案是：
一、一种二维微动平台，包括基座、工作台、包含有X向杠杆的X向杠杆放大机构和包含有Y向杠杆的Y向杠杆放大机构、以及驱动器，其工作台通过若干柔性铰链与基座相连；其X向杠杆放大机构和Y向杠杆放大机构分别与工作台直接相连，且X向杠杆放大机构与Y向杠杆放大机构相对于工作台的对角线呈对称设置；其驱动器分别设置在X向杠杆放大机构与Y向杠杆放大机构上。
本发明将X、Y两杠杆放大机构设计成对称结构并相对工作台对角线进行对称布置，可以有效平衡X、Y杠杆放大机构的不对称刚度，进而有效减小运动耦合。
二、为了进一步解决由放大机构所引起的平台结构和刚度不对称性问题，可选择四个三自由度柔性铰链，分别设置在工作台的四个角上，以连接工作台和基座，并且使远离X向放大机构和Y向放大机构的柔性铰链的刚度大于刚度相等的其它柔性铰链。
三、为了进一步抑制耦合运动的传递，在有效减少耦合的同时，提高杠杆放大机构的放大比，可在X向杠杆和Y向杠杆上靠近工作台一端呈L型的拐角位置处均设置运动解耦槽。
本发明的运动传递机理是；当驱动器在驱动电压作用下发生变形，其与基座相连的一端受基座约束，而与杠杆相连的另一端则有相应的位移输出，通过杠杆放大机构驱动微动平台同方向运动。
本发明具有如下优点：1、X向和Y向均直接驱动平台实现平面二维运动，结构简单紧凑，利于实施；2、通过结构对称布置和若干柔性铰链的刚度对称设计，使X向和Y向均达到了良好的解耦效果；3、在降低耦合的同时提高了运动放大比，扩大了微动平台的工作行程；4.解耦效果好，降低了超精密运动控制的难度。
附图说明
附图为本发明的一种主视结构示意图。图中：1-基座，2-X向杠杆，3-X向杠杆放大机构，4-Y向杠杆，5-Y向杠杆放大机构，6-驱动器，7、8、9、10-柔性铰链，11-运动解耦槽，12-工作台。
具体实施方式
下面结合附图所示实施例，对本发明的具体实施方式作进一步具体的说明。
如附图所示，本实施例包括基座(1)、工作台(12)、包含有X向杠杆(2)的X向杠杆放大机构(3)和包含有Y向杠杆(4)的Y向杠杆放大机构(5)、以及驱动器(6)，其工作台(12)通过柔性铰链(7)、(8)、(9)、(10)与基座(1)相连；其X向杠杆放大机构(3)和Y向杠杆放大机构(5)分别与工作台(12)直接相连，且X向杠杆放大机构(3)与Y向杠杆放大机构(5)相对于工作台(12)的对角线呈对称设置；其驱动器(6)分别设置在X向杠杆放大机构(3)与Y向杠杆放大机构(5)上。四个柔性铰链均为三自由度柔性铰链，分别设置在工作台(12)的四个角上，且同时远离X向放大机构(3)和Y向放大机构(4)的柔性铰链(8)的刚度大于刚度相等的其它柔性铰链(7)、(9)、(10)。X向杠杆(2)和Y向杠杆(4)上靠近工作台一端呈L型的拐角位置处均设置有运动解耦槽(11)。
在本实施例中，设计的平台固有频率达到365Hz，放大比和解耦效果如下表：
| 运动放大比 | 运动耦合率 | |
| x方向驱动时 | 3.5 | 1.3％ |
| y方向驱动时 | 3.5 | 1.8％ |
Claims (3)
1.一种二维微动平台，包括基座(1)、工作台(12)、包含有X向杠杆(2)的X向杠杆放大机构(3)和包含有Y向杠杆(4)的Y向杠杆放大机构(5)、以及驱动器(6)，其特征在于：
所述的工作台(12)通过若干柔性铰链与基座(1)相连；
所述的X向杠杆放大机构(3)和Y向杠杆放大机构(5)分别与工作台(12)直接相连，且X向杠杆放大机构(3)与Y向杠杆放大机构(5)相对于工作台(12)的对角线呈对称设置；
所述的驱动器(6)分别设置在X向杠杆放大机构(3)与Y向杠杆放大机构(5)上。
2.根据权利要求1所述的二维微动平台，其特征在于：
所述的连接基座(1)和工作台(12)的柔性铰链为四个，均为三自由度柔性铰链，分别设置在工作台(12)的四个角上，且同时远离X向杠杆放大机构(3)和Y向杠杆放大机构(5)的柔性铰链(8)的刚度大于刚度相等的其它柔性铰链(7、9、10)。
3.根据权利要求1或2所述的二维微动平台，其特征在于：
所述的X向杠杆(2)和Y向杠杆(4)上靠近工作台一端呈L型的拐角位置处均设置有运动解耦槽(11)。
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