專利名稱：一種二維解耦運動平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種平臺，尤其涉及一種二維解耦運動平臺。
背景技術(shù)：
運動平臺的精密定位與高速、高加速是眾多電子制造設(shè)備以及其它精密機床的共性要求，運動平臺的性能決定了產(chǎn)品的品質(zhì)、效率以及產(chǎn)能。傳統(tǒng)的運動平臺利用絲杠等機械運動副結(jié)構(gòu)傳遞運動，在運動傳遞過程中，由于運動副存在與生俱來的摩擦與間隙，因此精度只能達到微米級。但是隨著科技的發(fā)展，尤其是微電子產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品體積達到亞微米級甚至納米級，因此對運動平臺提出了納米級的定位要求，因此十分有必要設(shè)計制造納米級定位的運動平臺。納米級的定位運動平臺一般采用新型智能材料作為致動器，如壓電陶瓷和記憶合金等，以柔性機構(gòu)作為平臺載體，由于智能材料能夠輸出納米級的位移,柔性機構(gòu)通過彈性變形傳遞運動能量與力，不存在摩擦和間隙，二者結(jié)合可以獲得納米級定位運動平臺。但是目前市場上常見的二自由度運動平臺，采用串聯(lián)或并聯(lián)，實現(xiàn)兩自由度解耦運動，但是由于采用柔性結(jié)構(gòu)，剛度非常低，抵抗外界干擾能力非常差。因此，亟待研發(fā)出一種高剛度二維解稱納米級運動平臺。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種二維解耦運動平臺，該二維解耦運動平臺解決了現(xiàn)有技術(shù)無法同時實現(xiàn)高剛度、高精度的問題。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的:一種二維解耦運動平臺，包括固定平臺座、設(shè)置于所述固定平臺座上的移動平臺，其特征在于:所述移動平臺包括橫向移動平臺和縱向移動平臺，所述橫向移動平臺包括四個橫向柔性桿、橫向彈性件、橫向壓電陶瓷致動器，所述橫向柔性桿設(shè)置于所述橫向移動平臺四周，所述橫向柔性桿與所述縱向移動平臺連接，所述橫向彈性件設(shè)置于所述橫向移動平臺一側(cè)，所述橫向壓電陶瓷致動器與所述橫向彈性件對稱設(shè)置，所述橫向壓電陶瓷致動器外部設(shè)置有橫向電阻應(yīng)變片；所述縱向移動平臺包括四個縱向柔性桿、縱向彈性件、縱向壓電陶瓷致動器，所述縱向柔性桿設(shè)置于所述縱向移動平臺四周，所述縱向柔性桿與所述橫向移動平臺連接，所述縱向彈性件設(shè)置于所述縱向移動平臺一側(cè)，所述縱向壓電陶瓷致動器與所述縱向彈性元件對稱設(shè)置，所述縱向壓電陶瓷致動器外部設(shè)置有縱向電阻應(yīng)變片。優(yōu)選地，所述橫向壓電陶瓷致動器為橫向疊堆型壓電陶瓷致動器，所述縱向壓電陶瓷致動器為縱向疊堆型壓電陶瓷致動器。優(yōu)選地，所述固定平臺座設(shè)置有縱向固定孔，所述縱向移動平臺上設(shè)置有橫向固定孔，所述橫向固定孔設(shè)置于所述橫向壓電致動器安裝槽一端，所述縱向固定孔設(shè)置于所述縱向壓電致動器安裝槽一端。
進一步的，所述縱向移動平臺上設(shè)置有橫向柔性墊，橫向固定件穿過所述橫向固定孔與所述橫向柔性墊抵觸連接。進一步的，所述固定平臺座上設(shè)置有縱向柔性墊，縱向固定件穿過所述縱向固定孔與所述縱向柔性墊抵觸連接。優(yōu)選地，所述橫向移動平臺嵌設(shè)于所述縱向移動平臺內(nèi)。優(yōu)選地，所述橫向柔性桿通過橫向柔性鉸鏈與所述縱向移動平臺連接，所述縱向柔性桿通過縱向柔性鉸鏈與所述橫向移動平臺連接。優(yōu)選地，所述固定平臺座、所述移動平臺在同一個平面上。優(yōu)選地，所述固定平臺座上設(shè)置有固定平臺座安裝孔。進一步的，所述固定平臺座安裝孔為階梯孔，其數(shù)量為8個。本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:1、本發(fā)明中橫向移動平臺和縱向移動平臺均由疊堆型壓電陶瓷致動器直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，加工成本低；2、本發(fā)明中通過雙柔性平行四桿的對稱設(shè)計，以及橫縱方向運動結(jié)構(gòu)的嵌套串聯(lián)設(shè)計，實現(xiàn)了兩個運動方向上的運動解耦，且柔性機構(gòu)無摩擦、間隙，運動精度高；3、本發(fā)明中固定件預(yù)緊疊堆型壓電陶瓷致動器，結(jié)合彈性件的彈性壓緊作用，使得運動平臺有較高的剛度，并且會具有抑振功能，在受到外界較大作用力時，能夠保護柔性平臺不被破壞，避免在受到較大作用力時疊堆型壓電陶瓷致動器脫離柔性平臺；4、本發(fā)明中粘貼在壓電陶瓷表面的電阻應(yīng)變片，可以采集位移信息，應(yīng)用到閉環(huán)控制中，可以獲得較高的運動精度。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明一種二維解耦運動平臺一個實施例移動平臺的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明一種二維解耦運動平臺一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2中A-A向剖視結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為圖2中B處局部放大結(jié)構(gòu)示意圖；圖中:100固定平臺座；110橫向固定孔；120縱向固定孔；130固定平臺座安裝孔；200移動平臺；210橫向移動平臺；211橫向柔性桿；212橫向彈性件安裝槽；213橫向壓電致動器安裝槽；214橫向彈性件；215橫向壓電陶瓷致動器；216橫向電阻應(yīng)變片；217橫向柔性墊；218橫向緊定螺釘；219橫向柔性鉸鏈；220縱向移動平臺；221縱向柔性桿；222縱向彈性件安裝槽；223縱向壓電致動器安裝槽；224縱向彈性件；225縱向壓電陶瓷致動器；226縱向電阻應(yīng)變片；227縱向柔性墊；228縱向緊定螺釘；229縱向柔性鉸鏈。
具體實施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。根據(jù)圖1 圖4所示的優(yōu)選實施例，一種二維解耦運動平臺，包括固定平臺座100、設(shè)置于固定平臺座100上的移動平臺200，移動平臺200包括橫向移動平臺210和縱向移動平臺220，固定平臺座100以及移動平臺200在同一個平面上。在本實施例中，固定平臺座100和移動平臺200 —體線切割或激光成型，在移動平臺200上切割加工形成縱向移動平臺220，在縱向移動平臺220上切割加工形成橫向移動平臺210?？v向移動平臺220包括四個縱向柔性桿221、縱向彈性件224、縱向壓電陶瓷致動器225，縱向柔性桿221設(shè)置于縱向移動平臺220四周，縱向彈性件安裝槽222設(shè)置于縱向移動平臺220 —側(cè)，在本實施例中縱向移動平臺220為正方形，縱向柔性桿221均勻設(shè)置于縱向移動平臺220四個角上，縱向柔性桿221通過縱向柔性鉸鏈229與橫向移動平臺210連接。固定平臺座100設(shè)置有縱向固定孔120，固定平臺座100設(shè)置有縱向柔性墊227，縱向固定件穿過縱向固定孔120與縱向柔性墊227抵觸連接，在本實施例中，縱向固定孔120為螺紋孔，縱向固定件為縱向緊定螺釘228，通過旋進縱向緊定螺釘228，縱向緊定螺釘228與縱向柔性墊227抵觸連接，使得縱向柔性墊227變形，將縱向壓電陶瓷致動器225壓緊在縱向壓電陶瓷安裝槽223內(nèi)。縱向彈性件安裝槽222內(nèi)設(shè)置有縱向彈性件224，在本實施例中縱向彈性件安裝槽222設(shè)置于縱向移動平臺220 —側(cè)的中部，縱向彈性件粘接在縱向彈性件安裝槽222內(nèi)，縱向彈性件224優(yōu)選熱塑性聚氨酯，其具有優(yōu)異的回彈性能，對于其他的具有優(yōu)異回彈性能的材料也在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)，在此不做贅述。縱向壓電致動器安裝槽223與縱向彈性元件安裝槽222對稱設(shè)置，縱向壓電致動器安裝槽223內(nèi)設(shè)置有縱向壓電陶瓷致動器225，縱向壓電陶瓷致動器225外部設(shè)置有縱向電阻應(yīng)變片226，在本實施例中縱向壓電陶瓷致動器225優(yōu)選疊堆型壓電陶瓷致動器，縱向電阻應(yīng)變片226粘貼在縱向疊堆型壓電陶瓷致動器外側(cè)。在本實施例中，縱向柔性桿221通過縱向柔性鉸鏈229與橫向移動平臺210和縱向移動平臺220連接，四個對稱的縱向柔性桿構(gòu)成雙柔性平行四桿結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)縱向移動平臺220只在縱向直線平動，消除橫向的耦合位移。在本實施例中縱向柔性桿的工作原理是:對縱向壓電陶瓷致動器225施加電壓后，由于逆壓電效應(yīng)，縱向壓電陶瓷致動器225產(chǎn)生位移輸出，從而推動縱向運動平臺220運動，實現(xiàn)其在縱向上的直線平動。橫向移動平臺210包括四個橫向柔性桿211、橫向彈性件214、橫向壓電陶瓷致動器215，橫向柔性桿211設(shè)置于橫向移動平臺210四周，在本實施例中橫向移動平臺210為長方形，橫向柔性桿211均勻設(shè)置于橫向移動平臺210的四個角上，橫向柔性桿211通過橫向柔性鉸鏈219與縱向移動平臺220連接，在本發(fā)明中橫向柔性桿211通過橫向柔性鉸鏈219與橫向移動平臺210和縱向移動平臺220連接的設(shè)計使其構(gòu)成柔性平行四桿結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)橫向移動平臺210只在橫向直線運動，消除縱向的耦合位移。在本實施例中橫向柔性桿的工作原理是:對橫向壓電陶瓷致動器215施加電壓后，由于逆壓電效應(yīng)，橫向壓電陶瓷致動器215產(chǎn)生位移輸出，從而推動橫向運動平臺210運動，實現(xiàn)其在橫向上的直線平動。
縱向移動平臺220上設(shè)置有橫向固定孔110，橫向固定孔110設(shè)置于橫向壓電致動器安裝槽213 —端，縱向移動平臺220設(shè)置有橫向柔性墊217，橫向固定件218穿過橫向固定孔110與橫向柔性墊217抵觸連接，在本實施例中，橫向固定孔110為螺紋孔，橫向固定件為橫向緊定螺釘218，通過旋進橫向緊定螺釘218，橫向緊定螺釘218與橫向柔性墊217抵觸連接，使得橫向柔性墊217變形，將橫向壓電陶瓷致動器215壓緊在橫向壓電陶瓷安裝槽213內(nèi)。橫向彈性件安裝槽212設(shè)置于橫向移動平臺210 —側(cè)，橫向彈性件安裝槽212內(nèi)設(shè)置有橫向彈性件214,在本實施例中橫向彈性件安裝槽212設(shè)置于橫向移動平臺210 —側(cè)的中部，橫向彈性件214粘接在橫向彈性件安裝槽212內(nèi)，橫向彈性件214優(yōu)選熱塑性聚氨酯，其具有優(yōu)異的回彈性能，對于其他的具有優(yōu)異回彈性能的材料也在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)，在此不做贅述。橫向壓電致動器安裝槽213與橫向彈性件安裝槽212對稱設(shè)置，橫向壓電致動器安裝槽213內(nèi)設(shè)置有橫向壓電陶瓷致動器215，橫向壓電陶瓷致動器215外部設(shè)置有橫向電阻應(yīng)變片216，在本實施例中橫向壓電陶瓷致動器215優(yōu)選疊堆型壓電陶瓷致動器，橫向電阻應(yīng)變片226粘貼在橫向疊堆型壓電陶瓷致動器外側(cè)。在本發(fā)明中，橫向移動平臺210利用橫向緊定螺釘218推動橫向柔性墊217，縱向移動平臺220利用縱向緊定螺釘228推動縱向柔性墊227，安全固定橫向壓電陶瓷驅(qū)動器215和縱向壓電陶瓷驅(qū)動器225并對移動平臺施加預(yù)緊力，同時結(jié)合橫向彈性件214和縱向彈性件224的彈性作用，使整個柔性平臺獲得較高的剛度、抑振能力和抗干擾能力，避免出現(xiàn)橫向壓電陶瓷致動器和縱向壓電陶瓷致動器與柔性平臺脫離的現(xiàn)象。在本發(fā)明中，通過雙柔性平行四桿結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)不同方向上的運動解耦，從而達到消除耦合和寄生位移的功能，橫向移動平臺210嵌設(shè)于縱向移動平臺220內(nèi)，通過橫向和縱向運動方向上的結(jié)構(gòu)串聯(lián)，分別實現(xiàn)橫向和縱向的運動。固定平臺座100上設(shè)置有固定平臺座安裝孔130，本發(fā)明輸出位移為納米級別，因此，本發(fā)明的運動平臺也稱為微動平臺，固定平臺座安裝孔130用來使本發(fā)明的運動平臺與宏動平臺連接，在本實施例中固定平臺座安裝孔130為階梯孔，其數(shù)量為8個，對稱分布在固定平臺座100的兩端。橫向移動平臺上均勻設(shè)置有平臺安裝孔，在本實施例中平臺安裝孔為螺紋孔，其數(shù)量為4個，其用來與待定位部件連接，實現(xiàn)待定位部件的精確定位。本發(fā)明的工作過程是:將固定平臺座100固定于宏動平臺上，宏動平臺實現(xiàn)微米級運動，本發(fā)明的運動平臺進一步運動實現(xiàn)納米級位移，對橫向疊堆型壓電陶瓷致動器施加電壓，由于逆壓電效應(yīng)輸出納米級位移，從而帶動橫向移動平臺210發(fā)生運動，縱向移動平臺220同理，從而實現(xiàn)運動平臺平面內(nèi)的運動和定位。本發(fā)明的工作原理是:壓電陶瓷致動器具有納米級分辨率的位移輸出，粘貼在壓電陶瓷致動器側(cè)面的電阻應(yīng)變片作為位移反饋，實現(xiàn)高精度的定位，柔性平臺依靠嚴(yán)格軸對稱的基于柔性鉸鏈的雙柔性平行四桿機構(gòu)，實現(xiàn)解耦的單方向平動，同時通過兩個運動方向上的結(jié)構(gòu)串聯(lián)，實現(xiàn)不同方向上的運動，從而實現(xiàn)納米級的精確定位。利用緊定螺釘推動柔性墊，安全固定壓電陶瓷致動器并對運動平臺施加預(yù)緊力，同時結(jié)合彈性件的彈性作用，使平臺獲得較高的剛度、抑振能力和抗干擾能力，避免出現(xiàn)壓電陶瓷致動器與柔性平臺脫離的現(xiàn)象。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種二維解耦運動平臺，包括固定平臺座、設(shè)置于所述固定平臺座上的移動平臺，其特征在于:所述移動平臺包括橫向移動平臺和縱向移動平臺，所述橫向移動平臺包括四個橫向柔性桿、橫向彈性件、橫向壓電陶瓷致動器，所述橫向柔性桿設(shè)置于所述橫向移動平臺四周，所述橫向柔性桿與所述縱向移動平臺連接，所述橫向彈性件設(shè)置于所述橫向移動平臺一側(cè)，所述橫向壓電陶瓷致動器與所述橫向彈性件對稱設(shè)置，所述橫向壓電陶瓷致動器外部設(shè)置有橫向電阻應(yīng)變片；所述縱向移動平臺包括四個縱向柔性桿、縱向彈性件、縱向壓電陶瓷致動器，所述縱向柔性桿設(shè)置于所述縱向移動平臺四周，所述縱向柔性桿與所述橫向移動平臺連接，所述縱向彈性件設(shè)置于所述縱向移動平臺一側(cè)，所述縱向壓電陶瓷致動器與所述縱向彈性元件對稱設(shè)置，所述縱向壓電陶瓷致動器外部設(shè)置有縱向電阻應(yīng)變片。
2.如權(quán)利要求1所述的二維解耦運動平臺，其特征在于:所述橫向壓電陶瓷致動器為橫向疊堆型壓電陶瓷致動器，所述縱向壓電陶瓷致動器為縱向疊堆型壓電陶瓷致動器。
3.如權(quán)利要求1所述的二維解耦運動平臺，其特征在于:所述固定平臺座設(shè)置有縱向固定孔，所述縱向移動平臺上設(shè)置有橫向固定孔，所述橫向固定孔設(shè)置于所述橫向壓電致動器安裝槽一端，所述縱向固定孔設(shè)置于所述縱向壓電致動器安裝槽一端。
4.如權(quán)利要求3所述的二維解耦運動平臺，其特征在于:所述縱向移動平臺上設(shè)置有橫向柔性墊，橫向固定件穿過所述橫向固定孔與所述橫向柔性墊抵觸連接。
5.如權(quán)利要求3所述的二維解耦運動平臺，其特征在于:所述固定平臺座上設(shè)置有縱向柔性墊，縱向固定件穿過所述縱向固定孔與所述縱向柔性墊抵觸連接。
6.如權(quán)利要求1所述的二維解耦運動平臺，其特征在于:所述橫向移動平臺嵌設(shè)于所述縱向移動平臺內(nèi)。
7.如權(quán)利要求1所述的二維解耦運動平臺，其特征在于:所述橫向柔性桿通過橫向柔性鉸鏈與所述縱向移動平臺連接，所述縱向柔性桿通過縱向柔性鉸鏈與所述橫向移動平臺連接。
8.如權(quán)利要求1所述的二維解耦運動平臺，其特征在于:所述固定平臺座、所述移動平臺在同一個平面上。
9.如權(quán)利要求1所述的二維解耦運動平臺，其特征在于:所述固定平臺座上設(shè)置有固定平臺座安裝孔。
10.如權(quán)利要求9所述的二維解耦運動平臺，其特征在于:所述固定平臺座安裝孔為階梯孔，其數(shù)量為8個。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種二維解耦運動平臺，包括固定平臺座、設(shè)置于固定平臺座上的移動平臺，移動平臺包括橫向移動平臺和縱向移動平臺，橫向移動平臺包括四個橫向柔性桿、橫向彈性件、橫向壓電陶瓷致動器，橫向柔性桿設(shè)置于橫向移動平臺四周，橫向彈性件設(shè)置于橫向移動平臺一側(cè)，橫向壓電陶瓷致動器與橫向彈性件對稱設(shè)置；縱向移動平臺包括四個縱向柔性桿、縱向彈性件、縱向壓電陶瓷致動器，縱向柔性桿設(shè)置于縱向移動平臺四周，縱向彈性件設(shè)置于縱向移動平臺一側(cè)，縱向壓電陶瓷致動器與縱向彈性元件對稱設(shè)置。本發(fā)明利用壓電陶瓷致動器直接驅(qū)動獲得納米級位移輸出，彈性件提高運動平臺剛度，利用柔性機構(gòu)傳遞運動，實現(xiàn)可靠的高剛度二維解耦定位運動。
文檔編號B23Q1/34GK103192279SQ201310077550
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月11日
發(fā)明者李澤湘, 隆志力, 念龍生, 張璐凡, 方記文 申請人:東莞華中科技大學(xué)制造工程研究院