[发明专利]二自由度平动并联解耦微动平台

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的装置，具体是一种基于压电陶瓷驱动器和柔性铰链的二自由度平动并联解耦微动平台。

背景技术

在微机电系统、扫描探测显微镜、超精密加工、光学元件制造以及生物医学工程等领域中，具有纳米精度的微动平台是核心部件。目前，大多数采用具有压电陶瓷驱动器的柔性铰链运动工作台。而目前，商业上常用的二自由度微动平台大多采用两个一维的运动平台垂直叠加在一起或者以串联的方式将某一方向的运动平台嵌套在另外一个方向平台内，实现二维运动。但是采用这种连接方式的二维微动平台会因为叠加而产生累积误差、寄生位移、固有频率降低、两个运动方向动态特性不同并且体积庞大等缺点。因此，为克服以上缺点，发明具有高精度、低惯量、高固有频率、二自由度结构对称、输入输出解耦和小体积的二维微动平台对于实际应用具有较大的意义。

经过对现有技术文献的检索发现，中国专利申请号200510023219.4，公开号CN1644329A，名称为“微型二维解耦工作台”的专利申请，公开了一种微型二维解耦工作台。但该技术中，构型比较复杂，加工成本比较高。中国专利申请号200810636287.2，公开号CN101413902A，名称为“一种扫描电镜原位观察的全柔性三平移混联微动装置”的专利申请，其中的二自由度部分给出了一种二自由度全柔性平面并联机构。但该技术中，如果当只驱动某一个自由度上的驱动器时，另外一个自由度上的驱动器需要承受较大的弯矩和侧向力，容易造成驱动器的损坏，即不能很好的实现压电驱动器的输入解耦。中国专利申请号200710114743.1，公开号CN101176995A，名称为“一种具有冗余支链的二平动微动平台”的专利申请，提供了一种具有冗余支链的二平动微动平台。但该技术中采用的单平行四杆机构运动时具有耦合位移，不能实现二维运动的完全解耦。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种二自由度平动并联解耦微动平台，依靠复合双平行直板铰链的解耦功能、刚度特性以及平台整体结构的对称性，从而达到消除耦合和寄生位移的功能，实现运动平台的二维运动。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：压电陶瓷驱动器、两个驱动支链及其对应的辅助支链、工作平台以及固定机架，其中：两个驱动支链及其对应的辅助支链分别两两对称分布在工作平台的X方向和Y方向。

所述的驱动支链包括：输入解耦平台、驱动支链中间平台、一级驱动铰链中间平台、二级驱动铰链中间平台和柔性铰链，其中：输入解耦平台与驱动支链中间平台通过柔性铰链活动连接，一级驱动铰链中间平台分别与驱动支链中间平台和固定机架通过柔性铰链活动连接，二级驱动铰链中间平台分别与工作平台和驱动支链中间平台通过柔性铰链活动连接。

所述的辅助支链包括：辅助支链中间平台、一级辅助铰链中间平台、二级辅助铰链中间平台和柔性铰链，其中：一级辅助铰链中间平台分别与辅助支链中间平台和固定机架通过柔性铰链活动连接，二级辅助铰链中间平台分别与工作平台和辅助支链中间平台通过柔性铰链活动连接。

所述的压电陶瓷驱动器的头部与驱动支链内的输入解耦平台相接触并施加力于输入解耦平台，压电陶瓷驱动器的底部与固定机架固定连接。

所述的驱动支链及其对应的辅助支链、工作平台以及固定机架等都是采用一体式结构，即在一块金属材料板上，采用先进加工工艺加工而成，无需装配，结构紧凑，体积小，有效避免了装配误差的产生，满足了高精度的要求。

本发明通过以下方式进行工作：以Y方向运动为例，压电陶瓷驱动器施加力于Y方向驱动支链内的输入解耦平台以使驱动支链中间平台朝Y方向运动，通过柔性铰链的协调变形，并且由于柔性铰链轴向刚度较大，从而带动工作平台和Y方向辅助支链整体朝Y方向运动。同时也带动了X方向的驱动支链内的二级驱动铰链中间平台和辅助支链内的的二级辅助铰链中间平台朝Y方向运动。由于柔性铰链轴向刚度较大，故工作平台的位移基本上与压电陶瓷驱动器的输出位移即驱动支链中间平台得位移基本相同。

本发明与现有的技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明采用复合双平行直板铰链相比于单平行和双平行铰链具有大位移，低应力集中以及无耦合位移等优点，并且当某一方向驱动器运动时，由于该铰链具有较大的轴向刚度，另一个方向的驱动器承受较小的弯矩和侧向载荷。而且采用的直板铰链相对于直角圆铰链具有结构形状简单，便于加工，加工成本低等优点。

(2)本发明采用对称约束结构，从而有效消除了轴间输出耦合的位移，累积误差以及工作平台旋转等寄生位移的产生，保证了运动平台的二自由度平动，同时也增加了结构的刚度、承载能力和固有频率。