本發(fā)明涉及微納操作裝置，尤其涉及一種多驅(qū)動三自由度的板簧型微納操作平臺及方法。

背景技術(shù)：

隨著近年來超精密機(jī)械制造、微型機(jī)器人操作、精密光學(xué)測量儀器及生物醫(yī)學(xué)微觀操作等領(lǐng)域的發(fā)展，具有亞微米甚至納米級分辨力，毫米級乃至厘米級的大跨度多自由度微納操作平臺的設(shè)計(jì)日益成為限制上述等領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。20世紀(jì)80年代，A.Midha和L.L.Howell提出了柔順機(jī)構(gòu)的概念，極大的促進(jìn)了微納操作平臺設(shè)計(jì)方法的發(fā)展，打開了全新的設(shè)計(jì)理念。

文獻(xiàn)Design of a Large Range XY Nanopositioning System提出了一種基于柔性板簧單元的二自由度微納操作平臺，可以實(shí)現(xiàn)XY兩個(gè)方向的直線自由度；類似的，文獻(xiàn)Design and Development of a Compact Flexure-based XY Precision Positioning System with Centimeter Range根據(jù)分層設(shè)計(jì)法，設(shè)計(jì)了一種雙層微納操作平臺，借助分層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)XY方向位移的解耦。

現(xiàn)有技術(shù)中有提出微納傳動平臺，平臺借助空間鉸鏈的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)XYZ三個(gè)軸向的直線自由度以及XY方向的旋轉(zhuǎn)自由度，此專利中的空間鉸鏈結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且無法實(shí)現(xiàn)Z軸的旋轉(zhuǎn)自由度，而該自由度在微納操作中具有非常重要的應(yīng)用，同時(shí)由于借助柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，難以實(shí)現(xiàn)大跨度行程。

也有四維正交結(jié)構(gòu)微納操作臺，該平臺借助壓電陶瓷驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)了XYZ方向的直線自由度以及Y軸方向旋轉(zhuǎn)自由度，該設(shè)計(jì)分辨率高結(jié)構(gòu)簡單，但是行程小，同時(shí)無法實(shí)現(xiàn)Z軸向的旋轉(zhuǎn)自由度。

針對目前微納操作平臺的需求和研究現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種多驅(qū)動三自由度的板簧型微納操作平臺，以滿足大行程、多自由度及優(yōu)良的解耦特性的需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了提供一種結(jié)構(gòu)簡單，可實(shí)現(xiàn)三自由度的板簧型微納操作平臺，以滿足大行程、多自由度及優(yōu)良的解耦特性的需要。

為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種多驅(qū)動三自由度的板簧型微納操作平臺，包括用于放置移動對象的移動平臺，在移動平臺的四個(gè)角或者四條邊的延長邊上各設(shè)置有驅(qū)動機(jī)構(gòu)，驅(qū)動機(jī)構(gòu)以四邊形四個(gè)角的位置設(shè)置，其中一個(gè)驅(qū)動機(jī)構(gòu)與另一個(gè)驅(qū)動機(jī)構(gòu)配合帶動移動平臺實(shí)現(xiàn)在X軸或者Y軸的移動以及繞Z軸的轉(zhuǎn)動，

驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括與移動平臺連接的導(dǎo)向板簧，導(dǎo)向板簧與驅(qū)動動力源連接，在導(dǎo)向板簧的兩側(cè)各設(shè)有至少一個(gè)輔助板簧，輔助板簧的設(shè)置可有效避免驅(qū)動動力源驅(qū)動導(dǎo)向板簧位置跑偏，提高了位移精度，解耦效果好。

其中，導(dǎo)向板簧與輔助板簧均包括多個(gè)間隔設(shè)定距離設(shè)置的薄板塊。

進(jìn)一步地，為了整體結(jié)構(gòu)的緊湊，所述的移動平臺和所述的驅(qū)動機(jī)構(gòu)共同設(shè)于一固定平臺上。

進(jìn)一步地，在所述的固定平臺上設(shè)有用于固定導(dǎo)向板簧的一側(cè)設(shè)有開口的C型塊；

當(dāng)所述的驅(qū)動機(jī)構(gòu)中導(dǎo)向板簧兩側(cè)各設(shè)有兩個(gè)輔助板簧時(shí)，在固定平臺上設(shè)有用于固定兩個(gè)輔助板簧的E型塊，E型塊的兩開口用于設(shè)置輔助板簧。

進(jìn)一步地，所述導(dǎo)向板簧、所述輔助板簧、所述的移動平臺及所述的固定平臺為一體結(jié)構(gòu)，通過線切割方法制造，整體的材料最好是鋁合金材料，便于進(jìn)行線切割。

進(jìn)一步地，所述驅(qū)動動力源為音圈直線電機(jī)，在固定平臺的C型塊的一側(cè)設(shè)置一個(gè)U型槽，通過該U型槽用于設(shè)置音圈直線電機(jī)。

所述固定平臺外圍圈每邊設(shè)有用于容納橫向螺釘?shù)膬蓚€(gè)水平向階梯孔，所述兩個(gè)階梯孔對稱中心與對應(yīng)C形塊中部兩個(gè)U形槽的對稱中心存在重合公差要求。

進(jìn)一步地，所述的固定平臺設(shè)置于一氣浮平臺上，在所述固定平臺的底部設(shè)有墊塊以使所述的固定平臺與氣浮平臺間隔設(shè)定的距離設(shè)置，墊塊可以是方形或者其他形狀。

所述固定平臺外圍圈每邊設(shè)有一個(gè)容納豎直螺釘?shù)呢Q直向階梯孔，所述豎直螺釘穿過平臺與方形墊塊與氣浮平臺螺紋孔配合，方形墊塊上下向中心位置設(shè)有容納豎直螺釘?shù)墓饪?，所述光孔孔徑大于豎直螺釘公稱直徑，方形墊塊厚度大于驅(qū)動裝置底部漏出部分的公稱厚度。

進(jìn)一步地，所述的導(dǎo)向板簧與C型塊固連，所述的輔助板簧與E型塊固連，所述的導(dǎo)向板簧與所述的移動平臺固連。

進(jìn)一步地，所述導(dǎo)向板簧兩側(cè)的四個(gè)輔助板簧對稱設(shè)置，一側(cè)的兩個(gè)輔助板簧串聯(lián)設(shè)置或者并聯(lián)設(shè)置以與導(dǎo)向板簧連接，具體選擇并聯(lián)或者串聯(lián)，可以根據(jù)對輔助板簧需要達(dá)到的剛度進(jìn)行選擇，若要求剛度小，則選擇串聯(lián)，若要求剛度大，則選擇并聯(lián)。

進(jìn)一步地，為了保證解耦特性，提高微納操作的精度，所述導(dǎo)向板簧與所述的輔助板簧設(shè)置方向垂直，由于板簧本身具有的軸向剛度遠(yuǎn)大于橫向剛度的特性，因此，本設(shè)計(jì)可以借助輔助板簧軸向剛度大的特點(diǎn)保證導(dǎo)向剛度的輸出位移的直線性，有效克服其他方向力的影響，造成導(dǎo)向板簧的偏轉(zhuǎn)，并最終造成音圈電機(jī)動子的偏轉(zhuǎn)影響音圈電機(jī)的輸出力的穩(wěn)定性，這樣的設(shè)置可以有效的提高固定平臺輸出力的導(dǎo)向特性，改善固定平臺的解耦特性。

所述的一種多驅(qū)動三自由度的板簧型微納操作平臺的使用方法：

移動平臺實(shí)現(xiàn)X軸或者Y軸的移動通過至少一個(gè)所述的驅(qū)動機(jī)構(gòu)動作，當(dāng)通過兩個(gè)驅(qū)動機(jī)構(gòu)動作時(shí)，兩個(gè)驅(qū)動機(jī)構(gòu)對角設(shè)置且與另兩個(gè)驅(qū)動機(jī)構(gòu)垂直設(shè)置；當(dāng)通過兩個(gè)對角設(shè)置的驅(qū)動機(jī)構(gòu)動作帶動移動平臺動作時(shí)，一個(gè)驅(qū)動動力源推動移動平臺，另一個(gè)驅(qū)動動力源直線拉動移動平臺，有效提高平臺的操作行程。

移動平臺實(shí)現(xiàn)繞Z軸的轉(zhuǎn)動通過至少兩個(gè)所述的驅(qū)動機(jī)構(gòu)動作，如通過對角設(shè)置的兩個(gè)驅(qū)動機(jī)構(gòu)，一驅(qū)動動力源推動移動平臺的行程大于另一個(gè)驅(qū)動動力源拉動移動平臺的行程，則固定平臺實(shí)現(xiàn)繞Z軸的旋轉(zhuǎn)。

本發(fā)明的有益效果是：

1)由于本發(fā)明采用了上述技術(shù)方案，將柔性的輔助板簧對稱布置可以有效的提高平臺輸出力的導(dǎo)向特性，改善固定平臺的解耦特性。

2)本發(fā)明采用四個(gè)板簧單元圓周排布，可以實(shí)現(xiàn)移動平臺繞Z軸的旋轉(zhuǎn)自由度，該自由度是目前微納操作中起到非常重要作用，通過其可以實(shí)現(xiàn)在微納操作過程中對象角度的調(diào)整的需求，拓寬了微納操作平臺的使用范圍。

3)同時(shí)采用過驅(qū)動的設(shè)計(jì)方式，可以有效克服因?yàn)榧庸ふ`差造成的結(jié)構(gòu)形狀誤差引起的傳動誤差。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本發(fā)明的俯視圖。

圖3為本發(fā)明的仰視圖。

圖4為本發(fā)明的側(cè)視結(jié)構(gòu)圖。

圖5為本發(fā)明的原理圖。

圖6為本發(fā)明的剖視圖。

圖7為本發(fā)明的板簧并聯(lián)結(jié)構(gòu)圖。

圖中：1-平臺、2-第一音圈電機(jī)、3-第一板簧、4-第二板簧、5-第三板簧、6-第四板簧、7-第一導(dǎo)向板簧、8-第二音圈電機(jī)、9-第五板簧、10-第六板簧、11-第七板簧、12-第八板簧、13-第二導(dǎo)向板簧、14-第三音圈電機(jī)、15-第九板簧、16-第十板簧、17-第十一板簧、18-第十二板簧、19-第三導(dǎo)向板簧、20-第四音圈電機(jī)、21-第十三板簧、22-第十四板簧、23-第十五板簧、24-第十六板簧、25-第四導(dǎo)向板簧、26-移動平臺、27-橫向螺釘、28-氣浮平臺、29-豎直螺釘、30-方形墊塊、31-連接塊。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述。

實(shí)施例1：

如圖1、圖2所示，一種多驅(qū)動三自由度的板簧型微納操作平臺，本實(shí)施例中采用四驅(qū)動的方式，該平臺結(jié)構(gòu)包括：固定平臺1，固定平臺1為一體式材料線切割加工而成，固定平臺1四周圓周均勻分布有四部分結(jié)構(gòu)相同的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，固定平臺1中心位置設(shè)有移動平臺26，第一驅(qū)動機(jī)構(gòu)中除去驅(qū)動動力源的部分為第一板簧單元，第一板簧單元由第一板簧(輔助板簧)3、第二板簧(輔助板簧)4、第三板簧(輔助板簧)5、第四板簧(輔助板簧)6和第一導(dǎo)向板簧7組成，所述第一板簧3、第二板簧4、第三板簧5、第四板簧6和第一導(dǎo)向板簧7結(jié)構(gòu)為四條板簧平行布置結(jié)構(gòu)，內(nèi)層兩條板簧一端與一連接塊31連接，該連接塊31與外層兩條板簧一端連接，連接塊31設(shè)于C型塊或E型塊中，起到連接板簧的多個(gè)薄板塊為一體結(jié)構(gòu)的作用，所述第一板簧3與第三板簧5內(nèi)層的兩條板簧未與連接塊31固定的一端與固定平臺1外圍圈固連，第一板簧3與第三板簧5同第二板簧4和第四板簧6為對稱布置，第一板簧3與第三板簧5外層的兩條板簧未與連接塊31固定的一端與E形塊固連，同樣地，所述E形塊與第二板簧4和第四板簧6外層的兩條板簧未與另一連接塊連接的一端固連，第二板簧4和第四板簧6內(nèi)層的兩條板簧與連接塊固定的一端與C形塊固連，所述C形塊兩末端與第一導(dǎo)向板簧7外層的兩條板簧未與連接塊固定一端固連，第一導(dǎo)向板簧7內(nèi)層的兩條板簧未與連接塊固定的一端與移動平臺26固連；相近地，第二驅(qū)動單元中的第二板簧單元由第五板簧9、第六板簧10、第七板簧11、第八板簧12和第二導(dǎo)向板簧13組成，第三板簧單元由第九板簧15、第十板簧16、第十一板簧17、第十二板簧18和第三導(dǎo)向板簧19組成，第四板簧單元由第十三板簧21、第十四板簧22、第十五板簧23、第十六板簧24和第四導(dǎo)向板簧25組成，第一板簧單元、第二板簧單元、第三板簧單元和第四板簧單元以移動平臺26幾何中心為圓周對稱中心均勻圓周分布；驅(qū)動動力源包括第一音圈電機(jī)2、第二音圈電機(jī)8、第三音圈電機(jī)14、第四音圈電機(jī)20，所述第一音圈電機(jī)2的動子通過螺釘與第一板簧單元中的C形塊中部連接，第一音圈電機(jī)2的輸出力方向與第一導(dǎo)向板簧7長度方向重合，第一音圈電機(jī)2定子通過橫向螺釘27固定在固定平臺1外圍圈上，所述第二音圈電機(jī)8、第三音圈電機(jī)14、第四音圈電機(jī)20的裝配方式相同；所述第一板簧單元、第二板簧單元、第三板簧單元和第四板簧單元中C形塊中部設(shè)有容納裝配第一音圈電機(jī)2、第二音圈電機(jī)8、第三音圈電機(jī)14、第四音圈電機(jī)20動子的螺釘?shù)腢形槽，所述U形槽朝向固定平臺1底面；所述固定平臺1外圍圈每邊設(shè)有容納橫向螺釘27的兩個(gè)水平向階梯孔，所述兩個(gè)階梯孔對稱中心與對應(yīng)C形塊中部兩個(gè)U形槽的對稱中心存在重合公差要求。

所述固定平臺1外圍圈每邊設(shè)有一個(gè)容納豎直螺釘29的豎直向階梯孔，所述豎直螺釘29穿過平臺與方形墊塊30與氣浮平臺28螺紋孔配合；方形墊塊30為方形體結(jié)構(gòu)，方形墊塊30上下向中心位置設(shè)有容納豎直螺釘29的光孔，所述光孔孔徑大于豎直螺釘29公稱直徑，所述方形墊塊30厚度大于驅(qū)動裝置底部漏出部分的公稱厚度；所述第一板簧單元、第二板簧單元、第三板簧單元和第四板簧單元中C形塊中部部分靠近固定平臺1外圍一側(cè)的豎直側(cè)面同與其相對的固定平臺1外圍內(nèi)側(cè)豎直側(cè)面存在相對固定平臺1底部平面的垂直度公差。

如圖3、圖4所示，固定平臺1底座設(shè)有四個(gè)方形墊塊30，豎直螺釘29依次穿過固定平臺1和方形墊塊30與氣浮平臺28上的螺紋孔實(shí)現(xiàn)配合，所述方形墊塊30可以避免第一音圈電機(jī)2、第二音圈電機(jī)8、第三音圈電機(jī)14、第四音圈電機(jī)20與氣浮平臺28發(fā)生干涉，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡單，裝配方便，制作成本低，在裝配過程中，首先將螺釘分別旋入第一音圈電機(jī)2、第二音圈電機(jī)8、第三音圈電機(jī)14、第四音圈電機(jī)20的動子上對應(yīng)的螺紋孔內(nèi)，然后由下向上裝入固定平臺1中第一板簧單元、第二板簧單元、第三板簧單元和第四板簧單元中C形塊中部的U形槽內(nèi)，裝至槽底后，借助內(nèi)六方扳手旋緊螺釘，然后分別調(diào)整第一音圈電機(jī)2、第二音圈電機(jī)8、第三音圈電機(jī)14、第四音圈電機(jī)20定子的角度，從固定平臺1外圍圈每邊設(shè)有的容納橫向螺釘27的兩個(gè)水平向階梯孔內(nèi)插入橫向螺釘27借助內(nèi)六方扳手旋緊實(shí)現(xiàn)定子的固定。

如圖5所示，其中實(shí)線表示剛性連桿，虛線表示柔性板簧，實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖6所示，該結(jié)構(gòu)將柔性輔助板簧串聯(lián)且對稱布置于驅(qū)動動力源的輸出端，可以有效的提高平臺輸出力的導(dǎo)向特性，改善平臺的解耦特性，本發(fā)明采用四個(gè)板簧單元圓周排布，可以實(shí)現(xiàn)移動平臺26繞Z軸的旋轉(zhuǎn)自由度，該自由度是目前微納操作中起到非常重要作用，同時(shí)采用過驅(qū)動的設(shè)計(jì)方式，可以有效克服因?yàn)榧庸ふ`差造成的結(jié)構(gòu)形狀誤差引起的傳動誤差。

實(shí)施例2：

如圖7所示，將柔性輔助板簧并聯(lián)且對稱布置于驅(qū)動動力源的輸出端，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效提高剛度，改善整個(gè)微納平臺的帶寬，適合于高帶寬小行程的場合。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。