一种面向复杂载荷偏摆角刚度可调的微定位台 |
|||||||
| 申请号 | CN202410069488.7 | 申请日 | 2024-01-17 | 公开(公告)号 | CN117894731A | 公开(公告)日 | 2024-04-16 |
| 申请人 | 山东大学; | 发明人 | 闫鹏; 杨剑; 张伟鹏; | ||||
| 摘要 | 本 发明 属于精密工程领域，具体公开了一种面向复杂 载荷 偏摆 角 刚度 可调的微 定位 台，包括柔顺偏摆定位机构、压电 驱动器 、线圈磁组和磁轭；柔顺偏摆定位机构包括 工作台 、桥式位移放大机构、回转缺口柔性 铰链 、中心承柱结构和基 底板 ，在基底板上表面的前、后、左、右四个方向上均设置有桥式位移放大机构，每个桥式位移放大机构顶部通过回转缺口柔性铰链与工作台底部相连；且工作台的中心通过中心承柱结构与基底板相连；在每个桥式位移放大机构内部设置有压电驱动器，在工作台与基底板之间竖直的插装有线圈磁组，线圈磁组通过磁轭固定。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种面向复杂载荷偏摆角刚度可调的微定位台，其特征在于，包括柔顺偏摆定位机构、压电驱动器、线圈磁组和磁轭； |
||||||
| 说明书全文 | 一种面向复杂载荷偏摆角刚度可调的微定位台技术领域[0001] 本发明涉及一种可用于精密工程领域部件，更具体地是一种面向复杂载荷偏摆角刚度可调的微定位台。 背景技术[0002] 随着微纳米技术在航空宇航、生物科学、集成电路(I C)技术等领域的深入应用，柔顺机构因其精度高、重复性好等优点得到了广泛的应用。近年来出现了许多应用，如微纳制造、精密操纵和精密定位平台，都依赖于挠性构件的挠度。这反过来又对柔顺机构的设计提出了挑战。近年来许多围绕平面微纳定位机构的研究已经取得了非常多的成果，但对于空间/转动机构的研究相对不足。 [0003] 在专利CN112563179 B中公开了一种挠曲式压电微纳晶圆偏摆台，包括压电驱动式微位移模块、陶瓷吸盘固定座、陶瓷吸盘和晶圆，所述压电驱动式微位移模块包括基体和安装在基体顶部的铰链主体，铰链主体内置有叠堆式压电陶瓷、挠曲式放大结构与双平行铰链结构，叠堆式压电陶瓷的位移端通过一级位移输入端与挠曲式放大结构输入端相连，挠曲式放大结构与双平行铰链结构通过一级位移输出端连接，二级位移输出端与输出端转接治具通过螺丝进行刚性连接，转接治具顶部固定有柱塞端部和柱塞弹性端，陶瓷吸盘固定座通过销孔与柱塞弹性端连接；该发明采用压电陶瓷作为动力驱动，通过多级位移放大机构对晶圆实现。 [0004] 但上述专利没有考虑偏摆微动台这种空间运动机构的特殊性(角刚度各向同性)，因载荷变化引起的偏摆运动稳定性下降的问题，这主要是源于载荷超出一定范围后，刚性部分连接的柔性铰链会产生较大的轴漂以及局部应力集中，这些几何与材料的非线性不仅会严重影响平台的使用寿命，例如，在现有设计中，通常使用虎克铰/万向节支持偏摆微定位平台的平动‑旋转耦合，然而这种运动解耦结构在复合荷载作用下容易矩形截面四个角处出现应力集中，严重限制了偏摆平台的运动范围，缩短了平台的使用寿命。除此之外，还会给平台的精准建模和控制器设计带来巨大挑战。 [0005] 需要注意的是，由于柔性机构主要依靠柔性铰链部分的弹性形变实现传动，所以几乎所有柔性机构都对外部载荷变化极其敏感，这一点与定位平台的高精度要求存在互斥矛盾。此外，这种外部载荷通常不是固定不变的，而是作为一种随机的外部扰动，因此还必须从主动抗干扰的角度去实时抵抗载荷带来的随机干扰。 发明内容[0006] 针对该问题本发明提出了一种面向复杂载荷偏摆角刚度可调的微定位台，该装置采用通电线圈方式实现定位台刚度的实时调节，可以灵活应对恶劣工况下执行机构的载荷变化，同时本发明利用回转缺口型柔性铰链作为空间多轴解耦结构，能够有效避免以上问题。这种独有的偏摆角刚度调节和运动解耦方案的有机结合对于开发更多高精密空间定位平台具有重要价值和指导意义。 [0007] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下： [0009] 所述的柔顺偏摆定位机构包括工作台、桥式位移放大机构、回转缺口柔性铰链、中心承柱结构和基底板，在基底板上表面的前、后、左、右四个方向上均对称设置有桥式位移放大机构，每个桥式位移放大机构顶部通过回转缺口柔性铰链与工作台底部相连；且工作台的中心通过中心承柱结构与基底板相连；在每个桥式位移放大机构内部设置有压电驱动器，在工作台上竖直的插装有线圈磁组，所述的线圈磁组通过磁轭固定。 [0010] 进一步的，前后两个桥式位移放大机构对称设置，左右两个桥式位移放大机构对称设置。 [0011] 进一步的，所述的工作台为一个圆形工作台，在圆形工作台上设置有多个通孔，在每个通孔内安装有线圈磁组，在每个线圈磁组的顶部设置有磁轭。 [0012] 进一步的，在每个桥式位移放大机构内水平安装有压电驱动器；压电驱动器通过预紧螺钉与桥式位移放大机构相连。 [0013] 进一步的，在工作台上竖直的插装有四个线圈磁组，四个线圈磁组绕中心承柱结构均匀设置。 [0014] 进一步的，所述的四个线圈磁组位于工作台的前、后、左、右四个方向。 [0015] 进一步的，所述的基底板上设置有装配孔。 [0016] 进一步的，所述的回转缺口柔性铰链位于各自对应的桥式位移放大机构顶部的中心位置。 [0017] 本发明的有益效果如下： [0018] 从优化平台自身结构和实时抵抗外部随机干扰两方面确保协同，有效实现偏摆平台各向同性的正常工作，尤其适合作为复杂环境下多角度调节装置。 [0019] 具体的，平台自身结构的优化包括在基底板上表面的前、后、左、右四个方向上均对称设置有桥式位移放大机构，每个桥式位移放大机构顶部通过回转缺口柔性铰链与工作台底部相连；且工作台的中心通过中心承柱结构与基底板相连；同时，通过在工作台上竖直的插装有线圈磁组，线圈磁组通过磁轭固定，来实时抵抗外部随机干扰。 [0020] 本发明提出的这种柔性结构的设计有利于一体化成型制造和总体结构微型化，能够适应狭窄环境下的正常作业， [0021] 本发明在构型上，该平台采用对称过约束构型，相对于非对称形式和中空形式的完全约束，本发明采用的构型方案能够更好地抑制偏摆平台的寄生运动和中心点漂移，最终实现平台运动精度的进一步提升。附图说明 [0023] 图1柔顺偏摆微定位台三维示意图； [0024] 图2柔顺偏摆微定位台正视图； [0025] 图3柔顺偏摆微定位台俯视图； [0026] 图4柔顺偏摆微定位台爆炸图； [0027] 图5整体式柔顺偏摆机构示意图； [0028] 图6柔顺偏摆微定位台剖视图； [0029] 图7柔顺偏摆微定位台剖面A； [0030] 图8柔顺偏摆微定位台剖面B； [0031] 图9线圈磁组结构图； [0032] 图10工作台受力分析图； [0033] 其中，1‑柔顺偏摆定位机构，101‑工作台，102‑桥式位移放大机构，103‑回转缺口柔性铰链，104‑中心承柱结构，105‑基底板，2‑压电驱动器，3‑线圈磁组，301‑电枢，302‑线圈，4‑预紧螺钉，5‑固定螺栓，6‑限位块，7‑螺母，8‑磁轭，9‑装配孔。 具体实施方式[0034] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。 [0035] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。 [0036] 正如背景技术部分所描述的，现有的偏摆微动台未考虑偏摆微动台这种空间运动机构的特殊性(角刚度各向同性)，因载荷变化引起的偏摆运动稳定性下降的问题，这主要是源于载荷超出一定范围后，刚性部分连接的柔性铰链会产生较大的轴漂以及局部应力集中，这些几何与材料的非线性不仅会严重影响平台的使用寿命，还会给平台的精准建模和控制器设计带来巨大挑战。因此，本实施例从准确抵抗外部载荷和优化偏摆台机构两方面协同发力，来解决现有技术中存在的问题；具体的，本实施例提供了一种角刚度可变的重载偏摆微定位台装置；以压电材料或其他智能材料作为驱动器，可实现工作平台的偏摆运动，同时本发明通过引入如图10所示的电磁可调负刚度，利用了麦克斯韦正应力驱动器的电磁刚度随电流改变的非线性特点，在偏摆台的两侧增加了电枢和带线圈的磁轭机构，形成了拮抗式的可变电磁负刚度结构，作为辅助变刚度驱动器，可实现实时调整的角刚度，从而适应不同载荷场景下的定位需求。同时，增材制造技术的发展也为本设计的微型化一体化制造提供了巨大的空间。 [0037] 此外，针对本发明提出的面向复杂载荷偏摆角刚度可调的微定位台装置，整体构型为对称过约束形式能够更进一步抑制寄生运动的产生，进而提高偏摆平台的运动精度。 [0038] 具体的，本实施例公开的面向复杂载荷偏摆角刚度可调的微定位台装置，包括柔顺偏摆定位机构1、压电驱动器2、线圈磁组3、预紧螺钉4、固定螺栓5、限位块6、螺母7和磁轭8； [0039] 所述的柔顺偏摆定位机构1包括工作台101、桥式位移放大机构102、回转缺口柔性铰链103、中心承柱结构104和基底板105，所述的工作台101、桥式位移放大机构102、回转缺口柔性铰链103、中心承柱结构104和基底板105一体成型，具体的，可以采用增材制造进行一体成型，或者其他的加工方式进行一体成型；在基底板105上表面的前、后、左、右四个方向上均设置有桥式位移放大机构102，即基底板105上设置有四个桥式位移放大机构102，每个桥式位移放大机构102顶部通过回转缺口柔性铰链103与工作台101底部相连；且工作台101的中心通过中心承柱结构104与基底板105相连。 [0040] 进一步的，上述的四个桥式位移放大机构102的结构完全相同，前后两个桥式位移放大机构102对称设置，左右两个桥式位移放大机构102对称设置；且上述的回转缺口柔性铰链103设置在每个桥式位移放大机构102的中心位置,即该平台采用对称过约束构型，相对于非对称形式和中空形式的完全约束，本发明采用的构型方案能够更好地抑制偏摆平台的寄生运动和中心点漂移，最终实现平台运动精度的进一步提升。 [0041] 进一步的，上述工作台101为一个圆形工作台，在圆形工作台上设置有多个通孔，在每个通孔内安装有线圈磁组3，在每个线圈磁组3的顶部设置有磁轭8；在本实施例中，在圆形工作台上设置有四个通孔，在每个通孔内安装有线圈磁组3，在每个线圈磁组3的顶部设置有磁轭8，四个线圈磁组3沿着圆形工作台的前后左右四个方向依次部分。 [0042] 进一步的，在每个桥式位移放大机构102内水平安装有压电驱动器2；压电驱动器2通过预紧螺钉4与桥式位移放大机构102相连。 [0043] 进一步的，所述预紧螺钉4与压电驱动器2之间设置有限位块6，所述的限位块6主要是为了适应压电陶瓷驱动器的安装所设置。 [0044] 进一步的，所述的线圈磁组2包括电枢301和线圈302，在所述的电枢301外缠绕有很多线圈302，电枢301的顶部是磁轭8。 [0045] 进一步的，在基底板105上还设置有四个装配孔9，四个装配孔9用于与其他装置配合，实现微定位平台的安装。 [0046] 该微定位台的工作原理如下： [0047] 当驱动元件启动，其所在主动模块的桥式位移放大机构输出端可以输出放大后的向上位移，如图10所示，这时会与中心承柱结构104及镜像被动模块(桥式位移放大机构102)形成杠杆，最终实现工作台101的偏转运动。而4个线圈磁组3在磁导体构成的磁轭8与电枢内形成磁场；线圈通电后，在偏摆台不发生偏转时，能够同时提供向上或向下的推力并保持工作台的平衡，从而达到改变偏摆台承重能力的效果。 [0048] 当工作台发生绕某一方向的偏转时，距离近的磁轭与电枢电磁吸和力增加，距离远的磁轭与电枢电磁吸和力减小，所收到的电磁合力将随着偏转角度的增加而增大，形成了电磁负刚度。电磁负刚度将随着电流的增加而不断增大，将进一步的减小偏摆定位台的角刚度。 [0049] 本实施例从优化平台自身结构和实时抵抗外部随机干扰两方面确保协同、有效实现偏摆平台各向同性的正常工作，尤其适合作为复杂环境下多角度调节装置。 [0050] 以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈