CN106782674B - 一种微位移放大器及纳米定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微位移放大器，包括输入平台及固定底座，输入平台的同侧对称的连接有一对输入连杆，两根输入连杆的另一端分别与第一杠杆及第二杠杆的首端连接，第一杠杆及第二杠杆的中段分别通过柔性铰链与固定底座的两侧位置连接，第一杠杆及第二杠杆的尾端分别通过柔性铰链与第三杠杆及第四杠杆的中段连接，第三杠杆及第四杠杆的首端分别通过柔性铰链与固定底座的两侧顶端连接，第三杠杆及第四杠杆的尾端分别通过柔性铰链与一对输出连杆连接，两根输出连杆的另一端均位置对称的与输出平台连接。这种微位移放大器，有效地解决了现有的纳米定位装置行程小精度差，结构复杂的问题。本发明还公开了一种纳米定位装置。

Description

一种微位移放大器及纳米定位装置

技术领域

本发明涉及精密加工技术领域，更具体地说，涉及一种微位移放大器，还涉及一种纳米定位装置。

背景技术

目前，实现运动平台大行程高定位精度的主流方法有两种：一种是采用宏微两级工作台，宏动台实现大行程、微动台实现最终的定位精度。这类定位平台设计的主要思路是将两种类型的电动机结合起来，直流电动机控制机构大范围运动，压电陶瓷激励器保证终端执行器的高精度。这种方式克服了传统的微操作机器人工作空间小的弊端，但整体驱动系统结构复杂、体积大、造价高、无法小型化。

另一种是用精确的位移输入装置如压电陶瓷驱动器和铰链机构组合成的单层工作台实现大行程纳米定位，虽然结构简单，但是弹性铰链运动方向上的刚度使位移输入装置所输入的实际伸长量小于名义伸长量，若使微定位平台的工作行程达到使用要求,需要增加位移输入装置的长度，然而压电陶瓷驱动器类的位移输入装置的长度又受到微定位平台结构紧凑性的限制。

并且，现有精度高的纳米定位装置往往行程小，不能满足实际试验中大行程的要求；而在加工精度方面有明显提高的，却难以实现微小型复杂结构的超精密加工。具体如下：行程小，所能够工作的范围小；刚度小，易受外界不确定因素的影响从而精度无法达到；结构相对复杂，加工装配误差加大。

综上所述，如何有效地解决现有的纳米定位装置行程小精度差，结构复杂等问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的第一个目的在于提供一种微位移放大器，该微位移放大器的结构设计可以有效地解决现有的纳米定位装置行程小精度差，结构复杂等问题，本发明的第二个目的是提供一种包括上述微位移放大器的纳米定位装置。

为了达到上述第一个目的，本发明提供如下技术方案：

一种微位移放大器，包括用于与运动输入装置连接的输入平台及固定底座，所述输入平台的同侧对称的连接有一对输入连杆，两根所述输入连杆的另一端分别与第一杠杆及第二杠杆的首端连接，所述第一杠杆及第二杠杆的中段分别通过柔性铰链与所述固定底座的两侧位置连接，所述第一杠杆及第二杠杆的尾端分别通过柔性铰链与第三杠杆及第四杠杆的中段连接，所述第三杠杆及第四杠杆的首端分别通过柔性铰链与所述固定底座的两侧顶端连接，所述第三杠杆及第四杠杆的尾端分别通过柔性铰链与一对输出连杆连接，两根所述输出连杆的另一端均位置对称的与输出平台连接。

优选的，上述微位移放大器中，所述输入平台与所述输入连杆之间均通过柔性铰链连接，所述输入连杆与第一杠杆及第二杠杆之间均通过柔性铰链连接。

优选的，上述微位移放大器中，所述输出平台与所述输出连杆之间均通过柔性铰链连接。

优选的，上述微位移放大器中，所述第一杠杆的首端与中段之间的距离小于其尾端与中段之间的距离；所述第二杠杆的首端与中段之间的距离小于其尾端与中段之间的距离。

优选的，上述微位移放大器中，所述第三杠杆的首端与中段之间的距离小于其尾端与中段之间的距离；所述第四杠杆的首端与中段之间的距离小于其尾端与中段之间的距离。

优选的，上述微位移放大器中，所述输入连杆与所述输入平台之间的柔性铰链、所述输入连杆分别与所述第一杠杆及第二杠杆之间的柔性铰链、所述第一杠杆及第二杠杆分别与所述第三杠杆及第四杠杆之间的柔性铰链、所述第一杠杆、第二杠杆、第三杠杆及第四杠杆各自与所述固定底座之间的柔性铰链均为圆弧型柔性铰链。

优选的，上述微位移放大器中，所述输出连杆与所述输出平台之间的柔性铰链、所述输出连杆分别与所述第三杠杆及第四杠杆之间的柔性杠杆均为倒圆角型柔性铰链。

优选的，上述微位移放大器中，所述固定底座具体为C型框体，所述C型框体的两端的内侧分别与所述第一杠杆及第二杠杆连接，所述C型框体的两端的顶点分别与所述第三杠杆及第四杠杆连接。

本发明提供的微位移放大器，包括用于与运动输入装置连接的输入平台及固定底座，所述输入平台的同侧对称的连接有一对输入连杆，两根所述输入连杆的另一端分别与第一杠杆及第二杠杆的首端连接，所述第一杠杆及第二杠杆的中段分别通过柔性铰链与所述固定底座的两侧位置连接，所述第一杠杆及第二杠杆的尾端分别通过柔性铰链与第三杠杆及第四杠杆的中段连接，所述第三杠杆及第四杠杆的首端分别通过柔性铰链与所述固定底座的两侧顶端连接，所述第三杠杆及第四杠杆的尾端分别通过柔性铰链与一对输出连杆连接，两根所述输出连杆的另一端均位置对称的与输出平台连接。这种微位移放大器，包括两对对称设置的两组差动式杠杆，提高了放大的行程，杠杆与杠杆之间及杠杆与底座之间均通过柔性铰链连接固定，在柔性铰链和杠杆本身位置及尺寸精准的情况下，可以实现位移的较为精确的放大；并且这种设计结构简明，占据的空间相对现有技术中的设计较小，设计采用对称的结构，整体刚性较高，可以较为稳定和准确的输出位移；鉴于柔性铰链本身的结构特点，可以将微位移放大器一体铸造，避免了安装复杂且有可能有装配误差的情况。综上所述，本发明提供的这种微位移放大器可以有效地解决现有的纳米定位装置行程小精度差，结构复杂的问题。

为了达到上述第二个目的，本发明还提供了一种纳米定位装置，该纳米定位装置包括上述任一种微位移放大器。由于上述的微位移放大器具有上述技术效果，具有该微位移放大器的纳米定位装置也应具有相应的技术效果。

优选的，上述纳米定位装置中，还包括底板及压电陶瓷驱动器，所述固定底座与所述底板安装固定，所述输入平台与所述固定底座之间还设置有与所述底板安装固定的压电陶瓷驱动器。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的微位移放大器的结构示意图。

附图中标记如下：

输入平台1、输出平台2、输入连杆3、第一杠杆4、第二杠杆5、第三杠杆6、第四杠杆7、输出连杆8、固定底座9、柔性铰链10。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种微位移放大器，以解决现有的纳米定位装置行程小精度差，结构复杂的问题。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的微位移放大器的结构示意图。

本发明的实施例提供的微位移放大器，包括用于与运动输入装置连接的输入平台1及固定底座9，所述输入平台1的同侧对称的连接有一对输入连杆3，两根所述输入连杆3的另一端分别与第一杠杆4及第二杠杆5的首端连接，所述第一杠杆4及第二杠杆5的中段分别通过柔性铰链10与所述固定底座9的两侧位置连接，所述第一杠杆4及第二杠杆5的尾端分别通过柔性铰链10与第三杠杆6及第四杠杆7的中段连接，所述第三杠杆6及第四杠杆7的首端分别通过柔性铰链10与所述固定底座9的两侧顶端连接，所述第三杠杆6及第四杠杆7的尾端分别通过柔性铰链10与一对输出连杆8连接，两根所述输出连杆8的另一端均位置对称的与输出平台2连接。

本市实施例提供的这种微位移放大器，包括两对对称设置的两组差动式杠杆，提高了放大的行程，对称的设计可以有效消除侧向附加位移，减小机构自身的纵向耦合位移误差，提升了位移放大的精度；这种杠杆之间的组合方式可以减少位移放大所需的杠杆数量，采用两对杠杆即可实现较大的位移放大，所以也就减小了装置所占据的空间；杠杆与杠杆之间及杠杆与底座之间均通过柔性铰链连接固定，在柔性铰链和杠杆本身位置及尺寸精准的情况下，可以实现位移的较为精确的放大；并且这种设计结构简明，占据的空间相对现有技术中的设计较小，设计采用对称的结构，整体刚性较高，可以较为稳定和准确的输出位移；鉴于柔性铰链本身的结构特点，可以将微位移放大器一体铸造，避免了安装复杂且有可能有装配误差的情况。综上所述，本发明提供的这种微位移放大器可以有效地解决现有的纳米定位装置行程小精度差，结构复杂的问题。

为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述微位移放大器中，所述输入平台1与所述输入连杆3之间均通过柔性铰链10连接，所述输入连杆3与第一杠杆4及第二杠杆5之间均通过柔性铰链10连接。

本实施例提供的技术方案中，进一步在输入平台与输入连杆之间均设置柔性铰链连接，输入连杆与第一杠杆及第二杠杆之间均设置柔性铰链连接，令柔性铰链的连接结构应用于微位移放大器中更多的连接点位置，令精密位移放大的效果更好，并且进一步简化了整体的装配。

为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述微位移放大器中，所述输出平台2与所述输出连杆8之间均通过柔性铰链10连接。

本实施例提供的技术方案中，进一步在输出平台与输出连杆之间均通过柔性铰链连接，令柔性铰链的连接结构应用于微位移放大器中更多的连接点位置，令精密位移放大的效果更好，并且进一步简化了整体的装配。

为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述微位移放大器中，所述第一杠杆4的首端与中段之间的距离小于其尾端与中段之间的距离；所述第二杠杆5的首端与中段之间的距离小于其尾端与中段之间的距离。

本实施例提供的技术方案中，采用的设计是令第一杠杆及第二杠杆的输出端相对输入端具有更长的力臂，也就是说，在输入位移有限的情况下，能够提供更大的并且精准的输出位移，能够有效增大位移放大距离。

为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述微位移放大器中，所述第三杠杆6的首端与中段之间的距离小于其尾端与中段之间的距离；所述第四杠杆7的首端与中段之间的距离小于其尾端与中段之间的距离。

本实施例提供的技术方案中，采用的设计是令第三杠杆及第四杠杆的输出端相对输入端具有更长的力臂，也就是说，在输入位移有限的情况下，能够提供更大的并且精准的输出位移，能够有效增大位移放大距离。

为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述微位移放大器中，所述输入连杆3与所述输入平台1之间的柔性铰链10、所述输入连杆3分别与所述第一杠杆4及第二杠杆5之间的柔性铰链10、所述第一杠杆4及第二杠杆5分别与所述第三杠杆6及第四杠杆7之间的柔性铰链10、所述第一杠杆4、第二杠杆5、第三杠杆6及第四杠杆7各自与所述固定底座9之间的柔性铰链10均为圆弧型柔性铰链。

其中，圆弧型柔性铰链是铰链连接的两端在过度位置均采用圆弧形的设计，铰链本身呈现两个相对圆弧的结构，其在柔性铰链中具有运动传递精度高，转动范围较小的特点适合本实施例中所给出的各个柔性铰链的应用位置。

为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述微位移放大器中，所述输出连杆8与所述输出平台2之间的柔性铰链10、所述输出连杆8分别与所述第三杠杆6及第四杠杆7之间的柔性杠杆均为倒圆角型柔性铰链。

本实施例中提出的这种柔性铰链具兼具圆弧型柔性铰链的运动传递精度和并且相对圆弧型柔性铰链具有更大的运动传递范围，适合本技术方案的应用。

为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述微位移放大器中，所述固定底座9具体为C型框体，所述C型框体的两端的内侧分别与所述第一杠杆4及第二杠杆5连接，所述C型框体的两端的顶点分别与所述第三杠杆6及第四杠杆7连接。

基于上述实施例中提供的微位移放大器，本发明还提供了一种纳米定位装置，该纳米定位装置包括上述实施例中任意一种微位移放大器。由于该纳米定位装置采用了上述实施例中的微位移放大器，所以该纳米定位装置的有益效果请参考上述实施例。

为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述纳米定位装置中，还包括底板及压电陶瓷驱动器，所述固定底座9与所述底板安装固定，所述输入平台1与所述固定底座9之间还设置有与所述底板安装固定的压电陶瓷驱动器。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种微位移放大器，其特征在于，包括用于与运动输入装置连接的输入平台及固定底座，所述输入平台的同侧对称的连接有一对输入连杆，两根所述输入连杆的另一端分别与第一杠杆及第二杠杆的首端连接，所述第一杠杆及第二杠杆的中段分别通过柔性铰链与所述固定底座的两侧位置连接，所述第一杠杆及第二杠杆的尾端分别通过柔性铰链与第三杠杆及第四杠杆的中段连接，所述第三杠杆及第四杠杆的首端分别通过柔性铰链与所述固定底座的两侧顶端连接，所述第三杠杆及第四杠杆的尾端分别通过柔性铰链与一对输出连杆连接，两根所述输出连杆的另一端均位置对称的与输出平台连接；

所述固定底座具体为C型框体，所述C型框体的两端的内侧分别与所述第一杠杆及第二杠杆连接，所述C型框体的两端的顶点分别与所述第三杠杆及第四杠杆连接。

2.根据权利要求1所述的微位移放大器，其特征在于，所述输入平台与所述输入连杆之间均通过柔性铰链连接，所述输入连杆与第一杠杆及第二杠杆之间均通过柔性铰链连接。

3.根据权利要求2所述的微位移放大器，其特征在于，所述输出平台与所述输出连杆之间均通过柔性铰链连接。

4.根据权利要求3所述的微位移放大器，其特征在于，所述第一杠杆的首端与中段之间的距离小于其尾端与中段之间的距离；所述第二杠杆的首端与中段之间的距离小于其尾端与中段之间的距离。

5.根据权利要求4所述的微位移放大器，其特征在于，所述第三杠杆的首端与中段之间的距离小于其尾端与中段之间的距离；所述第四杠杆的首端与中段之间的距离小于其尾端与中段之间的距离。

6.根据权利要求5所述的微位移放大器，其特征在于，所述输入连杆与所述输入平台之间的柔性铰链、所述输入连杆分别与所述第一杠杆及第二杠杆之间的柔性铰链、所述第一杠杆及第二杠杆分别与所述第三杠杆及第四杠杆之间的柔性铰链、所述第一杠杆、第二杠杆、第三杠杆及第四杠杆各自与所述固定底座之间的柔性铰链均为圆弧型柔性铰链。

7.根据权利要求1所述的微位移放大器，其特征在于，所述输出连杆与所述输出平台之间的柔性铰链、所述输出连杆分别与所述第三杠杆及第四杠杆之间的柔性杠杆均为倒圆角型柔性铰链。

8.一种纳米定位装置，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的微位移放大器。

9.根据权利要求8所述的纳米定位装置，其特征在于，还包括底板及压电陶瓷驱动器，所述固定底座与所述底板安装固定，所述输入平台与所述固定底座之间还设置有与所述底板安装固定的压电陶瓷驱动器。

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