一种气动式二维微位移平台的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种气动式二维微位移平台，包括位于平台中央的“十”字型机构，所述“十”字型机构通过柔性铰链机构与平台外围的内壁连接；平台外围的外壁具有“井”字型边框，“井”字型边框的任意两个相邻侧边上分别设有与平台中央“十“字形机构相连通的两个槽结构，每个所述槽结构内设置一个气动式微驱动器，所述气动式微驱动器包括：用于与“井”字型边框相固定的两个侧翼及位于两个侧翼之间的圆柱形中空结构，所述圆柱形中空结构的一端具有气动弹性件，另一端螺纹连接管接头及气管；所述气动弹性件与平台中央的“十”字型机构紧密接触。本发明具有良好的刚度、线性度，结构简单，节能、工作寿命长。
【专利说明】
一种气动式二维微位移平台
技术领域
[0001]本发明属于精密工程技术领域，特指一种基于气压驱动，高精度的二维微位移台，用于精密加工与测量。
【背景技术】
[0002]高精度和高分辨率的精密位移装置在现代尖端工业生产和科学研究领域内占有极其重要的地位。它是直接影响精密、超精密加工水平和精密测量水平的关键环节。
[0003]按驱动原理的不同，一般气动式微驱动器类型有电机驱动型、压电驱动型、液压驱动型等，各种气动式微驱动器都有自身的优势，也有劣势。比如旋转伺服电机驱动或是直线电机直接驱动的方案，但采用该方案的位移装置的定位精度一般局限在微米级，精度不高；而以压电陶瓷气动式微驱动器为代表的微位移平台，其定位精度能够达到纳米级，但行程通常只能达到几十微米;液压式气动式微驱动器具有高精度高刚度等优点，但工作环境要求高，液压油环境污染严重。
[0004]鉴于上述已有技术，设计一种大行程，高精度，稳定有效的气动式微驱动器和位移台已成为当今前沿科学的重点。
【发明内容】
[0005]为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种新型的基于气压驱动的气动式微驱动器及一种新型的基于气压驱动的二维微位移台。
[0006]该微位移平台无堆栈和耦合误差，X和Y方向同刚度，结构简单，可用于精密加工进给、误差反馈补偿和精密测量领域。
[0007]为了实现上述技术目的，本发明采用如下的技术方案:
[0008]—种气动式二维微位移平台，包括位于平台中央的“十”字型机构，所述“十”字型机构通过柔性铰链机构与平台外围的内壁连接;平台外围的外壁具有“井”字型边框，“井”字型边框的任意两个相邻侧边上分别设有与平台中央“十“字形机构相连通的两个槽结构，每个所述槽结构内设置一个气动式微驱动器，所述气动式微驱动器包括:用于与“井”字型边框相固定的两个侧翼及位于两个侧翼之间的圆柱形中空结构，所述圆柱形中空结构的一端具有气动弹性件，另一端螺纹连接管接头及气管;所述气动弹性件与平台中央的“十”字型机构紧密接触。
[0009]所述气动弹性件为设置在所述圆柱形中空结构一端的薄板，所述薄板的外表面中央位置设有凸台，所述凸台与所述“十”字型机构紧密接触。
[0010]所述薄板与所述圆柱形中空结构为一体成型结构。
[0011]所述一体成型的气动式微驱动器的材料采用航空铝材料。
[0012]所述圆柱形中空结构的内径为16mm，外径为20mm，薄板的壁厚d为0.5mm，薄板外壁凸台的半径为0.5mm，高度为Imm0
[0013]所述柔性铰链机构包括四个，四个柔性铰链机构分别布置在“十”字型机构的四个角落;每个柔性铰链机构均由若干个柔性铰链单元首尾连接形成内部中空结构。
[0014]所述柔性铰链单元采用直角柔性铰链单元。
[0015]所述柔性铰链机构的高度t4为10mm，臂长t3为10mm，每个柔性单元的最小壁厚ti为
0.8mm,铰链宽度t2为5mm。
[0016]本发明一种气动式二维微位移平台具有以下优点:
[0017]第一、一种气动式二维微位移平台，基于薄板变形理论，由气压下的线弹性变形原理设计而成的，结构简单，定位精度由控制所输入气压的压力表的最小分辨率决定;气动式微驱动器精度一般能达到1nm。
[0018]第二、由于采用了新型的“十”字型结构模式，有效地减小了传统的微位移平台所固有的堆栈误差或耦合误差，减小了平台整体尺寸，精度更高，性能更稳定。
【附图说明】
[0019]图1为本发明的微位移平台结构三维爆炸图；
[0020]图2为本发明的微位移平台半剖图；
[0021]图3为图2的侧视图；
[0022]图4为本发明的气动式微驱动器正视图；
[0023]图5为图4的A-A剖视图；
[0024]图6为本发明的微驱动平台气压-位移关系图；
[0025]图中，I为微位移平台；2为气动式微驱动器;3为螺栓;4为接头及气管；(111、112、113、114)为螺纹孔；(121、122、123、124)为直角柔性铰链;13为微位移平台外部“井”字型边框;14为微位移平台中央“十”字型机构;21为气动式微驱动器的两个侧翼;22为两侧翼上的沉孔;23为气动式微驱动器的圆柱形中空结构;24为凸台。
【具体实施方式】
[0026]为了使本领域技术人员能够更加清楚地理解本发明的技术实质和有益效果，
【申请人】将在下面以实施例的方式作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明方案的限制，任何依据本发明构思所做出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明的技术方案范畴。
[0027]如图1，2和图3所示，一种气动式二维微位移平台，包括位于平台中央的“十”字型机构，所述“十”字型机构通过柔性铰链机构与平台外围的内壁连接;平台外围的外壁具有“井”字型边框，“井”字型边框的任意两个相邻侧边上分别设有与平台中央“十“字形机构相连通的两个槽结构，每个所述槽结构内设置一个气动式微驱动器，所述气动式微驱动器包括:用于与“井”字型边框相固定的两个侧翼及位于两个侧翼之间的圆柱形中空结构，所述圆柱形中空结构的一端具有气动弹性件，另一端螺纹连接管接头及气管;所述气动弹性件与平台中央的“十”字型机构紧密接触。
[0028]如图4和图5所示，作为本发明的一个优选技术方案，所述气动弹性件为设置在所述圆柱形中空结构一端的薄板，所述薄板的外表面中央位置设有凸台，所述凸台与所述“十”字型机构紧密接触。
[0029]作为本发明的一个优选技术方案，所述薄板与所述圆柱形中空结构为一体成型结构。
[0030]作为本发明的一个优选技术方案，所述一体成型的气动式微驱动器的材料采用航空铝材料。
[0031 ]作为本发明的一个优选技术方案，所述圆柱形中空结构的内径为16mm，外径为20mm，薄板的壁厚d为0.5mm，薄板外壁凸台的半径为0.5mm，高度为1mm。
[0032]作为本发明的一个优选技术方案，所述柔性铰链机构包括四个，四个柔性铰链机构分别布置在“十”字型机构的四个角落;每个柔性铰链机构均由若干个柔性铰链单元首尾连接形成内部中空结构。
[0033]作为本发明的一个优选技术方案，所述柔性铰链单元采用直角柔性铰链单元。
[0034]作为本发明的一个优选技术方案，所述柔性铰链机构的高度t4为10mm，臂长t3为10mm，每个柔性单元的最小壁厚ti为0.8mm,铰链宽度t2为5mm。
[0035]本发明气动式二维微位移平台的微动原理是:气动式微驱动器2基于薄板变形理论，在材料线弹性范围内，输入与输出成良好的线性关系。由外部气压源通过接头及气管4向气动式微驱动器中央圆柱体容腔中加入高压气体，由于螺栓3使得气动式微驱动器2固定，气动式微驱动器2发生轴向形变，从而使得气动式微驱动器端面的薄板产生线弹性变形，带动薄板上的中心凸台24发生微位移。气动式微驱动器2通过螺栓3固定在微位移平台I外部“井”字型边框13的X方向和Y方向上，分别实现微位移平台I的X方向和Y方向上的微位移。
[0036]如图6所示，微位移平台十字滑块中心的位移量S(单位μπι)与输入气动式微驱动器内的气压P(单位MPa)成正比关系，其比例系数为k=1.93ym/0.1MPa，
[0037]本实施例中，利用本发明装置进行微动的方法是:如果要在X方向实现3.5μπι的位移量，其步骤为:加气压，使X方向气压动力源的气压为0.18MPa气压，此时，微位移台“十字”中心将在X方向产生一个微位移Λ = 1.93 X 0.18/0.1 = 3.5μπι，此时，微位移台中心的位移量即为3.5μηι。
[0038]如果要在Y方向实现6.8μπι的位移量，其步骤为:加气压，使Y方向气压动力源的气压为0.35MPa气压。此时，微位移台“十字”中心将在X方向产生一个微位移Λ = 1.93X0.35/0.I = 6.8μπι，此时，微位移台中心的位移量即为6.8μπι。
[0039]综上所述，本发明提供的技术方案客观地弥补了已有技术中的欠缺，完成了发明任务，体现了
【申请人】在上面的技术效果栏中所述的技术效果。
【主权项】
1.一种气动式二维微位移平台，其特征在于，包括位于平台中央的“十”字型机构，所述“十”字型机构通过柔性铰链机构与平台外围的内壁连接;平台外围的外壁具有“井”字型边框，“井”字型边框的任意两个相邻侧边上分别设有与平台中央“十“字形机构相连通的两个槽结构，每个所述槽结构内设置一个气动式微驱动器，所述气动式微驱动器包括:用于与“井”字型边框相固定的两个侧翼及位于两个侧翼之间的圆柱形中空结构，所述圆柱形中空结构的一端具有气动弹性件，另一端螺纹连接管接头及气管;所述气动弹性件与平台中央的“十”字型机构紧密接触。2.根据权利要求1所述的一种气动式二维微位移平台，其特征在于，所述气动弹性件为设置在所述圆柱形中空结构一端的薄板，所述薄板的外表面中央位置设有凸台，所述凸台与所述“十”字型机构紧密接触。3.根据权利要求2所述的一种气动式二维微位移平台，其特征在于，所述薄板与所述圆柱形中空结构为一体成型结构。4.根据权利要求3所述的一种气动式二维微位移平台，其特征在于，所述一体成型的气动式微驱动器的材料采用航空铝材料。5.根据权利要求4所述的一种气动式二维微位移平台，其特征在于，所述圆柱形中空结构的内径为16mm，外径为20mm，薄板的壁厚d为0.5mm，薄板外壁凸台的半径为0.5mm，高度为Imm06.根据权利要求1所述的一种气动式二维微位移平台，其特征在于，所述柔性铰链机构包括四个，四个柔性铰链机构分别布置在“十”字型机构的四个角落;每个柔性铰链机构均由若干个柔性铰链单元首尾连接形成内部中空结构。7.根据权利要求1所述的一种气动式二维微位移平台，其特征在于，所述柔性铰链单元采用直角柔性铰链单元。8.根据权利要求1所述的一种气动式二维微位移平台，其特征在于，所述柔性铰链机构的高度t4为10mm，臂长t3为10mm，每个柔性单元的最小壁厚ti为0.8mm,铰链宽度t2为5mm。
【文档编号】G05B19/401GK105867299SQ201610176039
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月25日
【发明人】张礼华, 王康, 顾振鹏
【申请人】江苏科技大学