五自由度机械式微动平台[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 110450112 A(43)申请公布日 2019.11.15

(21)申请号 201910801796.3(22)申请日 2019.08.28

(71)申请人 上海理工大学

地址 200093 上海市杨浦区军工路516号(72)发明人 高佳丽　吴承祖　王少卿　(74)专利代理机构 上海申汇专利代理有限公司

31001

代理人 王晶(51)Int.Cl.

B25H 1/00(2006.01)

权利要求书1页 说明书3页 附图3页

CN 110450112 A(54)发明名称

五自由度机械式微动平台(57)摘要

本发明涉及一种五自由度机械式微动平台，基座上依次通过连接X和Y向直线位移平台，且X和Y向直线位移平台的载台分别连接分厘卡，Y向直线位移平台的载台上面固接Z轴旋转位移平

蜗台，Z轴旋转位移平台内设有一对蜗轮蜗杆副，

轮上面固接支撑环载台，蜗轮通过蜗杆连接分厘卡，支撑环载台上面固定连接Z向直线位移平台，Z向直线位移平台内装有一对圆锥齿轮，从动圆锥齿轮固定连接研磨丝杠，研磨丝杠通过丝杠螺母和连接杆连接承接平台，主动圆锥齿轮连接分厘卡，承接平台上面固定连接Y轴旋转位移平台，Y轴旋转位移平台内安装有蜗杆蜗轮副，蜗杆一端连接分厘卡，蜗杆与部分蜗轮配合连接，部分蜗轮与承载工作平台固定连接，承载工作平台安装在滑槽上。

CN 110450112 A

权　利　要　求　书

1/1页

1.一种五自由度机械式微动平台，具有一个用于安装微动平台的基座，其特征在于：所述基座上依次通过连接X向直线位移平台和Y向直线位移平台，且X向直线位移平台和Y向直线位移平台的载台分别连接分厘卡，并分别通过各自的分厘卡精确控制沿X向和Y向平移，位移行程15mm，读数精度达0.01mm；所述Y向直线位移平台的载台上面固定连接Z轴旋转位移平台，所述Z轴旋转位移平台内设有一对蜗轮蜗杆副，其中，蜗轮通过推力球轴承与Z轴旋转位移平台连接，蜗轮上面固定连接支撑环载台，蜗轮通过蜗杆连接分厘卡，利用分厘卡精确控制输入扭矩驱动蜗杆，蜗杆驱动蜗轮旋转，从而驱动支撑环载台绕Z轴方向旋转；所述支撑环载台上面固定连接Z向直线位移平台，所述Z向直线位移平台内装有一对圆锥齿轮，其中，从动圆锥齿轮固定连接研磨丝杠，研磨丝杠通过丝杠螺母和连接杆连接承接平台，主动圆锥齿轮连接分厘卡，通过分厘卡控制输入扭矩，使主动圆锥齿驱动从动圆锥齿轮及研磨丝杠旋转，从而驱动丝杠螺母带动承接平台沿Z轴方向运动；所述承接平台上面固定连接Y轴旋转位移平台，Y轴旋转位移平台内安装有蜗杆蜗轮副，其中，蜗杆一端连接分厘卡，且蜗杆与部分蜗轮配合连接，部分蜗轮与承载工作平台固定连接，承载工作平台安装在滑槽上，利用分厘卡精确控制输入扭矩驱动蜗杆，蜗杆驱动部分蜗轮带动承载工作平台沿着滑槽在一定范围内绕着Y轴旋转，其角位移行程达10度，读数精度达0.1度。

2.根据权利要求1所述的五自由度机械式微动平台，其特征在于：所述X向直线位移平台与基座之间，以及X向直线位移平台与Y向直线位移平台之间分别设有滚动线性导轨及滑块。

3.根据权利要求1所述的五自由度机械式微动平台，其特征在于：所述研磨丝杠为自锁性丝杠。

4.根据权利要求1所述的五自由度机械式微动平台，其特征在于：所述滑槽为燕尾环形导轨。

5.根据权利要求1所述的五自由度机械式微动平台，其特征在于：所述分厘卡为15mm分厘卡。

6.根据权利要求1所述的五自由度机械式微动平台，其特征在于：所述承载工作平台上设有多个安装孔。

2

CN 110450112 A

说　明　书

五自由度机械式微动平台

1/3页

技术领域

[0001]本发明涉及一种微机电系统中的微试样精密测试装置，尤其是一种可对微操作试样进行精密定位和多维调节的五自由度机械式微动平台。

背景技术

[0002]精密测试技术在精密制造、微机电系统、微操纵等诸多领域有着广泛的应用。在微机电系统中试样微实验中，试样本身尺寸微小，且在微拉伸测试中需要对试样进行直线、回转等与运动，由于实验特点该运动具有精度高、位移小、运动维度多等特点，这就要求微动平台具有在尽可能多的维度上的微小位移能力。综上所述需要设计可对微小试样进行多方向、多角度、微位移的平台，以实现微试样的微操作实验。

[0003]目前的微纳定位中采用的方法主要有采用电机减速器来驱动多维工作台，这种方法往往结构复杂，体积较大，多级齿轮的传动精度不够造成定位误差大，伺服刚性差等缺点，适合大位移情况下使用；在采用机械式的多维微动装置中，采用的机构大多体积很大，但调整位移精度很差，难以满足微操作中细微的位移移动。[0004]公开的机械式的微动平台，如多维位移平台(申请号：201510112074.9)能够实现三维平动和二维旋转的调整，但其体积大，可以进行大位移的五维调整，采用调整螺丝来控制平台的倾斜程度，可调旋转范围小，而且可调旋转精度差，因此不能满足微操作需要的微小位移的要求。

发明内容

[0005]本发明要解决的技术难题是克服现有技术的缺陷，针对微机械系统中微试样的精密测试，提供一种五自由度机械式微动平台，以至少解决现有技术中的精密定位和多维调节问题。

[0006]为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种五自由度机械式微动平台，具有一个用于安装微动平台的基座，所述基座上依次通过连接X向直线位移平台和Y向直线位移平台，且X向直线位移平台和Y向直线位移平台的载台分别连接分厘卡，并分别通过各自的分厘卡精确控制沿X向和Y向平移，位移行程15mm，读数精度达0.01mm；所述Y向直线位移平台的载台上面固定连接Z轴旋转位移平台，所述Z轴旋转位移平台内设有一对蜗轮蜗杆副，其中，蜗轮通过推力球轴承与Z轴旋转位移平台连接，蜗轮上面固定连接支撑环载台，蜗轮通过蜗杆连接分厘卡，利用分厘卡精确控制输入扭矩驱动蜗杆，蜗杆驱动蜗轮旋转，从而驱动支撑环载台绕Z轴方向旋转；所述支撑环载台上面固定连接Z向直线位移平台，所述Z向直线位移平台内装有一对圆锥齿轮，其中，从动圆锥齿轮固定连接研磨丝杠，研磨丝杠通过丝杠螺母和连接杆连接承接平台，主动圆锥齿轮连接分厘卡，通过控制分厘卡输入扭矩，使主动圆锥齿驱动从动圆锥齿轮及研磨丝杠旋转，从而驱动丝杠螺母带动承接平台沿Z轴方向运动；所述承接平台上面固定连接Y轴旋转位移平台，Y轴旋转位移平台内安装有蜗杆蜗轮副，其中，蜗杆一端连接分厘卡，且蜗杆与部分蜗轮配合连接，部分蜗轮与承载工作平台固定连

3

CN 110450112 A

说　明　书

2/3页

接，承载工作平台安装在滑槽上，利用分厘卡精确控制输入扭矩驱动蜗杆，蜗杆驱动部分蜗轮带动承载工作平台沿着滑槽在一定范围内绕着Y轴旋转，其角位移行程达10度，读数精度达0.1度。

[0007]进一步，所述X向直线位移平台与基座之间，以及X向直线位移平台与Y向直线位移平台之间分别设有滚动线性导轨及滑块。[0008]进一步，所述研磨丝杠为自锁性丝杠。[0009]进一步，所述滑槽为燕尾环形导轨。[0010]进一步，所述分厘卡为15mm分厘卡。[0011]进一步，所述承载工作平台上设有多个安装孔。[0012]本发明的有益效果是：

[0013]本发明通过第一直线位移平台和第二直线位移平台的分厘卡和滚动线性导轨和第三直线位移平台的研磨丝杠可精密控制工作平台沿着X、Y、Z三个方向进平移，位移行程15mm，读数精度达0.01mm，通过第一绕动位移平台的蜗轮蜗杆副可以驱动工作平台绕着Z轴旋转，第二旋转位移平台上的蜗杆与部分蜗轮副结构可以驱动工作平台绕着Y轴在一定范围绕动，其角位移行程达10度，读数精度达0.1度，环形燕尾导轨的圆弧导轨可以使平台绕动更平稳，可承载重量5kg，解决了相关技术中微操作实验的可调维度少、可调位移精度低、机械机构大的技术问题，达到了多维度精密运动的技术效果。附图说明

[0014]图1是本发明的五自由度机械式微动平台的结构示意图；[0015]图2是第一旋转位移平台主视图；[0016]图3是第三直线位移平台主视图；[0017]图4是第二旋转位移平台主视图。[0018]图中：1.基座、2.第一分厘卡、3.微型直线导轨、4.微型直线导轨滑块、5.第一直线位移平台(X向平移)、6.开槽盘头螺钉、7.第二直线位移平台(Y向平移)、8.第一旋转位移平台(Z轴旋转)、9.推力球轴承、10.蜗轮、11.法兰端盖、12.第三直线位移平台(Z向平移)、13.角接触球轴承、14.圆锥齿轮、15.研磨丝杠、16.连接杆、17.承接平台、18.第二旋转位移平台(Y轴旋转)、19.开孔端盖法兰、20.第四分厘卡、21.角接触球轴承、22.燕尾滑槽、23.蜗杆、24.承载工作台，25.蜗杆，26.平键，27.螺母，28.部分蜗轮，29.安装孔，30.支撑环载台。具体实施方式

[0019]在本实施例中还提供了一种五自由度机械式微动平台，该装置用于实现上述实施例1及其优选实施方式，对于本实施例中未详述的术语或实现方式，可参见实施例1中的相关说明，已经进行过说明的不再赘述。[0020]如图1至图4所示，一种五自由度机械式微动平台，包括：基座1、第一直线位移平台5(X向平移)、第二直线位移平台7(Y向平移)、第一旋转位移平台8(Z轴旋转)、第三直线位移平台12(Z向平移)、第二旋转位移平台18(Y轴旋转)、承载工作台24。[0021]基座1一侧上设有通孔安装有第一分厘卡2，第一分厘卡2与第二直线位移平台5相连，第一直线位移平台5与安装在基座1的凹槽内的导轨3及滑块4相连，第一分厘卡2与滑块

4

CN 110450112 A

说　明　书

3/3页

4连接，通过第一分厘卡2输入精确位移值控制第一直线位移平台5的载台向X方向平移，第二直线位移平台7采用螺钉固定于第一直线位移平台之5上，第二直线位移平台7通过导轨及滑块连接第一直线位移平台5内的载台，并通过安装在第一直线位移平台5后端面的第二分厘卡驱动第二直线位移平台7的载台沿Y向平移；第一旋转位移平台8(Z轴旋转)固定连接在第二直线位移平台7的载台上定，第一旋转位移平台内设有一对蜗轮蜗杆副，蜗轮10通过推力球轴承9与第一旋转位移平台8连接，蜗轮10上面固定连接支撑环载台30，蜗轮10通过蜗杆25连接第三分厘卡，利用第三分厘卡输入扭矩驱动蜗杆，蜗杆驱动蜗轮旋转，从而驱动支撑环载台绕Z轴方向旋转；第三直线位移平台12通过支撑环载台30与第一旋转位移平台5相连，第三直线位移平台12开有通孔，通孔内安装有角接触求轴承13，角接触球轴承13由端盖法兰11相连固定，用于支撑研磨丝杠15，研磨丝杠15通过平键26与圆锥齿轮14连接，研磨丝杠15上端与螺母27配合连接，螺母27上装有连接杆16，连接杆16与承接平台17连接，承接平台17上面固定连接第二旋转位移平台18，第二旋转位移平台18侧面设有轴承孔，轴承孔内安装有角接触球轴承21，角接触球轴承21支撑蜗杆23，蜗杆23连接第四分厘卡20，且蜗杆23与部分蜗轮28配合连接，部分蜗轮28与承载工作平台24固定连接，承载工作平台24安装在燕尾滑槽22上，利用第四分厘卡20输入扭矩，驱动蜗杆23，蜗杆23驱动部分蜗轮28带动承载工作平台24沿着燕尾滑槽22在一定范围内绕着Y轴旋转，承载工作平台24设有多个安装孔29。

[0022]为了使整个机构结构更加轻便，优选采用中空的载台结构。[0023]为了保持Z轴平动，使用研磨丝杠自锁性固定。

[0024]以上所述实施例仅是为充分说明本申请而所举的较佳的实施例，本申请的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本申请基础上所作的等同替代或变换，均在本申请的保护范围之内。本申请的保护范围以权利要求书为准。

5

CN 110450112 A

说　明　书　附　图

1/3页

图1

6

CN 110450112 A

说　明　书　附　图

2/3页

图2

图3

7

CN 110450112 A

说　明　书　附　图

3/3页

图4

8