本發(fā)明屬于精密定位平臺(tái)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及XYθ三自由度大行程高頻響精密定位平臺(tái)。

背景技術(shù)：

近年來，隨著微電子技術(shù)、光學(xué)微裝配，生物醫(yī)療微操作以及掃描探針顯微鏡等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，工程領(lǐng)域?qū)芏ㄎ患夹g(shù)提出了越來越高的要求，尤其對(duì)大行程，高頻響的定位平臺(tái)工程需求極為迫切。由于壓電陶瓷具有分辨率高、剛度大和能量密度大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于精密驅(qū)動(dòng)與控制領(lǐng)域，但是壓電陶瓷的輸出位移極小，即使是堆疊型壓電陶瓷，其輸出位移一般是自身尺寸的0.1％左右。因此，公知的大多數(shù)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的精密定位平臺(tái)均是采用壓電陶瓷和柔性鉸鏈來組成柔性機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高精度的位移和力輸出。目前公知的精密定位平臺(tái)的自由度多為兩自由度，通過復(fù)雜的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)也能實(shí)現(xiàn)大于兩個(gè)自由度的位移輸出，但是輸出位移、輸出剛度以及平臺(tái)固有頻率之間總是互相約束，要實(shí)現(xiàn)大位移輸出必然要以損失固有頻率為代價(jià)，難以實(shí)現(xiàn)輸出位移與固有頻率的同時(shí)提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明目的在于提供一種XYθ三自由度大行程高頻響精密定位平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)大行程和高帶寬的高精度位移輸出，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和緊湊。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

XYθ三自由度大行程高頻響精密定位平臺(tái)，包括剛性基底1，剛性基底1內(nèi)側(cè)分別和四個(gè)雙層菱形位移放大機(jī)構(gòu)2的外側(cè)固定端連接，四個(gè)雙層菱形位移放大機(jī)構(gòu)2的內(nèi)側(cè)第一剛性輸出端與柔性支鏈機(jī)構(gòu)4連接，柔性支鏈機(jī)構(gòu)4的第二剛性輸出端與動(dòng)平臺(tái)5連接，動(dòng)平臺(tái)5中心有第二螺紋孔6，第二螺紋孔6剛性連接被驅(qū)動(dòng)對(duì)象，動(dòng)平臺(tái)5、柔性支鏈機(jī)構(gòu)4、雙層菱形位移放大機(jī)構(gòu)2關(guān)于第二螺紋孔6旋轉(zhuǎn)對(duì)稱；

菱形位移放大機(jī)構(gòu)2的內(nèi)側(cè)第一剛性輸出端通過矩形梁7與剛性基底1連接，菱形位移放大機(jī)構(gòu)2兩側(cè)第一剛性輸入端與壓電陶瓷3連接；

整個(gè)機(jī)構(gòu)由一塊鋼板經(jīng)電火花加工工藝一體化加工而成，機(jī)構(gòu)內(nèi)部空腔加工通透，空腔內(nèi)部構(gòu)件處于懸空狀態(tài)。

所述的菱形位移放大機(jī)構(gòu)2是由外側(cè)固定端21、內(nèi)側(cè)第一剛性輸出端22，兩側(cè)第一剛性輸入端23以及柔性臂24連接構(gòu)成基于三角原理的位移放大機(jī)構(gòu)，壓電陶瓷3通過預(yù)緊力安裝于兩側(cè)第一剛性輸入端23之間，柔性臂24是雙層結(jié)構(gòu)，每層柔性臂的兩端切割成圓形、橢圓或雙曲線型柔性鉸鏈以提高機(jī)構(gòu)位移放大效果，壓電陶瓷3利用逆壓電效應(yīng)輸出橫向位移和力，驅(qū)動(dòng)柔性臂24產(chǎn)生彎曲變形進(jìn)而在第一剛性輸出端22處產(chǎn)生放大了的縱向輸出位移和輸出力。

所述的柔性支鏈機(jī)構(gòu)4是由第二剛性輸出端41，約束梁42和兩個(gè)柔性梁43組成的柔性機(jī)構(gòu)，兩個(gè)柔性梁43和約束梁42的一側(cè)連接，關(guān)于約束梁42中點(diǎn)對(duì)稱，第二剛性輸出端41和約束梁42的另一側(cè)連接，第二剛性輸出端41與約束梁42中點(diǎn)存在一定偏距，第二剛性輸出端41分別與動(dòng)平臺(tái)5四側(cè)連接，第二剛性輸出端41和動(dòng)平臺(tái)5的連接處與動(dòng)平臺(tái)5的中心存在偏距；四個(gè)第二剛性輸出端41關(guān)于動(dòng)平臺(tái)5的中心旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，動(dòng)平臺(tái)5與四個(gè)第二剛性輸出端41形成‘田’字形結(jié)構(gòu)。

所述的剛性基底1四個(gè)螺紋孔8與工作臺(tái)面固定，動(dòng)平臺(tái)5的中心設(shè)有第二螺紋孔6作為第三剛性輸出端。

設(shè)四個(gè)菱形位移放大機(jī)構(gòu)2的兩個(gè)相鄰菱形位移放大機(jī)構(gòu)2的輸出位移方向分別為X和Y方向，動(dòng)平臺(tái)5的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，具體的三個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)方法如下：

1)輸出方向?yàn)閅方向的菱形位移放大機(jī)構(gòu)2無位移輸出，輸出方向?yàn)閄方向的菱形位移放大機(jī)構(gòu)2的內(nèi)側(cè)第一剛性輸出端同時(shí)沿著X軸正向或反向運(yùn)動(dòng)，在柔性支鏈機(jī)構(gòu)4的解耦作用下，動(dòng)平臺(tái)5實(shí)現(xiàn)X軸的正向或反向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)X方向的平動(dòng)自由度；

2)Y方向的自由度實(shí)現(xiàn)與X方向自由度實(shí)現(xiàn)方式相同；

3)為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，位于X軸負(fù)方向的菱形位移放大機(jī)構(gòu)2的內(nèi)側(cè)第一剛性輸出端向X軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)，位于X軸正方向的菱形位移放大機(jī)構(gòu)2的內(nèi)側(cè)第一剛性輸出端向X軸正方向運(yùn)動(dòng)，Y軸運(yùn)動(dòng)情況與X軸類似；由于柔性支鏈機(jī)構(gòu)4的第二剛性輸出端與動(dòng)平臺(tái)5的中心存在一定的偏距，且四個(gè)第二剛性輸出端與動(dòng)平臺(tái)5組成‘田’字形結(jié)構(gòu)，在四個(gè)菱形位移放大機(jī)構(gòu)2同時(shí)運(yùn)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)5的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明在傳統(tǒng)菱形位移放大機(jī)構(gòu)上加以改進(jìn)，通過柔性鉸鏈將柔性臂與菱形機(jī)構(gòu)輸入輸出端連接，增大了原有菱形機(jī)構(gòu)的放大比，輸出位移大；另一方面，菱形位移放大機(jī)構(gòu)采用了雙層結(jié)構(gòu)，在保持機(jī)構(gòu)放大比不變的同時(shí)，提高了機(jī)構(gòu)的輸入剛度，從而提高機(jī)構(gòu)的固有頻率，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的高頻響應(yīng)；其他方面，四個(gè)柔性支鏈機(jī)構(gòu)的輸出端與動(dòng)平臺(tái)組成田字結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)關(guān)于Z軸的旋轉(zhuǎn)自由度。最終使定位平臺(tái)實(shí)現(xiàn)三自由度的大行程和高帶寬的高精度位移輸出。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的正視圖。

圖2是本發(fā)明菱形位移放大機(jī)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明柔性支鏈機(jī)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明動(dòng)平臺(tái)‘田’字形結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1所示，XYθ三自由度大行程高頻響精密定位平臺(tái)，包括剛性基底1，剛性基底1內(nèi)側(cè)分別和四個(gè)雙層菱形位移放大機(jī)構(gòu)2的外側(cè)固定端連接，四個(gè)雙層菱形位移放大機(jī)構(gòu)2的內(nèi)側(cè)第一剛性輸出端與柔性支鏈機(jī)構(gòu)4連接，柔性支鏈機(jī)構(gòu)4的第二剛性輸出端與動(dòng)平臺(tái)5連接，動(dòng)平臺(tái)5中心有第二螺紋孔6，第二螺紋孔6剛性連接被驅(qū)動(dòng)對(duì)象，動(dòng)平臺(tái)5、柔性支鏈機(jī)構(gòu)4、雙層菱形位移放大機(jī)構(gòu)2關(guān)于第二螺紋孔6旋轉(zhuǎn)對(duì)稱；菱形位移放大機(jī)構(gòu)2的內(nèi)側(cè)第一剛性輸出端通過矩形梁7與剛性基底1連接，菱形位移放大機(jī)構(gòu)2兩側(cè)第一剛性輸入端與壓電陶瓷3連接；

整個(gè)機(jī)構(gòu)由一塊鋼板經(jīng)電火花加工工藝一體化加工而成，機(jī)構(gòu)內(nèi)部空腔加工通透，空腔內(nèi)部構(gòu)件處于懸空狀態(tài)；

所述的剛性基底1四個(gè)角通過螺紋孔8與工作臺(tái)面固定，動(dòng)平臺(tái)5的中心設(shè)有第二螺紋孔6作為第三剛性輸出端。

如圖2所示，所述的菱形位移放大機(jī)構(gòu)2是由外側(cè)固定端21、內(nèi)側(cè)第一剛性輸出端22，兩側(cè)第一剛性輸入端23以及柔性臂24連接構(gòu)成基于三角原理的位移放大機(jī)構(gòu)，壓電陶瓷3通過預(yù)緊力安裝于兩側(cè)第一剛性輸入端23之間，柔性臂24是雙層結(jié)構(gòu)，每層柔性臂的兩端切割成圓形、橢圓或雙曲線型柔性鉸鏈以提高機(jī)構(gòu)位移放大效果，壓電陶瓷3利用逆壓電效應(yīng)輸出橫向位移和力，驅(qū)動(dòng)柔性臂24產(chǎn)生彎曲變形進(jìn)而在第一剛性輸出端22處產(chǎn)生放大了的縱向輸出位移和輸出力。

如圖3、圖4所示，所述的柔性支鏈機(jī)構(gòu)4是由第二剛性輸出端41，約束梁42和兩個(gè)柔性梁43組成的柔性機(jī)構(gòu)，兩個(gè)柔性梁43和約束梁42的一側(cè)連接，關(guān)于約束梁42中點(diǎn)對(duì)稱，第二剛性輸出端41和約束梁42的另一側(cè)連接，第二剛性輸出端41與約束梁42中點(diǎn)存在一定偏距，第二剛性輸出端41分別與動(dòng)平臺(tái)5四側(cè)連接，第二剛性輸出端41和動(dòng)平臺(tái)5的連接處與動(dòng)平臺(tái)5的中心存在偏距；四個(gè)第二剛性輸出端41關(guān)于動(dòng)平臺(tái)5的中心旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，動(dòng)平臺(tái)5與四個(gè)第二剛性輸出端41形成‘田’字形結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的工作原理為：兩個(gè)對(duì)稱的菱形位移放大機(jī)構(gòu)2同時(shí)作用，位于兩側(cè)的柔性支鏈機(jī)構(gòu)4約束動(dòng)平臺(tái)5的運(yùn)動(dòng)，使動(dòng)平臺(tái)5保持某一方向運(yùn)動(dòng)，最大限度降低不同自由度間的耦合，并提高機(jī)構(gòu)的輸出剛度，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的高頻響應(yīng)要求；一個(gè)自由度方向運(yùn)動(dòng)通過兩個(gè)菱形位移放大機(jī)構(gòu)2實(shí)現(xiàn)，兩個(gè)菱形位移放大機(jī)構(gòu)2同時(shí)工作提高了機(jī)構(gòu)的承載能力。

設(shè)四個(gè)菱形位移放大機(jī)構(gòu)2的兩個(gè)相鄰菱形位移放大機(jī)構(gòu)2的輸出位移方向分別為X和Y方向，動(dòng)平臺(tái)5的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，具體的三個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)方法如下：

1)輸出方向?yàn)閅方向的菱形位移放大機(jī)構(gòu)2無位移輸出，輸出方向?yàn)閄方向的菱形位移放大機(jī)構(gòu)2的內(nèi)側(cè)第一剛性輸出端同時(shí)沿著X軸正向或反向運(yùn)動(dòng)，在柔性支鏈機(jī)構(gòu)4的解耦作用下，動(dòng)平臺(tái)5實(shí)現(xiàn)X軸的正向或反向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)X方向的平動(dòng)自由度；

2)Y方向的自由度實(shí)現(xiàn)與X方向自由度實(shí)現(xiàn)方式相同；

3)為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，位于X軸負(fù)方向的菱形位移放大機(jī)構(gòu)2的內(nèi)側(cè)第一剛性輸出端向X軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)，位于X軸正方向的菱形位移放大機(jī)構(gòu)2的內(nèi)側(cè)第一剛性輸出端向X軸正方向運(yùn)動(dòng)，Y軸運(yùn)動(dòng)情況與X軸類似。由于柔性支鏈機(jī)構(gòu)4的第二剛性輸出端與動(dòng)平臺(tái)5的中心存在一定的偏距，且四個(gè)第二剛性輸出端與動(dòng)平臺(tái)5組成‘田’字形結(jié)構(gòu)，在四個(gè)菱形位移放大機(jī)構(gòu)2同時(shí)運(yùn)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)5的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。