一种大行程两平动一转动精密定位平台

摘要

本发明公开了一种大行程两平动一转动精密定位平台，包括基座和设置在其内部的动平台，所述基座和所述动平台通过三个沿所述动平台的周向均布的铰链放大机构和三个复合平行板柔性导向机构连接；每个铰链放大机构的一端与基座柔性连接，另一端和动平台柔性连接，中部设有一输入端，输入端与压电陶瓷驱动器连接；每个所述复合平行板柔性导向机构包括相互平行的8块柔性板和沿动平台周向布置的4块刚体块；三个所述复合平行板柔性导向机构和三个所述压电陶瓷驱动器间隔均布在所述动平台的周向上。本发明结构简单紧凑；输出位移较大，轴向刚度较高；可作为纳米微操作系统的辅助定位平台实现微量进给和精密定位。

说明书

技术领域

本发明属于微纳米技术领域，具体为一种可应用于微操作系统的两平动一转动三自 由度柔性精密定位工作平台。

背景技术

随着科技的发展，在超精密加工、微电子工程、生物工程、纳米技术等领域都迫切 需要亚微米级甚至纳米级的精密定位技术。最典型的应用在于纳米器件的制造生产。纳 米器件包括纳米电子器件和纳米光电器件，可广泛应用于电子学、光学、微机械装置、 新型计算机等，是当今新材料与新器件研究领域中最富有活力的研究领域，也是元器件 小型化、智能化、高集成化等的主流发展方向。纳米器件由于具有潜在的巨大市场和国 防价值，使得其设计和制造的方法、途径、工艺等成为众多科学家、政府和大型企业研 究和投资的热点。所以大力发展精密定位技术是大势所趋，是创新科技进步的具体体现。

但是，目前微纳米级精密定位平台主要以两自由度平动居多，即使设计的三自由度 精密定位平台，也具有结构复杂、行程小、轴向承载能力较低等缺陷，难以满足实际应 用的需求。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种结构简单紧凑、行程较大、轴 向承载能力较高的一种大行程两平动一转动精密定位平台。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种大行程两平动 一转动精密定位平台，包括基座和设置在其内部的动平台，所述基座和所述动平台通过 三个沿所述动平台的周向均布的铰链放大机构和三个复合平行板柔性导向机构连接；每 个所述铰链放大机构的一端与所述基座柔性连接，另一端和所述动平台柔性连接，中部 设有一输入端，铰链放大机构的输入端通过柔性铰链和球型接头与压电陶瓷驱动器连接， 所述压电陶瓷驱动器安装在所述基座上，所述压电陶瓷驱动器沿所述动平台的径向设置， 在所述压电陶瓷驱动器的输出端上固接有所述球型接头，所述球型接头与所述柔性铰链 相切接触，所述柔性铰链固定在所述铰链放大机构的输入端上；每个所述复合平行板柔 性导向机构包括相互平行的8块柔性板和沿动平台周向布置的4块刚体块，4块所述刚体 块由第一刚体块、第二刚体块、第三刚体块和第四刚体块组成，其中所述第三刚体块和 所述第四刚体块距离所述动平台最近，且二者位于同一圆周上，所述第一刚体块距离所 述动平台最远，所述第二刚体块位于所述第一刚体块与所述第三刚体块和所述第四刚体 之间；8块所述柔性板以所述动平台的径向为对称轴对称布置，8块所述柔性板包括2块 中间板和2块侧板，在对称轴同侧的所述中间板和所述侧板之间设有2块所述柔性板， 一块是靠近所述侧板的第二边板，另一块是靠近所述中间板的第一边板，2块所述中间板 的内端均与所述动平台连接，2块所述中间板的外端均与所述第二刚体块连接，所述第一 边板和所述第二边板的内端通过所述第三刚体块连接，所述第一边板的外端与所述第二 刚体块连接，所述第二边板的外端与所述第一刚体块连接，所述侧板的内端与所述基座 连接，所述侧板的外端与所述第一刚体块连接；三个所述复合平行板柔性导向机构和三 个所述压电陶瓷驱动器间隔均布在所述动平台的周向上。

所述动平台为圆盘形。

在所述基座上设有定位孔。

本发明具有的优点和积极效果是：通过采用将圆盘形动平台设置在基座内部，且将 二者通过间隔均匀设置的三个铰链放大机构和三个复合平行板柔性导向机构连接在一 起，并在铰链放大机构上设置输入端的结构，实现两平动一转动，结构简单紧凑；利用 铰链放大机构进行位移放大和力的传递，使得复合平行板柔性导向机构发生弹性变形， 从而带动动平台运动，实现微纳米位移的输出，输出位移较大，轴向刚度较高；可作为 纳米微操作系统的辅助定位平台实现微量进给和精密定位。为纳米器件的制造生产提供 了有效的辅助手段，具有非常重要的应用意义。

附图说明

图1为本发明的主视图；

图2为本发明的立体图；

图3为本发明的复合平行板柔性导向机构示意图。

图中：1—预紧螺栓，2—压电陶瓷驱动器，3—球型接头，4—柔性铰链，5—铰链放 大机构，6—定位孔，7—动平台，8—复合平行板柔性导向机构，8-1、第一刚体块，8-2、 第二刚体块，8-3、第三刚体块，8-4、第四刚体块，8-5、中间板，8-6、第一边板，8-7、 第二边板，8-8、侧板，9—基座。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图 详细说明如下：

请参阅图1～图3，一种大行程两平动一转动精密定位平台，包括基座9和设置在其 内部的动平台7，所述基座9和所述动平台7通过三个沿所述动平台的周向均布的铰链放 大机构5和三个复合平行板柔性导向机构8连接。

每个所述铰链放大机构5的一端与所述基座5柔性连接，另一端和所述动平台7柔 性连接，中部设有一输入端，铰链放大机构的输入端通过柔性铰链4和球型接头3与压 电陶瓷驱动器2连接，所述压电陶瓷驱动器2安装在所述基座9上，所述压电陶瓷驱动 器2沿所述动平台7的径向设置，在所述压电陶瓷驱动器2的输出端上固接有所述球型 接头3，所述球型接头3与所述柔性铰链4相切接触，所述柔性铰链4固定在所述铰链放 大机构5的输入端上。

每个所述复合平行板柔性导向机构8包括相互平行的8块柔性板和沿动平台7周向 布置的4块刚体块，4块所述刚体块由第一刚体块8-1、第二刚体块8-2、第三刚体块8-3 和第四刚体块8-4组成，其中所述第三刚体块8-3和所述第四刚体块8-4距离所述动平 台7最近，且所述第三刚体块8-3和所述第四刚体块8-4位于同一圆周上，所述第一刚 体块8-1距离所述动平台7最远，所述第二刚体块8-2位于所述第一刚体块8-1与所述 第三刚体块8-3和所述第四刚体8-4之间；8块所述柔性板以所述动平台7的径向为对称 轴对称布置，8块所述柔性板包括2块中间板8-5和2块侧板8-8，在对称轴同侧的所述 中间板8-5和所述侧板8-8之间设有2块所述柔性板，一块是靠近所述侧板8-8的第二 边板8-7，另一块是靠近所述中间板8-5的第一边板8-6，2块所述中间板8-5的内端均 与所述动平台7连接，2块所述中间板8-5的外端均与所述第二刚体块8-2连接，所述第 一边板8-6和所述第二边板8-7的内端通过所述第三刚体块8-3连接，所述第一边板8-6 的外端与所述第二刚体块8-2连接，所述第二边板8-7的外端与所述第一刚体块8-1连 接，所述侧板8-8的内端与所述基座9连接，所述侧板8-8的外端与所述第一刚体块8-1 连接。

三个所述复合平行板柔性导向机构8和三个所述压电陶瓷驱动器2间隔均布在所述 动平台7的周向上。

为了使结构更加紧凑，所述动平台7最好采用圆盘形的。

在本实施例中，在所述基座9上设有定位孔6。在所述基座9上以动平台7的中心为 圆心的同一圆周上设置三个凹槽，且两两夹角分别为120°。三个压电陶瓷驱动器1分别 安装在三个凹槽中，压电陶瓷驱动器1设有预紧螺栓3，预紧螺栓3安装在基座9上，用 于保证压电陶瓷驱动器1与基座9和铰链放大机构5不分离，压电陶瓷驱动器1的输出 端通过螺纹连接球形接头2，球形接头顶在柔性铰链4弧形侧壁上，二者相切，以实现赫 兹接触。铰链放大机构5是根据杠杆放大原理设计的，两端分别与基座9和动平台7实 现柔性连接。在铰链放大机构上设计有柔性铰链4，与连接在压电陶瓷驱动器1输出端上 的球形接头2相接触，实现传递输入位移和力的过渡与缓冲作用。

三个复合平行柔性导向机构8分别布置在以动平台7的中心为圆心的同一圆周上， 两两夹角为120°，且与压电陶瓷驱动器2的夹角为60°。动平台7通过三个铰链放大 机构5和三个复合平行板柔性导向机构8与基座9实现连接，提高了动平台7轴向承载 能力。

本发明所实现的工作过程：由计算机输出的控制电压信号，驱使压电陶瓷驱动器2 按照指定的运动轨迹产生伸缩运动，经过柔性铰链4的过渡和缓冲，作用在铰链放大机 构5上，使得输入位移得到放大，通过克服复合平行板柔性导向机构6的弹性力，达到 动平台7产生位移输出的效果。通过控制三个压电陶瓷驱动器2的伸长量，可以实现动 平台7不同位姿的控制，实现沿平面两个方向的平动和绕垂直轴的转动；当三个压电陶 瓷驱动器2的伸长量相同时，实现动平台7纯转动。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述 的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普 通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下， 还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。