一种XYZ三自由度精密定位装置的制作方法

本发明涉及微纳米技术领域，具体涉及一种XYZ三自由度精密定位装置。

背景技术：

随着科学技术的日益发展，纳米技术的不断提高，为了追求好品质的生活质量，许多领域对微纳米级定位平台提出更高的要求。如超精密加工制造业，3D打印、生物细胞工程，芯片光刻机及引线缝合机等对微纳平台都有较高的精度及维度要求。

基于三级差动杠杆放大原理设计一种具有毫米级行程、纳米级精度的柔性机械位移放大器，目前的三维平台有以下缺点；XYZ三个方向存在运动耦合、尤其在高速高加速的情况下，Z轴方向摆动现象明显，结构复杂装配难。

技术实现要素：

针对上述缺陷，本发明的目的在于提出一种三自由度柔性铰链位移放大器，扩大了原有的操作空间，更加适应现实中微纳操作检测等需求。满足实际中高精度、大行程、高带宽及多自由度的目的。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种XYZ三自由度精密定位装置，包括XY运动基座和Z轴运动模块，所述Z轴运动模块安装于所述XY运动基座；

所述XY运动基座包括基板，所述基板上设有位移装置和运动平台，所述位移装置设有两组，所述位移装置分别位于X轴和Y轴；所述位移装置为设有压电陶瓷E的柔性机构；

所述位移装置包括左杠杆、右杠杆、输入端安装块和输出端安装块；所述基板开设有第一容纳槽，所述位移装置安装于所述第一容纳槽，所述左杠杆和右杠杆的下端通过铰链铰接于所述第一容纳槽的下槽壁，所述左杠杆的右侧下部和右杠杆的左侧下部均用过铰链铰接有输入端安装块；所述左杠杆的右侧上部和右杠杆的左侧上部均通过直梁型柔性铰链铰接有所述输出端安装块；所述输出端安装块通过直梁型柔性铰链与所述运动平台安装。

进一步地，所述基板开设有第二容纳槽，所述运动平台设置于所述第二容纳槽，所述运动平台的四个侧面通过直梁型柔性铰链分别与输入端安装块和设置于所述第二容纳槽槽壁的解耦固定块连接；

所述第二容纳槽的左侧和后侧分别设有安装了位移装置的第一容纳槽，所述第二容纳槽的前槽壁和右槽壁分别设有所述解耦固定块。

较佳地，所述解耦固定块包括固定块和直梁型柔性铰链，所述固定块两侧通过直梁型柔性铰链安装于所述固定块两侧对应的第二容纳槽两内侧的侧壁。

进一步地，所述输出端安装块上部分和下部分分别位于所述第二容纳槽和第一容纳槽，所述输出端安装块的上部分两侧通过直梁型柔性铰链安装于所述输出端安装块两侧对应的第二容纳槽两内侧的侧壁。

较佳地，所述Z轴运动模块包括底座和竖向安装于所述底座的并列放大装置，所述并列放大装置至少设有两组，两组所述并列放大装置的中心轴相交，呈十字形设置；

所述并列放大装置包括一级放大机构和二级放大机构，所述一级放大机构包括左边第一杠杆和右边第一杠杆，所述左边第一杠杆和右边第一杠杆之间设有空位；所述左边第一杠杆的右侧底面通过倒圆角直梁型铰链铰接于所述底座，所述右边第一杠杆的左侧底面通过倒圆角直梁型铰链铰接于所述底座；

所述一级放大机构还包括左侧第一位移传导杆和右侧第一位移传导杆，所述左侧第一位移传导杆下端通过铰链铰接于所述左边第一杠杆的上表面右边，所述右侧第一位移传导杆下端通过铰链铰接于所述右边第一杠杆的上表面左边；

所述一级放大机构还包括输入平台，所述输入平台呈长方体状，所述左侧第一位移传导杆和右侧第一位移传导杆的上端分别通过铰链铰接于所述输入平台底面的左边和右边；

所述底板设有所述压电陶瓷，所述压电陶瓷端部抵紧于所述输入平台下表面。

进一步地，所述二级放大机构包括左侧第二位移传导杆和右侧第二位移传导杆，所述二级放大机构还包括左立柱和右立柱；

所述左侧第二位移传导杆下端通过铰链铰接于所述左边第一杠杆上表面左边，所述右侧第二位移传导杆的下端通过铰链铰接于所述右边第一杠杆上表面右边；

所述二级放大机构还包括左边第二杠杆和右边第二杠杆，所述左边第二杠杆和右边第二杠杆均呈水平状设置；所述左边第二杠杆的左端面通过倒圆角直梁型铰链铰接于所述左立柱，所述左侧第二位移传导杆的上端通过倒圆角直梁型铰链铰接于所述左边第二杠杆底面的左边；所述右边第二杠杆的右端面通过铰链铰接于所述右立柱，所述右侧第二位移传导杆的上端通过铰链铰接于所述右边第二杠杆的右边；

所述左边第二杠杆的上表面的右边设有输出端支链，所述右边第二杠杆的上表面左边设有输出端支链，所述输出端的底面左边和右边分别铰接于左边和右边的输出端支链。

较佳地，两组左立柱和两组右立柱顶端通过横向连接柱相互支撑，所述横向连接柱相互连接成框状。

较佳地，所述铰链为圆弧形柔性铰链，所述第二铰链为倒圆角直梁型铰链

位移装置采用了放大结构，即将压电陶瓷微小的位移量放大成较大的位移量，从而使运动方向具有更大的行程；而轴运动模块设置在运动基座，即构成三自由度精密定位，从而能够同时满足多自由度大行程的定位要求；使用解耦固定块和直梁型柔性铰链两个结构，即可解决运动基座在运动是存在的输入耦合现象，从而提高运动平台的传递精度；通过直梁型柔性铰链和直梁型柔性铰链纵横连接，即可使运动平台在运动时有足够的自由度不构成耦合，通过固定块来连接足够多直梁型柔性铰链，同时保证相互连接的直梁型柔性铰链有足够的强度；使用两组对称式放大结构，并将放大式结构呈十字形设置，从而使装置的结构更紧凑，稳定性更好，整体刚性更大，并基本消除耦合误差；圆弧型柔性铰链有较大的转动范围，并且不存在机械摩擦，还具有运动灵敏度高和无间隙的优点，适合紧密微动调整，铰链使用圆弧型柔性铰链更便于传动；直梁型柔性铰链的运动精度较高，但运动行程受到很大的限制，只能实现微小幅度的转动。最普通的形式是绕一个轴弹性弯曲，且这种弹性变形是可逆的，不施加作用力时，圆弧形柔性铰链能够迅速复位。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的整体结构示意图；

图2是本发明的一个实施例的XY运动基座结构示意图；

图3是本发明的一个实施例的Z轴运动模块剖视图；

图4是本发明的一个实施例的并列放大装置结构示意图；

图5是本发明的一个实施例的轴运动模块伪刚体模型图。

其中：XY运动基座100、基板110、第一容纳槽120、第二容纳槽130、解耦固定块140、Z轴运动模块200、底座210、位移装置300、左杠杆310、右杠杆320、输入端安装块330、输出端安装块340、运动平台400、并列放大装置500、一级放大机构510、左边第一杠杆511、右边第一杠杆512、左侧第一位移传导杆513、右侧第一位移传导杆514、输入平台515、二级放大机构520、左侧第二位移传导杆521、右侧第二位移传导杆522、左边第二杠杆523、右边第二杠杆524、左立柱530、右立柱540、铰链A、直梁型柔性铰链B、倒圆角直梁型铰链C、输出端支链D、压电陶瓷E。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1-5所示，一种XYZ三自由度精密定位装置，包括XY运动基座100和Z轴运动模块200，所述Z轴运动模块200安装于所述XY运动基座100；

所述XY运动基座100包括基板110，所述基板110上设有位移装置300和运动平台400，所述位移装置300设有两组，所述位移装置300分别位于X轴和Y轴；所述位移装置300为设有压电陶瓷E的柔性机构；

所述位移装置300包括左杠杆310、右杠杆320、输入端安装块330和输出端安装块340；所述基板110开设有第一容纳槽120，所述位移装置300安装于所述第一容纳槽120，所述左杠杆310和右杠杆320的下端通过铰链A铰接于所述第一容纳槽120的下槽壁，所述左杠杆310的右侧下部和右杠杆320的左侧下部均用过铰链A铰接有输入端安装块330；所述左杠杆310的右侧上部和右杠杆320的左侧上部均通过直梁型柔性铰链B铰接有所述输出端安装块340；所述输出端安装块340通过直梁型柔性铰链B与所述运动平台400安装。

XY运动基座100通过基板将位移装置300集成化设置，使装置整体性更佳，并且相对而言在传递中不容易产生形变，从而能够提升位移传递的精度，位移装置300采用了放大结构，即将压电陶瓷E微小的位移量放大成较大的位移量，从而使XY运动方向具有更大的行程；而Z轴运动模块200设置在XY运动基座100，即构成三自由度精密定位，从而能够同时满足多自由度大行程的定位要求。

其中，所述基板110开设有第二容纳槽130，所述运动平台400设置于所述第二容纳槽130，所述运动平台400的四个侧面通过直梁型柔性铰链B分别与输入端安装块330和设置于所述第二容纳槽130槽壁的解耦固定块140连接；

所述第二容纳槽130的左侧和后侧分别设有安装了位移装置300的第一容纳槽120，所述第二容纳槽130的前槽壁和右槽壁分别设有所述解耦固定块140。

运动平台400的周围均通过直梁型柔性铰链B与输入端安装块330和设置于所述第二容纳槽130槽壁的解耦固定块140连接，即一端输入位移时，另外两端也会受到影响从而发生位移，使用解耦固定块140和直梁型柔性铰链B两个结构，即可解决XY运动基座100在运动是存在的输入耦合现象，从而提高运动平台400的传递精度。

此外，所述解耦固定块140包括固定块和直梁型柔性铰链B，所述固定块两侧通过直梁型柔性铰链B安装于所述固定块140两侧对应的第二容纳槽130两内侧的侧壁。

由于解耦固定块140有较高的灵活度，这里最简单的方式是通过直梁型柔性铰链B和直梁型柔性铰链B纵横连接，即可使运动平台400在运动时有足够的自由度不构成耦合，通过固定块来连接足够多直梁型柔性铰链B，同时保证相互连接的直梁型柔性铰链B有足够的强度。

其中，所述输出端安装块340上部分和下部分分别位于所述第二容纳槽130和第一容纳槽120，所述输出端安装块340的上部分两侧通过直梁型柔性铰链B安装于所述输出端安装块340两侧对应的第二容纳槽130两内侧的侧壁。

采用这种结构使装置使运动平台400四个端面都具有较高的自由度，进而使运动平台400的四个端面都具有解耦的功能，从而在X轴或Y轴只移动一个的情况下，其他三个端面也不会构成耦合，保证了位移传递的精准性。

此外，所述Z轴运动模块200包括底座210和竖向安装于所述底座210的并列放大装置500，所述并列放大装置500至少设有两组，两组所述并列放大装置500的中心轴相交，呈十字形设置；

所述并列放大装置500包括一级放大机构510和二级放大机构520，所述一级放大机构510包括左边第一杠杆511和右边第一杠杆512，所述左边第一杠杆511和右边第一杠杆512之间设有空位；所述左边第一杠杆511的右侧底面通过倒圆角直梁型铰链C铰接于所述底座210，所述右边第一杠杆512的左侧底面通过倒圆角直梁型铰链C铰接于所述底座210；

所述一级放大机构510还包括左侧第一位移传导杆513和右侧第一位移传导杆514，所述左侧第一位移传导杆513下端通过铰链铰接于所述左边第一杠杆511的上表面右边，所述右侧第一位移传导杆514下端通过铰链铰接于所述右边第一杠杆512的上表面左边；

所述一级放大机构还包括输入平台515，所述输入平台515呈长方体状，所述左侧第一位移传导杆513和右侧第一位移传导杆514的上端分别通过铰链A铰接于所述输入平台515底面的左边和右边；

所述底板设有所述压电陶瓷E，所述压电陶瓷E端部抵紧于所述输入平台515下表面。

一级放大机构直接发放大了压电陶瓷E的位移量，而压电陶瓷E的位移将输入平台515顶起，从而输入平台515带动左侧第一位移传导杆513和右侧第一位移传导杆514，进而左边第一杠杆511和右边第一杠杆512将位移量进行了放大；随后左边第一杠杆511和右边第一杠杆512带动左侧第二位移传导杆521和右侧第二位移传导杆522；使用两组对称式放大结构，并将放大式结构呈十字形设置，从而使装置的结构更紧凑，稳定性更好，整体刚性更大，并基本消除耦合误差。

作为对上述技术的补充，所述二级放大机构520包括左侧第二位移传导杆521和右侧第二位移传导杆522，所述二级放大机构520还包括左立柱530和右立柱540；

所述左侧第二位移传导杆521下端通过铰链铰接于所述左边第一杠杆511上表面左边，所述右侧第二位移传导杆522的下端通过铰链A铰接于所述右边第一杠杆512上表面右边；

所述二级放大机构520还包括左边第二杠杆523和右边第二杠杆524，所述左边第二杠杆523和右边第二杠杆524均呈水平状设置；所述左边第二杠杆523的左端面通过倒圆角直梁型铰链C铰接于所述左立柱530，所述左侧第二位移传导杆521的上端通过倒圆角直梁型铰链C铰接于所述左边第二杠杆523底面的左边；所述右边第二杠杆524的右端面通过铰链A铰接于所述右立柱540，所述右侧第二位移传导杆522的上端通过铰链A铰接于所述右边第二杠杆524的右边；

所述左边第二杠杆523的上表面的右边设有输出端支链D，所述右边第二杠杆524的上表面左边设有输出端支链D，所述输出端的底面左边和右边分别铰接于左边和右边的输出端支链D。

左侧第二位移传导杆521和右侧第二位移传导杆522带动左边第二杠杆523和右边第二杠杆524，左边第二杠杆523和右边第二杠杆524再一次将位移量放大后，传递到输出端；一级放大机构加上二级放大机构，构成二级对称放大结构，其结构更紧凑，整体刚性更大，并基本消除耦合误差，更加适应现实中的需求。满足实际中高速高精密运动的目的。

此外，两组左立柱530和两组右立柱540顶端通过横向连接柱相互支撑，所述横向连接柱相互连接成框状。

框状结构使装置的结构更紧凑，进而使装置的外部支撑结构更可靠，位移传递中，尽可能的避免左立柱530和右立柱540产生形变，使位移量能够精确的传递到输出端。

此外，所述铰链A为圆弧形柔性铰链，所述第二铰链B为倒圆角直梁型铰链。

圆弧型柔性铰链有较大的转动范围，并且不存在机械摩擦，还具有运动灵敏度高和无间隙的优点，适合紧密微动调整，铰链A使用圆弧型柔性铰链更便于传动；直梁型柔性铰链的运动精度较高，但运动行程受到很大的限制，只能实现微小幅度的转动。最普通的形式是绕一个轴弹性弯曲，且这种弹性变形是可逆的，不施加作用力时，圆弧形柔性铰链能够迅速复位。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。