一种XYθ平面三自由度精密定位平台的制作方法

本发明涉及精密驱动与控制领域，尤其涉及一种XYθ平面三自由度精密定位平台及实现方法。

背景技术：

近年来，随着精密机械技术的发展，尤其是微纳米技术的出现，科学技术正式进入了“亚微米-纳米”时代。扫描电镜、光学仪器、精密加工等电子、光学、机械、和航天领域，迫切需要高精度、高分辨率、高速率的定位平台；而且目前对多自由度精密定位平台的需求更加急迫。例如，天文望远镜的超高分辨率和高精度转动需要多自由度的定位平台；精密光学仪器的加工和装配需要多自由度的精密定位平台；医学手术越来越多地依赖于多自由度精密操作末端执行机构，等等。

目前，公知的精密定位平台主要有三种类型，第一类是机械传动式定位平台，例如螺旋机构、杠杆机构、楔块凸轮机构等以及它们的组合机构。机械传动式定位平台最大的优点是行程大和输出刚度大，但是存在机械间隙和摩擦磨损等缺点，机构的运动灵敏度和定位精度难以大幅度提高；第二类是通过直线电机或超声马达等实现精密定位，定位精度得到一定程度的提高而且具有良好的频率响应等优点，但系统相对复杂，尤其是针对多自由度定位平台，需要设计多个体积庞大的电气拖动装置；第三类是采用压电陶瓷、磁致伸缩等智能材料来实现精密驱动与定位。

由于压电陶瓷具有高分辨率、高刚度和出力大等优点，广泛应用于精密驱动与控制，但是压电陶瓷的输出位移极小，即使是堆叠型压电陶瓷，其输出位移一般也不超过自身尺寸的0.2％。因此，公知的大多数压电陶瓷驱动的精密定位平台均是采用压电陶瓷和柔性铰链来组成柔性机构，实现高精度的位移和力输出。目前公知的精密定位平台其自由度多为两自由度，通过复杂的机构设计也能实现大于两个自由度的位移输出。但是输出位移、输出刚度以及平台固有频率之间总是互相约束，要实现大位移输出必然要以损失固有频率为代价。专利号为CN104505127的专利中利用压电陶瓷驱动柔性位移放大机构来实现精密定位；专利号为CN104467525的专利中利用压电陶瓷驱动椭圆放大机构来实现精密定位。然而，这些结构一般较为复杂，装配程序多，导致装配精度等对定位产生影响；此外，这些精密定位平台的固有频率一般都不高，很难实现上千赫兹的精密运动。

技术实现要素：

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种XYθ平面三自由度精密定位平台及实现方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种XYθ平面三自由度精密定位平台，包括压电陶瓷、复合菱形位移放大机构、桥型位移放大机构、运动平台和固定框架，所述压电陶瓷安装在所述复合菱形位移放大机构内，四个所述复合菱形位移放大机构均平行设置且分别位于所述固定框架的四角，所述运动平台位于所述固定框架的中心处，所述运动平台的两侧面通过两个所述桥型位移放大机构分别与位于所述运动平台两侧的所述复合菱形位移放大机构连接。

具体地，所述复合菱形位移放大机构包括四个斜边柔性梁、刚性上端面、刚性下端面、输出端面和固定端面，所述输出端面和所述固定端面对称设置，所述刚性上端面和所述刚性下端面对称设置，且所述输出端面与所述固定端面的连线与所述刚性上端面与所述刚性下端面之间的连线垂直，四个所述斜边柔性梁依次将所述刚性上端面、所述刚性下端面、所述输出端面和所述固定端面连接并组成菱形结构，所述固定端面与所述固定框架的内侧面固定连接。

优选地，四个所述复合菱形位移放大机构分为两组，包括第一复合菱形位移放大机构组和第二复合菱形位移放大机构组，所述第一复合菱形位移放大机构组或所述第二复合菱形位移放大机构组内的两个所述复合菱形位移放大机构分别位于同一条直线，所述第一复合菱形位移放大机构组和所述第二复合菱形位移放大机构组对称设置在所述运动平台的第一侧和第二侧。

具体地，所述斜边柔性梁包括多个平行设置的柔性臂，多个所述柔性臂层叠设置，且相邻的柔性臂之间设置有间隙。

具体地，两个所述桥型位移放大机构分别设置在所述运动平台的第一侧和第二侧，所述桥型位移放大机构包括两个柔性梁，两个所述柔性梁的刚性输入端分别与所述第一复合菱形位移放大机构组/第二复合菱形位移放大机构组的两个输出端刚性连接，两个所述柔性梁的刚性输出端分别与所述运动平台的第一侧面/第二侧面固定连接。

具体地，所述第一复合菱形位移放大机构的两个输出端之间的距离大于所述运动平台的第一侧面的长度，两个所述柔性梁均倾斜设置。

进一步，所述定位平台还包括导向机构，四个所述导向机构均与所述第一复合菱形位移放大机构组和所述第二复合菱形位移放大机构组之间的连线垂直设置，所述导向机构的第一端与所述固定框架固定连接，四个所述导向机构的第二端分别与四个所述复合菱形位移放大机构位移放大机构的输出端刚性连接。

优选地，所述复合菱形位移放大机构的所述斜边柔性梁与所述刚性上端面和所述刚性下端面的连接处、所述桥型位移放大机构的所述柔性梁与所述运动平台的连接处均采用柔性铰链连接。

具体地，所述固定框架的四角设置有固定螺纹孔，所述运动平台上设置有试件安装孔。

本发明的有益效果在于：

本发明一种XYθ平面三自由度精密定位平台通过四个复合菱形位移放大机构和两个桥型位移放大机构的组合，使该平台具备两个平动和一个转动自由度，并通过两级位移放大以及不同的驱动组合来实现三个平面自由度运动，使其结构简单和紧凑，且输出位移大，另外由于所述桥形位移放大机构的结构特点和设计的导向机构，整个精密定位平台的固有频率高而且输出刚度大，可以实现大行程和高带宽的高精度位移输出。

附图说明

图1是本发明所述一种XYθ平面三自由度精密定位平台的立体结构示意图；

图2是本发明所述一种XYθ平面三自由度精密定位平台的俯视图；

图3是本发明所述一种XYθ平面三自由度精密定位平台产生X方向直线运行的原理示意图；

图4是本发明所述一种XYθ平面三自由度精密定位平台产生Y方向直线运行的原理示意图；

图5是本发明所述一种XYθ平面三自由度精密定位平台产生转动运行的原理示意图。

图中：1-压电陶瓷，2-复合菱形位移放大机构，3-桥形位移放大机构，4-运动平台，5-固定框架，6-固定螺纹孔，7-斜边柔性梁，8-间隙，9-刚性输入端，10-柔性梁，11-刚性输出端，12-试件安装孔，13-导向机构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1和图2所示，本发明一种XYθ平面三自由度精密定位平台，包括压电陶瓷1、复合菱形位移放大机构2、桥型位移放大机构3、运动平台4和固定框架5，压电陶瓷1安装在复合菱形位移放大机构2内，四个复合菱形位移放大机构2均平行设置且分别位于固定框架5的四角，运动平台4位于固定框架5的中心处，运动平台4的两侧面通过两个桥型位移放大机构3分别与位于运动平台4两侧的复合菱形位移放大机构2连接。

复合菱形位移放大机构2包括四个斜边柔性梁7、刚性上端面、刚性下端面、输出端面和固定端面，输出端面和固定端面对称设置，刚性上端面和刚性下端面对称设置，且输出端面与固定端面的连线与刚性上端面与刚性下端面之间的连线垂直，四个斜边柔性梁7依次将刚性上端面、刚性下端面、输出端面和固定端面连接并组成菱形结构，固定端面与固定框架5的内侧面固定连接，斜边柔性梁7包括多个平行设置的柔性臂，多个柔性臂层叠设置，且相邻的柔性臂之间设置有间隙8。

即复合菱形位移放大机构2为基于公知的菱形位移放大机构改进的弹性机构，其特点是在公知的菱形位移放大机构的四条斜边厚度方向上均采用相同多个柔性臂组成叠层结构，各叠层间存在一定间隙8；压电陶瓷1通过预紧力安装于复合菱形位移放大机构2的内部，利用逆压电效应产生横向位移和力，驱动复合菱形位移放大机构2产生弯曲变形进而产生放大了的纵向输出位移和输出力。

四个复合菱形位移放大机构2分为两组，包括第一复合菱形位移放大机构组和第二复合菱形位移放大机构组，第一复合菱形位移放大机构组或第二复合菱形位移放大机构组内的两个复合菱形位移放大机构2分别位于同一条直线，第一复合菱形位移放大机构组和第二复合菱形位移放大机构组对称设置在运动平台4的第一侧和第二侧。

两个桥型位移放大机构3分别设置在运动平台4的第一侧和第二侧，桥型位移放大机构3包括两个柔性梁10，两个柔性梁10的刚性输入端9分别与第一复合菱形位移放大机构组/第二复合菱形位移放大机构组的两个输出端刚性连接，两个柔性梁10的刚性输出端11分别与运动平台4的第一侧面/第二侧面固定连接，第一复合菱形位移放大机构2的两个输出端之间的距离大于运动平台4的第一侧面的长度，两个柔性梁10均倾斜设置。

复合菱形位移放大机构2的输出端与桥形位移放大机构的刚性输入端9连接，复合菱形位移放大机构2的输出力驱动桥形位移放大机构，使桥形位移放大机构产生弯曲变形，进而产生二级输出位移和输出力。压电陶瓷1与复合菱形位移放大机构组成第一级微位移放大输出，复合菱形位移放大机构2的输出位移又作为桥形位移放大机构的输入。

桥形位移放大机构的两个刚性输入端9对称连接第一复合菱形位移放大机构组或第二复合菱形位移放大机构组的两个输出端，组成一套二级弹性机构。两个相同的二级弹性机构中的桥形位移放大机构的刚性输出端11连接到运动平台4形成本发明提出的精密定位平台，共有四组复合菱形位移放大机构2和两组桥形位移放大机构，可以实现两个平面平动自由度和一个平面转动自由度的位移输出。

定位平台还包括导向机构13，四个导向机构13均与第一复合菱形位移放大机构组和第二复合菱形位移放大机构组之间的连线垂直设置，导向机构13的第一端与固定框架5固定连接，四个导向机构13的第二端分别与四个复合菱形位移放大机构2位移放大机构的输出端刚性连接，导向机构13的作用是改善本发明提出的精密定位平台的低阶振动模态，

复合菱形位移放大机构2的斜边柔性梁7与刚性上端面和刚性下端面的连接处、桥型位移放大机构3的柔性梁10与运动平台4的连接处均采用柔性铰链连接，固定框架5的四角设置有固定螺纹孔6，运动平台4上设置有试件安装孔12。

这些柔性铰链为公知的圆形柔性铰链、椭圆形柔性机构、直圆形柔性铰链等，且整个定位平台由电火花切割工艺或线切割工艺一体化加工完成，无需二次装配。

本发明一种XYθ平面三自由度精密定位平台的工作原理如下：

以复合菱形位移放大机构2的输出位移方向为X方向，以桥型位移放大机构3的输出方向为Y方向，垂直于定位平台的方向为Z方向，本平台可实现三种自由度的运动。

为便于描述，将本装置中的四个压电陶瓷1以图示的逆时针方向依次命名为1号压电陶瓷、2号压电陶瓷、3号压电陶瓷和4号压电陶瓷。

X方向的直线运动如图3所示，通过施加压电信号，驱动1号压电陶瓷和2号压电陶瓷按相同的运动方向伸缩运动；通过施加压电信号，驱动3号压电陶瓷和4号压电陶瓷按相同的运动方向伸缩运动，且与1号、3号压电陶瓷的伸缩运动方向相反，即可实现运动平台4沿X方向的平动运动。

Y方向的直线运动如图4所示，通过施加压电信号，驱动1号压电陶瓷和4号压电陶瓷按相同的运动方向伸缩运动；通过施加压电信号，驱动2号压电陶瓷和3号压电陶瓷按相同的运动方向伸缩运动，且与1号、2号压电陶瓷的伸缩运动方向相反，即可实现运动平台4沿Y方向的平动运动。

绕X轴转动运动如图5所示，通过施加压电信号，驱动1号压电陶瓷和3号压电陶瓷按相同的运动方向伸缩运动；通过施加压电信号，驱动2号压电陶瓷和4号压电陶瓷按相同的运动方向伸缩运动，且与1号、2号压电陶瓷的伸缩运动方向相反，此时将在运动平台4四边缘产生力矩，即可实现运动平台4绕Z轴方向的旋转运动。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。