本发明属于精密位移技术领域，具体涉及一种一体构型的全柔性并联三维精密位移台。
背景技术：
随着科学技术的迅猛发展，光学与光电子工程、计量科学与技术、生物科学工程、光机电一体化等领域对精密位移技术的要求越来越严格，精密运动平台在现代高精生产制造和科学研究领域有着十分重要的地位，精密运动平台定位精度的技术水平高低与高精密生产制造、精密测量以及超大规模集成电路的生产水平等技术领域发展息息相关。例如在光纤陀螺制作中，需要精密位移台引导光纤与y波导芯片对准耦合，减小对准误差引入的光功率损耗，以提高陀螺输出信噪比。
按照精密位移平台的行程大小和定位精度高低可将其分为两类：小行程、超高精度的运动平台和大行程、高精度运动平台。其中基于压电陶瓷式、电热变形式驱动的精密运动平台一般具有小行程、超高精度的特点，其行程为数十微米范围左右，但其位移分辨率可高达纳米级；基于传统机械式位移传递方式的运动平台行程可达毫米级以上，但存在着精度较小的特点。
目前大行程精密运动平台的解决方案主要分为两种：单级进给和两级进给。单级进给以压电陶瓷为驱动元件，结合基于柔性铰链的多级杠杆结构将位移放大，以达到大行程的目的，此种方案以牺牲定位精度为代价，且这运动平台价格昂贵，应用环境较为严格。另一种方案采用两级进给的方式，即粗动平台与精动相结合的方式，以满足要求的定位精度和行程范围。与单级进给相比，其充分结合了目前成熟的大行程位移台与高精度位移台技术，降低了研究技术难度和风险。但是这种位移台一般结构复杂，维护成本较高，与单级进给方案相比，控制难度增大，成本变得更高。因此研究发明一种低成本、高精度、大行程的运动平台显得意义重大。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明提出一种一体构型的全柔性并联三维精密位移台，包括外层固定框架、中层嵌套移台框架与内层嵌套移台框架。
其中，外层固定框架与中层嵌套移台框架的外围框架间通过周向铰链柔性连接；通过沿x轴向外围框架施力，实现中层嵌套移台框架内安装的内层嵌套移台框架上的负载平台沿x轴方向移动；
中层嵌套移台框架还具有由板状支架组合而成的驱动架，视每块板状支架为一根连杆，则驱动架具有一套由柔性铰链连接的对称式并联四连杆机构；通过对对称式并联四连杆机构施加y轴方向力，实现负载平台沿z轴方向的移动。
内层嵌套移台框架同样由板状支架组合，同时还包括负载平台；视每块板状支架为一根连杆，则内层嵌套移台框架具有一套由柔性铰链连接的四连杆机构；通过对四连杆机构施加y轴方向力，实现负载平台沿y轴方向的移动。
本发明的优点在于:
1、本发明一体构型的全柔性并联三维精密位移台，使用全柔性铰链结构，使得三维精密位移台可以一体化加工，避免了机械装配引入的定位误差；
2、本发明一体构型的全柔性并联三维精密位移台，使用杠杆结构缩小中层嵌套移台框架、内层负载平台的位移，实现50nm的定位精度；
3、本发明一体构型的全柔性并联三维精密位移台，使用对称式并联机构，实现了多层框架的上下对称、左右对称、前后对称的结构布局，减小主运动方向刚度，增大非运动方向刚度，从而减少非对称的偏移，抑制非运动方向的寄生误差；
4、本发明一体构型的全柔性并联三维精密位移台，通过沿运动方向对称布置4组弹簧施加预紧力，消除位移台回程误差；
5、本发明一体构型的全柔性并联三维精密位移台，通过在中层四连杆结构主动杆垂直方向生出刚性连接杆，使施力方向转变为水平方向，与内层施力方向相同，从而两个驱动电机可以上下并排、水平布置，使整体结构更加紧凑。
6、本发明一体构型的全柔性并联三维精密位移台，使用三层框架相互正交嵌套，保证三个方向正交移动，互不干扰，并且中层、内层连杆方向平行，且与外层框架间互不遮挡，有利于结构紧凑与线切割加工；
7、本发明一体构型的全柔性并联三维精密位移台，根据三个方向不同的行程与精度要求，在外层、中层及内层布置不同的柔性铰链结构，实现三个方向行程先大后小，精度先粗后精的移动。
附图说明
图1为本发明一体构型的全柔性并联三维精密位移台整体结构侧剖图；
图2为本发明一体构型的全柔性并联三维精密位移台整体结构俯视图；
图3为本发明一体构型的全柔性并联三维精密位移台中中层嵌套移台框架与内层嵌套移台框架结构示意图；
图4为本发明一体构型的全柔性并联三维精密位移台中中层嵌套移台框架2与内层嵌套移台框架中各柔性铰链安装位置图；
图5为本发明一体构型的全柔性并联三维精密位移台中，外层固定框架与中层嵌套移台框架间形成的对称式并联四连杆机构示意图；
图6为本发明一体构型的全柔性并联三维精密位移台中，中层嵌套移台框架中形成的并联四连杆机构示意图；
图7为本发明一体构型的全柔性并联三维精密位移台中，内层嵌套移台框架中形成的四连杆机构示意图。
图中：
1-矩形框架结构2-中层嵌套移台框架3-内层嵌套移台框架
4-连接凸台5-外层柔性铰链6-中层柔性铰链
7-内层柔性铰链101-凸耳201-中层外围框架
202-驱动架203-c型架203a-c型架上铰接台
203b-c型架下铰接台301-内层支架302-负载平台
303-平台支撑板304-转接板
具体实时方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明一体构型的全柔性并联三维精密位移台，包括外层固定框架1、中层嵌套移台框架2与内层嵌套移台框架3，如图1所示。
如图2所示，外层固定框架为矩形框架结构1，相对侧壁上设计有位移台安装凸耳101，凸耳101上开孔，用来通过螺栓实现本发明全柔性并联三维精密位移台与操作平台间的固定。中层嵌套移台框架2具有矩形的中层外围框架201，设置于外层固定框架内部，且周向四个侧面分别与外层固定框架周向四个面平行设置。
上述外层固定框架1内侧以及中层外围框架201外侧的四角位置设计有连接凸台4，且外层固定框架1与中层外围框架201同角处的连接凸台4间通过外层柔性铰链5相连，使外层移动框架1和中层外围框架201四角之间形成柔性连接。外层柔性铰链5为由两个簧片与转接块构成的柔性铰链；两簧片平行固定于转接块同侧。令外层固定框架1与中层外围框架201相邻两边分别平行于xy平面与yz平面；则在安装外层柔性铰链5时，使外层柔性铰链5的簧片平行于yz轴平面设置。
如图3、图4所示，中层外围框架201内还具有由多个板状支架组合而成的驱动架202，板状支架间的连接均采用柔性连接。其中，板状支架包括支架a～d；分别沿y轴方向依次设置，初始状态时均平行于xz轴平面。其中，支架b、支架c置于中层外围框架201上开设的移动运动通道内，周向与运动通道间具有一定间隙。支架d与中层外围框架201间相对固定，可设计为一体结构。
上述支架b顶部设计有一体结构的c型架203；c型架203底面与支架b顶端相接。c型架203顶部外壁上设计有c型架上铰接台203a。支架d顶端设计平行于xy轴平面的顶板d1以及平行xz轴平面的铰接板d2。同时，c型架203顶部被顶板d1、铰接板d2以及支架d包围。
上述支架a～d的连接方式为，支架a顶端与支架b顶部通过中层柔性铰链6相连，形成柔性连接。支架c顶端安装有中层柔性铰链6，通过中层柔性铰链6与支架b顶端及支架d相连，形成柔性连接。c型架上铰接台203a两侧分别通过中层柔性铰链6连接支架d顶部和铰接板d2，形成柔性连接。上述c型架上铰接台203a两侧的中层柔性铰链6与支架c两侧的中层柔性铰链6位置对称。
所述内层嵌套移台框架3包括内层支架301、负载平台302、平台支撑板303、转接板304，以及c型架203底部外壁上设计的c型架下铰接台203b。所述内层支架301沿y轴方向设置，与支架a相邻，置于中层外围框架201上开设的移动运动通道内，周向与运动通道间具有一定间隙。负载平台302为平行于xz轴平面的台面；平台支撑板303与负载平台302垂直设置，平台支撑板303平行于xy轴平面设置，平台支撑板303底面设计有负载平台铰接台305。
上述平台支撑板303与转接板304均位于c型架203内部，且各部分连接方式为：内层支架301顶部通过两个内层柔性铰链7分别与负载平台铰接台305和c型架下铰接台203一侧相连，形成柔性连接。负载平台铰接台305和c型架下铰接台203b另一侧分别通过内层柔性铰链7与转接板304相连。
上述内层柔性铰链7仅为簧片，均沿y轴方向设置。外层柔性铰链6为有两个簧片与转接块构成的柔性铰链；两簧片共面固定于转接块对侧。在安装外层柔性铰链6时，使簧片沿y轴方向设置；且支架c顶端的外层柔性铰链6中的转接块可与支架c顶端间设计为一体结构。
上述支架b末端设计有电机安装位，用于安装第一步进电机；同时，支架b末端开通孔使第一步进电机的输出轴穿过支架b。通过第一步进电机向内层支架301末端施加y轴方向的力，施力位置位于内层支架301末端凹槽内安装的高硬度顶块，以减小第一步进电机向内层支架301施力变形引入的位移误差。中层外围框架201上设计有电机安装台，用于安装第二步进电机；同样，电机安装台上开孔使第二步进电机的输出轴穿过电机安装台。通过第二步进电机向支架c末端施加y轴方向的力，施力位置位于支架c末端凹槽内安装的高硬度顶块同样支架c末端安装高硬度顶块。外层固定框架1沿x轴方向的两侧面设计有电机安装位，用来安装第三步进电机。同时，外层固定框架1左右两侧开孔可使第三步进电机输出轴穿过外层固定框架1。通过第三步进电机向中层外围框架201两侧施加沿x轴方向的力，施力位置位于中层嵌套移台框架2两侧凹槽内安装的高硬度顶块。x轴方向行程取决于第一柔性铰链5簧片长度。第三步进电机的安装需结合实际情况的工作空间，选择性的在两侧安装，使用更加灵活。
本发明一体构型的全柔性并联三维精密位移台在工作时，通过一侧的第三步进电机向中层外围框架201施力，可实现负载平台302沿x轴运动方向平移；如图5所示，平移过程中，外层固定框架1与中层外围框架201四角间可视为通过第一柔性铰链5连接的对称式并联四连杆机构，实现负载平台302沿x轴方向位移。通过第二步进电机沿y轴方向向支架c施力，可实现负载平台302沿z轴方向平移；如图6所示，平移过程中，可视铰接面d2、铰接板d1、支架d、支架a和前述4个对称分布的中层柔性铰链5为并联式四连杆机构，实现负载平台302沿z轴运动方向平移的同时抑制y轴寄生位移，且设计支架c的长度与其顶端设计为一体结构的中层柔性铰链6整体长度比为10:1,构成了10：1的杠杆机构，将第二步进电机定位精度提高了十倍速，实现了50nm的定位精度。沿z轴行程大小取决于柔性铰链c11整体长度。通过驱动电机沿y轴方向向支架301施力，可实现负载平台302沿y轴运动方向平移。如图7所示，平移过程中内层支架301、平台支撑板303、转接板304与c型架203底面间可视为通过4个柔性铰链连接的四连杆机构，实现负载平台302沿y轴运动方向平移；且令支架301沿z轴方向被支架a顶端与支架b顶部间的中层柔性铰链6分为上段a2与下段a1，则设计a1与a2的长度比为10：1，同样构成了10：1的杠杆机构，达到了50nm的定位精度。沿y轴行程大小取决于内层支架301上段a2长度。
上述外层固定框架1与中层外围框架201中，中层柔性铰链6两侧的侧边之间由沿y轴方向等间隔设置的弹簧连接，以确保第三步进电机的输出轴端部与中层外围框架201间紧密贴合，减小负载平台302沿x轴往复运动引入的回程误差。同样，支架c与支架d底部之间由沿z轴方向设置的弹簧连接，保证第二步进电机驱动轴端部与支架c紧密贴合，减小位移台沿z轴往复运动引入的回程误差。内层支架301与支架a底部之间由沿z轴方向设置弹簧连接，保证第一步进电机驱动轴端部与内层支架301紧密贴合，减小位移台沿y轴往复运动引入的回程误差。