本發(fā)明涉及微納米技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種XYZ三自由度精密定位裝置。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，納米技術(shù)的不斷提高，為了追求好品質(zhì)的生活質(zhì)量，許多領(lǐng)域?qū)ξ⒓{米級定位平臺提出更高的要求。如超精密加工制造業(yè)，3D打印、生物細(xì)胞工程，芯片光刻機(jī)及引線縫合機(jī)等對微納平臺都有較高的精度及維度要求。

基于三級差動杠桿放大原理設(shè)計一種具有毫米級行程、納米級精度的柔性機(jī)械位移放大器，目前的三維平臺有以下缺點；XYZ三個方向存在運動耦合、尤其在高速高加速的情況下，Z軸方向擺動現(xiàn)象明顯，結(jié)構(gòu)復(fù)雜裝配難。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述缺陷，本發(fā)明的目的在于提出一種三自由度柔性鉸鏈位移放大器，擴(kuò)大了原有的操作空間，更加適應(yīng)現(xiàn)實中微納操作檢測等需求。滿足實際中高精度、大行程、高帶寬及多自由度的目的。

為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種XYZ三自由度精密定位裝置，包括XY運動基座和Z軸運動模塊，所述Z軸運動模塊安裝于所述XY運動基座；

所述XY運動基座包括基板，所述基板上設(shè)有位移裝置和運動平臺，所述位移裝置設(shè)有兩組，所述位移裝置分別位于X軸和Y軸；所述位移裝置為設(shè)有壓電陶瓷E的柔性機(jī)構(gòu)；

所述位移裝置包括左杠桿、右杠桿、輸入端安裝塊和輸出端安裝塊；所述基板開設(shè)有第一容納槽，所述位移裝置安裝于所述第一容納槽，所述左杠桿和右杠桿的下端通過鉸鏈鉸接于所述第一容納槽的下槽壁，所述左杠桿的右側(cè)下部和右杠桿的左側(cè)下部均用過鉸鏈鉸接有輸入端安裝塊；所述左杠桿的右側(cè)上部和右杠桿的左側(cè)上部均通過直梁型柔性鉸鏈鉸接有所述輸出端安裝塊；所述輸出端安裝塊通過直梁型柔性鉸鏈與所述運動平臺安裝。

進(jìn)一步地，所述基板開設(shè)有第二容納槽，所述運動平臺設(shè)置于所述第二容納槽，所述運動平臺的四個側(cè)面通過直梁型柔性鉸鏈分別與輸入端安裝塊和設(shè)置于所述第二容納槽槽壁的解耦固定塊連接；

所述第二容納槽的左側(cè)和后側(cè)分別設(shè)有安裝了位移裝置的第一容納槽，所述第二容納槽的前槽壁和右槽壁分別設(shè)有所述解耦固定塊。

較佳地，所述解耦固定塊包括固定塊和直梁型柔性鉸鏈，所述固定塊兩側(cè)通過直梁型柔性鉸鏈安裝于所述固定塊兩側(cè)對應(yīng)的第二容納槽兩內(nèi)側(cè)的側(cè)壁。

進(jìn)一步地，所述輸出端安裝塊上部分和下部分分別位于所述第二容納槽和第一容納槽，所述輸出端安裝塊的上部分兩側(cè)通過直梁型柔性鉸鏈安裝于所述輸出端安裝塊兩側(cè)對應(yīng)的第二容納槽兩內(nèi)側(cè)的側(cè)壁。

較佳地，所述Z軸運動模塊包括底座和豎向安裝于所述底座的并列放大裝置，所述并列放大裝置至少設(shè)有兩組，兩組所述并列放大裝置的中心軸相交，呈十字形設(shè)置；

所述并列放大裝置包括一級放大機(jī)構(gòu)和二級放大機(jī)構(gòu)，所述一級放大機(jī)構(gòu)包括左邊第一杠桿和右邊第一杠桿，所述左邊第一杠桿和右邊第一杠桿之間設(shè)有空位；所述左邊第一杠桿的右側(cè)底面通過倒圓角直梁型鉸鏈鉸接于所述底座，所述右邊第一杠桿的左側(cè)底面通過倒圓角直梁型鉸鏈鉸接于所述底座；

所述一級放大機(jī)構(gòu)還包括左側(cè)第一位移傳導(dǎo)桿和右側(cè)第一位移傳導(dǎo)桿，所述左側(cè)第一位移傳導(dǎo)桿下端通過鉸鏈鉸接于所述左邊第一杠桿的上表面右邊，所述右側(cè)第一位移傳導(dǎo)桿下端通過鉸鏈鉸接于所述右邊第一杠桿的上表面左邊；

所述一級放大機(jī)構(gòu)還包括輸入平臺，所述輸入平臺呈長方體狀，所述左側(cè)第一位移傳導(dǎo)桿和右側(cè)第一位移傳導(dǎo)桿的上端分別通過鉸鏈鉸接于所述輸入平臺底面的左邊和右邊；

所述底板設(shè)有所述壓電陶瓷，所述壓電陶瓷端部抵緊于所述輸入平臺下表面。

進(jìn)一步地，所述二級放大機(jī)構(gòu)包括左側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿和右側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿，所述二級放大機(jī)構(gòu)還包括左立柱和右立柱；

所述左側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿下端通過鉸鏈鉸接于所述左邊第一杠桿上表面左邊，所述右側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿的下端通過鉸鏈鉸接于所述右邊第一杠桿上表面右邊；

所述二級放大機(jī)構(gòu)還包括左邊第二杠桿和右邊第二杠桿，所述左邊第二杠桿和右邊第二杠桿均呈水平狀設(shè)置；所述左邊第二杠桿的左端面通過倒圓角直梁型鉸鏈鉸接于所述左立柱，所述左側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿的上端通過倒圓角直梁型鉸鏈鉸接于所述左邊第二杠桿底面的左邊；所述右邊第二杠桿的右端面通過鉸鏈鉸接于所述右立柱，所述右側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿的上端通過鉸鏈鉸接于所述右邊第二杠桿的右邊；

所述左邊第二杠桿的上表面的右邊設(shè)有輸出端支鏈，所述右邊第二杠桿的上表面左邊設(shè)有輸出端支鏈，所述輸出端的底面左邊和右邊分別鉸接于左邊和右邊的輸出端支鏈。

較佳地，兩組左立柱和兩組右立柱頂端通過橫向連接柱相互支撐，所述橫向連接柱相互連接成框狀。

較佳地，所述鉸鏈為圓弧形柔性鉸鏈，所述第二鉸鏈為倒圓角直梁型鉸鏈

位移裝置采用了放大結(jié)構(gòu)，即將壓電陶瓷微小的位移量放大成較大的位移量，從而使運動方向具有更大的行程；而軸運動模塊設(shè)置在運動基座，即構(gòu)成三自由度精密定位，從而能夠同時滿足多自由度大行程的定位要求；使用解耦固定塊和直梁型柔性鉸鏈兩個結(jié)構(gòu)，即可解決運動基座在運動是存在的輸入耦合現(xiàn)象，從而提高運動平臺的傳遞精度；通過直梁型柔性鉸鏈和直梁型柔性鉸鏈縱橫連接，即可使運動平臺在運動時有足夠的自由度不構(gòu)成耦合，通過固定塊來連接足夠多直梁型柔性鉸鏈，同時保證相互連接的直梁型柔性鉸鏈有足夠的強(qiáng)度；使用兩組對稱式放大結(jié)構(gòu)，并將放大式結(jié)構(gòu)呈十字形設(shè)置，從而使裝置的結(jié)構(gòu)更緊湊，穩(wěn)定性更好，整體剛性更大，并基本消除耦合誤差；圓弧型柔性鉸鏈有較大的轉(zhuǎn)動范圍，并且不存在機(jī)械摩擦，還具有運動靈敏度高和無間隙的優(yōu)點，適合緊密微動調(diào)整，鉸鏈?zhǔn)褂脠A弧型柔性鉸鏈更便于傳動；直梁型柔性鉸鏈的運動精度較高，但運動行程受到很大的限制，只能實現(xiàn)微小幅度的轉(zhuǎn)動。最普通的形式是繞一個軸彈性彎曲，且這種彈性變形是可逆的，不施加作用力時，圓弧形柔性鉸鏈能夠迅速復(fù)位。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一個實施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的一個實施例的XY運動基座結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的一個實施例的Z軸運動模塊剖視圖；

圖4是本發(fā)明的一個實施例的并列放大裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明的一個實施例的軸運動模塊偽剛體模型圖。

其中：XY運動基座100、基板110、第一容納槽120、第二容納槽130、解耦固定塊140、Z軸運動模塊200、底座210、位移裝置300、左杠桿310、右杠桿320、輸入端安裝塊330、輸出端安裝塊340、運動平臺400、并列放大裝置500、一級放大機(jī)構(gòu)510、左邊第一杠桿511、右邊第一杠桿512、左側(cè)第一位移傳導(dǎo)桿513、右側(cè)第一位移傳導(dǎo)桿514、輸入平臺515、二級放大機(jī)構(gòu)520、左側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿521、右側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿522、左邊第二杠桿523、右邊第二杠桿524、左立柱530、右立柱540、鉸鏈A、直梁型柔性鉸鏈B、倒圓角直梁型鉸鏈C、輸出端支鏈D、壓電陶瓷E。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖并通過具體實施方式來進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

如圖1-5所示，一種XYZ三自由度精密定位裝置，包括XY運動基座100和Z軸運動模塊200，所述Z軸運動模塊200安裝于所述XY運動基座100；

所述XY運動基座100包括基板110，所述基板110上設(shè)有位移裝置300和運動平臺400，所述位移裝置300設(shè)有兩組，所述位移裝置300分別位于X軸和Y軸；所述位移裝置300為設(shè)有壓電陶瓷E的柔性機(jī)構(gòu)；

所述位移裝置300包括左杠桿310、右杠桿320、輸入端安裝塊330和輸出端安裝塊340；所述基板110開設(shè)有第一容納槽120，所述位移裝置300安裝于所述第一容納槽120，所述左杠桿310和右杠桿320的下端通過鉸鏈A鉸接于所述第一容納槽120的下槽壁，所述左杠桿310的右側(cè)下部和右杠桿320的左側(cè)下部均用過鉸鏈A鉸接有輸入端安裝塊330；所述左杠桿310的右側(cè)上部和右杠桿320的左側(cè)上部均通過直梁型柔性鉸鏈B鉸接有所述輸出端安裝塊340；所述輸出端安裝塊340通過直梁型柔性鉸鏈B與所述運動平臺400安裝。

XY運動基座100通過基板將位移裝置300集成化設(shè)置，使裝置整體性更佳，并且相對而言在傳遞中不容易產(chǎn)生形變，從而能夠提升位移傳遞的精度，位移裝置300采用了放大結(jié)構(gòu)，即將壓電陶瓷E微小的位移量放大成較大的位移量，從而使XY運動方向具有更大的行程；而Z軸運動模塊200設(shè)置在XY運動基座100，即構(gòu)成三自由度精密定位，從而能夠同時滿足多自由度大行程的定位要求。

其中，所述基板110開設(shè)有第二容納槽130，所述運動平臺400設(shè)置于所述第二容納槽130，所述運動平臺400的四個側(cè)面通過直梁型柔性鉸鏈B分別與輸入端安裝塊330和設(shè)置于所述第二容納槽130槽壁的解耦固定塊140連接；

所述第二容納槽130的左側(cè)和后側(cè)分別設(shè)有安裝了位移裝置300的第一容納槽120，所述第二容納槽130的前槽壁和右槽壁分別設(shè)有所述解耦固定塊140。

運動平臺400的周圍均通過直梁型柔性鉸鏈B與輸入端安裝塊330和設(shè)置于所述第二容納槽130槽壁的解耦固定塊140連接，即一端輸入位移時，另外兩端也會受到影響從而發(fā)生位移，使用解耦固定塊140和直梁型柔性鉸鏈B兩個結(jié)構(gòu)，即可解決XY運動基座100在運動是存在的輸入耦合現(xiàn)象，從而提高運動平臺400的傳遞精度。

此外，所述解耦固定塊140包括固定塊和直梁型柔性鉸鏈B，所述固定塊兩側(cè)通過直梁型柔性鉸鏈B安裝于所述固定塊140兩側(cè)對應(yīng)的第二容納槽130兩內(nèi)側(cè)的側(cè)壁。

由于解耦固定塊140有較高的靈活度，這里最簡單的方式是通過直梁型柔性鉸鏈B和直梁型柔性鉸鏈B縱橫連接，即可使運動平臺400在運動時有足夠的自由度不構(gòu)成耦合，通過固定塊來連接足夠多直梁型柔性鉸鏈B，同時保證相互連接的直梁型柔性鉸鏈B有足夠的強(qiáng)度。

其中，所述輸出端安裝塊340上部分和下部分分別位于所述第二容納槽130和第一容納槽120，所述輸出端安裝塊340的上部分兩側(cè)通過直梁型柔性鉸鏈B安裝于所述輸出端安裝塊340兩側(cè)對應(yīng)的第二容納槽130兩內(nèi)側(cè)的側(cè)壁。

采用這種結(jié)構(gòu)使裝置使運動平臺400四個端面都具有較高的自由度，進(jìn)而使運動平臺400的四個端面都具有解耦的功能，從而在X軸或Y軸只移動一個的情況下，其他三個端面也不會構(gòu)成耦合，保證了位移傳遞的精準(zhǔn)性。

此外，所述Z軸運動模塊200包括底座210和豎向安裝于所述底座210的并列放大裝置500，所述并列放大裝置500至少設(shè)有兩組，兩組所述并列放大裝置500的中心軸相交，呈十字形設(shè)置；

所述并列放大裝置500包括一級放大機(jī)構(gòu)510和二級放大機(jī)構(gòu)520，所述一級放大機(jī)構(gòu)510包括左邊第一杠桿511和右邊第一杠桿512，所述左邊第一杠桿511和右邊第一杠桿512之間設(shè)有空位；所述左邊第一杠桿511的右側(cè)底面通過倒圓角直梁型鉸鏈C鉸接于所述底座210，所述右邊第一杠桿512的左側(cè)底面通過倒圓角直梁型鉸鏈C鉸接于所述底座210；

所述一級放大機(jī)構(gòu)510還包括左側(cè)第一位移傳導(dǎo)桿513和右側(cè)第一位移傳導(dǎo)桿514，所述左側(cè)第一位移傳導(dǎo)桿513下端通過鉸鏈鉸接于所述左邊第一杠桿511的上表面右邊，所述右側(cè)第一位移傳導(dǎo)桿514下端通過鉸鏈鉸接于所述右邊第一杠桿512的上表面左邊；

所述一級放大機(jī)構(gòu)還包括輸入平臺515，所述輸入平臺515呈長方體狀，所述左側(cè)第一位移傳導(dǎo)桿513和右側(cè)第一位移傳導(dǎo)桿514的上端分別通過鉸鏈A鉸接于所述輸入平臺515底面的左邊和右邊；

所述底板設(shè)有所述壓電陶瓷E，所述壓電陶瓷E端部抵緊于所述輸入平臺515下表面。

一級放大機(jī)構(gòu)直接發(fā)放大了壓電陶瓷E的位移量，而壓電陶瓷E的位移將輸入平臺515頂起，從而輸入平臺515帶動左側(cè)第一位移傳導(dǎo)桿513和右側(cè)第一位移傳導(dǎo)桿514，進(jìn)而左邊第一杠桿511和右邊第一杠桿512將位移量進(jìn)行了放大；隨后左邊第一杠桿511和右邊第一杠桿512帶動左側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿521和右側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿522；使用兩組對稱式放大結(jié)構(gòu)，并將放大式結(jié)構(gòu)呈十字形設(shè)置，從而使裝置的結(jié)構(gòu)更緊湊，穩(wěn)定性更好，整體剛性更大，并基本消除耦合誤差。

作為對上述技術(shù)的補(bǔ)充，所述二級放大機(jī)構(gòu)520包括左側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿521和右側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿522，所述二級放大機(jī)構(gòu)520還包括左立柱530和右立柱540；

所述左側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿521下端通過鉸鏈鉸接于所述左邊第一杠桿511上表面左邊，所述右側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿522的下端通過鉸鏈A鉸接于所述右邊第一杠桿512上表面右邊；

所述二級放大機(jī)構(gòu)520還包括左邊第二杠桿523和右邊第二杠桿524，所述左邊第二杠桿523和右邊第二杠桿524均呈水平狀設(shè)置；所述左邊第二杠桿523的左端面通過倒圓角直梁型鉸鏈C鉸接于所述左立柱530，所述左側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿521的上端通過倒圓角直梁型鉸鏈C鉸接于所述左邊第二杠桿523底面的左邊；所述右邊第二杠桿524的右端面通過鉸鏈A鉸接于所述右立柱540，所述右側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿522的上端通過鉸鏈A鉸接于所述右邊第二杠桿524的右邊；

所述左邊第二杠桿523的上表面的右邊設(shè)有輸出端支鏈D，所述右邊第二杠桿524的上表面左邊設(shè)有輸出端支鏈D，所述輸出端的底面左邊和右邊分別鉸接于左邊和右邊的輸出端支鏈D。

左側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿521和右側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿522帶動左邊第二杠桿523和右邊第二杠桿524，左邊第二杠桿523和右邊第二杠桿524再一次將位移量放大后，傳遞到輸出端；一級放大機(jī)構(gòu)加上二級放大機(jī)構(gòu)，構(gòu)成二級對稱放大結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)更緊湊，整體剛性更大，并基本消除耦合誤差，更加適應(yīng)現(xiàn)實中的需求。滿足實際中高速高精密運動的目的。

此外，兩組左立柱530和兩組右立柱540頂端通過橫向連接柱相互支撐，所述橫向連接柱相互連接成框狀。

框狀結(jié)構(gòu)使裝置的結(jié)構(gòu)更緊湊，進(jìn)而使裝置的外部支撐結(jié)構(gòu)更可靠，位移傳遞中，盡可能的避免左立柱530和右立柱540產(chǎn)生形變，使位移量能夠精確的傳遞到輸出端。

此外，所述鉸鏈A為圓弧形柔性鉸鏈，所述第二鉸鏈B為倒圓角直梁型鉸鏈。

圓弧型柔性鉸鏈有較大的轉(zhuǎn)動范圍，并且不存在機(jī)械摩擦，還具有運動靈敏度高和無間隙的優(yōu)點，適合緊密微動調(diào)整，鉸鏈A使用圓弧型柔性鉸鏈更便于傳動；直梁型柔性鉸鏈的運動精度較高，但運動行程受到很大的限制，只能實現(xiàn)微小幅度的轉(zhuǎn)動。最普通的形式是繞一個軸彈性彎曲，且這種彈性變形是可逆的，不施加作用力時，圓弧形柔性鉸鏈能夠迅速復(fù)位。

以上結(jié)合具體實施例描述了本發(fā)明的技術(shù)原理。這些描述只是為了解釋本發(fā)明的原理，而不能以任何方式解釋為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。基于此處的解釋，本領(lǐng)域的技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性的勞動即可聯(lián)想到本發(fā)明的其它具體實施方式，這些方式都將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。