本實(shí)用新型涉及精密驅(qū)動(dòng)與控制領(lǐng)域，尤其涉及一種XYθ平面三自由度精密定位平臺(tái)及實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著精密機(jī)械技術(shù)的發(fā)展，尤其是微納米技術(shù)的出現(xiàn)，科學(xué)技術(shù)正式進(jìn)入了“亞微米-納米”時(shí)代。掃描電鏡、光學(xué)儀器、精密加工等電子、光學(xué)、機(jī)械、和航天領(lǐng)域，迫切需要高精度、高分辨率、高速率的定位平臺(tái)；而且目前對(duì)多自由度精密定位平臺(tái)的需求更加急迫。例如，天文望遠(yuǎn)鏡的超高分辨率和高精度轉(zhuǎn)動(dòng)需要多自由度的定位平臺(tái)；精密光學(xué)儀器的加工和裝配需要多自由度的精密定位平臺(tái)；醫(yī)學(xué)手術(shù)越來越多地依賴于多自由度精密操作末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，等等。

目前，公知的精密定位平臺(tái)主要有三種類型，第一類是機(jī)械傳動(dòng)式定位平臺(tái)，例如螺旋機(jī)構(gòu)、杠桿機(jī)構(gòu)、楔塊凸輪機(jī)構(gòu)等以及它們的組合機(jī)構(gòu)。機(jī)械傳動(dòng)式定位平臺(tái)最大的優(yōu)點(diǎn)是行程大和輸出剛度大，但是存在機(jī)械間隙和摩擦磨損等缺點(diǎn)，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)靈敏度和定位精度難以大幅度提高；第二類是通過直線電機(jī)或超聲馬達(dá)等實(shí)現(xiàn)精密定位，定位精度得到一定程度的提高而且具有良好的頻率響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，但系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，尤其是針對(duì)多自由度定位平臺(tái)，需要設(shè)計(jì)多個(gè)體積龐大的電氣拖動(dòng)裝置；第三類是采用壓電陶瓷、磁致伸縮等智能材料來實(shí)現(xiàn)精密驅(qū)動(dòng)與定位。

由于壓電陶瓷具有高分辨率、高剛度和出力大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于精密驅(qū)動(dòng)與控制，但是壓電陶瓷的輸出位移極小，即使是堆疊型壓電陶瓷，其輸出位移一般也不超過自身尺寸的0.2％。因此，公知的大多數(shù)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的精密定位平臺(tái)均是采用壓電陶瓷和柔性鉸鏈來組成柔性機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高精度的位移和力輸出。目前公知的精密定位平臺(tái)其自由度多為兩自由度，通過復(fù)雜的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)也能實(shí)現(xiàn)大于兩個(gè)自由度的位移輸出。但是輸出位移、輸出剛度以及平臺(tái)固有頻率之間總是互相約束，要實(shí)現(xiàn)大位移輸出必然要以損失固有頻率為代價(jià)。專利號(hào)為CN104505127的專利中利用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)柔性位移放大機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)精密定位；專利號(hào)為CN104467525的專利中利用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)橢圓放大機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)精密定位。然而，這些結(jié)構(gòu)一般較為復(fù)雜，裝配程序多，導(dǎo)致裝配精度等對(duì)定位產(chǎn)生影響；此外，這些精密定位平臺(tái)的固有頻率一般都不高，很難實(shí)現(xiàn)上千赫茲的精密運(yùn)動(dòng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的就在于為了解決上述問題而提供一種XYθ平面三自由度精密定位平臺(tái)及實(shí)現(xiàn)方法。

本實(shí)用新型通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)上述目的：

一種XYθ平面三自由度精密定位平臺(tái)，包括壓電陶瓷、復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)、橋型位移放大機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和固定框架，所述壓電陶瓷安裝在所述復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)內(nèi)，四個(gè)所述復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)均平行設(shè)置且分別位于所述固定框架的四角，所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)位于所述固定框架的中心處，所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的兩側(cè)面通過兩個(gè)所述橋型位移放大機(jī)構(gòu)分別與位于所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)兩側(cè)的所述復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)連接。

具體地，所述復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)包括四個(gè)斜邊柔性梁、剛性上端面、剛性下端面、輸出端面和固定端面，所述輸出端面和所述固定端面對(duì)稱設(shè)置，所述剛性上端面和所述剛性下端面對(duì)稱設(shè)置，且所述輸出端面與所述固定端面的連線與所述剛性上端面與所述剛性下端面之間的連線垂直，四個(gè)所述斜邊柔性梁依次將所述剛性上端面、所述剛性下端面、所述輸出端面和所述固定端面連接并組成菱形結(jié)構(gòu)，所述固定端面與所述固定框架的內(nèi)側(cè)面固定連接。

優(yōu)選地，四個(gè)所述復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)分為兩組，包括第一復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)組和第二復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)組，所述第一復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)組或所述第二復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)組內(nèi)的兩個(gè)所述復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)分別位于同一條直線，所述第一復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)組和所述第二復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)組對(duì)稱設(shè)置在所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的第一側(cè)和第二側(cè)。

具體地，所述斜邊柔性梁包括多個(gè)平行設(shè)置的柔性臂，多個(gè)所述柔性臂層疊設(shè)置，且相鄰的柔性臂之間設(shè)置有間隙。

具體地，兩個(gè)所述橋型位移放大機(jī)構(gòu)分別設(shè)置在所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的第一側(cè)和第二側(cè)，所述橋型位移放大機(jī)構(gòu)包括兩個(gè)柔性梁，兩個(gè)所述柔性梁的剛性輸入端分別與所述第一復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)組/第二復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)組的兩個(gè)輸出端剛性連接，兩個(gè)所述柔性梁的剛性輸出端分別與所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的第一側(cè)面/第二側(cè)面固定連接。

具體地，所述第一復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)的兩個(gè)輸出端之間的距離大于所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的第一側(cè)面的長(zhǎng)度，兩個(gè)所述柔性梁均傾斜設(shè)置。

進(jìn)一步，所述定位平臺(tái)還包括導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，四個(gè)所述導(dǎo)向機(jī)構(gòu)均與所述第一復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)組和所述第二復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)組之間的連線垂直設(shè)置，所述導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的第一端與所述固定框架固定連接，四個(gè)所述導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的第二端分別與四個(gè)所述復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)位移放大機(jī)構(gòu)的輸出端剛性連接。

優(yōu)選地，所述復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)的所述斜邊柔性梁與所述剛性上端面和所述剛性下端面的連接處、所述橋型位移放大機(jī)構(gòu)的所述柔性梁與所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的連接處均采用柔性鉸鏈連接。

具體地，所述固定框架的四角設(shè)置有固定螺紋孔，所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上設(shè)置有試件安裝孔。

本實(shí)用新型的有益效果在于：

本實(shí)用新型一種XYθ平面三自由度精密定位平臺(tái)通過四個(gè)復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)和兩個(gè)橋型位移放大機(jī)構(gòu)的組合，使該平臺(tái)具備兩個(gè)平動(dòng)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，并通過兩級(jí)位移放大以及不同的驅(qū)動(dòng)組合來實(shí)現(xiàn)三個(gè)平面自由度運(yùn)動(dòng)，使其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和緊湊，且輸出位移大，另外由于所述橋形位移放大機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，整個(gè)精密定位平臺(tái)的固有頻率高而且輸出剛度大，可以實(shí)現(xiàn)大行程和高帶寬的高精度位移輸出。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型所述一種XYθ平面三自由度精密定位平臺(tái)的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型所述一種XYθ平面三自由度精密定位平臺(tái)的俯視圖；

圖3是本實(shí)用新型所述一種XYθ平面三自由度精密定位平臺(tái)產(chǎn)生X方向直線運(yùn)行的原理示意圖；

圖4是本實(shí)用新型所述一種XYθ平面三自由度精密定位平臺(tái)產(chǎn)生Y方向直線運(yùn)行的原理示意圖；

圖5是本實(shí)用新型所述一種XYθ平面三自由度精密定位平臺(tái)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行的原理示意圖。

圖中：1-壓電陶瓷，2-復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)，3-橋形位移放大機(jī)構(gòu)，4-運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，5-固定框架，6-固定螺紋孔，7-斜邊柔性梁，8-間隙，9-剛性輸入端，10-柔性梁，11-剛性輸出端，12-試件安裝孔，13-導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明：

如圖1和圖2所示，本實(shí)用新型一種XYθ平面三自由度精密定位平臺(tái)，包括壓電陶瓷1、復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)2、橋型位移放大機(jī)構(gòu)3、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)4和固定框架5，壓電陶瓷1安裝在復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)2內(nèi)，四個(gè)復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)2均平行設(shè)置且分別位于固定框架5的四角，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)4位于固定框架5的中心處，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)4的兩側(cè)面通過兩個(gè)橋型位移放大機(jī)構(gòu)3分別與位于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)4兩側(cè)的復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)2連接。

復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)2包括四個(gè)斜邊柔性梁7、剛性上端面、剛性下端面、輸出端面和固定端面，輸出端面和固定端面對(duì)稱設(shè)置，剛性上端面和剛性下端面對(duì)稱設(shè)置，且輸出端面與固定端面的連線與剛性上端面與剛性下端面之間的連線垂直，四個(gè)斜邊柔性梁7依次將剛性上端面、剛性下端面、輸出端面和固定端面連接并組成菱形結(jié)構(gòu)，固定端面與固定框架5的內(nèi)側(cè)面固定連接，斜邊柔性梁7包括多個(gè)平行設(shè)置的柔性臂，多個(gè)柔性臂層疊設(shè)置，且相鄰的柔性臂之間設(shè)置有間隙8。

即復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)2為基于公知的菱形位移放大機(jī)構(gòu)改進(jìn)的彈性機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是在公知的菱形位移放大機(jī)構(gòu)的四條斜邊厚度方向上均采用相同多個(gè)柔性臂組成疊層結(jié)構(gòu)，各疊層間存在一定間隙8；壓電陶瓷1通過預(yù)緊力安裝于復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)2的內(nèi)部，利用逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生橫向位移和力，驅(qū)動(dòng)復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)2產(chǎn)生彎曲變形進(jìn)而產(chǎn)生放大了的縱向輸出位移和輸出力。

四個(gè)復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)2分為兩組，包括第一復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)組和第二復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)組，第一復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)組或第二復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)組內(nèi)的兩個(gè)復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)2分別位于同一條直線，第一復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)組和第二復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)組對(duì)稱設(shè)置在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)4的第一側(cè)和第二側(cè)。

兩個(gè)橋型位移放大機(jī)構(gòu)3分別設(shè)置在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)4的第一側(cè)和第二側(cè)，橋型位移放大機(jī)構(gòu)3包括兩個(gè)柔性梁10，兩個(gè)柔性梁10的剛性輸入端9分別與第一復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)組/第二復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)組的兩個(gè)輸出端剛性連接，兩個(gè)柔性梁10的剛性輸出端11分別與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)4的第一側(cè)面/第二側(cè)面固定連接，第一復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)2的兩個(gè)輸出端之間的距離大于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)4的第一側(cè)面的長(zhǎng)度，兩個(gè)柔性梁10均傾斜設(shè)置。

復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)2的輸出端與橋形位移放大機(jī)構(gòu)的剛性輸入端9連接，復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)2的輸出力驅(qū)動(dòng)橋形位移放大機(jī)構(gòu)，使橋形位移放大機(jī)構(gòu)產(chǎn)生彎曲變形，進(jìn)而產(chǎn)生二級(jí)輸出位移和輸出力。壓電陶瓷1與復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)組成第一級(jí)微位移放大輸出，復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)2的輸出位移又作為橋形位移放大機(jī)構(gòu)的輸入。

橋形位移放大機(jī)構(gòu)的兩個(gè)剛性輸入端9對(duì)稱連接第一復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)組或第二復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)組的兩個(gè)輸出端，組成一套二級(jí)彈性機(jī)構(gòu)。兩個(gè)相同的二級(jí)彈性機(jī)構(gòu)中的橋形位移放大機(jī)構(gòu)的剛性輸出端11連接到運(yùn)動(dòng)平臺(tái)4形成本實(shí)用新型提出的精密定位平臺(tái)，共有四組復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)2和兩組橋形位移放大機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)平面平動(dòng)自由度和一個(gè)平面轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的位移輸出。

定位平臺(tái)還包括導(dǎo)向機(jī)構(gòu)13，四個(gè)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)13均與第一復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)組和第二復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)組之間的連線垂直設(shè)置，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)13的第一端與固定框架5固定連接，四個(gè)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)13的第二端分別與四個(gè)復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)2位移放大機(jī)構(gòu)的輸出端剛性連接，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)13的作用是改善本實(shí)用新型提出的精密定位平臺(tái)的低階振動(dòng)模態(tài)，

復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)2的斜邊柔性梁7與剛性上端面和剛性下端面的連接處、橋型位移放大機(jī)構(gòu)3的柔性梁10與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)4的連接處均采用柔性鉸鏈連接，固定框架5的四角設(shè)置有固定螺紋孔6，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)4上設(shè)置有試件安裝孔12。

這些柔性鉸鏈為公知的圓形柔性鉸鏈、橢圓形柔性機(jī)構(gòu)、直圓形柔性鉸鏈等，且整個(gè)定位平臺(tái)由電火花切割工藝或線切割工藝一體化加工完成，無需二次裝配。

本實(shí)用新型一種XYθ平面三自由度精密定位平臺(tái)的工作原理如下：

以復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)2的輸出位移方向?yàn)閄方向，以橋型位移放大機(jī)構(gòu)3的輸出方向?yàn)閅方向，垂直于定位平臺(tái)的方向?yàn)閆方向，本平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)三種自由度的運(yùn)動(dòng)。

為便于描述，將本裝置中的四個(gè)壓電陶瓷1以圖示的逆時(shí)針方向依次命名為1號(hào)壓電陶瓷、2號(hào)壓電陶瓷、3號(hào)壓電陶瓷和4號(hào)壓電陶瓷。

X方向的直線運(yùn)動(dòng)如圖3所示，通過施加壓電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)1號(hào)壓電陶瓷和2號(hào)壓電陶瓷按相同的運(yùn)動(dòng)方向伸縮運(yùn)動(dòng)；通過施加壓電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)3號(hào)壓電陶瓷和4號(hào)壓電陶瓷按相同的運(yùn)動(dòng)方向伸縮運(yùn)動(dòng)，且與1號(hào)、3號(hào)壓電陶瓷的伸縮運(yùn)動(dòng)方向相反，即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)4沿X方向的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

Y方向的直線運(yùn)動(dòng)如圖4所示，通過施加壓電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)1號(hào)壓電陶瓷和4號(hào)壓電陶瓷按相同的運(yùn)動(dòng)方向伸縮運(yùn)動(dòng)；通過施加壓電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)2號(hào)壓電陶瓷和3號(hào)壓電陶瓷按相同的運(yùn)動(dòng)方向伸縮運(yùn)動(dòng)，且與1號(hào)、2號(hào)壓電陶瓷的伸縮運(yùn)動(dòng)方向相反，即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)4沿Y方向的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)如圖5所示，通過施加壓電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)1號(hào)壓電陶瓷和3號(hào)壓電陶瓷按相同的運(yùn)動(dòng)方向伸縮運(yùn)動(dòng)；通過施加壓電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)2號(hào)壓電陶瓷和4號(hào)壓電陶瓷按相同的運(yùn)動(dòng)方向伸縮運(yùn)動(dòng)，且與1號(hào)、2號(hào)壓電陶瓷的伸縮運(yùn)動(dòng)方向相反，此時(shí)將在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)4四邊緣產(chǎn)生力矩，即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)4繞Z軸方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案不限于上述具體實(shí)施例的限制，凡是根據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)方案做出的技術(shù)變形，均落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。