本發(fā)明涉及微納米定位技術(shù)，特別是一種可變剛度的三自由度定位平臺(tái)。

背景技術(shù)：

隨著微納技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，其地位在精密加工測(cè)量、醫(yī)療機(jī)械、航天材料加工、納米技術(shù)中日益顯著，微定位技術(shù)在其中必不可少，微定位平臺(tái)廣泛應(yīng)用于微機(jī)械、檢測(cè)、光學(xué)、微電子系統(tǒng)制造等領(lǐng)域中。高精度，大行程，高帶寬是對(duì)微定位平臺(tái)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，然而現(xiàn)有的技術(shù)中，高精度和大行程往往很難兩者兼顧，一般而言，能達(dá)到納米級(jí)精度的微定位系統(tǒng)行程只有十幾微米，而行程上百微米的微定位系統(tǒng)其精度很難達(dá)到納米級(jí)。對(duì)于具有微進(jìn)給的系統(tǒng)如納米壓印、微銑削、納米刻劃、掃描探針系統(tǒng)等，其系統(tǒng)的刀具或者探針通常是經(jīng)過(guò)大行程的快速進(jìn)給然后是小行程高精度的準(zhǔn)確進(jìn)給才能與工件或樣品接觸，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，開發(fā)人員通常采用大行程低精度的位移臺(tái)結(jié)合小行程高精度的位移臺(tái)的辦法，使整體機(jī)構(gòu)變得復(fù)雜而龐大，增加了成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題而提供一種可變剛度的三自由度定位平臺(tái)，該平臺(tái)行程大，精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，成本低。

本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：一種可變剛度的三自由度定位平臺(tái)，包括基座和形成在其中的動(dòng)平臺(tái)，所述動(dòng)平臺(tái)與所述基座通過(guò)三個(gè)沿周向均布的菱形柔性鉸鏈相連；所述動(dòng)平臺(tái)具有三個(gè)沿周向均布的輸入連接桿，三個(gè)所述輸入連接桿與三個(gè)所述菱形柔性鉸鏈間隔、均勻地分布在所述動(dòng)平臺(tái)的外周邊上；所述輸入連接桿的一端與所述動(dòng)平臺(tái)通過(guò)圓弧柔性鉸鏈ⅰ連接，另一端作為輸入端，與音圈電機(jī)的輸出端接觸，所述音圈電機(jī)安置在基座的凹槽內(nèi)，所述輸入連接桿的中心線既不通過(guò)所述動(dòng)平臺(tái)的中心也不與所述動(dòng)平臺(tái)的外周邊相切；在所述輸入連接桿的輸入端形成有對(duì)稱布置的雙翼型小剛度柔性機(jī)構(gòu)，所述小剛度柔性機(jī)構(gòu)的外側(cè)與所述基座連接；在所述輸入連接桿的中間兩側(cè)各設(shè)有一個(gè)凸塊；對(duì)應(yīng)兩個(gè)所述凸塊在所述基座上形成有一個(gè)大剛度柔性機(jī)構(gòu)，所述大剛度柔性機(jī)構(gòu)由對(duì)稱布置在所述輸入連接桿兩側(cè)的兩個(gè)部分組成，每個(gè)部分在靠近所述輸入連接桿的一側(cè)形成有一個(gè)凹槽，兩個(gè)所述凸塊一一對(duì)應(yīng)地延伸至兩個(gè)所述凹槽內(nèi)，在所述凹槽的內(nèi)側(cè)壁與所述凸塊的側(cè)面之間設(shè)有間隙。

所述動(dòng)平臺(tái)采用圓環(huán)形結(jié)構(gòu)。

所述小剛度柔性機(jī)構(gòu)由四個(gè)對(duì)稱布置在所述輸入連接桿兩側(cè)的矩形柔性鉸鏈ⅰ構(gòu)成，位于同側(cè)的兩個(gè)所述矩形柔性鉸鏈ⅰ平行設(shè)置。

所述大剛度柔性機(jī)構(gòu)由八個(gè)對(duì)稱布置在所述輸入連接桿兩側(cè)的矩形柔性鉸鏈ⅱ構(gòu)成，位于同側(cè)的四個(gè)所述矩形柔性鉸鏈ⅱ平行設(shè)置。

在所述輸入連接桿上設(shè)有圓弧柔性鉸鏈ⅱ，所述圓弧柔性鉸鏈ⅱ較所述凸塊更靠近所述動(dòng)平臺(tái)。

所述菱形柔性鉸鏈由四塊矩形柔性鉸鏈ⅲ組成，所述菱形柔性鉸鏈位于所述基座與所述動(dòng)平臺(tái)之間的內(nèi)角為90°～120°。

本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：通過(guò)驅(qū)動(dòng)三個(gè)均布的輸入連接桿，能夠使動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)兩平動(dòng)一轉(zhuǎn)動(dòng)的三自由度運(yùn)動(dòng)；音圈電機(jī)在初始位移中推動(dòng)輸入連接桿通過(guò)小剛度柔性機(jī)構(gòu)和菱形柔性鉸鏈，使動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)快速大行程毫米級(jí)的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)位于輸入連接桿上的凸塊通過(guò)凹槽帶動(dòng)大剛度柔性機(jī)構(gòu)時(shí)，機(jī)構(gòu)的整體剛度增大，行程減小，使動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)亞納米級(jí)的精確定位。綜上所述，本發(fā)明既能實(shí)現(xiàn)行程大，精度高，應(yīng)用于需要毫米級(jí)的定位系統(tǒng)，也能應(yīng)用于亞納米級(jí)的定位系統(tǒng)，以及如進(jìn)給系統(tǒng)這樣需要變運(yùn)動(dòng)精度的場(chǎng)合，應(yīng)用前景非常廣闊。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1的俯視圖；

圖3為圖2的i部放大圖。

圖中：1-音圈電機(jī)，2-小剛度柔性機(jī)構(gòu)，3-凸塊，4-大剛度柔性機(jī)構(gòu)，5-輸入連接桿，6-動(dòng)平臺(tái)，7-菱形柔性鉸鏈，8-定位孔，9-基座，10-圓弧柔性鉸鏈ⅰ，11-圓弧柔性鉸鏈ⅱ。

具體實(shí)施方式

為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點(diǎn)及功效，茲例舉以下實(shí)施例，并配合附圖詳細(xì)說(shuō)明如下：

請(qǐng)參閱圖1～圖3，一種可變剛度的三自由度定位平臺(tái)，包括基座9和形成在其中的動(dòng)平臺(tái)6，所述動(dòng)平臺(tái)6與所述基座9通過(guò)三個(gè)沿周向均布的菱形柔性鉸鏈7相連。

所述動(dòng)平臺(tái)6具有三個(gè)沿周向均布的輸入連接桿5，輸入連接桿5為傳遞動(dòng)能的機(jī)構(gòu)，三個(gè)所述輸入連接桿5與三個(gè)所述菱形柔性鉸鏈7間隔、均勻地分布在所述動(dòng)平臺(tái)6的外周邊上。

所述輸入連接桿5的一端與所述動(dòng)平臺(tái)6通過(guò)圓弧柔性鉸鏈ⅰ10連接，另一端作為輸入端，與音圈電機(jī)1的輸出端接觸，所述音圈電機(jī)1安置在基座9的凹槽內(nèi)，所述輸入連接桿5的中心線既不通過(guò)所述動(dòng)平臺(tái)6的中心也不與所述動(dòng)平臺(tái)6的外周邊相切。

在所述輸入連接桿5的輸入端形成有對(duì)稱布置的雙翼型小剛度柔性機(jī)構(gòu)2，所述小剛度柔性機(jī)構(gòu)2的外側(cè)與所述基座9連接。

在所述輸入連接桿5的中間兩側(cè)各設(shè)有一個(gè)凸塊3。

對(duì)應(yīng)兩個(gè)所述凸塊3在所述基座9上形成有一個(gè)大剛度柔性機(jī)構(gòu)4，所述大剛度柔性機(jī)構(gòu)4由對(duì)稱布置在所述輸入連接桿5兩側(cè)的兩個(gè)部分組成，每個(gè)部分在靠近所述輸入連接桿5的一側(cè)形成有一個(gè)凹槽，兩個(gè)所述凸塊3一一對(duì)應(yīng)地延伸至兩個(gè)所述凹槽內(nèi)，在所述凹槽的內(nèi)側(cè)壁與所述凸塊3的側(cè)面之間設(shè)有間隙。

在本實(shí)施例中，為了使結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，所述動(dòng)平臺(tái)6采用圓環(huán)形結(jié)構(gòu)。所述小剛度柔性機(jī)構(gòu)2由四個(gè)對(duì)稱布置在所述輸入連接桿5兩側(cè)的矩形柔性鉸鏈ⅰ構(gòu)成，位于同側(cè)的兩個(gè)所述矩形柔性鉸鏈ⅰ平行設(shè)置。所述大剛度柔性機(jī)構(gòu)4由八個(gè)對(duì)稱布置在所述輸入連接桿5兩側(cè)的矩形柔性鉸鏈ⅱ構(gòu)成，位于同側(cè)的四個(gè)所述矩形柔性鉸鏈ⅱ平行設(shè)置。在所述輸入連接桿5上設(shè)有圓弧柔性鉸鏈ⅱ11，所述圓弧柔性鉸鏈ⅱ11較所述凸塊3更靠近所述動(dòng)平臺(tái)6。在所述輸入連接桿5上設(shè)置兩個(gè)串聯(lián)的圓弧柔性鉸鏈可以增加靈活性。所述菱形柔性鉸鏈7由四塊矩形柔性鉸鏈ⅲ組成，所述菱形柔性鉸鏈7位于所述基座9與所述動(dòng)平臺(tái)6之間的內(nèi)角α為90°～120°，這種結(jié)構(gòu)使得動(dòng)平臺(tái)6的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)靈活且能夠進(jìn)行大行程的運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明使用音圈電機(jī)1作為驅(qū)動(dòng)器，相對(duì)于壓電陶瓷能進(jìn)行更大的位移輸出，通過(guò)控制音圈電機(jī)的輸入電流能改變力和位移的輸出，從而驅(qū)動(dòng)輸入連接桿5進(jìn)行不同行程的動(dòng)作；所述凸塊3的寬度小于大剛度柔性機(jī)構(gòu)4上的凹槽的寬度，當(dāng)凸塊3的前側(cè)面與凹槽的內(nèi)壁有間隙時(shí)，動(dòng)平臺(tái)6的運(yùn)動(dòng)位移能達(dá)到毫米級(jí)；音圈電機(jī)1繼續(xù)驅(qū)動(dòng)輸入連接桿5向前運(yùn)動(dòng)，凸塊3也繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，直到凸塊3的前側(cè)面與凹槽內(nèi)壁互相接觸，凸塊3帶動(dòng)大剛度柔性機(jī)構(gòu)4彈性變形，此時(shí)動(dòng)平臺(tái)6的整體剛度變?yōu)樾偠热嵝詸C(jī)構(gòu)2的剛度與大剛度柔性機(jī)構(gòu)4的剛度之和，所以動(dòng)平臺(tái)6的行程減小，精度大大增加，能達(dá)到亞納米級(jí)；凸塊3通過(guò)克服大剛度柔性機(jī)構(gòu)4的彈性力，把動(dòng)能傳遞到動(dòng)平臺(tái)6上，動(dòng)平臺(tái)6通過(guò)克服菱形柔性鉸鏈7的彈性力達(dá)到輸出位移的效果，通過(guò)控制三個(gè)音圈電機(jī)1的電流大小，控制動(dòng)平臺(tái)6進(jìn)行不同的軌跡輸出，既能實(shí)現(xiàn)沿平面兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，也能實(shí)現(xiàn)繞垂直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，并且當(dāng)三個(gè)音圈電機(jī)1的輸入電流大小一樣時(shí)，可以使動(dòng)平臺(tái)6作純轉(zhuǎn)動(dòng)。因此本發(fā)明既能實(shí)現(xiàn)大行程毫米級(jí)的位移輸出也能實(shí)現(xiàn)亞納米級(jí)的高精度位移輸出。

盡管上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍的情況下，還可以做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。