專利名稱：平面并聯(lián)式三自由度精密定位工作臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三自由度精密定位工作臺(tái)。特別是涉及一種平面并聯(lián)式三自由度精密定位工作臺(tái)。
背景技術(shù)：
微/納米測(cè)量與表征是生物、醫(yī)學(xué)、材料、力學(xué)和物理等學(xué)科重要研究?jī)?nèi)容，表面測(cè)量與表征系統(tǒng)和方法已成當(dāng)今世界研究的熱點(diǎn)之一。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的微/納定位系統(tǒng)具有分辨率高、響應(yīng)速度快、無(wú)摩擦和無(wú)發(fā)熱問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于微/納操作、測(cè)量和加工領(lǐng)域。根據(jù)運(yùn)動(dòng)形式，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的微/納定位系統(tǒng)可分為直接驅(qū)動(dòng)和蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)兩種。直接驅(qū)動(dòng)的微/納定位系統(tǒng)的缺點(diǎn)為行程較小，如廣泛應(yīng)用于原子力顯微鏡的壓電陶瓷管的最大行程100 μ m左右，無(wú)法滿足大范圍表面測(cè)量與表征的需求。蠕動(dòng)式定位系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)大行程運(yùn)動(dòng)，但是其位移分辨率較低且輸出力較小，從而影響了工程實(shí)踐中的應(yīng)用。 為了克服壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器輸出位移小的缺點(diǎn)，通常采用放大機(jī)構(gòu)增加微/納定位系統(tǒng)的輸出位移。杠桿機(jī)構(gòu)是最簡(jiǎn)單的位移放大結(jié)構(gòu)，杠桿機(jī)構(gòu)可以串接在一起得到更高的位移放大率，但是杠桿機(jī)構(gòu)位移輸出點(diǎn)出仍存在寄生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。SR (Scott-Russell)機(jī)構(gòu)的顯著特點(diǎn)是位移輸出點(diǎn)的直線運(yùn)動(dòng)，跟杠桿機(jī)構(gòu)一樣，SR機(jī)構(gòu)也可以嵌套起來(lái)得到更高的位移放大率，但是，SR機(jī)構(gòu)通常應(yīng)用在單自由度定位系統(tǒng)中，SR機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性限制了它在平面多自由度定位系統(tǒng)中的應(yīng)用，因此，當(dāng)前的研究集中在單個(gè)SR機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、建模和控制上。平面精密定位工作臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可分為串聯(lián)式和并聯(lián)式，串聯(lián)式結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性影響了在精密定位平臺(tái)中的應(yīng)用，并且串聯(lián)式結(jié)構(gòu)會(huì)有誤差累積，并聯(lián)式結(jié)構(gòu)跟串聯(lián)式結(jié)構(gòu)相比具有更好的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性，但是并聯(lián)式結(jié)構(gòu)必須通過(guò)解耦器或者控制算法來(lái)進(jìn)行位移解耦。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種具有結(jié)構(gòu)緊湊、高精度、高剛度、低慣量、無(wú)誤差積累、響應(yīng)速度快、無(wú)摩擦和無(wú)發(fā)熱的平面并聯(lián)式三自由度精密定位工作臺(tái)。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種平面并聯(lián)式三自由度精密定位工作臺(tái)，包括正三角形結(jié)構(gòu)的基座，分別對(duì)應(yīng)的設(shè)置在基座的三個(gè)等邊內(nèi)側(cè)的結(jié)構(gòu)完全相同的三個(gè)柔性支鏈，設(shè)置在三個(gè)柔性支鏈內(nèi)側(cè)且位于基座的中心的動(dòng)平臺(tái)，所述的基座、三個(gè)柔性支鏈和動(dòng)平臺(tái)為一體形成，其中，所述的三個(gè)柔性支鏈分別與基座為柔性連接，且三個(gè)柔性支鏈的位移輸入端分別對(duì)應(yīng)基座的三個(gè)夾角，所述的動(dòng)平臺(tái)與所述的三個(gè)柔性支鏈為柔性連接，所述的基座的每一個(gè)夾角內(nèi)側(cè)與所對(duì)應(yīng)的一個(gè)柔性支鏈之間形成有凹槽，所述的凹槽內(nèi)水平設(shè)置有用于驅(qū)動(dòng)柔性支鏈的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的一端與所述的柔性支鏈的位移輸入端之間為赫茲接觸，所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的另一端通過(guò)螺栓固定連接在基座上。
所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器與所述的柔性支鏈相對(duì)應(yīng)的一端連接有球形接頭，所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器是通過(guò)所述的球形接頭與所述的柔性支鏈的位移輸入形成赫茲接觸。所述的柔性支鏈包括有SR位移放大機(jī)構(gòu)，通過(guò)第一圓形彈性鉸鏈連接在SR位移放大機(jī)構(gòu)的位移輸入端的復(fù)合平行板移動(dòng)副，通過(guò)第二圓形彈性鉸鏈連接在SR位移放大機(jī)構(gòu)的位移輸出端的連桿，其中，所述的復(fù)合平行板移動(dòng)副的位移輸入端與所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器端部的球形接頭之間為赫茲接觸，并且，所述的復(fù)合平行板移動(dòng)副為H形結(jié)構(gòu)，所述H形結(jié)構(gòu)的上、下兩端分別構(gòu)成柔性板簧，所述的該柔性板簧與所述的基座一體連接，所述的連桿的另一端通過(guò)第三圓形彈性鉸鏈與所述的基座一體連接，SR位移放大機(jī)構(gòu)的固定端通過(guò)第四圓形彈性鉸鏈與所述的基座一體連接。
所述的復(fù)合平行板移動(dòng)副的軸線和所述的SR位移放大機(jī)構(gòu)的位移輸入點(diǎn)處的第一圓形彈性鉸鏈的軸線共線。所述的第一圓形彈性鉸鏈的軸線與所述的第二圓形彈性鉸鏈的軸線相垂直。所述的第二圓形彈性鉸鏈的軸線和所述的第三圓形彈性鉸鏈的軸線與所述的連桿的軸線共線。所述的三個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器通過(guò)SR位移放大機(jī)構(gòu)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)所述的動(dòng)平臺(tái)。本發(fā)明的平面并聯(lián)式三自由度精密定位工作臺(tái)，結(jié)構(gòu)緊湊、控制靈活、靜動(dòng)態(tài)剛度高、運(yùn)動(dòng)精度高、低慣量、無(wú)誤差積累、無(wú)摩擦和無(wú)發(fā)熱、響應(yīng)速度快。本發(fā)明對(duì)于微/納米測(cè)量與表征技術(shù)的發(fā)展具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。


圖1是本發(fā)明的平面并聯(lián)式三自由度精密定位工作臺(tái)整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的平面并聯(lián)式三自由度精密定位工作臺(tái)柔性結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的平面并聯(lián)式三自由度精密定位工作臺(tái)柔性支鏈?zhǔn)疽鈭D。圖中1:基座2 :壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器3 :球形接頭4 :柔性支鏈5 :動(dòng)平臺(tái)6 :凹槽7 :螺栓8 :通孔41:SR位移放大機(jī)構(gòu) 42:復(fù)合平行板移動(dòng)副43 :第一圓形彈性鉸鏈44 :第二圓形彈性鉸鏈45 :連桿46 :第三圓形彈性鉸鏈47:柔性板簧48:第四圓形彈性鉸鏈
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的平面并聯(lián)式三自由度精密定位工作臺(tái)做出詳細(xì)說(shuō)明。如圖1、圖2所示，本發(fā)明的平面并聯(lián)式三自由度精密定位工作臺(tái)，包括正三角形結(jié)構(gòu)的基座1，分別對(duì)應(yīng)的設(shè)置在基座I的三個(gè)等邊內(nèi)側(cè)的結(jié)構(gòu)完全相同的三個(gè)柔性支鏈4，設(shè)置在三個(gè)柔性支鏈4內(nèi)側(cè)且位于基座I的中心的動(dòng)平臺(tái)5，所述的基座1、三個(gè)柔性支鏈4和動(dòng)平臺(tái)5為一體形成，其中，所述的三個(gè)柔性支鏈4其初始位置相對(duì)正三角形中心對(duì)稱，分別與基座I為柔性連接，且三個(gè)柔性支鏈4的位移輸入端分別對(duì)應(yīng)基座I的三個(gè)夾角，所述的動(dòng)平臺(tái)5與所述的三個(gè)柔性支鏈4為柔性連接，所述的基座I的每一個(gè)夾角內(nèi)側(cè)與所對(duì)應(yīng)的一個(gè)柔性支鏈4之間形成有凹槽6，所述的凹槽6內(nèi)水平設(shè)置有用于驅(qū)動(dòng)柔性支鏈4的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器2，所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器2的一端與所述的柔性支鏈4的位移輸入端之間為赫茲接觸，所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器2的另一端通過(guò)螺栓7固定連接在基座I上。所述的三個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器2通過(guò)SR位移放大機(jī)構(gòu)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)所述的動(dòng)平臺(tái)5。所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器2與所述的柔性支鏈4相對(duì)應(yīng)的一端連接有球形接頭3，所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器2是通過(guò)所述的球形接頭3與所述的柔性支鏈4的位移輸入端形成赫茲接觸，即是通過(guò)球形接頭3以小面積赫茲接觸方式與所述柔性支鏈中的復(fù)合平行板移動(dòng)副42接觸。所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器2是分別以過(guò)盈裝配方式安裝在所述的基座I和所述的復(fù)合平行板移動(dòng)副42之間，實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。如圖3所示，所述的柔性支鏈4包括有SR位移放大機(jī)構(gòu)41，通過(guò)第一圓形彈性鉸鏈43連接在SR位移放大機(jī)構(gòu)41的位移輸入端的復(fù)合平行板移動(dòng)副42，通過(guò)第二圓形彈性鉸鏈44連接在SR位移放大機(jī)構(gòu)41的位移輸出端的連桿45，其中，所述的復(fù)合平行板移動(dòng)副42的位移輸入端與所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器2端部的球形接頭3之間為赫茲接觸，并且，所述的復(fù)合平行板移動(dòng)副42為H形結(jié)構(gòu)，所述H形結(jié)構(gòu)的上、下兩端分別構(gòu)成柔性板簧47，所述的該柔性板簧47與所述的基座I 一體連接，所述的連桿45的另一端通過(guò)第三圓形彈性鉸鏈46與所述的基座I 一體連接，SR位移放大機(jī)構(gòu)41的固定端通過(guò)第四圓形彈性鉸鏈48與所述的基座I 一體連接。通過(guò)SR位移放大機(jī)構(gòu)42增加壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器2的輸出位移。所述的復(fù)合平行板移動(dòng)副42的軸線和所述的SR位移放大機(jī)構(gòu)41的位移輸入點(diǎn)處的第一圓形彈性鉸鏈的軸線共線。所述的第一圓形彈性鉸鏈43的軸線與所述的第二圓形彈性鉸鏈44的軸線相垂直。所述的第二圓形彈性鉸鏈44的軸線和所述的第三圓形彈性鉸鏈46的軸線與所述的連桿45的軸線共線。本發(fā)明的平面并聯(lián)式三自由度精密定位工作臺(tái)，是采用7076-T6航空鋁板切割加工而成的集成式結(jié)構(gòu)，工作臺(tái)通過(guò)所述的三個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)沿X、Y軸的平動(dòng)和繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種平面并聯(lián)式三自由度精密定位工作臺(tái)，其特征在于，包括正三角形結(jié)構(gòu)的基座(1)，分別對(duì)應(yīng)的設(shè)置在基座(I)的三個(gè)等邊內(nèi)側(cè)的結(jié)構(gòu)完全相同的三個(gè)柔性支鏈(4)，設(shè)置在三個(gè)柔性支鏈(4)內(nèi)側(cè)且位于基座(I)的中心的動(dòng)平臺(tái)(5 )，所述的基座(I)、三個(gè)柔性支鏈(4 )和動(dòng)平臺(tái)(5 )為一體形成，其中，所述的三個(gè)柔性支鏈(4 )分別與基座(I)為柔性連接，且三個(gè)柔性支鏈(4)的位移輸入端分別對(duì)應(yīng)基座(I)的三個(gè)夾角，所述的動(dòng)平臺(tái)(5)與所述的三個(gè)柔性支鏈(4)為柔性連接，所述的基座(I)的每一個(gè)夾角內(nèi)側(cè)與所對(duì)應(yīng)的一個(gè)柔性支鏈(4)之間形成有凹槽(6)，所述的凹槽(6)內(nèi)水平設(shè)置有用于驅(qū)動(dòng)柔性支鏈(4)的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(2)，所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(2)的一端與所述的柔性支鏈(4)的位移輸入端之間為赫茲接觸，所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(2)的另一端通過(guò)螺栓(7)固定連接在基座(I)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面并聯(lián)式三自由度精密定位工作臺(tái)，其特征在于，所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(2)與所述的柔性支鏈(4)相對(duì)應(yīng)的一端連接有球形接頭(3)，所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(2)是通過(guò)所述的球形接頭(3)與所述的柔性支鏈(4)的位移輸入端形成赫茲接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的平面并聯(lián)式三自由度精密定位工作臺(tái)，其特征在于，所述的柔性支鏈(4)包括有SR位移放大機(jī)構(gòu)(41)，通過(guò)第一圓形彈性鉸鏈(43)連接在SR位移放大機(jī)構(gòu)(41)的位移輸入端的復(fù)合平行板移動(dòng)副(42)，通過(guò)第二圓形彈性鉸鏈(44)連接在SR位移放大機(jī)構(gòu)(41)的位移輸出端的連桿(45)，其中，所述的復(fù)合平行板移動(dòng)副(42)的位移輸入端與所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(2)端部的球形接頭(3)之間為赫茲接觸，并且，所述的復(fù)合平行板移動(dòng)副(42)為H形結(jié)構(gòu)，所述H形結(jié)構(gòu)的上、下兩端分別構(gòu)成柔性板簧(47)，所述的該柔性板簧(47)與所述的基座(I) 一體連接，所述的連桿(45)的另一端通過(guò)第三圓形彈性鉸鏈(46)與所述的基座(I) 一體連接，SR位移放大機(jī)構(gòu)(41)的固定端通過(guò)第四圓形彈性鉸鏈(48)與所述的基座(I) 一體連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的平面并聯(lián)式三自由度精密定位工作臺(tái)，其特征在于，所述的復(fù)合平行板移動(dòng)副(42)的軸線和所述的SR位移放大機(jī)構(gòu)(41)的位移輸入點(diǎn)處的第一圓形彈性鉸鏈的軸線共線。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的平面并聯(lián)式三自由度精密定位工作臺(tái)，其特征在于，所述的第一圓形彈性鉸鏈(43)的軸線與所述的第二圓形彈性鉸鏈(44)的軸線相垂直。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的平面并聯(lián)式三自由度精密定位工作臺(tái)，其特征在于，所述的第二圓形彈性鉸鏈(44)的軸線和所述的第三圓形彈性鉸鏈(46)的軸線與所述的連桿(45)的軸線共線。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面并聯(lián)式三自由度精密定位工作臺(tái)，其特征在于，所述的三個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(2)通過(guò)SR位移放大機(jī)構(gòu)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)所述的動(dòng)平臺(tái)(5)。
全文摘要
一種平面并聯(lián)式三自由度精密定位工作臺(tái)，有分別對(duì)應(yīng)的設(shè)置在三角形結(jié)構(gòu)的基座的三個(gè)等邊內(nèi)側(cè)的結(jié)構(gòu)完全相同的三個(gè)柔性支鏈，設(shè)置在三個(gè)柔性支鏈內(nèi)側(cè)且位于基座的中心的動(dòng)平臺(tái)，基座、三個(gè)柔性支鏈和動(dòng)平臺(tái)為一體形成，三個(gè)柔性支鏈分別與基座為柔性連接，且三個(gè)柔性支鏈的位移輸入端分別對(duì)應(yīng)基座的三個(gè)夾角，動(dòng)平臺(tái)與三個(gè)柔性支鏈為柔性連接，基座的每一個(gè)夾角內(nèi)側(cè)與所對(duì)應(yīng)的一個(gè)柔性支鏈之間形成有凹槽，凹槽內(nèi)水平設(shè)置有壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的一端與柔性支鏈的位移輸入端之間為赫茲接觸，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的另一端通過(guò)螺栓固定連接在基座上。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、控制靈活、靜動(dòng)態(tài)剛度高、運(yùn)動(dòng)精度高、低慣量、無(wú)誤差積累、無(wú)摩擦和無(wú)發(fā)熱、響應(yīng)速度快。
文檔編號(hào)G12B5/00GK103021472SQ20121050992
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月3日
發(fā)明者田延嶺, 秦巖丁, 張大衛(wèi), 田佳 申請(qǐng)人:天津大學(xué)