一種可變剛度的三自由度定位平臺的製作方法

2023-09-13 19:43:35

本發明涉及微納米定位技術，特別是一種可變剛度的三自由度定位平臺。

背景技術：

隨著微納技術的進一步發展，其地位在精密加工測量、醫療機械、航天材料加工、納米技術中日益顯著，微定位技術在其中必不可少，微定位平臺廣泛應用於微機械、檢測、光學、微電子系統製造等領域中。高精度，大行程，高帶寬是對微定位平臺的評價指標，然而現有的技術中，高精度和大行程往往很難兩者兼顧，一般而言，能達到納米級精度的微定位系統行程只有十幾微米，而行程上百微米的微定位系統其精度很難達到納米級。對於具有微進給的系統如納米壓印、微銑削、納米刻劃、掃描探針系統等，其系統的刀具或者探針通常是經過大行程的快速進給然後是小行程高精度的準確進給才能與工件或樣品接觸，為了實現這個目的，開發人員通常採用大行程低精度的位移臺結合小行程高精度的位移臺的辦法，使整體機構變得複雜而龐大，增加了成本。

技術實現要素：

本發明為解決公知技術中存在的技術問題而提供一種可變剛度的三自由度定位平臺，該平臺行程大，精度高，結構簡單緊湊，成本低。

本發明為解決公知技術中存在的技術問題所採取的技術方案是：一種可變剛度的三自由度定位平臺，包括基座和形成在其中的動平臺，所述動平臺與所述基座通過三個沿周向均布的菱形柔性鉸鏈相連；所述動平臺具有三個沿周向均布的輸入連接杆，三個所述輸入連接杆與三個所述菱形柔性鉸鏈間隔、均勻地分布在所述動平臺的外周邊上；所述輸入連接杆的一端與所述動平臺通過圓弧柔性鉸鏈ⅰ連接，另一端作為輸入端，與音圈電機的輸出端接觸，所述音圈電機安置在基座的凹槽內，所述輸入連接杆的中心線既不通過所述動平臺的中心也不與所述動平臺的外周邊相切；在所述輸入連接杆的輸入端形成有對稱布置的雙翼型小剛度柔性機構，所述小剛度柔性機構的外側與所述基座連接；在所述輸入連接杆的中間兩側各設有一個凸塊；對應兩個所述凸塊在所述基座上形成有一個大剛度柔性機構，所述大剛度柔性機構由對稱布置在所述輸入連接杆兩側的兩個部分組成，每個部分在靠近所述輸入連接杆的一側形成有一個凹槽，兩個所述凸塊一一對應地延伸至兩個所述凹槽內，在所述凹槽的內側壁與所述凸塊的側面之間設有間隙。

所述動平臺採用圓環形結構。

所述小剛度柔性機構由四個對稱布置在所述輸入連接杆兩側的矩形柔性鉸鏈ⅰ構成，位於同側的兩個所述矩形柔性鉸鏈ⅰ平行設置。

所述大剛度柔性機構由八個對稱布置在所述輸入連接杆兩側的矩形柔性鉸鏈ⅱ構成，位於同側的四個所述矩形柔性鉸鏈ⅱ平行設置。

在所述輸入連接杆上設有圓弧柔性鉸鏈ⅱ，所述圓弧柔性鉸鏈ⅱ較所述凸塊更靠近所述動平臺。

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於所述基座與所述動平臺之間的內角為90°～120°。

本發明具有的優點和積極效果是：通過驅動三個均布的輸入連接杆，能夠使動平臺實現兩平動一轉動的三自由度運動；音圈電機在初始位移中推動輸入連接杆通過小剛度柔性機構和菱形柔性鉸鏈，使動平臺實現快速大行程毫米級的運動，當位於輸入連接杆上的凸塊通過凹槽帶動大剛度柔性機構時，機構的整體剛度增大，行程減小，使動平臺實現亞納米級的精確定位。綜上所述，本發明既能實現行程大，精度高，應用於需要毫米級的定位系統，也能應用於亞納米級的定位系統，以及如進給系統這樣需要變運動精度的場合，應用前景非常廣闊。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

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，2-小剛度柔性機構，3-凸塊，4-大剛度柔性機構，5-輸入連接杆，6-動平臺，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。

具體實施方式

為能進一步了解本發明的發明內容、特點及功效，茲例舉以下實施例，並配合附圖詳細說明如下：

請參閱圖1～圖3，一種可變剛度的三自由度定位平臺，包括基座9和形成在其中的動平臺6，所述動平臺6與所述基座9通過三個沿周向均布的菱形柔性鉸鏈7相連。

所述動平臺6具有三個沿周向均布的輸入連接杆5，輸入連接杆5為傳遞動能的機構，三個所述輸入連接杆5與三個所述菱形柔性鉸鏈7間隔、均勻地分布在所述動平臺6的外周邊上。

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

在所述輸入連接杆5的輸入端形成有對稱布置的雙翼型小剛度柔性機構2，所述小剛度柔性機構2的外側與所述基座9連接。

在所述輸入連接杆5的中間兩側各設有一個凸塊3。

對應兩個所述凸塊3在所述基座9上形成有一個大剛度柔性機構4，所述大剛度柔性機構4由對稱布置在所述輸入連接杆5兩側的兩個部分組成，每個部分在靠近所述輸入連接杆5的一側形成有一個凹槽，兩個所述凸塊3一一對應地延伸至兩個所述凹槽內，在所述凹槽的內側壁與所述凸塊3的側面之間設有間隙。

在本實施例中，為了使結構緊湊，質量輕，所述動平臺6採用圓環形結構。所述小剛度柔性機構2由四個對稱布置在所述輸入連接杆5兩側的矩形柔性鉸鏈ⅰ構成，位於同側的兩個所述矩形柔性鉸鏈ⅰ平行設置。所述大剛度柔性機構4由八個對稱布置在所述輸入連接杆5兩側的矩形柔性鉸鏈ⅱ構成，位於同側的四個所述矩形柔性鉸鏈ⅱ平行設置。在所述輸入連接杆5上設有圓弧柔性鉸鏈ⅱ11，所述圓弧柔性鉸鏈ⅱ11較所述凸塊3更靠近所述動平臺6。在所述輸入連接杆5上設置兩個串聯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位於所述基座9與所述動平臺6之間的內角α為90°～120°，這種結構使得動平臺6的運動相當靈活且能夠進行大行程的運動。

本發明使用音圈電機1作為驅動器，相對於壓電陶瓷能進行更大的位移輸出，通過控制音圈電機的輸入電流能改變力和位移的輸出，從而驅動輸入連接杆5進行不同行程的動作；所述凸塊3的寬度小於大剛度柔性機構4上的凹槽的寬度，當凸塊3的前側面與凹槽的內壁有間隙時，動平臺6的運動位移能達到毫米級；音圈電機1繼續驅動輸入連接杆5向前運動，凸塊3也繼續向前運動，直到凸塊3的前側面與凹槽內壁互相接觸，凸塊3帶動大剛度柔性機構4彈性變形，此時動平臺6的整體剛度變為小剛度柔性機構2的剛度與大剛度柔性機構4的剛度之和，所以動平臺6的行程減小，精度大大增加，能達到亞納米級；凸塊3通過克服大剛度柔性機構4的彈性力，把動能傳遞到動平臺6上，動平臺6通過克服菱形柔性鉸鏈7的彈性力達到輸出位移的效果，通過控制三個音圈電機1的電流大小，控制動平臺6進行不同的軌跡輸出，既能實現沿平面兩個方向的運動，也能實現繞垂直軸的轉動，並且當三個音圈電機1的輸入電流大小一樣時，可以使動平臺6作純轉動。因此本發明既能實現大行程毫米級的位移輸出也能實現亞納米級的高精度位移輸出。

儘管上面結合附圖對本發明的優選實施例進行了描述，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，並不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的範圍的情況下，還可以做出很多形式，這些均屬於本發明的保護範圍之內。