五自由度精密定位平台.pdf

一种五自由度精密定位平台，采用压电驱动器驱动，其特征在于该平台由基体及其底部的第一支座和第二支座构成，该基体包含第一动平台、第二动平台和第三动平台，其中第一动平台实现x方向平动，第二动平台实现y方向平动，第三动平台实现z轴转动，第一支座和第二支座单独伸长，通过伸长量的同异带动基体实现z方向平移和一维转动，所述的第三动平台分别通过第一转动副柔性铰链和第二转动副柔性铰链与底部的第一支座和第二支座连接。本发明五自由度精密定位平台，可以实现纳米级的定位精度，而且具有易于加工、结构紧凑、体积小、位移分辨率高、频率响应快和控制简单的特点。

1、  一种五自由度精密定位平台，采用压电驱动器驱动，其特征在于该平台由基体(4)及其底部的第一支座(5)和第二支座(6)构成，该基体(4)包含第一动平台(1)、第二动平台(2)和第三动平台(3)，其中第一动平台(1)实现x方向平动，第二动平台(2)实现y方向平动，第三动平台(3)实现z轴转动，第一支座(5)和第二支座(6)单独伸长，通过伸长量的同异带动基体(4)实现z方向平移和一维转动，所述的第三动平台(3)分别通过第一转动副柔性铰链(7)和第二转动副柔性铰链(8)与底部的第一支座(5)和第二支座(6)连接。

2、  根据权利要求1所述的五自由度精密定位平台，其特征在于第三动平台(3)与基体(4)通过四块L形的弹性平板(3-1、3-2、3-3、3-4)连接，第三动平台(3)与基体(4)之间安放第三、第四压电陶瓷驱动器(9-3、9-4)，该两个驱动器(9-3、9-4)两端分别与第三动平台(3)和基体(4)的端面接触。

3、  根据权利要求1所述的五自由度精密定位平台，其特征在于第二动平台(2)与第三动平台(3)通过四块弹性板(2-1、2-2、2-3、2-4)连接，弹性板(2-1、2-2、2-3、2-4)与第三动平台(3)和第二动平台(2)构成一组双层弹性平行板式移动导向机构，第三动平台(3)与第二动平台(2)之间安放第二压电陶瓷驱动器(9-2)，该驱动器(9-2)两端分别与第三动平台(3)和第二动平台(2)的端面接触。

4、  根据权利要求1所述的五自由度精密定位平台，其特征在于第二动平台(2)与第一动平台(1)通过四块弹性板(1-1、1-2、1-3、1-4)连接，弹性板(1-1、1-2、1-3、1-4)与第二动平台(2)和第一动平台(1)构成一组双层弹性平行板式移动导向机构，第二动平台(2)与第一动平台(1)之间安放第一压电陶瓷驱动器(9-1)，该驱动器(9-1)两端分别与第二动平台(2)和第一动平台(1)的端面接触。

5、  根据权利要求1所述的五自由度精密定位平台，其特征在于所述的第一支座(5)和第二支座(6)的结构相同，它由四边(5-1、5-2、5-3、5-4)八杆(5-5、5-6、5-7、5-8、5-9、5-10、5-11、5-12)及其连接处的转动副柔性铰链组成平行四边形双连杆导向机构。

6、  根据权利要求1所述的五自由度精密定位平台，其特征在于所述的第一支座(5)和第二支座(6)的结构相同，为四边(5-1、5-2、5-3、5-4)四杆(5-5、5-6、5-7、5-8)及其连接处的转动副柔性铰链组成平行四边形单连杆导向机构。

7、  根据权利要求5或6所述的五自由度精密定位平台，其特征在于所述的第一支座(5)和第二支座(6)可以通过改变连杆夹角a和长度l实现输出输入放大比。

8、  根据权利要求1至7任一项所述的五自由度精密定位平台，其特征在于所述的第一支座(5)和第二支座(6)置于第一动平台(1)之上，在第一支座(5)和第二支座(6)之上放置支撑平台(10)，该支撑平台(10)具有五自由度运动。

五自由度精密定位平台
技术领域
本发明涉及纳米级控制及定位技术，特别是一种一体化结构形式的五自由度精密定位平台，可以实现纳米级的定位精度。
背景技术
在纳米技术的研究工作中，纳米级控制及定位技术被认为是纳米技术的核心之一，为纳米技术在各个领域的应用提供技术基础。纳米级微定位技术在光学工程、生物工程、医学工程、微型机电系统、超精密加工及测量等方面都有着广泛的应用。国内现有的纳米定位机构多为三个自由度以下，当需要多个自由度时，多采用模块组合的方式实现，结构比较大，而且存在累积误差，定位精度不高，动态性能较差。采用柔性铰链形式的并联式结构，不仅加工和装配不便，难以实现柔性机构一体化加工的思想，而且控制过程复杂。此外并联机构通常采用驱动器内置位移传感器的方法将所测量值作为输入量的根据，由于加工和装配误差及变形等因素，根据此输入量解得出的理论上的输出量与实际量有较大的误差，同样影响到定位精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种五自由度精密定位平台，其特点应是易于加工，结构紧凑，体积小，位移分辨率高，频率响应快，控制简单。
本发明的技术解决方案如下：
一种五自由度精密定位平台，采用压电驱动器驱动，其特征在于该平台由基体及其底部的第一支座和第二支座构成，该基体包含第一动平台、第二动平台和第三动平台，其中第一动平台实现x方向平动，第二动平台实现y方向平动，第三动平台实现z轴转动，第一支座和第二支座单独伸长，通过伸长量的同异带动基体实现z方向平移和一维转动，所述的第三动平台分别通过第一转动副柔性铰链和第二转动副柔性铰链与底部的第一支座和第二支座连接。
所述的第三动平台与基体通过四块L形的弹性平板连接，第三动平台与基体之间安放第三、第四压电陶瓷驱动器，该两个驱动器两端分别与第三动平台和基体的端面接触。
所述的第二动平台与第三动平台通过四块弹性板连接，该弹性板与第三动平台和第二动平台构成一组双层弹性平行板式移动导向机构，第三动平台与第二动平台之间安放第二压电陶瓷驱动器，该驱动器两端分别与第三动平台和第二动平台的端面接触。
所述的第二动平台与第一动平台通过四块弹性板连接，该弹性板与第二动平台和第一动平台构成一组双层弹性平行板式移动导向机构，第二动平台与第一动平台之间安放第一压电陶瓷驱动器，该驱动器两端分别与第二动平台和第一动平台的端面接触。
所述的第一支座和第二支座的结构相同，它由四边八杆及其连接处的转动副柔性铰链组成平行四边形双连杆导向机构。
所述的第一支座和第二支座的结构相同，为四边四杆及其连接处的转动副柔性铰链组成平行四边形单连杆导向机构。
所述的第一支座和第二支座可以通过改变连杆夹角a和长度l实现输出输入放大比。
所述的第一支座和第二支座置于第一动平台之上，在第一支座和第二支座之上放置支撑平台，该支撑平台具有五自由度运动。
本发明的技术效果，经实验测试表明：本发明五自由度精密定位平台，可以实现纳米级的定位精度，而且具有易于加工、结构紧凑、体积小、位移分辨率高、频率响应快和控制简单的特点。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图
图2是本发明基体结构示意图
图3是本发明支座结构示意图
图4是本发明支座可以采用的单连杆导向机构示意图
图5是本发明支座置于动平台之上的结构示意图
图6是柔性八杆四边平行四边形导向机构原理示意图
具体实施方式
先请参阅图1和图2，图1是本发明第一实施例整体结构示意图，图2是本发明基体结构示意图，由图可见，本发明五自由度精密定位平台，采用压电驱动器驱动，该平台由基体4及其底部的第一支座5和第二支座6构成，该基体4包含第一动平台1、第二动平台2和第三动平台3，其中第一动平台1实现x方向平动，第二动平台2实现y方向平动，第三动平台3实现z轴转动，第一支座5和第二支座6单独伸长，通过伸长量的同异带动基体4实现z方向平移和一维转动，所述的第三动平台3分别通过第一转动副柔性铰链7和第二转动副柔性铰链8与底部的第一支座5和第二支座6连接。
所述的第三动平台3与基体4通过四块L形的弹性平板3-1、3-2、3-3、3-4连接，第三动平台3与基体4之间安放第三、第四压电陶瓷驱动器9-3、9-4，该两个驱动器9-3、9-4两端分别与第三动平台3和基体4的端面接触。
所述的第二动平台2与第三动平台3通过四块弹性板2-1、2-2、2-3、2-4连接，弹性板2-1、2-2、2-3、2-4与第三动平台3和第二动平台2构成一组双层弹性平行板式移动导向机构，第三动平台3与第二动平台2之间安放第二压电陶瓷驱动器9-2，该驱动器9-2两端分别与第三动平台3和第二动平台2的端面接触。
所述的第二动平台2与第一动平台1通过四块弹性板1-1、1-2、1-3、1-4连接，弹性板1-1、1-2、1-3、1-4与第二动平台2和第一动平台1构成一组双层弹性平行板式移动导向机构，第二动平台2与第一动平台1之间安放第一压电陶瓷驱动器9-1，该驱动器9-1两端分别与第二动平台2和第一动平台1的端面接触。
所述的第一支座5和第二支座6的结构相同，如图3所示，它由四边5-1、5-2、5-3、5-4八杆5-5、5-6、5-7、5-8、5-9、5-10、5-11、5-12及其连接处的转动副柔性铰链组成平行四边形双连杆导向机构。
所述的第一支座5和第二支座6的结构相同，可具有如图4所示的结构，即由四边5-1、5-2、5-3、5-4四杆5-5、5-6、5-7、5-8及其连接处的转动副柔性铰链组成平行四边形单连杆导向机构。
所述的第一支座5和第二支座6可以通过改变连杆夹角a和长度l实现输出输入放大比。
本发明第二实施例如图5所示，所述的第一支座5和第二支座6置于第一动平台1之上，在第一支座5和第二支座6之上放置支撑平台10，该支撑平台10具有五自由度运动。
如图3所示，所述的第一支座5和第二支座6的结构相同，如图3所示，它由四边5-1、5-2、5-3、5-4八杆5-5、5-6、5-7、5-8、5-9、5-10、5-11、5-12及其连接处的转动副柔性铰链组成平行四边形双连杆导向机构。
图6是图3所示的平行四边形双连杆导向机构的简图，连杆5-2固定不动，侧向连杆5-3、5-4在5-13内部压电驱动器的作用下向两侧运动，通过5-4、5-5、5-6、5-7、5-8、5-9、5-10、5-11、5-12构成的平行四边形导向结构带动连杆5-1做上下平动。当两侧支座5、6运动位移量相同时，带动上层基体4做平动，位移量不等时，绕转动副柔性铰链7、8产生转动。如图6所示，通过选择图示连杆夹角a及连杆长l，可以对输出输入位移量比值进行放大，此外，如图4所示，支座5、6的八杆机构构成也可以采用单连杆导向地形式。如图5所示，支座5、6也可以置于第一动平台之上，此时支撑平台10连接在支座5、6之上，由各导向机构运动实现平台10的五维运动。
经实验测试表明：本发明五自由度精密定位平台，可以实现纳米级的定位精度，而且具有易于加工、结构紧凑、体积小、位移分辨率高、频率响应快和控制简单的特点。