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1、(10)申请公布号 CN 103727364 A (43)申请公布日 2014.04.16 CN 103727364 A (21)申请号 201410008167.2 (22)申请日 2014.01.03 F16M 11/08(2006.01) F16M 11/18(2006.01) G12B 5/00(2006.01) (71)申请人 天津大学 地址 300072 天津市南开区卫津路 92 号天 津大学 (72)发明人 蔡坤海 田延岭 张大卫 (74)专利代理机构 天津市北洋有限责任专利代 理事务所 12201 代理人 张金亭 (54) 发明名称 一种三自由度精密定位平台 (57) 摘要 本。
2、发明公开了一种三自由度精密定位平台， 包括基座和设置在其内部的动平台， 基座和动平 台通过三个沿动平台的周向均布的铰链放大机构 和三个板形柔性铰链机构连接 ； 每个铰链放大机 构的一端与基座柔性连接， 另一端和动平台柔性 连接， 中部设有一输入端， 输入端与压电陶瓷驱动 器连接 ； 每个板形柔性铰链机构包括一块弧形柔 性板和垂直固定在其上的15块径向柔性板。 本 发明能够实现两平动一转动， 结构简单紧凑 ； 利 用铰链放大机构进行位移放大和力的传递， 使得 板形柔性铰链机构发生弹性变形， 从而带动动平 台运动， 实现微纳米位移的输出， 输出位移较大， 轴向刚度较高 ； 可作为纳米微操作系统的辅。
3、助定 位平台实现微量进给和精密定位。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103727364 A CN 103727364 A 1/1 页 2 1. 一种三自由度精密定位平台， 其特征在于， 包括基座和设置在其内部的动平台， 所述 基座和所述动平台通过三个沿所述动平台的周向均布的铰链放大机构和三个板形柔性铰 链机构连接 ； 每个所述铰链放大机构的一端与所述基座柔性连接， 另一端和所述动平台柔性连接， 中部设有一输入端， 铰链放大机构的。
4、输入端通过柔性铰链和球型接头与压电陶瓷驱动器连 接， 所述压电陶瓷驱动器安装在所述基座上， 所述压电陶瓷驱动器沿所述动平台的径向设 置， 在所述压电陶瓷驱动器的输出端上固接有所述球型接头， 所述球型接头与所述柔性铰 链相切接触， 所述柔性铰链固定在所述铰链放大机构的输入端上 ； 每个所述板形柔性铰链机构包括一块弧形柔性板和垂直固定在其上的15块径向柔 性板， 所述弧形柔性板沿所述动平台的周向设置， 所述弧形柔性板的两端固定在所述基座 上， 所述径向柔性板的内端固定在所述动平台上 ； 三个所述板形柔性铰链机构和三个所述压电陶瓷驱动器间隔均布在所述动平台的周 向上。 2. 根据权利要求 1 所述的。
5、三自由度精密定位平台， 其特征在于， 所述动平台为圆盘形。 3. 根据权利要求 1 所述的三自由度精密定位平台， 其特征在于， 每块所述弧形柔性板 上固定有 2 3 块均布的所述径向柔性板。 4. 根据权利要求 1 所述的三自由度精密定位平台， 其特征在于， 在所述基座上设有定 位孔。 权 利 要 求 书 CN 103727364 A 2 1/3 页 3 一种三自由度精密定位平台 技术领域 0001 本发明属于微纳米技术领域， 具体为一种可应用于微操作系统的两平动一转动三 自由度柔性精密定位工作平台。 背景技术 0002 随着科技的发展， 在超精密加工、 微电子工程、 生物工程、 纳米技术等领。
6、域都迫切 需要亚微米级甚至纳米级的精密定位技术。最典型的应用在于纳米器件的制造生产。纳米 器件包括纳米电子器件和纳米光电器件， 可广泛应用于电子学、 光学、 微机械装置、 新型计 算机等， 是当今新材料与新器件研究领域中最富有活力的研究领域， 也是元器件小型化、 智 能化、 高集成化等的主流发展方向。 纳米器件由于具有潜在的巨大市场和国防价值， 使得其 设计和制造的方法、 途径、 工艺等成为众多科学家、 政府和大型企业研究和投资的热点。所 以大力发展精密定位技术是大势所趋， 是创新科技进步的具体体现。 0003 但是， 目前微纳米级精密定位平台主要以两自由度平动居多， 即使设计的三自由 度精密。
7、定位平台， 也具有结构复杂、 行程小、 轴向承载能力较低等缺陷， 难以满足实际应用 的需求。 发明内容 0004 本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种结构简单紧凑、 行程较大、 轴向承载能力较高的一种三自由度精密定位平台。 0005 本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是 ： 一种三自由度精 密定位平台， 包括基座和设置在其内部的动平台， 所述基座和所述动平台通过三个沿所述 动平台的周向均布的铰链放大机构和三个板形柔性铰链机构连接 ； 每个所述铰链放大机构 的一端与所述基座柔性连接， 另一端和所述动平台柔性连接， 中部设有一输入端， 铰链放大 机构的输入端通过柔性铰链。
8、和球型接头与压电陶瓷驱动器连接， 所述压电陶瓷驱动器安装 在所述基座上， 所述压电陶瓷驱动器沿所述动平台的径向设置， 在所述压电陶瓷驱动器的 输出端上固接有所述球型接头， 所述球型接头与所述柔性铰链相切接触， 所述柔性铰链固 定在所述铰链放大机构的输入端上 ； 每个所述板形柔性铰链机构包括一块弧形柔性板和垂 直固定在其上的15块径向柔性板， 所述弧形柔性板沿所述动平台的周向设置， 所述弧形 柔性板的两端固定在所述基座上， 所述径向柔性板的内端固定在所述动平台上 ； 三个所述 板形柔性铰链机构和三个所述压电陶瓷驱动器间隔均布在所述动平台的周向上。 0006 所述动平台为圆盘形。 0007 每块所。
9、述弧形柔性板上固定有 2 3 块均布的所述径向柔性板。 0008 在所述基座上设有定位孔。 0009 本发明具有的优点和积极效果是 ： 通过采用将圆盘形动平台设置在基座内部， 且 将二者通过间隔均匀设置的三个铰链放大机构和三个板形柔性铰链机构连接在一起， 并在 铰链放大机构上设置输入端的结构， 实现两平动一转动， 结构简单紧凑 ； 利用铰链放大机构 说 明 书 CN 103727364 A 3 2/3 页 4 进行位移放大和力的传递， 使得板形柔性铰链机构发生弹性变形， 从而带动动平台运动， 实 现微纳米位移的输出， 输出位移较大， 轴向刚度较高 ； 可作为纳米微操作系统的辅助定位平 台实现微。
10、量进给和精密定位。为纳米器件的制造生产提供了有效的辅助手段， 具有非常重 要的应用意义。 附图说明 0010 图 1 为本发明的主视图 ； 0011 图 2 为本发明的立体图。 0012 图中 ： 1压电陶瓷驱动器， 2球型接头， 3预紧螺栓， 4柔性铰链， 5铰链放 大机构， 6板形柔性铰链， 6-1、 弧形柔性板， 6-2、 径向柔性板， 7动平台， 8定位孔， 9 基座。 具体实施方式 0013 为能进一步了解本发明的发明内容、 特点及功效， 兹例举以下实施例， 并配合附图 详细说明如下 ： 0014 请参阅图 1 和图 2， 一种三自由度精密定位平台， 包括基座 9 和设置在其内部的动。
11、 平台 7， 所述基座和所述动平台 7 通过三个沿所述动平台的周向均布的铰链放大机构 5 和 三个板形柔性铰链机构6连接 ； 每个所述铰链放大机构5的一端与所述基座9柔性连接， 另 一端和所述动平台 7 柔性连接， 中部设有一输入端， 铰链放大机构的输入端通过柔性铰链 4 和球型接头 5 与压电陶瓷驱动器 1 连接， 所述压电陶瓷驱动器 1 安装在所述基座 9 上， 所述 压电陶瓷驱动器 1 沿所述动平台 7 的径向设置， 在所述压电陶瓷驱动器 1 的输出端上固接 有所述球型接头 2， 所述球型接头 2 与所述柔性铰链 4 相切接触， 所述柔性铰链 4 固定在所 述铰链放大机构 5 的输入端上。
12、 ； 每个所述板形柔性铰链机构 6 包括一块弧形柔性板 6-1 和 垂直固定在其上的 1 5 块径向柔性板 6-2， 所述弧形柔性板 6-1 沿所述动平台 7 的周向 设置， 所述弧形柔性板 6-1 的两端固定在所述基座 9 上， 所述径向柔性板 6-2 的内端固定在 所述动平台7上， 所述径向柔性板6-2的外端固定在弧形柔性板6-1上 ； 三个所述板形柔性 铰链机构 6 和三个所述压电陶瓷驱动器 1 间隔均布在所述动平台 7 的周向上。为了使结构 更加紧凑， 所述动平台 7 最好采用圆盘形的。由于径向柔性板 6-2 的个数与圆盘形动平台 7 的有效行程和轴向承载能力息息相关 , 径向柔性板 。
13、6-2 个数的增多将提高动平台 7 的承 载能力， 但是其有效行程会一定程度的减小 ； 而径向柔性板 6-2 个数的减少， 虽然能增大动 平台 7 的有效行程， 但是其轴向承载能力却会一定程度地降低。所以， 综合考虑动平台 7 的 有效行程和承载能力， 较优的方案为 ： 每块所述弧形柔性板6-1上固定有23块均布的所 述径向柔性板 6-2。 0015 在本实施例中， 在所述基座 9 上设有定位孔 8。在所述基座 9 上以动平台 7 的中心 为圆心的同一圆周上设置三个凹槽， 且两两夹角分别为120。 三个压电陶瓷驱动器1分别 安装在三个凹槽中， 压电陶瓷驱动器 1 设有预紧螺栓 3， 预紧螺栓 。
14、3 安装在基座 9 上， 用于 保证压电陶瓷驱动器 1 与基座 9 和铰链放大机构 5 不分离， 压电陶瓷驱动器 1 的输出端通 过螺纹连接球形接头 2， 球形接头顶在柔性铰链 4 弧形侧壁上， 二者相切， 以实现赫兹接触。 铰链放大机构 5 是根据杠杆放大原理设计的， 两端分别与基座 9 和动平台 7 实现柔性连接。 说 明 书 CN 103727364 A 4 3/3 页 5 在铰链放大机构上设计有柔性铰链4， 与连接在压电陶瓷驱动器1输出端上的球形接头2相 接触， 实现传递输入位移和力的过渡与缓冲作用。板形柔性铰链机构 6 由 4 个柔性板组成， 其中弧形柔性板 6-1 的两端与基座 9。
15、 连接， 3 块径向柔性板 6-2 的一端连接在柔性板 1 上， 另一端连接在动平台 7 上， 三个板形柔性铰链机构 6 分别布置在以动平台 7 的中心为圆心 的同一圆周上， 两两夹角为 120， 且与压电陶瓷驱动器 1 的夹角为 60。动平台 7 通过三 个铰链放大机构 5 和三个板形柔性铰链机构 6 与基座 9 实现连接， 提高了动平台 7 轴向承 载能力。 0016 本发明所实现的工作过程 ： 由计算机输出的控制电压信号， 驱使压电陶瓷驱动器 1 按照指定的运动轨迹产生伸缩运动， 经过柔性铰链 4 的过渡和缓冲， 作用在铰链放大机构 5上， 使得输入位移得到放大， 通过克服板形柔性铰链机。
16、构6的弹性力， 达到使动平台7产生 位移输出的效果。通过控制三个压电陶瓷驱动器 1 的伸长量， 可以实现动平台 7 不同位姿 的控制， 实现沿平面两个方向的平动和绕垂直轴的转动 ； 当三个压电陶瓷驱动器 1 的伸长 量相同时， 实现动平台 7 纯转动。 0017 尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述， 但是本发明并不局限于上 述的具体实施方式， 上述的具体实施方式仅仅是示意性的， 并不是限制性的， 本领域的普通 技术人员在本发明的启示下， 在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下， 还可 以做出很多形式， 这些均属于本发明的保护范围之内。 说 明 书 CN 103727364 A 5 1/1 页 6 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103727364 A 6 。