本發(fā)明涉及一種三自由度壓電驅(qū)動微納定位平臺。該定位平臺基于壓電陶瓷驅(qū)動，具有XYZ三個自由度，可實現(xiàn)三個獨立方向的平移運動，可用于掃描探針顯微鏡的掃描運動、精密光學軌跡跟蹤檢測、微納制造和裝配的空間定位。

背景技術(shù)：

微納定位技術(shù)是現(xiàn)代高新科技和現(xiàn)代工業(yè)中的一項關(guān)鍵技術(shù)，在精密制造、超精測量和微操縱等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應用。精密微納定位平臺是微納定位技術(shù)的關(guān)鍵部分，在微機械零件的裝配、生物工程、掃描探針顯微鏡、精密光學檢測等領(lǐng)域有著廣闊的應用前景和重要的研究價值。

掃描探針顯微鏡由于具有極高的分辨率、能得到實時且真實的樣品表面高分辨率圖像、使用環(huán)境寬松等優(yōu)點廣泛應用于物理、化學、生物、材料、微電子等學科。精密光學檢測綜合了激光技術(shù)、微納定位技術(shù)、計算機高速采集和控制及高分辨圖形處理技術(shù)等進行樣品微觀特征分析，應用范圍廣泛。微納制造和裝配應用于微納操控、微米/納米尺度加工以及微納零件的精密裝配等高新領(lǐng)域，是未來高技術(shù)的發(fā)展方向之一。

現(xiàn)有微納定位技術(shù)中，主要有基于并聯(lián)柔性鉸鏈導向機構(gòu)和運動解耦結(jié)構(gòu)實現(xiàn)面內(nèi)兩個自由度的運動平臺；空間三維定位的運動平臺則是基于柔性鉸鏈導向和并聯(lián)相互垂直排列的運動平臺實現(xiàn)空間三個自由度的完全解耦運動。

目前大部分精密微納運動定位平臺為壓電陶瓷驅(qū)動的柔性運動機構(gòu)，許多運動平臺采用壓電陶瓷直接驅(qū)動，但受壓電執(zhí)行器的行程范圍限制，平臺的輸出位移不能達到足夠的工作空間要求；此外所研究的微納定位平臺主要是一維或二維的平面運動平臺，不能滿足復雜情況下的多自由度工作要求。

所研究的少數(shù)三維微納平臺零部件多，且有各個零部件獨立加工，這導致裝配過程中產(chǎn)生誤差較大，經(jīng)過放大機構(gòu)進行位移放大后，定位精度明顯不能滿足要求。

微納運動定位平臺對于不同的工作環(huán)境其結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)要求不同，目前部分平臺為實現(xiàn)其功能要求遇到了結(jié)構(gòu)復雜，尺寸范圍大，分析建模困難的問題，使得其操作控制復雜。

因此，具有高精度、大行程、良好解耦性、快速定位和多自由度運動等優(yōu)點的微納定位操作平臺是當前微納精密定位技術(shù)的主要研究方向，具有重要的理論意義和工程實用價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種三自由度壓電驅(qū)動微納定位平臺。該定位平臺由壓電執(zhí)行器驅(qū)動，基于柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，采用橋式位移放大機構(gòu)，可實現(xiàn)三個自由度方向上的精密平移運動、大行程運動；運動平臺有整體結(jié)構(gòu)尺寸緊湊、無摩擦、無運動間隙等優(yōu)點。

為了達成上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種三自由度壓電驅(qū)動微納定位平臺，包括：

裝配于轉(zhuǎn)接基座內(nèi)的Z向運動平臺；

所述轉(zhuǎn)接基座被XY向運動平臺驅(qū)動；

XY向運動平臺通過X向復合橋式位移放大機構(gòu)、Y向復合橋式位移放大機構(gòu)及半圓鉸鏈支鏈解耦機構(gòu)裝配于底部基座中；

所述XY向運動平臺上分別安裝有檢查其X方向和Y方向運動的光柵尺，所述光柵尺分別與檢測X、Y方向的光柵尺讀數(shù)頭配合共同完成納米定位平臺兩個自由度運動的檢測與反饋；

所述X向復合橋式位移放大機構(gòu)和Y向復合橋式位移放大機構(gòu)中均具有壓電陶瓷驅(qū)動器以驅(qū)動XY向運動平臺運動。

優(yōu)選的，所述半圓鉸接支鏈解耦機構(gòu)包括四組半圓鉸鏈支鏈，四組半圓鉸鏈支鏈以XY向運動平臺為中心呈正方形對稱分布；每組支鏈包括四個半圓鉸鏈子支鏈并對稱分布；用于實現(xiàn)XY向運動平臺本體在X、Y兩個方向的平移解耦。

優(yōu)選的，所述X向復合橋式位移放大機構(gòu)包括兩輸入端臂和兩輸出端臂；一輸出端臂連接XY向基座，另一輸出端臂連接半圓鉸鏈支鏈結(jié)構(gòu)機構(gòu)；

一輸入端臂與壓電陶瓷驅(qū)動器接觸，另一輸入端臂留有螺紋孔，用于安裝無頭螺栓來與壓電陶瓷另一端接觸。

優(yōu)選的，所述輸入端臂和輸出端臂通過葉形鉸鏈相互連接。

優(yōu)選的，所述XY向運動平臺在X向運動時被X向?qū)驒C構(gòu)導向；

所述X向?qū)驒C構(gòu)包括兩板簧，每個板簧的一端均與XY向運動平臺的一邊連接，另一端與半圓鉸鏈支鏈結(jié)構(gòu)機構(gòu)連接。

優(yōu)選的，所述Y向復合橋式位移放大機構(gòu)包括兩輸入端臂和兩輸出端臂；一輸出端臂連接XY向基座，另一輸出端臂連接半圓鉸鏈支鏈結(jié)構(gòu)機構(gòu)；

一輸入端臂與壓電陶瓷驅(qū)動器接觸，另一輸入端臂留有螺紋孔，用于安裝無頭螺栓來與壓電陶瓷另一端接觸。

優(yōu)選的，所述輸入端臂和輸出端臂通過葉形鉸鏈相互連接。

優(yōu)選的，所述XY向運動平臺在Y向運動時被Y向?qū)驒C構(gòu)導向；

所述Y向?qū)驒C構(gòu)包括兩板簧，每個板簧的一端均與XY向運動平臺的一邊連接，另一端與半圓鉸鏈支鏈結(jié)構(gòu)機構(gòu)連接。

優(yōu)選的，所述Z向運動平臺的左右兩側(cè)分別通過折彎板簧導向機構(gòu)與轉(zhuǎn)接基座連接，下側(cè)通過Z向緊湊橋式位移放大機構(gòu)與轉(zhuǎn)接基座連接；

所述Z向緊湊橋式位移放大機構(gòu)包括兩輸入端臂、兩輸出端臂和四個對稱分布的板簧橋臂；一輸出端臂連接轉(zhuǎn)接基座，另一輸出端臂連接Z向運動平臺；

一輸入端臂與壓電陶瓷驅(qū)動器接觸，另一輸入端臂留有螺紋孔，用于安裝無頭螺栓來與壓電陶瓷另一端接觸。

優(yōu)選的，所述Z向運動平臺上安裝有Z軸光柵尺，底部基座上具有與所述Z軸光柵尺相對應的Z軸光柵尺讀數(shù)頭，使得三個光柵尺配合三個讀數(shù)頭實現(xiàn)XYZ方向上的動態(tài)反饋。

本發(fā)明的有益效果是：

1、采用XY并聯(lián)運動平臺與Z向運動平臺串聯(lián)，使得整體結(jié)構(gòu)尺寸緊湊，便于加工和裝配。

2、基于半圓柔性鉸鏈的彈性變形，所產(chǎn)生的鉸鏈轉(zhuǎn)角變化及執(zhí)行器末端工作空間均很微小，可以有效消除并聯(lián)機構(gòu)固有的非線性等缺點。

3、XY并聯(lián)運動平臺中采用復合橋式位移放大機構(gòu)，使平臺具有大的行程范圍，并且運動穩(wěn)定性好。

4、XY并聯(lián)運動平臺中采用創(chuàng)新性的運動解耦結(jié)構(gòu)，使平臺運動耦合誤差更小，且其固有頻率高，輸出運動穩(wěn)定性能好。

5、Z向運動平臺中采用緊湊橋式位移放大機構(gòu)，使平臺輸出位移大，結(jié)構(gòu)尺寸緊湊。

6、本發(fā)明設(shè)計平臺可實現(xiàn)三個自由度的平移運動，且運動精度高、響應速度快，可實現(xiàn)三維掃描運動、空間定位、空間軌跡跟蹤等功能。

7、運動部件整體采用對稱布置，減小了結(jié)構(gòu)不對稱造成的運動交叉耦合。

8、整個系統(tǒng)部件相配合成功實現(xiàn)了較大行程的三自由度立體運動，具有納米級的定位精度，并保持了較高的固有頻率和可靠性。平臺各結(jié)構(gòu)部分采用6061鋁-T2材料，經(jīng)過線切割一體化技術(shù)加工完成，避免其他工序引入造成的誤差損失，并可成功用于高真空狀態(tài)，滿足系統(tǒng)對于高精度定位和跟蹤功能的要求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中XY向運動平臺的裝配示意圖；

圖2為本發(fā)明中Z向運動平臺的裝配示意圖；

圖3為本發(fā)明中XY向運動平臺和Z向運動平臺的裝配體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明中復合橋式位移放大機構(gòu)的局部放大圖；

圖5為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：1、下部基座，2、螺紋孔，3、半圓鉸鏈支鏈解耦機構(gòu)，301、半圓鉸鏈子支鏈，302、半圓鉸鏈，4、XY向運動平臺，5、導向機構(gòu)，501、導向板簧，6、復合橋式位移放大結(jié)構(gòu)，601、葉形鉸鏈，602、螺紋孔，7、轉(zhuǎn)接基座，8、Z向運動平臺，9、折彎板簧導向機構(gòu)，901、左側(cè)折彎板簧導向機構(gòu)，902、右側(cè)折彎板簧導向機構(gòu)，10、緊湊橋式位移放大機構(gòu)，101、板簧橋臂，102、螺紋孔，11、壓電陶瓷支撐板，12、下部基座安裝螺紋孔，13、Z軸光柵尺安裝孔，14、Z軸光柵尺讀數(shù)頭支撐板安裝孔，15、X軸光柵尺讀數(shù)頭支撐板安裝孔，16、螺紋孔，17、Z軸光柵讀數(shù)頭，18、Z軸光柵尺讀數(shù)頭支撐板，19、Z軸光柵尺，20、Y軸光柵尺支撐板，21、Y軸光柵尺，22、Y軸光柵尺讀數(shù)頭支撐板，23、Y軸光柵尺讀數(shù)頭。

具體實施方式

以下結(jié)合實施例及其附圖，對本發(fā)明技術(shù)方案做進一步詳細說明：

一種三自由度壓電驅(qū)動微納定位平臺，其結(jié)構(gòu)如圖1-5所示：

包括兩自由度并聯(lián)運動平臺和單自由度運動平臺串聯(lián)，需要三個疊堆壓電陶瓷驅(qū)動器。

所述兩自由度并聯(lián)運動平臺，包括下部基座1、XY向運動平臺4、兩個復合橋式位移放大機構(gòu)6、四組半圓鉸鏈支鏈解耦機構(gòu)3、四組導向機構(gòu)5。

所述下部基座1，其中兩相鄰側(cè)壁連接各連接一個復合橋式位移放大機構(gòu)6，下部基座1另外兩相鄰側(cè)壁連接兩個半圓鉸鏈支鏈解耦機構(gòu)3。XY向運動平臺4呈正方形，每邊分別與導向機構(gòu)5連接，即有X方向由左右兩組導向機構(gòu)5導向，Y方向亦然。

所述X和Y向復合橋式位移放大機構(gòu)6中，每個復合橋式位移放大機構(gòu)6均包括兩輸入端臂、兩輸出端臂、八個葉形鉸鏈601對稱分布。

其中一個輸出端臂連接下部基座1，另一個連接半圓鉸鏈支鏈解耦機構(gòu)3。一輸入端臂與壓電陶瓷接觸，另一輸入端臂留有螺紋孔602，來安裝無頭螺栓與壓電陶瓷接觸。

四組半圓鉸鏈支鏈解耦機構(gòu)3呈正方形對稱分布，每個半圓鉸鏈支鏈解耦機構(gòu)3均包括兩個半圓鉸鏈子支鏈301并對稱分布，每個半圓鉸鏈子支鏈301由兩個半圓鉸鏈302構(gòu)成。

所述導向機構(gòu)5，每兩個導向板簧501為一組，對稱分布在XY向運動平臺4的四周。一端連接XY向運動平臺4的一面，另一端連接解耦結(jié)構(gòu)半圓鉸鏈支鏈解耦機構(gòu)3。

所述單自由度運動平臺，包括轉(zhuǎn)接基座7、一個Z向運動平臺8和折彎板簧導向機構(gòu)9和緊湊橋式位移放大機構(gòu)10。折彎板簧導向機構(gòu)9包括左側(cè)折彎板簧導向機構(gòu)901、右側(cè)折彎板簧導向機構(gòu)902。

所述轉(zhuǎn)接基座7通過四個螺栓與兩自由度并聯(lián)運動平臺的XY向運動平臺4緊固連接(即螺栓將螺紋孔2和螺紋孔16裝配)，緊湊橋式位移放大機構(gòu)10與壓電陶瓷連接。

所述Z向運動平臺8呈方形，其一側(cè)與緊湊橋式位移放大機構(gòu)10連接，其兩側(cè)對稱側(cè)壁分別與左側(cè)折彎板簧導向機構(gòu)901、右側(cè)折彎板簧導向機構(gòu)902連接。兩導向機構(gòu)在Z向運動平臺8的兩側(cè)對稱分布，任一導向機構(gòu)的兩端分別與轉(zhuǎn)接基座7和Z向運動平臺8連接。

所述緊湊橋式位移放大機構(gòu)10，包括兩輸入端臂、兩輸出端臂和四個板簧橋臂101。四個板簧橋臂101對稱分布，下輸出端臂連接基座7，上輸出端臂連接Z向運動平臺8。其中，輸入端臂與壓電陶瓷驅(qū)動器接觸，一輸入端留有螺紋孔102，來安裝無頭螺栓與壓電陶瓷驅(qū)動器接觸。

壓電陶瓷支撐板11起給壓電陶瓷傳感器支撐作用。

本發(fā)明所提供的定位平臺，可實現(xiàn)三個獨立自由度的平移運動，進行空間位置快速精確定位。本發(fā)明可用于掃描探針顯微鏡的運動承載部分，實現(xiàn)需要的三維運動掃描；用于精密光學檢測中樣品承載運動部分，實現(xiàn)所需空間精確運動定位；用于微納制造與裝配中，承載部件運動部分，實現(xiàn)制造或裝配所需空間軌跡跟蹤與定位。

本發(fā)明三自由度精密微納定位平臺的工作原理與過程：

如圖1所示，只驅(qū)動XY并聯(lián)二維微納定位平臺一個方向上的壓電陶瓷驅(qū)動器，以Y方向運動為例，X方向具有相同的運動過程。壓電陶瓷驅(qū)動器兩端施加電壓，電壓增大，壓電陶瓷驅(qū)動器伸長，推動復合橋式位移放大機構(gòu)6，兩輸入端臂向左右兩方向移動，使各橋臂上葉形鉸鏈601發(fā)生彈性彎曲和拉伸變形。兩輸出端臂，一端與下部基座1連接固定，另一端輸出向下運動，并拉動連接的半圓鉸鏈支鏈解耦機構(gòu)3半圓鉸鏈支鏈向下運動，使半圓鉸鏈302發(fā)生彎曲彈性變形。

半圓鉸鏈支鏈解耦機構(gòu)3運動通過導向機構(gòu)5連接XY向運動平臺4，使XY向運動平臺4產(chǎn)生向下位移。XY向運動平臺4連接其左右兩邊的導向機構(gòu)5，其運動使導向機構(gòu)5的導向板簧501發(fā)生彈性彎曲變形，由于導向機構(gòu)對稱設(shè)置，使XY向運動平臺4幾乎沒有耦合和寄生旋轉(zhuǎn)運動，從而，XY向運動平臺4輸出Y方向的運動。

電壓減小，壓電陶瓷輸出位移減小，復合橋式位移放大機構(gòu)6中葉形鉸鏈601、半圓鉸鏈支鏈解耦機構(gòu)3中的半圓鉸鏈302、導向機構(gòu)5中的導向板簧501的彈性變形恢復，使XY向運動平臺4輸出位移減小。

同理，同時驅(qū)動XY并聯(lián)二維微納定位平臺兩個方向上的壓電陶瓷。壓電陶瓷兩端施加電壓，電壓增大/減小，壓電陶瓷驅(qū)動器伸長/縮短，復合橋式位移放大機構(gòu)6輸出端輸出位移，拉動半圓鉸鏈支鏈解耦機構(gòu)3運動。半圓鉸鏈支鏈解耦機構(gòu)3中半圓鉸鏈302的軸向拉伸/壓縮剛度遠遠大于其彎曲剛度，使得兩個方向上的運動幾乎不產(chǎn)生干擾。導向機構(gòu)5中的導向板簧501彎曲變形，進行運動導向。XY向運動平臺4進行平面內(nèi)的任意平動。

同理，只驅(qū)動Z向一維微納運動平臺，壓電陶瓷驅(qū)動器兩端施加電壓，電壓增大/減小，壓電陶瓷驅(qū)動器伸長/縮短，推動緊湊橋式位移放大結(jié)構(gòu)10，兩輸入端向左右兩方向移動，使各板簧橋臂101發(fā)生彈性彎曲和拉伸變形。輸出端拉著Z向運動平臺8向下移動，使連接于Z向運動平臺8的左側(cè)折彎板簧導向機構(gòu)901和右側(cè)折彎板簧導向機構(gòu)902產(chǎn)生彈性彎曲變形。由于兩導向機構(gòu)在Z向運動平臺8的兩端對稱分布，使Z向運動平臺8沒有耦合和寄生旋轉(zhuǎn)運動。

同時驅(qū)動三自由度微納定位平臺中三個壓電陶瓷驅(qū)動器，壓電陶瓷驅(qū)動器兩端施加電壓，電壓增大/減小，壓電陶瓷驅(qū)動器伸長/縮短，通過位移放大機構(gòu)、解耦結(jié)構(gòu)與導向機構(gòu)，Z向運動平臺8可輸出三個方向上的平移運動，實現(xiàn)行程范圍內(nèi)空間任意位置的運動定位。

如圖5所示，在XY二自由度動平臺內(nèi)安裝有跟隨XY軸平面運動的光柵尺，例如，在X軸方向上，用于檢測Y軸運動的Y軸光柵尺21，Y軸光柵尺21安裝在Y軸光柵尺支撐板20上，Y軸光柵尺支撐板20則通過安裝孔固定在XY向運動平臺4上，Y軸光柵尺讀數(shù)頭23則通過Y軸光柵尺讀數(shù)頭支撐板22安裝在下部基座1上，來與Y軸光柵尺21適配。Y軸方向上，具有相同的讀數(shù)裝置及結(jié)構(gòu)。例如，在下部基座1上具有X軸光柵尺讀數(shù)頭支撐板安裝孔15，這樣就可以檢測到XY平面內(nèi)的任意位移。

同理，檢測Z軸方向運動的Z軸光柵尺19則安裝在Z向運動平臺8(即Z軸光柵尺安裝孔13內(nèi))上，Z軸光柵尺讀數(shù)頭17則通過Z軸光柵尺讀數(shù)頭支撐板18安裝在Z軸光柵尺讀數(shù)頭支撐板安裝孔14內(nèi)，可以檢測Z方向的位移。三個光柵尺相互配合可以實現(xiàn)微納定位平臺X、Y、Z方向運動的檢測與反饋。

根據(jù)不同的情況，可以將本裝置利用下部基座安裝螺紋孔12安裝于需要的地方。

需要補充說明的是，上述描述結(jié)構(gòu)的“上下”、“左右”等方位詞是根據(jù)實施例附圖所示或習慣而言的，是為了敘述方便，不代表該安裝位置的唯一性和必須性。

對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)，未予以詳細說明和局部放大呈現(xiàn)的部分，為現(xiàn)有技術(shù)，在此不進行贅述。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和特點相一致的最寬的范圍。