本實用新型涉及精密驅動與控制領域，尤其涉及一種XYθ平面三自由度精密定位平臺及實現方法。

背景技術：

近年來，隨著精密機械技術的發(fā)展，尤其是微納米技術的出現，科學技術正式進入了“亞微米-納米”時代。掃描電鏡、光學儀器、精密加工等電子、光學、機械、和航天領域，迫切需要高精度、高分辨率、高速率的定位平臺；而且目前對多自由度精密定位平臺的需求更加急迫。例如，天文望遠鏡的超高分辨率和高精度轉動需要多自由度的定位平臺；精密光學儀器的加工和裝配需要多自由度的精密定位平臺；醫(yī)學手術越來越多地依賴于多自由度精密操作末端執(zhí)行機構，等等。

目前，公知的精密定位平臺主要有三種類型，第一類是機械傳動式定位平臺，例如螺旋機構、杠桿機構、楔塊凸輪機構等以及它們的組合機構。機械傳動式定位平臺最大的優(yōu)點是行程大和輸出剛度大，但是存在機械間隙和摩擦磨損等缺點，機構的運動靈敏度和定位精度難以大幅度提高；第二類是通過直線電機或超聲馬達等實現精密定位，定位精度得到一定程度的提高而且具有良好的頻率響應等優(yōu)點，但系統(tǒng)相對復雜，尤其是針對多自由度定位平臺，需要設計多個體積龐大的電氣拖動裝置；第三類是采用壓電陶瓷、磁致伸縮等智能材料來實現精密驅動與定位。

由于壓電陶瓷具有高分辨率、高剛度和出力大等優(yōu)點，廣泛應用于精密驅動與控制，但是壓電陶瓷的輸出位移極小，即使是堆疊型壓電陶瓷，其輸出位移一般也不超過自身尺寸的0.2％。因此，公知的大多數壓電陶瓷驅動的精密定位平臺均是采用壓電陶瓷和柔性鉸鏈來組成柔性機構，實現高精度的位移和力輸出。目前公知的精密定位平臺其自由度多為兩自由度，通過復雜的機構設計也能實現大于兩個自由度的位移輸出。但是輸出位移、輸出剛度以及平臺固有頻率之間總是互相約束，要實現大位移輸出必然要以損失固有頻率為代價。專利號為CN104505127的專利中利用壓電陶瓷驅動柔性位移放大機構來實現精密定位；專利號為CN104467525的專利中利用壓電陶瓷驅動橢圓放大機構來實現精密定位。然而，這些結構一般較為復雜，裝配程序多，導致裝配精度等對定位產生影響；此外，這些精密定位平臺的固有頻率一般都不高，很難實現上千赫茲的精密運動。

技術實現要素：

本實用新型的目的就在于為了解決上述問題而提供一種XYθ平面三自由度精密定位平臺及實現方法。

本實用新型通過以下技術方案來實現上述目的：

一種XYθ平面三自由度精密定位平臺，包括壓電陶瓷、復合菱形位移放大機構、橋型位移放大機構、運動平臺和固定框架，所述壓電陶瓷安裝在所述復合菱形位移放大機構內，四個所述復合菱形位移放大機構均平行設置且分別位于所述固定框架的四角，所述運動平臺位于所述固定框架的中心處，所述運動平臺的兩側面通過兩個所述橋型位移放大機構分別與位于所述運動平臺兩側的所述復合菱形位移放大機構連接。

具體地，所述復合菱形位移放大機構包括四個斜邊柔性梁、剛性上端面、剛性下端面、輸出端面和固定端面，所述輸出端面和所述固定端面對稱設置，所述剛性上端面和所述剛性下端面對稱設置，且所述輸出端面與所述固定端面的連線與所述剛性上端面與所述剛性下端面之間的連線垂直，四個所述斜邊柔性梁依次將所述剛性上端面、所述剛性下端面、所述輸出端面和所述固定端面連接并組成菱形結構，所述固定端面與所述固定框架的內側面固定連接。

優(yōu)選地，四個所述復合菱形位移放大機構分為兩組，包括第一復合菱形位移放大機構組和第二復合菱形位移放大機構組，所述第一復合菱形位移放大機構組或所述第二復合菱形位移放大機構組內的兩個所述復合菱形位移放大機構分別位于同一條直線，所述第一復合菱形位移放大機構組和所述第二復合菱形位移放大機構組對稱設置在所述運動平臺的第一側和第二側。

具體地，所述斜邊柔性梁包括多個平行設置的柔性臂，多個所述柔性臂層疊設置，且相鄰的柔性臂之間設置有間隙。

具體地，兩個所述橋型位移放大機構分別設置在所述運動平臺的第一側和第二側，所述橋型位移放大機構包括兩個柔性梁，兩個所述柔性梁的剛性輸入端分別與所述第一復合菱形位移放大機構組/第二復合菱形位移放大機構組的兩個輸出端剛性連接，兩個所述柔性梁的剛性輸出端分別與所述運動平臺的第一側面/第二側面固定連接。

具體地，所述第一復合菱形位移放大機構的兩個輸出端之間的距離大于所述運動平臺的第一側面的長度，兩個所述柔性梁均傾斜設置。

進一步，所述定位平臺還包括導向機構，四個所述導向機構均與所述第一復合菱形位移放大機構組和所述第二復合菱形位移放大機構組之間的連線垂直設置，所述導向機構的第一端與所述固定框架固定連接，四個所述導向機構的第二端分別與四個所述復合菱形位移放大機構位移放大機構的輸出端剛性連接。

優(yōu)選地，所述復合菱形位移放大機構的所述斜邊柔性梁與所述剛性上端面和所述剛性下端面的連接處、所述橋型位移放大機構的所述柔性梁與所述運動平臺的連接處均采用柔性鉸鏈連接。

具體地，所述固定框架的四角設置有固定螺紋孔，所述運動平臺上設置有試件安裝孔。

本實用新型的有益效果在于：

本實用新型一種XYθ平面三自由度精密定位平臺通過四個復合菱形位移放大機構和兩個橋型位移放大機構的組合，使該平臺具備兩個平動和一個轉動自由度，并通過兩級位移放大以及不同的驅動組合來實現三個平面自由度運動，使其結構簡單和緊湊，且輸出位移大，另外由于所述橋形位移放大機構的結構特點和設計的導向機構，整個精密定位平臺的固有頻率高而且輸出剛度大，可以實現大行程和高帶寬的高精度位移輸出。

附圖說明

圖1是本實用新型所述一種XYθ平面三自由度精密定位平臺的立體結構示意圖；

圖2是本實用新型所述一種XYθ平面三自由度精密定位平臺的俯視圖；

圖3是本實用新型所述一種XYθ平面三自由度精密定位平臺產生X方向直線運行的原理示意圖；

圖4是本實用新型所述一種XYθ平面三自由度精密定位平臺產生Y方向直線運行的原理示意圖；

圖5是本實用新型所述一種XYθ平面三自由度精密定位平臺產生轉動運行的原理示意圖。

圖中：1-壓電陶瓷，2-復合菱形位移放大機構，3-橋形位移放大機構，4-運動平臺，5-固定框架，6-固定螺紋孔，7-斜邊柔性梁，8-間隙，9-剛性輸入端，10-柔性梁，11-剛性輸出端，12-試件安裝孔，13-導向機構。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型作進一步說明：

如圖1和圖2所示，本實用新型一種XYθ平面三自由度精密定位平臺，包括壓電陶瓷1、復合菱形位移放大機構2、橋型位移放大機構3、運動平臺4和固定框架5，壓電陶瓷1安裝在復合菱形位移放大機構2內，四個復合菱形位移放大機構2均平行設置且分別位于固定框架5的四角，運動平臺4位于固定框架5的中心處，運動平臺4的兩側面通過兩個橋型位移放大機構3分別與位于運動平臺4兩側的復合菱形位移放大機構2連接。

復合菱形位移放大機構2包括四個斜邊柔性梁7、剛性上端面、剛性下端面、輸出端面和固定端面，輸出端面和固定端面對稱設置，剛性上端面和剛性下端面對稱設置，且輸出端面與固定端面的連線與剛性上端面與剛性下端面之間的連線垂直，四個斜邊柔性梁7依次將剛性上端面、剛性下端面、輸出端面和固定端面連接并組成菱形結構，固定端面與固定框架5的內側面固定連接，斜邊柔性梁7包括多個平行設置的柔性臂，多個柔性臂層疊設置，且相鄰的柔性臂之間設置有間隙8。

即復合菱形位移放大機構2為基于公知的菱形位移放大機構改進的彈性機構，其特點是在公知的菱形位移放大機構的四條斜邊厚度方向上均采用相同多個柔性臂組成疊層結構，各疊層間存在一定間隙8；壓電陶瓷1通過預緊力安裝于復合菱形位移放大機構2的內部，利用逆壓電效應產生橫向位移和力，驅動復合菱形位移放大機構2產生彎曲變形進而產生放大了的縱向輸出位移和輸出力。

四個復合菱形位移放大機構2分為兩組，包括第一復合菱形位移放大機構組和第二復合菱形位移放大機構組，第一復合菱形位移放大機構組或第二復合菱形位移放大機構組內的兩個復合菱形位移放大機構2分別位于同一條直線，第一復合菱形位移放大機構組和第二復合菱形位移放大機構組對稱設置在運動平臺4的第一側和第二側。

兩個橋型位移放大機構3分別設置在運動平臺4的第一側和第二側，橋型位移放大機構3包括兩個柔性梁10，兩個柔性梁10的剛性輸入端9分別與第一復合菱形位移放大機構組/第二復合菱形位移放大機構組的兩個輸出端剛性連接，兩個柔性梁10的剛性輸出端11分別與運動平臺4的第一側面/第二側面固定連接，第一復合菱形位移放大機構2的兩個輸出端之間的距離大于運動平臺4的第一側面的長度，兩個柔性梁10均傾斜設置。

復合菱形位移放大機構2的輸出端與橋形位移放大機構的剛性輸入端9連接，復合菱形位移放大機構2的輸出力驅動橋形位移放大機構，使橋形位移放大機構產生彎曲變形，進而產生二級輸出位移和輸出力。壓電陶瓷1與復合菱形位移放大機構組成第一級微位移放大輸出，復合菱形位移放大機構2的輸出位移又作為橋形位移放大機構的輸入。

橋形位移放大機構的兩個剛性輸入端9對稱連接第一復合菱形位移放大機構組或第二復合菱形位移放大機構組的兩個輸出端，組成一套二級彈性機構。兩個相同的二級彈性機構中的橋形位移放大機構的剛性輸出端11連接到運動平臺4形成本實用新型提出的精密定位平臺，共有四組復合菱形位移放大機構2和兩組橋形位移放大機構，可以實現兩個平面平動自由度和一個平面轉動自由度的位移輸出。

定位平臺還包括導向機構13，四個導向機構13均與第一復合菱形位移放大機構組和第二復合菱形位移放大機構組之間的連線垂直設置，導向機構13的第一端與固定框架5固定連接，四個導向機構13的第二端分別與四個復合菱形位移放大機構2位移放大機構的輸出端剛性連接，導向機構13的作用是改善本實用新型提出的精密定位平臺的低階振動模態(tài)，

復合菱形位移放大機構2的斜邊柔性梁7與剛性上端面和剛性下端面的連接處、橋型位移放大機構3的柔性梁10與運動平臺4的連接處均采用柔性鉸鏈連接，固定框架5的四角設置有固定螺紋孔6，運動平臺4上設置有試件安裝孔12。

這些柔性鉸鏈為公知的圓形柔性鉸鏈、橢圓形柔性機構、直圓形柔性鉸鏈等，且整個定位平臺由電火花切割工藝或線切割工藝一體化加工完成，無需二次裝配。

本實用新型一種XYθ平面三自由度精密定位平臺的工作原理如下：

以復合菱形位移放大機構2的輸出位移方向為X方向，以橋型位移放大機構3的輸出方向為Y方向，垂直于定位平臺的方向為Z方向，本平臺可實現三種自由度的運動。

為便于描述，將本裝置中的四個壓電陶瓷1以圖示的逆時針方向依次命名為1號壓電陶瓷、2號壓電陶瓷、3號壓電陶瓷和4號壓電陶瓷。

X方向的直線運動如圖3所示，通過施加壓電信號，驅動1號壓電陶瓷和2號壓電陶瓷按相同的運動方向伸縮運動；通過施加壓電信號，驅動3號壓電陶瓷和4號壓電陶瓷按相同的運動方向伸縮運動，且與1號、3號壓電陶瓷的伸縮運動方向相反，即可實現運動平臺4沿X方向的平動運動。

Y方向的直線運動如圖4所示，通過施加壓電信號，驅動1號壓電陶瓷和4號壓電陶瓷按相同的運動方向伸縮運動；通過施加壓電信號，驅動2號壓電陶瓷和3號壓電陶瓷按相同的運動方向伸縮運動，且與1號、2號壓電陶瓷的伸縮運動方向相反，即可實現運動平臺4沿Y方向的平動運動。

繞X軸轉動運動如圖5所示，通過施加壓電信號，驅動1號壓電陶瓷和3號壓電陶瓷按相同的運動方向伸縮運動；通過施加壓電信號，驅動2號壓電陶瓷和4號壓電陶瓷按相同的運動方向伸縮運動，且與1號、2號壓電陶瓷的伸縮運動方向相反，此時將在運動平臺4四邊緣產生力矩，即可實現運動平臺4繞Z軸方向的旋轉運動。

本實用新型的技術方案不限于上述具體實施例的限制，凡是根據本實用新型的技術方案做出的技術變形，均落入本實用新型的保護范圍之內。