CN103104793B - 一体式六自由度精密定位平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体式六自由度精密定位平台，包括基座、下平台组件、中间平台组件和上平台组件，本发明采用压电陶瓷制动器使下平台组件实现沿坐标系X和Y方向的直线移动，中间平台组件实现沿坐标系Z方向的直线移动和绕与X轴平行的轴和与Y轴平行轴的旋转摆动，上平台组件实现绕Z轴的转动；能够实现在六个自由度上的精确控制定位，且中间平台组件和下平台组件设计为对称结构，有效消除了轴间位移耦合，同时，该传动平台能实现一体加工，用压电陶瓷驱动器驱动，具备无摩擦、无耦合、高精度、大行程、高分辨率等优点，能够满足纳米科学技术研究中复杂的加工和操作要求。

Description

一体式六自由度精密定位平台

技术领域

本发明涉及一种柔性精密传动平台，特别涉及一种一体式六自由度精密定位工作台。

背景技术

随着微电子技术、微纳米技术、宇航工程、精密工程、生物工程等学科的迅速发展，制造领域己经进入了“亚微米-纳米”时代。随着微纳米技术的兴起和迅猛发展，在众多科技领域如精密机械制造、仪器仪表、光学、材料科学等都迫切需要高定位精度、高分辨率的精密定位技术。纳米级微动工作台为从事纳米科学技术研究提供一维、二维和多维的纳米级运动，是纳米科学技术研究必备的关键仪器设备。

现有技术中，用于纳米级加工的平台有Stewart平台、磁悬浮工作台和压电工作台，前两者虽然可满足大行程的要求，却难以达到纳米级精度要求，同时，也存在结构复杂、加工困难、不易控制等缺点，而基于压电陶瓷驱动压电平台具有精度高、结构紧凑、响应速度快等优点，但现阶段的压电平台基本都局限于四个自由度以下，运动自由度有限，没有能够实现大的旋转摆动以及沿水平面旋转的平台，且其行程都较小，其移动量及运动的能力均难以满足复杂加工和操作的要求。

因此，为了解决上述问题，需要一种高精度、高刚度、易于控制、具备大行程、多自由度的定位平台，以满足纳米科学技术研究中复杂的加工和操作要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种一体式六自由度精密定位平台，该平台能够在六个自由度上进行精确控制定位，具有高精度、高刚度、大行程、大摆动等特点，能够满足纳米科学技术研究中复杂的加工和操作要求。

本发明的一体式六自由度精密定位平台，包括基座、下平台组件、中间平台组件和上平台组件，以基座上表面一点为原点、以该平面为XY平面建立空间直角坐标系X-Y-Z；

所述下平台组件包括中心设于Z轴的下平台和平行于基座上表面设置并连接于基座与下平台的用于驱动下平台沿X向和Y向平移的至少两个平移驱动装置；所述平移驱动装置包括平移位移放大机构和平移压电陶瓷驱动器；所述平移位移放大机构为由八个刚性连杆首尾依次铰接形成的平面八连杆机构；所述平移压电陶瓷驱动器的两个工作端分别与平移位移放大机构中的两根小位移刚性连杆Ⅰ固定连接；平移位移放大机构中的一根大位移刚性连杆Ⅰ固定于基座，另一根大位移刚性连杆Ⅰ通过平行、等长的两个连接体Ⅰ铰接于下平台形成平面四摇杆机构；

所述中间平台组件包括中心设于Z轴的中间平台和垂直于下平台所在平面设置并连接于下平台与中间平台的用于驱动中间平台沿Z向升降和绕与X轴平行的轴和与Y轴平行的轴转动的至少四个升降驱动装置；所述升降驱动装置包括升降位移放大机构和升降压电陶瓷驱动器；所述升降位移放大机构为由八个刚性连杆首尾依次铰接形成的平面八连杆机构；所述升降压电陶瓷驱动器的两个工作端分别与升降位移放大机构中的两根小位移刚性连杆Ⅱ固定连接；升降位移放大机构中的一根大位移刚性连杆Ⅱ固定于下平台，另一根大位移刚性连杆Ⅱ通过一个连接体Ⅱ铰接于中间平台；

所述上平台组件包括中心设于Z轴的上平台和平行于中间平台所在平面设置并连接于中间平台与上平台的用于驱动上平台绕Z轴旋转的至少两个旋转驱动装置；所述旋转驱动装置包括旋转位移放大机构和旋转压电陶瓷驱动器；所述旋转位移放大机构为由八个刚性连杆首尾依次铰接形成的平面八连杆机构；所述旋转压电陶瓷驱动器的两个工作端分别与旋转位移放大机构中的两根小位移刚性连杆Ⅲ固定连接；旋转位移放大机构中的一根大位移刚性连杆Ⅲ固定于中间平台，另一根大位移刚性连杆Ⅲ通过一个偏心连接体铰接于上平台。

进一步，所述连接体Ⅰ、连接体Ⅱ和偏心连接体均为直梁型柔性铰链；

进一步，各连接体Ⅰ长度相等；各连接体Ⅱ长度相等；各偏心连接体长度相等；

进一步，所述平移驱动装置为绕Z轴周向排列并沿X向和Y向十字分布的四个；所述升降驱动装置为绕Z轴周向排列并沿X向和Y向十字分布的四个，所述旋转驱动装置为绕Z轴周向均匀排列的两个；

进一步，所述平移位移放大机构、升降位移放大机构、旋转位移放大机构、连接体Ⅰ、连接体Ⅱ、偏心连接体、下平台、中间平台和上平台一体成型。

本发明的有益效果是：本发明的一体式六自由度精密定位平台，利用压电陶瓷的逆向压电效应实现了上平台沿坐标系的X、Y和Z方向线性平移及绕与X轴平行的轴、与Y轴平行的轴和Z轴旋转的六自由度联动精密定位，并通过位移放大机构增加行程，使上平台具有大行程、大摆动、多自由度、易于控制等优点；下平台组件上设计的对称结构，也有效消除了轴间位移耦合，同时，各构件之间通过柔性铰链的铰接，完全实现了平台的无间隙、无摩擦传动，有效提高了平台的传动精度；另外压电陶瓷驱动器的位移分辨率高、响应速度快，使本发明的微纳传动平台也具备高精度、高分辨率、高频响等优点，能满足纳米科学技术研究中复杂的加工和操作要求。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明除去上平台的俯视图。

具体实施方式

图1为本发明的结构示意图，图2为本发明除去上平台的俯视图，如图所示：本实施例的一体式六自由度精密定位平台，包括基座1、下平台组件、中间平台组件和上平台组件，以基座1上表面一点为原点、以该平面为XY平面建立空间直角坐标系X-Y-Z；如图1所示，基座1为正方形板，空间直角坐标系X-Y-Z以基座1上表面中点为原点，X轴和Y轴平行于基座1的任一组临边，基座1、下平台组件、中间平台组件和上平台组件自下至上依次连接；

所述下平台组件包括中心设于Z轴的下平台2和平行于基座1上表面设置并连接于基座1与下平台2的用于驱动下平台2沿X向和Y向平移的至少两个平移驱动装置3；所述平移驱动装置3包括平移位移放大机构11a和平移压电陶瓷驱动器12a；所述平移位移放大机构11a为由八个刚性连杆首尾依次铰接形成的平面八连杆机构；所述平移压电陶瓷驱动器12a的两个工作端分别与平移位移放大机构11a中的两根小位移刚性连杆Ⅰ13a固定连接；平移位移放大机构11a中的一根大位移刚性连杆Ⅰ14a固定于基座1，另一根大位移刚性连杆Ⅰ14a通过平行、等长的两个连接体Ⅰ4铰接于下平台2形成平面四摇杆机构；平面四摇杆机构不仅可有效驱动下平台2移动，还能对下平台2进行限位使之平动而不发生旋转，保证控制精度；各平移驱动装置3配合输出相应位移量能够实现驱动下平台2沿X向和Y向平移；小位移刚性连杆Ⅰ13a是指平移位移放大机构11a运动时，所有活动杆中位移变化最小的两根，大位移刚性连杆Ⅰ14a是指平移位移放大机构11a运动时，所有活动杆中位移变化最大的两根；

所述中间平台组件包括中心设于Z轴的中间平台5和垂直于下平台2所在平面设置并连接于下平台2与中间平台5的用于驱动中间平台5沿Z向升降和绕与X轴平行的轴和与Y轴平行的轴转动的至少四个升降驱动装置6；所述升降驱动装置6包括升降位移放大机构11b和升降压电陶瓷驱动器12b；所述升降位移放大机构11b为由八个刚性连杆首尾依次铰接形成的平面八连杆机构；所述升降压电陶瓷驱动器12b的两个工作端分别与升降位移放大机构11b中的两根小位移刚性连杆Ⅱ13b固定连接；升降位移放大机构11b中的一根大位移刚性连杆Ⅱ14b固定于下平台2，另一根大位移刚性连杆Ⅱ14b通过一个连接体Ⅱ7铰接于中间平台5，小位移刚性连杆Ⅱ13b是指升降位移放大机构11b运动时，所有活动杆中位移变化最小的两根，大位移刚性连杆Ⅱ14b是指升降位移放大机构11b运动时，所有活动杆中位移变化最大的两根，各升降驱动装置6配合输出相应位移量时可实现驱动中心平台沿Z轴升降及绕绕与X轴平行的轴和与Y轴平行的轴转动；

所述上平台组件包括中心设于Z轴的上平台8和平行于中间平台5所在平面设置并连接于中间平台5与上平台8的用于驱动上平台8绕Z轴旋转的至少两个旋转驱动装置9；所述旋转驱动装置9包括旋转位移放大机构11c和旋转压电陶瓷驱动器12c；所述旋转位移放大机构11c为由八个刚性连杆首尾依次铰接形成的平面八连杆机构；所述旋转压电陶瓷驱动器12c的两个工作端分别与旋转位移放大机构11c中的两根小位移刚性连杆Ⅲ13c固定连接；旋转位移放大机构11c中的一根大位移刚性连杆Ⅲ14c固定于中间平台5，另一根大位移刚性连杆Ⅲ14c通过一个偏心连接体10铰接于上平台8；小位移刚性连杆Ⅲ13c是指旋转位移放大机构11c运动时，所有活动杆中位移变化最小的两根，大位移刚性连杆Ⅲ14c是指旋转位移放大机构11c运动时，所有活动杆中位移变化最大的两根；偏心连接体10是指该连接体的延长线与上平台8轴线不相交，各偏心连接体10不共线设置，使各旋转驱动装置9配合输出相应位移时能够驱动上平台8绕Z轴旋转；

本实施例中的平面八连杆机构均由八个刚性连杆首尾依次铰接形成的长方形环状，该平面八连杆运动时，位于长向两端的两根刚性连杆位移变化幅度小于宽向两侧的两根刚性连杆，因此位于长向两端的两根刚性连杆位移变化最小；位于宽向两侧的两根刚性连杆位移变化最大；另外四根刚性连杆与位移变化最小和最大的共四根刚性连杆通过连接体Ⅲ相间隔的铰接成环，且铰接于位移变化最小的刚性连杆的连接体Ⅲ沿平面八连杆机构所在平面靠外侧设置；铰接于位移变化最大的刚性连杆的连接体Ⅲ沿平面八连杆机构所在平面靠内侧设置；可有效避免平面八连杆机构产生运动冲突。

本实施例中，所述连接体Ⅰ4、连接体Ⅱ7、连接体Ⅲ和偏心连接体10均为直梁型柔性铰链，避免使用普通铰接方式，有效避免了传统铰接方式的间隙、摩擦等因素导致的传动误差，实现了平台传动的无间隙、无摩擦，有效提高了传动平台的精度。

本实施例中，各连接体Ⅰ4长度相等；各连接体Ⅱ7长度相等；各偏心连接体10长度相等，使各平移驱动装置3驱动力臂相等；各升降驱动装置6的驱动力臂相等；各旋转驱动装置9的驱动力臂相等，因此可将各平移驱动装置3、升降驱动装置6和旋转驱动装置9分别设置为相同结构参数的铰链、位移放大机构11和相同型号的压电陶瓷驱动器12，便于加工制造及输出位移的控制。

本实施例中，所述平移驱动装置3为绕Z轴周向排列并沿X向和Y向十字分布的四个；所述升降驱动装置6为绕Z轴周向排列并沿X向和Y向十字分布的四个，所述旋转驱动装置9为绕Z轴周向均匀排列的两个；中间平台组件和下平台组件为对称结构，有效消除了轴间位移耦合；当沿X向布置的平移驱动装置3不输出位移，沿Y向布置的平移驱动装置3输出等大反向的位移或只有一方输出位移，则实现下平台2、中间平台5和上平台8沿Y向的线性运动，通过控制压电陶瓷驱动器12伸长和缩短，可使整个平台在Y向做往返运动，同样的可以实现整个平台在X方向的往返运动；当四个升降驱动装置6输出相等的位移时，则共同驱动中间平台5及上平台8沿Z方向作线性运动;当一组相对设置的升降驱动装置6不输出位移，另外一组相对设置的升降驱动装置6输出大小相等方向相反的位移时，中间平台5和上平台8绕与X轴平行的轴或与Y轴平行的轴旋转，通过控制压电陶瓷驱动器12伸长和缩短，即可使中间平台5和上平台8往复摆动旋转；当旋转驱动装置9输出相应位移时能够驱动上平台8绕Z轴旋转，通过控制压电陶瓷驱动器12的伸长和缩短可以实现上平台8绕Z轴的往返摆动；当旋转驱动装置9中只有一个工作时，可以实现上平台8在单驱动下的绕与Z轴平行的某轴往返摆动，由此可见，本发明的六自由度一体式柔性精密定位平台可实现沿X、Y、Z轴的大移动、绕X、Y轴的大摆动以及绕Z轴的大转动6个自由度的传动。

本实施例中，所述平移位移放大机构11a、升降位移放大机构11b、旋转位移放大机构11c、连接体Ⅰ4、连接体Ⅱ7、偏心连接体10、下平台2、中间平台5和上平台8一体成型，即由整块材料经线切割、钻、铣或利用金属粉末快速成型等工艺加工而成，结构紧凑、无间隙、无摩擦，可有效提高传动平台的精度。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种一体式六自由度精密定位平台，其特征在于：包括基座（1）、下平台组件、中间平台组件和上平台组件，以基座（1）上表面一点为原点、以该平面为XY平面建立空间直角坐标系X-Y-Z；

所述下平台组件包括中心设于Z轴的下平台（2）和平行于基座（1）上表面设置并连接于基座（1）与下平台（2）的用于驱动下平台（2）沿X向和Y向平移的至少两个平移驱动装置（3）；所述平移驱动装置（3）包括平移位移放大机构（11a）和平移压电陶瓷驱动器（12a）；所述平移位移放大机构（11a）为由八个刚性连杆首尾依次铰接形成的平面八连杆机构；所述平移压电陶瓷驱动器（12a）的两个工作端分别与平移位移放大机构（11a）中的两根小位移刚性连杆Ⅰ（13a）固定连接；平移位移放大机构（11a）中的一根大位移刚性连杆Ⅰ（14a）固定于基座（1），另一根大位移刚性连杆Ⅰ（14a）通过平行、等长的两个连接体Ⅰ（4）铰接于下平台（2）形成平面四摇杆机构；

所述中间平台组件包括中心设于Z轴的中间平台（5）和垂直于下平台（2）所在平面设置并连接于下平台（2）与中间平台（5）的用于驱动中间平台（5）沿Z向升降和绕与X轴平行的轴和与Y轴平行的轴转动的至少四个升降驱动装置（6）；所述升降驱动装置（6）包括升降位移放大机构（11b）和升降压电陶瓷驱动器（12b）；所述升降位移放大机构（11b）为由八个刚性连杆首尾依次铰接形成的平面八连杆机构；所述升降压电陶瓷驱动器（12b）的两个工作端分别与升降位移放大机构（11b）中的两根小位移刚性连杆Ⅱ（13b）固定连接；升降位移放大机构（11b）中的一根大位移刚性连杆Ⅱ（14b）固定于下平台（2），另一根大位移刚性连杆Ⅱ（14b）通过一个连接体Ⅱ（7）铰接于中间平台（5）；

所述上平台组件包括中心设于Z轴的上平台（8）和平行于中间平台（5）所在平面设置并连接于中间平台（5）与上平台（8）的用于驱动上平台（8）绕Z轴旋转的至少两个旋转驱动装置（9）；所述旋转驱动装置（9）包括旋转位移放大机构（11c）和旋转压电陶瓷驱动器（12c）；所述旋转位移放大机构（11c）为由八个刚性连杆首尾依次铰接形成的平面八连杆机构；所述旋转压电陶瓷驱 动器（12c）的两个工作端分别与旋转位移放大机构（11c）中的两根小位移刚性连杆Ⅲ（13c）固定连接；旋转位移放大机构（11c）中的一根大位移刚性连杆Ⅲ（14c）固定于中间平台（5），另一根大位移刚性连杆Ⅲ（14c）通过一个偏心连接体（10）铰接于上平台（8）。

2.根据权利要求1所述的一体式六自由度精密定位平台，其特征在于：所述连接体Ⅰ（4）、连接体Ⅱ（7）和偏心连接体（10）均为直梁型柔性铰链。

3.根据权利要求2所述的一体式六自由度精密定位平台，其特征在于：各连接体Ⅰ（4）长度相等；各连接体Ⅱ（7）长度相等；各偏心连接体（10）长度相等。

4.根据权利要求3所述的一体式六自由度精密定位平台，其特征在于：所述平移驱动装置（3）为绕Z轴周向排列并沿X向和Y向十字分布的四个；所述升降驱动装置（6）为绕Z轴周向排列并沿X向和Y向十字分布的四个，所述旋转驱动装置（9）为绕Z轴周向均匀排列的两个。

5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的一体式六自由度精密定位平台，其特征在于：所述平移位移放大机构（11a）、升降位移放大机构（11b）、旋转位移放大机构（11c）、连接体Ⅰ（4）、连接体Ⅱ（7）、偏心连接体（10）、下平台（2）、中间平台（5）和上平台（8）一体成型。