本發(fā)明涉及微納米技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種XYZ三自由度精密定位裝置。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，納米技術(shù)的不斷提高，為了追求好品質(zhì)的生活質(zhì)量，許多領(lǐng)域?qū)ξ⒓{米級(jí)定位平臺(tái)提出更高的要求。如超精密加工制造業(yè)，3D打印、生物細(xì)胞工程，芯片光刻機(jī)及引線縫合機(jī)等對(duì)微納平臺(tái)都有較高的精度及維度要求。

基于三級(jí)差動(dòng)杠桿放大原理設(shè)計(jì)一種具有毫米級(jí)行程、納米級(jí)精度的柔性機(jī)械位移放大器，目前的三維平臺(tái)有以下缺點(diǎn)；XYZ三個(gè)方向存在運(yùn)動(dòng)耦合、尤其在高速高加速的情況下，Z軸方向擺動(dòng)現(xiàn)象明顯，結(jié)構(gòu)復(fù)雜裝配難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述缺陷，本發(fā)明的目的在于提出一種三自由度柔性鉸鏈位移放大器，擴(kuò)大了原有的操作空間，更加適應(yīng)現(xiàn)實(shí)中微納操作檢測(cè)等需求。滿足實(shí)際中高精度、大行程、高帶寬及多自由度的目的。

為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種XYZ三自由度精密定位裝置，包括XY運(yùn)動(dòng)基座和Z軸運(yùn)動(dòng)模塊，所述Z軸運(yùn)動(dòng)模塊安裝于所述XY運(yùn)動(dòng)基座；

所述XY運(yùn)動(dòng)基座包括基板，所述基板上設(shè)有位移裝置和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，所述位移裝置設(shè)有兩組，所述位移裝置分別位于X軸和Y軸；所述位移裝置為設(shè)有壓電陶瓷E的柔性機(jī)構(gòu)；

所述位移裝置包括左杠桿、右杠桿、輸入端安裝塊和輸出端安裝塊；所述基板開(kāi)設(shè)有第一容納槽，所述位移裝置安裝于所述第一容納槽，所述左杠桿和右杠桿的下端通過(guò)鉸鏈鉸接于所述第一容納槽的下槽壁，所述左杠桿的右側(cè)下部和右杠桿的左側(cè)下部均用過(guò)鉸鏈鉸接有輸入端安裝塊；所述左杠桿的右側(cè)上部和右杠桿的左側(cè)上部均通過(guò)直梁型柔性鉸鏈鉸接有所述輸出端安裝塊；所述輸出端安裝塊通過(guò)直梁型柔性鉸鏈與所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)安裝。

進(jìn)一步地，所述基板開(kāi)設(shè)有第二容納槽，所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)置于所述第二容納槽，所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的四個(gè)側(cè)面通過(guò)直梁型柔性鉸鏈分別與輸入端安裝塊和設(shè)置于所述第二容納槽槽壁的解耦固定塊連接；

所述第二容納槽的左側(cè)和后側(cè)分別設(shè)有安裝了位移裝置的第一容納槽，所述第二容納槽的前槽壁和右槽壁分別設(shè)有所述解耦固定塊。

較佳地，所述解耦固定塊包括固定塊和直梁型柔性鉸鏈，所述固定塊兩側(cè)通過(guò)直梁型柔性鉸鏈安裝于所述固定塊兩側(cè)對(duì)應(yīng)的第二容納槽兩內(nèi)側(cè)的側(cè)壁。

進(jìn)一步地，所述輸出端安裝塊上部分和下部分分別位于所述第二容納槽和第一容納槽，所述輸出端安裝塊的上部分兩側(cè)通過(guò)直梁型柔性鉸鏈安裝于所述輸出端安裝塊兩側(cè)對(duì)應(yīng)的第二容納槽兩內(nèi)側(cè)的側(cè)壁。

較佳地，所述Z軸運(yùn)動(dòng)模塊包括底座和豎向安裝于所述底座的并列放大裝置，所述并列放大裝置至少設(shè)有兩組，兩組所述并列放大裝置的中心軸相交，呈十字形設(shè)置；

所述并列放大裝置包括一級(jí)放大機(jī)構(gòu)和二級(jí)放大機(jī)構(gòu)，所述一級(jí)放大機(jī)構(gòu)包括左邊第一杠桿和右邊第一杠桿，所述左邊第一杠桿和右邊第一杠桿之間設(shè)有空位；所述左邊第一杠桿的右側(cè)底面通過(guò)倒圓角直梁型鉸鏈鉸接于所述底座，所述右邊第一杠桿的左側(cè)底面通過(guò)倒圓角直梁型鉸鏈鉸接于所述底座；

所述一級(jí)放大機(jī)構(gòu)還包括左側(cè)第一位移傳導(dǎo)桿和右側(cè)第一位移傳導(dǎo)桿，所述左側(cè)第一位移傳導(dǎo)桿下端通過(guò)鉸鏈鉸接于所述左邊第一杠桿的上表面右邊，所述右側(cè)第一位移傳導(dǎo)桿下端通過(guò)鉸鏈鉸接于所述右邊第一杠桿的上表面左邊；

所述一級(jí)放大機(jī)構(gòu)還包括輸入平臺(tái)，所述輸入平臺(tái)呈長(zhǎng)方體狀，所述左側(cè)第一位移傳導(dǎo)桿和右側(cè)第一位移傳導(dǎo)桿的上端分別通過(guò)鉸鏈鉸接于所述輸入平臺(tái)底面的左邊和右邊；

所述底板設(shè)有所述壓電陶瓷，所述壓電陶瓷端部抵緊于所述輸入平臺(tái)下表面。

進(jìn)一步地，所述二級(jí)放大機(jī)構(gòu)包括左側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿和右側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿，所述二級(jí)放大機(jī)構(gòu)還包括左立柱和右立柱；

所述左側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿下端通過(guò)鉸鏈鉸接于所述左邊第一杠桿上表面左邊，所述右側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿的下端通過(guò)鉸鏈鉸接于所述右邊第一杠桿上表面右邊；

所述二級(jí)放大機(jī)構(gòu)還包括左邊第二杠桿和右邊第二杠桿，所述左邊第二杠桿和右邊第二杠桿均呈水平狀設(shè)置；所述左邊第二杠桿的左端面通過(guò)倒圓角直梁型鉸鏈鉸接于所述左立柱，所述左側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿的上端通過(guò)倒圓角直梁型鉸鏈鉸接于所述左邊第二杠桿底面的左邊；所述右邊第二杠桿的右端面通過(guò)鉸鏈鉸接于所述右立柱，所述右側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿的上端通過(guò)鉸鏈鉸接于所述右邊第二杠桿的右邊；

所述左邊第二杠桿的上表面的右邊設(shè)有輸出端支鏈，所述右邊第二杠桿的上表面左邊設(shè)有輸出端支鏈，所述輸出端的底面左邊和右邊分別鉸接于左邊和右邊的輸出端支鏈。

較佳地，兩組左立柱和兩組右立柱頂端通過(guò)橫向連接柱相互支撐，所述橫向連接柱相互連接成框狀。

較佳地，所述鉸鏈為圓弧形柔性鉸鏈，所述第二鉸鏈為倒圓角直梁型鉸鏈

位移裝置采用了放大結(jié)構(gòu)，即將壓電陶瓷微小的位移量放大成較大的位移量，從而使運(yùn)動(dòng)方向具有更大的行程；而軸運(yùn)動(dòng)模塊設(shè)置在運(yùn)動(dòng)基座，即構(gòu)成三自由度精密定位，從而能夠同時(shí)滿足多自由度大行程的定位要求；使用解耦固定塊和直梁型柔性鉸鏈兩個(gè)結(jié)構(gòu)，即可解決運(yùn)動(dòng)基座在運(yùn)動(dòng)是存在的輸入耦合現(xiàn)象，從而提高運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的傳遞精度；通過(guò)直梁型柔性鉸鏈和直梁型柔性鉸鏈縱橫連接，即可使運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)時(shí)有足夠的自由度不構(gòu)成耦合，通過(guò)固定塊來(lái)連接足夠多直梁型柔性鉸鏈，同時(shí)保證相互連接的直梁型柔性鉸鏈有足夠的強(qiáng)度；使用兩組對(duì)稱式放大結(jié)構(gòu)，并將放大式結(jié)構(gòu)呈十字形設(shè)置，從而使裝置的結(jié)構(gòu)更緊湊，穩(wěn)定性更好，整體剛性更大，并基本消除耦合誤差；圓弧型柔性鉸鏈有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，并且不存在機(jī)械摩擦，還具有運(yùn)動(dòng)靈敏度高和無(wú)間隙的優(yōu)點(diǎn)，適合緊密微動(dòng)調(diào)整，鉸鏈?zhǔn)褂脠A弧型柔性鉸鏈更便于傳動(dòng)；直梁型柔性鉸鏈的運(yùn)動(dòng)精度較高，但運(yùn)動(dòng)行程受到很大的限制，只能實(shí)現(xiàn)微小幅度的轉(zhuǎn)動(dòng)。最普通的形式是繞一個(gè)軸彈性彎曲，且這種彈性變形是可逆的，不施加作用力時(shí)，圓弧形柔性鉸鏈能夠迅速?gòu)?fù)位。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的XY運(yùn)動(dòng)基座結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的Z軸運(yùn)動(dòng)模塊剖視圖；

圖4是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的并列放大裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的軸運(yùn)動(dòng)模塊偽剛體模型圖。

其中：XY運(yùn)動(dòng)基座100、基板110、第一容納槽120、第二容納槽130、解耦固定塊140、Z軸運(yùn)動(dòng)模塊200、底座210、位移裝置300、左杠桿310、右杠桿320、輸入端安裝塊330、輸出端安裝塊340、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)400、并列放大裝置500、一級(jí)放大機(jī)構(gòu)510、左邊第一杠桿511、右邊第一杠桿512、左側(cè)第一位移傳導(dǎo)桿513、右側(cè)第一位移傳導(dǎo)桿514、輸入平臺(tái)515、二級(jí)放大機(jī)構(gòu)520、左側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿521、右側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿522、左邊第二杠桿523、右邊第二杠桿524、左立柱530、右立柱540、鉸鏈A、直梁型柔性鉸鏈B、倒圓角直梁型鉸鏈C、輸出端支鏈D、壓電陶瓷E。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并通過(guò)具體實(shí)施方式來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。

如圖1-5所示，一種XYZ三自由度精密定位裝置，包括XY運(yùn)動(dòng)基座100和Z軸運(yùn)動(dòng)模塊200，所述Z軸運(yùn)動(dòng)模塊200安裝于所述XY運(yùn)動(dòng)基座100；

所述XY運(yùn)動(dòng)基座100包括基板110，所述基板110上設(shè)有位移裝置300和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)400，所述位移裝置300設(shè)有兩組，所述位移裝置300分別位于X軸和Y軸；所述位移裝置300為設(shè)有壓電陶瓷E的柔性機(jī)構(gòu)；

所述位移裝置300包括左杠桿310、右杠桿320、輸入端安裝塊330和輸出端安裝塊340；所述基板110開(kāi)設(shè)有第一容納槽120，所述位移裝置300安裝于所述第一容納槽120，所述左杠桿310和右杠桿320的下端通過(guò)鉸鏈A鉸接于所述第一容納槽120的下槽壁，所述左杠桿310的右側(cè)下部和右杠桿320的左側(cè)下部均用過(guò)鉸鏈A鉸接有輸入端安裝塊330；所述左杠桿310的右側(cè)上部和右杠桿320的左側(cè)上部均通過(guò)直梁型柔性鉸鏈B鉸接有所述輸出端安裝塊340；所述輸出端安裝塊340通過(guò)直梁型柔性鉸鏈B與所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)400安裝。

XY運(yùn)動(dòng)基座100通過(guò)基板將位移裝置300集成化設(shè)置，使裝置整體性更佳，并且相對(duì)而言在傳遞中不容易產(chǎn)生形變，從而能夠提升位移傳遞的精度，位移裝置300采用了放大結(jié)構(gòu)，即將壓電陶瓷E微小的位移量放大成較大的位移量，從而使XY運(yùn)動(dòng)方向具有更大的行程；而Z軸運(yùn)動(dòng)模塊200設(shè)置在XY運(yùn)動(dòng)基座100，即構(gòu)成三自由度精密定位，從而能夠同時(shí)滿足多自由度大行程的定位要求。

其中，所述基板110開(kāi)設(shè)有第二容納槽130，所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)400設(shè)置于所述第二容納槽130，所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)400的四個(gè)側(cè)面通過(guò)直梁型柔性鉸鏈B分別與輸入端安裝塊330和設(shè)置于所述第二容納槽130槽壁的解耦固定塊140連接；

所述第二容納槽130的左側(cè)和后側(cè)分別設(shè)有安裝了位移裝置300的第一容納槽120，所述第二容納槽130的前槽壁和右槽壁分別設(shè)有所述解耦固定塊140。

運(yùn)動(dòng)平臺(tái)400的周圍均通過(guò)直梁型柔性鉸鏈B與輸入端安裝塊330和設(shè)置于所述第二容納槽130槽壁的解耦固定塊140連接，即一端輸入位移時(shí)，另外兩端也會(huì)受到影響從而發(fā)生位移，使用解耦固定塊140和直梁型柔性鉸鏈B兩個(gè)結(jié)構(gòu)，即可解決XY運(yùn)動(dòng)基座100在運(yùn)動(dòng)是存在的輸入耦合現(xiàn)象，從而提高運(yùn)動(dòng)平臺(tái)400的傳遞精度。

此外，所述解耦固定塊140包括固定塊和直梁型柔性鉸鏈B，所述固定塊兩側(cè)通過(guò)直梁型柔性鉸鏈B安裝于所述固定塊140兩側(cè)對(duì)應(yīng)的第二容納槽130兩內(nèi)側(cè)的側(cè)壁。

由于解耦固定塊140有較高的靈活度，這里最簡(jiǎn)單的方式是通過(guò)直梁型柔性鉸鏈B和直梁型柔性鉸鏈B縱橫連接，即可使運(yùn)動(dòng)平臺(tái)400在運(yùn)動(dòng)時(shí)有足夠的自由度不構(gòu)成耦合，通過(guò)固定塊來(lái)連接足夠多直梁型柔性鉸鏈B，同時(shí)保證相互連接的直梁型柔性鉸鏈B有足夠的強(qiáng)度。

其中，所述輸出端安裝塊340上部分和下部分分別位于所述第二容納槽130和第一容納槽120，所述輸出端安裝塊340的上部分兩側(cè)通過(guò)直梁型柔性鉸鏈B安裝于所述輸出端安裝塊340兩側(cè)對(duì)應(yīng)的第二容納槽130兩內(nèi)側(cè)的側(cè)壁。

采用這種結(jié)構(gòu)使裝置使運(yùn)動(dòng)平臺(tái)400四個(gè)端面都具有較高的自由度，進(jìn)而使運(yùn)動(dòng)平臺(tái)400的四個(gè)端面都具有解耦的功能，從而在X軸或Y軸只移動(dòng)一個(gè)的情況下，其他三個(gè)端面也不會(huì)構(gòu)成耦合，保證了位移傳遞的精準(zhǔn)性。

此外，所述Z軸運(yùn)動(dòng)模塊200包括底座210和豎向安裝于所述底座210的并列放大裝置500，所述并列放大裝置500至少設(shè)有兩組，兩組所述并列放大裝置500的中心軸相交，呈十字形設(shè)置；

所述并列放大裝置500包括一級(jí)放大機(jī)構(gòu)510和二級(jí)放大機(jī)構(gòu)520，所述一級(jí)放大機(jī)構(gòu)510包括左邊第一杠桿511和右邊第一杠桿512，所述左邊第一杠桿511和右邊第一杠桿512之間設(shè)有空位；所述左邊第一杠桿511的右側(cè)底面通過(guò)倒圓角直梁型鉸鏈C鉸接于所述底座210，所述右邊第一杠桿512的左側(cè)底面通過(guò)倒圓角直梁型鉸鏈C鉸接于所述底座210；

所述一級(jí)放大機(jī)構(gòu)510還包括左側(cè)第一位移傳導(dǎo)桿513和右側(cè)第一位移傳導(dǎo)桿514，所述左側(cè)第一位移傳導(dǎo)桿513下端通過(guò)鉸鏈鉸接于所述左邊第一杠桿511的上表面右邊，所述右側(cè)第一位移傳導(dǎo)桿514下端通過(guò)鉸鏈鉸接于所述右邊第一杠桿512的上表面左邊；

所述一級(jí)放大機(jī)構(gòu)還包括輸入平臺(tái)515，所述輸入平臺(tái)515呈長(zhǎng)方體狀，所述左側(cè)第一位移傳導(dǎo)桿513和右側(cè)第一位移傳導(dǎo)桿514的上端分別通過(guò)鉸鏈A鉸接于所述輸入平臺(tái)515底面的左邊和右邊；

所述底板設(shè)有所述壓電陶瓷E，所述壓電陶瓷E端部抵緊于所述輸入平臺(tái)515下表面。

一級(jí)放大機(jī)構(gòu)直接發(fā)放大了壓電陶瓷E的位移量，而壓電陶瓷E的位移將輸入平臺(tái)515頂起，從而輸入平臺(tái)515帶動(dòng)左側(cè)第一位移傳導(dǎo)桿513和右側(cè)第一位移傳導(dǎo)桿514，進(jìn)而左邊第一杠桿511和右邊第一杠桿512將位移量進(jìn)行了放大；隨后左邊第一杠桿511和右邊第一杠桿512帶動(dòng)左側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿521和右側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿522；使用兩組對(duì)稱式放大結(jié)構(gòu)，并將放大式結(jié)構(gòu)呈十字形設(shè)置，從而使裝置的結(jié)構(gòu)更緊湊，穩(wěn)定性更好，整體剛性更大，并基本消除耦合誤差。

作為對(duì)上述技術(shù)的補(bǔ)充，所述二級(jí)放大機(jī)構(gòu)520包括左側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿521和右側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿522，所述二級(jí)放大機(jī)構(gòu)520還包括左立柱530和右立柱540；

所述左側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿521下端通過(guò)鉸鏈鉸接于所述左邊第一杠桿511上表面左邊，所述右側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿522的下端通過(guò)鉸鏈A鉸接于所述右邊第一杠桿512上表面右邊；

所述二級(jí)放大機(jī)構(gòu)520還包括左邊第二杠桿523和右邊第二杠桿524，所述左邊第二杠桿523和右邊第二杠桿524均呈水平狀設(shè)置；所述左邊第二杠桿523的左端面通過(guò)倒圓角直梁型鉸鏈C鉸接于所述左立柱530，所述左側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿521的上端通過(guò)倒圓角直梁型鉸鏈C鉸接于所述左邊第二杠桿523底面的左邊；所述右邊第二杠桿524的右端面通過(guò)鉸鏈A鉸接于所述右立柱540，所述右側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿522的上端通過(guò)鉸鏈A鉸接于所述右邊第二杠桿524的右邊；

所述左邊第二杠桿523的上表面的右邊設(shè)有輸出端支鏈D，所述右邊第二杠桿524的上表面左邊設(shè)有輸出端支鏈D，所述輸出端的底面左邊和右邊分別鉸接于左邊和右邊的輸出端支鏈D。

左側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿521和右側(cè)第二位移傳導(dǎo)桿522帶動(dòng)左邊第二杠桿523和右邊第二杠桿524，左邊第二杠桿523和右邊第二杠桿524再一次將位移量放大后，傳遞到輸出端；一級(jí)放大機(jī)構(gòu)加上二級(jí)放大機(jī)構(gòu)，構(gòu)成二級(jí)對(duì)稱放大結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)更緊湊，整體剛性更大，并基本消除耦合誤差，更加適應(yīng)現(xiàn)實(shí)中的需求。滿足實(shí)際中高速高精密運(yùn)動(dòng)的目的。

此外，兩組左立柱530和兩組右立柱540頂端通過(guò)橫向連接柱相互支撐，所述橫向連接柱相互連接成框狀。

框狀結(jié)構(gòu)使裝置的結(jié)構(gòu)更緊湊，進(jìn)而使裝置的外部支撐結(jié)構(gòu)更可靠，位移傳遞中，盡可能的避免左立柱530和右立柱540產(chǎn)生形變，使位移量能夠精確的傳遞到輸出端。

此外，所述鉸鏈A為圓弧形柔性鉸鏈，所述第二鉸鏈B為倒圓角直梁型鉸鏈。

圓弧型柔性鉸鏈有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，并且不存在機(jī)械摩擦，還具有運(yùn)動(dòng)靈敏度高和無(wú)間隙的優(yōu)點(diǎn)，適合緊密微動(dòng)調(diào)整，鉸鏈A使用圓弧型柔性鉸鏈更便于傳動(dòng)；直梁型柔性鉸鏈的運(yùn)動(dòng)精度較高，但運(yùn)動(dòng)行程受到很大的限制，只能實(shí)現(xiàn)微小幅度的轉(zhuǎn)動(dòng)。最普通的形式是繞一個(gè)軸彈性彎曲，且這種彈性變形是可逆的，不施加作用力時(shí)，圓弧形柔性鉸鏈能夠迅速?gòu)?fù)位。

以上結(jié)合具體實(shí)施例描述了本發(fā)明的技術(shù)原理。這些描述只是為了解釋本發(fā)明的原理，而不能以任何方式解釋為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制?；诖颂幍慕忉?，本領(lǐng)域的技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性的勞動(dòng)即可聯(lián)想到本發(fā)明的其它具體實(shí)施方式，這些方式都將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。