一种可变刚度的三自由度定位平台的制作方法

本发明涉及微纳米定位技术，特别是一种可变刚度的三自由度定位平台。

背景技术：

随着微纳技术的进一步发展，其地位在精密加工测量、医疗机械、航天材料加工、纳米技术中日益显著，微定位技术在其中必不可少，微定位平台广泛应用于微机械、检测、光学、微电子系统制造等领域中。高精度，大行程，高带宽是对微定位平台的评价指标，然而现有的技术中，高精度和大行程往往很难两者兼顾，一般而言，能达到纳米级精度的微定位系统行程只有十几微米，而行程上百微米的微定位系统其精度很难达到纳米级。对于具有微进给的系统如纳米压印、微铣削、纳米刻划、扫描探针系统等，其系统的刀具或者探针通常是经过大行程的快速进给然后是小行程高精度的准确进给才能与工件或样品接触，为了实现这个目的，开发人员通常采用大行程低精度的位移台结合小行程高精度的位移台的办法，使整体机构变得复杂而庞大，增加了成本。

技术实现要素：

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种可变刚度的三自由度定位平台，该平台行程大，精度高，结构简单紧凑，成本低。

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：一种可变刚度的三自由度定位平台，包括基座和形成在其中的动平台，所述动平台与所述基座通过三个沿周向均布的菱形柔性铰链相连；所述动平台具有三个沿周向均布的输入连接杆，三个所述输入连接杆与三个所述菱形柔性铰链间隔、均匀地分布在所述动平台的外周边上；所述输入连接杆的一端与所述动平台通过圆弧柔性铰链ⅰ连接，另一端作为输入端，与音圈电机的输出端接触，所述音圈电机安置在基座的凹槽内，所述输入连接杆的中心线既不通过所述动平台的中心也不与所述动平台的外周边相切；在所述输入连接杆的输入端形成有对称布置的双翼型小刚度柔性机构，所述小刚度柔性机构的外侧与所述基座连接；在所述输入连接杆的中间两侧各设有一个凸块；对应两个所述凸块在所述基座上形成有一个大刚度柔性机构，所述大刚度柔性机构由对称布置在所述输入连接杆两侧的两个部分组成，每个部分在靠近所述输入连接杆的一侧形成有一个凹槽，两个所述凸块一一对应地延伸至两个所述凹槽内，在所述凹槽的内侧壁与所述凸块的侧面之间设有间隙。

所述动平台采用圆环形结构。

所述小刚度柔性机构由四个对称布置在所述输入连接杆两侧的矩形柔性铰链ⅰ构成，位于同侧的两个所述矩形柔性铰链ⅰ平行设置。

所述大刚度柔性机构由八个对称布置在所述输入连接杆两侧的矩形柔性铰链ⅱ构成，位于同侧的四个所述矩形柔性铰链ⅱ平行设置。

在所述输入连接杆上设有圆弧柔性铰链ⅱ，所述圆弧柔性铰链ⅱ较所述凸块更靠近所述动平台。

所述菱形柔性铰链由四块矩形柔性铰链ⅲ组成，所述菱形柔性铰链位于所述基座与所述动平台之间的内角为90°～120°。

本发明具有的优点和积极效果是：通过驱动三个均布的输入连接杆，能够使动平台实现两平动一转动的三自由度运动；音圈电机在初始位移中推动输入连接杆通过小刚度柔性机构和菱形柔性铰链，使动平台实现快速大行程毫米级的运动，当位于输入连接杆上的凸块通过凹槽带动大刚度柔性机构时，机构的整体刚度增大，行程减小，使动平台实现亚纳米级的精确定位。综上所述，本发明既能实现行程大，精度高，应用于需要毫米级的定位系统，也能应用于亚纳米级的定位系统，以及如进给系统这样需要变运动精度的场合，应用前景非常广阔。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为图2的i部放大图。

图中：1-音圈电机，2-小刚度柔性机构，3-凸块，4-大刚度柔性机构，5-输入连接杆，6-动平台，7-菱形柔性铰链，8-定位孔，9-基座，10-圆弧柔性铰链ⅰ，11-圆弧柔性铰链ⅱ。

具体实施方式

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：

请参阅图1～图3，一种可变刚度的三自由度定位平台，包括基座9和形成在其中的动平台6，所述动平台6与所述基座9通过三个沿周向均布的菱形柔性铰链7相连。

所述动平台6具有三个沿周向均布的输入连接杆5，输入连接杆5为传递动能的机构，三个所述输入连接杆5与三个所述菱形柔性铰链7间隔、均匀地分布在所述动平台6的外周边上。

所述输入连接杆5的一端与所述动平台6通过圆弧柔性铰链ⅰ10连接，另一端作为输入端，与音圈电机1的输出端接触，所述音圈电机1安置在基座9的凹槽内，所述输入连接杆5的中心线既不通过所述动平台6的中心也不与所述动平台6的外周边相切。

在所述输入连接杆5的输入端形成有对称布置的双翼型小刚度柔性机构2，所述小刚度柔性机构2的外侧与所述基座9连接。

在所述输入连接杆5的中间两侧各设有一个凸块3。

对应两个所述凸块3在所述基座9上形成有一个大刚度柔性机构4，所述大刚度柔性机构4由对称布置在所述输入连接杆5两侧的两个部分组成，每个部分在靠近所述输入连接杆5的一侧形成有一个凹槽，两个所述凸块3一一对应地延伸至两个所述凹槽内，在所述凹槽的内侧壁与所述凸块3的侧面之间设有间隙。

在本实施例中，为了使结构紧凑，质量轻，所述动平台6采用圆环形结构。所述小刚度柔性机构2由四个对称布置在所述输入连接杆5两侧的矩形柔性铰链ⅰ构成，位于同侧的两个所述矩形柔性铰链ⅰ平行设置。所述大刚度柔性机构4由八个对称布置在所述输入连接杆5两侧的矩形柔性铰链ⅱ构成，位于同侧的四个所述矩形柔性铰链ⅱ平行设置。在所述输入连接杆5上设有圆弧柔性铰链ⅱ11，所述圆弧柔性铰链ⅱ11较所述凸块3更靠近所述动平台6。在所述输入连接杆5上设置两个串联的圆弧柔性铰链可以增加灵活性。所述菱形柔性铰链7由四块矩形柔性铰链ⅲ组成，所述菱形柔性铰链7位于所述基座9与所述动平台6之间的内角α为90°～120°，这种结构使得动平台6的运动相当灵活且能够进行大行程的运动。

本发明使用音圈电机1作为驱动器，相对于压电陶瓷能进行更大的位移输出，通过控制音圈电机的输入电流能改变力和位移的输出，从而驱动输入连接杆5进行不同行程的动作；所述凸块3的宽度小于大刚度柔性机构4上的凹槽的宽度，当凸块3的前侧面与凹槽的内壁有间隙时，动平台6的运动位移能达到毫米级；音圈电机1继续驱动输入连接杆5向前运动，凸块3也继续向前运动，直到凸块3的前侧面与凹槽内壁互相接触，凸块3带动大刚度柔性机构4弹性变形，此时动平台6的整体刚度变为小刚度柔性机构2的刚度与大刚度柔性机构4的刚度之和，所以动平台6的行程减小，精度大大增加，能达到亚纳米级；凸块3通过克服大刚度柔性机构4的弹性力，把动能传递到动平台6上，动平台6通过克服菱形柔性铰链7的弹性力达到输出位移的效果，通过控制三个音圈电机1的电流大小，控制动平台6进行不同的轨迹输出，既能实现沿平面两个方向的运动，也能实现绕垂直轴的转动，并且当三个音圈电机1的输入电流大小一样时，可以使动平台6作纯转动。因此本发明既能实现大行程毫米级的位移输出也能实现亚纳米级的高精度位移输出。

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的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。