多级联动输出的并联微动平台的制作方法

本发明涉及一种微动平台，具体涉及一种多级联动输出的并联微动平台。

背景技术：

多级联动输出的并联微动平台是通过可产生弹性变形的柔性铰链机构来传递力与位移并可多自由度平动的微位移机构。并采用压电致动器驱动，所以其位移分辨率高，响应速度快，驱动力大且刚度大、体积小、承载能力强。因此，它在精密加工与测量、光纤对接、微电子工程、细胞微操作等需要微/纳米定位的技术领域的作用越来越大。在超精密加工领域，它可以给刀具提供微纳米级的进给量，还能通过与其他仪器设备的配合来抑制加工过程中的误差；在微机电系统(mems)领域，它在装配过程中可以为微轴、微齿轮等高精度微小零件提供纳米级定位精度；在原子力显微镜(afm)领域，它提供的纳米级运动精度可以实现微结构表面的三维形貌测量。

现已有的微动平台设计容易，大多为两自由度，仅可以沿x、y轴方向输出位移；虽包含放大机构，但其放大倍数较小，所以输出行程也较小；而且有效的输出台面不够大，限制操作空间。

技术实现要素：

本发明为克服现有技术不足，提供一种多级联动输出的并联微动平台，该微动平台由压电叠堆驱动器驱动放大机构，使得多级联动输出的并联微动平台具有更大的放大倍数，提高工作平台的工作位移；同时，使用球形铰链连接工作平台，能灵活的承受来自各异面的压力。

本发明的技术方案为：

一种多级联动输出的并联微动平台，它包括工作平台、固定杆、底座和三个柔性放大单元结构；

每个所述柔性放大单元结构包括机架和两个压电叠堆驱动器；所述机架由线切割分隔成固定块、输出平台、两个输出杆、两个摇杆、两个放大杆一、两个放大杆二、两个放大杆三、两个导向杆一、多个导向杆二和多个机架本体；机架本体上安装有能驱动输出杆运动的压电叠堆驱动器，输出杆与放大杆一之间、放大杆一与机架本体之间、放大杆一与摇杆之间、摇杆与机架本体之间以及放大杆二与摇杆之间通过单轴圆形截面双切口柔性铰链连接；放大杆二与机架本体之间通过叶状形柔性铰链连接，放大杆二与输出平台之间布置有与二者通过单轴圆形截面双切口柔性铰链连接的导向杆二，输出平台与放大杆三之间布置有与二者通过单轴圆形截面双切口柔性铰链连接的导向杆二，放大杆三分别与固定块和机架本体之间布置有通过单轴圆形截面双切口柔性铰链连接的导向杆一；

所述底座上固接有呈水平布置的机架和相邻立式布置的两个机架，固定块通过固定杆与底座连接，所述工作平台的两个侧面分别与立式布置的输出平台连接，所述工作平台底面与水平布置的输出平台连接，三个柔性放大单元结构输出驱动工作平台具有在x轴、y轴和z轴方向上的三自由度。

进一步地，所述单轴圆形截面双切口柔性铰链为直圆型双切口柔性铰链。

本发明相比现有技术的有益效果是

本发明申请的工作平台能实现沿x，y，z轴方向的位移输出，工作平台具有3个自由度。同时，在每个柔性放大单元结构具有两个放大机构，其中一个为二级放大机构，另一个可以将前级放大机构的输出位移再一次放大。最后可实现在工作平台上位移方向的大行程输出。而且，因为有单轴圆形截面双切口柔性铰链组合排布成的解耦机构的存在，所以在运动上无耦合(当平台向一个方向运动时不会在另一方向产生寄生位移)，安装、预紧压电叠放驱动器方便。

本发明申请的优点具体来说：1、本发明申请具有3个自由度，既能实现沿x，y，z方向输出位移，为具有3个自由度的多级联动输出的并联微动平台；

2、三个相同的柔性放大单元结构同时设有二个放大机构，进一步放大输出行程，最后在工作平台上实现沿沿x，y，z方向输出位移；

3、本发明采用并联式连接，每个柔性放大单元结构的输出平台输出位移直接传递给工作平台，具有频率高、载重大、精度高的优点；

4、本发明申请工作平台的有效的输出台面大，不限制操作空间；

5、三个相同的柔性放大单元结构机构采用柔性铰链，并通过线切割加工而成，整个柔性铰链放大机构为一个整体，具有体积小、无机械摩擦、导向精度高、加工精度易于保证和不需要装配的优点；

6、本发明申请各部分(如固定块与固定杆之间、输出平台和工作平台之间、固定杆与底座之间)只通过螺钉连接，装配链接及拆卸方便。

附图说明

图1为多级联动输出的并联微动平台的示意图；

图2为含压电叠堆驱动器的柔性放大单元结构的示意图；

图3为柔性放大单元结构的示意图；

图4为柔性放大单元结构局部示意图；

图5为长的固定杆的示意图；

图6为短的固定杆的示意图；

图7为工作平台的示意图；

图8为底座的示意图；

图9为工作机理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然以下所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1-图8所示，一种多级联动输出的并联微动平台，其特征在于：它包括工作平台12、固定杆10、底座15和三个柔性放大单元结构；

每个所述柔性放大单元结构包括机架和两个压电叠堆驱动器a；

所述机架由线切割分隔成固定块1、输出平台2、两个输出杆5、两个摇杆7、两个放大杆一6、两个放大杆二8、两个放大杆三9、两个导向杆一41、多个导向杆二42和多个机架本体3；

机架本体3上安装有能驱动输出杆5运动的压电叠堆驱动器a，输出杆5与放大杆一6之间、放大杆一6与机架本体3之间、放大杆一6与摇杆7之间、摇杆7与机架本体3之间以及放大杆二8与摇杆7之间通过单轴圆形截面双切口柔性铰链b连接；放大杆二8与机架本体3之间通过叶状形柔性铰链c连接，放大杆二8与输出平台2之间布置有与二者通过单轴圆形截面双切口柔性铰链b连接的导向杆二42，输出平台2与放大杆三9之间布置有与二者通过单轴圆形截面双切口柔性铰链b连接的导向杆二42，放大杆三9分别与固定块1和机架本体3之间布置有通过单轴圆形截面双切口柔性铰链b连接的导向杆一41；

所述底座15上固接有呈水平布置的机架和相邻立式布置的两个机架，固定块1通过固定杆10与底座15连接，所述工作平台12的两个侧面分别与立式布置的输出平台2连接，所述工作平台12底面与水平布置的输出平台2连接，三个柔性放大单元结构输出驱动工作平台12具有在x轴、y轴和z轴方向上的三自由度。

本实施方式如图1中的柔性放大单元结构布置，其中一个柔性放大单元结构的机架及输出平台2呈横向水平布置于工作平台12下方，该机架上的压电叠堆驱动器a逐级放大控制输出平台2带动工作平台12沿y轴方向运动；

其中一个柔性放大单元结构的机架及输出平台2呈横向立式布置，该机架上的压电叠堆驱动器a逐级放大控制输出平台2带动工作平台12沿x轴方向运动；

剩余一个柔性放大单元结构的机架及输出平台2呈竖向立式布置，该机架上的压电叠堆驱动器a逐级放大控制输出平台2带动工作平台12沿z轴方向运动。

为了提高运动的可靠性和实现无机械摩擦，上述实施方式中，所述单轴圆形截面双切口柔性铰链b为直圆型双切口柔性铰链。

参见图7所示，所述工作平台12为带有向下凸棱的且呈水平布置的十字平台，工作平台12的相邻两个侧面与输出平台2连接，工作平台12的凸棱与水平布置的输出平台2连接。工作平台12为向下突起的十字平台，平台面积大，有效输出台面大，操作空间不受限制。工作平台12在两个侧面和底面的位置上分别有两个开孔，以便连接柔性放大单元结构如图2中的输出平台2上的同一方向上的开孔。将柔性放大单元结构如图2中输出平台2输出的位移传递到如图1中的工作平台12上，最终实现沿x，y，z方向输出位移。上述开孔之间通过设置其内的螺栓和螺母将工作平台12和输出平台2连接在一起，

参见图2和图3所示，为了保证x、y和z轴向上的位移不耦合，实现位移的解耦，本实施方式采取如下方案：放大杆二8与导向杆二42之间、输出平台2与导向杆二42之间、导向杆二42与放大杆3之间通过由切割而成的相互垂直设置的两个单轴圆形截面双切口柔性铰链b连接在一起。导向杆一41分别与固定块1和放大杆三9之间通过由切割而成的相互垂直设置的两个单轴圆形截面双切口柔性铰链b连接在一起。两个机架本体3之间通过由切割而成的相互垂直设置的两个单轴圆形截面双切口柔性铰链b连接在一起。

上述方案中相互垂直设置的两个单轴圆形截面双切口柔性铰链b如图2、图3和图4所示，一种是图2和图3中所示正面设置的单轴圆形截面双切口柔性铰链b，另一种是如图4所示的侧向设置的单轴圆形截面双切口柔性铰链b，两种单轴圆形截面双切口柔性铰链b长度方向十字交叉布置，构建成如图2和图3所示的两个单轴圆形截面双切口柔性铰链b组成的解耦机构。该解耦机构实现对各向位移的解耦(当工作平台12向一方向运动时不会在另一方向产生寄生位移)。放大杆一6、放大杆二8和放大杆三9以及连接它们的单轴圆形截面双切口柔性铰链共同形成放大机构。

一个实施方式中，底座15由3块面板和4块底角组成，每一板面上均有两个开孔，用来连接固定杆10，通过螺钉连接将固定杆10固定在底座15上，如图1所示，两个侧面板上使用的是如图6的短的固定杆10连接，而底面板使用的是如图5的长的固定杆10连接，如图2、3所示，柔性放大单元结构的机架由线切割而产生的缝隙，为了便于说明这里将单轴圆形截面双切口柔性铰链b分别命名为结构相同正面设置的(下述为简称)第一双切口柔性铰链b1，第二双切口柔性铰链b2，第三双切口柔性铰链b3，第四双切口柔性铰链b4，第五双切口柔性铰链b5，第六双切口柔性铰链b6；

第七双切口柔性铰链b7，第八双切口柔性铰链b8，第九双切口柔性铰链b9，第十双切口柔性铰链b10，第十一双切口柔性铰链b11，第十二双切口柔性铰链b12，第十三双切口柔性铰链b13，第十四双切口柔性铰链b14，第十五双切口柔性铰链b15和第十六双切口柔性铰链b16；以及侧面设置的第十七双切口柔性铰链b17，第十八双切口柔性铰链b18，第十九双切口柔性铰链b19和第二十双切口柔性铰链b20；

叶状形柔性铰链c分别为结构相同的第一叶状形柔性铰链c1和第二叶状形柔性铰链c2；

机架本体3、放大杆一6、放大杆二8、输出平台2下侧以及连接它们的第一双切口柔性铰链b1、第四双切口柔性铰链b4、第七双切口柔性铰链b7、第十双切口柔性铰链b10围成的区域为第一切割缝隙；机架本体3、放大杆一6、摇杆7、输出杆5以及连接它们的第一双切口柔性铰链b1，第二双切口柔性铰链b2，第三双切口柔性铰链b3，第四双切口柔性铰链b4，第五双切口柔性铰链b5围成的区域为第二切割缝隙(2处)，第二切割缝隙与压电叠堆驱动器a间隙配合；放大杆三9、摇杆7和机架本体3以及连接它们的第一叶状形柔性铰链c1和第一叶状形柔性铰链c2围成的区域为第三切割缝隙(2处)；机架本体3、输出平台2、放大杆三9以及连接它们的第一叶状形柔性铰链c1、第六双切口柔性铰链b6围成的区域为第四切割缝隙(2处)；固定块1、导向杆一41、导向杆二42、第三放大杆9及连接它们的第十五双切口柔性铰链b15、第十六双切口柔性铰链b16和第六双切口柔性铰链b6，到输出平台2左侧以及连接它们的第六双切口柔性铰链b6围成的区域为第五切割缝隙(1处)；机架本体3、放大杆三9、固定块1、导向杆一41和导向杆二42以及连接它们的第十二双切口柔性铰链b12、第十四双切口柔性铰链b14，第十五双切口柔性铰链b15和第十六双切口柔性铰链b16围成的区域为第六切割缝隙(1处)；输出平台2中心长方形区域为第7切割缝隙(1处)。

第八双切口柔性铰链b8、第九双切口柔性铰链b9、第十一双切口柔性铰链b1、第十三双切口柔性铰链b13以及侧面设置的第十七双切口柔性铰链b17、第十八双切口柔性铰链b18、第十九双切口柔性铰链b19和第二十双切口柔性铰链b20用于切割分割成解耦机构和机架本体3。

使用时，以一个柔性放大单元结构具体放大运动为例，对压电叠堆驱动器a施加通过功率放大器放大后的电压，压电叠堆驱动器a伸长，作用在输入杆5上，放大杆一6绕第三双切口柔性铰链b3转动，放大杆一6又因摇杆7的支撑导向作用，放大杆二8左端向下倾斜；当输入一个较小的位移x0，通过第一个放大机构(由放大杆一6、摇杆7和放大杆二8构成)，假设放大倍率为a，则通过第一个放大机构后的输出位移即为ax0。然后位移x1(x1＝ax0)传递到输出平台2，拉动输出平台2运动向下运动，然后输出平台2拉动放大杆三9，放大杆三9左端绕第十四双切口柔性铰链b14向下转动，设向第二个放大机构(由放大杆三9、机架本体3、导向杆一41和导向杆二42构成)输入位移x2(x2＝ax0)，通过第二个放大机构再次放大，设第二次放大倍率为b，则输出位移为x3(x3＝bx2)，拉动整个柔性放大单元结构的输出平台2向下运动，输出位移为x3。所以当初输入位移为x0时，通过柔性放大单元结构的二次放大可输出x4(x4＝x2+x3)的位移，大幅增大输出行程。

多级联动输出的并联微动平台整体工作时具有沿x，y，z轴方向输出的3个自由度。如多级联动输出的并联微动平台示意图如图1上，底座15的左侧面板上横向立式布置的柔性放大单元结构负责工作平台12(如图1和图7)的x轴方向位移，底座15的右侧面板上竖向立式的柔性放大单元结构负责工作平台12(如图1和图7)的z轴方向位移，底座15的底板上的柔性放大单元结构负责工作平台(如图1和图7)的y轴方向位移。以柔性放大单元结构带工作平台12沿x轴运动为例，柔性放大单元结构中输出平台2直接连接工作平台12，带动工作平台12沿x轴方向运动，又因每个柔性放大单元结构有上述解耦机构，使当工作平台12做x轴方向位移时，不会对其他方向产生寄生位移。其他柔性放大单元结构运动时同理。所以多级联动输出的并联微动平台共具有3个自由度。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。