二自由度scott-russell柔性微纳定位平台的制作方法

本发明涉及一种二自由度scott-russell柔性微纳定位平台。该定位平台由压电陶瓷驱动，具有xy两个自由度，可实现两个方向独立的平移运动，可用于高分辨率显微镜扫描、光学装备位置跟踪检测、微纳元器件制造和装配。

背景技术：

柔性微纳定位平台是现代高技术制造装备和精密运动装备的核心部件。其在高分辨率的显微镜伺服扫描、精密光学检测和跟踪、微纳尺度元器件的制造和装配等高新领域中有着广泛的应用，并将发挥越来越重要的作用。

文献designofalargerangexynanopositioningsystem提出了一种基于柔性板簧单元的二自由度微纳操作平台，可以实现xy两个方向的直线自由度；类似的，文献designanddevelopmentofacompactflexure-basedxyprecisionpositioningsystemwithcentimeterrange根据分层设计法，设计了一种双层微纳操作平台，借助分层结构实现xy方向位移的解耦。

文献long-rangescanningforscanningtunnelingmicroscopy研制了基于杠杆放大机构的二维纳米微位移工作台，其成功应用于stm中，该微位移工作台最大行程达到500μm，分辨力约为1nm。

中国专利105006255a提出了一种柔性微定位平台，平台采用压电陶瓷实现目标方向的位移输出，结合球形柔性铰链的特点，实现了高精度的位移输出，同时避免了各运动方向的耦合，但该平台没有采用放大结构不能实现较大的位移输出，此外该平台结构复杂，体积大，加工困难。

现阶段主要的柔性微纳定位平台为压电陶瓷作为驱动元件的柔性运动平台，其中大部分运动平台直接采用压电陶瓷驱动，但压电陶瓷的行程范围较小，平台的输出位移常常不能达到较大的工作空间要求；部分采用杠杠机构作为放大机构的微纳定位平台，常常以牺牲平台的解耦性能作为代价，导致平台在运动过程中发生偏移，无法满足水平独立运动的需求；现所研究的部分二自由度微纳平台零部件多，各零部件分别加工，导致装配后的微纳定位平台误差较大，定位精度不能达到设计要求。因此，兼具大行程、良好解耦性和高定位精度、多自由度运动等优点的微纳定位平台是当前微纳柔性定位技术的主要发展方向，具有重要的研究价值和工程实用价值，是未来高新技术极具发展潜力的方向之一。

技术实现要素：

本发明针对现有微纳定位平台的不足，提出了一种二自由度xy并联运动的柔性定位平台。该定位平台采用固有频率较高的压电陶瓷作为驱动元件，同时为了在实现较大的输出位移时保持良好的解耦性能，采用放大比大、解耦性好的桥式放大机构作为一级位移放大机构。为了满足部分应用场合对微纳定位平台输出位移大的需求，创新性的引入scott-russell机构作为二级位移放大机构，scott-russell机构作为位移放大机构，具有运动解耦性能优越、导向性能好的特点。为了满足平台较高的解耦需求，本发明引入十字形解耦结构均布于中心运动平台四周，该十字形解耦结构在目标运动方向上刚度较小，在非目标运动方向上刚度较大，这样既有利于输出位移，实现较大的位移输出，又具有良好的解耦性能，确保较高的定位精度。

本发明二自由度scott-russell柔性微纳定位平台，包括基座、两个scott-russell结构、两个桥式放大机构、运动平台、四个十字形解耦结构；

所述的两个桥式放大机构的固定端固定在基座上，其中第一桥式放大机构的输出端通过第一柔性铰链接入第一scott-russell结构的输入端；第一scott-russell结构的固定端通过第二柔性铰链连接入基座，输出端通过两个柔性板簧结构连接入中心运动平台的一个侧面；所述的两个柔性板簧与中心运动平台的侧面垂直；所述中心运动平台为正方形形状，并通过四个十字解耦结构连接入基座，所述十字解耦结构均布于中心运动平台的四周；所述的第一桥式放大机构内设有第一压电驱动器；第二桥式放大机构的的输出端通过第三柔性铰链连接入第二scott-russell结构的输入端；第二scott-russell结构的固定端通过第四柔性铰链连接入基座，输出端通过两个柔性板簧结构连接入中心运动平台的另一个侧面；其中中心运动平台的一个侧面与另一个侧面相邻。

作为优选，所述中心运动平台为中空结构。

作为优选，还包括玻璃尺；所述的玻璃尺固定在中心运动平台上。

本发明二自由度scott-ressell微纳定位平台具有如下优点：

1、二自由度微纳定位平台，采用xy并联运动，平台整体结构尺寸紧凑，便于加工和装配。

2、本发明运动结构主要基于柔性铰链的弹性变形，由于铰链拉伸和转角变化小、压电陶瓷安装紧凑、可以避免并联机构的非线性缺点。

3、定位平台采用桥式位移放大机构作为一级位移放大机构，在保证了平台大的输出位移时兼顾良好的解耦性能，稳定性好。

4、定位平台中创新性的采用scott-ressell机构作为二级位移放大机构，既充分保证了平台大的输出位移，同时又保证了定位平台的解耦性能、线性度好。

5、运动平台中采用的十字形解耦结构，使运动平台在目标运动方向上刚度小，非目标运动方向上刚度大，使得平台耦合误差小，固有频率高，运动输出稳定性能好。

6、本发明设计的运动平台运动精度高、解耦性能好、响应速度快，可实现精密扫描、平面定位、轨迹跟踪等要求。

7、中心运动平台采用对称布置方式，减小了由于结构不对称造成的输出运动交叉耦合。

8、定位平台整体结构经过线切割技术一体加工完成，避免了引入其他工序造成的误差损失，满足系统对高定位精度和高跟踪性能的要求。

附图说明

图1为本发明中二自由度微纳定位平台的结构图；

图2为scott-russell结构的放大原理图；

图3为本发明中的scott-russell结构；

图4为本发明中的十字形解耦结构；

图5为本发明中二自由度微纳定位平台的整体结构图。

具体实施方式

如图1所示，本发明二自由度scott-russell柔性微纳定位平台，包括四个基座固定螺纹孔1、一个基座2、两个scott-russell结构3、两个桥式放大机构4、四个基座上的光栅支座安装螺纹孔5、中心运动平台6，四个十字形解耦结构7。

如图2、图3、图4所示所述基座2通过基座固定螺纹孔1安装在工作台上，所述桥式放大机构4的固定端连接在基座上，输出端通过柔性铰链303连接在scott-russell结构3上，scott-russell结构3通过铰链301连接在基座上，scott-russell结构3两运动部分通过铰链302连接，此外scott-russell结构3通过板簧结构304和305连接在中心运动平台6上，即scott-russell结构3位移输出点8与中心运动平台连接，所述中心运动平台6为正方形结构，并通过四个均布的十字形解耦结构7连接在基座上，玻璃尺11固定在中心中心运动平台6上；所述的光栅座9通过安装螺纹孔5固定在基座2上，光栅座上的光栅度数头10与玻璃尺11上的刻度对齐。

本发明二自由度scott-russell微纳定位平台的工作原理与过程：

如图1、图5所示，只驱动二自由度微纳定位平台一个方向的压电驱动器，以y方向运动为例。压电驱动器12两端施加电压，压电驱动器伸长，推动桥式位移放大机构4，两输入端向向两侧移动，各桥臂上柔性铰链发生小弹性弯曲和拉伸变形。两输出端，一端与基座2连接固定，另一端输出位移，并推动scott-russell结构中的303铰链运动，scott-russell结构具有特殊的结构模式，具有良好的解耦性能，能将输入端的位移转化为垂直方向上的输出位移，并通过304板簧和305板簧结构传递到中心运动平台6上。在中心运动平台运动时，均布于其四周的十字形解耦结构7发生变形，对中心运动平台的运动起到导向和解耦的作用。当电压减小时，压电驱动器输出位移减小，各变形结构弹性变形向恢复原状的方向变化，中心运动平台的输出位移减小。

x方向具有相同的运动情形。

当同时驱动二自由度微纳定位平台两个方向上的压电驱动器时。中心运动平台可进行平面内的任意平动。

需要补充说明的是，上述描述结构的“上下”、“左右”等方位词是根据实施例附图所示或习惯而言的，是为了叙述方便，不代表该安装位置的唯一性和必须性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。