CN107673305B - 一种两平动一转动三自由度并联柔性结构压电微动平台 - Google Patents

一种两平动一转动三自由度并联柔性结构压电微动平台 Download PDF

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Abstract

两平动一转动三自由度并联柔性结构压电微动平台，包括定平台、动平台和三组运动机构，每一组运动机构包含位移传递机构和辅助机构，位移传递机构与辅助机构对称设置；位移传递机构和辅助机构分别具有各自的刚性支架和柔性薄板组件，柔性薄板组件包括刚性连杆和两对柔性薄板，每对柔性薄板中的两个柔性薄板相互平行，两对柔性薄板关于刚性连杆对称，每个柔性薄板一端与刚性连杆固定，另一端与刚性支架固定，刚性连杆与动平台连接；位移传递机构的刚性支架内安装压电执行器，刚性支架的封闭端的外侧对称地设有一对柔性薄板，封闭端的柔性薄板与压电执行器平行。本发明具有工作台面大、无位移耦合、结构对称且不产生热变形所引起的运动误差的优点。

Description

一种两平动一转动三自由度并联柔性结构压电微动平台
技术领域
本发明属于微/纳米定位技术领域，涉及微/纳米定位系统中的微位移机构，特别涉及一种两平动一转动三自由度并联柔性结构压电微动平台。
背景技术
柔性结构压电微动平台是通过可产生弹性变形的柔性结构来传递位移与力的微位移机构。由于它没有铰链和轴承，所以不需要装配，不存在传动间隙，不产生摩擦与磨损；由于采用压电执行器驱动，故其位移分辨率可达到纳米级，响应时间可达到毫秒级，且刚度大、体积小、承载能力强。因此，它被广泛应用于精密加工与测试、光纤对接、微零件装配、细胞微操作等需要微/纳米定位的技术领域中。如，在精密及超精密加工中，可实现刀具的微进给或加工误差的补偿；在精密测量中，可实现传感器的微调节；在扫描探针显微镜中，同微扫描探针相结合，可实现对微结构形貌的测量；在光纤对接中，可实现直径为几微米至十几微米的两光纤的精密对准；在MEMS(微机电系统)装配中，同微夹钳相结合，可将微轴、微齿轮装配成微部件；在生物工程中，同微冲击探针相结合，可向细胞注入或从细胞中提取相应成分。
目前，两平动(沿x、y向移动)一转动(绕z轴旋转)三自由度柔性结构压电微动平台的实现方式主要有串联式与叠加式两种形式。串联式是先在产生某一方向运动的动平台(外动平台)中制作出可产生另一方向运动的动平台(中间动平台)，再在中间动平台中制作出可产生最后一方向运动的动平台(内动平台)，这种平台结构紧凑，各动平台在运动上无耦合(当平台沿某方向运动时不会在另一方向产生寄生位移)，但有效台面较小，且安装与预紧用于驱动中间动平台及内动平台的执行器困难。叠加式是先分别制作出可沿x、y、θz向(即绕z轴旋转)输出微位移的单一自由度的柔性结构压电微动平台，然后再将三个平台在高度方向按层叠加起来，这种平台设计容易，在运动上无耦合，安装与预紧压电执行器方便，但体积大，结构不紧凑，固有频率低。
ZL200420046154.6披露了一体式精密定位平台，包括运动平台和基座，运动平台和基座之间通过四个三自由度的柔性铰链连接，四个三自由度的柔性铰链对称分布在运动平台的四角；运动平台与基座之间的三个凹槽中嵌放有三个压电致动器，压电致动器的一端固定在基座的凹槽中，另一端与运动平台的凹槽接触。这种精密定位平台沿x轴和y轴的平动、绕z轴的转动均由运动平台完成，而且整个定位平台本体为单层一体式。
这种微动平台具有以下缺点：1、由于平台中未设有导向机构，当某一方向压电执行器驱动动平台运动时，动平台同另一方向压电执行器相接触的部分便成为动平台转动的支点，于是动平台在移动的同时还绕该支点旋转，从而产生位移耦合(当平台沿某方向运动时会在另一方向产生寄生位移)；同时，平台的这种转动还会使压电执行器受到弯矩、剪力的作用，从而使压电执行器易破坏；2、在压电执行器的驱动方向上，平台中仅设有安装压电执行器的结构，使平台整体关于其中轴线呈非对称，这样温度变化所引起的变形就会使动平台产生运动误差；3、平台中未设有对压电执行器进行预紧时避免其受到预紧螺钉扭矩作用的结构，故压电执行器在预紧过程中会受到预紧螺钉的扭矩作用，从而使压电执行器易破坏；4、平台中未设有对压电执行器两端进行定位的结构，导致压电执行器在装配过程中容易脱落。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、工作台面大、无位移耦合、结构对称而不产生热变形所引起的运动误差、压电执行器在装配及工作过程中仅受到压力作用且在装配过程中不会脱落的两平动一转动三自由度并联柔性结构压电微动平台。
一种两平动一转动三自由度并联柔性结构压电微动平台，包括定平台、动平台和三组运动机构，动平台在定平台内部，动平台的上表面凸出于定平台的上表面，定平台的上表面凸出于各运动机构的上表面，定平台的下表面凸出于动平台的下表面以及各运动机构的下表面；一组运动机构设置于横向，另外两组置于纵向，横向运动机构对准动平台的中心，两组纵向运动机构对称设置；每一组运动机构包含位移传递机构和辅助机构，位移传递机构与辅助机构对称设置；
位移传递机构和辅助机构分别包括各自的刚性支架、内柔性薄板组、刚性连杆、外柔性薄板组，刚性支架呈U形，刚性支架的开口端设有内柔性薄板组，内柔性薄板组包括两对内柔性薄板，每对内柔性薄板中的两个内柔性薄板相互平行，两对内柔性薄板关于刚性连杆对称，每个内柔性薄板一端与刚性连杆连接，另一端与刚性支架连接，刚性连杆与动平台连接；刚性支架的封闭端的外侧对称地设有一对外柔性薄板，封闭端的外柔性薄板与刚性支架的侧臂平行，且封闭端的外柔性薄板一端与刚性支架封闭端连接，另一端与定平台连接；刚性支架、内柔性薄板组和刚性连杆构成内双平行四连杆机构，在刚性支架绕刚性连杆偏转时，内柔性薄板发生弯曲形变，内双平行四连杆机构可保证位于刚性支架内的压电执行器不与刚性支架发生相对位移，从而使压电执行器不受弯矩、剪力的作用；某一方向位移传递机构刚性支架及其封闭端两侧的外柔性薄板、该方向辅助构刚性支架及其封闭端两侧的外柔性薄板、定平台构成外双平行四连杆机构，该外双平行四连杆机构可使动平台沿另一方向输出位移并对该位移进行导向；
位移传递机构的刚性支架内安装压电执行器，压电执行器一端抵住刚性支架的封闭端，另一端抵住刚性连杆的内端(刚性连杆的内端指刚性连杆未与动平台接触的一端)，压电执行器和刚性支架的封闭端之间有预紧垫块。
定平台上具有穿设位移传感器的安装孔，辅助机构的刚性连杆连接测量块，测量块对准安装孔，定位平台上设有紧定螺钉孔，紧定螺钉孔的轴向为安装孔的径向；位移传递机构和辅助机构位于动平台和定平台之间，刚性支架与定平台以及动平台之间有间隙。
以横向作为x向，纵向作为y向，则横向位移传递机构为x向位移传递机构，横向辅助机构为x向辅助机构，x向位移传递机构和x向辅助机构作为一组运动机构；两个纵向位移传递机构分别为y1向位移传递机构和y2向位移传递机构，两个纵向辅助机构分别为y1向辅助机构和y2向辅助机构，y1向位移传递机构和y1向辅助机构作为一组运动机构，y2向位移传递机构和y2向辅助机构作为一组运动机构。x向和y向是相对而言，也可以是横向作为y向，纵向作为x向。
以仅x向位移传递机构输出x向位移而y向位移传递机构不动作，x向压电执行器在左，x向辅助机构在右为例说明，x向压电执行器在驱动电压作用下伸长，x向位移传递机构的刚性连杆将动平台向右推，内双平行四连杆机构中的柔性薄板发生形变以协调压电执行器的位移；动平台将x向辅助机构的刚性连杆向右推，测量块向右运动，同时x向辅助机构的内双平行四连杆机构中的柔性薄板发生形变以协调动平台的位移，x向位移传感器测头测得测量块的位移。在动平台沿x向运动时，y向运动机构起到导向作用，使动平台仅沿x方向输出位移，而不在y方向产生耦合位移。
当只有一组y向位移传递机构受压电执行器驱动，或者两组y向位移传递机构受压电执行器驱动输出不同位移时，动平台做绕z轴的转动，产生θz角度位移。
当两组y向位移传递机构受压电执行器驱动且输出位移相同时，动平台做y向平移。此时，x向运动机构对动平台沿y方向的运动进行导向，使动平台仅沿y方向输出位移，而不在x方向产生耦合位移。
进一步，每个位移传递机构的刚性连杆与压电执行器接触的内端为圆弧凸面。当动平台同时沿x、y向运动时，动平台沿某一方向的位移会使另一方向位移传递机构的刚性支架带动位于该刚性支架中的压电执行器绕该位移传递机构的刚性连杆偏转，但由于压电执行器与刚性连杆为线接触，所以这种偏转不会使压电执行器受到弯矩、剪力的作用而破坏。
进一步，每个位移传递机构和每个辅助机构分别安装于各自的容纳腔内，每个容纳腔由位于定平台的槽和位于动平台的槽对位拼合而成，每个位移传递机构的刚性支架或每个辅助机构的刚性支架与容纳腔之间有间隙。
进一步，刚性支架封闭端的内侧面上设有第一定位底挡和两个定位侧挡，第一定位底挡在两个定位侧挡内，定位侧挡和第一定位底挡围成的区域与刚性支架的封闭端对中；刚性连杆的内端设有第二定位底挡，第二定位底挡为由刚性连杆的底面向内延伸形成的薄板，第二定位底挡与刚性连杆圆弧凸面对中。
压电执行器的一端面同预紧垫块对位，预紧垫块及压电执行器的该端部置入刚性支架封闭端的定位侧挡和第一定位底挡内，压电执行器的另一端面同刚性连杆的圆弧凸面对位，压电执行器的该端部置于刚性连杆的第二定位底挡上。
在预紧压电执行器时，由预紧螺钉推动预紧垫块，而预紧垫块被限定在由刚性支架的封闭端的两定位侧挡和第一定位底挡所围成的区域内，预紧垫块仅能沿直线位移，从而使压电执行器避免受到预紧螺钉的扭矩作用，而仅受到沿其轴线方向的压力作用；同时，刚性支架的封闭端的两定位侧挡、第一定位底挡以及刚性连杆上的第二定位底挡可精确限定压电执行器的位置，使其在装配过程中不会脱落。
进一步，每个压电执行器均有一个预紧螺钉，预紧螺钉依次穿过定平台和刚性支架抵紧压电执行器，预紧螺钉和压电执行器之间设置预紧垫块。
进一步，平台具有上外盖板、上内盖板和下盖板。上外盖板封住定平台、位移传递机构和辅助机构的刚性支架开口端的部分，并通过螺钉与定平台固定；上内盖板封住动平台、位移传递机构和辅助机构的刚性支架封闭端的部分，并通过螺钉与动平台固定；下盖板封住平台的底部，并通过螺钉与定平台固定。
本发明的优点是：
1)某一方向的位移传递机构既可将位移传递到动平台，又可同本方向的辅助机构一道对动平台沿另一方向的运动进行导向，即一个方向的位移传递机构和辅助机构同时又是另一方向的导向机构；还有，位移传递机构的刚性支架和辅助机构的刚性支架嵌入动平台和定平台的内部，动平台和定平台之间的间隙只需足够动平台位移即可，因此平台整体结构简单紧凑、动平台的台面大。
2)由于动平台沿某方向输出微位移时受到另一方向位移传递机构和辅助机构的导向作用，所以动平台沿该方向平动时将产生严格的直线微位移，而不会在其他方向产生耦合位移，从而使动平台的运动精度大大提高，且位移传感器(如电容式位移传感器)的测量结果可直接反映动平台的精确微位移。
3)在压电执行器的驱动方向上，平台中设有结构基本相同的位移传递机构和辅助机构，使平台整体关于其中轴线对称，这样温度变化所引起的变形就不会使动平台产生运动误差。
4)压电执行器通过定位侧挡和定位底挡被准确定位于位移传递机构中，从而使压电执行器在装配过程中不会脱落。
5)压电执行器被预紧时，压紧它的预紧垫块受定位侧挡和定位底挡的约束，仅产生直线位移，从而使压电执行器仅预紧过程中仅受到沿其位移输出方向的压力作用，而不受扭矩作用；位移传递机构中的内双平行四连杆机构及刚性连杆的圆弧凸面，使压电执行器不与刚性支架发生相对位移，从而使压电执行器不受弯矩、剪力的作用，这些均可提高压电执行器的使用寿命。
6)动平台和定平台位于同一层，而非层叠式，沿x、y、θz三个方向的运动均通过同一个动平台来实现，平台运动部分的质量大大减小，可使动平台的固有频率大大提高。
7)由于平台整体结构简单紧凑、各部分布局合理，位移传感器(如电容式位移传感器)测头只要固定于定平台上，并对准测量块的测量面即可准确测得动平台的位移，因此位移传感器有充足的集成空间，使位移传感器(如电容式位移传感器)的集成变得非常容易。
附图说明
图1为本发明的三维结构图，其中(a)不包括上外盖板、上内盖板、下盖板；(b)为包括上外盖板、上内盖板、下盖板时的俯视图；(c)为包括上外盖板、上内盖板、下盖板时的仰视图。
图2为本发明的台体结构图。
图3为本发明的位移传递机构结构图，其中图(b)是图(a)的剖视图。
图4为本发明的辅助机构结构图。
图5为本发明的上外盖板的三维结构图。
图6为本发明的上内盖板的三维结构图。
图7为本发明的下盖板的三维结构图。
具体实施方式
本发明既可使动平台仅沿x、y、θz向(即绕z旋转)输出微位移，又可使其同时沿x与y、x与θz、y与θz向输出微位移，还可同时沿x、y、θz向输出微位移，具体实施方式如下。
一种两平动一转动三自由度并联柔性结构压电微动平台，如图1的(a)、(b)(c)所示，包括台体，压电执行器9、10、11，预紧垫块12、13、14，预紧螺钉15、16、17，上外盖板18，上内盖板19，下盖板20和紧定螺钉21，台体由定平台1和动平台2形成。
台体(如图2所示)包括定平台1、动平台2、x向位移传递机构3、x向辅助机构4、y1向位移传递机构5、y1向辅助机构6、y2向位移传递机构7、y2向辅助机构8，台体为一体化结构，可以由一块材料加工而成。定平台1的上表面低于动平台2的上表面，而高于x向位移传递机构3、x向辅助机构4、y1向位移传递机构5、y1向辅助机构6、y2向位移传递机构7、y2向辅助机构8这六个机构的上表面。定平台1的下表面高于动平台2的下表面以及x向位移传递机构3、x向辅助机构4、y1向位移传递机构5、y1向辅助机构6、y2向位移传递机构7、y2向辅助机构8这六个机构的下表面。动平台的上表面凸出于定平台的上表面，从而在动平台承载面积大于动平台的工件时，工件不与定平台发生摩擦。定平台的上表面凸出于各运动机构的上表面，从而使上外盖板与各运动机构不会发生摩擦。定平台的下表面凸出于动平台的下表面以及各运动机构的下表面，从而使下盖板与各运动机构不会发生摩擦。
定平台1上有沉头孔1-1-1、1-1-2、1-1-3、1-1-4、垂直螺纹通孔1-2-1、1-2-2、1-2-3、1-2-4、水平通孔1-3-1、1-3-2、1-3-3、1-3-4、1-3-5、1-3-6、紧定螺钉孔1-4-1、1-4-2、1-4-3、1-4-4、1-4-5、1-4-6；沉头孔1-1-1、1-1-2、1-1-3、1-1-4与沉头螺钉相结合来固定台体；垂直螺纹通孔1-2-1、1-2-2、1-2-3、1-2-4与紧定螺钉相结合，将上外盖板与下盖板分别固定于定平台2的上、下表面；水平通孔1-3-1用来通过对x向压电执行器9进行预紧的预紧螺钉15，水平通孔1-3-2用来通过对y1向压电执行器10进行预紧的预紧螺钉16，水平通孔1-3-3用来通过对y2向压电执行器11进行预紧的预紧螺钉17，水平通孔1-3-4、1-3-5、1-3-6分别用来放置对动平台2的x、y1、y2向输出位移进行测量的传感器(如电容式位移传感器)测头；紧定螺钉孔1-4-1、1-4-2与紧定螺钉相结合，紧定螺钉将测量动平台2沿x向输出位移的传感器(如电容式位移传感器)测头压紧固定在定平台1上。紧定螺钉孔1-4-3、1-4-4与紧定螺钉相结合，将测量动平台2沿y1向输出位移的传感器(如电容式位移传感器)测头固定在定平台1上，紧定螺钉孔1-4-5、1-4-6与紧定螺钉相结合，将测量动平台2沿y2向输出位移的传感器(如电容式位移传感器)测头固定在定平台1上。
动平台2上有垂直螺纹孔2-1～2-36，其中，垂直螺纹孔2-1、2-2、2-3、2-4用来同紧定螺钉相结合，将上内盖板固定于动平台2的上表面。垂直螺纹孔2-5～2-36用来同紧定螺钉相结合，将不同大小的承载对象固定在动平台2上。
x向位移传递机构3(如图3所示)用来将x向压电执行器9的输出位移传递给动平台2，使动平台2沿x向产生微运动，它包括U形的刚性支架3-1、位于刚性支架封闭端的外柔性薄板3-2-1、3-2-2、位于刚性支架开口端的内柔性薄板3-3-1、3-3-2、3-3-3、3-3-4、刚性连杆3-4，刚性支架3-1上有定位侧挡3-1-1、3-1-2、第一定位底挡3-1-3、螺纹通孔3-1-4，刚性连杆3-4远离动平台的一端有圆弧凸面3-4-1的第二定位底挡3-4-2；内柔性薄板3-3-1、3-3-2、3-3-3、3-3-4同刚性支架3-1、刚性连杆3-4构成内双平行四连杆机构，该内双平行四连杆机构同刚性连杆3-4上的圆弧凸面3-4-1一道，在刚性支架3-1绕刚性连杆3-4偏转时，保证x向压电执行器9不与刚性支架3-1发生相对位移，从而使x向压电执行器9不受弯矩、剪力的作用；定位侧挡3-1-1、3-1-2用来准确限定x向压电执行器9、预紧垫块12沿图3中箭头①方向的位置，使x向压电执行器9的轴线与x向位移传递机构3的中轴线重合，从而使动平台2仅沿x向产生微位移，同时避免x向压电执行器9在装配过程中脱落；第一定位底挡3-1-3、第二定位底挡3-4-2用来准确限定x向压电执行器9、预紧垫块12沿图3中箭头②方向的位置，使x向压电执行器9在装配过程中不会脱落；外柔性薄板3-2-1、3-2-2、刚性支架3-1、x向辅助机构4中的外柔性薄板4-2-1、4-2-2、刚性支架4-1以及定平台构成外双平行四连杆机构，该外双平行四连杆机构可使动平台2沿y向输出位移，并对y向的位移进行导向；x向位移传递机构3通过外柔性薄板3-2-1、3-2-2与定平台1相连接，通过刚性连杆3-4与动平台2相连接。
x向辅助机构4(如图4所示)一方面用来同x向位移传递机构3相结合，对动平台2沿y向的平动位移进行导向，使动平台2在y1向压电执行器10、y2向压电执行器11输出位移相同的情况下，仅沿y向输出位移，而不在其他方向产生耦合位移，另一方面用来给x向位移传感器(如电容式位移传感器)测头提供测量面；x向辅助机构4包括U形的刚性支架4-1、位于刚性支架封闭端的外柔性薄板4-2-1、4-2-2、位于刚性支架开口端的内柔性薄板4-3-1、4-3-2、4-3-3、4-3-4、刚性连杆4-4和测量块4-5，刚性支架4-1上有通孔4-1-1；内柔性薄板4-3-1、4-3-2、4-3-3、4-3-4同刚性支架4-1、刚性连杆4-4构成内双平行四连杆机构，该内双平行四连杆机构可使动平台2沿x向输出位移；通孔4-1-1用来穿过测量动平台2的x向输出位移的传感器(如电容式位移传感器)测头；测量块4-5用来给测量动平台2沿x向输出位移的传感器(如电容式位移传感器)测头提供测量面；x向辅助机构4通过外柔性薄板4-2-1、4-2-2与定平台1相连接，通过刚性连杆4-4与动平台2相连接。
y1向位移传递机构5(如图3所示)用来将y1向压电执行器10的输出位移传递给动平台2，使动平台2沿y1向产生微运动，它包括U形的刚性支架5-1、位于刚性支架封闭端的外柔性薄板5-2-1、5-2-2、位于刚性支架开口端的内柔性薄板5-3-1、5-3-2、5-3-3、5-3-4、刚性连杆5-4，刚性支架5-1上有定位侧挡5-1-1、5-1-2、第一定位底挡5-1-3、螺纹通孔5-1-4，刚性连杆5-4上有圆弧凸面5-4-1、第二定位底挡5-4-2；内柔性薄板5-3-1、5-3-2、5-3-3、5-3-4同刚性支架5-1、刚性连杆5-4构成内双平行四连杆机构，该内双平行四连杆机构同刚性连杆5-4上的圆弧凸面5-4-1一道，在刚性支架5-1绕刚性连杆5-4偏转时，保证y1向压电执行器10不与刚性支架5-1发生相对位移，从而使y1向压电执行器10不受弯矩、剪力的作用；定位侧挡5-1-1、5-1-2用来准确限定y1向压电执行器10、预紧垫块13沿图3中箭头①方向的位置，使y1向压电执行器10的轴线与y1向位移传递机构5的中轴线重合，从而使动平台2仅沿y1向产生微位移，同时避免y1向压电执行器10在装配过程中脱落；第一定位底挡5-1-3、第二定位底挡5-4-2用来准确限定y1向压电执行器10、预紧垫块13沿图3中箭头②方向的位置，使y1向压电执行器10在装配过程中不会脱落；外柔性薄板5-2-1、5-2-2、刚性支架5-1、y1向辅助机构6中的外柔性薄板6-2-1、6-2-2、刚性支架6-1以及定平台构成外双平行四连杆机构，该外双平行四连杆机构可使动平台2沿x向输出位移，并对x向的位移进行导向；y1向位移传递机构5通过外柔性薄板5-2-1、5-2-2与定平台1相连接，通过刚性连杆5-4与动平台2相连接。
y1向辅助机构6(如图4所示)一方面用来同y1向位移传递机构5相结合，对动平台2沿x向的位移进行导向，使动平台2在x向压电执行器9的驱动下，仅沿x向输出位移，而不在其他方向产生耦合位移，另一方面用来给y1向位移传感器(如电容式位移传感器)测头提供测量面；y1向辅助机构6包括U形的刚性支架6-1、位于刚性支架封闭端的外柔性薄板6-2-1、6-2-2、位于刚性支架开口端的内柔性薄板6-3-1、6-3-2、6-3-3、6-3-4、刚性连杆6-4、测量块6-5，刚性支架6-1上有通孔6-1-1；内柔性薄板6-3-1、6-3-2、6-3-3、6-3-4同刚性支架6-1、刚性连杆6-4构成内双平行四连杆机构，该内双平行四连杆机构可使动平台2沿y1向输出位移；通孔6-1-1用来穿过测量动平台2的y1向输出位移的传感器(如电容式位移传感器)测头；测量块6-5用来给测量动平台2沿y1向输出位移的传感器(如电容式位移传感器)测头提供测量面；y1向辅助机构6通过外柔性薄板6-2-1、6-2-2与定平台1相连接，通过刚性连杆6-4与动平台2相连接。
y2向位移传递机构7(如图3所示)用来将y2向压电执行器11的输出位移传递给动平台2，使动平台2沿y2向产生微运动，它包括刚性支架7-1、位于刚性支架封闭端的外柔性薄板7-2-1、7-2-2、位于刚性支架开口端的内柔性薄板7-3-1、7-3-2、7-3-3、7-3-4、刚性连杆7-4，刚性支架7-1上有定位侧挡7-1-1、7-1-2、第一定位底挡7-1-3、螺纹通孔7-1-4，刚性连杆7-4上有圆弧凸面7-4-1、第二定位底挡7-4-2；内柔性薄板7-3-1、7-3-2、7-3-3、7-3-4同刚性支架7-1、刚性连杆7-4构成内双平行四连杆机构，该内双平行四连杆机构同刚性连杆7-4上的圆弧凸面7-4-1一道，在刚性支架7-1绕刚性连杆7-4偏转时，保证y2向压电执行器11不与刚性支架7-1发生相对位移，从而使y2向压电执行器11不受弯矩、剪力的作用；定位侧挡7-1-1、7-1-2用来准确限定y2向压电执行器11、预紧垫块14沿图3中箭头①方向的位置，使y2向压电执行器11的轴线与y2向位移传递机构7的中轴线重合，从而使动平台2仅沿y2向产生微位移，同时避免y2向压电执行器11在装配过程中脱落；第一定位底挡7-1-3、第二定位底挡7-4-2用来准确限定y2向压电执行器11、预紧垫块14沿图3中箭头②方向的位置，使y2向压电执行器11在装配过程中不会脱落；外柔性薄板7-2-1、7-2-2、刚性支架7-1、y2向辅助机构8中的外柔性薄板8-2-1、8-2-2、刚性支架8-1以及定平台构成外双平行四连杆机构，该外双平行四连杆机构可使动平台2沿x向输出位移，并对x向的位移进行导向；y2向位移传递机构7通过外柔性薄板7-2-1、7-2-2与定平台1相连接，通过刚性连杆7-4与动平台2相连接。
y2向辅助机构8(如图4所示)一方面用来同y2向位移传递机构7相结合，对动平台2沿x向的位移进行导向，使动平台2在x向压电执行器9的驱动下，仅沿x向输出位移，而不在其他方向产生耦合位移，另一方面用来给y2向位移传感器(如电容式位移传感器)测头提供测量面；y2向辅助机构8包括刚性支架8-1、位于刚性支架封闭端外的外柔性薄板8-2-1、8-2-2、位于刚性支架开口端的内柔性薄板8-3-1、8-3-2、8-3-3、8-3-4、刚性连杆8-4、测量块8-5，刚性支架8-1上有通孔8-1-1；内柔性薄板8-3-1、8-3-2、8-3-3、8-3-4同刚性支架8-1、刚性连杆8-4构成内双平行四连杆机构，该内双平行四连杆机构可使动平台2沿y2向输出位移；通孔8-1-1用来穿过测量动平台2的y2向输出位移的传感器(如电容式位移传感器)测头；测量块8-5用来给测量动平台2沿y2向输出位移的传感器(如电容式位移传感器)测头提供测量面；y2向辅助机构8通过外柔性薄板8-2-1、8-2-2与定平台1相连接，通过刚性连杆8-4与动平台2相连接。
压电执行器分为x向压电执行器9、y1向压电执行器10、y2向压电执行器11，它们在驱动电压的作用下，分别驱动x、y1、y2向位移传递机构来输出位移；x向压电执行器9的两端面分别与x向位移传递机构3的刚性连杆3-4上的圆弧凸面3-4-1、x向预紧垫块12的端面相接触，其两侧面与x向位移传递机构3的刚性支架3-1上的定位侧挡3-1-1、3-1-2的内侧面相接触，其底面与x向位移传递机构3的刚性支架3-1上的第一定位底挡3-1-3、刚性连杆3-4上的第二定位底挡3-4-2相接触；y1向压电执行器10的两端面分别与y1向位移传递机构5的刚性连杆5-4上的圆弧凸面5-4-1、y1预紧垫块13的端面相接触，其两侧面与y1向位移传递机构5的刚性支架5-1上的定位侧挡5-1-1、5-1-2的内侧面相接触，其底面与y1向位移传递机构5的刚性支架5-1上的第一定位底挡5-1-3、刚性连杆5-4上的第二定位底挡5-4-2相接触；y2向压电执行器11的两端面分别与y2向位移传递机构7的刚性连杆7-4上的圆弧凸面7-4-1、y2预紧垫块14的端面相接触，其两侧面与y2向位移传递机构7的刚性支架7-1上的定位侧挡7-1-1、7-1-2的内侧面相接触，其底面与y2向位移传递机构7的刚性支架7-1上的第一定位底挡7-1-3、刚性连杆7-4上的第二定位底挡7-4-2相接触。
预紧垫块分为x向预紧垫块12、y1向预紧垫块13、y2向预紧垫块14，分别可使x、y1、y2向压电执行器在被相应预紧螺钉预紧时，仅受预紧螺钉的压力作用，而不受预紧螺钉的扭矩作用；x向预紧垫块12的两端面分别与x向压电执行器9的一端面、x向预紧螺钉15的一端面相接触，其两侧面与x向位移传递机构3的刚性支架3-1上的定位侧挡3-1-1、3-1-2的内侧面相接触，其底面与x向位移传递机构3的刚性支架3-1上的第一定位底挡3-1-3相接触；y1向预紧垫块13的两端面分别与y1向压电执行器10的一端面、y1向预紧螺钉16的一端面相接触，其两侧面与y1向位移传递机构5的刚性支架5-1上的定位侧挡5-1-1、5-1-2的内侧面相接触，其底面与y1向位移传递机构5的刚性支架5-1上的第一定位底挡5-1-3相接触；y2向预紧垫块14的两端面分别与y2向压电执行器11的一端面、y2向预紧螺钉17的一端面相接触，其两侧面与y2向位移传递机构7的刚性支架7-1上的定位侧挡7-1-1、7-1-2的内侧面相接触，其底面与y2向位移传递机构7的刚性支架7-1上的第一定位底挡7-1-3相接触。
预紧螺钉分为x向预紧螺钉15、y1向预紧螺钉16、y2向预紧螺钉17，分别用来对x压电执行器9、y1压电执行器10、y2向压电执行器11进行预紧；x向预紧螺钉15通过x向位移传递机构3的螺纹通孔3-1-3后，与x向预紧垫块12相接触；y1向预紧螺钉16通过y1向位移传递机构5的螺纹通孔5-1-3后，与y1向预紧垫块13相接触；y2向预紧螺钉17通过y2向位移传递机构7的螺纹通孔7-1-3后，与y2向预紧垫块14相接触。
上外盖板18(如图5所示)用来封闭定平台1的上表面以及x向位移传递机构3、x向辅助机构4、y1向位移传递机构5、y1向辅助机构6、y2向位移传递机构7、y2向辅助机构8、x向压电执行器9、y1向压电执行器10、y2向压电执行器11这九个部分的部分上表面，以防止灰尘落入，同时使柔性结构微动平台更加美观；上外盖板18上有锥形沉头孔18-1-1、18-1-2、18-1-3、18-1-4、通孔18-2-1、18-2-2、18-2-3、18-2-4、18-2-5、18-2-6；锥形沉头孔18-1-1、18-1-2、18-1-3、18-1-4从定平台1的上表面分别与定平台1上的垂直螺纹通孔1-2-1、1-2-2、1-2-3、1-2-4相对齐，并同紧定螺钉21-1、21-2、21-3、21-4相结合，将上外盖板18固定于定平台1的上表面；通孔18-2-1、13-8-2分别与定平台1上的垂直螺纹孔1-4-1、1-4-2相对齐，进而通过用来紧定x向传感器(如电容式位移传感器)测头，通孔18-2-3、13-8-4分别与定平台1上的垂直螺纹孔1-4-3、1-4-4相对齐，进而通过用来紧定y1向传感器(如电容式位移传感器)测头，通孔18-2-5、18-8-6分别与定平台1上的垂直螺纹孔1-4-5、1-4-6相对齐，进而通过用来紧定y2向传感器(如电容式位移传感器)测头。
上内盖板19(如图6所示)用来封闭动平台2的上表面以及x向位移传递机构3、x向辅助机构4、y1向位移传递机构5、y1向辅助机构6、y2向位移传递机构7、y2向辅助机构8、x向压电执行器9、y1向压电执行器10、y2向压电执行器11这九个部分的部分上表面，以防止灰尘落入，同时使柔性结构微动平台更加美观；上内盖板19上有锥形沉头孔19-1-1、19-1-2、19-1-3、19-1-4、通孔19-2-1～19-2-32；锥形沉头孔19-1-1、19-1-2、19-1-3、19-1-4分别与动平台2的上表面上的垂直螺纹孔2-2-1、2-2-2、2-2-3、2-2-4相对齐，并同紧定螺钉21-5、21-6、21-7、21-8相结合，将上内盖板14固定于动平台2的上表面；通孔14-2-1～14-2-32分别与动平台2上的垂直螺纹孔2-5～2-36相对齐。
下盖板20(如图7所示)用来封闭定平台1与动平台2的下表面以及x向位移传递机构3、x向辅助机构4、y1向位移传递机构5、y1向辅助机构6、y2向位移传递机构7、y2向辅助机构8、x向压电执行器9、y1向压电执行器10、y2向压电执行器11这九个部分的下表面，以防止灰尘落入，同时使柔性结构微动平台更加美观；下盖板20上有锥形沉头孔20-1、20-2、20-3、20-4，它们从定平台1的下表面分别与定平台1上的垂直螺纹通孔1-2-1、1-2-2、1-2-3、1-2-4相对齐，并同紧定螺钉21-9、21-10、21-11、21-12相结合，将下盖板20固定于定平台1的下表面。
如图1(a)所示，仅x向压电执行器9在驱动电压作用下沿x向输出微位移，该位移通过x向位移传递机构3的刚性连杆3-4传递给动平台2，由于y1向位移传递机构5与y1向辅助机构6、y2向位移传递机构7与y2向辅助机构8对平台2沿x向的导向作用，动平台2便沿x向输出严格的直线微位移，而不在y向产生耦合位移。
如图1(a)所示，y1向压电执行器10、y2向压电执行器11同时在驱动电压作用下沿y向输出相同的微位移，这两个相同的位移分别通过y1向位移传递机构5的刚性连杆5-4、y2向位移传递机构7的刚性连杆7-4传递给动平台2，由于x向位移传递机构3与x向辅助机构4对平台2沿y向的导向作用，动平台2便沿y向输出严格的直线微位移，而不在x向产生耦合位移。
如图1(a)所示，仅y1向压电执行器10在驱动电压作用下沿y1向输出微位移，动平台2便沿θz向(即绕z旋转)顺时针输出微转角；仅y2向压电执行器11在驱动电压作用下沿y2向输出微位移，动平台2便沿θz向(即绕z旋转)逆时针输出微转角。
如图1(a)所示，x向压电执行器9在驱动电压作用下沿x向输出微位移，同时，y1向压电执行器10、y2向压电执行器11在驱动电压作用下沿y向输出相同的微位移，动平台2便同时沿x与y向输出严格的直线微位移，而不耦合寄生位移。
如图1(a)所示，x向压电执行器9在驱动电压作用下沿x向输出微位移，同时，y1向压电执行器10在驱动电压作用下沿y1向输出微位移，动平台2便同时沿x向输出微位移、θz向(即绕z旋转)顺时针输出微转角；x向压电执行器9在驱动电压作用下沿x向输出微位移，同时，y2向压电执行器11在驱动电压作用下沿y2向输出微位移，动平台2便同时沿x向输出微位移、θz向(即绕z旋转)逆时针输出微转角。
如图1(a)所示，y1向压电执行器10、y2向压电执行器11同时在驱动电压作用下沿y向输出不同的微位移，当y1向压电执行器10的输出位移大于y2向压电执行器11的输出位移时，动平台2便同时沿y向输出微位移、θz向(即绕z旋转)顺时针输出微转角；当y2向压电执行器11的输出位移大于y1向压电执行器10的输出位移时，动平台2便同时沿y向输出微位移、θz向(即绕z旋转)逆时针输出微转角。
如图1(a)所示，x向压电执行器9、y1向压电执行器10、y2向压电执行器11同时在驱动电压作用下输出微位移，当y1向压电执行器10的输出位移大于y2向压电执行器11的输出位移时，动平台2便同时沿x与y向输出微位移、θz向(即绕z旋转)顺时针输出微转角；当y2向压电执行器11的输出位移大于y1向压电执行器10的输出位移时，动平台2便同时沿x与y向输出微位移、θz向(即绕z旋转)逆时针输出微转角。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (7)

1.一种两平动一转动三自由度并联柔性结构压电微动平台，包括定平台、动平台和三组运动机构，动平台在定平台内部，动平台的上表面凸出于定平台的上表面，定平台的上表面凸出于各运动机构的上表面，定平台的下表面凸出于动平台的下表面以及各运动机构的下表面；一组运动机构设置于横向，另外两组置于纵向，横向运动机构对准动平台的中心，两组纵向运动机构对称设置；每一组运动机构包含位移传递机构和辅助机构，位移传递机构与辅助机构对称设置；位移传递机构和辅助机构分别包括各自的刚性支架、内柔性薄板组、刚性连杆、外柔性薄板组，刚性支架呈U形，刚性支架的开口端设有内柔性薄板组，内柔性薄板组包括两对内柔性薄板，每对内柔性薄板中的两个内柔性薄板相互平行，两对内柔性薄板关于刚性连杆对称，每个内柔性薄板一端与刚性连杆连接，另一端与刚性支架连接，刚性连杆与动平台连接；刚性支架的封闭端的外侧对称地设有一对外柔性薄板，封闭端的外柔性薄板与刚性支架的侧臂平行，且封闭端的外柔性薄板一端与刚性支架封闭端连接，另一端与定平台连接；刚性支架、内柔性薄板组和刚性连杆构成内双平行四连杆机构，在刚性支架绕刚性连杆偏转时，内柔性薄板发生弯曲形变，内双平行四连杆机构可保证位于刚性支架内的压电执行器不与刚性支架发生相对位移，从而使压电执行器不受弯矩、剪力的作用；某一方向位移传递机构刚性支架及其封闭端两侧的外柔性薄板、该方向辅助机构刚性支架及其封闭端两侧的外柔性薄板、定平台构成外双平行四连杆机构，该外双平行四连杆机构可使动平台沿另一方向输出位移并对该位移进行导向；位移传递机构的刚性支架内安装压电执行器，压电执行器一端抵住刚性支架的封闭端，另一端抵住刚性连杆的内端，压电执行器和刚性支架的封闭端之间有预紧垫块。
2.如权利要求1所述的两平动一转动三自由度并联柔性结构压电微动平台，其特征在于：定平台上具有穿设位移传感器的安装孔，辅助机构的刚性连杆连接测量块，测量块对准安装孔，定位平台上设有紧定螺钉孔，紧定螺钉孔的轴向为安装孔的径向；位移传递机构和辅助机构位于动平台和定平台之间，刚性支架与定平台以及动平台之间有间隙。
3.如权利要求2所述的两平动一转动三自由度并联柔性结构压电微动平台，其特征在于：每个位移传递机构的刚性连杆与压电执行器接触的内端为圆弧凸面。
4.如权利要求3所述的两平动一转动三自由度并联柔性结构压电微动平台，其特征在于：每个位移传递机构和每个辅助机构分别安装于各自的容纳腔内，每个容纳腔由位于定平台的槽和位于动平台的槽对位拼合而成，每个位移传递机构的刚性支架或每个辅助机构的刚性支架与容纳腔之间有间隙。
5.如权利要求4所述的两平动一转动三自由度并联柔性结构压电微动平台，其特征在于：刚性支架封闭端的内侧面上设有第一定位底挡和两个定位侧挡，第一定位底挡在两个定位侧挡内，定位侧挡和第一定位底挡围成的区域与刚性支架的封闭端对中；刚性连杆的内端设有第二定位底挡，第二定位底挡为由刚性连杆的底面向内延伸形成的薄板，第二定位底挡与刚性连杆圆弧凸面对中。
6.如权利要求5所述的两平动一转动三自由度并联柔性结构压电微动平台，其特征在于：每个压电执行器均有一个预紧螺钉，预紧螺钉依次穿过定平台和刚性支架抵紧压电执行器，预紧螺钉和压电执行器之间设置预紧垫块。
7.如权利要求6所述的两平动一转动三自由度并联柔性结构压电微动平台，其特征在于：平台具有上外盖板、上内盖板和下盖板，上外盖板封住定平台、位移传递机构和辅助机构的刚性支架封闭端的部分，并通过螺钉与定平台固定；上内盖板封住动平台、位移传递机构和辅助机构的刚性支架开口端的部分，并通过螺钉与动平台固定；下盖板封住定平台的底部和动平台的底部，并通过螺钉与定平台固定。
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