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CN113464780B - 一种空间三平移自由度柔顺定位平台 - Google Patents

一种空间三平移自由度柔顺定位平台 Download PDF

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CN113464780B CN202110572917.9A CN202110572917A CN113464780B CN 113464780 B CN113464780 B CN 113464780B CN 202110572917 A CN202110572917 A CN 202110572917A CN 113464780 B CN113464780 B CN 113464780B
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Abstract

一种空间三平移自由度柔顺定位平台，包括平面复合柔顺机构以及竖向柔性机构；平面复合柔顺机构包括框体以及第一运动平台；平面复合柔顺机构还包括两个纵向复合柔性铰链以及两个横向复合柔性铰链；平面复合柔顺机构还包括第一音圈电机以及第二音圈电机；两个纵向复合柔性铰链分别和第一运动平台的纵向两侧连接，还分别与框体和第一音圈电机的动圈连接；两个横向复合柔性铰链分别和第一运动平台的横向两侧连接，还分别与框体和第二音圈电机的动圈连接；竖向柔性机构主要包括第二运动平台、第一竖向复合柔性铰链、第二竖向复合柔性铰链以及竖向驱动总成。本发明的空间三平移自由度柔顺定位平台设计新颖，实用性强。

Description

一种空间三平移自由度柔顺定位平台
技术领域
本发明涉及一种空间三自由度定位技术领域，尤其涉及一种在平面上具有X、Y二个平移自由度、同时在垂直平面方向还有一个Z向平移自由度的大行程精密的空间三平移自由度柔顺定位平台。
背景技术
精密定位平台的构建方式可以分为两种类型：一种是使用滚珠丝杆、伺服电机和刚性机构并通过刚性传动来构建的定位平台，简称刚性定位台，其有间隙、回差及磨损等几个传统固有问题；另一种是使用柔顺机构通过柔性传动来构建的定位平台，简称柔性定位台或柔顺定位台，其具有无间隙、无摩擦力、无磨损、无回差、免润滑、高精度、高稳定性且结构紧凑等优点，这使柔顺定位台在精密定位平台领域占据了极大的技术优势。
柔顺定位台的动力来源于驱动器，驱动器也决定了柔顺定位台的输出行程的大小及定位误差的大小。压电陶瓷驱动器PEA(Piezoelectric Actuator)和电磁驱动器EMA(Electromagnetic Actuator)是两种典型的平移动力驱动器。压电陶瓷以其体积小、出力大、分辨率和频响高的优点，目前广泛地被用作柔顺定位台的驱动器。但是，压电陶瓷的输出位移一般在几微米或几十微米的范围内，这就使柔顺定位台仅有几十微米的输出行程。
为了提升柔顺定位台的输出行程，人们采用了一种微位移放大机构，例如一种桥式微位移放大机构(简称桥式放大器)来实现对压电陶瓷输出位移的传递及放大。尽管使用了桥式放大器，柔顺定位台输出行程的提升一般不会超过10倍，即带桥式放大器的压电陶瓷驱动型柔顺定位台一般仅有一百微米或数百微米的输出行程。有限的输出行程给柔顺定位台的应用带来了不便。
行程超过1mm的精密定位台可称为大行程精密定位台。构建大行程柔顺型精密定位台必须使用可以实现大行程移动的柔顺机构，同时提供动力源的驱动器也应具备大行程驱动能力。另外为满足多自由度应用场合，柔顺型精密定位台应具有多自由度一体式的结构。这些要求给柔顺型精密定位台的构建提出极大的挑战，迫切需要一种巧妙的综合解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术问题，提出一种空间三平移自由度柔顺定位平台，可提供毫米量级的行程及微米量级或纳米量级定位能力。
本发明解决其技术问题的技术方案是：
本发明提出了一种空间三平移自由度柔顺定位平台，包括平面复合柔顺机构、竖向柔性机构、机座以及两个电机支撑构件；两个电机支撑构件分别固定地安装在机座上；
平面复合柔顺机构包括框体以及处于框体中的第一运动平台；平面复合柔顺机构还包括两个纵向复合柔性铰链以及两个横向复合柔性铰链；纵向复合柔性铰链和横向复合柔性铰链的结构相同，均包括第一柔性铰链以及分别设置在第一柔性铰链两端、用于配合使第一运动平台具有竖向运动自由度的两个第二柔性铰链；
平面复合柔顺机构还包括第一音圈电机以及第二音圈电机；两个纵向复合柔性铰链各自靠中部的第二柔性铰链分别和第一运动平台的纵向两侧连接，该两个纵向复合柔性铰链各自靠外部的第二柔性铰链分别与框体和第一音圈电机的动圈连接；
两个横向复合柔性铰链各自靠中部的第二柔性铰链分别和第一运动平台的横向两侧连接，该两个横向复合柔性铰链各自靠外部的第二柔性铰链分别与框体和第二音圈电机的动圈连接；
第一音圈电机的定圈和第二音圈电机的定圈分别固定地安装在两个电机支撑构件上；
竖向柔性机构包括固定板、第二运动平台、连接在第一运动平台与第二运动平台之间的第一竖向复合柔性铰链、连接在固定板与第二运动平台之间的第二竖向复合柔性铰链、将固定板与机座连接在一起的支撑板以及用于驱动第一运动平台竖向运动的竖向驱动总成。
本发明上述的空间三平移自由度柔顺定位平台中，还包括支撑立柱；支撑立柱固定地安装在机座上；框体固定地安装在支撑立柱上。
本发明上述的空间三平移自由度柔顺定位平台中，还包括侧支撑件，侧支撑件底部固定地安装在机座上，侧支撑件的顶部与框体固定。
本发明上述的空间三平移自由度柔顺定位平台中，第一竖向复合柔性铰链有多个，第二竖向复合柔性铰链也有多个；多个第一竖向复合柔性铰链位于第二运动平台的外侧，多个第二竖向复合柔性铰链位于第二运动平台的内侧。
本发明上述的空间三平移自由度柔顺定位平台中，第一竖向复合柔性铰链和第二竖向复合柔性铰链均包括两个互相垂直的第三柔性铰链。
本发明上述的空间三平移自由度柔顺定位平台中，竖向驱动总成包括底座，固定安装在底座上的外壳，穿透外壳上部的可伸缩的顶针，联轴器以及安装在底座上并位于外壳内部且通过联轴器与顶针的一端连接、用于驱动顶针伸缩的第三音圈电机；顶针的另一端和第一运动平台连接。
本发明上述的空间三平移自由度柔顺定位平台中，竖向驱动总成还包括可滚动地安装在顶针上的钢珠，顶针通过钢珠与第一运动平台连接。
本发明上述的空间三平移自由度柔顺定位平台中，竖向驱动总成还包括安装在顶针和外壳之间的滑动轴承。
本发明主要公开了一种具有大行程精密的空间三平移自由度柔顺定位平台，整个空间三平移自由度柔顺定位平台采用对称设计，可有效抑制第一运动平台耦合位移的产生，对称设计的平面复合柔顺机构实现第一运动平台X、Y方向的位移，对称设计抑制平台寄生位移的产生，同时将竖向驱动总成与第一运动平台进行隔离，避免了第一运动平台的运动对竖向驱动总成输出位移的影响。竖向柔性机构利用设计的八个复合柔性铰链实现竖直方向的运动，同时八个复合柔性铰链的优化布局有效避免了第一运动平台寄生位移的产生。平面复合柔顺机构以及竖向柔性机构的使用保证了三个音圈电机输入位移的柔性传动，总体上实现了定位台的运动行程大、定位精度高、响应快的特点。本发明的空间三平移自由度柔顺定位平台设计新颖，实用性强。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1示出了本发明优选实施例的空间三平移自由度柔顺定位平台的结构示意图；
图2示出了图1所示的空间三平移自由度柔顺定位平台的平面复合柔顺机构的结构示意图；
图3示出了图1所示的空间三平移自由度柔顺定位平台的竖向柔性机构的结构示意图；
图4示出了图3所示的竖向柔性机构的第一竖向复合柔性铰链的结构示意图；
图5示出了图3所示的竖向柔性机构的第二竖向复合柔性铰链的结构示意图；
图6示出了图3所示的竖向柔性机构的竖向驱动总成的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的技术目的、技术方案以及技术效果更为清楚，以便于本领域技术人员理解和实施本发明，下面将结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
如图1-图6所示，图1示出了本发明优选实施例的空间三平移自由度柔顺定位平台的结构示意图；图2示出了图1所示的空间三平移自由度柔顺定位平台的平面复合柔顺机构的结构示意图；图3示出了图1所示的空间三平移自由度柔顺定位平台的竖向柔性机构的结构示意图；图4示出了图3所示的竖向柔性机构的第一竖向复合柔性铰链的结构示意图；图5示出了图3所示的竖向柔性机构的第二竖向复合柔性铰链的结构示意图；图6示出了图3所示的竖向柔性机构的竖向驱动总成的结构示意图。具体地，一种空间三平移自由度柔顺定位平台，其特征在于，包括平面复合柔顺机构100、竖向柔性机构200、机座1以及两个电机支撑构件2；两个电机支撑构件2分别固定地安装在机座1上；
平面复合柔顺机构100包括框体13以及处于框体13中的第一运动平台5；平面复合柔顺机构100还包括两个纵向复合柔性铰链14以及两个横向复合柔性铰链15；纵向复合柔性铰链14和横向复合柔性铰链15的结构相同，均包括第一柔性铰链16以及分别设置在第一柔性铰链16两端、用于配合使第一运动平台5具有竖向运动自由度的两个第二柔性铰链17；
平面复合柔顺机构100还包括第一音圈电机41以及第二音圈电机42；两个纵向复合柔性铰链14各自靠中部的第二柔性铰链17分别和第一运动平台5的纵向两侧连接，该两个纵向复合柔性铰链14各自靠外部的第二柔性铰链17分别与框体13和第一音圈电机41的动圈连接；
两个横向复合柔性铰链15各自靠中部的第二柔性铰链17分别和第一运动平台5的横向两侧连接，该两个横向复合柔性铰链15各自靠外部的第二柔性铰链17分别与框体13和第二音圈电机42的动圈连接；
第一音圈电机41的定圈和第二音圈电机42的定圈分别固定地安装在两个电机支撑构件2上；
竖向柔性机构200包括固定板6、第二运动平台11、连接在第一运动平台5与第二运动平台11之间的第一竖向复合柔性铰链9、连接在固定板6与第二运动平台11之间的第二竖向复合柔性铰链10、将固定板6与机座1连接在一起的支撑板8以及用于驱动第一运动平台5竖向运动的竖向驱动总成12。
上述技术方案为基础方案，通过第一音圈电机41以及第二音圈电机42，平面复合柔顺机构100可实现第一运动平台5沿XY方向的平移运动；通过采用竖向驱动总成12可实现第一运动平台5沿Z方向的平移运动。在本实施例中，竖向驱动总成12用于驱动第一运动平台5相对于机座1竖向运动。
进一步地，在本实施例中，空间三平移自由度柔顺定位平台，其特征在于，还包括支撑立柱3；支撑立柱3固定地安装在机座1上；框体13固定地安装在支撑立柱3上。
空间三平移自由度柔顺定位平台还包括侧支撑件7，侧支撑件7底部固定地安装在机座1上，侧支撑件7的顶部与框体13固定。在本实施例中，框体13呈口字型，框体13的四角与支撑立柱3连接，框体13的侧边与侧支撑件7连接。
进一步地，在本实施例中，第一竖向复合柔性铰链9有多个，第二竖向复合柔性铰链10也有多个；多个第一竖向复合柔性铰链9位于第二运动平台11的外侧，多个第二竖向复合柔性铰链10位于第二运动平台11的内侧；第一竖向复合柔性铰链9的两端分别连接在第一运动平台5和第二运动平台11之间；第二竖向复合柔性铰链10的两端分别连接在固定板6和第二运动平台11之间。由此，多个第一竖向复合柔性铰链9互相并联为一组，多个第二竖向复合柔性铰链10互相并联为另一组；第一竖向复合柔性铰链9和第二竖向复合柔性铰链10通过第二运动平台11串联为复合柔顺平行四杆机构，组成竖向驱动总成12和第一运动平台5之间的Z向柔性单元。在本实施例中，第一竖向复合柔性铰链9有四个，第二竖向复合柔性铰链10也有四个。
优选地，在本实施例中，第一竖向复合柔性铰链9和第二竖向复合柔性铰链10的结构可以相同，也可以不同，可以均包括直接或间接连接的两个互相垂直的第三柔性铰链18，从而使得Z向柔性单元具有X、Y方向的运动能力。
在本实施例中，第一竖向复合柔性铰链9和第二竖向复合柔性铰链10均为菱形柔性铰链，Z向柔性单元通过菱形柔性铰链的菱形结构传递Z向位移。在第一竖向复合柔性铰链9或第二竖向复合柔性铰链10中，通过互相垂直的第三柔性铰链18，第一竖向复合柔性铰链9或第二竖向复合柔性铰链10可以沿着壁厚的方向进行弯曲，进而发生垂直于薄壁厚度方向的旋转，来实现第一运动平台沿X、Y方向运动或位移的传递。
进一步地，竖向驱动总成12包括底座121，固定安装在底座121上的外壳122，穿透外壳122上部的可伸缩的顶针125，联轴器124以及安装在底座121上并位于外壳122内部且通过联轴器124与顶针125的一端连接、用于驱动顶针125伸缩的第三音圈电机123；顶针125的另一端和第一运动平台5连接。
优选地，在本实施例中，竖向驱动总成12还包括可滚动地安装在顶针125上的钢珠127，顶针125通过钢珠127与第一运动平台5连接；钢珠的作用是保证竖向驱动总成只为第一运动平台提供Z轴方向的力，而不会对第一运动平台在X、Y轴方向的移动产生影响。
进一步地，竖向驱动总成12还包括安装在顶针125和外壳122之间的滑动轴承126。
本发明主要公开了一种具有大行程精密的空间三平移自由度柔顺定位平台，整个空间三平移自由度柔顺定位平台采用对称设计，可有效抑制第一运动平台耦合位移的产生，对称设计的平面复合柔顺机构实现第一运动平台X、Y方向的位移，对称设计抑制了平台寄生位移的产生，同时将竖向驱动总成12与第一运动平台进行隔离，避免了第一运动平台的运动对竖向驱动总成12输出位移的影响。竖向柔性机构200利用设计的Z向柔性单元实现竖直方向的Z轴运动，同时有效避免第一运动平台寄生位移的产生。平面复合柔顺机构以及竖向柔性机构的使用保证了三个音圈电机输入位移的柔性传动，总体上实现了定位台的运动行程大、定位精度高、响应快的特点。
整个空间三平移自由度柔顺定位平台基本使用线切割加工，避免机加工产生的应力及机械装配带来的误差。通过对空间三平移自由度柔顺定位平台进行模态分析，得到其六阶固有频率在104.49HZ—228.28HZ之间。再对该空间三平移自由度柔顺定位平台进行输入及耦合输出位移分析，得出X、Y、Z方向的耦合位移均小于0.03％，可忽略不计。表明该空间三平移自由度柔顺定位平台避免了其他多自由度柔顺定位平台常会出现的运动解耦问题。通过以上分析，可以看到本发明的空间三平移自由度柔顺定位平台具有较好的动态特性，可广泛应用于精密定位、精密与超精密加工、精密操作、精密测量及微机电系统等相关领域。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种空间三平移自由度柔顺定位平台，其特征在于，包括平面复合柔顺机构(100)、竖向柔性机构(200)、机座(1)以及两个电机支撑构件(2)；两个电机支撑构件(2)分别固定地安装在机座(1)上；
平面复合柔顺机构(100)包括框体(13)以及处于框体(13)中的第一运动平台(5)；平面复合柔顺机构(100)还包括两个纵向复合柔性铰链(14)以及两个横向复合柔性铰链(15)；纵向复合柔性铰链(14)和横向复合柔性铰链(15)的结构相同，均包括第一柔性铰链(16)以及分别设置在第一柔性铰链(16)两端、用于配合使第一运动平台(5)具有竖向运动自由度的两个第二柔性铰链(17)；
平面复合柔顺机构(100)还包括第一音圈电机(41)以及第二音圈电机(42)；两个纵向复合柔性铰链(14)各自靠中部的第二柔性铰链(17)分别和第一运动平台(5)的纵向两侧连接，该两个纵向复合柔性铰链(14)各自靠外部的第二柔性铰链(17)分别与框体(13)和第一音圈电机(41)的动圈连接；
两个横向复合柔性铰链(15)各自靠中部的第二柔性铰链(17)分别和第一运动平台(5)的横向两侧连接，该两个横向复合柔性铰链(15)各自靠外部的第二柔性铰链(17)分别与框体(13)和第二音圈电机(42)的动圈连接；
第一音圈电机(41)的定圈和第二音圈电机(42)的定圈分别固定地安装在两个电机支撑构件(2)上；
竖向柔性机构(200)包括固定板(6)、第二运动平台(11)、连接在第一运动平台(5)与第二运动平台(11)之间的第一竖向复合柔性铰链(9)、连接在固定板(6)与第二运动平台(11)之间的第二竖向复合柔性铰链(10)、将固定板(6)与机座(1)连接在一起的支撑板(8)以及用于驱动第一运动平台(5)竖向运动的竖向驱动总成(12)；
第一竖向复合柔性铰链(9)有多个，第二竖向复合柔性铰链(10)也有多个；多个第一竖向复合柔性铰链(9)位于第二运动平台(11)的外侧，多个第二竖向复合柔性铰链(10)位于第二运动平台(11)的内侧；
第一竖向复合柔性铰链(9)和第二竖向复合柔性铰链(10)均包括两个互相垂直的第三柔性铰链(18)；
竖向驱动总成(12)包括底座(121)，固定安装在底座(121)上的外壳(122)，穿透外壳(122)上部的可伸缩的顶针(125)，联轴器(124)以及安装在底座(121)上并位于外壳(122)内部且通过联轴器(124)与顶针(125)的一端连接、用于驱动顶针(125)伸缩的第三音圈电机(123)；顶针(125)的另一端和第一运动平台(5)连接；
竖向驱动总成(12)还包括可滚动地安装在顶针(125)上的钢珠(127)，顶针(125)通过钢珠(127)与第一运动平台(5)连接；竖向驱动总成(12)还包括安装在顶针(125)和外壳(122)之间的滑动轴承(126)；
通过平面复合柔顺机构(100)，避免了第一运动平台(5)的运动对竖向驱动总成(12)输出位移的影响。
2.根据权利要求1所述的空间三平移自由度柔顺定位平台，其特征在于，还包括支撑立柱(3)；支撑立柱(3)固定地安装在机座(1)上；框体(13)固定地安装在支撑立柱(3)上。
3.根据权利要求2所述的空间三平移自由度柔顺定位平台，其特征在于，还包括侧支撑件(7)，侧支撑件(7)底部固定地安装在机座(1)上，侧支撑件(7)的顶部与框体(13)固定。
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