CN101850547B - 靶定位六自由度串联机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用于惯性约束核聚变中的靶定位六自由度串联机器人。它采用平移和旋转分开的串联机构形式，由一套三维平移工作台和一套三维旋转机器人组成。每一个方向的平动和转动都由一个真空特殊电机作动器驱动，每一个运动都是相对独立的，在空间上能完成六个自由度的精密运动。本发明建立了一个在空间具有六自由度的精密真空定位机构，结构紧凑，占空角度小，运动分辨率高，控制容易，定位精确。
Description
技术领域
本发明涉及一种真空精密定位机构，特别是一种靶定位六自由度串联机器人。
技术背景
随着能源矛盾的日益加剧，人们一直致力于寻找一种新型能源。惯性约束核聚变(ICF)在新型能源方面有着非常好的前景，是近年来各发达国家争相研究的领域。在惯性约束核聚变实验中，需要通过靶支撑定位装置将靶精确定位在直径为数米的真空靶室中心附近一个极小的范围内。根据靶的调整需要，要求靶支撑定位装置具有六个自由度，其系统整体定位精度要求在微米级。目前在各国的ICF靶支撑定位装置中主要有两种机构：并联机构和串联机构。所采用的并联机器人具有刚度大，运动精度高，承载能力大的优点，但也存在控制难，空间位置容易干涉，运动空间小，占空角度过大等缺点；所采用的串联机器人具有控制简单，运动空间大的优点，但也存在结构安排不合理，刚度小，占空角度过大和运动精度不高等缺点。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种靶定位六自由度串联机器人，具有结构紧凑，布局合理，占空角度小，运动分辨率高，控制容易，定位精确等优点。
为达到上述的目的，本发明的构思是：本发明结合以往并联机构和串联机构的优点，采用三维平移和三维旋转分开的串联机构形式，将三维旋转部件和三维平移运动部件分开布置，三维旋转部件安装在头部，提高运动分辨率和定位精度；三维平移运动部件安装在远离头部的基座，减轻头部质量以减少系统变形，总体上达到六个自由度，满足空间定位及占空角度的要求。使整体靶定位机构更加平稳，结构更加简单，定位更加精确，控制更加容易。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种靶定位六自由度串联机器人，由一套快速换靶机构，一套三维旋转机器人，一个中间连接套筒和一套三维平移工作台组成；其特征在于所述中间连接套筒后端固定在三维平移工作台的前端，所述三维旋转机器人固定在中间连接套筒前端，所述快速换靶机构与三维旋转机器人前端连接在一起。
上述快速换靶机构由一个靶套筒，一个靶支撑杆，一个V形块，一个燕尾圆盘组成；实验靶通过紧定螺钉固定于靶套筒的孔内，靶套筒通过紧定螺钉固定于靶支撑杆的孔内，靶支撑杆通过挡圈和紧定螺钉固定在V形块上，V形块通过滚花螺钉固定在燕尾圆盘上，挡片一端嵌于靶支撑杆中，一端通过弹簧和紧定螺钉与V形块连接。
上述三维旋转机器人由θx、θy二维旋转机器人和θz旋转机构组成。所述快速换靶机构与θx、θy二维旋转机器人前端连接，所述θz旋转机构与θx、θy二维旋转机器人后端连接。
上述θx、θy二维旋转机器人由一个大圆盘，两个平顶头，一个小圆盘，一个连轴套，两个真空特殊电机作动器，一个支撑球，两个调节螺帽，两个V形顶头组成；所述大圆盘与小圆盘通过螺钉及垫片与支撑球连接。所述平顶头和V形顶头通过紧定螺钉固定于在大圆盘上，所述支撑球通过螺钉与连轴套相连，所述调节螺帽安装在连轴套上，所述真空特殊电机作动器通过紧定螺钉固定在连轴套上，所述调节螺帽和V形顶头之间安装弹簧和钢球。
上述θz旋转机构由一个法兰，一根转轴，一个外套筒，两个深沟球轴承，一个挡片，一个轴承座，一个真空特殊电机作动器组成；所述法兰和转轴通过螺钉固定连接在一起；所述两个深沟球轴承固定在转轴上，左侧通过挡圈固定于轴承座和转轴上，右侧通过圆螺母固定在轴承座和转轴上；挡片通过紧定螺钉一端固定在转轴上，另一端与安装在轴承座上的弹簧和真空特殊电机作动器连接；所述真空特殊电机作动器通过紧定螺钉固定在轴承座上；轴承座通过螺钉固定于中间连接套筒前端。
上述三维平移工作台由三个功能完全相同的一维平移工作台串联组成。每个一维平移工作台都能完成一个方向上的平移运动，串联后可以实现X、Y、Z轴方向的平移运动。
上述三维平移工作台由三个功能完全相同、结构相似的一维平移工作台串联组成。以上述Y方向一维平移工作台为例，其结构由一个平移滑台，一个编辑器支架座，一个编码器支架，一个编码器，一个转接轴，一个电机座，一个电机顶块，两个限位开关，一个限位开关挡片，一个角板，一个真空特殊电机作动器，一个Z轴座组成。所述真空特殊电机作动器安装在电机座上，电机顶块安装在平移滑台的运动部份，电机座安装在平移滑台固定部份，转接轴与真空特殊电机作动器尾部固定后与编码器相连，编码器支架与编码器连接，一起固定在编码器支架座上，编码器支架座及限位开关挡片安装在平移滑台的运动部份，而限位开关安装在平移滑台的固定部份，角板通过螺钉与一维平移工作台连接，Z轴座通过螺钉与中间连接套筒后端连接。
本发明与现有技术相比较，具有如下特点：本发明结构紧凑，占空角度小，运动分辨率高，控制容易，定位精确。
附图说明
图1是本发明一个实例的整体结构示意图。
图2是图1示例快速换靶机构示意图(其中，图(a)为主视图，图(b)为图(a)中A-A处剖视图)。
图3是图1示例的三维平移工作台结构示意图(其中，图(a)为主视图，图(b)为左视图)。
图4是图1示例的θx、θy二维旋转机器人结构示意图。
图5是图1示例的θz旋转机构结构示意图。(其中，图(a)为主视图，图(b)为图(a)中F-F处剖视图)
图6是图3示例的一维平移工作台的结构示意图(其中，图(a)为主视图，图(b)为左视图)。
具体实施方法
本发明的优选实例结合附图说明如下；
实施例一：参照图1，本靶定位六自由度串联机器人由快速换靶机构1，三维旋转机器人2，中间连接套筒3和三维平移工作台4组成。所述快速换靶机构1通过螺钉与三维旋转机器人2前端连接在一起，所述三维旋转机器人2固定在中间连接套筒3前端，所述中间连接套筒3后端固定在三维平移工作台4的前端。
实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：参考图2，上述快速换靶机构1由一个靶套筒5，一个靶支撑杆6，一个V形块7，一个燕尾圆盘8组成。实验靶5.1通过紧定螺钉5.2固定于靶套筒5的孔内；靶套筒5上刻有等间距刻线，以便调整实验靶的轴向位置，并通过紧定螺钉6.1固定于靶支撑杆6的孔内；靶支撑杆6通过右端的挡圈7.1轴向固定在V形块7上，靶支撑杆6的右端嵌入挡片6.2，调整紧定螺钉7.4推动挡片6.2，在弹簧7.3的作用下可以使靶支撑杆6绕自身轴线转动，以便调整实验靶5.1的径向位置，位置确定后通过下端的紧定螺钉7.2固定在V形块7上。V形块7可以方便地插入与θx、θy二维旋转机器人2-1前端连接的燕尾圆盘8内，并由滚花螺钉8.1锁紧。可以制作多个快速换靶机构1备份方便换靶。
参照图1、图4和图5，上述三维旋转机器人2由θx、θy二维旋转机器人2-1和θz旋转机构2-2组成。所述快速换靶机构1与θx、θy二维旋转机器人2-1前端连接，所述θz旋转机构2-2与θx、θy二维旋转机器人2-1后端连接。
参照图3，上述的三维平移工作台4由三个功能完全相同、结构相似的一维平移工作台9、10、11串联组成。每个一维平移工作台(9、10或11)都能完成一个方向上的平移运动，其中9完成Y轴方向的平移运动，10完成X轴方向的平移运动，11完成Z轴方向的平移运动。
参照图4，上述θx、θy二维旋转机器人2-1由一个大圆盘12，两个平顶头13，一个小圆盘14，一个连轴套15，两个真空特殊电机作动器16，一个支撑球17，两个调节螺帽18，两个V形顶头19组成。所述大圆盘12与小圆盘14通过螺钉14.1及垫片14.2与支撑球17连接，所述平顶头13和V形顶头19通过紧定螺钉12.1固定于在大圆盘12上，所述支撑球17通过螺钉17.1与连轴套15相连，所述调节螺帽18安装在连轴套15上，所述真空特殊电机作动器16通过紧定螺钉15.1固定在连轴套15上，所述调节螺帽18和V形顶头19之间安装弹簧18.1和钢球18.2。所述真空特殊电机作动器16成90o分布，其对径位置安装弹簧18.1。由上述结构中的真空特殊电机作动器16的球头顶动大圆盘12上的平顶头13，在对径V形顶头19内的钢球18.2和弹簧18.1作用下，可以使大圆盘12绕支撑球17摆动，实现机器人绕着X、Y轴方向的二维旋转运动。
参照图5，上述θz旋转机构2-2由一个法兰20，一根转轴21，一个外套筒22，两个深沟球轴承23，一个挡片24，一个轴承座25，一个真空特殊电机作动器26组成。所述法兰20和转轴21通过螺钉20.1固定连接在一起；所述两个深沟球轴承23固定在转轴21上，左侧通过挡圈21.1固定于轴承座25和转轴21上，右侧通过圆螺母21.2固定在轴承座25和转轴21上；挡片24通过紧定螺钉21.3一端固定在转轴21上，另一端与安装在轴承座25上的弹簧21.4和真空特殊电机作动器26连接；所述真空特殊电机作动器26通过紧定螺钉25.1固定在轴承座25上；轴承座25通过螺钉25.2固定于中间连接套筒3前端。由上述结构中的真空特殊电机作动器26球头顶动挡片24，由挡片24带动转轴21转动，实现机构绕着Z轴方向的旋转运动。
参照图6，上述一维平移工作台9由一个平移滑台27，一个编辑器支架座28，一个编码器支架29，一个编码器30，一个转接轴31，一个电机座32，一个电机顶块33，两个限位开关34，一个限位开关挡片35，一个角板36，一个真空特殊电机作动器37，一个Z轴座38组成。所述真空特殊电机作动器37安装在电机座32上，电机顶块33安装在平移滑台27的运动部份，电机座32安装在平移滑台27固定部份，转接轴31与真空特殊电机作动器37尾部固定后与编码器30相连，编码器支架29与编码器30连接，一起固定在编码器支架座28上，编码器支架座28及限位开关挡片35安装在平移滑台27的运动部份，而限位开关34安装在平移滑台27的固定部份，角板36通过螺钉与一维平移工作台10连接，Z轴座38通过螺钉与中间连接套筒3后端连接。由上述结构中的真空特殊电机作动器37球头顶动电机顶块33，由电机顶块33带动一维平移滑台27的动平台移动，实现机构沿着Y轴方向的移动，并由编码器30进行位置反馈，由限位开关34保证平移滑台27运行的安全性和可靠性。
本发明建立了一个在空间具有六自由度的精密真空定位机构，结构紧凑，占空角度小，运动分辨率高，控制容易，定位精确。
Claims (1)
1.一种靶定位六自由度串联机器人，由快速换靶机构(1)，三维旋转机器人(2)，中间连接套筒(3)和三维平移工作台(4)组成；其特征在于所述中间连接套筒(3)后端固定在三维平移工作台(4)的前端，所述三维旋转机器人(2)固定在中间连接套筒(3)前端，所述快速换靶机构(1)与三维旋转机器人(2)前端连接在一起；
所述快速换靶机构(1)由一个靶套筒(5)，一个靶支撑杆(6)，一个V形块(7)，一个燕尾圆盘(8)组成；实验靶(5.1)通过紧定螺钉(5.2)固定于靶套筒(5)的孔内，靶套筒(5)通过紧定螺钉(6.1)固定于靶支撑杆(6)的孔内，靶支撑杆(6)通过挡圈(7.1)和紧定螺钉(7.2)固定在V形块(7)上，V形块(7)通过滚花螺钉(8.1)固定在燕尾圆盘(8)上，挡片(6.2)一端嵌于靶支撑杆(6)中，一端通过弹簧(7.3)和紧定螺钉(7.4)与V形块(7)连接；
所述三维旋转机器人(2)由θx、θy二维旋转机器人(2-1)和θz旋转机构(2-2)组成；所述快速换靶机构(1)与θx、θy二维旋转机器人(2-1)前端连接，θz旋转机构(2-2)与θx、θy二维旋转机器人(2-1)后端连接；
所述的θx、θy二维旋转机器人(2-1)由一个大圆盘(12)，两个平顶头(13)，一个小圆盘(14)，一个连轴套(15)，两个真空特殊电机作动器A(16)，一个支撑球(17)，两个调节螺帽(18)，两个V形顶头(19)组成；所述大圆盘(12)与小圆盘(14)通过螺钉(14.1)及垫片(14.2)与支撑球(17)连接，所述平顶头(13)和V形顶头(19)通过紧定螺钉(12.1)固定于在大圆盘(12)上，所述支撑球(17)通过螺钉(17.1)与连轴套(15)相连，所述调节螺帽(18)安装在连轴套(15)上，所述真空特殊电机作动器A(16)通过紧定螺钉(15.1)固定在连轴套(15)上，所述调节螺帽(18)和V形顶头(19)之间安装弹簧(18.1)和钢球(18.2)；
所述的θz旋转机构(2-2)由一个法兰(20)，一根转轴(21)，一个外套筒(22)，两个深沟球轴承(23)，一个挡片(24)，一个轴承座(25)，一个真空特殊电机作动器B(26)组成；所述法兰(20)和转轴(21)通过螺钉(20.1)固定连接在一起；所述两个深沟球轴承(23)固定在转轴(21)上，左侧通过挡圈(21.1)固定于轴承座(25)和转轴(21)上，右侧通过圆螺母(21.2)固定在轴承座(25)和转轴(21)上；挡片(24)通过紧定螺钉(21.3)一端固定在转轴(21)上，另一端与安装在轴承座(25)上的弹簧(21.4)和真空特殊电机作动器B(26)连接；所述真空特殊电机作动器B(26)通过紧定螺钉(25.1)固定在轴承座(25)上；轴承座(25)通过螺钉(25.2)固定于中间连接套筒(3)前端；
所述三维平移工作台(4)由功能完全相同的第一、第二、第三三个一维平移工作台(9，10，11)串联组成；每个一维平移工作台(9、10、11)都能完成一个方向上的平移运动，其中第一一维平移工作台(9)完成Y轴方向的平移运动，第二一维平移工作台(10)完成X轴方向的平移运动，第三一维平移工作台(11)完成Z轴方向的平移运动；
每个所述一维平移工作台(9，10，11)由一个平移滑台(27)，一个编辑器支架座(28)，一个编码器支架(29)，一个编码器(30)，一个转接轴(31)，一个电机座(32)，一个电机顶块(33)，两个限位开关(34)，一个限位开关挡片(35)，一个角板(36)，一个真空特殊电机作动器C(37)，一个Z轴座(38)组成；所述真空特殊电机作动器C(37)安装在电机座(32)上，电机顶块(33)安装在平移滑台(27)的运动部份，电机座(32)安装在平移滑台(27)固定部份，转接轴(31)与真空特殊电机作动器C(37)尾部固定后与编码器(30)相连，编码器支架(29)与编码器(30)连接，一起固定在编码器支架座(28)上，编码器支架座(28)及限位开关挡片(35)安装在平移滑台(27)的运动部份，而限位开关(34)安装在平移滑台(27)的固定部份，角板(36)通过螺钉与第二一维平移工作台(10)连接，Z轴座(38)通过螺钉与中间连接套筒(3)后端连接。
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