CN102592684A - 一种空间三维平动二维转动的全柔顺并联机构 - Google Patents

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朱大昌
崔祥府
李培
严智敏
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Abstract

本发明是一种空间三维平动二维转动的全柔顺并联机构，涉及全柔顺并联机构。本发明五个全柔顺支链的每个支链均与相邻支链间有相同角度均匀固定在基座上，微动平台安装在五个全柔顺支链的运动输出端上，精密定位器固定在微动平台的中心位置。其继承了并联机构空间多自由度运动特性，克服常规方式由于螺纹孔行程和传动摩擦等因素对精密定位精度的影响，达到纳米级超精密定位。

Description

一种空间三维平动二维转动的全柔顺并联机构
技术领域
本发明涉及一种空间全柔顺并联机构。
背景技术
近年来，随着微电子技术、通讯技术、宇航技术、精密和超精密加工、生物工程、医学工程等技术的迅猛发展，人们越来越迫切的需要具有纳米级定位精度、多自由度、高度灵活的超精密微定位系统，用于实现高精度的操作和实验研究。为了实现精密定位，通常采用伺服电机和精密丝杠传动方案，然而这种定位方式由于螺纹间隙和传动摩擦的存在，其定位精度一般只能达到微米级。为了补偿传动误差，提高分辨率，往往采用电磁或压电驱动对工作平台进行精细位置调整，但调整过程长、系统复杂，且由于空间耦合作用使得空间定位精度调整难以实现。因此，必须寻求特殊的驱动和传动方式以及高精度的控制方法以使平面工作台具有亚微米，甚至纳米级的位移分辨率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的空间三维平动二维转动的全柔顺并联机构，用于克服上述精密定位平台的不足。
本发明技术方案：一种空间三维平动二维转动的全柔顺并联机构，全柔顺并联机构包含有1个UPU型全柔顺支链和4个SPS型全柔顺支链，这五个全柔顺支链的每个支链均与相邻支链间有相同角度均匀固定在基座5上，微动平台3安装在五个全柔顺支链的运动输出端上，精密定位器4固定在微动平台3的中心位置。
全柔顺并联支链结构是在整块弹簧钢板14、23上经线切割形成，使其在整体上集成多个柔性运动副和柔性连杆并组成全柔顺并联支链结构形式。其中UPU型全柔顺支链1以柔性虎克铰6为起点，柔性连杆7的一端与柔性虎克铰6连接，另一端通过柔性移动副8与柔性连杆9连接，同时柔性连杆9的另一端通过柔性虎克铰10与运动输出端11相连接；柔性连杆12的两端分别连接柔性连杆9和弹簧钢板14；压电陶瓷驱动13驱动柔性连杆12，通过柔性连杆9使各柔性运动副及柔性连杆产生运动，将运动传递至运动输出端11；SPS型全柔顺支链2以柔性球面副15为起点，柔性连杆16的一端与柔性球面副15连接，另一端通过柔性移动副17与柔性连杆18连接，同时柔性连杆18的另一端通过柔性球面副19与运动输出端20相连接；柔性连杆21的两端分别连接柔性连杆18和弹簧钢板23；压电陶瓷驱动22驱动柔性连杆21，通过柔性连杆18使各柔性运动副及柔性连杆产生运动，将运动传递至运动输出端20。
通过一个UPU型全柔顺支链1和四个SPS型全柔顺支链2空间耦合运动关系，实现微动平台3空间具有三维平动二维转动特性的超精密定位运动，从而使固定在微动平台3上的精密定位器4产生相应运动，最终实现空间三维平动二维转动超精密定位。
柔性虎克铰6、10由两个轴线相互正交的柔性转动副组成，连接在柔性连杆上，为柔性连杆提供转动约束。
有益效果：利用柔顺元件的弹性变形传递或转换运动、力或能量的一种新型免装配机构，避免了并联机构由于运动副轴线装配误差及运动副存在的间隙对末端平台运动特性所造成的影响，定位精准；克服常规方式由于螺纹孔行程和传动摩擦等因素对精密定位精度的影响，达到纳米级超精密定位。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为图1中UPU型全柔顺支链1的结构示意图；
图3为图1中SPS型全柔顺支链2的结构示意图。
具体实施方式
将并联机构和柔顺机构的理论相结合，设计出一种柔顺并联机构作为微动超精密定位平台的基本构成，该超精密定位平台具有全柔顺机构。
本发明由一个UPU型全柔顺支链1、四个相同的SPS型全柔顺支链2、固定基座5、微动平台3和精密定位器4组成。
五个全柔顺支链的每个支链均与相邻支链于相同角度均匀的固定在基座5上，微动平台3安装在五个全柔顺支链的运动输出端上，精密定位器4固定在微动平台3的中心位置。安装在UPU型全柔顺支链1上的压电陶瓷驱动13驱动后，柔性连杆12发生变形，通过与柔性连杆9的连接和柔性虎克铰6、柔性移动副8、柔性虎克铰10的弹性变形将运动传递至运动输出端11；同时，在安装在SPS型全柔顺支链2上的压电陶瓷驱动22的驱动下，柔性连杆21发生变形，通过与柔性连杆18的连接和柔性球面副15、柔性移动副17、柔性球面副19的弹性变形将运动传递至运动输出端20。根据五个全柔顺支链的运动来确定微动平台3的运动，从而使固定在微动平台3上的精密定位器4产生运动，最终实现超精密定位。
本发明中精密定位器4、微动平台3、压电陶瓷驱动13、22等均为现有产品。
本发明继承了并联机构空间多自由度运动特性，克服常规方式由于螺纹孔行程和传动摩擦等因素对精密定位精度的影响，达到纳米级超精密定位。

Claims (3)

1.一种空间三维平动二维转动的全柔顺并联机构，其特征在于：空间三维平动二维转动全柔顺并联机构包含有1个UPU型全柔顺支链(1)和4个SPS型全柔顺支链(2)，五个全柔顺支链对称分布并固定在基座(5)上，微动平台(3)安装在五个全柔顺支链的运动输出端上，精密定位器(4)固定在微动平台(3)的中心位置。
2.根据权利要求1所述一种空间三维平动二维转动的全柔顺并联机构，其特征在于：全柔顺并联支链是在整块弹簧钢板(14)、(23)上经线切割形成，使其成为在整体结构上集成有多个柔性运动副和柔性连杆的全柔顺支链；其中UPU型全柔顺支链(1)以柔性虎克铰(6)为起点，柔性连杆(7)的一端与柔性虎克铰(6)连接，另一端通过柔性移动副(8)与柔性连杆(9)连接，同时柔性连杆(9)的另一端通过柔性虎克铰(10)与运动输出端(11)相连接；柔性连杆(12)的两端分别连接柔性连杆(9)和弹簧钢板(14)；压电陶瓷驱动(13)驱动柔性连杆(12)，通过柔性连杆(9)使各柔性运动副及柔性连杆产生运动，将运动传递至运动输出端(11)；SPS型全柔顺支链(2)以柔性球面副(15)为起点，柔性连杆(16)的一端与柔性球面副(15)连接，另一端通过柔性移动副(17)与柔性连杆(18)连接，同时柔性连杆(18)的另一端通过柔性球面副(19)与运动输出端(20)相连接；柔性连杆(21)的两端分别连接柔性连杆(18)和弹簧钢板(23)；压电陶瓷驱动(22)驱动柔性连杆(21)，通过柔性连杆(18)使各柔性运动副及柔性连杆产生运动，将运动传递至运动输出端(20)。
3.根据权利要求2所述一种空间三维平动二维转动的全柔顺并联机构，其特征在于：柔性虎克铰(6)、(10)由两个轴线相互正交的柔性转动副组成，集成于全柔顺支链上，为全柔顺支链运动输出端提供转动约束。
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PB01 Publication
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