CN103018866B - 3-dof可快速定位的串并混联镜架机构 - Google Patents

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Abstract

3-DOF可快速定位的串并混联镜架机构，它涉及一种串并混联镜架机构。本发明为了解决现有的镜架机构串联机构无法完成大行程、高精度的问题。本发明的串并混联镜架机构包括三条PSSP运动链(1)、两条PSS运动链(2)、一条PPS运动链(5)、一个动平台(6)和一个静平台(7)，以动平台(6)的几何中心为坐标系的原点，建立笛卡尔坐标系，所述三条PSSP运动链(1)、两条PSS运动链(2)和一条PPS运动链(5)相对于动平台(6)以三面正交支撑的形式连接，三条PSSP运动链(1)、两条PSS运动链(2)完成动平台(6)的多自由度运动，PPS运动链(5)完全支撑动平台(6)的重量。本发明适用于镜架机构中。

Description

3-DOF可快速定位的串并混联镜架机构
技术领域
本发明涉及一种串并混联镜架机构，具体涉及一种3-DOF可快速定位的串并混联镜架机构。
背景技术
光学物理实验要求光学元件在竖直平面内或者与竖直平面成一定角度的平面内工作，并具有在高负载能力的前提下具有一定的稳定性能。长期以来相关的科研人员采用串联机构制造这种镜架，这种机构方案存在以下不足：(1)串联机构各杆件依次相互联接，导致误差的累积和放大，无法达到高精度、高稳定性任务的要求。(2)机构体积庞大，影响了光学元件的尺寸。(3)机构的刚度低，从而降低了机构的负载能力。因此串联机构无法完成大行程、高精度的任务。目前并联机构广泛应用于机床、雷达、运动模拟器、机器人等领域，代表性的机构有Stewart机构、3RPS、Tricept等，这些机构都具有由上下两个平台和若干个并联、可伸缩的杆件组成的特点，通过控制杆件的长度实现动平台位置控制的目的。镜架机构中安装的光学元件要求在竖直平面或者与竖直平面成一定角度的平面内运动，现有并联机构的上下平台、多杆支撑的布局形式无法满足这种运动方式的要求。
综上所述，现有的镜架机构串联机构无法完成大行程、高精度的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的镜架机构串联机构无法完成大行程、高精度的问题，进而提供一种3-DOF可快速定位的串并混联镜架机构。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种3-DOF可快速定位的串并混联镜架机构，串并混联镜架机构具有的自由度为RxyTz，其中R为转动自由度，T为移动自由度，R的下标字母x、y、z表示运动副的转动轴线方向，T的下标字母x、y、z表示运动副的移动轴线方向，所述串并混联镜架机构包括三条PSSP运动链、两条PSS运动链、一条PPS运动链、一个动平台和一个静平台，三条PSSP运动链包括第一PSSP运动链、第二PSSP运动链、第三PSSP运动链，两条PSS运动链分别为第一PSS运动链和第二PSS运动链，以动平台的几何中心为坐标系的原点，建立笛卡尔坐标系，所述三条PSSP运动链、两条PSS运动链和一条PPS运动链相对于动平台以多杆正交支撑、单点承重的形式连接，三条PSSP运动链、两条PSS运动链完成动平台的多自由度运动，PPS运动链完全支撑动平台的重量，
每条PSSP运动链均包括第一P移动副、第一S球面副、第二S球面副和第二P移动副，所述第一P移动副与静平台连接，第二P移动副与动平台连接，第二P移动副、第二S球面副和第一S球面副由左至右依次设置在动平台与静平台之间的连杆上，
每条PSS运动链均包括第一P移动副、第一S球面副和第二S球面副，第一P移动副与静平台连接，第二S球面副和第一S球面副由左至右依次设置在动平台与静平台之间的连杆上，
一条PPS运动链为被动链，所述PPS运动链包括P移动副、P移动副和S球面副，S球面副与动平台连接，P移动副与静平台连接，P移动副与S球面副之间通过P移动副连接，其中S为球面副，P为移动副。
本发明的有益效果是：1.本发明的串并混联机构，具有多杆正交支撑、单点承重的特点，实现动平台的三自由度的大行程、快速精密定位，有效的提高了机构的负载能力和稳定特性。2.本发明的大行程是指行程为mm量级、rad量级、高精度是指精度为nm量级、μrad量级。3.本发明的大行程和快速精密定位通过如下方式实现：宏动并联机构为五自由度机构，大于微动并联机构的自由度数目，机构比较灵活，可以实现动平台的大行程、快速粗定位；微动并联机构为三自由度机构，实现动平台的小行程、精密定位。
附图说明
图1为本发明的三自由度串并混联机构示意图；图2为本发明的五自由度宏动并联机构示意图；图3为本发明的三自由度微动并联机构示意图；图4为PSSP运动链1示意图；图5为PSS运动链2示意图；图6为SSP运动链3示意图；图7为SS被动链4示意图；图8为PPS被动链5示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-图8说明本实施方式，本实施方式的3-DOF可快速定位的串并混联镜架机构，串并混联镜架机构具有的自由度为RxyTz，其中R为转动自由度，T为移动自由度，R的下标字母x、y、z表示运动副的转动轴线方向，T的下标字母x、y、z表示运动副的移动轴线方向，所述串并混联镜架机构包括三条PSSP运动链1、两条PSS运动链2、一条PPS运动链5、一个动平台6和一个静平台7，三条PSSP运动链1包括第一PSSP运动链1-1、第二PSSP运动链1-2、第三PSSP运动链1-3，两条PSS运动链2分别为第一PSS运动链1-4和第二PSS运动链1-5，以动平台6的几何中心为坐标系的原点，建立笛卡尔坐标系，所述三条PSSP运动链1、两条PSS运动链2和一条PPS运动链5相对于动平台6以多杆正交支撑、单点承重的形式连接，三条PSSP运动链1、两条PSS运动链2完成动平台6的多自由度运动，PPS运动链5完全支撑动平台6的重量，
每条PSSP运动链1均包括第一P移动副8、第一S球面副9、第二S球面副10和第二P移动副11，所述第一P移动副8与静平台7连接，第二P移动副11与动平台6连接，第二P移动副11、第二S球面副10和第一S球面副9由左至右依次设置在动平台6与静平台7之间的连杆上，
每条PSS运动链2均包括第一P移动副8、第一S球面副9和第二S球面副10，第一P移动副8与静平台7连接，第二S球面副10和第一S球面副9由左至右依次设置在动平台6与静平台7之间的连杆上，
一条PPS运动链5为被动链，所述PPS运动链5包括P移动副12、P移动副13和S球面副14，S球面副14与动平台6连接，P移动副12与静平台7连接，P移动副12与S球面副14之间通过P移动副13连接，其中S为球面副，P为移动副。
具体实施方式二：结合图2、图5和图8说明本实施方式，本实施方式的第一P移动副8为宏动并联机构的主动副，宏动并联机构为五自由度5PSS-PPS机构，具有的自由度为RxyzTxz，宏动并联机构包括五条PSS运动链2、一条PPS运动链5、一个动平台6和一个静平台7，所述五条PSS运动链2分别为第一PSS运动链2-1、第二PSS运动链2-2、第三PSS运动链2-3、第四PSS运动链2-4和第五PSS运动链2-5，所述五条PSS运动链2和一条PPS运动链5采用多杆正交支撑、单点承重的形式设置在动平台6上，其中第一PSS运动链2-1与静平台7连接，所述五条PSS运动链2均为无约束主动链，P移动副为主动副，正交布局支撑动平台6完成RxyzTxz运动，一条PPS运动链5为恰约束被动链，无主动副，限制机构Ty方向的自由度，同时承受动平台6的重量。如此设置，具有一条被动链，能够实现动平台6的大行程、快速粗定位。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图3、图6-图8说明本实施方式，本实施方式的第二P移动副11为微动并联机构的主动副，微动并联机构为三自由度3SSP-2SS-PPS机构，具有的自由度为RxyTz，微动并联机构包括三条SSP运动链3、一条SS运动链4、一条PPS运动链5、一个动平台6和一个静平台7，所述三条SSP运动链3分别为第一SSP运动链3-1、第二SSP运动链3-2和第三SSP运动链3-3，所述SS运动链4包括第一SS运动链3-4和第二SS运动链3-5，三条SSP运动链3、一条SS运动链4和一条PPS运动链5采用多杆正交支撑、单点承重的形式设置在动平台6上，其中第一SSP运动链3-1与静平台7连接，三条SSP运动链3均为无约束主动链，P移动副为主动副，完成RxyTz运动，两条SS运动链4为被动链，无主动副，限制机构RzTx方向的自由度，一条PPS运动链5为恰约束被动链，无主动副，限制了机构Ty方向的自由度，承受动平台6的重量。如此设置，具有两条被动链，能够实现动平台6的小行程、精密定位。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
本发明的五自由度5PSS-PPS机构和三自由度3SSP-2SS-PPS机构之间是通过一条SS铰链串联形成三自由度(5PSS-PPS)+(3SSP-2SS-PPS)串并混联机构。

Claims (3)

1.一种3-DOF可快速定位的串并混联镜架机构，串并混联镜架机构具有的自由度为RxyTz，其中R为转动自由度，T为移动自由度，R的下标字母x、y、z表示运动副的转动轴线方向，T的下标字母x、y、z表示运动副的移动轴线方向，其特征在于：所述机构包括三条PSSP运动链(1)、两条PSS运动链(2)、一条PPS运动链(5)、一个动平台(6)和一个静平台(7)，三条PSSP运动链(1)包括第一PSSP运动链(1-1)、第二PSSP运动链(1-2)、第三PSSP运动链(1-3)，两条PSS运动链(2)分别为第一PSS运动链(1-4)和第二PSS运动链(1-5)，以动平台(6)的几何中心为坐标系的原点，建立笛卡尔坐标系，所述三条PSSP运动链(1)、两条PSS运动链(2)和一条PPS运动链(5)相对于动平台(6)以多杆正交支撑、单点承重的形式连接，三条PSSP运动链(1)、两条PSS运动链(2)完成动平台(6)的多自由度运动，PPS运动链(5)完全支撑动平台(6)的重量，
每条PSSP运动链(1)均包括第一P移动副(8)、第一S球面副(9)、第二S球面副(10)和第二P移动副(11)，所述第一P移动副(8)与静平台(7)连接，第二P移动副(11)与动平台(6)连接，第二P移动副(11)、第二S球面副(10)和第一S球面副(9)由左至右依次设置在动平台(6)与静平台(7)之间的连杆上，
每条PSS运动链(2)均包括第一P移动副(8)、第一S球面副(9)和第二S球面副(10)，第一P移动副(8)与静平台(7)连接，第二S球面副(10)和第一S球面副(9)由左至右依次设置在动平台(6)与静平台(7)之间的连杆上，
一条PPS运动链(5)为被动链，所述PPS运动链(5)包括第三P移动副(12)、第四P移动副(13)和第三S球面副(14)，第三S球面副(14)与动平台(6)连接，第三P移动副(12)与静平台(7)连接，第三P移动副(12)与第三S球面副(14)之间通过第四P移动副(13)连接。
2.根据权利要求1所述的3-DOF可快速定位的串并混联镜架机构，其特征在于：所述第一P移动副(8)为宏动并联机构的主动副，
宏动并联机构为五自由度5PSS-PPS机构，具有的自由度为RxyzTxz，宏动并联机构包括五条PSS运动链(2)、一条PPS运动链(5)、一个动平台(6)和一个静平台(7)，所述五条PSS运动链(2)分别为第一PSS运动链(2-1)、第二PSS运动链(2-2)、第三PSS运动链(2-3)、第四PSS运动链(2-4)和第五PSS运动链(2-5)，所述五条PSS运动链(2)和一条PPS运动链(5)采用多杆正交支撑、单点承重的形式设置在动平台(6)上，其中第一PSS运动链(2-1)与静平台(7)连接，所述五条PSS运动链(2)均为无约束主动链，P移动副为主动副，正交布局支撑动平台(6)完成RxyzTxz运动，一条PPS运动链(5)为恰约束被动链，无主动副，限制机构Ty方向的自由度，同时承受动平台(6)的重量。
3.根据权利要求1或2所述的3-DOF可快速定位的串并混联镜架机构，其特征在于：第二P移动副(11)为微动并联机构的主动副，
微动并联机构为三自由度3SSP-2SS-PPS机构，具有的自由度为RxyTz，微动并联机构包括三条SSP运动链(3)、两条SS运动链(4)、一条PPS运动链(5)、一个动平台(6)和一个静平台(7)，所述三条SSP运动链(3)分别为第一SSP运动链(3-1)、第二SSP运动链(3-2)和第三SSP运动链(3-3)，所述两条SS运动链(4)包括第一SS运动链(3-4)和第二SS运动链(3-5)，三条SSP运动链(3)、两条SS运动链(4)和一条PPS运动链(5)采用多杆正交支撑、单点承重的形式设置在动平台(6)上，其中第一SSP运动链(3-1)与静平台(7)连接，三条SSP运动链(3)均为无约束主动链，P移动副为主动副，完成RxyTz运动，两条SS运动链(4)为被动链，无主动副，限制机构RzTx方向的自由度，一条PPS运动链(5)为恰约束被动链，无主动副，限制了机构Ty方向的自由度，承受动平台(6)的重量。
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